Нанонауки. Невидимая революция - Кристиан Жоаким

Кристиан Жоаким Лоранс Плевер

НАНОНАУКИ. НЕВИДИМАЯ РЕВОЛЮЦИЯ

Введение

Чудеса вокруг нас

Авторы книги приглашают читателя погрузиться в бесконечно малое, чтобы, донырнув до самого «дна», развлечься игрой с одиночными атомами или отдельными молекулами. У всех нас нет никакого опыта обращения с такими объектами, как с разрозненными единицами: уж слишком они малы, чтобы перебирать их поодиночке. В самом деле, каковы размеры атома? Их приходится измерять в десятимиллиардных долях метра, то есть в десятимиллионных долях миллиметра. А как должен вырасти атом, чтобы мы, скажем, или вы, наш читатель, стали величиной с планету? Так вот, тогда атом был бы шариком с диаметром в миллиметр. А если бы он стал величиной с комнату, то мы или вы доставали бы головой до Солнца. Атом столь мал, что его нельзя увидеть не только невооруженным глазом, но и в любой самый мощный оптический микроскоп.

Однако в 1981 году ученые изобрели микроскоп нового типа, работавший на основе туннельного эффекта. Этот новый прибор позволял выводить изображения одиночных молекул и атомов на экран компьютерного монитора. Справедливости ради стоит упомянуть, что первые изображения атомов на люминесцентных экранах электронно-лучевых трубок были получены много раньше, еще в 1950-е годы, на так называемых «электронных» микроскопах. Однако туннельный микроскоп отличался тем, что с его помощью можно было не только увидеть атом, но и «дотронуться» до него — и даже, надавив на атом малюсенькой иголочкой, переместить его туда, куда вам заблагорассудится. Обыкновенно, когда вы трогаете какую-то вещь, миллиарды атомов ваших пальцев входят «в соприкосновение» с миллиардами ее атомов. Но игла туннельного микроскопа настолько тонка, что способна прикоснуться только к одному атому. Значит, если дотронуться сначала до одного атома, потом той же иглой придвинуть к этому атому еще один, потом еще один и так далее, то за некоторое время и через некоторое количество шагов можно получить небывалые сочетания атомов, в том числе и сильно непохожие своей «архитектурой» на те атомные скопления, которые встречаются в «обычной», нетронутой человеком, природе. Иначе говоря, эта игла оказывается продолжением пальцев ученого или инженера.

Так что туннельный микроскоп вносит существенные перемены — или некоторую сумятицу — в наши взаимоотношения с веществом, с материей. Он превращается в рабочий инструмент, «орудие физического труда», и тогда становится возможным совершенно новый технологический подход: обращение с атомами как с кирпичами и созидание из атомов все более величественных сооружений, только не по камешку или кирпичику, а атом за атомом. Вплоть до построения крошечной машины, которая, однако, будет способна работать примерно так же, как и механизмы привычных нам размеров. Причем этот новый подход к конструированию аппаратуры по праву можно назвать восходящим — по направлению он уж точно противоположен давно привычной миниатюризации.

Представим себе, например, что мы построили куб в миллион раз меньший песчинки, с ребром длиной примерно в один нанометр, то есть в миллиардную долю метра. Чтобы соорудить такой нанокуб, понадобится примерно шестьдесят атомов. И это возможно при помощи туннельного микроскопа и «нанотехнологии» — так называют «восходящее» созидание из отдельных атомов: атом приставляется к атому, потом на них ставится еще один и так далее, пока не будет получен желанный результат. Прибегнув к более привычному «нисходящему» созиданию, то есть миниатюризации, можно получить тот же нанокуб — достаточно убрать из кубика с ребром в один сантиметр сто миллиардов миллиардов атомов. Всего-то.

Следовательно, нанотехнология, по сути дела, есть способ (еще один) сбережения материальных ресурсов. Со временем, однако, определение нанотехнологии стало более гибким или, лучше сказать, расплывчатым: теперь уже чаще говорят не о нанотехнологии, но о нанотехнологиях, и это множественное число объемлет не только умение манипулировать материей, передвигая атом за атомом, но и все прочие приемы, позволяющие создавать объекты с точностью, измеряемой нанометрами, пусть даже в производственном процессе задействованы не считаные единицы, а многие миллионы и миллиарды атомов.

Но как же это нас угораздило, начав с нанотехнологии как таковой, то есть с разработки все новых и новых приемов манипуляции одиночными атомами, оказаться перед такой грудой или кучей нанотехнологий, сыплющихся в наши дни как из рога изобилия или мешка Деда Мороза? Об этом пойдет речь в первой главе, где будет рассказано о невероятной, невообразимо запутанной политической операции, которая представляла собой беспорядочную череду стычек, боев и затяжных сражений за влияние, деньги и победу над соперниками. Однако эта небезболезненная суета за несколько лет вернула все к исходной точке, на круги своя, обратившись к нанотехнологии в ее первичном значении или скорее наброске такового. Нынешние нанотехнологии основываются на тех же технологических принципах, которые существовали и до изобретения туннельного микроскопа, но доводят миниатюризацию до предела, когда волей-неволей приходится измерять допуски и посадки в нанометрах. Уже вполне обычными кажутся устройства с габаритами в десятки нанометров, а это значит, что речь идет о немногих тысячах атомов. О таких малюсеньких чудесах рассказывает глава 2, в которой прослеживается захватывающая история миниатюризации, изобиловавшая многими драматичными приключениями; особое внимание будет уделено путеводным вехам процесса, который часто путают, напрасно и ошибочно, с нанотехнологией.

Изложение истории собственно нанотехнологии начнется с главы 3. Физики издавна мечтали о возможности подобраться как можно ближе к отдельному атому или к одиночной молекуле. Изобретение туннельного микроскопа превратило эти грезы в явь. Отныне и впредь ученые вольны добираться до молекулы и изучать ее, словно дотрагиваясь до нее пальцем. Пока можно говорить лишь о первых плодах, сорванных первопроходцами этого материального мира «на самом дне». Теперь физики пытаются выяснить, подчиняются ли явления, наблюдаемые при использовании нанометрической измерительной шкалы, уже известным законам природы или же они ставят под вопрос прежние представления о физике.

Располагая туннельным микроскопом, можно — заведомо! — построить, укладывая атом за атомом, любые молекулы любой структуры, как существующие в природе, так и воображаемые! Правда, синтез новых молекул давно уже никакая не невидаль. Этим занимаются изо дня в день сотни лабораторий, разрабатывающих красители или лекарства… Однако эти новые молекулы производятся миллиардами и миллиардами единиц за раз (в одной капле воды содержится более 1500 миллиардов миллиардов молекул!). А вот молекула, построенная с помощью иглы туннельного микроскопа, всего одна.

Вооружившись туннельным микроскопом, физики и химики при случае тоже создают новые молекулы, если это, например, помогает создать новые наномашины, новые механические двигатели или новые вычислительные устройства, еще меньшие по размерам, чем существующие. И этот восходящий подход — весьма многообещающ: уже исследуется возможность функционирования удивительнейших сверхкрошечных машин, состоящих, в сущности, из одной-единственной молекулы, и мы поговорим в главе 4 о том, какими будут следующие поколения механизмов этого рода и на каких сборочных линиях их будут собирать.

Полученное с помощью туннельного микроскопа изображение 51 атома золота (и еще одного атома, химическую природу которого выяснить не удалось) на поверхности кристалла золота. Атомы выглядят бугорками высотой 0.15 нм (нанометр — миллионная доля миллиметра). Каждый из этих атомов был перемещен иглой микроскопа, с тем чтобы образовалась надпись: NANO (нано). При точности позиционирования порядка 0,05 нм наименьшее расстояние между соседними атомами разных букв равно 1,2 нм. Надпись, подстановкой атома к атому, создали специально для настоящей книги и под руководством ее автора на низкотемпературном микроскопе компании Createc исследователи Соэ Вэ-Хё и Карлос Мансано из группы Atom Technology института IMRE при агентстве A*STAR в Сингапуре. Размеры изображения: 10 x 30 нм

Настанет, можно не сомневаться, такой день, когда будут возведены куда более величественные сооружения, например те молекулы, без которых невозможна жизнь, такие как ДНК, белковые молекулы или молекулы клеточных мембран. Но, положим, все это достигнуто, сборочные линии молекул налажены, что дальше? Не окажется ли тогда сама жизнь на грани, за которой следует этакая музеификация, превращение всего живого в подобие исторического памятника, а то и в пережиток прошлого? Жизнь во всех ее формах нас очаровывает и зачаровывает, мы воспринимаем ее как нечто священное. Где же скрыта сущность жизни, если не в монументальном нагромождении атомов, образующих живую клетку? Поисками ответов на подобные вопросы мы займемся в главе 5, где, среди прочего, обсудим и то, есть ли какие-то шансы на осуществление дерзкой (или глупой) мечты о творении жизни «из ничего».