Материал: Нанотехнологии для всех (Рыбалкина), 2005, c.444

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

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, кто то 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 ток шоу 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”). Чем то 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

ГЛАВА 1. Введение в нанотехнологии

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 какой либо 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 по разному 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 технологию (от греч. “techne” – “искусство”, “мастерство”, “умение” + “logos”

– “наука”) как совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния (свойств, формы) первоначального сырья в процессе производства конечной продукции.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

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 15 20 тому назад сотовые телефоны, например, счита лись устройствами типа “high tech”. 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

(109) долю какой либо 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

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 балк*технологией (англ. “bulk” – “груда”, “кипа”).

Нанотехнология призвана прецизионно (сверхточно) ма нипулировать индивидуальными атомами и молекулами. Она изменит наш мир больше, чем мы можем себе представить.

Атом – (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.

Нанотехнология 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 ассемблеры.

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

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

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, белки – это обязательная составная часть всех клеток, обеспечивающая их жизнедеятельность. Роль белков в организ ме чрезвычайно разнообразна. Различают белки гормоны, 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 белки иммуноглобули 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 аминокислот, соединенных прочной химической

связью, называемой пептидной. Внеш

Рис 2. Структура белка

12