Виктор Балабанов - Нанотехнологии. Правда и вымысел

В 2005 году профессор Джеймс Тур и его коллеги из техасского Университета Райса (Rice University) создали молекулярную механическую «конструкцию» – цельномолекулярный четырехколесный «наноавтомобиль», шириной около 2 нм, работающий на поглощении энергии света (рис. 46). Он состоял примерно из трех сотен атомов и имел раму и оси (фениленэтиленовый олигомер), химически связанные ковалентными связями с четырьмя фуллереновыми колесами (бакиболлами), то есть сферами из 60 атомов.

Рис. 46. Схематичная атомная конструкция наноавтомобиля

Первый «наномобиль» проявил способность к перемещению только по золотой поверхности и только в интервале температур 170–225 °C из-за высоких сил сцепления (адгезии) с поверхностью золота при более низких температурах.

С помощью электронного микроскопа было установлено, что «наноавтомобиль» может двигаться только в перпендикулярном направлении к осям конструкции, что указывает на реализацию вращающего движения колес, а не их скольжение по поверхности.

На разработку и создание «наноавтомобиля» потребовалось восемь лет. Причем самой сложной задачей оказался как раз поиск решения о креплении четырех фуллереновых колес несущей части. Рама «наноавтомобиля» была изготовлена учеными при помощи реакций кросс-сочетания, катализируемых палладием, причем эта работа заняла менее 10 % затраченного времени. При этом у фуллереновых «колес» оказались слишком большие потери на адгезию, и их пришлось заменить карборановыми (борорганическими).

В 2009 году, по некоторым сообщениям [сайт Rice University, 30.01.2009], американские ученые профессор Стефан Линк (Stephan Link), Анатолий Коломейский и др. усовершенствовали предыдущую разработку, создав «наномашину», двигавшуюся уже при комнатной температуре и непроводящей (не золотой) поверхности. Они также снабдили конструкцию флуоресцентной меткой, позволившей замерить скорость передвижения автомобиля – 4,1 нм/с (14,76 мкм/час). Можно считать, что на настоящий момент это мировой рекорд скорости для «наноавтомобилей», который заслуживает занесения в «Книгу рекордов Гиннесса».

Данная конструкция представляет собой первый шаг в направлении молекулярного производства (эволюционной нанотехнологии) и открывает возможности изучения манипулирования вещами на наноуровне в небиологических системах, о чем писал Эрик Дрекслер. В планах ученых – создание грузовых нанотранспортных средств («наногрузовиков») для перевозки грузов (молекул) к конвейерам нанофабрик.

Радикальная нанотехнология – это нанороботы (предполагаемые конструкции и результаты их использования в настоящее время существуют лишь в фантастических рассказах и кинофильмах). Они способны к перемещению в окружающей среде и снабжены бортовой системой управления. Нанороботы могут быть использованы для решения широкого круга задач, включая диагностику и лечение болезней, в том числе борьбу со старением, для перестройки организма человека «по заказу», изготовления сверхпрочных конструкций вплоть до лифтов «Земля-орбита» и даже «Земля-Луна», терраформирования (изменения) Луны, других планет, их естественных спутников и т. д.

Один из самых известных последователей идей Дрекслера и мыслитель в области молекулярной нанотехнологии – австралийский ученый и писатель Джон Сторрс Холл (John Storrs Hall). Он основал сайт новостей sci.nanotech Usenet, которым руководил на протяжении десяти лет. Холл два года работал в качестве главного специалиста Nanorex Inc. Он написал несколько научных работ по нанотехнологии и разработал такие идеи, как конструкторский туман, космический пирс – концепция космического гибрида пирса-башни и космический автомобиль. В 2006 году Институтом предвидения нанотехнологий (Foresight Nanotech Institute) С. Холл награжден премией Р Фейнмана не только за научные работы, но и за популяризацию идей из области молекулярной нанотехнологии. Время от времени на различных конференциях по нанотехнологиям доктор Холл представляет концепцию космического пирса как один из фантастических проектов, реализация которого будет технически и экономически возможна методами молекулярной нанотехнологии.

Идея космодрома, использующего силы земного притяжения и центробежного ускорения в виде системы супервысоких башен, связанных между собой специальной дорогой, достаточно стара. Еще в 1686 году в одном из писем Исаак Ньютон рассуждал об использовании в качестве средства передвижения конструкции (повозки), основанной на этих принципах.

Основоположник космонавтики Константин Эдуардович Циолковский (1857–1935) еще 1895 году в своей работе «Грезы о Земле и небе» также выдвинул аналогичные идеи транспортных космических систем: космического лифта и центробежного ускорителя.

Основная же идея космодрома Холла заключается в необходимости построить конструкцию из синхронных башен высотой от 100 км (62 мили) до 300 км (186 миль). Вся система должна быть соединена специальным токопроводящим рельсом или каким-то иным способом, позволяющим использовать для разгона индукционные (электромагнитные) поля (рис. 47).

Рис. 47. Схема космического старта с пирса-башни

Космический корабль (космический автомобиль) поднимается вертикально вверх на первую башню высотой 100 км над уровнем земли и устанавливается на этот рельс (путь). Затем за счет электромагнитных сил и центробежного ускорения Земли он разгоняется до необходимых скоростей, достаточных для выхода в открытый космос, полетов на Луну, Марс или Венеру.

В общем, упрощенно можно сравнить данную идею с катанием с горки на санях. Чем выше горка, тем быстрее едешь, при этом для движения вниз не затрачивается никаких дополнительных усилий (энергии), кроме как силы притяжения. В случае с космическим автомобилем имеется еще один дополнительный разгонный фактор – центробежные силы от вращения Земли вокруг своей оси.

Такая фантастическая идея имеет множество климатических, социальных, технических и технологических проблем, делающих ее невыполнимой в ближайшее время. Ведь для строительства подобной конструкции потребуется расширение производственных мощностей по производству различных наноструктур высокого качества, прежде всего трубок (наномолекулярное производство). Проект потребует до 100 тыс. тонн практически идеального нанотрубчатого графита большой длины для строительства башен и прокладки кабельных сетей протяженностью порядка 80 тыс. км.