В этой статье мы шаг за шагом рассмотрим концепцию нанотехнологий, их развитие, ключевые технологии, области применения, перспективы на будущее и ограничения.
В научно-фантастическом фильме 1987 года «Внутреннее пространство» режиссёра Джо Данте есть сцена, где главный герой исследует внутреннее строение кровеносных сосудов на борту крошечного дирижабля. Концепция механического устройства, перемещающегося по кровеносным сосудам, была в то время весьма новаторским научно-фантастическим сюжетным ходом, но сегодня это уже не кажется чем-то невероятным. На самом деле, ведутся активные исследования по использованию сверхмалых механических устройств внутри кровеносных сосудов, и нанотехнологии служат основой для этой технологии. Часто говорят, что XXI век — это эпоха информационных технологий (ИТ), биотехнологий (БТ) и нанотехнологий (НТ); нанотехнологии зарекомендовали себя как ключевая технология в различных отраслях промышленности и продолжают быстро развиваться. Однако, несмотря на свою важность, большинство людей не до конца понимают нанотехнологии. В этой статье мы рассмотрим, что такое нанотехнология, изучим ее техническую основу и процесс развития, разделим нанотехнологии на подтехнологии для изучения областей их применения и, наконец, рассмотрим будущее нанотехнологий и потенциальные проблемы, которые могут возникнуть на этом пути.
Нанотехнология — это технология синтеза, сборки и управления материалами на чрезвычайно малом масштабе атомов или молекул, а также измерения и изучения их свойств. Под «малым масштабом» здесь обычно подразумевается диапазон от 1 до 100 нанометров (нм). Один нанометр — это одна миллиардная часть метра, а термин «нано» происходит от греческого слова «nanos», означающего «карлик». Учитывая, что толщина человеческого волоса составляет примерно от 80 000 до 100 000 нанометров, легко понять, насколько малым масштабом работает нанотехнология.
Концепция нанотехнологий впервые была предложена американским физиком Ричардом Фейнманом. В лекции 1959 года под названием «Внизу предостаточно места», прочитанной в Американском физическом обществе, он предсказал, что наступит эра, когда станет возможным свободно создавать чрезвычайно малые структуры даже в крошечных пространствах на молекулярном уровне. В качестве примера он объяснил, что всю энциклопедию «Британика» можно было бы разместить на поверхности размером с одну шпильку для волос. Поскольку уровень технологий в то время еще не был достаточно развит, чтобы это стало реальностью, многие участники лекции сочли его утверждение нереалистичным.
Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), изобретенный в 1981 году, сыграл решающую роль в превращении нанотехнологий, которые ранее казались научной фантастикой, в практическую научно-техническую область. СТМ — это устройство, способное наблюдать или изменять структуру поверхности полупроводников или проводящих материалов в нанометровом масштабе. Он анализирует структуру поверхности, поднося зонд с чрезвычайно острым наконечником близко к поверхности объекта, а затем подавая напряжение между зондом и объектом для измерения результирующего тока. Разработка СТМ вышла за рамки простого наблюдения за поверхностями материалов; она открыла возможность перемещения и расположения атомов и молекул. В 1986 году, через пять лет после изобретения СТМ, был разработан атомно-силовой микроскоп (АСМ).
В отличие от СТМ, АСМ — это устройство, в котором зонд непосредственно контактирует с поверхностью объекта для измерения степени движения, вызванного колебаниями атомов. Подобно тому, как человек ощупывает поверхность объекта пальцем и определяет его форму, АСМ наблюдает за поверхностью, анализируя движение зонда. Разработка АСМ позволила анализировать даже поверхности изоляционных материалов, которые было трудно наблюдать с помощью СТМ.
Однако и СТМ, и АСМ имели существенные ограничения. Самая большая проблема заключалась в том, что этот процесс занимал слишком много времени. Использование этих устройств, способных перемещать только один атом или молекулу за раз, для сборки материалов, видимых невооруженным глазом, на практике представляло собой задачу, требующую огромного количества времени.
Человек, предложивший в качестве решения этой проблемы машины молекулярного уровня, — американский учёный Эрик Дрекслер. В своей книге 1986 года «Двигатели творения» он утверждал, что к нанотехнологиям следует подходить через призму молекулярных машин, встречающихся в природе. В книге он объяснил, что конечная цель нанотехнологий — разработка машин молекулярного уровня, таких как рибосомы, которые используют молекулы в качестве строительных блоков для сборки желаемых макроскопических структур. Рибосома — это комплекс РНК и белков, который в живых организмах соединяет аминокислоты для производства белков на основе генетической информации. Другими словами, Дрекслер утверждал, что нам нужны машины молекулярного масштаба, которые, подобно рибосомам, синтезирующим белки на основе генетической информации из ДНК, будут собирать молекулы в соответствии с запрограммированной последовательностью для производства желаемых материалов, и он назвал эти машины «ассемблерами». Однако ассемблер предложенной им формы ещё не создан, а это значит, что современная наука и техника ещё не достигли той высшей стадии нанотехнологий, которую он себе представлял. Давайте рассмотрим, насколько далеко продвинулись современные нанотехнологии.
В целом, нанотехнологии можно разделить на пять подтехнологий в зависимости от сложности. В частности, к ним относятся технологии производства наноматериалов; измерительные технологии для оценки физических и химических свойств наночастиц; технологии манипулирования и интеграции произведенных наноматериалов; технологии применения наноустройств; и технологии моделирования и симуляции.
Первая категория, технология изготовления наноматериалов, подразделяется на два подхода. Первый — это нисходящий процесс, который включает постепенное уменьшение размера материала. Этот метод обрабатывает существующие материалы до наноразмера, подобно обработке большого камня для изготовления копья или топора. Хотя этот метод имеет преимущество в относительно легкой обработке желаемых форм, он имеет ограничения, когда речь идет о точной обработке до чрезвычайно малых размеров. Второй — это восходящий процесс, который создает материалы путем последовательного объединения атомов и молекул. Этот метод использует химические реакции для последовательной сборки молекул, что дает преимущество в создании очень маленьких структур; однако он имеет недостаток в виде сложности поддержания стабильного качества и низкой скорости производства, что является недостатком для массового производства.
Ярким примером технологии обработки «снизу вверх» являются углеродные нанотрубки (УНТ). Углеродные нанотрубки представляют собой цилиндрические углеродные структуры на основе бакиболов (фуллеренов) — молекул углерода, имеющих форму футбольного мяча, — и в настоящее время активно исследуются и используются в различных отраслях промышленности. Углеродные нанотрубки являются одной из наиболее представительных углеродных структур после алмаза и графита и имеют диаметр всего около 1 нанометра. Благодаря своему чрезвычайно малому размеру и уникальной структуре связей, они обладают прочностью на разрыв, превосходящей прочность стали, и демонстрируют превосходную электрическую и тепловую проводимость. Кроме того, в зависимости от своей структуры, они могут проявлять полупроводниковые свойства, что делает их перспективными кандидатами на роль полупроводниковых материалов следующего поколения. Помимо этого, они используются в различных областях, таких как плоские дисплеи, батареи, композитные материалы и биосенсоры, и исследования в этой области продолжаются.
После получения наноматериалов с использованием описанных выше технологий изготовления «сверху вниз» и «снизу вверх» следующим шагом является разработка технологий манипулирования и интеграции этих материалов. Однако в первую очередь необходимо разработать измерительную технологию, способную точно измерять свойства изготовленных наноматериалов. Это связано с тем, что без достаточно развитой измерительной технологии невозможно точно понять, какие явления происходят на наномасштабе. Однако в разработке наномасштабной измерительной технологии существует серьезное препятствие: квантовые эффекты возникают при чрезвычайно малом размере материала. Когда возникают квантовые эффекты, становится трудно объяснить явления, используя только законы физики, применимые в повседневных масштабах, что затрудняет точное измерение свойств материалов. Кроме того, по мере уменьшения размера сам измерительный сигнал становится очень слабым и сильно подвержен влиянию окружающего шума, что требует высокочувствительного измерительного оборудования. По этим причинам нанометрология остается сегодня областью активных исследований.
Технологии манипулирования и интеграции наноматериалов также являются областями, требующими дальнейшего развития в будущем. В настоящее время технологии точного манипулирования и интеграции широко используются в микрометровом масштабе, который значительно превышает наномасштаб. Ярким примером является полупроводниковая промышленность. Постоянное улучшение характеристик полупроводников сегодня является результатом достижений в этих технологиях микроизготовления. Если в будущем станет возможным еще более точное манипулирование и интеграция на нанометровом уровне, ожидается значительное улучшение характеристик различных электронных устройств, включая полупроводники, по сравнению с нынешним уровнем. Наряду с этим, ожидается, что технологии применения наноустройств, а также технологии моделирования и симуляции также станут более совершенными благодаря достижениям в технологиях измерения, манипулирования и интеграции.
Итак, как будет выглядеть нанотехнология после решения этих технических проблем? В своей книге 1991 года «Раскрывая будущее» Эрик Дрекслер выделил компьютеры, производство и медицину как области с особенно высоким потенциалом для будущего развития. В области вычислительной техники он подчеркнул развитие биоэлектроники как ключевую возможность. Биоэлектроника — это конвергентная область, объединяющая биотехнологию и электронику, и разработка биокомпьютеров является одной из ее основных исследовательских целей. Хотя пока неясно, какую именно форму примут биокомпьютеры, ведутся различные исследования по преодолению ограничений существующих кремниевых полупроводников с использованием биомолекул, таких как белки.
Биокомпьютеры — лишь один из примеров будущих технологий, ставших возможными благодаря нанотехнологиям. По мере дальнейшего развития нанотехнологий, методы производства, позволяющие точно контролировать материалы на атомном уровне, вероятно, станут еще более совершенными. В то время как современные методы производства включают одновременную обработку большого количества атомов для создания продукции, ожидается, что возможность проектирования и сборки материалов с высокой точностью на атомном уровне позволит производить продукцию, которая будет более точно соответствовать первоначальному замыслу. Кроме того, ожидается, что это значительно поспособствует повышению качества и надежности продукции, а также разработке материалов и изделий с новыми свойствами, которые ранее было трудно достичь.
Ожидается, что нанотехнологии окажут значительное влияние и на медицинскую сферу. Область, объединяющая нанотехнологии и медицину, называется наномедициной. Поскольку заболевания в организме человека часто возникают на клеточном и молекулярном уровнях, нанотехнологии могут сыграть решающую роль в более точной диагностике и лечении заболеваний. В действительности, исследования и клинические применения нанотехнологий активно ведутся в различных областях, включая системы доставки лекарств, избирательно доставляющие препараты в определенные места, лечение рака, регенерацию тканей и диагностические технологии. Ожидается, что разработка еще более совершенных нанотехнологий в будущем значительно повысит эффективность и безопасность лечения заболеваний.
Исходя из всего вышесказанного, будущее выглядит более светлым благодаря достижениям в области нанотехнологий. Однако, как и другие передовые технологии, нанотехнологии имеют и ряд негативных аспектов. Поскольку наночастицы чрезвычайно малы, при попадании в организм человека они могут проявлять свойства, отличные от свойств обычных частиц. В действительности, результаты исследований указывают на то, что некоторые наноматериалы могут проникать в организм через дыхательные пути или кожу и потенциально влиять на здоровье; поскольку уровень риска может варьироваться в зависимости от типа материала и способа воздействия, проводятся постоянные исследования и оценки безопасности. Кроме того, постоянно высказываются опасения по поводу потенциального использования нанотехнологий в злонамеренных целях. Поэтому для того, чтобы нанотехнологии могли быть использованы на благо человечества, проверка безопасности и этические и социальные дискуссии должны проводиться параллельно с технологическим развитием.
К настоящему моменту мы рассмотрели нанотехнологии с различных точек зрения. В настоящее время не только Соединенные Штаты и другие развитые страны, но и страны по всему миру, включая Южную Корею, признают нанотехнологии ключевой отраслью будущего и продолжают вкладывать значительные средства в исследования и разработки. Южная Корея также постоянно реализует национальную политику по развитию нанотехнологий и укрепляет свою конкурентоспособность в различных отраслях промышленности, таких как полупроводники, дисплеи, перезаряжаемые батареи, биотехнологии и передовые материалы. Таким образом, нанотехнологии быстро развиваются благодаря постоянным исследованиям и инвестициям, и ожидается, что они будут продолжать играть значительную роль в естественных науках и в промышленном секторе в целом. Более того, по мере расширения сферы их применения в различных отраслях промышленности, они утвердится в качестве ключевой технологии, еще теснее связанной с нашей повседневной жизнью.
