карлики
Nanos - по-давньогрецькому «карлик». Звідси і назва науки. Основна величина в нанотехнологіях - нанометр, одна мільярдна частина метра. Нанотехнології мають справу з мікроскопічними об'єктами, з мікросвітом - з тисячними і мільйонними частками пилинок. Іншими словами, це технології маніпулювання речовиною на атомному і молекулярному рівні.
Мікрорукі
На початку 1920-х років класик радянської дитячої літератури, один Данила Хармса і Самуїла Маршака Борис Житков написав фантастичне оповідання «Мікрорукі» про геніального винахідника, який зібрав мікроскопічні руки-маніпулятори. Нинішні нанотехнологи працюють, безумовно, не за описаною нижче схемою, але ідеологія їх діяльності передбачена письменником абсолютно точно:
«... Я довго ламав голову і ось до чого прийшов: я зроблю маленькі руки, точну копію моїх - нехай вони будуть хоч в двадцять, тридцять разів менше, але на них будуть гнучкі пальці, як мої, вони будуть стискуватися в кулак, розгинатися, ставати в ті ж положення, що і мої живі руки. І я їх зробив. Мало того, я тонкою роботою годинникового майстра забезпечив їх механізмом, який рухав пальцями, цими маленькими ляльковими пальчиками, в точності за моїм наказом. Я все це управління привів до рукавичок, до особливих рукавичок. Я одягав ці рукавички на руки, і найменше моє рух цілою мережею проводів передавалося ляльковим ручкам: я стисну правий кулак - у маленький кулачок стискається права ручка ... »
Далі за допомогою мікрорук винахідник збирає руки ще меншого розміру. «Я міг своїми мікрорукамі швидко і без промаху працювати під сильним мікроскопом. Найдрібніші паростки злоякісної пухлини я видаляв з живого організму, я рився в хворому оці, як у величезному заводі, і у мене не було відбою від роботи. Але мене це не зупиняло на моєму шляху. Я хотів зробити справжні мікрорукі, такі, якими я міг би хапати частинки речовини, з яких створена матерія, ті неймовірно дрібні частинки, які видно тільки в мікроскоп. Я хотів пробратися в ту область, де розум людський втрачає будь-яке уявлення про розміри - здається, що вже немає ніяких розмірів, до того все неймовірно дрібно. І я став добувати матеріал для нових маленьких рукавичок, щоб зробити ці ультрамікрорукі. Я працював у краплі води. Мені треба було зловити інфузорію-коловертку, щоб з її шкури зробити рукавички. Я дивився в два мікроскопа, я бачив, як крутилися і носилися інфузорії. Я навіть чув легке шльопання їхніх тіл, коли вони стикалися. Мені здавалося, що я сам сиджу в цьому підводному світі ».
Ричард Фейнман
Перший більш-менш розлогий звід методів нанотехнології дав американський вчений Річард Фейнман в знаменитому доповіді «В тому світі повно місця», зачитаному в 1959 році в Каліфорнійському технологічному інституті на щорічній зустрічі Американського фізичного товариства. Фейнман припустив, що можливо механічно переміщати поодинокі атоми за допомогою маніпулятора відповідного розміру. Такий процес, доводив учений, не суперечив би відомим на сьогоднішній день фізичним законам. Слово «нанотехнології» він тоді ще не згадував.
Вперше термін «нанотехнологія» вжив професор Токійського університету Норіо Танігуті в 1974 році: так він назвав виробництво виробів розміром кілька нанометрів. Але головним популяризатором терміна 1980-х роках став американський вчений Ерік Дрекслер, який невтомно розповідав всьому світу про чудеса наносвіту в своїх книгах. Найвідоміша з них - «Машини створення: гряде ера нанотехнології».
мікроскопи
Квантова фізика, на досягненнях якої базується маса сучасних нанотехнологічних відкриттів, вчить, що будь-який спостереження - це маніпуляція зі спостережуваним об'єктом. Вчений, що вимірює, наприклад, імпульс атома гелію, вступає у взаємодію з ним і змінює його первісний стан. В сучасних потужних мікроскопах - найважливіших інструментах нанотехнологій - спостереження і маніпуляція стали нероздільні. Контакт суперкрошечного мікроскопа з атомом діє і на об'єкт, і на інструмент.
Перші кошти для нанотехніки винайдені в швейцарських лабораторіях фірми IBM. У 1982 році був створений растровий тунельний мікроскоп, за що його творці чотирма роками пізніше отримали Нобелівську премію. У 1986 році вони ж зробили атомний силовий мікроскоп.
Принцип дії атомного силового мікроскопа (АСМ) заснований на використанні сил атомних зв'язків, що діють між атомами речовини. Зазвичай в приладі використовується алмазна голка, яка плавно ковзає над поверхнею зразка (як кажуть, «сканує» цю поверхню). При зміні сили, що діє між поверхнею і вістрям, пружинка, на якій воно закріплене, відхиляється, і таке відхилення реєструється датчиком.
За допомогою атомно-силового мікроскопа можна не тільки побачити окремі атоми, але також вибірково впливати на них, зокрема, переміщати атоми по поверхні. Вченим вже вдалося, використовуючи даний метод, створити двомірні наноструктури на поверхні. Наприклад, в дослідницькому центрі компанії IBM, послідовно переміщаючи атоми ксенонa на поверхні монокристала нікелю, співробітники змогли викласти три букви логотипу компанії, використовуючи 35 атомів ксенонa.
наночастки
Це частинки розмірами від 1 до 1 000 нанометрів. Наночастинками можуть, наприклад, бути великі молекули. Або цілі молекулярні сполуки - наприклад, фулерени, одні з найвідоміших на сьогоднішній день наночастинок. Якщо подивитися на них в мікроскоп, можна побачити опуклі замкнуті багатогранники, складені з атомів вуглецю. Називаються вони в честь інженера і дизайнера Річарда Бакминстера Фуллера, який будував будинки і геодезичні конструкції у вигляді таких багатогранників.
Наночастки стали головним об'єктом вивчення нанотехнологій завдяки своїм дивовижним властивостям. Перш за все з'ясувалося, що якщо ретельно очистити наночастинки від всіх сторонніх атомів і молекул, вони можуть самовистраіваться в певні структури. Наприклад, наночастинки деяких органічних матеріалів утворюють надтонкі плівки з чудовими оптичними властивостями - такі плівки почали застосовувати для виробництва сонячних батарей. Структури з наночастинок інших матеріалів виявилися незамінними «впітивателямі» - абсорбентами.
Фулерени проявили цілий букет корисних якостей. Це, по-перше, прекрасний напівпровідник з великим майбутнім в електроніці. А по-друге, суперускорітель зростання штучних алмазів (вихід алмазів збільшується на
30%). Акумулятори та електричні батареї, нові ліки - все це теж стає недалеким майбутнім фулеренів.
нанороботи
Створення робота розміром з бактерію або менше, який за завданням людини будував би з атомів різні об'єкти, а також був здатний до самовідтворення, - в даний час найважливіше завдання нанотехнологій. Батько нанотехнології і наноробототехнікі Ерік Дрекслер назвав подібні машини асемблер, тобто збирачами. Правда, технологія виготовлення такого робота поки існує лише в теорії і називається «керований механосінтез» - складання молекул з атомів за допомогою механічного наближення до тих пір, поки не вступлять в дію відповідні хімічні зв'язки. Для механосінтеза необхідний наноманіпулятор, здатний захоплювати окремі атоми і молекули і маніпулювати ними в радіусі до 100 нм. Наноманіпулятор повинен управлятися або макрокомпьютером, або нанокомп'ютер, вбудованим в робота-збирача (асемблера), керуючого маніпулятором. Загалом, все приблизно так, як це описувалося Житкова в оповіданні «Мікрорукі».
Наноманіпулятор поки не існують, але вже розроблена зондовая мікроскопія, за допомогою якої іноді все-таки роблять переміщення деяких окремих молекул і атомів. Самореплицирующихся структура може виробляти власні копії, побудовані з того ж матеріалу, що і сам реплікатор. Якщо не розробити технологію самореплицирующихся структур, молекулярне виробництво обмежиться тільки мікроскопічними продуктами. Обнадіює те, що природа використовує реплікатори повсюдно - при розмноженні організмів. Давно створені і комп'ютерні програми, здатні до реплікації - ті ж віруси, тому в принципі створення нанореплікаторов - питання часу. На сьогоднішній день в NASA дуже цікавляться створенням автономних кібернетичних пристроїв, здатних до реплікації, для освоєння Місяця і Марса. Фахівці вважають, що створення надмалих автономних космічних пристроїв відкриє новий напрямок в освоєнні космосу і Сонячної системи.
сіра слиз
Потенційне ніщо, сіра зяюча порожнеча, в яку можуть перетворити навколишній світ нанотехнології, якщо щось піде не так. У 1986 році все той же Ерік Дрекслер описав небачено потужну систему нановиробництва майбутнього. Головними героями цього конвеєра, за його поданням, були якраз роботи-збирачі розміром з бактерію, здатні укладати в потрібні місця окремі молекули. Така молекулярна збірка була б надзвичайно продуктивна, оскільки крихітні роботи на мікроскопічних відстанях рухаються дуже швидко, а молекулярні масштаби забезпечують високу точність і міцність збірки. Але Дрекслер вже тоді описав, до чого такий сценарій може призвести. Природно, зручніше за все, коли нанороботів роблять самі нанороботи. Але якщо робота-збирача в принципі можна запрограмувати на самовідтворення, з'являється і ймовірність виходу процесу самореплікаціі з-під контролю - коли роботи-репліканти почнуть переробляти для самовідтворення всю доступну їм матерію і біомасу, стрімко перетворюючи навколишній світ в «сірий слиз» - « gray goo ».
Гігантська магнетоопір
Giant magnetoresistance - так називався ефект, який в 1988 році незалежно один від одного відкрили Альбер Фер і Петер Грюнберг, за що і отримали в цьому році Нобелівку. Вчені виявили, що якщо сконструювати такий собі торт «Наполеон» з найтонших шарів магнітного заліза і немагнітного хрому, а потім до отриманого кристалу прикласти магнітне поле, то електричний опір кристала падає багаторазово. Такі кристали дозволили значно збільшити щільність зберігання інформації як в оперативній пам'яті, так і на жорстких дисках.
Взагалі, нанотехнології поки що показують найбільшу ефективність саме в сфері електроніки: засоби відображення інформації вже поповнилися прозорими і гнучкими дисплеями на основі нанотрубок. Через кілька років з їх допомогою можна буде реалізувати згортаються електронні газети, оновлювані безпосередньо через бездротові мережі.
пластикова сталь
Професор університету Мічигану Ніколас Котов і його колеги кілька місяців тому представили новий матеріал - легкий, як папір, і при цьому міцний, як сталь.
Вчені створили робота, який збудував шаруватий матеріал, по черзі наносячи на скляну підкладку то «цеглини», то «будівельний розчин» зі спеціальних ємностей. Кожен шар при цьому був завтовшки кілька нанометрів, а цеглою для «пластикової стали» послужили наночешуйкі глини, зважені у воді. Дослідний зразок пластикової стали має розміри приблизно як у пластинки жуйки, а товщину - як у поліетиленового пакета. Він прозорий, легкий і міцний, тому що містить 300 подвійних шарів. Але головне: при виникненні зрушень і напруг обірвані водневі зв'язку тут же відновлюються, постійно утримуючи все елементи композиту разом. «Ми все ще перебуваємо на етапі попередніх досліджень, - говорить Котов, - але вже будуємо в нашій лабораторії машину, яка зможе створювати шматочки пластикової стали величиною метр на метр».
наногитаре
Першу в світі і, відповідно, найменшу на планеті гітару створили заради забави 10 років тому в Корнельському університеті. Довжина цієї гітари - 10 мікрометрів. Це розмір клітини крові.
Три роки тому з'явилася ще одна наноновінка - точна копія Gibson Flying V, або «Ластівки». Вона приблизно в п'ять разів більше, ніж перший зразок, але без мікроскопа помітити її, звичайно ж, неможливо. Струни, зроблені з кремнієвих прутиків, дзвенять на 17 октав вище, ніж струни звичайної гітари. Лазерним променем можна смикати ці струни: вібруючи, вони втручаються в промінь, а відбите світло за допомогою електроніки перетворюється в чутні ноти.
нанопанк
Збірник фантастичних оповідань американського письменника Пола де Філіппо «Рібофанк» став маніфестом нанопанк, новітнього фантастичного стилю, що прийшов на зміну кіберпанку. Описується в ньому досить похмурий варіант розвитку нанотехнологій - загибель світу від безконтрольно розмножилися нанороботів. Нанопанк цікавиться створенням розумної матерії, корисними вірусами та іншими молекулярними пристроями.
iPod і нанотехнології
Ніякого відношення iPod nano до нанотехнологій не має - «nano» він став виключно завдяки своїм карликовим розмірами (коли Apple Computer представляла iPod nano, він прийшов на зміну популярному тоді iPod mini). iPod nano, на думку більшості гаджетоведов, був технологічно кращої, більш дорогий, але, на жаль, дуже вразливою альтернативою iPod mini. Інша справа, що вся сучасна електроніка все більш міцними узами зв'язується з нанотехнологіями.
прогнози
Всі прогнози, пов'язані з нанотехнологіями, настільки фантастичні, що не вкладаються в голові. У найближчі 50 років стане можливим:
- автоматичне будівництво орбітальних систем і колоній на Місяці і Марсі;
- вирішення проблеми нестачі їжі, житла і енергії;
- віддалення людської смерті на невизначений термін;
- перебудова людського тіла для збільшення природних здібностей;
- бездротове взаємодія комп'ютера і мікрочіпа, вшитого в людський мозок;
- комп'ютерна техніка трансформується в єдину глобальну інформаційну мережу величезної продуктивності, причому кожна людина буде мати можливість бути терміналом - через безпосередній доступ до головного мозку і органів чуття.
Примітно, що ці прогнози озвучив не фантасти, а цілком серйозні вчені і експерти.
Освіта
У Росії нанотехнологів готують вже в десяти вузах - всі вони перераховані нижче.
1. РХТУ ім. Д. І. Менделєєва, кафедра нанотехнології і наноматеріалів
2. МДУ ім. М.В.Ломоносова, факультет наук про матеріали і хімічний факультет, кафедра колоїдної хімії
3. Самарський державний аерокосмічний університет ім. академіка С. П. Корольова, кафедра нанотехнологій
4. Уфимський державний авіаційний технічний університет, кафедра нанотехнологій, факультет авіаційно-технологічних систем
5. Уральський державний університет ім. О.М.Горького, фізичний факультет
6. Новосибірський державний технічний університет, факультет радіотехніки, електроніки та фізики
7. Московський фізико-технічний інститут (університет), факультет фізичної і квантової електроніки
8. Таганрозький державний радіотехнічний університет, Регіональний міжвідомчий центр колективного користування «Нанотехнології»
9. МГТУ ім. Н. Е. Баумана, кафедра «Проектування і технологія виробництва ЕА»
10. Московський інститут електронної техніки, кафедра «Квантова фізика і наноелектроніка»