Сергей Тараненко - Наполовину мертвый кот, или Чем нам грозят нанотехнологии

• Название: Наполовину мертвый кот, или Чем нам грозят нанотехнологии
• Автор: Сергей Тараненко
• Издательство: БИНОМ. Лаборатория знаний
• Жанр: Научпоп
• Год: 2013
• ISBN: 978-5-9963-1516-1

В книге в легкой и непринужденной форме рассказывается о совсем непростых и серьезных вещах — о рисках нанотехнологий. Серая слизь и боевые нанороботы — вот всё, что знает рядовой потребитель об угрозах, связанных с нанотехнологиями. Но это лишь капля в море.

Велик разрыв между миром «нано» и миром «макро», поэтому понять характер угроз, исходящих от этого мира, очень сложно. Но именно от этого понимания зависит, насколько человек сможет овладеть нанотехнологиями, научиться безопасно обращаться с наноматериалами, контролировать распространение нанопродуктов, не допускать использования результатов научно-технического прогресса во вред себе и окружающей среде.

Возрастные ограничения: 18+

---

Теперь почему «да». Как иначе объяснить то, что объяснить, в общем-то, нельзя? Аналогии — отличный инструмент. Он неточный, часто неверный, но убедительный. Конечно, так ничего доказать нельзя, но можно хотя бы предложить задуматься. Все то, что доказывается при помощи аналогии, потом придется действительно доказать. Аналогия недостаточна, она часто обманывает. Но при этом она дает отличный повод задуматься о том, что к нашим убеждениям стоит относиться с еще большей осторожностью, чем к столь ненадежной аналогии. Вдруг аналогия все же окажется правдивой!

Такой инструмент, как аналогия, отлично подходит именно к анализу рисков. Ведь риски тоже на добрую половину состоят из этого «а вдруг?».

Это многоликое нано

То, что тебя бранят, — не твой порок.
Прекрасное обречено молве.

Уильям Шекспир. Сонеты

Чтобы содержательно говорить о рисках и угрозах, связанных с развитием нанотехнологий, необходимо разобраться в самих технологиях, объединенных приставкой «нано». Конечно, серьезный разбор требует самостоятельной книги — авторы, не очень довольные тем, что на сегодня уже на эту тему написано как в России, так и за рубежом, уже приступили к созданию такой книги (ее рабочее название — «Многоликое нано. Надежды и заблуждения»). Но нам необходимо — здесь и сейчас — дать те минимально необходимые сведения, без которых разговор о рисках будет сводиться к разговору о рисках технологического развития и технологических рисках в целом, пропуская столь важные особенности именно нано. А эти особенности важны — уж больно отличны эти странные нанотехнологии от того, что человечество делало ранее.

Чаще всего нанотехнологии связывают с размером. В нанотехнологиях обязательно что-то маленькое, наноразмерное — сама ли «вещь» или ее функциональная «деталь», а может, что-то вообще такое, что и «деталью» назвать трудно. Заметим, что слова «вещь», «деталь» намеренно взяты нами в кавычки. Конечно, продвинутый философ легко оперирует понятием «вещь» в самых общих смыслах. Но мы-то привыкли понимать под вещью то, что можно потрогать, увидеть. Ну, в общем, как дети, познающие мир, ломая игрушки. А с нано это не всегда возможно.

Итак, размер. Размер — так определили эксперты — должен быть в диапазоне от 1 до 100 нанометров — вот отсюда и приставка «нано» ко всему остальному: к технологиям, материалам, свойствам. Эта приставка (дословно переводимая с древнегреческого как «карлик», «гном») означает одну миллиардную часть чего-либо. В данном случае — метра. Это очень маленький размер. В 1 нм (так кратко записывают нанометр) привычного нам твердого тела — кусочка льда, титановой детали реактивного самолета, куска школьного мела — умещается лишь несколько атомов.

Поразительную малость этого размера можно представить себе и так: если уменьшить Землю до размера теннисного мяча, то яблоки, растущие на ней, будут размером в 1 нм. Помните поговорку о иголке в стоге сена? Задача найти и наточить иглу (причем не вынимая ее из стога) — пустяк по сравнению с тем, что делают нанотехнологии: найти наноразмерный объект и осуществить манипуляции с ним. А это именно так — транзистор в чипе размером 10 нм уже никого не удивляет. А эти транзисторы, между прочим, собраны в сложнейшие схемы, которые работают.

Но в размере ли дело, точнее, только ли в нем? Бывает, что и в нем. Например, для электроники такой размер принципиален: чем он меньше, тем меньше электропотребление и тем выше скорость работы (тактовая частота). Но чаще дело вовсе не в размере. Просто с ним связано то, что мы вынуждены (или хотим) иметь дело с отдельными атомами и молекулами. Именно возможность манипуляции отдельными атомами и молекулами наиболее точно определяет нанотехнологии. Нанотехнологии во многом напоминают конструктор, подобный «Лего», деталями в котором служат отдельные атомы и молекулы. А уж размер деталей, само собой, маленький.

Но этот маленький размер может быть все же больше объявленных предельными 100 нм. Есть такой важный объект — молекула белка. Ее нормальное состояние — быть свернутой в глобулу (образование в виде клубка) диаметром более 300 нм. Но это настоящий нанообъект, причем один из самых важных. Именно с такими объектами связывают наиболее перспективное в нано: способность к репродукции, способность к производству по программе, заложенной в самой молекуле белка. Именно так работает наследственный механизм всего живого. Для нанотехнологий такой механизм применительно к неживой материи называют самосборкой.

Принципиальная связь нанотехнологий и механизмов живого — очень важный аспект нанобезопасности и соответствующих рисков. Именно здесь есть где разгуляться фантазии. Но — и это принципиально важно — за этими образными фантазиями, которые с успехом могут стать основой сценария увлекательного ужастика, порой стоят отнюдь не броские, но реальные угрозы, которые крайне опасно не заметить.

Итак, нано — это малый размер, атомарная «механика» и «механика» живого или «механика» подражания жизни. Но где мы можем увидеть это нано, эти нанотехнологии, в чем они «находятся»?

Простейшее (если по отношению к «нано» данное слово вообще уместно) «вместилище» нанотехнологий — это наноматериалы, а также наносырье для их производства. Новые материалы основаны на том, что придание им структуры с характерным наноразмером кардинально улучшает их полезные свойства: повышает прочность, износостойкость, снижает вес. Они могут обладать дополнительными качествами, ради которых их и создают, такими как отсутствие трения в трущихся частях, биосовместимость (что означает, например, неотторжение протеза организмом), несмачиваемость или связанная с ней способность не обледеневать и др. Все такие материалы называют конструкционными. Из них что-то делают: корпус ядерного реактора или подводной лодки, электропровода контактной сети сверхскоростного электропоезда, беговые лыжи, скользящие по асфальту как по снегу, и многое-многое другое. И с наличием (или отсутствием) таких материалов связаны те или иные возможности и те или иные риски.

При производстве этих — а также других, о которых речь чуть ниже — материалов используют наносырье. Наносырье само является нанообъектом: это наночастицы и нанопорошок, углеродные и неуглеродные нанотрубки, фуллерены, дендримеры и др. Этот — собирательно назовем его — нанопорошок состоит из частиц или волокон наноразмера. Но и сами частицы и волокна могут обладать довольно специфичными свойствами. Простейший из нанопорошков, встречающихся в природе, — асбест, применение которого несет с собой хорошо известные риски, прежде всего канцерогенность. С другими наночастицами на сегодня не все так ясно.

Кроме конструкционных материалов нанотехнологии знают материалы функциональные. Это такие материалы, в которых само «тело» материала является механизмом. Неправильно думать, что до появления нанотехнологий функциональных материалов не было. Напротив, они были и широко использовались. Это и кристалл кварца, «держащий» частоту в высокоточном генераторе или часах, это и пьезокристалл, преобразующий колебания иглы электропроигрывателя 50–70-х годов XX в. в электрический сигнал и популярную мелодию Бернеса. (Кстати, похожие кристаллы используются и в нанотехнологиях. С помощью электрического тока, подаваемого на пьезокристалл, перемещают кантилевер[5] атомно-силового микроскопа на расстояние в десятки микрон с точностью до нескольких нанометров.) Функциональные материалы разнообразны: это и электротехнические среды аккумуляторов и батареек, и катализаторы большой химии, и даже порох.

Однако расцвет функциональных материалов приходится на нано. С появлением нанотехнологий они стали по-настоящему важны и разнообразны. Например, представьте себе материал, который способен подбирать к молекулам множество «ключей» (один подошел, другой нет) и на основе которого возможно создание такого устройства, как искусственный нос (см. п. 2.3 «Оставив свободу с носом»).

С функциональными наноматериалами тесно связаны наноустройства. Часто невозможно различить, где «заканчивается» материал и «начинается» устройство. В этом и суть функциональных материалов: они сами — распределенное устройство, устройство без шестеренок и винтиков.

Такие устройства — источник широчайшего спектра возможностей, часть которых сегодня даже трудно представить. А возможности, как мы уже говорили, имеют оборотную сторону — риски. И их спектр также широк, как и спектр возможностей. Об этом необходимо помнить всегда, когда мы создаем что-то новое, когда кардинально расширяем наши возможности.

Важной отличительной особенностью функциональных наноматериалов является структура. В простейшем случае это специально приготовленная поверхность, в более сложных — квантовые точки, квантовые борозды и их аналоги. Речь идет о структуре именно на атомарно-молекулярном уровне. Конечно, углеродная нанотрубка является также структурой. Но в составе нанопорошка такая структура не носит строго упорядоченного характера. Так, лес отличается от парка: парк может быть «французским», где деревья составляют строгие геометрические узоры, может быть «английским», который похож на естественный лес, но все равно каждое дерево посажено строго по плану.