Рыбалкина М. Нанотехнологии для всех
Подождите немного. Документ загружается.
Ситуацию в научном мире после открытия Эйнштейна, как
нельзя лучше описывает шутливое четверостишие:
Был мир земной кромешной тьмой окутан.
Да будет свет! И вот явился Ньютон!
Но сатана недолго ждал реванша:
Пришел Эйнштейн и стало все, как раньше
Своей выдающейся работой Эйнштейн не отверг пол
ностью ньютоновскую механику, но отвел ей более скромное
место частного случая, справедливого только для движений,
медленных по сравнению со скоростью света…
Одним словом, “все течет, все изменяется”, и сегодня чело
вечество снова стоит на пороге новых революционных реше
ний и технологических прорывов, которые принесут такие из
менения в нашу жизнь, которые нам и не снились. Будем ли мы
готовы к ним? Надеюсь, что эта книга поможет дать утверди
тельный ответ на этот вопрос.
Приведенных выше примеры хорошо иллюстрируют, что
человеческая мысль всегда ищет новых знаний, пытаясь разга
дать и осмыслить самые необъяснимые загадки природы. На
щупав в интеллектуальной темноте новые знания, лишь немно
гим удавалось донести их до окружающих, убедить общество в
истинности своих догадок.
Но что же заставляет разумы одних людей искать и доказывать
новое, а других – сопротивляться новизне, охранять старое?
Писательфантаст и ученый Эрик Дрекслер, перу которого
принадлежит фундаментальный труд “Машины созидания”,
считается пионером нанотехнологий. В этой своей работе он,
упоминает проблему так называемых “мимов” – воспроизводя
щихся мысленных структур, или идей, подверженных, подобно
живым существам, законам эволюции, а именно: борьбе за су
ществование и стремлению к размножению.
Дрекслеру принадлежит следующее утверждение: “приме
ры мимов – это идеи, общеупотребительные выражения, мода
в одежде, мелодии, способы производства горшков и построй
ки арок. Точно так же, как гены размножаются в среде генов,
перескакивая от тела к телу (от поколения к поколению) через
сперматозоиды и яйцеклетки, мимы размножаются в среде ми
3
www.nanonewsnet.ru
Зачем читать эту книгу?
мов, перескакивая из мозга в мозг посредством процесса, кото
рый в широком смысле может называться имитацией.
Мимы копируются, потому что люди учатся и учат других.
Они изменяются, потому что люди создают новые идеи и неп
равильно истолковывают старые. Они подвергаются отбору
(отчасти), потому что люди не верят или повторяют все, что
слышат. Так же как особи одного вида конкурируют за ограни
ченные пространство и ресурсы, так и мимы должны конкури
ровать за ограниченный ресурс человеческое внимание и уси
лия. Поскольку мимы формируют поведение, их успех или не
удача это жизненно важный вопрос.
Начиная с древних времён, мысленные модели и способы
поведения передавались от родителя к ребенку. Мимические
структуры, которые помогают выживанию и воспроизводству,
имели тенденцию к распространению. (“ешьте этот корень
только после приготовления; не ешьте те ягоды, их злой дух бу
дет скручивать ваши кишки”). Год за годом люди поступали по
разному и их действия давали разнообразные результаты.. Год
за годом ктото умирал, в то время как остальные находили но
вые способы выживания и передавали их следующим поколе
ниям. Гены построили наш мозг на принципе имитации, пос
кольку имитируемые структуры были в целом полезны: в конце
концов их носители выживали и распространяли их.
Сами мимы, тем не менее, встречают свои собственные воп
росы “жизни” и “смерти”: как репликаторы (объекты, способные
к самовоспроизведению), они развиваются исключительно что
бы выживать и распространяться. Подобно вирусам, они могут
воспроизводиться, не помогая выживанию или благосостоянию
их хозяина. В действительности мим “жертвы во имя” может
распространяться через сам факт убийства своего хозяина (что
движет действиями террористов камикадзе? (прим. автора))”.
Способность человека противостоять ложным и вредным
идеям Дрекслер называет “умственной иммунной системой”.
Она действует по тем же принципам, что и иммунная система
организма. Старейшая и самая простая умственная иммунная
система просто даёт команду: “верь старому и отбрасывай но
вое”. Чтото подобное обычно удерживало племена от отказа от
старого, проверенного пути в пользу безумства новых идей та
ких, как идея повиновения предполагаемым приказам призрака
4
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
уничтожить весь скот и всё зерно племени мол это принесёт
какимто образом чудесное изобилие пищи и армии предков
выгонят чужеземцев (этот мим заразил племя Ксоза из Южной
Африки в 1856 году; к следующему году 68.000 человек умерли,
и большей частью от голода).
Иммунная система вашего тела следует похожему правилу:
она обычно принимает все типы клеток, присутствовавшие в на
чале жизни, и отторгает как инородные и опасные потенциаль
ные раковые клетки и бактерии. Эта простая система “отбрасы
вай новое” когдато работала хорошо, однако в век пересадки ор
ганов она может убить, ведь операция по трансплантации требует
совместимости тканей донора и реципиента. Аналогично, в век,
когда наука и технологии постоянно изменяются, негибкая
умственная иммунная система становится опасной помехой.
При всех своих недостатках, принцип “отклоняй всё новое”
прост и удобен. Традиция содержит многое, что испытано и про
верено временем. Изменение рискованно: как большинство му
таций вредны, так и множество новых идей опасно. Однако ми
мы, защищающие разум от новых идей, также могут охранять па
разитирующую бессмыслицу от столкновения с истиной. Во вре
мена быстрых изменений они могут делать умы опасно косными.
Многое в истории философии и науки может рассматри
ваться как поиск лучших умственных иммунных систем, луч
ших способов отклонять ложное, бесполезное и вредное. Луч
шие системы уважают традицию, однако поощряют экспери
мент. Они предлагают стандарты для оценки мимов, помогая
уму различить паразитов и полезные инструменты.
Я призываю читателей обратить пристальное внимание на
свое развитие и образование, потому что знания и профессио
нализм в начале XXI века обретают особую актуальность. Пом
ните, что только ваш интеллект, эрудиция и мобильность поз
волят отличить реально выгодные идеи от смертельно опасных
и принимать правильные решения.
Главная цель этой книги подготовить читателей к любым
неожиданностям, научить эффективно действовать в критичес
ких ситуациях. Мне хочется подвести читателей к осознанию
того, что те, кто ориентирован на будущее, кому жить в этом бу
дущем и творить его, должны уже сегодня в полной мере осоз
навать всю ответственность за принимаемые решения.
5
www.nanonewsnet.ru
Зачем читать эту книгу?
Работая при слабом свете свечи, трясясь на ухабах в дере
вянных повозках, мог ли человек прошлого мечтать о “таин
ственных силах”, способных наполнить светом не только ком
нату, но и улицы ночного города, или передвигать железные
“повозки” с невероятной скоростью? Видимо, ктото мог, и,
следуя своей мечте, совершал открытия. Но у большинства, как
обычно, не хватало смелости или фантазии выйти в своем вооб
ражении за пределы привычного, старого мира. “Три закона ро
бототехники” Айзека Азимова тридцать лет назад воспринима
лись многими почитателями его таланта всего лишь как краси
вая сказка, мечта из разряда научной фантастики. А сегодня ро
боты и искусственный интеллект являются одними из самых
быстроразвивающихся отраслей.
Мечты мечтами, но возникает естественный вопрос: если в
XIX веке не пользовались электричеством, значит ли это, что в
ХIХ веке электричества не существовало в природе? Или это
говорит лишь о том, что мысль человеческая была в то время не
в силах обнаружить эти “таинственные силы” природы, извест
ные сегодня как электромагнитные волны?
Итак, во все времена жили те великие люди, которые пер
выми находили то, что веками было скрыто от других, или пер
выми воплощали в жизнь свои “нереальные” замыслы. Что же
толкает этих первопроходцев постоянно искать чтото новое,
добиваться реализации своей мечты вопреки всем преградам?
Какие качества отличают их? Ответы на эти вопросы стоит по
искать самому, но среди этих качеств, несомненно, должны
быть:
самостоятельность мышления, даже вопреки авторитетному
мнению большинства;
вечное стремление к познанию и улучшению мира;
уверенность в своих силах и правильности пути.
Эти качества всегда отличали неординарного человека от
обывателя. Надеюсь, после прочтения книги читатель проник
нется стремлением развивать в себе эти качества, являющиеся
необходимым основанием любого жизненного успеха. Ведь как
там поется у “Наутилус Помпилиус”?
“Воздух выдержит только тех, только тех, кто верит в себя
Ветер дует туда, куда скажет тот, кто верит в себя…”
6
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Всем известно, что первые компьютеры в начале 1950х занима
ли целую комнату. Сегодня же любой карманный компьютер в сотни
тысяч раз превосходит их по быстродействию и возможностям.
Легендарный Билл Гейтс, автор операционной системы MS
DOS и основатель компании MicroSoft, в 1981 году авторитетно
заявил: “640 килобайт хватит всем!”. Мог ли он представить се
бе в тот момент, насколько далеко благодаря его изобретению
продвинутся программные и технические возможности персо
нальных компьютеров!
В 1959 году появился первый плоский транзистор. В 1965м
уже выпускались микросхемы, состоящие из 5060 транзисто
ров. Сорок лет назад Гордон Мур, сооснователь фирмы Intel,
предположил, что быстродействие компьютеров (то есть число
элементов на микросхеме) будет удваиваться каждые 18 меся
цев без существенного изменения цены. Согласно его прогно
зу, эта тенденция должна была сохраниться в течение последу
ющих 10 лет, а в 1975 году все с удивлением обнаружили, что
прогноз сбылся. “Закон Мура” актуален и сейчас:
7
www.nanonewsnet.ru
Зачем читать эту книгу?
ГГоодд
ввыыппууссккаа
ММооддеелльь
ппррооццеессссоорраа
ККооллввоо
ттррааннззииссттоорроовв
1971 4004 2.250
1972 8008 2.500
1974 8080 5.000
1978 8086 29.000
1982 286 120.000
1985 386
ТМ
275.00
1989 486
ТМ
DX 1.180.000
1993 Pentium 3.100.100
1997 Pentium II 7.500.000
1999 Pentium III 24.000.000
2000 Pentium 4 42.000.000
Обратите внимание, что закон Мура не является законом в
буквальном смысле слова, так как не отражает никаких природ
ных закономерностей, обусловленных фундаментальными за
конами природы. Непосредственно к законам могут относить
ся, например, закон гравитации, сформулированный Ньюто
ном, или законы электромагнитного поля, описываемые урав
Табл.Закон Мура
нениями Максвелла – они объективны по своей природе, су
ществуют независимо от наших знаний, желаний или нужд.
Поэтому, говоря о законе Мура, следует понимать, что на самом
деле речь идет лишь о научном прогнозе.
Гонка технологий, подчиняясь олимпийскому принципу
“Быстрее! Выше! Сильнее!”, задает темп жизни, и для того, что
бы быть успешной современной личностью, нужно не просто
шагать в ногу со временем, а опережать его в спринтерском брос
ке. Поэтому еще одна задача, которую читатель, надеюсь, поста
вит перед собой, будет звучать так: “научиться быстрее учиться”.
Возможно, ктото увидит в такой формулировке призыв тратить
меньше времени на развлечения и просмотр бесконечных телеп
рограмм, и больше – на саморазвитие? Если вы так подумали, то
вы совершенно правы это именно то, что я имею в виду.
Ничуть не умаляя ценности отдыха, понимая, что как бы ни
приятно бы проваляться весь вечер на диване, переключая ка
налы с одного токшоу на другое, все же следует признать, что
цена успеха сегодня заключается в правильной расстановке
приоритетов и планировании времени (которого никак не хва
тит и на личное развитие, и на всяческие “Окна”). Чемто при
дется жертвовать, иначе получится как в известной притче:
“Немного поспишь, немного подремлешь, немного, сложив
руки, полежишь. И придет, как прохожий, бедность твоя, и
нужда твоя – как человек вооруженный”.
Кстати говоря, автору однажды довелось проводить иссле
дование на тему современного американского сленга. Прини
мая во внимание уровень гос. финансирования тех же нанотех
нологий (правительство США увеличило финансирование в
этой области до $3,7 млрд. в течение 4 лет!), стоит ли удивлять
ся тому, что в их молодежной среде столь любимый нами “те
лек” величают не иначе, как “idiot box”. Дальнейшие коммен
тарии, как говорится, излишни…
8
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Глава 1. Введение в нанотехнологии
“Нанотехнологии произведут такую же револю
цию в манипулировании материей, какую про
извели компьютеры в манипулировании ин
формацией”.
Ральф Меркле
Основные понятия
Несмотря на то, что все явления природы тесно взаимосвя
заны, человек привык изучать их с какойлибо одной стороны.
Поэтому любая наука обладает собственной системой терминов
и понятий, в которые вкладывает свой смысл. Один и тот же
объект, скажем, школьник, будет вызывать совершенно разный
профессиональный интерес у представителей различных про
фессий, таких, как, например, врач, психолог или учитель.
Для врача, вероятнее всего, школьник будет “определять
ся” такими характеристиками, как вес, рост, группа крови, на
личие или отсутствие хронических заболеваний и т.д. Психолог
примется выяснять тип его темперамента, вид мышления или
самооценку. А вот учителя математики вряд ли будут заботить
ваш темперамент или группа крови, когда вы плохо напишете
контрольную скорее всего, вас будут оценивать с точки зрения
владения материалом, глубины знаний и поведения на уроке.
И, несмотря на то, что школьник остается одним и тем же в
кабинете врача, на приеме у психолога, на уроке математики,
мы видим, что его можно “изучать” под совершенно разными
углами зрения. То же справедливо и для всего остального. Так и
природные явления будут выглядеть совершенно поразному
для химика, физика или биолога.
Но “вернемся к нашим баранам” (то есть нанотехнологи
ям). В самом названии “нанотехнология” мы видим два суще
ственных для нас термина – “нано” и “технология”. Опреде
лимся сначала со вторым понятием.
Энциклопедический словарь определяет
ттееххннооллооггииюю
(от
греч. “techne” – “искусство”, “мастерство”, “умение” + “logos”
– “наука”) как совокупность методов обработки, изготовления,
изменения состояния (свойств, формы) первоначального
сырья в процессе производства конечной продукции.
9
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии
Задача технологии использование законов природы на благо
человека. Существуют “технологии машиностроения”, “технологии
химической очистки воды”, “информационные технологии” и т.д.
Видно, что технологии в основе своей различаются приро
дой исходного материала. Именно значительная разница меж
ду такими видами сырья, как металлические конструкции и ин
формация, определяет и существенные различия в методах их
обработки и преобразования.
Перечисляя технологии, нельзя не вспомнить такое выра
жение, как “высокие технологии”. Давайте подумаем, в чем же
их суть? Мы привыкли к тому, что высокими называют эффективные
технологии, появившиеся сравнительно недавно, но не получив
шие еще повсеместного распространения. Как правило, это
технологии из области микроэлектроники, и связаны они с
удивительно маленькими размерами устройств.
Тысячи лет назад наши предки брали камни, содержащие
триллионы триллионов атомов, и удаляли слои, содержащие
миллиарды триллионов атомов, чтобы сделать из них наконеч
ники для стрел. Они делали прекрасную работу с трудновосп
роизводимым мастерством. И тот, кто первый придумал эту
технологию обтесывания камня, в те далекие времена мог наз
вать её высокой технологией, и был бы абсолютно прав. Ведь
еще лет 1520 тому назад сотовые телефоны, например, счита
лись устройствами типа “hightech”. Однако сегодня “моби
лой” уже никого не удивишь.
Поэтому мы полагаем, что уместно называть “высокими”
все передовые технологии, характерные для того или иного эта
па развития общества.
Теперь дадим определение собственно “нанотехнологии”.
В начале главы мы уже упоминали о том, что приставка на*
но (от греч. “nannos” – “карлик”) означает одну миллиардную
(10
9
) долю какойлибо единицы (в нашем случае метра). Ато
мы и мельчайшие молекулы имеют размер порядка 1 нанометра.
Современные микросхемы с размерами компонентов в од
ну десятую толщины тончайшего волоса могут считаться ма
ленькими в стандартах тесальщиков кремня, но каждый тран
зистор все еще содержит триллионы атомов, и микрочипы все
еще видимы невооружённым глазом.
10
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
11
www.nanonewsnet.ru
ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии
Технологии, которые можно проследить от ручной обработки
камня до кремниевых чипов, оперируют сырьем, представляю
щим собой большие совокупности атомов и молекул. Этот стиль
можно назвать
ббааллкк**ттееххннооллооггииеейй
(англ. “bulk” – “груда”, “кипа”).
Нанотехнология призвана прецизионно (сверхточно) ма
нипулировать индивидуальными атомами и молекулами. Она
изменит наш мир больше, чем мы можем себе представить.
ААттоомм
– (от греч. “atomos” – “неделимый”) – это мельчай
шая частица химического элемента, носитель его свойств, спо
собный образовывать с другими атомами более сложные
конструкции – молекулы.
Обратите внимание на то, что “дословный перевод” слова
“атом” неверен, и на самом деле атом состоит из положительно
заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Од
нако это слово придумал еще древнегреческий философ Де
мокрит, и все его используют по привычке.
ННааннооттееххннооллооггиияя
это совокупность методов производства
продуктов с заданной атомарной структурой путем манипули
рования атомами и молекулами.
В связи с данным определением нанотехнологий возникает
естественный вопрос: каким же образом мы можем манипулиро
вать веществом на уровне атомов и молекул? Ведь наши руки
слишком громадны для наномасштаба. Этот вопрос является кам
нем преткновения современной нанонауки. Самое изящное ре
шение этой проблемы, способное совершить новую технологи
ческую революцию, предложил Эрик Дрекслер в книге “Машины
созидания”. Для манипулирования атомами он изобрел специаль
ные наномашины, или
аассссееммббллееррыы
.
Чтобы их представить, нужно
сначала наглядно представить, как
выглядит молекула. Для этого мы
изобразим атомы как бусинки, а мо
лекулы как группы бусинок, соеди
нённые между собой кусочками про
волоки (несмотря на чрезвычайную
простоту такого представления, хи
мики часто использют именно его,
строя модели из пластмассовых ша
Рис1. Модель молекулы метана (СH4)
ров, связанных спицами в нескольких направлениях). Атомы
имеют круглую форму подобно шарам, и хотя молекулярные
связи не кусочки проволоки, наша визуальная модель, как ми
нимум, даёт важное представление о том, что связи могут быть
порваны и восстановлены.
Наномашины должны уметь захватывать атомы или молекулы
и соединять их между собой, причем не хаотично, а в соответствии
с заданным алгоритмом. Важно отметить, что такие машины уже
тысячи лет превосходно функционируют в природе, и примером
их работы может служить механизм синтеза белка рибосомами.
Из курса биологии вы, должно быть, помните, как молеку
ла рибосомы конструирует белок, “считывая” из молекул РНК
“инструкции” для его построения. Напомним вкратце читате
лям основные моменты этого процесса.
Итак,
ббееллккии
– это обязательная составная часть всех клеток,
обеспечивающая их жизнедеятельность. Роль белков в организ
ме чрезвычайно разнообразна. Различают белкигормоны,
участвующие в управлении всеми жизненными процессами ор
ганизма, его ростом и размножением. На сетчатке нашего глаза
возникает изображение благодаря особому светочувствитель
ному белку – родопсину. Мы способны двигаться, потому что
наши мышцы сокращаются и расслабляются благодаря белкам
актину и миозину. Все химические процессы в организме про
текают при участии специальных белков–ферментов. Без них
невозможны пищеварение, дыхание, обмен веществ, свертыва
ние крови и пр. Белки выполняют и защитные функции – при
попадании в организм болезнетворных бактерий или ядов вы
рабатываются белкииммуноглобули
ны, нейтрализующие их вредное воздей
ствие.
При знакомстве с таким разнообра
зием белков и их функций весьма нео
жиданным оказывается тот факт, что все
белки растительного и животного мира
– от совершенно инертных до биологи
чески активных состоят из одних и тех
же стандартных звеньев
ааммииннооккииссллоотт
,
соединенных прочной химической
связью, называемой пептидной. Внеш
12
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Рис 2. Структура белка