Что такое нанотехнология?

Что такое нанотехнология?

Нанотехнология — это производственная технология будущего, обеспечивающая недорогие средства для полного контроля над структурой вещества.

(Понятия "нанотехнологая" и "молекулярная нанотехнологая" иногда используются по отношению к любым технологиям, действующим на субмикронном (1 микрон = 1000 нанометров) уровне, но мы будем использовать этот термин только применительно к технологиям, позволяющим манипулировать отдельными атомами. Иногда, для того, чтобы избежать неясности, используется более поздний термин "молекулярное производство".)

Нанотехнология сделает возможным создание гигагерцовых компьютеров размером меньше кубического микрона (одна миллиардная кубического миллиметра); машины для ремонта живых клеток; бытовые универсальные производственные устройства и устройства для переработки отходов; дешевые средства колонизации космоса и многое, многое другое.

Вообще говоря, основная идея нанотехнологии состоит в том, что практически любую химически стабильную структуру, которую можно описать, на самом деле, можно и построить. Эта идея берет свое начало еще в хрестоматийной речи Ричарда Фейнмана в 1959 году ("Там внизу полно места"), но лишь после детального анализа, проведенного Эриком Дрекслером в начале восьмидесятых, молекулярная нанотехнология стала самостоятельной областью науки и превратилась в долгосрочный технический проект. Последние несколько лет ознаменовались бурным ростом интереса к этой области и ростом инвестиций в нанотехнологию.

Дрекслер предложил идею "ассемблера", устройства, обладающего субмикроскопическим механическим манипулятором, контролируемым компьютером. Ассемблер будет способен захватывать и точно позиционировать химически активные структуры с тем, чтобы детально контролировать место, где будет происходить химическая реакция. Такой универсальный подход делает возможным создание больших объектов с атомарной точностью через последовательность тщательно контролируемых химических реакций, создавая эти объекты молекула за молекулой. Ассемблеры смогут и создавать свои копии, то есть размножаться, если их на это запрограммировать.

Поскольку они смогут копировать себя, ассеблеры будут дешевыми. Это становится понятным, если вспомнить, что многие другие продукты молекулярных машин — дрова, сено, картофель — стоят совсем мало. Работая в больших группах, ассемблеры и специализированные наномашины смогут создавать любые объекты с небольшими затратами. Обеспечив точное размещение каждого атома, они будут производить надежные продукты с высокой точностью. Неиспользованные молекулы будут контролироваться столь же тщательно, что сделает производственный процесс практически безотходным.

Реалистичность подобного подхода может быть проиллюстрирована на примере рибосом. Рибосомы производят все белки используемые в любых живых организмах на этой планете. Типичная рибосома сравнительно невелика (несколько тысяч кубических нанометров), но способна построить практически любой белок, последовательно соединяя аминокислоты (составные части белков) в определенном порядке. Для этого у рибосомы есть возможность выборочно захватывать определенную аминокислоту (точнее, возможность выборочно захватывать определенную транспортную РНК, которая, в свою очередь, химически связывается определенным ферментом с необходимой аминокислотой), захватывать растущий полипептид и заставлять выбранную аминокислоту реагировать с окончанием полипептида, присоединяясь к нему.

Аналогично, ассемблер будет строить произвольную молекулярную структуру, следуя последовательности инструкций. Однако ассемблер обеспечит возможность трехмерного позиционирования и произвольной пространственной ориентации молекулярных компонентов (аналогов отдельных аминокислот), присоединяемых к растущей сложной молекулярной структуре (аналогу растущего полипептида). Вдобавок, ассемблер сможет формировать различные виды химических связей, а не один вид (пептидную связь), как рибосома.

Одним из следствий существования ассемблеров станет то, что они будет дешевыми. Поскольку ассемблер можно запрограммировать на строительство практически любой структуры, в частности, его можно запрограммировать на строительство другого ассемблера. Таким образом, возможны самовоспроизводящиеся ассемблеры, вследствие чего, их стоимость будет состоять, главным образом, из стоимости сырья и энергии, необходимых для их производства.

Основная сложность с нанотехнологией — это проблема создания первого ассемблера. Существует несколько многообещающих направлений. Одно из них заключается в улучшении сканирующего туннельного микроскопа или атомно-силового микроскопа и достижении позционной точности и силы захвата, необходимых для того, чтобы мы могли с достаточной точностью устанавливать атомы и молекулы в пространстве. В этом направлении достигнут определенный прогресс; еще в 1990 году на первых страницах газет сообщалось о логотипе IBM, выложенном на никелевой подложке из 35 точно размещенных атомов ксенона.

Другой путь к созданию первого ассемблера ведет через химический синтез. Возможно спроектировать и синтезировать хитроумные химические компоненты, которые будут способны к самосборке в растворе.

И еще один путь ведет через биохимию. Рибосомы являются специализированными ассемблерами и мы можем использовать их для создания более универсальных ассемблеров. Серьезным препятствием на этом пути является проблема формирования пространственных молекул белков из их линейных полипептидных цепей (protein folding problem). Хотя общее решение этой проблемы может оказаться связанным с серьезными вычислительными трудностями, возможно, что удастся научиться предсказывать пространственную форму белка в некоторых специальных случаях, и набора этих предсказуемых белков может оказаться достаточно для создания универсального ассемблера.

То, что универсальные ассемблеры не противоречат химическим законам, было показано в книге Дрекслера "Наносистемы" (1992). В этой книге также было показано, что универсальные ассемблеры способны построить широкий спектр полезных объектов, включая сверхмощные компьютеры. На самом деле, практически любая структура, описанная с атомарной точностью и не противоречащая химическим законам, может быть построена молекулярными ассемблерами дешево и практически без отходов. Широко распространено убеждение, что развитая нанотехнология также сделает возможным оживление пациентов в криогенном анабиозе и загрузку сознания в компьютер [см. "Что такое загрузка?"].

Хотя принципиальная возможность молекулярной нанотехнологии довольно хорошо обоснована, сложнее определить, сколько времени понадобится для ее появления. Среди экспертов распространено мнение, что первый универсальный ассемблер будет создан в районе 2017 года плюс-минус десять лет, но до полного согласия по этому вопросу далеко.

Поскольку последствия нанотехнологий столь обширны, необходимо, чтобы люди уже сейчас начали серьезно размышлять об этих вопросах. Злоупотребление нанотехнологиями может иметь разрушительные последствия; общество нуждается в выработке путей минимизации этого риска. [См. также "Что случится, если эти новые технологии будут использованы в войне?"]

Ссылки: Drexler, E. 1986. The Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. http://www.foresight.org/EOC/index.html Эрик Дрекслер. 1986. Машины созидания: Грядущая эра нанотехнологии. пер. М. Свердлова http://mikeai.nm.ru/russian/eoc/eoc.html Drexler, E. 1992. Nanosystems, John Wiley & Sons, Inc., NY. Foresight Institute. http://www.foresight.org/