Нанонауки. Невидимая революция - Кристиан Жоаким

Нанотехнологии ставят перед нами и другие тревожные вопросы: а что, если наномашины станут настолько самостоятельными, что вздумают отделаться от нас? А вдруг они будут отравлять или загрязнять окружающую среду? О нанотехнологиях много и ожесточенно спорят, но, несмотря на все словопрения и вопросы, возникающие в связи с техническим прогрессом, плоды его не бывают только горькими или исключительно сладкими: скорее уж уместно говорить о балансе между выгодами и неудобствами его достижений. Отчитаться об упомянутых спорах мы попробуем в главе 6 и там же попытаемся выяснить, чем грозит использование подобных бесконечно малых механизмов.

Авторы намерены рассказать о том, что такое на самом деле эти пресловутые нанотехнологии, и поделиться своими размышлениями о научных и технических следствиях этого сравнительно нового явления. Поэтому желающим прочесть предлагаемую книгу мы советуем вспомнить о тяге к познанию, присущей человеку. Чаще она устремлена к чему-то непомерно большому — к звездам или галактикам. Но ведь чудесно все беспредельное и бесконечное — малое или огромное. И, наверное, потому чудеса в этом мире не кончатся никогда.

Глава 1

Афера с расхищением

В 1980-е годы нанотехнологии, казалось бы, предлагали выход мечтателям, озабоченным будущим планеты. Тогда стало очевидно, что с расточительностью пора покончить или она покончит с нами: слишком уж много энергии и вещества тратится на производство всех наших машин. В самом деле сейчас, для того чтобы изготовить один микропроцессор, необходимо сжечь 240 кг ископаемых энергоносителей, истратить 22 кг различных химических соединений и 1500 л воды. На производство одного маленького ключа шины USB (такая шина есть в любом компьютере) расходуется 250 л воды и множество химических веществ, преимущественно синтетических и, как правило, загрязняющих среду обитания[1].

От нанотехнологии, бывшей еще в колыбели и только начинавшей что-то лепетать, ожидали, что она избавит промышленность от алчного поглощения природного сырья и других материалов и введет нашу цивилизацию в эру устойчивого развития[2]. Так думал тогда не только один из авторов этой книги, о том же грезили и другие исследователи. Подобно тому, как Французская революция затевалась ради третьего сословия, я надеялся, что примерно то же произойдет с, так сказать, «сословием мелким», причем на всей планете, и эта перспектива виделась мне осуществлением юношеских мечтаний. Меня увлекало нахождение все новых и новых технологий, не причинявших ущерба окружающей среде и применимых в любой и каждой отрасли промышленности. К примеру, я обратил внимание на работы Кевина Алмера, директора исследовательского отдела фирмы Genex. Он предвидел возможность производства ультраминиатюрных электронных микросхем на основе белков, синтезируемых генетически запрограммированными бактериями. Этот ученый, в сущности, предсказал появление съедобных микропроцессоров! В тот же мой список попали и работы американского химика Ари Авирама, сотрудника принадлежащих компании IBM и расположенных близ Нью-Йорка исследовательских лабораторий Т. Дж. Уотсона. Авирам предложил так уменьшить размер электронного компонента (например, транзистора), чтобы он помещался в молекуле. Он даже попытался создать электронный переключатель на одной молекуле, прерывающей электрический ток, — иначе говоря, электронный молекулярный выпрямитель, пропускающий ток только в одном направлении.

Рассуждая в том же направлении, Форрест Картер, американский химик, работавший в военно-морской исследовательской лаборатории NRL, решил, что просто уменьшать отдельные электронные компоненты — недостаточно: хорошо бы загнать весь электронный узел в несколько молекул. Или заставить скопление из нескольких молекул вести себя как усилитель или микропроцессор. Если бы это удалось, то микроэлектроника превратилась бы в «наноэлектронику», и воздействие электронной промышленности на окружающую среду стало бы более щадящим.

Кроме меня поисками альтернативных и не столь пагубных для окружающей среды технологий занимались и другие исследователи. Эрик Дрекслер, молодой инженер, трудившийся в Бостоне, в Массачусетском технологическом институте, знаменитом MIT, смог вообразить и иные варианты электронных схем молекулярного размера. В своей книге «Движители творения»[3], опубликованной в 1986 году, Дрекслер описал молекулярные машины будущего, правда, довольно отдаленного: они будут перерабатывать отходы, производить энергию и очищать воду. Эти механизмы, ужавшиеся донельзя, то есть до самых минимальных объемов, занимаемых считаными молекулами, переведут нашу цивилизацию в эру молекулярной технологии.

Но эти красивые мечтания уповали на нанотехнологию в широком смысле; иначе говоря, имелись в виду те же привычные приемы изготовления маленьких и все сильнее уменьшающихся устройств, разве что масштаб миниатюризации доводился до естественного предела: меньше молекул только отдельные атомы, ну и элементарные частицы. Дальше дороги нет — развитие упрется в неодолимую преграду и, значит, оборвется. Приходится признать, что дела пошли скорее в этом направлении, и сегодня упоминание нанотехнологии уже не будит надежд на появление промышленности, которая бы бережнее расходовала планетарные ресурсы. Напротив, обостряются опасения: а не отравит ли нас нанотехнология? А что, если она выйдет из-под нашего контроля? Мы еще вернемся к этим вопросам в главе 6. Но как же это мы дошли до жизни такой? Почему, начав со столь радужных экологических грез, мы пришли к разочарованию и недоверию? Попытаемся же разобраться, откуда взялось это явление, которое уместнее всего назвать «нанопузырем». Тогда мы, может быть, поймем, почему так менялись оценки нанотехнологий.

Казалось, что все должно пойти гладко, покатиться как сыр по маслу. Итак, в 1980-е годы мы оказались на пороге приключения по имени «Нанотехнология». Нашлись ученые и исследователи, к числу которых принадлежал и я, решившие, что молекулы могут выполнять работу электронных схем, и тем самым начавшие возделывать ту ниву молекулярной электроники, на которую первым вторгся Ари Авирам. И тут как раз, очень кстати, появился совершенно невероятный по своим возможностям инструмент: изобретенный в 1981 году туннельный микроскоп не только «видел» атомы и молекулы, но и, что куда поразительнее и много нужнее, умел «передвигать» их, то есть позволял манипулировать отдельными атомами и по одному приставлять их друг к другу; эта способность нового прибора была обнаружена в 1989 году. Тогда уже имелись результаты первых экспериментов с одиночными молекулами. Большого шума опыты эти, однако, не наделали, и лучшие ученые зачастую поглядывали на туннельный микроскоп свысока и с недоверием. Особенно этот скептицизм был силен в Европе. Сама же нанотехнология оставалась занятием потайным, а то и засекреченным. В 1995 году манипуляциями на атомном уровне занимались только пять коллективов: три в США, один в Европе и один в Японии. Мне повезло: я успел поработать с Ари Авирамом, а потом попал в команду первопроходцев, одну из самых первых. Вожаком там был Джим Гимжевски, из лаборатории IBM в Цюрихе, заставлявший наш туннельный микроскоп манипулировать со все более и более громоздкими молекулами. Время шло, народу как-то почти не прибывало, и все же мы шли вперед и совершали, зачастую нечаянно, важные открытия; о кое-каких любопытных находках нашего коллектива будет рассказано в главах 3 и 4. Вроде бы эти работы должны были идти своим чередом, но не тут-то было.

Вместо этого в середине 1990-х годов развернулся совсем другой процесс. И скорее политический, чем научно-исследовательский. Все началось с Соединенных Штатов, где лоббисты разного толка убедили конгресс и администрацию Клинтона запустить программу, известную как «Даблэн-Ай», то есть «Национальная нанотехнологическая инициатива» (NNI). Если приглядеться к тому, как зарождалась эта программа, станет ясно, как и почему нанотехнология, дойдя до некоторой развилки, отказалась от следования первоначальным курсом и, свернув в сторону, отбросила и первоначальный предмет исследований (манипуляции с одиночными атомами), а также те мечты, ради осуществления которых она была рождена (экотехнология). Встав на дорогу, указанную программой NNI, нанотехнология превратилась в нанотехнологии, сразу же нацелившиеся на захват техносферы, сначала в США, а потом и во всем мире.

В июне 1992 года задули ветры, благоприятствовавшие экотехнологии. Сенатор от штата Теннесси Альберт Гор побывал на Втором мировом саммите, состоявшемся в Рио-де-Жанейро. Мероприятие задело и без того экологически настроенного политика за живое, и, вернувшись в Вашингтон, сенатор организовал слушания в сенате на тему «Новые технологии для устойчивого развития». Выступали лучшие американские специалисты, в том числе Эрик Дрекслер. Его книга пользовалась бешеным успехом. В самом деле: если в отправной точке — в 1986 году — сама возможность манипуляции одиночными атомами, требующаяся для создания нанопроцессоров и других наномашин, представлялась чистой фантазией, и многие сведущие люди сомневались в том, что нечто подобное в принципе возможно, то в 1989 году уже было известно, что туннельный микроскоп позволяет экспериментатору произвольно менять местоположение атома. И этим достижением мы обязаны Эрику Дрекслеру. 26 июня 1992 года его пригласили выступить перед комиссией американских сенаторов, собранной Алом Гором. Речь его поразила слушателей трезвостью и даже сухостью. Законодатели узнали, что, передвигая молекулу за молекулой, можно построить машину и что подобные приемы молекулярного машиностроения обещают со временем превратиться в такую технологию, которая окажется и надежнее и действеннее всех нынешних технологий. Чтобы сенаторы поняли, что его утверждения не голословны, но опираются на солидные научные основания, докладчик ловко вставил в речь имя Роберта Фейнмана, лауреата Нобелевской премии по физике. Процитировав прославленного физика, который в одном из своих выступлений обмолвился о промышленном производстве нанометрического масштаба, Дрекслер заодно придал своему проекту историческое измерение: вот, сам Фейнман говорил о наномеханизмах еще в 1959 году! А чтобы задеть национальную гордость и воззвать к духу соперничества, Дрекслер, как бы походя, сообщил, что японцы уже ассигновали солидные суммы на исследования манипуляций с одиночными атомами.