Кристиан Жоаким - Нанонауки. Невидимая революция

Вооружившись туннельным микроскопом, физики и химики при случае тоже создают новые молекулы, если это, например, помогает создать новые наномашины, новые механические двигатели или новые вычислительные устройства, еще меньшие по размерам, чем существующие. И этот восходящий подход — весьма многообещающ: уже исследуется возможность функционирования удивительнейших сверхкрошечных машин, состоящих, в сущности, из одной-единственной молекулы, и мы поговорим в главе 4 о том, какими будут следующие поколения механизмов этого рода и на каких сборочных линиях их будут собирать.

Полученное с помощью туннельного микроскопа изображение 51 атома золота (и еще одного атома, химическую природу которого выяснить не удалось) на поверхности кристалла золота. Атомы выглядят бугорками высотой 0.15 нм (нанометр — миллионная доля миллиметра). Каждый из этих атомов был перемещен иглой микроскопа, с тем чтобы образовалась надпись: NANO (нано). При точности позиционирования порядка 0,05 нм наименьшее расстояние между соседними атомами разных букв равно 1,2 нм. Надпись, подстановкой атома к атому, создали специально для настоящей книги и под руководством ее автора на низкотемпературном микроскопе компании Createc исследователи Соэ Вэ-Хё и Карлос Мансано из группы Atom Technology института IMRE при агентстве A*STAR в Сингапуре. Размеры изображения: 10 x 30 нм

Настанет, можно не сомневаться, такой день, когда будут возведены куда более величественные сооружения, например те молекулы, без которых невозможна жизнь, такие как ДНК, белковые молекулы или молекулы клеточных мембран. Но, положим, все это достигнуто, сборочные линии молекул налажены, что дальше? Не окажется ли тогда сама жизнь на грани, за которой следует этакая музеификация, превращение всего живого в подобие исторического памятника, а то и в пережиток прошлого? Жизнь во всех ее формах нас очаровывает и зачаровывает, мы воспринимаем ее как нечто священное. Где же скрыта сущность жизни, если не в монументальном нагромождении атомов, образующих живую клетку? Поисками ответов на подобные вопросы мы займемся в главе 5, где, среди прочего, обсудим и то, есть ли какие-то шансы на осуществление дерзкой (или глупой) мечты о творении жизни «из ничего».

Нанотехнологии ставят перед нами и другие тревожные вопросы: а что, если наномашины станут настолько самостоятельными, что вздумают отделаться от нас? А вдруг они будут отравлять или загрязнять окружающую среду? О нанотехнологиях много и ожесточенно спорят, но, несмотря на все словопрения и вопросы, возникающие в связи с техническим прогрессом, плоды его не бывают только горькими или исключительно сладкими: скорее уж уместно говорить о балансе между выгодами и неудобствами его достижений. Отчитаться об упомянутых спорах мы попробуем в главе 6 и там же попытаемся выяснить, чем грозит использование подобных бесконечно малых механизмов.

Авторы намерены рассказать о том, что такое на самом деле эти пресловутые нанотехнологии, и поделиться своими размышлениями о научных и технических следствиях этого сравнительно нового явления. Поэтому желающим прочесть предлагаемую книгу мы советуем вспомнить о тяге к познанию, присущей человеку. Чаще она устремлена к чему-то непомерно большому — к звездам или галактикам. Но ведь чудесно все беспредельное и бесконечное — малое или огромное. И, наверное, потому чудеса в этом мире не кончатся никогда.

В 1980-е годы нанотехнологии, казалось бы, предлагали выход мечтателям, озабоченным будущим планеты. Тогда стало очевидно, что с расточительностью пора покончить или она покончит с нами: слишком уж много энергии и вещества тратится на производство всех наших машин. В самом деле сейчас, для того чтобы изготовить один микропроцессор, необходимо сжечь 240 кг ископаемых энергоносителей, истратить 22 кг различных химических соединений и 1500 л воды. На производство одного маленького ключа шины USB (такая шина есть в любом компьютере) расходуется 250 л воды и множество химических веществ, преимущественно синтетических и, как правило, загрязняющих среду обитания [1] Kuehr R, Williams Е. Computers and the Environment. Understanding and Managing their Impacts. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 2003. .

От нанотехнологии, бывшей еще в колыбели и только начинавшей что-то лепетать, ожидали, что она избавит промышленность от алчного поглощения природного сырья и других материалов и введет нашу цивилизацию в эру устойчивого развития [2] Термин изобретен членами знаменитого Римского клуба, призывавшими, для сохранения среды, к «нулевому развитию» — без роста экономики или хотя бы к устойчивому развитию — без кризисов и катаклизмов (отсюда контроль над рождаемостью, мечты о безотходных производствах и т. п.). ( Прим. перев. ). . Так думал тогда не только один из авторов этой книги, о том же грезили и другие исследователи. Подобно тому, как Французская революция затевалась ради третьего сословия, я надеялся, что примерно то же произойдет с, так сказать, «сословием мелким», причем на всей планете, и эта перспектива виделась мне осуществлением юношеских мечтаний. Меня увлекало нахождение все новых и новых технологий, не причинявших ущерба окружающей среде и применимых в любой и каждой отрасли промышленности. К примеру, я обратил внимание на работы Кевина Алмера, директора исследовательского отдела фирмы Genex. Он предвидел возможность производства ультраминиатюрных электронных микросхем на основе белков, синтезируемых генетически запрограммированными бактериями. Этот ученый, в сущности, предсказал появление съедобных микропроцессоров! В тот же мой список попали и работы американского химика Ари Авирама, сотрудника принадлежащих компании IBM и расположенных близ Нью-Йорка исследовательских лабораторий Т. Дж. Уотсона. Авирам предложил так уменьшить размер электронного компонента (например, транзистора), чтобы он помещался в молекуле. Он даже попытался создать электронный переключатель на одной молекуле, прерывающей электрический ток, — иначе говоря, электронный молекулярный выпрямитель, пропускающий ток только в одном направлении.

Рассуждая в том же направлении, Форрест Картер, американский химик, работавший в военно-морской исследовательской лаборатории NRL, решил, что просто уменьшать отдельные электронные компоненты — недостаточно: хорошо бы загнать весь электронный узел в несколько молекул. Или заставить скопление из нескольких молекул вести себя как усилитель или микропроцессор. Если бы это удалось, то микроэлектроника превратилась бы в «наноэлектронику», и воздействие электронной промышленности на окружающую среду стало бы более щадящим.