НАНОТЕХНОЛОГІЇ: НОВИЙ ЕДЕМ ЧИ АПОКАЛІПСІС?

Нанотехнології - новий і поки не дуже зрозумілий широкому загалу термін. Але дуже скоро у світ нанотехнологій увійде кожна людина, а самі нанотехнології принесуть людству нову науково-технічну революцію, яка повністю змінить навколишній світ і, навіть, саму людину. Це добре розуміють у світі, і саме тому на фінансування наукових досліджень в цій області в 2004 році різними організаціями і приватними особами витрачено рекордні 8,6 млрд доларів. Витрати урядів склали більше половини цієї суми - 4,6 млрд доларів, що свідчить про стратегічну, державну важливість нанотехнологій.

Термін "нанотехнології" в 1974 році запропонував японець Норіо Танігучі (Norio Taniguchi) для опису процесу створення нових об'єктів і матеріалів за допомогою маніпуляцій з окремими атомами. Нанотехнології мають справу з об'єктами в одну мільярдну частину метра, тобто розміром з атом. Перші технічні засоби в цій області були винайдені в Швейцарській лабораторії IBM. Саме там у 1982 році був створений растровий тунельний мікроскоп, який дозволяє розрізняти окремі атоми. Цей винахід був гідно оцінений науковим співтовариством - через чотири роки він був відзначений Нобелівською премією. В 1986 році з'явився атомний силовий мікроскоп. На відміну від колишніх електронних приладів, які дозволяли лише спостерігати мікросвіт, нові прилади (їх правильніше було б назвати нанозондами) дають можливість його змінювати, наприклад, будувати з атомів молекули з прогнозованими властивостями.

Коли йдеться про розвиток нанотехнологій, маються на увазі три основні напрями: виготовлення електронних схем (у тому числі і об'ємних) з активними елементами, розмірами, порівнянними з розмірами молекул і атомів; розробка і виготовлення наномашин, тобто, механізмів і роботів розміром з молекулу; безпосередня маніпуляція атомами і молекулами і збірка з них всього існуючого.

Реалізація всіх цих напрямів вже почалася. Майже десять років тому були отримані перші результати з переміщення одиничних атомів і збірки з них певних конструкцій, на сьогодні розроблені і виготовлені перші наноелектронні елементи та деякі складові наномашин.

Основною проблемою в наноіндустрії на сьогоднішній день є керований механосинтез, тобто складання молекул з атомів за допомогою їх механічного наближення доти, доки не вступлять в дію відповідні хімічні зв'язки. Для забезпечення механосинтезу необхідний наноманіпулятор, здатний захоплювати окремі атоми і молекули і маніпулювати ними в радіусі до 100 нм. Наноманіпулятор повинен управлятися або макрокомп'ютером, або нанокомп'ютером, вбудованим в робота-складальника (асемблера), що управляє маніпулятором. Сьогодні таких маніпуляторів не має. Зондова мікроскопія, за допомогою якої зараз проводять переміщення окремих молекул і атомів, обмежена в діапазоні дії, і сама процедура збірки об'єктів з молекул через наявність інтерфейсу “людина – комп'ютер – маніпулятор” не може бути автоматизованою на нанорівні.

На сьогодні Інститутом Молекулярного Виробництва (США) розроблений попередній проект наноманіпулятора з атомарною точністю. За виготовлення ж такого пристрою призначена премія тільки з фонду цього інституту у розмірі $250,000. Як тільки буде створена система “нанокомп'ютер – наноманіпулятор” (експерти прогнозують це відбудеться в 2010-2020 рр.), можна буде створити перший нанотехнологічний комплекс, потім, без безпосереднього втручання людини, він, за заданою програмою, збере свій аналог чи більш складний механізм потім ще і ще один. Така “самозбірка” називається реплікацією, а реплікатор - асемблером. Бактерії, використовуючи реплікативні властивості ДНК, здатні розмножитися за лічений годинник від декількох особин до мільйонів. Отже, отримання асемблерів в масовому масштабі не потребує жодних сторонніх витрат, окрім забезпечення їх енергією і сировиною. Будуть створені і нанороботи, які будуть розбирати будь що до рівня атомів, вони одержали назву дизасемблерів.

На основі системи “нанокомп'ютер – наноманіпулятор” можна буде створити складальні автоматизовані комплекси, здатні збирати будь-які макроскопічні об'єкти за наперед знятою, або розробленою, тривимірною сіткою розташування атомів. Компанія Xerox в даний час веде інтенсивні дослідження в області нанотехнологій, що свідчить про її прагнення створити в майбутньому дублікатори матерії. Комплекс роботів (дизасемблерів) розбиратиме на атоми початковий об'єкт, а інший комплекс (асемблери) створюватиме ідентичну копію, аж до окремих атомів, оригіналу (експерти прогнозують що це відбудеться в 2020-2030 рр.). Це дозволить відмовитися від промислових фабрик, що виробляють продукцію за допомогою “об'ємної технології”. Буде достатньо спроектувати в компьютеризованій системі будь-який продукт – і він буде зібраний і розмножений складальним комплексом. Завдяки реплікації можна буде наділяти окремі технологічні продукти, наприклад нанороботів, цією властивістю.

Мільйони і мільярди нанороботів, працюючи разом, зможуть створювати з довільного органічного і неорганічного підручного матеріалу будь-які предмети за вимогою людини. При цьому новітні технології дозволять управляти нанороботами подумки!!! Уявіть собі людину, яку постійно супроводжують невидимі помічники-нанороботи, що за першим бажанням з навколишніх матеріалів повітря, піску, бруду можуть створити все що ви забажаєте. Така людина для непосвячених у технічні тонкощі буде сприйматися майже як Ісус Христос або сам Бог.

Завдяки нанотехнологіям істотно зміниться конструювання машин і механізмів – багато операцій спростяться внаслідок нових технологій збірки, багато що стане зовсім непотрібним. Це дозволить конструювати машини і механізми, раніше непідвладні людині через відсутність технологій збірки і конструювання. Нові механізми будуть складатися, по суті, з однієї дуже складної деталі.

За допомогою механоелектричних наноперетворювачів можна буде перетворювати майже із стовідсотковою ефективністю будь-які види енергії. Будуть створені ефективні пристрої для отримання електроенергії з сонячного випромінювання з ККД близько 90% та інше. Повна утилізація відходів дозволить істотно збільшити сировинні запаси людства. Завдяки системі взаємодіючих нанороботів, що працюють синхронно, стануть можливими глобальний екологічний контроль, контроль за погодою та інші найфантастичніші речі.

Не виключено, що першою областю, де будуть використані можливості нанороботів, стане медицина. Нанороботи, введені в організм людини, зможуть самостійно пересуватися по його кровоносній системі. На своєму шляху нанороботи будуть виправляти вади тканин і клітинок, очищати організм від мікробів і ракових клітинок, від небажаних відкладень, наприклад, холестерину чи жиру. А там вже недалеко і до безсмертя людини. Ціла армія нанороботів, що перебуватиме у організмі людини, буде постійно його ремонтувати та оновлювати. В той же час не буде проблем з перебудовою людського тіла для якісного збільшення його природних можливостей чи створення нових, не передбачених природою. Стане можливим також забезпечення організму енергією, незалежно від того, вживалося що-небудь в їжу, чи ні.

Галузь матеріалознавства також істотно зміниться – з'являться так звані “розумні матеріали” та предмети побуту здатні до безпосереднього спілкування з користувачем. Будуть створені надлегкі, негорючі, надміцні та інші матеріали з надзвичайними властивостями.

Комп'ютерна техніка трансформується в єдину глобальну інформаційну мережу величезної продуктивності, причому кожна людина матиме нагоду бути терміналом – через безпосередній доступ до головного мозку і органів чуття. Виникне так зване “розумне навколишнє середовище” яке буде виконувати найменшу примху людини і буде для неї максимально комфортним.

Стане можливим автоматичне будівництво орбітальних систем, колоній, що самозбираються, на Місяці і Марсі, будь-яких споруд в світовому океані, на поверхні землі і в повітрі (експерти прогнозують це в 2050 рр.). Що стосується сировинної проблеми, то для створення більшості об'єктів нанороботи використовуватимуть найбільш поширені типи атомів: вуглець, водень, кремній, азот, кисень, сірка, і ін. в меншій кількості. З освоєнням людством інших планет проблема сировинного постачання буде вирішена назавжди. Можливість самозбірки може привести до вирішення глобальних проблем людства: проблеми екологічного забруднення навколишнього середовища, нестачі їжі, житла і енергії. Людство вступить в свою золоту епоху, буде збудований новий Едем на Землі.

Але можливий і інший варіант розвитку подій....Як завжди, при виникненні нового знання, все голосніше звучать голоси тих, хто стурбований можливою його неконтрольованістю. В які руки потраплять інструменти, створені нанотехнологіями? Чи не приведе їх використання до глобальної катастрофи? Побоювання підживляються історією, тому тих, хто поділяє ці погляди, називають "наноапокаліптиками". Вони пропонують радикальні заходи: накласти тимчасовий мораторій на розвиток нанотехнологій, допоки не буде створено і схвалено всією світовою спільнотою зведення правил з використання нового знання. Наноапокаліптики говорять про неминучість воєн, які, захищаючи інтереси своїх творців, вже в недалекому майбутньому вестимуть нанороботи-дизасемблери. До речі, гонка наноозброєнь вже дійсно почалася і, за оцінками вчених, перші бойові нанороботи з’являться майже завтра - у 2008 році! Але дуже скоро, припускають наноапокаліптики, у нанороботів можуть з'явитися власні інтереси, які не матимуть нічого спільного з інтересами людей, які їх створили, і тоді ситуація може стати неконтрольованою.

Одна з можливих небезпек нанотехнології вже встигла стати сюжетом фантастичних книжок. Вихід з під контролю автономних нанороботів, які саморозмножуються, буде набагато гіршим за старомодний бунт машин, хоча б тому, що наноробота не побачити і не вимкнути. Небезпека того, що процес саморозмноження вийде з-під контролю людини, досить реальна. Песимісти малюють жахливі картини: безконтрольні нанороботи, необмежено розмножуючись і, використовуючи для цього сонячну енергію, "переробляють" в своїх нових побратимів все підряд, допоки Земна куля разом з усім, що знаходиться на ній не перетвориться на величезну краплю сірого слизу (grey goo).

Перспектива для людства вимальовується невтішною. Втім, на думку більшості вчених, такий прогноз більше стосується антиутопій, а не науки.

Реальна шкода наноботів може полягати в іншому. Як з'ясували американські учені з Рочестерського університету (штат Нью-Йорк) на чолі з Гюнтером Обердерстером, наночастинки здатні через нервові волокна органів чуття проникати безпосередньо в мозок. Організм людини і раніше контактував з наночастинками (вони можуть утворитися і в природних умовах, наприклад, під час горіння). Проте незабаром до звичайних наночастинок додадуться безліч нових, з принципово іншими властивостями.

Американські учені провели такий експеримент: лабораторним щурам давали вдихати повітря з суспензією вуглецевих нанотрубок (трубок побудованих з атомів вуглеця) діаметром близько 35 нанометрів. Як виявилося, вже наступного дня нанотрубки спостерігалися в "нюховій цибулині" щурів - ділянці мозку, який аналізує інформацію про запахи. Концентрація нанотрубок в мозку підвищувалася до кінця експерименту. Вчені встановили, що наночастинки проникали в мозок безпосередньо за аксонами нейронів нюхових нервів.

Як діють наночастинки на нервову тканину, вчені поки що сказати не можуть. Як вони припускають, надзвичайно малі розміри наночастинок роблять їх небезпечними. Чим меншим є їх розмір, тим більша реакційна здатність. Крім того, завдяки малому розміру, наночастинки можуть легко проникати крізь захисні бар'єри організму - епітелій, слизисті оболонки і т.інше. Деякі з них містять атоми металів, які є дуже небезпечними для людини.

Отже згідно з прогнозами, можна зробити висновок, що нанотехнології вже в найближчому майбутньому обіцяють радикальне перетворення як сучасного виробництва і пов'язаних з ним технологій, так і людського життя і самої людини в цілому. Нанотехнології проведуть до такої ж революцію в маніпулюванні з матерією, яку провели комп'ютери в маніпулюванні інформацією. Вибір не великий: нанотехнології або принципово змінять майбутнє людства, або знищать його. Словом, нас чекає сповнене чудесами життя в “розумному навколишньому середовищі”, про яке ми знаємо ще дуже мало. Майже нічого...

“Батьком” нанотехнологій можна вважати грецького філософа Демокріта. Приблизно в 400 р. до н.е. він вперше використовував слово "атом", що в перекладі з грецької означає "неподільний", для опису найменшої частинки речовини.

Створення молекулярних роботів-лікарів, які "жили" б усередині людського організму, усуваючи всі його пошкодження або запобігали б виникненню таких, включаючи генетичні пошкодження. Прогнозований термін реалізації - перша половина XXI століття.