В. Морозов - История инженерной деятельности
С помощью нанотехнологий, как полагают ученые, удастся решить такие проблемы, как синтез веществ на молекулярном уровне, когда станет возможным производство любых предметов путем сбора их по отдельным атомам. Именно так, по мнению футурологов, жителям Земли удастся решить проблему голода – еда будет просто синтезироваться из любого соответствующего сырья.
Большое значение развитие нанотехнологий будет иметь для так называемых малобюджетных стран, в том числе России, Украины, тем более, что здесь есть существенное отставание, например, в микроэлектронике, и поэтому в экономическом плане переход к наноэлектронике в тысячи раз снижает затраты на создание и промышленное освоение современного производства наноэлементов по сравнению с созданием промышленного комплекса микроэлектроники. Новые научные решения позволяют совершить качественный скачок и преодолеть ряд технологических барьеров, свойственных микроэлектронике.
По оценкам ученых, экономистов, строительство современного завода по производству элементной базы микроэлектроники на основе сверхчистого кремния с разрешением в активной зоне порядка 0,1 микрометра будет стоит государству около 100 млрд долларов. Переход к гетероструктурам на основе соединений A3B5, созданным с использованием технологий наноэлектроники с той же производственной мощностью, потребует затрат порядка 200–300 млн. долларов. Это оставляет шанс таким странам, как Украина и Россия, не только догнать по уровню технологической оснащенности мировые державы, но и выйти по некоторым позициям в мировые лидеры.
Кроме того, от нанотехнологий ждут решения проблемы человеческого бессмертия, которое будет достигнуто за счет внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестройки и «облагораживания» тканей человеческого организма.
Нанороботы будут запущены в атмосферу и полностью ликвидируют вредное влияние жизнедеятельности человека на окружающую среду. Любые выбросы будут расщепляться на атомарном уровне и трансформироваться в естественные природные вещества. Эти же роботы смогут, например, сделать пригодной для обитания Луну и другие небесные тела. На них будут созданы вода, земная атмосфера и привычная землянам среда.
Эдвард Теллер, один из создателей термоядерной бомбы, заметил: «Тот, кто раньше овладеет нанотехнологией, займет ведущее место в техносфере следующего столетия» (имеется в виду ХХІ столетие). Высказывание, безусловно, верное, но нанотехнология не должна становиться предметом соперничества. Она обладает столь мощным потенциалом, что нужно вести разработки в этой области полностью открыто, с тщательным контролем, исключающим создание оружия.
Эрик Дрекслер пишет: «Но мощь новых технологий можно обратить и на создание военной силы. Перспектива создания новых вооружений и их быстрого производства является причиной для серьезного беспокойства. Это ведет к идее установления тщательного контроля даже для тех из нас, кто является убежденным сторонником свободного развития технологии».
На данный момент возможно наметить следующие перспективы нанотехнологий:
1. Медицина. Создание молекулярных роботов-врачей, которые «жили» бы внутри человеческого организма, устраняя или предотвращая все возникающие повреждения, включая генетические. Срок реализации: первая половина XXI века.
2. Геронтология. Достижение личного бессмертия людей за счет внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестройки и улучшения тканей человеческого организма. Оживление и излечение тех безнадежно больных людей, которые были заморожены в настоящее время методами крионики. Срок реализации: третья – четвертая четверти XXI века.
3. Промышленность. Замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул. Срок реализации: начало XXI века.
4. Сельское хозяйство. Замена природных производителей пищи (растений и животных) аналогичными функциональными комплексами из молекулярных роботов. Они будут воспроизводить те же химические процессы, что происходят в живом организме, однако более коротким и эффективным путем. Например, из цепочки «почва – углекислый газ – фотосинтез – трава – корова – молока» будут удалены все лишние звенья. Останется «почва – углекислый газ – молоко (творог, масло, мясо)». Такое «сельское хозяйство» не будет зависеть от погодных условий и не будет нуждаться в тяжелом физическом труде. А производительности его хватит, чтобы решить продовольственную проблему раз и навсегда. Срок реализации: вторая – четвертая четверть XXI века.
5. Биология. Станет возможным внедрение наноэлементов в живой организм на уровне атомов. Последствия могут быть самыми различными – от «восстановления» вымерших видов до создания новых типов живых существ, биороботов.
6. Экология. Полное устранение вредного влияния деятельности человека на окружающую среду. Во-первых, за счет насыщения экосферы молекулярными роботами-санитарами, превращающими отходы деятельности человека в исходное сырье, а во-вторых, за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы. Срок реализации: середина XXI века.
7. Освоение космоса. По-видимому, освоению космоса «обычным» порядком будет предшествовать освоение его нанороботами. Огромная армия роботов-молекул будет выпущена в околоземное космическое пространство и подготовит его для заселения человеком – сделает пригодными для обитания Луну, астероиды, ближайшие планеты, соорудит из «подручных материалов» (метеоритов, комет) космические станции. Это будет намного дешевле и безопаснее существующих ныне методов.
8. Кибернетика. Произойдет переход от ныне существующих планарных структур к объемным микросхемам, размеры активных элементов уменьшаться до размеров молекул. Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцовых величин. Получат распространение схемные решения на нейроноподобных элементах. Появится быстродействующая долговременная память на белковых молекулах, емкость которой будет измеряться терабайтами. Станет возможным «переселение» человеческого интеллекта в компьютер. Срок реализации: первая – вторая четверть XXI века.
9. Разумная среда обитания. За счет внедрения логических наноэлементов во все атрибуты окружающей среды она станет «разумной» и исключительно комфортной для человека. Срок реализации: после XXI века.
Посмотрим критически на перечисленные выше перспективы.
· Производство объектов. Необходима согласованная работа гигантского количества наномашин. Этой совокупности машин каким-то образом должен передаваться огромный объем информации. Вероятно, что существование такой легко управляемой и надежной системы невозможно. Кроме того, как сделать, чтобы в отходах производства (неиспользованных элементах мусора и самоликвидировавшейся системе наномашин) не содержалось высокотоксичных радикалов? И, наконец, главный вопрос: не будут ли произведенные таким способом объекты ненастоящими, «бездушными» и негодными к употреблению в связи с тем, что микромир при низких энергиях (которым живут обычные вещи) не «заканчивается» на атомах, как мы сейчас полагаем?
· Медицина. Внедрение наномашин в живой организм – эту сложнейшую систему – может привести к возникновению ряда новых болезней и появлению страшных вирусов. С другой стороны, излечение всех болезней, продление жизни и оживление людей из криоанабиоза усиливает проблему перенаселения Земли и увеличивает конфликт «отцов и детей».
· Экология. Возможны непредвиденные нарушения в экосистемах.
· «Облагораживание среды». Разумная среда должна обладать крайне высокими «интеллектуальными способностями». Почему она должна служить человеку, а не развиваться самостоятельно и непредсказуемо, возможно во вред ему?
Наряду с указанными выше проблемами возникают следующие четыре группы проблем:
1. Применение молекулярной нанотехнологии в военных целях.
2. «Поломка» наносистем или даже выход их из-под контроля.
3. Проблемы, связанные с этификацией (облагораживанием) окружающей среды.
4. Проблемы бессмертия человека.
Следует заметить, что уже с 1994 года практически начинается применение нанотехнологических методов в промышленности.
Многие из перспективных направлений в материаловедении, нанотехнологии, наноэлектронике, прикладной химии связываются в последнее время с фуллеренами, нанотрубками и другими похожими структурами, которые можно назвать общим термином углеродные каркасные структуры. Что же это такое?
Углеродные каркасные структуры – это большие (а иногда и гигантские!) молекулы, состоящие исключительно из атомов углерода. Можно даже говорить, что углеродные каркасные структуры – это новая аллотропная форма углерода (в дополнение к давно известным: алмазу и графиту). Главная особенность этих молекул – это их каркасная форма: они выглядят как замкнутые, полые внутри «оболочки». Самая знаменитая из углеродных каркасных структур – это фуллерен С60, абсолютно неожиданное открытие которого в 1985 году вызвало целый бум исследований в этой области (Нобелевская премия по химии за 1996 год была присуждена именно первооткрывателям фуллеренов Роберту Керлу, Гарольду Крото и Ричарду Смалли). В конце 80-х, начале 90-х годов, после того как была разработана методика получения фуллеренов в макроскопических количествах, было обнаружено множество других, как более легких, так и более тяжелых фуллеренов: начиная от С20 (минимально возможного из фуллеренов) и до С70, С82, С96 и выше.
