II.2.3. Нанотехнологии как базовая часть высоких технологий

В. А. Аршинов и соавторы отмечает, что эпоха Hi-Tech в ближайшие годы будет существенно обостряться становлением ее нанотехнологической составляющей.

Жукова определяет различие между нанотехнологией и нанонаукой, являющейся базисом для нанотехнологических исследований. Нанонаука представляет собой новое междисциплинарное научно-техническое направление на стыке физики, химии, биологии, техники, медицины и материаловедения.

Историю зарождения нанонауки приводят в своих работах А. Грунвальд и О. В. Летов. Этот момент связывают с лекцией Р. Фейнмана под названием «На дне существует много пространства», прочитанной в 1959 г. Представители химии же считают, что формирование нанонауки началось намного раньше, когда ученые предложили новый взгляд на изучение коллоидного состояния веществ. Коллоидное состояние является промежуточным между отдельными молекулами и макрочастицами. Одним из первых, кто обратил особое внимание на такое состояние, был лауреат Нобелевской премии, автор работ в области химической кинетики и катализа, В. Оствальд (1853 – 1932 гг.). Оствальд выдвинул предположение, что вещества, находясь в коллоидном состоянии, проявляют необычные механические, электрические и оптические свойства и предложил для них интересные применения.

Жукова и Летов приводят понятие нанонауки: это фундаментальные исследования явлений и взаимодействий на атомном, молекулярном и сверхмолекулярном уровнях (область 1-100 нм), где материя проявляет новые свойства.

Грунвальд указывает, что словосочетание «нанотехника» впервые употребляется в 1974 г. японским физиком Норио Танигучи. Появления же термина «нанотехнология» связывается с именем Э. Дрекслера, автора книги «Машины созидания», 1986 г. [11, 12].

Коллектив авторов заявляет о невозможности строгого определения понятия нанотехнологии в связи с усиливающимся взаимовлиянием базовых технологий феномена Hi-Tech [13].

Жукова называет нанотехнологией набор конкретных технологий и методик, основанных на манипуляциях с отдельными атомами и молекулами.

Летов включает в нанотехнологию описание, производство и применение структур, имеющих новые физические, химические и биологические свойства благодаря контролю над формой и размером на нанометрическом уровне (1 нм = 10^-9 м, диаметр человеческого волоса составляет порядка 80 000 нм, размер красных кровяных телец – 2000-3000 нм). По сравнению с нанотехнологией, ее предшественница микротехнология оперировала с объектами гигантских масштабов (размером, например, с амебу).

Грунвальд дает историческую справку о том, что техническая возможность целевого оперирования на атомарном уровне стала очевидной после открытия и изобретения в 1980-е гг. растровой зондовой микроскопии. Демонстрацией такой возможности стало «написание» фирменного знака IBM с помощью 35 атомов на поверхности монокристалла.

Возникновение нанотехнологии Жукова связывает с процессом взаимодействия двух направленных навстречу друг другу стратегий предметной деятельности – процессов миниатюризации и усложнения молекулярной структуры при химическом синтезе.

Летов детальнее поясняет эти процессы: процесс миниатюризации – это путь «сверху-вниз», процесс усложнения молекулярной структуры – путь «снизу-вверх», приведший к созданию методов атомной и молекулярной сборки. В первом случае человек играет роль скульптора, формируя структуру из имеющегося материала, во втором – строителя.

Жукова и Летов рассматривают специфику наноуровня: движение на нем происходит в соответствие с законами не классической, а квантовой механики, определяющими свойства структур и закономерности формирования частиц. Таким образом, чтобы понять нанонауку и нанотехнологию, необходимо научиться мыслить о малом. На квантовом уровне возникают принципиально новые возможности (например, возможность создания квантового компьютера).

Летов указывает на способность наноматериалов поглощать световые волны определенной длины, превращая один цвет в другой, что во многом обуславливается нахождением наномасштабных частиц близи поверхности. Автор приводит интересные примеры таких эффектов. Первый пример рассказывает о древних римлянах, которые знали, как окрасить стекло в красный цвет, добавляя к нему немного золота, однако не догадывались, что цвет изменяется благодаря наночастицам золота.

Второй пример описывает хорошо известную биологам голубую бабочку, цвет крыльев которой виден на расстоянии сотен метров. Однако голубой пигмент не содержится в крыльях бабочки. Как показали исследования, крылья бабочки покрыты тесными рядами прозрачных чешуек. Эти прозрачные чешуи образуют слои, отражающие голубой свет. Толщина каждого слоя составляет 62 нанометра, а расстояние между слоями – 207 нанометров. Такие пространственные соотношения и позволяют отражать мерцающий голубой свет.

Жукова приводит пример созданных человеком нанострукур – полупроводниковые гетероструктуры, представляющие собой чередование нескольких слоев одного материала, например арсенида галлия (GaAs), и нескольких слоев другого материала, например арсенида алюминия (AlAs).

Жукова подразделяет нынешнюю нанотехнологию на нанотехнологию в электронике, наноматериалы и нанотехнологию в биологии и медицине.

Летов приводит идеи одного из первых теоретиков нанотехнологии Э. Дрекслера, который предложил проводить различие между продуктами нанотехнологии и нанопроизводством, или молекулярной нанотехнологией (МНТ). Если первые целиком относятся к настоящему времени, то второе – категория будущего, открывающая беспрецедентные перспективы развития для человечества. В отличие от микротехнологии, в рамках которой миллиарды атомов являются «неуправляемым стадом», МНТ – это высокоточная молекулярная инженерия, где каждой частице отводится конкретное место.

Основной практической проблемой в наноиндустрии на сегодняшний день является управляемый механосинтез, т.е. составление молекул из атомов. Дрекслер для решения этой проблемы предложил создание большого количества наноманипуляторов, работающих в рамках единой системы. Наноманипулятор должен захватывать отдельные атомы и молекулы и манипулировать ими в радиусе до 100 нанометров. Для управления наноманипулятором необходим либо макрокомпьютером, либо нанокомпьютером, встроенный в робота-сборщика (ассемблера) управляющего манипулятором.

Альтернативой ассемблерам по Дрекслеру являются нанофабрикаторы. В отличие от ассемблеров, способных к самовоспроизводству, фабрикаторы не могут порождать себе подобных без посторонней помощи. В этом смысле фабрикаторы менее сложны, хотя и не менее эффективны, и представляют меньшую опасность для окружающих.

Если допустить, что размер частей на каждой стадии конструирования макрообъектов удваивается, то требуется лишь 30 этапов, чтобы перейти от частей размером в несколько нанометров, к макрообъектам размером около 1 метра.

«Мозги и тело» будущим сборщикам способен дать сложностный процесс NBIC-конвергенции, в котором нанотехнологии выступают катализирующим ядром.

Таким образом, нанотехнологии, как и весь феномен Hi-Tech, представляют собой сложностные конвергирующие технологии, несущие с собой риски самоорганизации и выхода из под контроля человеком.