Что могут нанотехнологии

Cокращённый примерно вдвое вариант текста научно-популярной лекции

Константин Богданов

На наших глазах фантастика становится реальностью – люди научились перемещать отдельные атомы и складывать из них, как из кубиков, устройства и механизмы необычайно малых размеров, измеряемых в нанометрах.

Появилась целая отрасль науки – нанотехнология, впитавшая в себя самые новые достижения физики, химии и биологии.

В переводе с греческого слово «нано» означает карлик. Один нанометр (нм) – это одна миллиардная часть метра (10^-9 м). Размеры объектов, с которыми имеют дело нанотехнологи, лежат в диапазоне от 0,1 до 100 нм. Большинство атомов имеют диаметр от 0,1 до 0,2 нм, а толщина нитей ДНК – около 2 нм.

Нанометр во столько же раз меньше одного метра, во сколько толщина пальца меньше диаметра Земли.

Идея о том, что вполне можно собирать устройства и работать с объектами, которые имеют наноразмеры, была впервые высказана Ричардом Фейнманом в 1959 г. По словам Фейнмана человек очень долго жил, не замечая, что рядом с ним живёт целый мир объектов, разглядеть которые он не в состоянии. Ну, а если мы не видим эти объекты, то мы не можем и работать с ними.

Ричард Фейнман

Тем не менее, мы сами состоим из устройств, которые прекрасно научились работать с нанообъектами. Это наши клетки – кирпичики, из которых состоит наш организм. Клетка всю свою жизнь работает с нанообъектами, собирая из различных атомов молекулы сложных веществ.

Собрав эти молекулы, клетка размещает их в различных своих частях – ядре, в цитоплазме, в мембране. Представьте себе возможности, которые открываются перед человечеством, если оно овладеет такими же нанотехнологиями, которыми уже владеет каждая клетка человека.

Фейнман так описывает последствия нанотехнологической революции для компьютеров.

«Если, например, диаметр соединяющих проводов будет составлять от 10 до 100 атомов, то размер любой схемы не будет превышать нескольких тысяч ангстрем.

Каждый, кто связан с компьютерной техникой, знает о тех возможностях, которые обещает ее развитие и усложнение. Если число используемых элементов возрастет в миллионы раз, то возможности компьютеров существенно расширятся. Они научатся рассуждать, анализировать опыт и рассчитывать собственные действия, находить новые вычислительные методы и т. п. Рост числа элементов приведет к важным качественным изменениям характеристик ЭВМ».

Фейнман считал, что человек сможет легко освоить наномир, если создаст машину-робота, способного делать уменьшенную, но работоспособную копию самого себя. Пусть, например, мы научились делать робот, который может без нашего участия создавать свою уменьшенную в 4 раза копию. Тогда уже этот маленький робот сможет сделать копию первоначального, уменьшенную уже в 16 раз и т.д. Очевидно, что 10-е поколение таких роботов будут создавать роботы, размеры которых будут в миллионы раз меньше первоначальных.

Чтобы как-то стимулировать создание микрообъектов, Фейнман обещал заплатить 1000 долларов тому, кто соорудит электромоторчик размером 1/64 дюйма (1 дюйм ~ 2,5 см). И совсем скоро такой микромоторчик был создан.

В своей лекции Фейнман говорил и о перспективах нанохимии. Сейчас химики используют для синтеза новых веществ сложные и разнообразные приемы. Как только физики создадут устройства, способные оперировать отдельными атомами, многие методы традиционного химического синтеза могут быть заменены приемами «атомной сборки».

При этом, как считал Фейнман, физики, в принципе, действительно могут научиться синтезировать любое вещество, исходя из записанной химической формулы. Химики будут заказывать синтез, а физики — просто «укладывать» атомы в предлагаемом порядке. Развитие техники манипуляции на атомарном уровне позволит решить многие проблемы химии и биологии.

Нанотехнология стала самостоятельной областью науки и превратилась в долгосрочный технический проект после детального анализа, проведенного американским учёным Э. Дрекслером в начале 1980-х годов и публикации его книги «Машины созидания: грядущая эра нанотехнологии». Вот как начинается его книга.

«УГОЛЬ И АЛМАЗЫ, песок и чипы компьютера, рак и здоровая ткань – на всём протяжении истории, в зависимости от упорядочения атомов, возникало дешевое или драгоценное, больное или здоровое. Упорядоченные одним образом, атомы составляют почву, воздух и воду; упорядоченные другим, они составляют спелую землянику. Упорядоченные одним образом, они образуют дома и свежий воздух; упорядоченные другим, они образуют золу и дым.

Наша способность упорядочивать атомы лежит в основе технологии. Мы ушли далеко в своей способности упорядочивать атомы, от заточки кремня для наконечников стрел до обработки алюминия для космических кораблей. Мы гордимся нашей технологией, нашими лекарствами, спасающими жизнь, и настольными компьютерами.

Однако наши космические корабли всё ещё грубы, наши компьютеры пока ещё глупые, а молекулы в наших тканях всё ещё постепенно приходят в беспорядок, вначале разрушая здоровье, а затем и саму жизнь. При всех наших успехах в упорядочении атомов мы всё ещё используем примитивные методы упорядочения. При нашей имеющейся технологии мы всё ещё вынуждены манипулировать большими, плохо управляемыми группами атомов.

Но законы природы дают много возможностей для прогресса. Хорошо это или плохо, но самое большое технологическое достижение в истории ожидает нас впереди».

Эрик Дрекслер

По определению Дрекслера нанотехнология → «ожидаемая технология производства, ориентированная на дешевое получение устройств и веществ с заранее заданной атомарной структурой».

Как считают многие специалисты, в течение следующих 50-ти лет многие устройства станут такими маленькими, что тысяча таких наномашин вполне смогут разместиться на площади, занимаемой точкой в конце этого предложения. Чтобы собирать наномашины, необходимо:

(1) научиться работать с одиночными атомами – брать их и ставить на нужное место.

(2) разработать сборщики – наноустройства, которые могли бы работать с одиночными атомами так, как это объяснено в п.1, по программам, написанным человеком, но без его участия. Так как каждая манипуляция с атомом требует определённого времени, а атомов очень много, то по оценкам учёных необходимо изготовить миллиарды или даже триллионы таких наносборщиков, чтобы процесс сборки не занимал много времени.

(3) разработать устройства, которые бы изготовляли наносборщики, т.к. их придётся изготовить очень и очень много.

Учёные и технологи уже давно стремятся в мир маленьких размеров, особенно, те из них, которые разрабатывают новые электронные приборы и устройства.

Внедрение в мир наноразмеров, по которому шли изготовители микросхем до сих пор, можно назвать дорогой «сверху вниз». Они используют технологии, хорошо себя зарекомендовавшие в макромире, и лишь пытаются менять масштаб. Но есть и другой путь – «снизу вверх». А что, если заставить сами атомы и молекулы самоорганизовываться в упорядоченные группы и структуры размером в несколько нанометров?

Примерами самоорганизации молекул, образующих наноструктуры, являются углеродные нанотрубки, квантовые точки и дендримеры, более подробно о которых будет сказано ниже.

Первыми устройствами, с помощью которых стало возможным наблюдать за нанообъектами и передвигать их, стали сканирующие зондовые микроскопы – атомно-силовой микроскоп (АСМ) и туннельный микроскоп. Создание атомно-силового микроскопа дало возможность, наконец, «пощупать и увидеть» нанообъекты.

Основой АСМ служит микрозонд, представляющий собой тонкую пластинку-консоль. На ее конце расположен очень острый шип, оканчивающийся одним или группой из нескольких атомов. При перемещении микрозонда вдоль поверхности образца острие шипа приподнимается и опускается, очерчивая микрорельеф поверхности, подобно тому, как скользит по грампластинке патефонная игла.

Над шипом расположена зеркальная площадка, на которую падает и от которой отражается луч лазера. Когда шип опускается и поднимается на неровностях поверхности, отраженный луч отклоняется, и это отклонение регистрируется. В результате, можно строить объёмный рельеф поверхности образца.

Принцип работы сканирующего зондового микроскопа

Сканирующий микроскоп можно использовать и для перемещения атома в точку, выбранную оператором. Для этого сначала создают условия, чтобы атом «прилип» к острию микрозонда, а потом зонд передвигают и «сбрасывают» атом на новое место. Таким образом, удаётся создавать наноструктуры, имеющие размеры порядка нанометра. Ещё в 1990 году сотрудники IBM показали, что это возможно, сложив из 35 атомов ксенона название своей компании на пластинке из никеля.

С помощью зондового микроскопа можно не только двигать атомы, но и создавать предпосылки для их самоорганизации.

Лазерный пинцет представляет из себя устройство, использующее сфокусированный луч лазера для передвижения микроскопических объектов. С помощью оптического пинцета можно передвигать частицы размером от 10 нм до 10 мкм и собирать из них различные структуры.

Есть все основания считать, что в дальнейшем лазерный пинцет станет одним из мощных инструментом нанотехнологий.

Многие перспективные направления в нанотехнологии связываются с углеродными нанотрубками. Это большие молекулы, состоящие исключительно из атомов углерода. Главная их особенность: они выглядят как замкнутые, пустые внутри трубки.

Схематическое изображение однослойной углеродной нанотрубки

Углеродные нанотрубки прочнее графита, хотя сделаны из таких же атомов углерода, потому, что в графите атомы углерода находятся в листах. А каждому известно, что свёрнутый в трубочку лист бумаги гораздо труднее согнуть и разорвать, чем обычный лист. Поэтому-то углеродные нанотрубки такие прочные. Нить, сделанная из нанотрубок, толщиной с человеческий волос способна удерживать груз в сотни килограмм.

Уже сейчас в продаже есть ракетки для тенниса, армированные углеродными нанотрубками для ограничения скручивания и обеспечения большей мощности удара. Применяют нанотрубки и в некоторых деталях спортивных велосипедов.

Необычные электрические свойства нанотрубок могут сделать их одним из основных материалов наноэлектроники.

Способностью собираться вместе и образовывать структуры наноразмеров обладают не только атомы углерода, но многие другие атомы. При этом объединяться, конечно, могут не только одинаковые атомы или молекулы, но и разные. Им надо, просто, помочь.

Объёмное изображение наноструктуры, напоминающей пирамидку, показано на рисунке. Такие наноструктуры назвали квантовыми точками. Своими свойствами они напоминают атомы – «искусственные атомы», имеющие наноразмеры. Но в отличие от настоящих атомов, внутреннюю структуру которых мы изменить не можем, параметры квантовых точек зависят от нас.

Kвантовыe точки

Сейчас разработан метод самосборки квантовых точек из атомов и молекул в растворе. Оказалось, что, если сделать по одинаковой технологии квантовые точки разных размеров и поместить их в разные пробирки, то эти пробирки будут светиться разным светом, хотя все они облучаются монохроматическим светом одной длины волны.

Квантовые точки уже сейчас являются удобным инструментом для биологов, пытающихся разглядеть различные структуры внутри клеток.

Дело в том, что различные клеточные структуры одинаково прозрачны и не окрашены. Поэтому, если смотреть на клетку в микроскоп, то ничего, кроме её краёв и не увидишь. Чтобы сделать заметной определённую структуру клетки, биологи попросили физиков «пришить» к квантовым точкам молекулы, которые прилипали бы именно к данной внутриклеточной структуре.

Как и следовало ожидать, клеточные структуры стали разноцветными и хорошо заметными.

Элементами наномира являются дендримеры – наноструктуры, образующиеся при соединении огромного числа молекул, обладающих ветвящейся структурой.

Внутри дендримера могут образовываться полости, заполненные веществом, в присутствии которого дендримеры были образованы. Если дендример синтезирован в растворе, содержащем какой-либо лекарственный препарат, то этот дендример становится нанокапсулой с данным лекарственным препаратом. Кроме того, полости внутри дендримера могут содержать вещества с радиоактивной меткой, применяемые для диагностики различных заболеваний.

Учёные считают, что, заполняя полости дендримеров необходимыми веществами, можно, например, с помощью сканирующего зондового микроскопа собирать из различных дендримеров наноэлектронные схемы. При этом дендример, заполненный медью мог бы служить проводником и т.п.

Дендримеры

Конечно, многообещающим направлением в применении дендримеров является их возможное использование в качестве нанокапсул, доставляющих лекарства непосредственно клеткам, нуждающимся в этих препаратах.

Центральная часть таких дендримеров, содержащая лекарство, должна быть окружена оболочкой, предотвращающей утечку лекарства, к внешней поверхности которой необходимо прикрепить молекулы, способные прилипать именно к поверхности клеток–адресатов. Как только такие нанокапсулы прилипнут к больным клеткам, необходимо уничтожить внешнюю оболочку дендримера, например, с помощью лазера или сделать эту оболочку саморазлагающейся.

Большинство из нас регулярно пользуются теми или иными достижениями нанотехнологий, даже не подозревая об этом. Например, современная микроэлектроника – уже не микро-, а давно нано-, т.к. производимые сегодня транзисторы – основа всех электронных схем – имеют размеры порядка 100 нм. Только сделав их размеры такими малыми, можно разместить в процессоре компьютера около 100 млн транзисторов. Однако уже ведутся работы над наноструктурами, способными хранить информацию и выполнять логические операции, то есть – заменять транзисторы.

Физические свойства многих веществ зависят от размеров образца. Так, температура плавления частиц золота размером 5–10 нм на сотни градусов ниже температуры плавления куска золота объемом 1 см3. Наночастицы вещества часто обладают свойствами, которых вообще нет у образцов этих веществ, имеющих обычные размеры. Известно, например, что золото и серебро не участвуют в большинстве химических реакций. Поэтому эти металлы и используют для изготовления ювелирных украшений. Однако наночастицы серебра или золота становятся очень хорошими катализаторами химических реакций (ускоряют их протекание).

Кроме того, наночастицы серебра обладают сильным бактерицидным действием – убивают болезнетворных бактерий. Чтобы использовать бактерицидное свойство наночастиц серебра, их стали включать в традиционные материалы, например, ткани для постельного белья. Слоем наночастиц серебра стали покрывать столовые приборы, дверные ручки и даже клавиатуру и мышки для компьютеров, которые, как было установлено, служат рассадниками болезнетворных бактерий. Наночастицы стали использовать при создании новых покрытий, дезинфицирующих и моющих средств (в том числе зубных и чистящих паст, стиральных порошков, мыла) и косметики.

Покрытия, модифицированные наночастицами серебра, могут быть использованы в качестве профилактических антимикробных средств защиты в местах, где возрастает опасность распространения инфекций: на транспорте, на предприятиях общественного питания, в сельскохозяйственных и животноводческих помещениях, в детских, спортивных, медицинских учреждениях. Наночастицы серебра можно использовать для очистки воды и уничтожения болезнетворных микроорганизмов в фильтрах систем кондиционирования воздуха, в бассейнах, душах и других местах общего пользования.

Материалы, составленные из наночастиц, называют нанофазными. Они оказываются гораздо более прочными и гибкими, чем обычные. Например, прочность образца нанофазной меди может в 10 раз превышать прочность обычной. Мелкоячеистая структура нанофазных материалов уменьшает вероятность появления трещин и мешает их распространению.

Чем больше площадь электродов батареек и аккумуляторов, тем больший ток они могут давать. Чтобы увеличить площадь электродов их поверхность можно покрыть проводящими нанокристаллами. Аккумуляторы, пластины которых покрыты наночастицами, способны набирать 80% своей емкости всего за одну минуту зарядки.

Увеличение емкости накопителя жесткого магнитного диска компьютера требует уменьшения размера микрочастиц на его поверхности, но это приводит к снижению точности считываемой информации. Поэтому увеличивать плотность записи информации на диске, используя старые технологии, становится всё сложнее. Чтобы решить эту проблему, разработан способ синтеза магнитных наностержней из сплава железа и платины.

Полученные наностержни создают вокруг сильное магнитное поле, что очень важно для считывающих головок. Это может стать основой для разработки следующего поколения носителей информации высокой плотности.

Нанотехнологии находят своё применение при исследовании отпечатков пальцев. Для контрастирования жирных следов пальцев использовали взвесь золотых наночастиц, способных прилипать к поверхностям, покрытым жиром. Прилипая к жирным бороздкам отпечатков пальцев, они формировали значительно более четкий рисунок, чем можно было бы получить с помощью традиционной техники.

Болезнь человека, как правило, связана с заболеванием не всех, а часто небольшой части его клеток. Но, когда мы принимаем таблетки, то лекарство растворяется в крови, а потом с кровотоком действует на все клетки – больные и здоровые. При этом у здоровых клеток ненужные лекарства могут вызывать так называемые побочные эффекты. Поэтому давнишней мечтой врачей было выборочное лечение только больных клеток, при котором лекарство доставляется адресно и очень маленькими порциями. Нанокапсулы с лекарством, способные прилипать только к определённым клеткам, могут быть решением этой проблемы медицины.

Основное препятствие, мешающее использовать нанокапсулы с лекарствами для адресной доставки больным клеткам – наша иммунная система. Как только клетки иммунной системы встречают инородные тела, в том числе и нанокапсулы с лекарствами, они пытаются разрушить и удалить их останки из кровяного русла. И чем успешней они это делают, тем лучше наш иммунитет. Поэтому, если мы введём в кровь любые нанокапсулы, наша иммунная система уничтожит нанокапсулы до того, как они дойдут до клеток-адресатов.

Чтобы обмануть иммунную систему, предлагают использовать для доставки нанокапсул красные кровяные клетки (эритроциты). Иммунная система легко узнаёт «своих» и никогда не нападает на эритроциты. Поэтому, если прикрепить нанокапсулы к эритроцитам, то клетки иммунной системы, «увидев» плывущий по кровеносному сосуду «свой» эритроцит, не станут «досматривать» его поверхность, и эритроцит с приклеенными нанокапсулами, поплывёт дальше к клеткам, которым эти нанокапсулы адресованы.

Обычную бактерию, обладающую естественной способностью проникать в живые клетки, можно нагрузить наночастицами с лекарствами, и тогда она сможет работать в качестве транспорта по доставке этих лекарств клеткам. Ученые научились прикреплять наночастицы к поверхности бактерий с помощью специальных молекул. Особенно ценно это в генной терапии, где необходимо доставить фрагменты ДНК по назначению, не убив при этом здоровую клетку.

После того, как гены попадают в клеточное ядро, оно начинает вырабатывать специфические белки, корректируя, таким образом, генетическое заболевание. Это открывает новые возможности в области генной терапии. Кроме того, можно заставить бактерии адресно переносить наночастицы с ядом, чтобы убивать раковые клетки.

Расположив матрицу нанотрубок внутри плёнки из гибкого пластика, ученым удалось сделать гибкую электронную матрицу. Гибкие сверхчеткие цветные экраны, сделанные на основе таких плёнок, могут стать логичной заменой современных газет, а может, даже книг.

Нанотехнологии дают возможность создавать поверхность, похожую на массажную микрощётку. Капли воды, попадая на такую поверхность, не растекаются по ней. Любые частички размером более 10 мкм, оказавшись на нановорсистой поверхности, никогда к ней не прилипнут, т.к. касаются её лишь в нескольких точках. Поэтому частички грязи, оказавшиеся на поверхности, покрытой нановорсинками, либо сами сваливаются с неё, либо увлекаются скатывающимися каплями воды.

Такое самоочищение ворсистой поверхности от частиц грязи называют «эффектом лотоса», так как поверхность его листьев тоже покрыты нановорсинками. Похожим образом устроена поверхность крыльев бабочек и многих других насекомых, для которых защита от избыточной воды жизненно необходима: намокнув, они потеряли бы способность летать.

Таким образом, нанотехнология позволяет создавать самоочищающиеся покрытия, обладающие также водоотталкивающими свойствами. Уже разработано самоочищающееся ветровое стекло, внешняя поверхность которого покрыта нановорсинками. На таком стекле «дворникам» делать нечего. Уже есть в продаже постоянно чистые колесные диски для колёс автомобилей, самоочищающиеся с использованием «эффекта лотоса», и уже сейчас можно покрасить снаружи дом краской, к которой бы грязь не прилипала.

Недостатком электрических батареек является то, что они за несколько лет полностью теряют свою мощность, даже если не работают, а лежат на складе (каждый год теряются 15 % энергии).

Причиной падения энергии является то, что даже у неработающих батареек электроды и электролит всегда соприкасаются между собой, и поэтому постепенно меняется ионный состав электролита и поверхность электродов, что и вызывает падение мощности батареек. Чтобы избежать контакта электролита с электродами, их поверхность можно защитить нановолосками, несмачиваемыми водой. Если покрыть эти волоски фторуглеродным полимером, то смачиваемостью можно будет управлять с помощью электрического поля.

Таким образом, если мы хотим пользоваться батарейкой, то, достаточно подать небольшое напряжение на нановолоски и они становятся гидрофильными, в результате чего электролит заполняет всё пространство между электродами, делая батарейку работоспособной. Считают, что эта технология будет востребована для батареек в разнообразных в датчиках, например, сбрасываемых с самолёта в труднодоступных областях.

Плотность нанотрубок в пять раз меньше, чем у стали, а прочность в десятки раз больше. Поэтому, чтобы сделать полимерные материалы более прочными, не увеличивая их веса, химики решили включать в их состав углеродные нанотрубки. Если между соседними волокнами полимерного материала поместить нанотрубку, связав её с ними углеводородными цепочками, то прочность данного участка материала приблизиться к прочности нанотрубки.

Учёные считают, что, если нанотрубки будут занимать 10% объёма полимера, то смогут увеличить его прочность в 20 раз!

Учёные установили, что к поверхности раковых клеток очень хорошо прилипают молекулы фолиевой кислоты. Поэтому, если внешняя оболочка дендримеров будет содержать молекулы фолиевой кислоты, то такие дендримеры будут избирательно прилипать только к раковым клеткам. Таким образом, с помощью этих дендримеров можно раковые клетки сделать видимыми, если к оболочке дендримеров прикрепить ещё какие-нибудь молекулы, светящиеся, например, под ультрафиолетом. Прикрепив к внешней оболочке дендримера лекарство, убивающее раковые клетки, можно не только обнаружить их, но и убить.

Последние годы ознаменовались бурным ростом интереса к нанотехнологии и ростом инвестиций в неё. И это вполне понятно, учитывая, что нанотехнологии обеспечивают высокий потенциал экономического роста, от которого зависят качество жизни населения, технологическая и оборонная безопасность, ресурсо- и энергосбережение. Сейчас практически во всех развитых странах действуют национальные программы в области нанотехнологии. Они имеют долговременный характер, а их финансирование осуществляется за счет средств, выделяемых как из государственных источников, так и из других фондов.

В США одобрена и действует с 2000 года программа развития нанотехнологических исследований – Национальная Нанотехнологическая Инициатива. В течение 2001–2005 г.г. расходы на эту программу только со стороны государства превысили 4 млрд. долларов, а число ученых превысило 100 000 человек, причём частные инвестиции в нанотехнологии примерно в 10 раз превысили правительственные.

В Японии с 1999 года действует японская «Национальная программа работ по нанотехнологии». В Китае пятилетний план 2001 – 2005 включал выделение 300 млн. долларов, позволив выйти на мировой уровень разработок.

В Европейском Союзе программа развития нанотехнологий включает множество проектов, направленных на установление лидирующих позиций на ряде критических направлений, начиная с разработки микроантенн и микроустройств, и заканчивая разработкой микророботов, способных восстанавливать больные человеческие органы. В 2007 год на тематическое направление “Нанонауки, наноматериалы и новые технологии” в ЕС планируется выделить три с половиной миллиарда евро.

На развитие нанотехнологий в России до 2015 г. планируется направить 200 млрд рублей бюджетных средств.

Константин Богданов

http://www.humanism.al.ru/…ticles.phtml?…

Вот пример отличной научно-популярной статьи, которая будет понятна и академику, и чиновнику, и школьнику и одновременно содержит все необходимые научные термины и понятия. Кстати, КБ является автором ещё очень большого числа популярных статей по самым различным темам, которые собраны на его блоге: http://www.inauka.ru/…le73553.html