Быстрое развитие науки привело к тому, что область исследований постепенно уменьшается с макрообъектов до микро. Сейчас одним из передовых направлений является нанотехнологии – отрасль теоретической и прикладной науки, сфера исследования которых направлена на теоретико-прикладной анализ и создание микроскопических объектов путем различных действий с участием атомов и молекул.
Нанотехнологии - история возникновения и развития
По большинству иностранных статей первые исследования, которые впоследствии получили название нанотехнологий, приписывают Ричарду Фейнману. Особенно знаменательно в этом плане его речь «Внизу полным-полно места» в конце 50-х годов XX века, которую он представил на собрании Американского сообщества физиков, которое происходило каждый год. По предположению Фейнмана механическое изменение положения отдельных атомов можно осуществить применением соответствующего манипулятора, таким, чтобы его размеры позволяли проводить операции на микроуровне. Данное предположение не противоречило современному знанию физических законов.
Фейнман также представил свое видение такого манипулятора. Для этого необходимо было сконструировать такое устройство, которое могло бы воспроизвести свою точную, но уменьшенную копию. Полученный механизм должен был также способен построить свой образ в уменьшенном варианте. Это действие необходимо было производить до тех пор, пока не будет получен прибор, соизмеримый с размерами атома. Для того чтобы манипулятор продолжал при этом работать на должном уровне в соответствии с изначально заданными параметрами, необходимо обеспечить его устройство такими изменениями, которые бы компенсировали снижение влияния сил гравитации и увеличение действия сил Ван-дер-Вальса и межмолекулярных связей с переходом с макроуровня до микро.
Итоговому варианту манипулятора должно было быть под силу собрать свой аналог из отдельных атомов. Число создаваемых при этом копий не ограничивается, позволяя за небольшой промежуток времени воспроизводить достаточное количество подобных механизмов. Они уже впоследствии и будут собирать макровещи подобной сборкой на атомарном уровне. Такой подход в значительной мере должен уменьшить количество расходов, так как нанороботам (именно такое название получили позднее мини-манипуляторы) потребуется конкретное количество молекул и энергия, а также написанный алгоритм для сборки конкретных новых предметов.
Идея Фейнмана по созданию наноманипулятора к нашему времени не была опровергнута, но, в то же время, никому и не подвернулась удача полностью претворить в жизнь этот подход. Одновременно теоретическое исследование его возможностей привело к составлению гипотетического плана конца света. Согласно этой теории, нанороботы в конечном счета поглотят всею биомассу Земного шара, просто следуя заданной программе самовоспроизведения.
Но еще до Фейнмана у ученых возникали мысли о более глубоком изучении мира. Так, Ньютон предполагал, что в будущем у ученых с помощью новых микроскопов появится возможность изучить основы всех наук.
Само слово «нанотехнологии» было предложено в середине 70-х годов. Его первым ввел в обиход Норио Танигути в отношении изделий, чьи габариты соизмеримы только нанометрами. Позднее данное определение подхватил Эрик Дрекслер, написав книгу о грядущей эре нанотехнологий.
На что способны нанотехнологии
Продвижение нанотехнологий стремительно ведет к научному прорыву сразу в нескольких областях. Рассмотрим подробнее некоторые из них.
Нанотехнологии в строительстве
Сфера строительства, благодаря внедрению нанотехнологий, должна улучшить качество возводимых конструкций. Так нанороботы будут отслеживать прочность возводимых зданий, уделяя особое внимание нарушению целостности. Объекты, построенные подобным образом, прослужат в несколько раз дольше. К тому же нанороботы обеспечат такие дома возможностью подстраивания температурного климата под людей и погоду.
Нанотехнологии в медицине
В медицине нанороботам пророчат наиболее чувствительную диагностику заболеваний, что в значительной мере повысит шансы пациентов на выздоровление. Станет возможной победа над раком и другими смертельными заболеваниями. Старые препараты, чье действие было направлено на уничтожение раковых клеток, поражали также и здоровые. Нанотехнологии должны позволить избежать этого, направляя лекарство исключительно на раковые клетки.
В генной сфере прогнозируется появление ДНК-нанотехнологии, которая с помощью манипулирования с основанием ДНК-молекулы и многочисленными нуклеотидами, позволит получать точно запрограммированные молекулы. Это планируется применять для создания сложных лекарственных препаратов.
Интенсивное развитие нанотехнологи уже внедрило в медицину некоторые улучшения. Так, уже в самом начале XXI века стала активно развиваться наноплазмоника, которая открыла возможность передачи электромагнитного импульса по цепочке из металлических наночастиц простым возбуждением плазмонных колебаний.
Нанотехнологии в энергетике
Нанотехнологии позволят уменьшить влияние нефти и газа на общий быт. Они также способны увеличить КПД солнечных батарей с 20% до 60%. Эта технология позволит обеспечить дешевой экологической энергией дома в солнечных регионах: для этого достаточно лишь покрыть солнечной нанопленкой их крыши.
Нанотехнологии в машиностроении
Громоздкую технику заменят компактные роботы, которые помимо того что легче в управлении, так еще и имеют больший функционал. Их задача состоит в создании и производстве различных предметов и механизмов на атомарном уровне. Материал, используемый для создания нанороботов, имеет низкий коэффициент трения, что обеспечить дополнительную защиту деталям от повреждений, а также в значительной мере сократить количество затрачиваемой энергии.
Однако все это лишь наброски того, куда сможет внедриться нанотехнология. На самом деле ее возможности куда шире и ограничиваются лишь фантазией ученых. Многие из них ассоциируют появление нанотехнологий с началом новой научно-технической революции, которая внесет в науку XXI века значительное изменения.
К сожалению, пока что внедрение нанотехнологий происходит очень медленно. Не многие устройства имеют возможность скомпилироваться для работы на наноуровне. По большинству это объясняется тем, что необходимо затратить очень много средства на тотальное внедрение нанотехнологий в науку, тогда как отдача будет очень медленной, и затраты не скоро компенсируют себя, на что в первую очередь обращают внимание инвесторы.
Тем не менее от них никто не отказывается. Предполагается, что в будущем будут доступны легкоуправляемые и полностью автоматизированные наноманипуляторы, которые полностью заменят современную крупногабаритную технику. Например, «стаей» биороботов можно заменить целую насосную станцию.
Также прогнозируют появление ДНК-компьютеров, которые позволят использовать числовые способности форм ДНК. В подобном отображении вся информация отображается не в виде привычного двоичного кода, а в форме молекулярной структуры, берущей в качестве своего основания ДНК. Анализ, управление и другие операции над такими структурами обеспечат особые ферменты.
Перспективным является и появление атомно-силового микроскопа. Он представляет собой зондовый микроскоп с возможность сканирования, обладающий высоким разрешением. В основу принципа его работы легло взаимодействие иглы зонда и поверхности исследуемого материала. От туннельного микроскопа атомно-силовой отличается направленностью своего действия как на проводящие, так и на непроводящие материалы через замедляющую среду, будь то даже толстую прослойку жидкости. Этой свойство должно обеспечить возможность работы с ДНК и РНК. Размер зонда и кривизна его иглы являются исходными параметрами для корректировки разрешения микроскопа, которое соответствует атомарному в горизонтальному направлении и намного большему – в вертикальном.
В 2005 году учеными Бостонского университета была сконструирована первая антенна-осциллятор с габаритами в 1 мкм. Она состоит из порядка 5000 атомов и способна воспроизводить частоту в 1,49 ГГц. Эта технология должна обеспечить передачу больших потоков информации.
ТОП-10 нанотехнологий с удивительным потенциалом
Если попросить любого человека навскидку назвать пару величайших изобретений, то в их числе наверняка окажется колесо, велосипед, Интернет и подобное. Навряд ли рядовой житель Земли упомянет в таком случае что-то из нанотехнологий. Хотя эта область еще мало изучена, она уже выдала нам просто фантастические вещи. Обычно человеческому глазу доступны для захвата объекты размером от 0,1 мм. Ниже представлены изобретения, чьи параметры меньше еще на шесть порядков.
Электропроводимый жидкий металл
С помощью электричества можно придать особому сплаву галлия, иридия и олова любую форму, в том числе заставить его бегать по кругу в чаше Петри. Этот мягкий сплав часто называют умным материалом, который в случае необходимости изменять свою форму в соответствии с окружающей средой и условиями огибающего ее пространства.
Данный сплав является биомимитическим, что объясняет воспроизведение им биохимических реакций, хотя сама его природа далека от биологической.
Управление этим сплавом осуществляется с помощью электрических зарядов. Однако при наличии дисбалансирующих нагрузок, созданных разностью давлений между частями молекул этого металла. По предположению некоторых ученых свойства этого сплава могут послужить началом разгадки нюансов превращения внутренней энергии в механическую. И хотя характеристики материала напоминают особенности одного терминатора, никто пока что не планирует применять его в таком ключе, как минимум потому, что все реакции возможно только в хлориде натрия или его же гидроксиде.
Нанопластыри
Деятельность ученых Йоркского университета уже многие годы направлена на получение особых нанопластырей. Их суть заключается в том, что с помощью них станет возможной транспортировка лекарственных препаратов внутрь организма без вмешательства игл. Такой пластырь приклеивается, например, к руке и направляет рассчитанную дозу лекарства в организм посредством нанороботов, проникающих через поры и фолликулы. Такие частицы могут самостоятельно обнаружить в организме болезнетворные клетки, воздействовать на них и способствовать их выводу с другими отходами организма.
Нанопластыри планируют использовать даже при лечении рака. Отличительной чертой наночастиц, в сравнении с химиотерапией, является их направленность: они способны разрушать только вредоносные клетки, не трогая здоровые.
Нанофильтр для воды
Такой фильтр представляет собой совокупность нанопленки и металлической нержавеющей сетки. Это сочетание материалов заставляет нефть отталкиваться, когда как дальше уже поступает чистая вода.
Идею для такого фильтра ученым подкинула сама природа. Подобными свойствами наделены листья лотоса, однако они проявляют обратный эффект – являются водоотталкивающими. В свое время лотос стал также источником вдохновения для создания множества гидрофобных материалов.
Сейчас ученые пытаются создать такую нанопленку, чтобы ее было возможно дополнить специализированными молекулами, обладающими способностью очищать воду. Ее невозможность заметить невооруженными органами зрения. Само производство планируется быть недорогим: порядка одного доллара за тысячу квадратных сантиметров нанопленки.
Очиститель воздуха для подводных лодок
Мало кого из жителей когда-либо интересовал вопрос, чем же дышит персонал подводных суден, тогда как для самих членов команды этот нюанс является очень важным. Очищение воздуха от углекислого газа в таких замкнутых помещениях должно производиться очень быстро, чтобы предотвратить недостаток кислорода, необходимый для поддержания нормального уровня жизни человека. Изначально с этой целью использовались амины – они прекрасно очищают воздух от углекислого газа, однако создают очень неприятных запах.
Решением этой проблемы стала так называемая технология SAMMS, согласно которой излишняя двуокись углерода поглощается пористостью керамических гранул со внедренными в них наночастицами. Совокупность материалов различается в зависимости от каких частиц необходимо очищать воздух, но в целом все такие фильтры обладают высокой эффективностью. Отличает подобный очиститель и экономичность: столовой ложки гранул достаточно для очищения воздуха над целым футбольным полем.
Нанопроводники
Отдельные ученые нашли свое призвание в создании электрического нанопроводника. Он по своей сути является твердой частицей, настраиваемой на транспортировку электричества в любом направлении. По уже проведенным исследованиям видно, что такой частицей можно спокойно заменить различные элементы электроники: диоды, переключатели и многое другое. Такая частица покрывается химическим веществом с положительным зарядом и окружается анионами. Поступающее электричество способствует перемещению анионов вокруг таких частиц.
По заверениям ученых такой проводник обладает непревзойденной эффективностью. Такая технология позволит в дальнейшем получать элементы электроники, которые могут сами перенастраиваться под решение новых, возникающих в процессе эксплуатации, задач. Это позволит уменьшить приборы как в габаритах, так и со стороны затрат, ибо возможность перенастройки отдельных наночастиц значительно облегчит ремонт и улучшение электроники.
Нанотехнологическое зарядное устройство
Создание этого устройства ожидает, наверное, каждый, так как его свойства позволят избавиться от использования огромного количества старых зарядников. Принцип работы нового приборы схож с губкой, однако в данном случае впитывается не какая-либо жидкость, а сама кинетическая энергия из окружающей среды. Применение будет отличаться сравнительной простотой: устройство будет достаточным прикрепить к смартфону, планшету или любому другом прибору, которому необходима периодическая подзарядка для нормального функционирования.
В основу такого устройства лег пьезоматериал, способный создавать электрический ток под механическим напряжением. Материал обеспечивают большим количеством наноскопических пор, что и делает его схожим с губкой.
Чаще всего устройство такого типа сейчас называют наногенератором. Ученые прогнозируют, что их применение широко развернется как от смартфонов, так и до замены обеспечения автомобилей горючим топливом.
Искусственная сетчатка
Ученые Израиля сейчас увлеченно работают над технологией, напрямую контактирующей с нейронами и передающей зрительную информацию в кору мозга. С помощью такого наномоделирования возможно добиться полной замены функционала глазного яблока, предоставляя возможность слепым людям снова видеть.
Уже были проведены соответствующие испытания на ослепшей курице. Ей на зрачок была прикреплена нанопленка, которая помогла ей уловить изменение света. Окончательны итогов полной имитации зрения им еще не удалось добиться, но тем не менее полученные результаты уже говорят о прогрессе в этом деле.
Внедрение нанотехнологий в данном случае позволяет отказаться от присутствия проводов и металлических элементов, что также способствует получению более качественного изображения.
Светящаяся одежда
Научными работниками из Шанхая были разработаны особые светящиеся нити, которые также пригодны для изготовления тканей для одежды. В структуре таких нитей лежит проволока из нержавейки, покрытая наночастицами, полимерной электролюминесцентной прослойкой и нанотрубчатой защитой. Несмотря на словесную громоздкость такие нити получаются сверх тонкими и легкими, которые способны излучать свет за счет своей электрохимической энергии. Рабочая мощность таких нитей несколько меньше, чем у светодиодов.
К сожалению, на настоящие момент они не могут светить продолжительное время. Запаса энергии у таких нитей достаточно лишь на непрерывную работу в течение нескольких часов. Основоположники этой технологии утверждают, что смогут увеличить продолжительность работы на несколько порядков. Однако использование такой одежды все равно пока сомнительно, так как ее нельзя стирать.
Наноиглы для восстановления внутренних органов
Хотя уже разрабатываются нанопластыри, чтобы избежать использования игл в медицине, одновременно другая группа ученых решила заняться созданием наноигл. Уменьшение размеров обычных игл позволило бы существенно изменить представление о хирургии в целом.
Недавно уже были проведены успешные эксперименты на мышах. Через наноиглы им вводили под кожу нуклеиновые кислоты, которые должны улучшить регенерацию органов и нервных клеток, чтобы в дальнейшем вернуть им былую работоспособность. После выполнения своей задачи иглы не извлекаются из организма, а оставляются в нем. Через пару дней они полностью разлагаются и выводятся естественным путем. Во время проведения испытаний ученые не обнаружили какого-либо побочного воздействия на кровеносные сосуды мышц спины мышей.
В случае человека использование подобных наноигл может сводиться к доставке лекарственных препаратов, например, во время трансплантации органов. Полезные препараты обеспечат максимальное восстановление близлежащих тканей к пересаженному органу, чтобы увеличить шансы его приживания.
Трехмерная химическая печать
Химику Мартину Берку из Илинойса удалось посредством комбинирования различных молекул создать различные химические соединения, наделенные восхитительными и полезными характеристиками. К числу таких относится и ратанин, который в природе можно обнаружить только в одном растении в Перу.
Нанотехнологии открывают такой колоссальный неизведанный плацдарм для синтезирования новых веществ, что невозможно и представить его границы. Ученые предполагают, что таким образом можно получить дорогие медицинские аппараты, элементы солнечных панелей, а также химические вещества, ан чье естественное получение ученые тратили по несколько лет.
На настоящий момент возможности трехмерного химического принтера пока не безграничны. Ему доступно создание только новых молекул, одна Берк не теряет надежды, что в скором времени будет готова простая версия такого устройства, доступная каждому человеку, чтобы обеспечивать себя необходимым лекарственными препаратами.
Представляет ли нанотехнология угрозу человечеству или окружающей среде?
На удивление в сети мало встречается информации о вредоносности нанотехнологий, ведь люди, привыкшие к старому, так любят наделять негативными качествами новые изобретения, которые в корне меняют их представление. Однако некоторые исследования все-таки доказывают возможность пагубного их воздействия.
Таким образом испытания 2003 года дали результаты, когда использование углеродных нанотрубок повредило легкие грызунов. В 2004 году была замечена возможность накопления фуллеренов, которые впоследствии наносили повреждения мозгу испытуемых рыб. И хотя угроза человеческому организму пока не доказан, некоторые ученые склоняются в сторону ограничения использования нанотехнологий.
Часть из них выставляет в качестве аргументации то, что внедрение нанотехнологий в жизнь может оказать негативное влияние на социальное и этическое поведение людей. Например, введение промышленных наноманипуляторов на производство приведет к неминуемой потере большого количества рабочих мест. Также изменится концепция восприятия человеческого организма, так как некоторые нанотехнологии могут позволить как продлить жизнь, так и значительно улучшить физические показатели организма.
Место России в нанотехнологиях Мирового рынка
Лидерство по вложениям в эту сферу сейчас и на протяжении уже многих лет занимают страны Европейского союза и США. За последние года значительно увеличили свои капиталовложения в область исследований нанотехнологий Россия и Китай. Так, например, объем вложенных средств в это направление за последний год в России составил почти 30 миллиардов рублей.
По замечанию Лондона Россия и Китай проинвестировали в продвижение нанотехнологий уже в большей мере, чем сделали это США, хотя и присоединились они к этой гонке с заметным опозданием.
Не обошлось и без первенства. За столь незначительное время, что Россия уделяет продвижению нанотехнологий, нашим ученым уже удалось добиться лучших результатов в отдельных областях исследований и положить начало новым интересным задумкам в этой сфере, которые обладают высокой перспективностью и значимостью.
Среди таких ярких достижений часто выделяют изобретение ультрадисперсных наноматериалов, конструирование одноэлектронных устройств, а также значительное продвижение в создании атомно-силового микроскопа. В 2008 году в Санкт-Петербурге была проведена специализированная выставка,на которой были представлены около сотни перспективных наноразработок.
Тем временем некоторые изобретения уровня нанотехнологий в России уже вышли на потребительский рынок. К их числу относят нанопорошки, наномембраны и нанотрубки, которые уже активно используются в науке. Однако некоторые зарубежные эксперты все-таки указывают на заметную отсталость России в данном направлении как минимум на десяток лет.
Нанотехнологии в искусстве, примеры
Не воздержалось от веяния нанотехнологии и культура. Так некоторые картины художницы Наташи Вита-Мор из Америки отражают всю необычность и фантастичность этой области науки. Не смогло современное общество воздержаться от создания отдельного направления наноискуства, получившего название «наноарт». В его рамках создаются скульптуры соответствующих габаритов (микро и нано) посредством химических и физических процессов, возникающих при обработке материалов, сканировании и фотографировании отдельных элементов специальными микроскопами с последующей коррекцией в редакторе.
Заметки о нанотехнологиях находят и в более старых произведениях. Так в художественной повести Н. Лескова «Левша», написанной в далеком 1881 году, упоминалось об микроскопе, способном делать большим изображение в несколько миллионов раз. Такой возможностью сейчас обладают некоторые модели атомно-силовых зондирующих микроскопов, которые являются детищами развития наноиндустрии. Исходя из этого, можно относить Лескова к одному из самых первых продвиженцев нанотехнологий.
Мысли Фейнмана и его предположения по создания наноманипулятора по поводу развития нанотехнологий, высказанные им на его выступлении, практически совпадают по своему смысловому содержанию с произведением Б. Житкова «Микроруки», написанному почти за двадцать лет до того громогласного выступления. Негативные последствия внедрения нанотехнологий в производство и в повседневную жизнь можно уловить также в работах М. Крайтона, С. Лукъяненко и С. Лема. Тем временем Ю. Никитин делает главного героя своего романа «Трансчеловек» управляющим корпорацией нанотехнологий, который собственноручно провел на себе первые испытания медицинских нанопрепаратов.
И, конечно же, не избежала этого влияния и сфера кинематографа. Так во вселенной сериала «Звездные врата» к числу наиболее продвинутых рас относят репликаторов, которые появились в качестве итога неудачных испытаний различных элементов нанотехнологий. А кино «День, когда Земля остановилась», где главного героя сыграл Киану Ривз, цивилизация инопланетян ставит человеческую расу перед фактом, что их ждет неминуемая смерть, и пытается претворить свой приговор в жизнь, уничтожив практические все живое на планете с использованием саморазмножающихся нанороботов, поглощающих все, что встречается на их пути.
