ДЕМОКРАТИЧНА УКРАЇНА НАУКА
ЕРА «НАНО»
Суть
«Нано» — одна мільярдна частка чогось. Наприклад, нанометр — це одна мільярдна частка метра. Приблизно такі самі розміри молекул (тому нанотехнологію називають також молекулярною технологією). Термін «нанотехнологія» можна визначити так — це сукупність методів виробництва продукції із заданою атомарною структурою шляхом маніпулювання атомами і молекулами. Іншими словами, нанотехнологія — це модернізація практично всіх технологій, що має людство, на принципово новій, атомарній базі. Перспективи, пов’язані з нанотехнологіями, не просто привабливі, вони фантастично захопливі.

Із історії
Прадідусем нанотехнології можна вважати грецького філософа Демокріта. Майже дві з половиною тисячі років тому він уперше використав слово «атом» для опису найменшої частинки речовини. У 1905 році Альберт Ейнштейн видав працю, в якій довів, що розмір молекули цукру приблизно становить один нанометр. 1931 року німецькі фізики Макс Кнолл і Ернст Руска створили електронний мікроскоп, що вперше дало змогу досліджувати нанооб’єкти. У 1968-му Альфред Чо і Джон Артур із американської компанії «Белл» розробили теоретичні основи нанообробки поверхонь. 1986 року нанотехнологія стала відома широкому загалові — американський футуролог Ерік Дрекслер видав книгу, в якій передбачив, що нанотехнологія (далі — НТ) невдовзі почне бурхливо розвиватися.

Амуніція
Основні наукові операції в НТ відбуваються на мікроскопічному рівні, тому саме мікроскопи є головним інструментарієм нанотехнологів. Мікроскопи бувають оптичні, вони дають змогу бачити дрібні деталі розміром до 0,25 мікрометра. Потужніший «родич» оптичних приладів — електронний мікроскоп — дає можливість розрізняти навіть атомні решітки. Проте для цілей НТ потрібна якісна візуалізація кожного атома. Вченим пощастило створити СТМ (скануючий тунельний мікроскоп), принцип роботи якого полягає не у візуальному збільшенні площі поверхні речовини, що досліджується, а у своєрідному «дотику» до неї за допомогою спеціального зонду. Саме СМТ дозволив ученим комфортно працювати на атомному рівні. Щоправда, мінус цього мікроскопу полягає в тому, що він може бути застосований для дослідження тільки тих матеріалів, які добре проводять струм. Цю проблему вдалося вирішити на початку 1990-х, коли був винайдений атомно-силовий мікроскоп (АСМ), за допомогою якого стало можливим досліджувати всі типи матеріалів. Принцип дії АСМ ґрунтується на використанні міжатомних зв’язків. АСМ досліджує молекули і атоми за допомогою зонда, яким тут виступає алмазна голка. Подальший розвиток зондової мікроскопії привів до того, що була додатково створена низка приладів, які мали спільну назву — скануючі зондові мікроскопи. На сучасному етапі це — основні інструменти нанотехнологій. Вони уможливлюють вивчення не тільки геометричних властивостей об’єктів дослідів, а й магнітних, електричних, твердості, однорідності складу — все це з нанометровою точністю!
Під завісу ХХ ст. у сфері НТ відбулося два знакових прориви. Перший — відкриття фулерену, субстанції з вуглецю, яка за своєю каркасною структурою нагадує футбольний м’яч, складений з латок п’яти— та шестикутної форми. Структура молекули фулерена цікава тим, що завдяки своїм капілярним властивостям вона може бути використана для транспортування інших атомів та молекул (речовин) безпечними засобами (без шкоди для інших атомів та молекул).
Друге відкриття — винахід вуглецевої нанотрубки. Нанотрубка — це молекула, складена з більш ніж одного мільйона атомів вуглецю, що являє собою трубку діаметром близько нанометра та довжиною кілька десятків мікрон. Нанотрубка в 100000 разів тонша, ніж людська волосина, при цьому вона є надміцним матеріалом — у 50–100 разів міцніша за сталь, водночас має густину у шість разів меншу. Під дією механічної напруги трубки не рвуться й не ламаються, а перебудовуються. Ці незвичайні властивості нанотрубок можна використовувати для створення штучних м’язів, які, за однакового об’єму можуть бути вдесятеро сильнішими за біологічні м’язи. Довжина нанотрубок, отриманих людиною, постійно зростає — нині вчені наблизилися до сантиметрового рубежу. Дослідників давно цікавлять пустоти всередині фулеренів і нанотрубок. Експерименти з ними довели: якщо у середину фулерена помістити атом якої-небудь речовини, це може змінити його електровластивості. Вчені також навчилися змінювати властивості нанотрубок, вмонтовуючи в них фулерени з речовинами всередині.
Сфер застосування нанотрубок може бути безліч. Ось тільки найважливіші: унікальні дроти для мікроприладів; комп’ютерна індустрія (наприклад, монітори з пласким екраном, що працюють на матриці з нанотрубок), піксель зображення, що отримується на виході, буде надзвичайно малим, близько одного мікрона; застосування нанотрубок як голки скануючого мікроскопа; застосування в сфері наноелектроніки (заміна в майбутньому звичайних кремнієвих носіїв); виготовлення нанотранзисторів; нанотрубки — ідеальний матеріал для безпечного зберігання газів у внутрішніх порожнинах (найперше водню); використовувати нанотрубки можна також як контейнери для транспортування та зберігання інших речовин; нанотрубки в медичній галузі.

Перспективи — вражаючі
Із розвитком НТ людство може цілковито змінити власне уявлення про, здавалося б, звичні речі, скористатися досконалішими винаходами, суттєво полегшити собі життя. Напевно, важко назвати галузь, де б не могли з користю бути застосовані нонотехнології.
l Медицина. Стане доступним точне «доставлення» ліків (маються на увазі препарати, які діють всередині людського організму). Ці ліки транспортуватимуться спеціально навченими нанороботами у будь-яке хворе місце організму пацієнта та «вивантажуватися» там, де треба. Це дасть змогу ефективніше боротися з онкологічними, вірусними та генетичними захворюваннями.
З’являться своєрідні лікарі-нанороботи, здатні жити всередині нашого організму, усуваючи «на місці» всі пошкодження або запобігаючи їхньому виникненню.
За прогнозами популярного журналу «Scientific American», у найближчому майбутньому з’являться медичні пристрої-лабораторії, розміром із поштову марку, які зможуть самостійно зробити аналіз крові у пацієнта, вони ж визначать, які медикаменти слід використати, та запустять їх у кров.
l МатерІали, технологІЇ. З’являться так звані «розумні» матеріали. Вони будуть здатні змінювати власну структуру залежно від середовища. Кераміка, біочипи, світодіоди, різні покриття — нині це вже готові нанопродукти.
Практично всі побутові пристрої в майбутньому матимуть вмонтовані нанокомп’ютери. На основі нанотрубок зараз створюють деталі наномашин: підшипники, передачі тощо. Створення наномоторів дасть змогу «рухатися» нанороботам, а розвиток бездротового лазерного зв’язку дозволить керувати ними й слугуватиме «енергодротом».
За прогнозами американських експертів, розвиток НТ за 10–15 років створить нову галузь економіки з оборотом 1000000000000 дол. і мільйони робочих місць. Зміняться також програми, ігрові та навчальні наномашини відкриють доступ до світових знань, розвинуть (за індивідуальною програмою) розумові здібності кожної дитини.
l СІльське господарство. І тут у перспективі — революційні зміни. Їх забезпечить нанобіосинтез. Молекулярні рoботи виготовлятимуть їжу, замінивши в цій іпостасі рослини й тварини. (Уявіть одне з таких «спрощень»: молоко, скажімо, отримуватимуть безпосередньо із трави, обминаючи «проміжну ланку» — корову). Для цього використовуватимуть будь-яку «підручну» сировину — воду, повітря, котрі вміщують такі необхідні елементи як кисень, азот, водень, алюміній, кремній... Інші елементи таблиці Менделєєва знадобляться тільки в мікрокількостях. Біотехнології, генна і трансгенна інженерія також стануть найперспективнішими сферами застосування молекулярних технологій. Багато які товари споживання вироблятимуть «прямо вдома».
l ПРОМИСЛОВІСТЬ І КОСМОНАВТИКА. Передбачається, що у 2025 році з’являться перші асемблери (нано-маніпулятори або техніко-біологічні роботи, за допомогою яких учені конструюватимуть речі та предмети з атомів і молекул). Теоретично можливо, що вони будуть здатні конструювати з готових атомів будь-який предмет. Достатньо спроектувати на комп’ютері певний продукт — і він буде зібраний нанороботами.
Що стосується космонавтики, то тут НТ знайдуть та розкриють себе певною мірою. Йдеться про будування ракетних двигунів на принципово новій, нанотехнологічній основі.
Нанотехніка, вбудована у космічний скафандр і забезпечена круговоротом речовин, дасть змогу людині перебувати поза землею необмежену кількість часу. Нанороботи реалізують мрію фантастів про колонізацію інших планет — ці маленькі пристрої зможуть створити на них середовище проживання, необхідне для людини.
Розпочнеться автоматичне спорудження орбітальних систем і космічних станцій, реалізації будь-яких будівничих проектів у Світовому океані, на поверхні Землі та у повітрі. Самоскладання (не те, що існує в природі, а «приручені» людиною атоми та молекули) може вирішити такі глобальні проблеми людства, як нестача їжі, житла, енергії.
Спеціалісти НАСА вже розробляють проект космічного ліфта. Космічний ліфт — це трос, завдовжки декілька десятків тисяч кілометрів, що з’єднує орбітальну станцію з платформою, розміщеною серед океану. Головна мета проекту — транспортування вантажу як із Землі у космос, так і навпаки. Адже коефіцієнт корисної дії сучасних ракет надто малий, до того ж, надзвичайно дорого відправити вантаж у космічний простір — 1 кг коштує десь 10 тис. дол. Ціна ж вантажу, що буде відправлена за допомогою згаданого ліфта, знизиться до 10 дол. за 1 кг. Найцікавіше в цьому проекті те, що трос мають намір виробляти за допомогою нанотехнологій, застосовуючи ті ж надміцні й надлегкі вуглецеві нанотрубки. Єдина проблема полягає у тому, що трос потрібний неймовірно довгий — близько 100 тис. км, а вчені в експериментах із нанотрубками ще не досягли метрового рубежу. Проте науковці переконані, що то лише питання часу: необхідний трос, за їхніми оцінками, буде зроблений у найближчі 15–20 років.
l ВІйськова справа. У НТ велике військове майбутнє. Вважається, що у поточному році будуть представлені перші бойові наномеханізми. У планах учених — розробки універсальної солдатської уніформи, здатної протистояти кулям, бути невидимою для ворога; вона також матиме відновлюючий ефект і збільшуватиме фізичні можливості солдата. На відміну від середньовічних аналогів, «нанокольчуга» майбутнього, зроблена на основі молекулярних технологій, буде легкою і зручною. Науковці працюють над технологіями створення та протидії «невидимості», системами, які мають програму автоматичного відновлення (приміром, здатні автоматично лагодити пошкоджені поверхні бойових машин і т. п.).
l ЕкологІЯ, Чорнобиль. Нові види промисловості не вироблятимуть відходів, а нанороботи зможуть знищити наслідки старих забруднень. Нанотехніка відновить озоновий шар, очистить землю, річки, океани, атмосферу, «запечатає» радіоактивні відходи у «вічні» контейнери. Більше того, експерименти зі зразками ґрунту, які були радіоактивно та хімічно заражені, засвідчили можливість їх самовідновлення за допомогою нанопрепаратів аж до природного стану мікрофлори та плодоносіння за кілька місяців. Якщо це правда, то тоді відкриваються фантастичні перспективи, скажімо, побудови надміцного наносаркофагу в Чорнобилі або взагалі поступове перетворення Чорнобильської зони на курортну місцевість завдяки цілковитому очищенню землі та повітря від радіоактивних елементів за допомогою нових молекулярних технологій.

Небезпеки. Проблеми
Однак захоплене очікування позитивних змін, що принесе з собою нанотехнологічна революція, не повинно затьмарити наш здоровий глузд щодо потенційних небезпек і проблем новітніх технологій. Дехто з експертів стверджує, що дослідження в сфері НТ мають бути зупинені, перш ніж це зашкодить людству. Страхи перед нанотехнологіями почали з’являтися після виходу у 1986 році книжки Еріка Дрекслера «Машини творення», де він зачепив так звану проблему «сірого слизу» — вона полягає в тому, що нанороботи можуть вийти з-під контролю людини й почати свою нескінченну реплікацію (відтворення самих себе), споживаючи як будматеріали все, що трапиться на шляху,— від лісів, заводів, закінчуючи домашніми тваринами і... людьми. Теоретично такий асемблер зі своїм потомством буде здатний переробити всю біомасу Землі за якісь години (не враховуючи часу переміщення планетою). Інші вчені категорично відкидають страхи перед «сірим слизом».
На відміну від небезпек НТ, які ми згадували і які не потребують швидкого реагування (поки що) існує ще й сонм, так би мовити, галузевих проблем, котрі потребують вирішення вже тепер. Це насамперед кадрова: чи здатна існуюча система освіти навчити достатню кількість спеціалістів-нанотехнологів. Не зрозуміло, як нанотехнологічний прогрес позначиться на традиційному бізнесі, чи не позбавить багатьох людей роботи. Непокоїть і те, чи не сприятиме зниження вартості продукції завдяки нанотехнологіям і молекулярній біології тому, що вони стануть легкодоступними для терористів, котрі потенційно можуть розробити небезпечні мікроорганізми. Поки що не відомі наслідки від вдихання людиною деяких речовин, які зараз розробляються в молекулярному масштабі. Дослідження довели, що та ж вуглецева нанотрубка має структуру, яка нагадує азбест (цей матеріал є небезпечним для людини). Чи не будуть наноматеріали, вивільнені у навколишнє середовище, спричиняти алергічні реакції? Чи не призведе вторгнення наночастинок у наш організм до непередбачуваних наслідків?

А що у нас?
В Україні з 2003 року під егідою НАН існує комплексна програма фундаментальних досліджень «Наноструктурні системи, наноматеріали, нанотехнології». Концепцією означеної програми передбачено не лише різні наукові й практичні дослідження в цій сфері, а й моніторинг світових досягнень, створення і розвиток бази даних, розширення інформування суспільства щодо нанотехнологічних знань, створення системи підготовки і перепідготовки кадрів та ін. Очікується, що названа програма буде важливим чинником створення в Україні конкурентоспроможної нанотехнології.
Насправді ж у нас ще не розроблено сталу технологію виробництва нанопродукції. Так, вітчизняні вчені досліджують нанопорошки та сорбенти для очищення води і газів, вивчають перспективні технології, пов’язані з наноелектронікою. За словами доктора фізико-математичних наук Ігоря Плюто, «в Україні поки що тільки планується реальне створення нанопродуктів. Єдине, що нині реально у нас — створення нанопорошків, інше поки лишень у теорії». Ігор Володимирович вважає, що у майбутньому найперспективнішими сферами застосування нанотехнологій будуть екологічна, медична, енергетична та хімічна галузі (синтез полімерів, наноструктурні каталізатори і т. п.). Факт: Україна неабияк відстає від провідних «нанокраїн» світу, таких як Японія, США чи Китай. У Сполучених Штатах, наприклад, фінансування фундаментальних нанодосліджень щороку збільшується вдвічі. В Європі у більш ніж 40 лабораторіях проводяться нанодослідження і розробки.
Напевно, найважливішим стратегічним партнером України в сфері молекулярних технологій може стати Росія. Там зараз існує кілька програм з НТ, є вагомі напрацювання, зокрема здобуті під керівництвом і за участю Нобелівського лауреата Жореса Алфьорова.

Юрій СОКОЛ
також у паперовій версії читайте:

назад »»»