логин:    пароль: Регистрация
Вы здесь:
  
Исповедь невидимки Надежда ГОНЧАРУК - «Контракты» №44 Октябрь 2012г.

Зачем человечеству нанотехнологии


«Мой мир существует между костяшками указательного и среднего пальцев вашей левой руки. Он находится там вот уже несколько миллионов лет — по нашему летосчислению. Разумеется, для вас это всего несколько минут», — взволнованно рассказывал бухгалтер Фрока персонажу фантастического рассказа Роберта Шекли «Извините, что врываюсь в ваш сон». В надежде спасти свою цивилизацию от полного уничтожения маленький пришелец умолял своего собеседника не чесать между пальцами. Главный герой произведения в течение недели носил бинт на руке, полагая, что это обеспечит народцу полный покой на 20–30 млрд лет, что вполне достаточно для любой цивилизации.

С точки зрения современной науки ничего фантастического в этом рассказе нет. Мир состоит из атомов, которые определяют свойства вещества. Атомы — это маленькие вселенные, ведь у них есть свое Солнце — ядро и планеты, которые движутся, пусть и по изменяющимся траекториям, вокруг светила, — электроны.

Ученые изучают микроскопические частицы для манипуляций с материями. Область науки, занимающаяся созданием новых атомарных и молекулярных структур с заданными свойствами, называется нанотехнологией. Тело человека состоит из клеток, каждая из которых представляет собой идеальный образец нанотехнологий.

Нанотехнологи изучают физические и химические системы длиной от 1 до 100 нм. Нанометр — это одна миллиардная часть. Для сравнения: толщина человеческого волоса — 80 тыс. нм, диаметр булавочной головки — 1 млн нм, красной кровяной клетки — 2,5 тыс. нм.

Но диаметр атома, из которых строится наша Вселенная, составляет в среднем приблизительно одну десятую нанометра, а ядро атома — 0,00001 нм.

А теперь представьте: манипуляции с молекулами, состоящими из атомов, могут привести к весьма интересным результатам. Заставляя микрочастицы группироваться в нужном порядке, можно создавать материалы с удивительными свойствами. Речь идет о появлении сверхпрочных, сверхпроводимых и сверхгибких веществ.

Макро на микро

Неудивительно, что нанотехнологии — это неплохой бизнес, если не с позиции практического применения, то с точки зрения большого потенциала. В 2011-м, согласно результатам исследования компании BCC Research, объем мирового рынка нанотехнологий оценивался в $20,1 млрд. В нынешнем году ожидается, что рынок достигнет показателя в $20,7 млрд, а к 2017-му — $48,9 млрд при среднем годовом росте в 18,7%.

Львиную долю рынка нанотехнологий занимают так называемые наноматериалы объемом $15,9 млрд. Ожидается, что через пять лет этот показатель вырастет до $37,3 млрд. За год производится 20–30 т наноматериалов. Их основу составляют наночастицы в 1–100 нм с уникальными характеристиками. Часто дробление веществ до наночастиц дает им новые полезные качества.

Одно из популярных направлений этого сегмента — углеродные нанотрубки. Для невооруженного глаза они похожи на угольную пыль, под микроскопом представляют собой цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из графитовых плоскостей. Спрос на них растет из-за уникальных характеристик. Нанотрубки весьма ценятся: в электронике — благодаря хорошей проводимости и термоустойчивости, в машиностроении — из-за высокой прочности, в авиастроении — ввиду сверхлегкости и антикоррозийных свойств. На практике они используются в обшивках самолетов, чувствительных микросхемах, транзисторах и тонких дисплеях. Когда эти крошечные углеродные нанотрубки проявляют металлическую электропроводность, то демонстрируют чрезвычайную прочность, несравнимую с прочностью стали, более эффективные электрические свойства по сравнению с медью, передают тепло так же эффективно, как бриллиант, а их вес не превышает вес хлопка, отмечают в Honda. Производством трубок занимаются немецкая корпорация Bayer, компании CNano, Arkema, Nanocyl и др.

«Сколково» и Роснано запустили образо-вательную программу «Стимулирование спроса на нанотехнологическую продукцию»

В академическом научном журнале Science были опубликованы результаты новых исследований Honda Research Institute USA, согласно которым углеродные трубки могут проводить электричество значительно быстрее и дальше с минимальными потерями энергии. Прошлые исследования, целью которых было научиться контролировать с помощью традиционных методов формирование структуры углеродных нанотрубок с металлической электропроводностью, демонстрировали 25–50% успешных попыток. Доля успешных попыток Honda в сфере синтеза углеродных нанотрубок и создания металлической электропроводности за десять лет достигла показателя в 91%.

«Мы можем контролировать практически повсеместное наделение углеродных нанотрубок металлическими свойствами. Конечно, будут проводиться дальнейшие исследования, целью которых является достижение полного контроля над созданными конфигурациями нанотрубок для их использования в практических целях на пользу человечества», — отметил профессор Аветик Харутюнян, глава проекта и главный научный сотрудник Исследовательского института Honda в США.

Достижения японских ученых могут изменить представления об электронике за счет снижения размера узлов и повышения энергоэффективности компонентов, используемых в компьютерах, солнечных батареях, топливных элементах, аккумуляторах, композитных материалах и т. д.

Ремонт ДНК

Еще один сегмент нанотехнологий — производство микросхем для компьютеров. Не так давно данную область называли микро­электроникой, однако уже сегодня ее полноценно можно окрестить наноэлектроникой. Чуть менее десяти лет назад корпорация Intel запустила в производство процессоры на основе технологии 90 нм. В современном компьютере используют компоненты по 32 нм, а Intel уже начала поставки чипов 22 нм. Речь идет о процессорах, которые состоят из сотен миллионов транзисторов размером в несколько десятков нанометров каждый.

Что дает переход к более совершенной технологии? Следование небезызвестному закону Мура: увеличение производительности процессоров при снижении теплоотдачи. К 2015 году Intel планирует перейти на 10 нм технологию, впоследствии — на 7 нм и 5 нм. После того как размер транзисторов достигнет минимальной величины, которую физические законы просто не позволят преодолеть, производители электронных компонентов возьмут на вооружение более миниатюрные технологии, вплоть до перехода на атомарный уровень, и не за горой появление первых квантовых компьютеров.

Сферы применения нанотехнологий неисчерпаемы. Например, они могут использоваться в медицине. Это дело не ближайшего будущего, а минимум 30–40-летней перспективы, но ряд ученых выделяют данное направление как одно из наиболее многообещающих. Размер вируса составляет 100 нм — можно только представить, чего можно добиться, применяя нанотехнологии. Допустим, каждая лаборатория будет оборудована крошечными инструментами, роботами и т. д. для исследования клеток, вирусов, фрагментов ДНК и пр. Это позволит изучить отдельные гены для лечения сложных заболеваний в каждом конкретном случае. Те же нанороботы будут ремонтировать ДНК больного.

Одним из практических применений нанотехнологий в медицине может стать адресная доставка лекарств к больным клеткам. Речь идет о воздействии препаратов только на пораженные клетки без причинения вреда здоровым по принципу «волшебной пули», придуманной немецким врачом Паулем Эрлихом в начале XX столетия. Медицинские препараты позволят эффективнее бороться с пораженными раковыми клетками (без применения вредной лучевой или химиотерапии на весь организм) и грибковыми инфекциями.

Нанокритика

Несмотря на большой потенциал, нанотехнологии часто служат объектом критики со стороны ученых и инженеров. Многие сомневаются в их практическом применении, ведь отрасль в основном развивается благодаря мощной государственной поддержке ряда стран — США, Японии и России, а повсеместное коммерческое использование нанотехнологий невозможно из-за большой себестоимости производства при посредственном качестве и очень низкой скорости производства молекулярных соединений.

Ложку дегтя внесли и российские чиновники во главе с президентом Владимиром Путиным, которые в 2007 году выделили отрасль как приоритетную для развития. Правительство РФ внесло имущественный взнос в размере 130 млрд руб. для обеспечения деятельности корпорации «Роснано», крупнейшего госинвестора в нанотехнологии, впоследствии перешедшего в частные руки. К 2011 году сумма инвестиций превысила 300 млрд руб.

Данная инициатива дала повод для разговоров о нецелевой растрате бюджетных средств. Многие коммерческие компании в надежде получить государственные инвестиции спекулировали на самом понятии «нано», подменяя им традиционные области химии — неорганику, химию твердого тела, материаловедение, химию полимеров и т. п. Впрочем, все вышеупомянутое не столько доказывает, что нанотехнологии — сплошное надувательство, сколько выявляет то, что в данной области появилось очень много случайных людей, движимых лишь жаждой легкого обогащения.


МИКРОРОСТ

Инвестиции в нанотехнологии в мировом масштабе, $ млрд

 

Глаз смотрящего


Инструменты для наблюдения за наномиром

Оптический микроскоп. 1000-кратное увеличение, что соответствует разрешению не более чем в несколько сотен нанометров.

Электронный микроскоп. Пучок электронов, фокусируемый магнитными линзами, проходит через образец, а затем попадает на люминесцентный экран, где отображается картинка предмета, видимая человеческому глазу. Увеличение в миллионы раз позволяет увидеть атомные слои, разрешение достигает 0,1-0,3 нм.

Сканирующий туннельный микроскоп. Использует квантовый эффект туннелирования. Игла-зонд с острием толщиной в один атом перемещается над поверхностью объекта на расстоянии порядка одного нанометра. Изменение тока позволяет исследовать поверхность с разрешением 0,01–0,001 нм, что соответствует увеличению в 100 млн раз.

Сканирующий электронный микроскоп. Сканирование поверхности пучком электронов, вызывающих рентгеновское и видимое излучение. Можно изучать не только рельеф поверхности, но и химический состав образца, структуру в поверхностном слое. Разрешение варьируется от единиц до десятков нм.

Магнитно-резонансные силовые томографы. Наблюдение за биологическими процессами в реальном времени без нарушения их естественного протекания. Совместив магнитно-резонансную силовую микроскопию с трехмерным механическим сканированием при использовании специального алгоритма обработки данных, при сканировании биологического образца было достигнуто разрешение порядка 4 нм.

Атомно-силовой микроскоп. Усовершенствованный туннельный микроскоп. С его помощью можно изучать любые поверхности, независимо от того, являются они проводниками или диэлектриками. Но его разрешение составляет около 1 нм.

Вы здесь:
вверх