Кто такие специалисты по нанотехнологиям

Правильная политика инвестиций

Каким может быть будущее нанотехнологии? Харрис из FEI отвечает, ссылаясь на информацию о современном состоянии рынка. «Ключевое требование для устойчивого роста определенной технологии, — отмечает он, — это рост частных инвестиций. Государственные капиталовложения могут помочь на начальном этапе, но способствовать развитию может только рост частных инвестиций. В наши дни частные инвестиции в нанотехнологию превосходят государственные, и, как ожидается, эта тенденция продолжится в дальнейшем. А это показатель ее долгосрочной жизнеспособности».

Практическое применение нанотехнологии: эпоксидные смолы на основе углеродных нанотрубок Углеродные нанотрубки (CNT) — это цилиндрические молекулы углерода, обладающие такими свойствами, которые делают их потенциально полезными в самых разных материалах и приложениях нанотехнологии. К таким свойствам относятся исключительная прочность и электрические характеристики, благодаря которым они становятся эффективными проводниками тепла. Они относятся к числу самых известных наноматериалов, используемых в настоящее время. Среди изделий на основе CNT можно назвать серию эпоксидных концентратов от Zyvex Corp., в которых стандартные промышленные эпоксидные смолы смешаны с многостенными или одностенными нанотрубками или углеродными нановолокнами для увеличения электрической и тепловой проводимости и улучшения механической прочности. Запатентованная технология Kentera от Zyvex (нековалентная модификация углеродных наноматериалов) позволяет расслаивать, диспергировать и сцеплять наноматериалы с материалом подложки для улучшения свойств основного полимера. Изготовители композитных материалов могут выбирать из большого количества вариантов состава (количества CNT в продукте) для удовлетворения требований к цене и свойствам материала. Изображение растрового электронного микроскопа (SEM) показывает полиуретановый тонкопленочный состав, заполненный на 2,5 % по весу с помощью технологии Kentera. Углеродные нанотрубки выглядят как белые волокна, находящиеся в матрице.

Пэй и Чэнд из Rockwell Automation подкрепляют эти заявления конкретными цифрами. Современные показатели, по их мнению, свидетельствуют о том, что ежегодно в глобальные исследования в области нанотехнологий вкладывается около 5 млрд. долл. Ожидается, что в 2006 г. это будет уже 6 млрд. долл. Найер из Frost & Sullivan считает, что нанотехнология настолько фундаментальна, что коснется буквально каждой отрасли промышленности. Ее основными преимуществами станет впечатляющий рост производительности и не менее впечатляющее сокращение стоимости. В ближайшее время нанотехнология поможет улучшить существующие приложения, а в будущем она приведет к созданию новых продуктов и новых материалов. «Нанотехнология, — утверждает Харрис, — может сделать вещи на 10% легче или на 5% эффективнее или на 15% ярче». «А когда вы делаете вещи дешевле, легче и надежнее, — добавляет Роджер Грейс, — выигрывает каждый».

Основные сферы применения нано- и микромашин

Возможности применения таких нано- и микромашин практически безграничны. Например:

• Лечение рака. Выявлять и уничтожать раковые клетки более точно и эффективно.
• Механизм доставки лекарств. Строить механизмы целевой доставки лекарств для контроля и предотвращения заболеваний.
• Медицинская визуализация. Создание наночастиц, которые собираются в определенных тканях и затем сканируют тело в процессе магнитно-резонансной томографии — это могло бы выявить такие проблемы, как диабет.
• Новые устройства зондирования. С практически безграничными возможностями настраивать зондирующие и сканирующие характеристики нанороботов, мы могли бы открыть для себя наши тела и более эффективно измерять мир вокруг нас.
• Устройства хранения информации. Биоинженер и генетик из Гарвардского института Висса успешно сохранил 5,5 петабит данных — около 700 терабайтов — в одном грамме ДНК, превзойдя предыдущий рекорд плотности данных в ДНК в тысячу раз.
• Новые энергетические системы. Нанороботы могут сыграть определенную роль в разработке более эффективной системы использования возобновляемых источников энергии. Или они могли бы сделать наши современные машины более энергоэффективными таким образом, что те будут нуждаться в меньшем количестве энергии для работы с прежней эффективностью.
• Сверхпрочные метаматериалы. В области метаматериалов проводится много исследований. Группа из Калифорнийского технологического института разработала новый тип материала, состоящего из наноразмерных распорок, подобных распоркам Эйфелевой башни, который стал одним из самых прочных и легковесных в истории.
• Умные окна и стены. Электрохромные устройства, которые динамически меняют цвет при приложении потенциала, широко изучаются для использования в энергоэффективных умных окнах — которые могли бы поддерживать внутреннюю температуру комнаты, самоочищаться и многое другое.
• Микрогубки для очищения океанов. Губка из углеродных нанотрубок, способная всасывать загрязняющие воду вещества, вроде удобрений, пестицидов и фармацевтических препаратов, в три раза эффективнее предыдущих вариантов.
• Репликаторы. Известные также как «молекулярные ассемблеры», эти предлагаемые устройства могут осуществлять химические реакции путем расположения реактивных молекул с атомной точностью.
• Датчики здоровья. Эти датчики могли бы наблюдать за химией нашей крови, уведомляя нас обо всем происходящем, обнаруживать вредную еду или воспаления в теле и так далее.
• Подключение наших мозгов к Интернету. Рэй Курцвейл считает, что нанороботы позволят нам подключить нашу биологическую нервную систему к облаку в 2030 году.

Как видите, это только начало. Возможности практически безграничны.

Нанотехнологии обладают потенциалом решить крупнейшие проблемы, с которыми сегодня столкнулся мир. Они могли бы улучшить производительность людей, обеспечить нас всеми необходимыми материалами, водой, энергией и едой, защитить нас от неизвестных бактерий и вирусов и даже уменьшить число причин для нарушения мира.

Если этого мало, рынок нанотехнологий просто огромен. К 2020 году мировая отрасль нанотехнологий вырастет до рынка в 75,8 миллиарда долларов.

На что способны нанотехнологии?

Вот только некоторые области, в которых нанотехнологии обещают прорыв:

Медицина

Наносенсоры обеспечат прогресс в ранней диагностике заболеваний. Это увеличит шансы на выздоровление. Мы сможем победить рак и другие болезни. Старые лекарства от рака уничтожали не только больные клетки, но и здоровые. С помощью нанотехнологий лекарство будет доставляться непосредственно в больную клетку.

ДНК‑нанотехнологии – используют специфические основы молекул ДНК и нуклеиновых кислот для создания на их основе четко заданных структур. Промышленный синтез молекул лекарств и фармакологических препаратов четко определенной формы (бис‑пептиды).

В начале 2000‑го года, благодаря быстрому прогрессу в технологии изготовления частиц наноразмеров, был дан толчок к развитию новой области нанотехнологии –наноплазмонике. Оказалось возможным передавать электромагнитное излучение вдоль цепочки металлических наночастиц с помощью возбуждения плазмонных колебаний.

Строительство

Нанодатчики строительных конструкций будут следить за их прочностью, обнаруживать любые угрозы целостности. Объекты, построенные с использованием нанотехнологий, смогут прослужить в пять раз дольше, чем современные сооружения. Дома будут подстраиваться под потребности жильцов, обеспечивая им прохладу летом и сохраняя тепло зимой.

Энергетика

Мы меньше будем зависеть от нефти и газа. У современных солнечных батарей КПД около 20%. С применением нанотехнологий он может вырасти в 2-3 раза. Тонкие нанопленки на крыше и стенах смогут обеспечить энергией весь дом (если, конечно, солнца будет достаточно).

Машиностроение

Всю громоздкую технику заменят роботы – легко управляемые устройства. Они смогут создавать любые механизмы на уровне атомов и молекул. Для производства машин будут использоваться новые наноматериалы, которые способны снижать трение, защищать детали от повреждений, экономить энергию. Это далеко не все сферы, в которых могут (и будут!) применяться нанотехнологии. Ученые считают, что появление нанотехнологий – начало новой Научно-технической революции, которая сильно изменит мир уже в ХХI веке. Стоит, правда, заметить, что в реальную практику нанотехнологии входят не очень быстро. Не так много устройств (в основном электроника) работает «с нано». Отчасти это объясняется высокой ценой нанотехнологий и не слишком высокой отдачей от нанотехнологической продукции.

Вероятно, уже в недалёком будущем с помощью нанотехнологий будут созданы высокотехнологичные, мобильные, легко управляемые устройства, которые успешно заменят пусть и автоматизированную, но сложную в управлении и громоздкую технику сегодняшнего дня. Так, например, со временем биороботы, управляемые посредством компьютера, смогут выполнять функции нынешних громоздких насосных станций.

• ДНК‑компьютер– вычислительная система, использующая вычислительные возможности молекул ДНК. Биомолекулярные вычисления – это собирательное название для различных техник, так или иначе связанных с ДНК или РНК. При ДНК‑вычислениях данные представляются не в форме нулей и единиц, а в виде молекулярной структуры, построенной на основе спирали ДНК. Роль программного обеспечения для чтения, копирования и управления данными выполняют особые ферменты.
• Атомно‑силовой микроскоп– сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения, основанный на взаимодействии иглы кантилевера (зонда) с поверхностью исследуемого образца. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), может исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности даже через слой жидкости, что позволяет работать с органическими молекулами (ДНК). Пространственное разрешение атомно‑силового микроскопа зависит от размера кантилевера и кривизны его острия. Разрешение достигает атомарного по горизонтали и существенно превышает его по вертикали.
• Антенна‑осциллятор– 9 февраля 2005 года в лаборатории Бостонского университета была получена антенна‑осциллятор размерами порядка 1 мкм. Это устройство насчитывает 5000 миллионов атомов и способно осциллировать с частотой 1,49 гигагерц, что позволяет передавать с ее помощью огромные объемы информации.

Из трехмерия — в двумерие

Самый распространенный материал в нашем мире — углерод. Он может образовать две абсолютно разные субстанции — алмаз, самый прочный материал на Земле, и графит, причем графит может стать алмазом просто посредством высокого давления. Если даже в нашем мире один элемент может создать кардинально разные материалы с противоположными свойствами, то что же будет в наномире?

Графит известен в первую очередь как карандашный грифель. Размер кончика карандаша — около одного миллиметра, то есть 10-3 метра. Как выглядит грифель в нано? Это просто набор слоев из атомов углерода, образующих слоистую структуру. Похож на стопку бумаги.

Когда мы пишем карандашом, на бумаге остается след. Если проводить аналогию со стопкой бумаги, это как если бы мы вытаскивали из нее по одному листочку. Тонкий слой графита, который остается на бумаге, — это 2D, его толщина составляет всего один атом. Чтобы объект мог считаться двумерным, его толщина должна быть во много (как минимум в десять) раз меньше, чем ширина и длина.

Но есть загвоздка. В 1930-х годах Лев Ландау и Рудольф Пайерлс доказали, что двумерные кристаллы нестабильны и разрушаются из-за термических флуктуаций (случайных отклонений физических величин от их средних значений из-за хаотического теплового движения частиц. — Прим. T&P). Получается, что двумерный плоский материал не может существовать из термодинамических соображений. То есть вроде бы мы не можем создать нано в 2D. Однако нет! Константин Новоселов и Андрей Гейм синтезировали . Графен в нано не плоский, а немножко волнистый и поэтому стабильный.

Если в нашем трехмерном мире вытащить из стопки бумаги один лист, то бумага останется бумагой, ее свойства не изменятся. Если же в наномире убрать один слой графита, то получившийся графен будет обладать уникальными свойствами, ничем не похожими на те, что имеет его «прародитель» графит. Графен прозрачный, легкий, в 100 раз прочнее стали, отличный термоэлектрик и электропроводник. Он широко исследуется и уже становится основой для транзисторов.

Сегодня, когда все понимают, что двумерные материалы в принципе могут существовать, появляются теории о том, что новые сущности можно получить из кремния, бора, молибдена, вольфрама и др.

Особенности профессии

Нанотехнологи создают новые материалы с чётко заданной атомарной структурой. Контролируемые манипуляции отдельными молекулами и атомами для «сборки» таких материалов – это и есть нанотехнология.

Работа с мельчайшими элементами возможна, благодаря мощным электронным микроскопам высокого разрешения. Таким, как сканирующий атомно-силовой микроскоп (АСМ), растровый электронный микроскоп (РЭМ).

К нанотехнологиям относят также разработку и создание электронных схем, основанных на элементах  размером с молекулу или атом. Разработку роботов (наномашин, нанороботов) размером с молекулу. А также методы исследования таких объектов.

Таким образом, нанотехнология — междисциплинарная область, находящаяся на стыке науки (фундаментальной и прикладной) и техники.

Почему это направление стало таким актуальным в последнее время? Дело в том, что нанотехнология — это наиболее глубинное и направленное вмешательство в материю на сегодняшний день. Это качественно новый уровень точности.

Принцип создания наноматериалов (манипуляции отдельными атомами) позволяет получать такие свойства, которых невозможно добиться традиционным способом. Потому что традиционный способ (проведение химических реакций) — это работа с порциями вещества, состоящими из миллиардов атомов.

Словарь

Наноматериал — материал, состоящий из структурных элементов,  размеры которых (хотя бы в одном измерении) не превышают 100 нм.

Наносистемная техника — системы и устройства, созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий.

Наноиндустрия — производство на основе нанотехнологий.

Нанобактерии — органо-минеральные структуры (30—200 нм), способные к самостоятельному размножению.

История

Термин «нанотехнологии» первым начал использовать японский физик Норио Танигучи в 1974 году, обозначая им создание материалов с нанометровой точностью.

Однако отцом нанотехнологий считается американский учёный Ким Эрик Дрекслер, который начал свою работу в этой области в 1970-х годах (тогда он разрабатывал солнечные батареи на основе нанотехнологий). Он автор теории создания молекулярных нанороботов, нанотехнологического механосинтеза.

В 1992 году Дрекслер выступил перед комиссией Конгресса США с докладом, в котором описал, как именно нанотехнологии должны преобразить мир. По его мнению, они должны избавить мир от голода и болезней, а также уберечь от экологической катастрофы, т.к. всё, что нужно человечеству, можно сделать с помощью нанороботов из атомов и молекул почвы, воздуха и песка.

Но у нанотехнологий есть и тёмная сторона. Об этом говорит и сам Декслер. Ему принадлежит концепция конца света от «серой слизи», т.е. неуправляемых саморазмножающихся нанороботов, которые могут поглотить жизнь на Земле.

Перспективы профессии

Искусственный фагоцит сможет уничтожать чужеродные бактерии и вирусы.

В утверждении, что нанотехнологи избавят человечество от голода и болезней, почти нет преувеличения. Например, ученые уже разработали методики лечения злокачественных опухолей с помощью нанополимеров, которые доставляют  большие дозы лекарства напрямую в раковые клетки. У этого метода гораздо меньше побочных эффектов, чем у традиционной химиотерапии.

Разработали способы восстановления клеток организма (нанопластырь для восстановления миокарда, повреждённого инфарктом, и пр.). Таких примеров очень много. Попытки использовать нанотехнологи для лечения предпринимают и в России. Предприятие «Нанокор» в Томске в 2012 году начинает разрабатывать технологию использования биоактивных наночастиц для лечения атеросклеротических бляшек в кровеносных сосудах.

Миниатюрные технологии нужны не только в медицине. Например, американские военные планируют в 2015 году запустить в космос наноспутники, которые отправятся к отработавшим свой срок орбитальным аппаратам, встроятся в их системы управления и таким образом дадут списанным спутникам новую жизнь. Энергию они будут получать от солнечных батарей старых спутников.

Теперь уже очевидно, что нанотехнологии — это новые возможности для бизнеса и конкуренции. Сегодня отрасль развивается стремительно. По мнению европейских экспертов, в 2010—2015 гг. во всём мире (включая Европу, Японию, Китай, США и Россию) в ней будут работать  больше 2 000 000 специалистов.

В России за развитие нанотехнологий отвечает «Российская корпорация нанотехнологий» (РосНа-ноТех). Уже ближайшие годы профессия специалист по нанотехнологиям должна стать одной из самых востребованных профессий в России.

Не только графен

Несмотря на то, что широкий общественный интерес к нанотехнологиям в последние годы снизился, нельзя сказать, что они «не оправдали себя». Согласно годовому отчету РОСНАНО, в 2018 году выручка от реализации продукции отечественных предприятий наноиндустрии составила 2 трлн рублей и такой же уровень ожидается по итогам 2019 года. Всего мировой рынок наноиндустрии на текущий момент составляет примерно 6 трлн долларов и прирастает на 15% ежегодно.

Стоит отметить, что зачастую под наноиндустриями люди ошибочно понимают очень узкий спектр высокотехнологических решений — нанороботов или миниатюрные детали. «В действительности к этой отрасли можно отнести все предприятия, где определяющим фактором в производственном процессе является использование нанотехнологий. Это и отдельные направления нефтехимии, металлургии, синтез радиофармпрепаратов и даже, скажем, производство керамических материалов — хотя на первый взгляд может показаться, что оно не имеет никакого отношения к нанотехнологиям», — объясняет операционный директор Кластера передовых производственных технологий Фонда «Сколково» Алексей Разумовский.

По мнению эксперта, ключевой фактор здесь — использование технологий, реализующих целенаправленный конт­роль за фор­мой, раз­ме­ром, ин­те­гра­цией и взаи­мо­дейст­вием составляю­щих наномас­штаб­ных эле­мен­тов конечного продукта. Они внедряются в производственные процессы, чтобы добиться новых качественных характеристик у изделия и улучшить его базовые параметры. «Если вернуться к производству керамики, то здесь добавление специального типа аддитивов — наноразмерных порошков — вкупе с адаптированной технологией ультразвукового компактирования позволяет получать материал с более высокой механической прочностью и износостойкостью, — добавил Разумовский. — Благодаря этому спектр возможных применений у нанокерамики гораздо шире по сравнению с обычной — ее можно использовать даже для замещения твердых тканей человека».

Наноматериалы, в том числе графен, за изобретение которого русские физики Андрей Гейм и Константин Новоселов в 2010 году получили Нобелевскую премию, активно тестируют и в военной промышленности, в том числе при создании бронежилетов и высокопрочной спецодежды. В гражданских целях графен применяет, например, ГК «Энергоконтракт» при производстве термостойких комплектов для компаний электроэнергетики и пожарных служб.

Также можно выделить такие интересные продукты, как композитные материалы из базальтового волокна ООО «Гален», модифицированные наносиликаты и полимерные композиты АО «Метаклэй», биосовместимую нанокерамику АО «НЭВЗ-Керамикс», технологии формирования упрочняющих и износостойких покрытий «Новомет». Компания «ИннТехПро» (резидент Фонда «Сколково») уже несколько лет производит антикоррозионное цинк-силикатное покрытие «Циноферр» объемами более 500 тонн продукции в год для судоремонтной, нефтегазовой, строительной и других отраслей.

Именно в этом сегменте наноиндустрий, считает Разумовский, шансы России выйти на ведущие позиции в мире наиболее высоки. Действительно, в конце 2018 года экспорт продукции российской наноиндустрии оценивали в 526 млрд рублей, существенная доля которого приходилась на наноматериалы.

НАНОПРОИЗВОДСТВО

Нанопроизводство квантовых точек идеально для изучения транспортных свойств таких как наблюдение перехода электронов поодиночке в точки. Это раскрывает красивую последовательность переходов перекомпановывая атомную физику в ее правиле отбора, но на энергетическом масштабе миллиэлектронвольт (вместо приблизительно 10эВ). Аналогия с атомной физикой (но со сжатием энергетического масштаба в 10000 раз!) позволяет изучать «атомоподобную физику» используя магнитные поля, доступные в лабораторных условиях.

Квантовые точки позволяют изучать обычные квантовые структуры, о которых можно прочесть в учебнике, в лабораторных условиях (например, «частица в ящике») на максимальном пределе нулевого измерения (т.е. никакой периодичности), и изучать необычное поведение, на чем могут быть основаны новые концепции различных устройств. В числе последних, высокоэкономичный квантовый лазер, диоды излучающие свет, ячейки солнечных батарей и одноэлектронные транзисторы. Таким образом эта область интересна теоретикам квантовой физики, экспериментаторам в области электроскопии, передачи информации и, вероятно, специалистам в области оптоэлектроники. Фактически, сегодня сложно найти конференцию по физике, химии или материаловедения одним из ключевых вопросов которых не являлся бы вопрос о квантовых точках.

Практическое применение нанотехнологии: новые способы получения энергии

Специальная смазка, в состав которой введены наночастицы, уменьшает трение между магнитной и немагнитной поверхностью до ничтожно малого уровня, который в 50 раз ниже, чем трение между двумя тефлоновыми поверхностями. Технология, созданная в отделе по разработкам и исследованиям в области нанотехнологий в Rockwell Scientific Co. (RSC), используется для получения электрической энергии из беспорядочных движений, таких, как телодвижения человека, океанские волны и многие другие источники.

Электрическая энергия генерируется в соответствии с законом Фарадея, подобно тому, как это происходит в фонаре, который необходимо «потрясти, чтобы зарядить». При вибрации фонаря магнит перемещаться через катушку, при этом генерируется электрический ток, который заряжает конденсатор. С помощью нанотехнологии можно заставить магнит перемещаться по поверхности практически без трения и проскакивать через катушку взад и вперед гораздо чаще и генерировать гораздо больше электричества из энергии вибрации.

Нанотехнологии и робототехника

В университете Манчестера создан робот всего из 150 атомов. Он состоит из кислорода, водорода и азота. Изделие способно совершать заданные движения. В его задачи входит построение молекул, структуру которых ему укажет человек.

Учеными технологического института Калифорнии придуман биоробот, передвигающийся по молекуле ДНК и манипулирующий ее составляющими элементами.

Разрабатываются идеи создания нанороботов, которые будут внедряться внутрь живого организма, осуществлять диагностику его здоровья и помогать справляться с болезнями.

В перспективе врач будет иметь возможность получать информацию о каждой отдельной клетке организма и предупреждать развитие патологических процессов, вызывающих болезнь.

Что такое «нанотехнологии»?

Нанотехнологии — это наука, инженерия и технологии, проводимые на наноуровне, что составляет от 1 до 100 нанометров. По сути, эти манипулирование и управление материалами на атомном и молекулярном уровне.

Чтобы вы понимали, давайте представим, что такое нанометр:

• Отношение Земли к детскому кубику — это примерно отношение метра к нанометру.
• Это в миллион раз меньше длины муравья.
• Толщина листа бумаги — примерно 100 000 нанометров.
• Диаметр красной кровяной клетки — 7000—8000 нанометров.
• Диаметр цепочки ДНК — 2,5 нанометра.

Наноробот — это машина, которая может строить и манипулировать вещами точно и на атомном уровне. Представьте робота, который может манипулировать атомами, как ребенок — кубиками LEGO, выстраивая из базовых атомных строительных блоков что угодно (C, N, H, O, P, Fe, Ni и пр.). Хотя некоторые люди отрицают будущее нанороботов как научную фантастику, вы должны понимать, что каждый из нас жив сегодня благодаря бесчисленным операциям наноботов в триллионах наших клеток. Мы даем им биологические названия вроде «рибосом», но по своей сути они — запрограммированные машины с функцией.

Стоит также провести различие между «мокрыми» или «биологическими» нанотехнологиями, которые используют ДНК и машины жизни для создания уникальных структур из белков или ДНК (в качестве строительного материала) и больше дрекслеровских нанотехнологий, которые включают строительство «ассемблера», или машины, которая занимается 3D-печатью с атомами в наномасштабах для эффективного создания любой термодинамически стабильной структуры.

Давайте рассмотрим несколько типов нанотехнологий, над которыми бьются исследователи.

Осуществимы ли нанотехнологии?

Пример со сборкой кубика наводит на грустные мысли. Неужели основные физические принципы и законы доказывают практическую неосуществимость нанотехнологий, подобно тому как принцип относительности говорит о невозможности полёта к ближайшей звезде на выходные, а принцип сохранения энергии — о невозможности постройки вечного двигателя?

Эрик Дрекслер

Один из теоретиков нанотехнологий, американский учёный Эрик Дрекслер, приводит следующий пример. Если бы человечество владело нанотехнологиями, медики могли бы создать устройство размером в несколько микрон, состоящее из мешка, лап с присосками и хобота. Его вводили бы в кровь человека, и устройство отыскивало бы микробы, присасывалось к ним и через хобот впрыскивало антибиотик, запасённый в мешке. Лечить многие болезни стало бы легче.

Наноробот с клеткой крови

Но откуда известно, что нанотехнологии, в отличие от вечного двигателя, вполне возможны? Реально ли создание «карликовых» устройств, не противоречит ли это каким-либо физическим законам? Ответим на вопрос, рассмотрев капельку крови человека под микроскопом. В крови плавают и охотятся за микробами по сути точно такие же «устройства», которые называются антителами. Они появляются в организме по генетическому коду (точный план), шаг за шагом, молекула за молекулой. Всё живое на Земле, от бактерии и простейшего гриба до человека и секвойи, создано с помощью процессов, манипулирующих небольшими группами атомов — аминокислотами и белками. То есть в каком-то смысле можно считать, что нанотехнологии уже работают в живой природе.

К настоящему времени на принципах нанотехнологий разработаны конструкции из сотен и даже тысяч атомов, но среди них пока ещё нет ни одной, сравнимой по сложности с живой клеткой. Однако само существование жизни и биологических процессов доказывает практическую осуществимость нанотехнологий.

Любые самовоспроизводящиеся объекты, будь то бактерии в человеческом теле, водоросли в пруду, сорняки на вспаханном поле, закваска в тесте или вирусы в компьютерной сети, быстро размножаются, преобразуя окружающую среду часто нежелательным для человека или даже катастрофическим образом. Одна из таких катастроф описана в известной немецкой сказке «Горшок каши», когда горшочек всё варил и варил кашу, покрыв в конце концов ею весь город.

Но действительность может оказаться страшнее любой сказки. Учёные, разрабатывающие подходы к нанотехнологиям, уже сейчас задумываются над опасностью выхода из-под контроля самовоспроизводящихся (или даже самоусовершенствующихся) микророботов. Гипотетическая катастрофа получила название «серая слизь» — так обозначают неконтролируемый процесс переработки почвы, воды, воздуха микроскопическими роботами, при котором Земля покрывается неисчислимой массой «сборщиков».

Подобное может произойти буквально за несколько дней. Представьте себе выброшенного волной на песчаный морской берег самовоспроизводящегося робота размером 10 мкм. Пусть он состоит из атомов кремния, кислорода, водорода, азота, углерода (и некоторых металлов, соли которых растворены в морской воде). При попадании на солнечный свет микроробот начинает самовоспроизводиться (при условии, что рядом есть запас нужных атомов).

Если процесс «клонирования» занимает полчаса, то к концу первого дня на пляже вырастет 20 поколений роботов общей численностью около миллиона штук и общим объёмом 1 мм3.

К концу второго дня объём их составит 1 дм3, к концу третьего — 1000 м3, а к концу четвёртого дня, если хватит песка, — 1 км3.

Весь пляж превратится в «серую слизь».

Теоретики нанотехнологий уже сейчас начали вырабатывать принципы устройства микророботов-«сборщиков», позволяющие избежать катастрофы «серой слизи». Эти принципы похожи на знаменитые законы робототехники, сочинённые писателем-фантастом А. Азимовым. Только они не выдуманы писателями, а изложены учёными для практических целей.

• Принцип 1. «Сборщик» должен начинать самовоспроизводство только по команде извне.
• Принцип 2. Запрещается разрабатывать процессы сборки, идущие с выделением энергии.
• Принцип 3. Для воспроизводства должны быть необходимы вещества, не встречающиеся в природе.