Нанотехнологии

Содержание

Понятие нанотехнологий

    Для понятия нанотехнология, пожалуй, не существует исчерпывающего определения, но по аналогии с существующими ныне микротехнологиями следует, что  нанотехнологии - это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Поэтому переход от "микро" к "нано" - это качественный переход от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами.

    Когда речь идет о развитии нанотехнологий, имеются в виду три направления:

• изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов;
• разработка и изготовление наномашин;
• манипуляция отдельными атомами и молекулами и сборка из них макрообъектов.

    Разработки по этим направлениям ведутся уже давно. В 1981 году был создан туннельный микроскоп, позволяющий переносить отдельные атомы. С тех пор технология была значительно усовершенствована. Сегодня эти достижения мы используем в повседневной жизни: производство любых лазерных дисков, а тем более DVD невозможно без использования нанотехнических методов контроля.  

    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 функционально 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 - молоко" 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.

Срок реализации: середина XXI века.

 

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.

Основные  этапы в развитии нанотехнологии:

 

1959 г. Лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман заявляет, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все, что угодно.

1981 г. Создание Бинигом и Рорером сканирующего туннельного микроскопа - прибора, позволяющего осуществлять воздействие на вещество на атомарном уровне.

1982-85 гг. Достижение атомарного разрешения.

1986 г. Создание атомно-силового микроскопа, позволяющего, в отличие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодействие с любыми материалами, а не только с проводящими.

1990 г. Манипуляции единичными атомами.

1994 г. Начало применения нанотехнологических методов в промышленности.

    Однако принято считать, что нанотехнология "началась" когда 70 лет назад Г. А. Гамов впервые получил решения уравнения Шредингера, описывающие возможность преодоления частицей энергетического барьера даже в случае, когда энергия частицы меньше высоты барьера. Новое явление, называемое туннелированием, позволило объяснить многие экспериментально наблюдавшиеся процессы. Найденное решение позволило понять большой круг явлений и было применено для описания процессов, происходящих при вылете частицы из ядра - основы атомной науки и техники. Многие считают, что за грандиозность результатов его работ, ставших основополагающими для многих наук, Г. А. Гамов должен был быть удостоен нескольких Нобелевских премий.

Перспективы использования натотехнологий: освоение природных ресурсов нанотехнологиями

    Развитие  электроники подошло к использованию  процессов туннелирования лишь почти 30 лет спустя: появились туннельные диоды, открытые японским ученым Л. Есаки, удостоенным за это открытие Нобелевской премии. Еще через 5 лет Ю. С. Тиходеев, руководивший сектором физико-теоретических исследований в московском НИИ "Пульсар", предложил первые расчеты параметров и варианты использования приборов на основе многослойных туннельных структур, позволяющих достичь рекордных по быстродействию результатов. Спустя 20 лет они были успешно реализованы. В настоящее время процессы туннелирования легли в основу технологий, позволяющих оперировать со сверхмалыми величинами порядка нанометров (1нанометр=10^-9 м).

    До  сих пор создание миниатюрных  полупроводниковых приборов основывалось, в основном, на технике молекулярно-лучевой  эпитаксии (выращивания слоев, параллельных плоскости подложки), позволяющей создавать планарные слои из различных материалов с толщиной вплоть до моноатомной. Однако эти процессы имеют значительные ограничения, не позволяющие создавать наноскопические структуры. К этим ограничениям относится высокая температура процессов эпитаксии - до нескольких сотен градусов, при которой хоть и обеспечивается рост высококачественных пленок, однако не обеспечивается локальность формируемых областей. Кроме того, высокие температуры поверхности подложки стимулируют диффузионные процессы, "размывающие" планарные структуры. Более "холодные" технологии осаждения, типа напыления, из-за одновременности осаждения материала на всю подложку, одновременного роста в разных местах зерен осаждаемого материала и последующего образования дефектов на их границах раздела также не позволяли создавать бездефектные наноструктуры.

    Формирование  элементов нанометрового размера  первоначально планировалось осуществлять методами электронно-лучевой литографии, дополняемой методами ионного травления. Однако высокоэнергетичный электронный луч, рассеиваясь в подложке, вызывает значительные разрушения в материале, расположенном как под, так и в районе области фокусировки, практически перечеркивая возможность создания многослойных схем с нанометровыми размерами элементов. Возникла тупиковая ситуация, решение которой было найдено в 1981 году.

    В настоящее время многие страны мира реализуют национальные программы  развития нанотехнологии. В США финансирование национальной программы развития нанотехнологии составило в 2005 году более 1 млрд. долларов, при Президенте США создан консультативный Комитет по Nanoscale Science (нанонауке) и нанотехнологии. Финансирование национальной программы развития нанотехнологии, имеющей высший государственный приоритет в Японии, в 2002 г. составило 750 млн. долларов США, в странах Евросоюза - 400 млн. долларов США. В России реализуются программы развития нанотехнологии, в частности, под руководством академика РАН Ж.И. Алферова В докладе Генерального секретаря ООН К. Аннана "Наука - всем государствам" на нанотехнологии возлагаются большие надежды в решении глобальных проблем современности, в частности, для достижения целей, поставленных в международной программе ООН Millennium Development Goals (Декларация тысячелетия). ЮНЕСКО, в рамках комиссии по этике научных знаний и технологий (COMEST), проводит международные конференции, посвященные этическим проблемам разработки и внедрения нанотехнологии. 
За рубежом опубликовано много научных статей и монографий, в которых обсуждаются проблемы будущего нанообщества, его положительные стороны и возможные риски. Создано международное общество International Nanotechnology and Society Network (INSN). В США существуют Центры "Нанотехнологии и общество". В 2005 году состоялись международные симпозиумы "Нанотехнологии и общество", "Нанотехнологии в науке, экономике и обществе", на которых обсуждались проблемы экономики, труда, образования, здравоохранения, наноэтики, государственного управления, наноправа, религии, качества жизни, национальной безопасности, рисков и тенденций развития нанообщества и т.д. Правительство Великобритании сформировало консультативный совет по этическим проблемам применения нанотехнологии. В некоторых университетах США читаются спецкурсы, посвященные влиянию нанотехнологии на общество, специфике и проблемам нанообщества. Проводятся опросы общественного мнения, по изучению установок, ожиданий, опасений относительно развития нанотехнологии и их влияния на человечество. 
Приоритет национальных программ развития нанотехнологии обусловлен тем революционным технологическим обстоятельством, что нанотехнологии - это совокупность методов производства объектов живой и неживой природы с заданной атомной структурой, путем целенаправленного манипулирования атомами и молекулам. В частности, нанотехнологии позволяют продлить жизнь человека до 1000 лет, "выращивать" продукты питания, одежду, полезные ископаемые, изделия и т.д. из атомов с помощью ассемблеров - молекулярных наномашин (биотехнических систем), размером 10-9 (одна миллиардная доля метра), способных к самопроизводству, которые могут по заданию построить любую молекулярную. Р. Меркле считает, что нанотехнологии произведут такую же революцию в манипулировании материей, какую произвели компьютеры в манипулировании информацией. М. Рыбалкина отмечает, что нанотехнологии повлияют на общество больше, чем изобретение письменности или печати. Многие футурологи, например, нанофутуролог Э. Дрекслер, предсказывают, что нанотехнологии кардинально изменят не только все сферы общества, но и сам биологический вид Homo Sapiens, заменив его новым биотехнологически саморазвивающимся видом - Nano Sapiens. В таблице представлены некоторые цели - прогнозы развития нанотехнологий.

Некоторые цели - прогнозы развития нанотехнологий

Цели

Прогнозируемый  срок достижения цели

Замена  традиционных методов производства сборкой 
молекулярными нанороботами предметов потребления  
непосредственно из атомов и молекул_

Начало XXI века

Создание  молекулярных нанороботов-врачей, которые  
будут "жить" внутри человеческого организма, устраняя  возникающие повреждения и предотвращая новые

Первая  половина XXI века

Замена "естественных машин" для производства пищи  (растений и животных) искусственными аналогами -  комплексами молекулярных нанороботов

Середина - конец XXI

Достижение  личного бессмертия людей за счет  внедрения в организм молекулярных нанороботов

Эксперты  отмечают, что эра гибридной наноэлектроники  началась в 2000 году. Если прогнозы, представленные в таблице, верны, результаты очередной  научно-технической революции проявятся  довольно скоро, по оценкам экспертов уже в 2010-2015 гг. Таким образом, имеются аргументированные основания полагать, что мы находимся в преддверии нанообщества, которое придет на смену информационному обществу.

В настоящее  время многие футурологи, например, концентрируют внимание, преимущественно, на прогнозировании принципиально новых свойств и отношений в отдаленном будущем нанообществе и революционности грядущих социальных и природных изменений. Вместе с тем, из принципов системной социологии следует, что наряду с возникновением принципиально новых свойств и отношений в новой социальной системе будут действовать общесистемные законы, как это наблюдалось в индустриальном и информационном обществах. В этой связи автор предпринял попытку рассмотреть некоторые возможные тенденции возникновения нанообщества, используя системную социологию, в частности, опираясь на системный методологический принцип целостного рассмотрения социальных систем, системное определение понятия "общество", частную системную теорию жизненного цикла инноваций, известные системные принципы и законы, в том числе, закономерности научно-технических революций и закономерности информационного общества.

Нанообщество - это тип биосоциотехнической  системы, состоящей из разнородных  взаимосвязанных элементов и подсистем, свойств и отношений, созданной индивидами на основе нанотехнологий, целью которой является реализация экстремальных принципов в жизнедеятельности индивидов с помощью законов и социологических алгоритмов, действующих в определенных границах. В качестве системопорождающих элементов данной системы будут выступать сначала Homo Sapiens, а затем Nano Sapiens. В качестве системообразующих элементов данной системы выступают результаты (материальные и идеальные продукты) нанотехнологической деятельности Homo и Nano Sapiens. Между системопорождающими и системообразующими элементами действует механизм обратной связи. Данное определение соответствует системному определению общества, что может свидетельствовать о плодотворности системной социологии для описания будущего нанообщества.