Книга: «Дикие карты» будущего. Форс-мажор для человечества

Технологический мейнстрим: ТП «Нанотехнологии»

Технологический мейнстрим: ТП «Нанотехнологии»

В настоящее время нанотехнологии в общепринятом смысле этого слова представляют собой скорее не технологический пакет, а граду – совокупность технологий различного содержания и происхождения, работающих с информацией и материей и достигших приблизительно одинакового уровня организации.

Нанотехнологии обычно понимают как технологии, оперирующие размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении. И тогда мы можем говорить о нанопленках, нанонитях, нанотрубках, нановолокнах; наночастицах, нанопорошках; наномеханизмах; наноустройствах (наноэлектроника).

Для работы на расстояниях порядка десятков-сотен нанометров используются технологии различного происхождения и назначения, работающие на совершенно различных принципах. Прежде всего, это атомно-силовой зондовый микроскоп, посредством которого удается измерять межатомные расстояния и перемещать отдельные атомы. Затем – физические технологии взрыва проводников и плазменного синтеза, химические по своему происхождению технологии восстановления тонких пленок и молекулярного наслаивания, смешанная технология ионного наслаивания. Весьма распространена технология микролитографии, имеющая «инженерное» происхождение, практически это «продвинутая» технология изготовления печатных плат. В микролитографии, плазменном синтезе и взрывах проводников в качестве источников энергии могут применяться мощные коротковолновые лазеры.

Понятно, что столь разнородные технологии применяются для решения разнородных задач, и объединяет эти технологии лишь способность воздействовать на материю на субмолекулярном уровне. Заметим здесь, что характерные расстояния и энергии могут отличаться для различных нанотехнологий в сотни и тысячи раз.

На наш взгляд, размерные ограничения фиксируют лишь формальную сторону дела. Нанотехнологии используют квантовомеханические эффекты. В этом их главное отличие от любых других технологий.

Можно рассматривать нанотехнологии как результат взаимодействия квантовой механики и обычных индустриальных технологий – металлургических, химических, электротехнических и электронных, машиностроительных и т. п.

Информационная структура ТП «Нанотехнологии»

Информационная составляющая нанотехнологического пакета еще более обширна и значима, нежели в случае биологических или информационных технологий. Можно сказать, что нанотехнологии лежат на магистральном пути развития физики.

Физика участвует в формировании комплекса знаний, задающих развитие нанотехнологий, в четырех логиках:

• Во-первых, классическая механика, развитие которой привело к созданию электродинамики и возникновению специальной теории относительности;

• Во-вторых, оптика, которая в процессе своего развития породила лазерную физику и комплекс все более мощных измерительных приборов – лупа, оптический микроскоп, фазово-контрастный микроскоп, электронный микроскоп, атомно-силовой зондовый микроскоп;

• В-третьих, метрология, развитие которой породило использующую зондовый микроскоп технологию измерения нанообъектов;

• В-четвертых, классическая механика, оптика, электродинамика привели к созданию ранних моделей атома, открытию электрона и формированию комплекса представлений, получивших название квантовой механики.

Квантовая механика опирается на гипотезу Планка о квантованности энергии и законы Эйнштейна, описывающие явление фотоэффекта. На этой базе были сформулированы основополагающие принципы соответствия, дополнительности и неопределенности, первоначально интерпретированные в языке корпускулярно-волнового дуализма.

На следующем шаге было написано уравнение Шредингера, введено основополагающее понятие волновой функции, построена модель атома Бора и создана копенгагенская вероятностная трактовка квантовой механики.

Релятивистским обобщением уравнения Шредингера стало уравнение Дирака, положенное в основу квантовой электродинамики и – шире – релятивисткой квантовой механики, которую можно рассматривать как синтез обычной квантовой механики и специальной теории относительности. Ряд проблем релятивисткой квантовой механики был решен при создании в 1950-х годах квантовой теории поля и модели перенормировки. Среди многих направлений развития КТП особое значение для нанотехнологического пакета имеет механика конденсированных сред, которая породила в своем развитии теорию мягких конденсированных сред и мезоскопическую физику[54].

Важно подчеркнуть, что блистательное на протяжении ряда десятилетий развитие квантовой механики не только не сняло квантовомеханические парадоксы, сформулированные еще в 1920-х годах, но и обострило их, экспериментально опровергнув наиболее простые объяснения, такие как гипотеза скрытых параметров.

Весьма важно понять следующее: в сущности, все нанотехнологии переводят квантовые процессы на макроскопический уровень, что формально противоречит принципу соответствия. С другой стороны, мысленный эксперимент с «кошкой Шредингера» указывает, что макроскопические квантовые процессы вполне реализуемы.

Любой квантовомеханический эффект, сколь бы странным и экзотичным он ни был, рано или поздно будет воплощен в одной из нанотехнологий. Одним из важнейших направлений развития нанотехнологий станет практическая реализация квантовых парадоксов, прежде всего – парадокса Зенона и парадокса Эйнштейна – Подольского – Розена.

Технологизация квантовомеханических представлений о спутанных состояниях является «главным вариантом» развития нанотехнологического пакета. Такие исследования могут сначала привести к возникновению квантового компьютера со сверхвысоким быстродействием и технологии управления вероятностями, а затем – открыть возможности для нового прогресса в области силовых машин, двигателестроения, энергетики.

Заметим в заключение, что, на наш взгляд, нанотехнологии подразумевают управление вероятностями.

Институционально технологический проект не достроен[55], а его нормативноправовое оформление даже не начиналось.

Ядро ТП «Нанотехнологии»

В настоящее время ядро пакета «Нанотехнологии» неоднородно, а также технологически и институционально дефициентно.

Базовой технологией пакета является «атомный манипулятор», который представляет собой зондовый микроскоп, плюс технология измерения нанообъектов, то есть тот же зондовый микроскоп вместе с накопленными метрологическими техниками. В этом смысле можно сказать, что атомный манипулятор – это ускоритель частиц, фокусировка и управление потоком которых осуществляется с очень высокой точностью.

С другой стороны, основой нанотехнологий является мезоскопическая физика, которая с приемлемой точностью описывает квантовые среды, для которых существенна квантовая когерентность. Теория квантовых сред породила ряд технологий синтеза наноматериалов: плазменный синтез, взрыв проводников, молекулярное и ионное наслаивание, восстановление тонких пленок.

Мезоскопическая физика открыла принципиально важный эффект, который с очевидностью будет технологизирован и уже техно логизируется. Речь идет о квантовых точках – областях пространства, представляющих собой потенциальную яму, и квантовых антиточках – областях пространства, представляющих собой потенциальный барьер.

Интересно, что создание электронных устройств нанотехнологического масштаба мыслимо двумя путями – микролитографическим, то есть, по сути, с использованием той или иной разновидности зондового микроскопа, и через создание квантового транзистора как сочетания «точки» и «антиточки».

Таким образом, современные нанотехнологии представляют собой административное объединение двух линий развития, одна из которых воплощена в зондовом микроскопе – атомном манипуляторе, а другая – в мезоскопической физике, то тесть в синтезе наноматериалов и создании квантовых транзисторов. Заметим здесь, что даже генетически эти подходы различны: грубо говоря, один идет через оптику и метрологию, другой – через квантовую теорию поля. Пересекаются они только на уровне представлений о «физике вообще», что соответствует временам И. Ньютона.

Понятно, что в такой ситуации нанопакет либо расколется на два различных и не связанных между собой пакета (в сценарии инерционного развития такой исход неизбежен), либо будет создана универсальная технология манипулирования, объединяющая мезоскопический и атомарно-силовой подход. Понятно, что такая технология, в настоящее время отсутствующая, будет базовой для ТП «Нанотехнологии».

Необходимо также учесть, что нанопакет не только технологически не достроен, но и не оформлен институционально в сравнении с другими технологическими пакетами «мейнстрима», и плохо прописан в нормативно-правовом пространстве. В настоящее время предпринимаются первые попытки выстроить институциональные решения: Национальная инициатива в области нанотехнологий в США, создание корпорации «Роснанотех» в РФ.

Периферия ТП «Нанотехнологии»

В настоящее время атомарно-силовой манипулятор используется в микролитографии, что позволило перейти к созданию микросхем сверхвысокой интегрированности и возникновению наноэлектроники. По всей видимости, однако, магистральным направлением в этой области будет не микролитография, а создание упорядоченных комбинаций квантовых точек/антиточек – нанотранзиторов. Такая технология породит также наносенсоры, а в сочетании со спинтроникой позволит перейти на очередную ступень микроминиатюризации электронных устройств – фентоэлектронике, которая вытеснит современный «нанотехнологический» подход.

Развитие субпакетов «Наноматериалы» и «Механотроника», в том числе наноконструирование, наноустройства, нано– и микророботы, будет происходить так же, как и в инерционном сценарии. И наноустройства, и наноматериалы будут широко использоваться в медицине, что приведет к широкому использованию термина «Наномедицина».

В дальнейшем неизбежно создание наноструктур, постоянно существующих в человеческом организме и выполняющих работу по его «ремонту», «отладке» и «настройке» без вмешательства сознания. Можно рассматривать эти структуры в языке техники – как «медицинских нанороботов», или в языке биологии – как искусственно созданных симбиотов.

Важным применением наноматериалов станет создание тепловыделяющих элементов с решеткой, регулярной на наноуровне, таких как нанотвэлы и нанореакторы.

«Пропущенная» технология универсального манипулирования атомными частицами приведет к быстрому развитию супрамолекулярной химии и, в конечном счете, к возникновению механохимии. Заметим здесь, что такая технология приведет к резкому ускорению биотехнологических манипуляций с ДНК и соответствующему росту возможностей технологического пакета «Биотехнологии».

Принципиально новые результаты возможны при расширении нанотехнологического пакета до технологизации тех возможностей, которые заключены в квантовомеханических парадоксах Зенона и Эйнштейна – Подольского – Розена. На этом пути уже проведены первые успешные практические опыты в области квантовой криптографии и первые эксперименты в области квантовой телепортации. Можно предположить, что именно технологизация квантовомеханических представлений о спутанных состояниях является главным вариантом развития нанотехнологического пакета. Такие исследования могут сначала привести к возникновению квантового компьютера со сверхвысоким быстродействием и технологии управления вероятностями, а затем – открыть возможности для нового прогресса в области силовых машин, двигателестроения, энергетики. На пути технологизации квантовых парадоксов возможны и другие результаты, обсуждение которых в настоящее время преждевременно.

Сценирование развития нанотехнологий

Сценарная развилка для нанотехнологий примерна та же, что и у биотехнологий. В инерционном сценарии – встраивание в развитие IT, поставка новых материалов и устройств – наноботов. В альтернативном сценарии – достройка онтологической «крыши» и реализация квантовых эффектов, прежде всего работа со спутанными состояниями.

Инерционный сценарий развития нанотехнологий

Наноматериалы

С высокой долей уверенности можно прогнозировать нанопористые материалы ввиду «универсальности» – востребованности в химической промышленности, возможности использования для очистки воды, воздуха и топлива, что отвечает основам «экологического» мышления большей части населения развитых стран, а также реализуемости в качестве материалов для имплантатов.

Наночастицы и нанопорогики, промышленное использование которых является логичным развитием микрочастиц и микропорошков, уже внедряются в производство: в медицине – оболочки для лекарств, серебро в биомаркировке и диагностике, в технике – чернила, износостойкие оболочки, в потребительских товарах – лыжная мазь и в электронике – наночастицы в ОЗУ. Их реализуемость вопросом не является, масштабность разработок в целом свидетельствует об их экономической выгодности.

Углеродные нанотрубки будут реализованы в силу того, что при столь масштабных вложениях почти во всех возможных отраслях сложно хоть одно направление не довести до логического конца. Хотя, по всей видимости, реализация именно данного направления не оправдает надежды инвесторов. Примечательно большое количество мошенничества в «нанопромышленности» именно здесь.

Следует заметить, что значительные финансовые вложения в наноматериалы обосновываются надеждами на наличие у этих материалов «особых свойств». Действительно, при переходе от микро– к наноуровню характеристики материалов могут измениться. Но, во-первых, могут и не измениться или измениться в худшую с нашей точки зрения сторону. Во-вторых, практически наверняка в отношении наноматериалов будет работать принцип соответствия, то есть при агломерации наночастиц или осаждении примесей на нанопленки их свойства будут соответствовать свойствам обычных микрочастиц. Действительно, образование агломератов, «слипание» наночастиц в микрочастицы с потерей специфических «наносвойств», является одной из ведущих проблем в развитии нанотехнологий, и совершенно неочевидно, что эта проблема имеет решение в общем случае.

Проблема агломерации имеет значение и для наиболее перспективного и востребованного направления – нанопористых материалов. Очень вероятно, что эти материалы будут температурно-, магнитно– или средово-нестабильными, причем нестабильность будет носить принципиальный и неустранимый характер.

Нанопленки будут реализованы в силу их необходимости для таких технологий, как гибкие дисплеи – наиболее востребованная инновация в области компьютеров. Новые износостойкие комплектующие подойдут автомобильной промышленности. Космической промышленности и медицине потребуются оболочки для лекарств.

Востребованным и лежащим в русле развития фармакологической индустрии материалом являются нанокапсулы. Их использование позволит достичь «точечной доставки» лекарств. В частности, на основе нанокапсул разрабатываются лекарства от рака. Применение нанокапсул также найдено в парфюмерной промышленности и реализовано компанией L’Oreal.

Наномедицина

Говоря о наномедицине, следует отметить, что нанотехнологии в данном контексте практически исключительно «эволюционны». Мейнстримные направления в медицине, в которые внедряются нанотехнологии, существуют и без наносоставляющей. Однако для многих из них включение наносоставляющей обеспечит значительное увеличение эффективности/или финансирования.

Нанотехнологии соответствует требованиям клинической лабораторной практики и могут быть реализованы в нескольких направлениях диагностики. В частности, технологии на основе наноустройств и наносистем могут быть применены для секвестирования отдельных молекул ДНК. Большая часть диагностических технологий с применением наноустройств лежит в области технологий биочипов. Для диагностики эти чипы используют биологические пробы в 1 млрд раз меньше, нежели традиционные методики.

Нанотехнологические решения, такие как атомная микроскопия, позволят довести до промышленного состояния технологии ДНК-, РНК– и протеиновых решеток, которые приобретают особую значимость в условиях развития генных медикаментов. Они могут применяться для секвестирования генов, диагностики генных заболеваний и проверки эффективности лекарств. Другим направлением является «Лаборатория-в-чипе». В противоположность ДНК-решеткам, данное направление позволяет производить множество различных химических испытаний в пределах одного чипа и, в частности, анализировать капли жидкости содержащие химикаты и вирусы в следовых концентрациях.

Нанотехнологии, по всей видимости, смогут решить большую долю проблем с аккуратной доставкой лекарственных средств в требуемый участок организма. В области точной доставки лекарств можно выделить следующие нанорешения:

? наночастицы, позволяющие создавать легко усваиваемые, а также удобные в потреблении, например, вдыхаемый инсулин, лекарства;

? нанокапсулы, в которые могут быть заключены нужные для медицинских целей вещества. Использование нанокапсул позволит сократить токсичность лекарств, облегчит работу с гидрофобными лекарственными средствами и улучшит распределение лекарственных веществ в организме.

В области имплантатов применение нанотехнологий лежит в двух областях. Во-первых, в создании самих имплантатов из биоподобных материалов, во-вторых, в покрытии имплантатов биосовместимыми материалами. В области активных имплантатов нанотехнологии применяются для создания антимикробных покрытий, а также в качестве электродов – в проектах глазных и нервных имплантатов.

Нанотехнологии в электронной и оптоэлектронной промышленности

Следует отметить, что полупроводниковая промышленность уже сейчас работает на наноуровне. В области оптоэлектроники нанотехнологии также уже присутствуют в железе – в LCD– и TFT-мониторах, CD и DVD и пр.

Прорывной сценарий развития нанотехнологий

Сценарий прорывного развития нанотехнологий может быть реализован только проектно. Если перспективой развития биотехнологий является генетическое преобразование человека, причем не только последующих поколений, но и уже рожденных, создание искусственных эко– и социосистем, то стратегической перспективой нанотехнологий является воздействие на квантовомеханическую «ткань» Вселенной, что подразумевает, в частности, управление вероятностями. В сущности, нанотехнологии, как и биотехнологии, ведут к созданию постлюдей, но в сценарии «биотехнологическая революция» такие люди генетически несовместимы с нами и, в известной мере, являются продуктами технологии, в то время как в сценарии «квантовая реальность» они формально остаются людьми и продуктами технологии пользуются. Вероятно, для большинства населения такой вариант предпочтительнее, хотя на самом деле практические различия между ними минимальны.