Нанотехнологии

Поэтому эволюция — это вечный поиск компромисса, и отсюда следует неизбежная ограниченность возможностей любого отдельно взятого живого существа. Самый простой и эффективный путь преодоления этой ограниченности — симбиоз, то есть кооперация «специалистов разного профиля», например, растений с микроорганизмами, способными переводить азот из атмосферы.

Можно утверждать, что симбиоз — не просто очень широко распространенное явление. Это магистральный путь эволюции, без которого прогрессивное развитие жизни на Земле было бы крайне затруднено, если вообще возможно.

На симбиозе были основаны многие важнейшие ароморфозы (прогрессивные преобразования), из которых самый значительный — формирование эукариотической (ядерной) клетки, той основы, из которой в дальнейшем развились все высшие формы жизни (животные, растения, грибы).

На примере симбиоза природа демонстрирует нам, как можно решать сложные вопросы положительного взаимодействия микроорганизмов и высших растений, как в период напряженного энергетического кризиса можно обходиться меньшими затратами энергии. В этом и заключается необходимость применения в полном объеме нанотехнологий в биологии.

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.

Для того чтобы выйти в космическое пространство, не обязательны опасное путешествие на ракете, хорошее здоровье, крепкие нервы и много денег. Исследователи предлагают использовать "Космический лифт". "Космический лифт - это лента, один конец которой присоединен к поверхности Земли, а другой находится на геосинхронизированной орбите в космосе (на высоте 100 000 км). Гравитационное притяжение нижнего конца ленты компенсируется силой, вызванной центростремительным ускорением верхнего конца. Таким образом лента постоянно находится в натянутом состоянии. Изменяя длину ленты, можно достигать разных орбит. Космическая капсула, содержащая полезный груз, будет передвигаться вдоль ленты. Для начального старта капсулы потребуется усилие, но, как только она будет приближаться к концевой станции, ее скорость будет увеличиваться из-за центростремительного ускорения всей системы. На конечной станции, если это необходимо, капсула отсоединяется от лифта и выходит в открытый космос. Скорость капсулы при этом будет составлять 11 км/с. Этой скорости будет достаточно для того, чтобы начать путешествие к Марсу и другим планетам. Таким образом, затраты на пуск капсулы будут только в начале ее пути на орбиту. Спуск будет производиться в обратном порядке - в конце спуска капсулу будет ускорять гравитационное поле Земли. Можно использовать космический лифт в качестве "пусковой платформы" для космических кораблей, запускаемых к другим планетам, спутникам и астероидам (Марсу, Венере, Луне). Это поможет сократить расходы, связанные с традиционным запуском химических ракет. Также можно построить лифт грузоподъемностью до 100 тонн, что позволит строить на орбите большие колонии и орбитальные станции."

Военное дело

Развитие нанотехнологий затрагивает все стороны вооруженных сил – от экипировки бойца и стрелкового оружия до космических аппаратов и сложных военных систем. В первую очередь новые технологии найдут применение в существующих видах вооружений и техники, значительно улучшив их свойства и функциональные характеристики.

 Они позволят создавать уникальные  конструкционные материалы, новые  полупроводники и оптику, миниатюрные  датчики обнаружения химических  веществ и компонентов биологического  оружия, а также компьютеры, производительность  которых на несколько порядков  выше, чем у существующих… Кроме того, важную роль для вооруженных сил будут играть резкое снижение стоимости, а также уменьшение веса приборов и устройств, изготовленных с использованием нанотехнологий, снижение их энергопотребления.

 Появление молекулярных нанотехнологий в распоряжении отдельно взятого государства способно изменить геополитическую расстановку сил на планете в его пользу радикальнее, нежели появление ядерного оружия в США. «Тот, кто раньше овладеет нанотехнологией, займет ведущее место в техносфере следующего столетия», – таков прогноз «отца водородной бомбы» Эдварда Теллера.

Очевидно, что в интересах страны-пионера в этой сфере будет не просто сохранить, но и максимально увеличить технологический отрыв от потенциальных конкурентов, обеспечив себе возможность стать единоличным владельцем молекулярных нанотехнологий. Именно поэтому до получения недосягаемого превосходства фаворит наногонки будет всячески скрывать факт своего лидерства.

 Качественный переворот в  военном деле произойдет с  разработкой сложных самореплицирующихся  систем, в том числе функционирующих  на основе совокупности универсальных  микро- и нанороботов.

Под нанороботом (наноботом) специалисты понимают молекулярную машину, которая может быть запрограммирована на строительство практически любой структуры или устройства (в том числе своей копии) из более простых химических строительных блоков (атомов и молекул), а также на выполнение других сложных функциональных задач на микро- и наноуровне. Говоря проще, наноробот – это устройство субмикронных размеров.

По оценкам ряда экспертов, уже в 2025 – 2030 годах начнется изменение военно-политической ситуации в мире в связи с появлением нанороботов.

Во-первых, произойдет миниатюризация систем вооружений, появление «невидимого» оружия и «обезлюдивание» армии и оборонно-промышленного комплекса.

Во-вторых, выявится неконкурентоспособность прочих видов вооружений перед нанооружием, ядерное оружие утратит значение как фактор сдерживания или стратегического превосходства, нанороботы начнут замещать традиционные вооружения во всех родах войск.

В-третьих, появятся практически неограниченные возможности для ведения сверхинтенсивной гонки вооружений.

В-четвертых, возникнут новые предпосылки для начала мировой войны.

Производимые на основе молекулярных нанотехнологий виды оружия будут применяться во всех боевых действиях или операциях будущего, поскольку они позволяют использовать самый широкий спектр физических явлений и эффектов. Новые виды вооружений будут связаны как с традиционными методами (взрывное действие, тепловыделение, кинетическое ударное воздействие), так и с совершенно новыми подходами, основанными на использовании воздействия пучков электромагнитного излучения (создание термических, механических или электрических перегрузок), информационной атаки на искусственные системы или людей, химического и биологического воздействия на материалы и организмы.

По разрушительной мощи нанотехнологическое оружие многократно превосходит ядерное – оно способно буквально стерилизовать планету, т.е. полностью уничтожить биосферу Земли, вплоть до бактерий и вирусов.

Появление молекулярной нанотехнологии не только изменит характер ведения войн, но и создаст новые причины для их начала. С середины прошлого века мир основывался на стратегии гарантированного взаимного уничтожения с помощью ядерного оружия. С появлением молекулярных нанотехнологий произойдет утрата значения ядерного оружия как фактора взаимного сдерживания или стратегического превосходства, так как нанотехнологические боевые устройства будут способны за короткий промежуток времени обнаружить и скрытно вывести из строя все элементы ядерного щита противника.

 Нанотехнологическая гонка вооружений неизбежно приведет к мировой военной нестабильности. Значительное превосходство одного из государств в создании нанооружия способно подтолкнуть его руководство к принятию решения о нанесении безответного удара по своим вероятным противникам для минимизации риска появления у тех молекулярной нанотехнологии.

В некотором смысле стратегия превентивного удара считается единственно приемлемой для войн наноэпохи. В американских военных кругах прочно укоренилась точка зрения, что сохранение научно-технологического отрыва США в области молекулярной нанотехнологии потребует быстрой и разрушительной войны, в которой победит тот, кто ударит первым. Дополнительным мотивом использования наступательной стратегии является тот факт, что наносредства обороны должны быть более совершенными, чем наносредства нападения.

Пищевая промышленность

Сегодня специалисты в области пищевых технологий называют пять областей, где желательно применение нанотехнологий. Это простое измельчение продукта до наночастиц, изготовление различных нанодобавок, улучшающих пищу, нанофильтрация для улучшения качества продуктов, биосенсоры для контроля качества пищевых продуктов и пищевая упаковка нового поколения, в которой продукты долго не портятся.

Первые публикации относительно нанотехнологий в пищевых отраслях появились лишь в конце XX — начале XXI века. А сейчас их количество нарастает подобно лавине. В какой-то мере это запоздание можно объяснить известным и вполне понятным консерватизмом рынка пищевых продуктов, жесткими стандартами производств и высокими требованиями к качеству продукции. Действительно, пищевая безопасность наноматериалов пока что недостаточно изучена. Да и с точки зрения промышленности высокая дисперсность пищевого продукта — не всегда благо. Если, к примеру, измельчить муку, сахарную пудру или растворимый кофе до наноуровня, то сколько же ценной «пыли» улетит при фасовке продукта?!

Впрочем, многие пищевые продукты и без всяких нанотехнологий содержат частицы размером 1-1000 нм. Обычно они рассматриваются как объекты классической коллоидной химии. Жировые капли размером около 50 нм встречаются в молоке, размеры частиц пищевых белков, имеющих глобулярное строение, составляют десятки и сотни нанометров, линейные полисахариды — это, по сути, одномерные структуры толщиной менее 1 нм, а полисахариды крахмала собираются в трехмерные наноструктуры толщиной порядка 10 нм.

Так, может быть, разработка специальных технологий для производства пищевых нанопродуктов не столь уж необходима? Аргументы «за» появились в тот момент, когда исследователи научились целенаправленно получать дисперсные системы с частицами в 1-100 нм, контролировать их строение и фракционный состав. Оказалось, что наночастицы благодаря развитой поверхности (несравненно большей, чем у микрочастиц) обладают повышенной биологической активностью. А благодаря способности проникать в клетки они могли бы служить отличным транспортным средством для биологически активных веществ (БАВ), которые добавляют в пищу, чтобы сделать ее более полезной.

Есть и другие причины повышенного внимания к пищевым нанотехнологиям. Платой за автомобилизацию и компьютеризацию стали малоподвижный образ жизни и, как следствие, — ожирение. Поэтому возникла объективная потребность в продуктах — молоке, твороге, сметане, сыре, кондитерских кремах, мороженом и т. п. — с пониженным содержанием жира. Но если жира в продуктах становится меньше, то соответственно меньше будет жирорастворимых витаминов и других БАВ. Как изготовить обезжиренную, но сбалансированную пищу, не обедненную витаминами? В решении этой проблемы ключевую роль должны сыграть нанотехнологий.

Сегодня специалисты в области пищевых технологий называют пять областей, где желательно применение нанотехнологий. Это простое измельчение продукта до наночастиц, изготовление различных нанодобавок, улучшающих пищу, нанофильтрация для улучшения качества продуктов, биосенсоры для контроля качества пищевых продуктов и пищевая упаковка нового поколения, в которой продукты долго не портятся. Мы остановимся лишь на первых трех областях применения.

Наночай и наночастицы селена

Что будет, если, скажем, обычный чай измельчить до нанопорошка? Оказывается, этот вопрос уже переведен в практическую плоскость. В патентах описаны нанопорошки и эмульсии растений, традиционно употребляемых в пищу, в том числе зеленого чая, а также нанодисперсии прополиса в виде порошка или таблеток. Оказывается, антиоксидантная активность зеленого чая при размерах частиц менее 1000 нм стократно превышает таковую у тех же сортов чая при обычной степени помола. (Интересно, сколько такой нанозаварки нужно класть в чайник? Наверное, экономия получится сумасшедшая.)

То же самое можно сказать и о пищевых добавках, о микроэлементах. Примером может служить селен. Этот жизненно важный элемент в виде неорганического вещества обычно не усваивается организмом человека. Поэтому необходимо синтезировать сложные органические соединения селена — только ими имеет смысл обогащать пищу. Это чрезвычайно важно для тех регионов, где почва обеднена селеном, например для Китая. Да и в России есть такие территории, где жители не получают селен с пищей. Теперь установлено, что наночастицы селена можно стабилизировать в виде водной дисперсии, которая, в отличие от обычной дисперсии, хорошо усваивается организмом. Понятно, что селеновую добавку в такой форме проще изготовить и будет она значительно дешевле.

Нановитамины

Но есть большая группа биологически активных веществ, которые не надо особым образом измельчать, — это витамины и ароматизаторы. Они успешно выполняют свою функцию, будучи просто индивидуальными химическими веществами. Здесь другая проблема: эти вещества надо защищать, чтобы они раньше времени не разлагались и не улетучивались. Поэтому такие вещества научились заключать в специальные микрокапсулы, компонент микроэмульсий.

Очень интересны микроэмульсии, стабилизированные циклодекстринами. Молекулы этих циклических углеводов имеют полость диаметром 0,5-0,8 нм, способную вместить 6-17 молекул воды. Небольшие органические молекулы могут замещать воду в полости циклодекстрина, при этом образуются соединения включения типа «гость-хозяин» — происходит так называемая супрамолекулярная инкапсуляция. По существу, в данном случае мы имеем дело с молекулярным дизайном пищевых ингредиентов. Так удается получать дисперсии частиц, заключенных в молекулярные полости размером менее 1 нм, причем такие ассоциаты устойчивы вплоть до 200°С.

Эти композиции хороши тем, что пищевая добавка, спрятанная в полость, может вытесняться другими компонентами среды, имеющими большее сродство к молекуле циклодекстрина. Этот процесс может происходить уже во рту у человека, и если циклодекстрин удерживал ароматические или вкусовые вещества, то вкус и аромат еды будут открываться в самый нужный момент. Аналогичным образом можно получить комплексы гидрофобных витаминов групп A, D, E и К, которые можно будет употреблять без жиров.