Кристиан Жоаким - Нанонауки. Невидимая революция

• Название: Нанонауки. Невидимая революция
• Автор: Кристиан Жоаким
• Издательство: КоЛибри
• Жанр: Научпоп
• Год: 2009
• ISBN: 978-5-389-00631-7

Кристиан Жоаким — один из известнейших специалистов по физике твердого тела, директор Центра структурных исследований и разработки новых материалов (CEMES) в Тулузе. Ответственный руководитель группы Nanosciences. Вместе с журналисткой Лоранс Плевер он рассказывает о том, что такое наномир, как выглядят его обитатели, чем отличаются нанонауки от нанотехнологий и что они сулят человечеству в ближайшем будущем.

---

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.

А КАК НАСЧЕТ ПОЛИТИЧЕСКОЙ ОКУПАЕМОСТИ?

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.