Сергей Тараненко - Наполовину мертвый кот, или Чем нам грозят нанотехнологии

Наше зрение устроено странно. Желтый — это определенный спектральный диапазон (длина волны — от 565 нм до 590 нм). Но наш глаз воспринимает смесь двух других спектральных диапазонов (красный — длина волны 620–740 нм и зеленый — 500–565 нм) как третий, как что-то среднее. Этим средним и будет желтый. Повторим: так устроено наше зрение.

Но то, что мы видим, зависит не только от свойств нашего глаза. Мы, если не смотрим на Солнце, видим либо отраженный, либо рассеянный свет, чаще — отраженный от поверхности того предмета, на который смотрим.

Например, посветили белым (солнечный свет), и все цвета, кроме желтого, поверхность поглотила — значит, видим желтую поверхность.

Если другая поверхность поглотит все цвета, кроме синего и красного (последние, соответственно, отразит), мы опять увидим желтую поверхность — вспомним: синий плюс красный видно как желтый.

Но вот если осветить первую поверхность с помощью света нашего светодиода, что мы увидим? Черную поверхность, ведь в составе света не было настоящего желтого — того, который наш предмет отражает! А вторую поверхность мы увидим такой же желтой, как и прежде, ведь синий и красный в нашем фонарике в наличии.

Что это означает? Неправильную цветопередачу. Светло-то светло, да ничего не видно. Если сделать из такой лампы яркую (уж это — пожалуйста!) автомобильную фару, то в свете таких фар вы рискуете не увидеть пешехода, переходящего дорогу перед вашим автомобилем.

Читатель может возразить: что-то я все-таки увижу. Ну, неправильные будут цвета, но дорога — не картинная галерея, как-нибудь разберемся. Ошибка, причем грубая! И вот почему.

Вспомните принцип маскирующего камуфляжа. Хотите, представьте форму солдата, хотите шкуру тигра или леопарда — принцип один. И дело опять в особенностях нашего зрения. Мы узнаем образ того, что мы видим по границе этого образа, так устроено наше зрение (глаза плюс мозги). Чтобы «увидеть», достаточно одной границы: вспомните замечательные карикатуры Херлуфа Битструпа — ничего, кроме контура, но все узнаваемо. А вот если контур убрать, а именно это делают камуфлирующие пятна или полосы, увиденное сольется с фоном. При неправильной цветопередаче велик риск того, что контур распадется, — перед глазами будут не воспринимаемые нами «камуфляжные» пятна. Вот так: проверили фонарик — светит хорошо, ярко; посветили — и ничего не увидели!

Но наш главный риск не в том, что мы в неверном освещении проглядим что-то важное. Наш главный риск — не увидеть те сюрпризы, которые таит в себе все новое. И не надо полагаться на очевидность — она-то и подведет, особенно в области нано.

Риск применения нанотехнологий по внетехнологическим причинам.

Риск технологической подмены — замещающая нанотехнология несет те же риски, что и замещаемая.

Риск неправильной цветопередачи как пример риска искажения восприятия.

Риск очевидности — не надо полагаться на очевидность — она-то и подведет.

Глава 2

Чудеса структуры

2.1. Фрактальная симфония

— Разрешите доложить, капитан: полный штиль, барометр показывает ясно, температура наружного воздуха двенадцать градусов по Цельсию, произвести измерение глубины и температуры воды не представилось возможным за отсутствием таковой.

… — То есть как это за «отсутствием»? — спрашиваю. — Куда же она девалась?

В предыдущей главе мы говорили о материалах и о рисках, с ними связанных. Было отмечено, что все начинается с материала. Однако последние примеры (со сверхпроводимостью, с материалами для водородной энергетики) показали, что важнейшим в материалах была их структура. Нанотехнологии — это тот случай, когда материал уходит на второй план, а на первый план выходит структура.

Действительно, мы не просто имеем дело с атомами — с ними мы имеем дело всегда, ведь из них состоят самые привычные вещи, — мы эти атомы размещаем так, как нам необходимо. Такое размещение и есть структура. При этом структура нано часто особенная. В привычном нам кристалле, например соли, тоже есть четкая структура — бесконечная череда повторяющейся во все стороны кристаллической решетки. Но не о такой «монотонной» структуре речь. Структуры нано более сложные.

Показательным примером такой особенной структуры являются так называемые дендримеры. Это как раз тот материал, который применяется для «губок» водородной энергетики.

Дендример — название говорящее. Это макромолекула, похожая на дерево[25], точнее на его крону. Только подобия в дендримере еще больше — в кроне дерева ветки разные: ближе к стволу — толще, дальше от ствола — тоньше; в дендримере все веточки одинаковые и структура — строго регулярная (рис. 2.1).

«Ну и что, — скажет читатель. — В чем же особенность такой структуры? Похожа на кристалл, только немного странный». Странный — да, но не немного!

Дендример — фрактал. Хоть фракталы часто встречаются в нашей жизни, то, что они не такие, как обычные тела, поняли относительно недавно. Считается, что самым первым примером фрактала была береговая линия острова. Бенуа Мандельброт[27] в 1967 г. задался вопросом: какова длина береговой линии, например, острова Великобритания[28]? Взял карту и измерил. Получил результат. Ему бы на этом успокоиться, но он взял карту большего масштаба, т. е. подробнее. Измерил. Результат получился другой — линия оказалась много длиннее! Тогда Мандельброт взял карту еще большего масштаба, еще более подробную. И опять длина линии здорово увеличилась. Ученый задумался: что же получается — у линии нет длины? Действительно, чем подробнее будет карта, тем больший результат мы получим. И никакой из результатов изменений, даже последний, не будет верным, потому что можно взять карту еще подробнее.

Чтобы это понять, рассмотрим кривую под названием кривая Коха[29]. Такая кривая строится так, как на рис. 2.2.

Сначала кривая выглядит как на рис. 2.2, а. Она состоит из четырех одинаковых прямых. По краям (первая и последняя трети) — прямые, а в средней трети две прямые, соединенные «треугольником». Длина такой кривой — 4/3, если за единицу принять длину основания кривой. Теперь давайте заменим каждую из четырех прямых линий на такую же, но уменьшенную в масштабе. Получится как на рис. 2.2, б. Длина линии составит (4/3)2. Можно продолжать процесс замены прямых на уменьшенную кривую. На следующей стадии замены (рис. 2.2, в) линия будет более изрезанной, а длина ее составит (4/3)3 на следующей стадии — (4/3)4. И так без конца. Длина линии бесконечна. Чем больше мы ее дробим, тем она длиннее. А теперь представьте, что мы рассматриваем эту кривую, нарисованную на карте. Мелких деталей не видно — длина кривой конечна. Но вот мы взяли карту с лучшим разрешением — и детали проявились. И длина увеличилась. Если разрешение увеличить втрое, проявится следующая часть структуры кривой, ведь так мы ее строили — каждый шаг связан с уменьшением масштаба втрое. А длина кривой на карте (в увеличенном масштабе) увеличится в 4 раза (4/3×3). Если увеличить масштаб карты в 3 или 10 раз, то длина обычной, привычной нам кривой увеличится также — соответственно в 3 или 10 раз. А для фрактала это не так! При изменении масштаба в k раз наблюдаемая длина нашего фрактала увеличится в k4/3 раз. Для обычной кривой — в k1 раз. Эта маленькая единичка и есть размерность обычной кривой — она одномерна.

Для площади наш показатель был бы равен двойке. Если линейные размеры увеличить в k раз, то площадь увеличится в k2 раз. Для объема — показатель 3. Двойка и тройка — размерность (соответственно) площади и объема. А наш фрактал имеет дробную размерность — 4/3 [31]. Он, конечно, не плоскость, но уже и не линия! Фракталы-линии бывают разные. И размерности у них тоже разные — между единицей и двойкой.

Наш дендример — такой же фрактал, только объемный. Если его увеличить в к раз, то его «поверхность» увеличится быстрее, чем в k2 раз — размерность его поверхности между двойкой и тройкой. Таковы, например, хорошо известные нам снежинки: эксперименты показали, что размерность их «поверхности» между 2,7 и 2,8.

Сказанное не есть какая-то экзотика. Это источник серьезной метрологической проблемы. Метрология — это наша способность надежно и точно измерять длины, площади, количества, а также другие свойства всего того, с чем мы имеем дело. Метрология подобна аптекарю или, вернее, фармацевту, точно отвешивающему на своих весах строгие количества. И вот здесь этот аптекарь дает маху и не только в переносном смысле.