Нанотехнологии - это ворота, открывающиеся в иной мир

Нанотехнологическое сегодня

В последние годы темпы научно-технического прогресса стали зависеть от использования искусственно созданных объектов нанометровых размеров (1 нанометр (нм) равен одной миллиардной доле метра или, что то же самое, одной миллионной доле миллиметра). Созданные на их основе вещества называют наноматериалами, а способы их производства и применения - нанотехнологиями. Невооруженным глазом человек способен увидеть предмет, диаметром примерно 10 тыс. нанометров.
Альманах "Понимая Нанотехнологию"\Understanding Nanotechnology отмечает, что несмотря на то, что термин "нанотехнология" стал весьма популярным в последние годы, даже люди, выступавшие в поддержку развития этой отрасли науки и техники, часто весьма приблизительно представляют о чем идет речь. Показательно, что в академическом словаре американского английского Webster Dictionary выпуска 1966 года слово "нанотехнология" не значится, несмотря на то, что исследования в наносфере к тому времени проводились достаточно давно.

США впервые выделили значительные бюджетные средства на развитие нанотехнологий при президенте Билле Клинтоне\Bill Clinton. В анонсирующей этот факт речи (была произнесена в 2000 году) Клинтон объяснил, что нанотехнологии позволяют создать из куска вещества, размером с кусочек сахара, материал, который в десять раз крепче стали. Это определение ныне воспринимается, как вульгарное и донельзя примитивное, однако нет гарантии, что и нынешние определения нанотехнологии в обозримом будущем не устареют и не будут выглядеть кошмарным анахронизмом. Вероятно наибольшие шансы на выживание имеет определение, данное Ритой Колвелл\Rita Colwell, директором Национального Фонда Науки США\National Science Foundation: "Нанотехнологии - это ворота, открывающиеся в иной мир".

Общемировые затраты на нанотехнологические проекты сейчас превышают $9 млрд. в год. На долю США ныне приходится примерно треть всех мировых инвестиций в нанотехнологии. Другие главные игроки на этом поле - Европейский Союз и Япония. Исследования в этой сфере активно ведутся также в странах бывшего СССР, Австралии, Канаде, Китае, Южной Корее, Израиле, Сингапуре, Бразилии и Тайване. Прогнозы показывают, что к 2015 году общая численность персонала различных отраслей нанотехнологической промышленности может дойти до 2 млн. человек, а суммарная стоимость товаров, производимых с использованием наноматериалов, составит, как минимум, несколько сотен миллиардов долларов и, возможно, приблизится к $1 трлн.

Нанотехнологии принято делить на три типа. Промышленное применение наночастиц в красках для автомобилей и автокосметике - пример "инкрементных" нанотехнологий. "Эволюционные" нанотехнологии представлены наномерными датчиками, использующими флуоресцентные свойства квантовых точек (диаметром от 2 до 10 нанометров) и электрические свойства углеродных нанотрубок (диаметром от 1 до 100 нанометров), хотя эти разработки пока находятся в зачаточном состоянии. "Радикальные" нанотехнологии пока что не встречаются, их можно увидеть только в фантастических триллерах. Стоит также ожидать сближения этих трех технологий.

Однако переход от производства в лаборатории к массовому производству чреват значительными проблемами, а надежную обработку материалов в наномасштабе требуемым образом все еще очень трудно реализовать с экономической точки зрения. В настоящее время, наноматериалы используют для изготовления защитных и светопоглощающих покрытий, спортивного оборудования, транзисторов, светоиспускающих диодов, топливных элементов, лекарств и медицинской аппаратуры, материалов для упаковки продуктов питания, косметики и одежды. Нанопримеси на основе оксида церия уже сейчас добавляют в дизельное топливо, что позволяет на 4-5% повысить КПД двигателя и снизить степень загрязнения выхлопных газов. В 2002 году на Кубке Дэвиса\Davis Cup были впервые использованы теннисные мячи, созданные с использованием нанотехнологий.

В общей сложности американская промышленность и индустрия других развитых стран сейчас применяют нанотехнологии в процессе производства, как минимум, 80 групп потребительских товаров и свыше 600 видов сырьевых материалов, комплектующих изделий и промышленного оборудования. В США одни только федеральные ассигнования на нанотехнологические программы и проекты выросли с $464 млн. в 2001 году до $1 млрд. в 2005-м. По данным Исследовательской Службы Конгресса США\Congressional Research Service, в 2006 году США планируют выделить на эти цели $1.1 млрд. Еще $2 млрд. в 2005 году потратили на те же цели американские корпорации (нанолаборатории создали такие гиганты бизнеса, как HP, NEC и IBM, университеты и власти отдельных штатов).

Безоблачное нанозавтра

В последние годы опубликовано множество оптимистических прогнозов о способах применения нанотехнологий. Свойства материалов в наномасштабе отличаются от крупных масштабов из-за того, что в наномасштабе площадь поверхности на единицу объема чрезвычайно велика. Нанотехнологии способны кардинально изменить методы, ныне применяемые в микроэлектронике, оптоэлектронике и медицине. Поэтому нанотехнологии обладают поистине гигантским потенциалом.

Известный ученый Джей Сторрс Холл\J. Storrs Hall, автор научно-популярной книги "Нанобудущее"\Nanofuture: What's Next For Nanotechnology, утверждает, что нанотехнологии кардинальным образом изменят все сферы жизни человека. На их основе могут быть созданы товары и продукты, применение которых позволит революционизировать целые отрасли экономики. К их числу относятся наносенсоры для идентификации токсичных отходов химической и биотехнологической промышленности, наркотиков, боевых отравляющих веществ, взрывчатки и патогенных микроорганизмов, а также наночастичные фильтры и прочие очистные устройства, предназначенные для их удаления или нейтрализации. Другой пример перспективных наносистем близкого будущего - электрические магистральные кабели на углеродных нанотрубках, которые будут проводить ток высокого напряжения лучше медных проводов и при этом весить в пять-шесть раз меньше. Наноматериалы позволят многократно снизить стоимость автомобильных каталитических конверторов, очищающих выхлопы от вредных примесей, поскольку с их помощью можно в 15-20 раз снизить расход платины и других ценных металлов, которые применяются в этих приборах. Есть все основания считать, что наноматериалы найдут широкое применение в нефтеперерабатывающей промышленности и в таких новейших областях биоиндустрии, как геномика и протеомика.

Физик Тед Сэрджент\Ted Sargent, автор книги "Танец Молекул"\The Dance of Molecules : How Nanotechnology is Changing Our Lives, пишет, что существует проект создания наносистемы для введения медикаментов, изменяющих определенные биологические функции внутри живых организмов, к примеру, для развития или укрепления иммунитета против конкретных болезнетворных организмов. Рэй Курцвейл\Ray Kurzweil, автор книги "Фантастическое Путешествие"\Fantatic Voyage: Live Long Enough to Live Ever, прогнозирует, что возможно создание нанороботов-врачей, которые способны "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения или предотвращая их возникновение.

Теоретически нанотехнологии способны обеспечить человеку физическое бессмертие за счет того, что наномедицина сможет бесконечно регенерировать отмирающие клетки. По прогнозам журнала Scientific American уже в ближайшем будущем появятся медицинские устройства, размером с почтовую марку. Их достаточно будет наложить на рану. Это устройство самостоятельно проведет анализ крови, определит, какие медикаменты необходимо использовать и впрыснет их в кровь.

Ожидается, что уже в 2025 году появятся первые роботы, созданные на основе нанотехнологий. Теоретически возможно, что они будут способны конструировать из готовых атомов любой предмет. Нанотехнологиии способны произвести революцию в сельском хозяйстве. Молекулярные роботы способны будут производить пищу, заменив сельскохозяйственные растения и животных. К примеру, теоретически возможно производить молоко прямо из травы, минуя промежуточное звено - корову. Нанотехнологии способны также стабилизировать экологическую обстановку. Новые виды промышленности не будут производить отходов, отравляющих планету. Невероятные перспективы открываются также в области информационных технологий. Нанороботы способны воплотить в жизнь мечту фантастов о колонизации иных планет - эти устройства смогут создать на них среду обитания, необходимую для жизни человека. Джош Волфе\Josh Wolfe, редактор аналитического отчета Forbes/Wolfe Nanotech Report, пишет: "Мир будет просто построен заново. Нанотехнология потрясет все на планете."

Краткая наноистория

Историк науки Ричард Букер\Richard D. Booker отмечает, что историю нанотехнологий создать крайне сложно по двум причинам - во-первых, "размытости" самого этого понятия. Например, нанотехнологии часто не являются "технологиями" в привычном смысле этого слова. Во-вторых, человечество всегда пыталось экспериментировать с нанотехнологиями, даже и не подозревая об этом.

Чарльз Пул\Charles P. Poole, автор книги "Введение в Нанотехнологию"\Introduction to Nanotechnology, приводит показательный пример: в Британском Музее хранится, так называемый "Кубок Ликурга" (на стенах кубка изображены сцены из жизни этого великого спартанского законодателя), изготовленный древнеримскими мастерами - он содержит микроскопические частицы золота и серебра, добавленные в стекло. При различном освещении кубок меняет цвет - от темно-красного до светло-золотистого. Аналогичные технологии применялись и при создании витражей средневековых европейских соборов.

Отцом нанотехнологии можно считать греческого философа Демокрита. Примерно в 400 г. до н.э. он впервые использовал слово "атом", что в переводе с греческого означает "нераскалываемый", для описания самой малой частицы вещества. В 1661 году Ирландский химик Роберт Бойл\Robert Boуle опубликовал статью, в которой раскритиковал утверждение Аристотеля, согласно которому все на Земле состоит из четырех элементов - воды, земли, огня и воздуха (философская основа основ тогдашней алхимии, химии и физики). Бойл утверждал, что все состоит из "корпускулов" - сверхмалых деталей, которые в разных сочетаниях образуют различные вещества и предметы. Впоследствии идеи Демокрита и Бойла были приняты научным сообществом.

Вероятно впервые в современной истории нанотехнологический прорыв был достигнут американским изобретателем Джорджем Истмэном\George Eastmen (впоследствии основал известную компанию Kodak), который изготовил фотопленку (это произошло в 1883 году).

1905 год. Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр.

1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.

1968 год. Альфред Чо\Alfred Cho и Джон Артур\John Arthur, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей.

1974 год. Японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот слово "нанотехнологии", которым предложил называть механизмы, размером менее одного микрона. Греческое слово "нанос" означает "гном", им обозначают биллионные части целого.

1981 год. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали микроскоп, способный показывать отдельные атомы.

1985 год. Американские физики Роберт Керл\Robert Curl, Хэрольд Крото\Harold Kroto и Ричард Смэйли\Richard Smalley создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр.

1986 год. Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрик Дрекслер\Eric Dreхsler опубликовал книгу, в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться.

1989 год. Дональд Эйглер\Donald Eigler, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.

1993 год. В США начали присуждать Фейнмановскую Премию, которая названа в честь физика Ричарда Фейнамана\Richard P. Feynman, который в 1959 году произнес пророческую речь, в которой заявил, что многие научные проблемы будут решены лишь тогда, когда ученые научатся работать на атомарном уровне. В 1965 году Фейнману была присуждена Нобелевская премия за исследования в сфере квантовой электродинамики - ныне это одна из областей нанонауки.

1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.

1999 год. Американские физики Джеймс Тур\James Tour и Марк Рид\Mark Reed определили, что отдельная молекула способна вести себя также, как молекулярные цепочки.

2000 год. Администрация США поддержала создание Национальной Инициативы в Области Нанотехнологии\National Nanotechnology Initiative. Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено $500 млн.

2001 - Марк Ратнер\Mark A. Ratner, автор книги "Нанотехнологии: Введение в Новую Большую Идею"\Nanotechnology: A Gentle Introduction to the Next Big Idea, считает, что нанотехнологии стали частью жизни человечества именно в 2001 году. Тогда произошли два знаковых события: влиятельный научный журнал Science назвал нанотехнологии - "прорывом года", а влиятельный бизнес-журнал Forbes - "новой многообещающей идеей". Ныне по отношению к нанотехнологиям периодически употребляют выражение "новая промышленная революция".

Призрачная угроза

История неопровержимо свидетельствует о том, что едва ли все полезные изобретения и научно-технические разработки не только способствуют развитию экономики, но также ставят человечество перед новыми и подчас труднопредсказуемыми опасностями.

В 2004 году банк Credit Suisse First Boston опубликовал аналитический доклад о будущем нанотехнологий. В нем утверждается, что нанотехнология является классической "технологией общего назначения". Другие технологии общего назначения - паровые двигатели, электричество и железные дороги - становились основой для промышленных революций. Нововведения такого рода обычно начинают свое развитие, как очень грубые технологии с ограниченными вариантами использования, но затем быстро распространяется на другие сферы жизни. Это приводит к началу "процесса креативной деструкции" (процесс, в котором новая технология или продукт предоставляют новые возможности и лучшие решения, результатом чего является полная замена предшествующей технологии или продукта. Так электричество заменило пар, а электронная почта - телеграф). В ближайшем будущем креативная деструкция не только будет продолжаться, но и ускорится, и нанотехнология будет ее ядром. Вывод: "Большинство компаний, котирующихся в нынешнем индексе промышленных предприятий Dow Jones Industrial скорее всего через двадцать лет не будут там находиться".

Эрик Дрекслер\Eric Drexler, создатель и глава исследовательсеого Foresight Institute, автор книги "Механизмы Творения"\Engines of Creation, подчеркивает, что сегодня покупатель промышленного продукта платит за его проектирование, материалы, труд рабочих, стоимость производства, транспортировку, хранение и организацию продаж. Если нанофабрики смогут производить большой диапазон продукции в любое время и в любом месте, большая часть этих операций сделается ненужными. Поэтому неизвестно, как нанопроизводство повлияет на цены и на уровень безработцы. Гибкость нанотехнологического производства и возможность выпуска радикально лучшей продукции предполагает, что обычные товары не смогут конкурировать с продукцией нанофабрик во многих областях. Если технология нанофабрик будет принадлежать или контролироваться какой-либо одной организацией, это может привести к "новой монополизации".

Исследовательский Центр За Ответственность в Сфере Нанотехнологии\Center for Responsible Nanotechnology предсказывает, что по нынешним стандартам, продукты нанотехнологий будут исключительно ценными. Монополия позволит владельцам технологии установить высокие цены на всю продукцию для получения большой прибыли. Однако, это означает, что миллионы нуждающихся людей не получат доступ к жизненно необходимым дешевым технологиям. Со временем конкуренция снизит цены, но на раннем этапе появление монополии весьма вероятно. Тем более, что "бедные" страны мира не обладают возможностями для финансирований наноисследований. Также маловероятно, что нерегулируемому коммерческому рынку нанотехнологий будет позволено существовать.

Есть и иные аспекты проблемы. Террористы и криминалитет, получившие доступ к нанотехнологиям, могут нанести обществу существенный урон. Химическое и биологическое оружие будет более опасным, а скрыть его будет значительно проще. Станет возможным создание новых типов оружия для убийства на расстоянии, которые будет очень тяжело обнаружить или нейтрализовать. Поимка преступника после совершения им подобного преступления также усложнится. С другой стороны, новые возможности приобретет государство. Теоретически возможно создать очень маленькие недорогие суперкомпьютеры, на которых могут быть запущены незаметные программы постоянного наблюдения за населением. Огромное количество устройств наблюдения может быть изготовлено при достаточно скромных затратах. При возможности построить миллиарды сложных устройств по общей цене в несколько долларов, любая автоматизированная технология, которая может быть применена к одному человеку, может быть применена и ко всем. Любой сценарий физического или психологического контроля, использующий предельные возможности нанотехнологии будет выглядеть научно-фантастическим и неправдоподобным.

Новые вещи и изменения в привычном укладе жизни могут привести к расшатыванию основ общества. Например, медицинские устройства, которые позволят относительно легко модифицировать структуру мозга или осуществлять стимуляцию определенных его отделов для получения эффектов, имитирующих любые формы психической активности, могут стать основой "нанотехнологической наркомании".

Нанотехнологии имеют и блестящее военное будущее. Ныне военные исследования в мире ведутся в шести основных сферах: технологии создания и противодействия "невидимости", энергетические ресурсы, самовосстанавливающиеся системы (например, позволяющие автоматически чинить поврежденную поверхность танка или самолета или изменять ее цвет), связь, а также устройства обнаружения химических и биологических загрязнений. Еще в 1995 году Дэвид Джеримайя\David E. Jeremiah, бывший член Объединенного Комитета Начальников Штабов\Joint Chiefs if Staff заявил: "Нанотехнологии способны радикально изменить баланс сил, в большей степени, чем даже ядерное оружие".

Возможно представить устройство размером с мельчайшее насекомое (около 200 микрон), способное находить незащищенных людей и впрыскивать им яды. Летальная доза токсина ботулизма составляет 100 нанограмм или около 1/100 объема всего устройства. 50 миллиардов единиц подобного оружия - количество, достаточное чтобы убить каждого человека на Земле - может храниться в чемодане. Огнестрельное оружие станет намного более мощным - а пули самонаводящимися. Аэрокосмическая техника может быть намного легче и лучше, изготовляться с минимумом или вообще без металла, из-за чего обнаруживать ее с помощью радаров окажется намного сложнее. Встроенные компьютеры позволят активировать на расстоянии любой вид оружия, а более компактные источники энергии позволят сильно улучшить возможности боевых роботов.

Аналитик Том Маккарти\Tom McCarthy, автор статьи "Молекулярная Нанотехнология и Мировая Система"\Molecular Nanotechnology and the World System, утверждает, что нанотехнологии будут способствовать снижению уровня экономического влияния отдельных государств. В ходе военных действий, армии будут предпочитать уничтожать людей, а не военную технику или промышленные предприятия. Нанотехнологии позволят организовать промышленное производство даже в регионах, где нет минеральных ресурсов. Они сделают небольшие группы вполне самодостаточными, что может способствовать распаду государств.

Оценка риска

США и другие страны пытаются оценить риск применения и совершенствования нанотехнологий. Однако в США ассигнования на анализ потенциальных угроз применения наноматериалов пока что очень невелики.

Согласно подсчетам экспертов организации Project on Emerging Nanotechnologies, их общий объем составляет всего лишь $39 млн. - то есть, лишь 4% всех ассигнований на нанотехнологии, идущих из федерального казначейства. Количество проектов, на которые отпускаются эти средства, также довольно скромно - примерно 160.

На слушаниях в Комитете по Науке Палаты Представителей Конгресса США\House Science Committee представители экологических движений и промышленных корпораций в один голос заявили, что расходы на выяснение экологических и медицинских аспектов применения наноматериалов должны составлять от 10-ти до 20-ти процентов всех государственных затрат на нанотехнологии.

Подобное положение дел уже стало причиной множества тревожных предупреждений со стороны специалистов. Наночастицы легко проникают в организм человека и животных через кожу, респираторную систему и желудочно-кишечный тракт. Сейчас уже не подлежит сомнению, что некоторые нанообъекты могут оказывать токсичное действие на клетки различных тканей. В частности, такое воздействие оказывают углеродные нанотрубки, которые считают одним из самых перспективных наноматериалов близкого будущего.

Ситуация осложняется тем, что многие наноструктуры производятся не одним, а несколькими способами. Это обстоятельство увеличивает ассортимент рисков, с которыми могут сталкиваться или уже сталкиваются работники нанотехнологической индустрии. С другой стороны, оно дает основание предположить, что внешне одни и те же нанопродукты, изготовленные на основе различных технологий, будут оказывать неодинаковое воздействие на человека и его среду обитания.

В декабре 2004 года Совет по Научной Политике\Science Policy Council Агентства по Охране Окружающей Среды США\Environment Protection Agency создал рабочую группу экспертов, вменив ей в обязанность подготовку Белой Книги, посвященной обсуждению опасностей применения нанотехнологий. Ровно через год черновой вариант этого документа был опубликован.

Авторы проекта Белой Книги начинают с дефиниции объекта своего анализа. Они определяют нанотехнологии как "исследования и разработки на атомном, молекулярном и макромолекулярном уровне в масштабе размеров от одного до ста нанометров; создание и использование искусственных структур, устройств и систем, которые в силу своих сверхмалых размеров обладают существенно новыми свойствами и функциями; манипулирование веществом на атомной шкале дистанций". Это определение достаточно широко, чтобы включить не только уже существующие материалы и изделия, но и те системы, которые появятся лишь через десять-двадцать лет.

Однако до настоящего времени сведения о последствиях неконтролируемых выбросов наночастиц в окружающую среду остаются довольно скудными. Авторы проекта Белой Книги подчеркивают необходимость как можно скорее заполнить эти информационные пробелы. Они подчеркивают, что серьезное изучение поведения наночастиц в окружающей среде началось лишь недавно. Известно, например, что наночастицы способны накапливаться в воздухе, почве и сточных водах, однако у науки пока что не хватает данных для точного моделирования таких процессов. Наночастицы могут разрушаться под действием света и химических веществ, а также при контактах с микроорганизмами, но и эти процессы пока что не слишком хорошо изучены. Наноматериалы, как правило, легче вступают в химические превращения, нежели более крупные объекты того же состава, и поэтому способны образовывать комплексные соединения с ранее неизвестными свойствами. Это обстоятельство увеличивает технологическую перспективность нанообъектов и в то же время заставляет с особым вниманием относиться к связанным с ними рискам.

Еще одна мало исследованная область - последствия контактов наночастиц с живыми клетками и тканями. Не подлежит сомнению, что многие наноматериалы обладают токсичным действием. Например, вдыхание наночастиц полистирола не только вызывает воспаление легочной ткани, но также провоцирует тромбоз кровеносных сосудов. Есть сведения, что углеродные наночастицы могут вызывать расстройства сердечной деятельности и подавлять активность иммунной системы. Опыты на аквариумных рыбах и собаках показали, что фуллерены, многоатомные шаровидные молекулы углерода поперечником в несколько нанометров, могут разрушать ткани мозга. Проникновение наночастиц в биосферу чревато многими последствиями, прогнозировать которые пока не представляется возможным из-за недостатка информации.

Составители Белой Книги настоятельно рекомендуют ускорить проведение широкомасштабных исследований, нацеленных на выяснение опасностей и рисков, связанных с наночастичным загрязнением среды обитания. В частности, необходимо выяснить, какими путями осуществляется биодеградация наночастиц и как она влияет на экологические цепи в живой природе.

К схожим выводам пришел и Клэренс Дэвис\J. Clarens Davies, научный сотрудник исследовательского Центра имени Вудро Вильсона\Woodrow Wilson Center, автор доклада "Управляя Эффектом Нанотехнологий"\Managing the Effect of Nanotechnology. Он отмечает, что нанотехнологии являются "новой реальностью", которая пока не поддается государственному регулированию. Крайне сложно использовать для этой цели действующие законы. Поэтому необходимо срочно создавать принципиально новое законодательство, новые механизмы и институты регулирования (в том числе и международные) - иначе джинн может вырваться из бутылки и последствия этого могут быть самыми неприятными.

Источник: Washington ProFile