В наше время только ленивый еще не говорил о нанотехнологиях. Списав гигантских человекоподобных роботов в утиль, мы все с надеждой ожидаем появления нанороботов, которые будут чистить нам кровеносные сосуды, уничтожать раковые клетки, — и воевать за нас на полях сражений третьего тысячелетия.

Ученые, которых бум в нано отрасли вынуждает регулярно давать интервью на эту тему, с трудом сдерживая смех, пытаются объяснить профанам: «Нано – это очень маленький масштаб, так что мы просто собираем вместе несколько молекул и атомов». Но военным не до смеха: прямо сейчас в небольших лабораториях совершаются открытия, которые кардинально изменят лицо войны. И не только войны, но всего мира.
  

Чего стоят, например, сообщения о том, что уже через год-другой на испытания в американскую армию поступят основанные на нанотехнологиях устройства, способные определять местоположение взрывчатых веществ и детонаторов. Их рабочий элемент легко умещается на кончиках пальцев, а испускаемый ими сигнал, отражаясь, создает акустический образ, позволяющий детектировать искомые объекты. И не только детектировать, — такие устройства смогут и обезвредить вражеские мины – до того, как к них можно было бы подобраться обычными средствами.

Надо ли говорить, что многомиллионные гранты, выделяемые на подобные исследования военными ведомствами развитых стран, могут быть легко оправданы в глазах налогоплательщиков, которым регулярно показывают в новостях сообщения о терактах и лица солдат, погибших в Ираке, Афганистане и прочих местах, куда должна наконец придти демократия?

А разве в самих развитых странах, нет работы для наносенсоров? Не сегодня-завтра детекторы, основанные на наночастицах золота диаметром в десятимиллионные доли миллиметра, будут способны за считанные секунды обнаружить молекулы ДНК прямо на месте преступления.

Но оставим на время милитаристские и полицейские частности, и обсудим более общие вопросы нанотехнологий и их возможные применения. Один нанометр – это одна миллиардная метра. Это величина, все лишь в 10 раз большая диаметра самого маленького из атомов — атома водорода. Если сравнить нанометр с привычными нам объектами, то он примерно в сто тысяч раз меньше толщины волоса. В самом сердце нанотехнологий – способность наблюдать и конструировать объекты таких размеров.  Можно сказать, что эта новая отрасль науки порождена чисто техническими успехами, когда наконец количество, то есть рост чувствительности приборов, перешло в качество, —  в открытие совершенно неизведанных свойств веществ и материалов.

Ученые столкнулись с тем, что в «наноскопическом» масштабе самые обыденные материалы из повседневной жизни начинают вести себя непредсказуемым и невообразимым образом. Иными словами, свойства и поведение сверхмалого количества какого-либо материала сильно отличаются от известных свойств его «макроскопического» куска. Мало того, при дальнейшем уменьшении размеров этого сверхмалого кусочка его свойства продолжают изменяться. Таким образом, контролируя один только размер образца, мы можем менять свойства его вещества.

Это приводит к появлению своего рода целого «фазового пространства» новых материалов. Как если бы таблица Менделеева перестала быть плоской, но превратилась в трехмерную книгу, страницы которой отличаются количеством атомов или молекул в исследуемом образце вещества. На каждой странице такой книги каждое вещество таблицы ведет себя по-своему.

Да, свойства немного разных по размеру образцов одного и того же вещества слегка отличаются друг от друга, когда они так малы. И тот факт, что мы можем задавать уникальные свойства наноматериалов, привел к тому, что слово «нано» уже стало своего рода «мемом» начала века. От нанотехнологий ожидают быстрейших компьютерных чипов, новых фильтров для решения проблем экологии, сверхмалых медицинских устройств, которые могли бы лечить человека изнутри, перемещаясь по кровеносной системе, и – чего еще только от них не ждут в самом недалеком будущем!

Справедливости ради надо отметить, что какими бы новомодными ни казались нанотехнологии, на деле человечество уже веками пользуется ими. К примеру, уже многие столетия известные стеклянные витражи обязаны своими цветами процессу контролируемого нагревания и охлаждения, который позволяет подогнать размер мельчайших кристаллов, находящихся в стекле. Это средневековая нанотехнология…

Чем же мы отличаемся от тогдашних мастеров? У нас есть возможность рассматривать предметы в наномасштабе и видеть, что в действительности происходит с материалами. Это дает нам возможность заранее сознательно конструировать материалы с новыми свойствами, вместо того, чтобы открывать их случайным образом в процессе работы. Хотя конечно, понимание и управление поведением наноматериалов – вещь далеко не простая.

Как мы сказали, материалы, состоящие из одного и того же вещества, но полученного в виде наночастиц разных размеров, ведут себя по-разному. При получении кристаллов, состоящих из 100, 50 и 25 атомов, — практически все свойства материала значительно меняются. И не просто «значительно», а радикально!.. Возьмем макроскопический кусок кремния, — он выглядит, как темный камень. Но если взять кремний в виде наночастиц определенного размера, — он становится синеватым. Слегка увеличив размер наночастиц, можно сделать кремний красным. Вещество полностью меняет свой внешний вид просто из-за изменения размеров его частиц.

Современная наука объясняет это явление на основе представлений об электронах, заключенных в кристаллах вещества. Когда величина кристалла становится очень маленькой, электрон оказывается как бы зажатым в слишком маленькой клетке. Чем меньше размер кристалла, тем выше кинетическая энергия электронов, что может быть описано, как уменьшение длины его волны.

Другим фактором, определяющим поведение наноматериалов, является отношение объема наночастиц к площади поверхности. У столь малых объектов снаружи вещества гораздо больше, чем внутри! На таких масштабах площадь поверхности очень быстро растет в сравнении с объемом. При этом частенько материал вообще имеет одну только внешнюю поверхность без внутреннего объема, — когда все атомы наночастицы находятся на ее поверхности (например, нанотрубка толщиной в один слой атомов).

А ведь чем больше поверхность, тем больше реакций может происходить на ней. Это очень выгодно, например, для фильтрования, — чем больше поверхность, тем эффективнее работает фильтр.

Наша способность наблюдать, контролировать и изменять наноразмерные объекты породила огромное количество возможных применений наноматериалов. Она даже позволила ученым создавать наномеханические машины, — моторчики, которые тысячами уместились бы на кончике иглы. Впрочем, созданиям человеческого разума здесь еще очень далеко до природных «наномашин», собранных из белковых молекул. В моторчиках, с помощью которых перемещаются одноклеточные, есть все необходимые детали, — но они сделаны совсем не так, как искусственные нанодвигатели. И здесь еще предстоит расшифровать многие загадки, чтобы поучиться у матушки-природы.

Говоря об уроках, которые природа могла бы преподать нам, нельзя обойти стороной проблемы экологически чистых источников энергии. Каждую минуту Земля получает достаточно солнечной энергии, чтобы удовлетворить потребности всего человечества на целый год. Фотосинтез и фотоэффект, хлорофилл и фотоэлемент – вот как по-разному походят природа и человек к задаче утилизации солнечного света. Традиционные кремниевые фотоэлементы далеки от совершенства: они тяжелы, дорогостоящи, и легко повреждаются. Нанотехнологии спешат помочь нам в соревновании с природой: фотоэлементы на основе полимерных пленок толщиной в десятки нанометров стали одной из многообещающих новинок последних лет.

Итак, возвращаясь к тому, с чего мы начали эту заметку, надо конечно же сказать, что не все исследования в области нанотехнологий одеты в военную или полицейскую форму. К примеру, говоря о тех же нано-детекторах, упомянем, что ученые в этой области сейчас работают на военных не без задней мысли о возможности обнаружении раковых клеток и вирусов еще при таком низком содержании в организме, которое обеспечит высокую вероятность излечения на очень ранних стадиях развития опухолей и болезней.

Жаль только, что воспользоваться достижениями нанотехнологий смогут лишь те, кого с их помощью не отправят в могилу или за решетку.

GD Star Rating
loading...
Нанотехнологии: с переднего края науки на передний край боевых действий, 10.0 out of 10 based on 2 ratings

Добавить комментарий