Текст книги "Наполовину мертвый кот, или Чем нам грозят нанотехнологии"

Автор книги: Кирилл Иванов

Соавторы: Артем Балякин,Сергей Тараненко
сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 16 страниц) [доступный отрывок для чтения: 6 страниц]

С. Б. Тараненко, А. А. Балякин, К. В. Иванов
Наполовину мертвый кот, или Чем нам грозят нанотехнологии

Введение

Риск или плата?

Самая отчаянная опасность лучше верной смерти.

Артур Конан Дойль

Многие эксперты – политики, экономисты, равно как и представители естественных наук, инженеры и футурологи – связывают изменения в нашей жизни со становлением нанотехнологий. Однако такие, только технологические изменения трудно назвать «принципиальными» или «фундаментальными». Речь идет не только и не столько о технике (да и техникой ли это будет называться), сколько об изменении технологического уклада, включающего изменения социального, институционального и иных порядков.

Большие надежды – всегда большие риски. О балансе надежд и рисков и пойдет речь в данной книге. Но и надежды, и риски далеко выходят за пределы технологической плоскости. Последствия технологического развития и связанных с ним изменений затронут различные стороны нашей жизни. Изменится не только наша «обыденная» жизнь, т. е. жизнь нам «привычная», базовые обстоятельства которой мы ошибочно привыкли считать чем-то само собой разумеющимся. Изменится само устройство нашей жизни: социальное и политическое, экосистемное, гуманитарное, наша культура – изменится наша цивилизация.Поэтому и риски носят принципиально разноплановый характер. Это не только и не столько риски технические: что-то взорвалось, кто-то отравился (что, без сомнения, также чрезвычайно важно), но это и риски системные, связанные с характером и степенью возможных изменений в нетехнологических областях за счет изменений технологических. Человечество с такими изменениями сталкивается давно. Их примером – далеко не единственным – являются экологические последствия, в том числе планетарного характера. Достаточно вспомнить о рукотворности многих ландшафтов современного мира – пастух и земледелец раннего этапа неолитической революции, использующий технологии подсечного земледелия, оставил нам Землю, сильно отличающуюся от той, которую знал донеолитический охотник и собиратель. И не всегда этот новый ландшафт к лучшему. Да мы и сами «мастера»: судьба Аральского моря тому свидетель. Арал – жертва ракетной техники: так случилось, что наиболее массовое ракетное топливо, гептил, остро нуждалось в соответствующем сырье, среднеазиатском хлопке. А этот хлопок, выращиваемый на полях советской Средней Азии, требовал полива. В результате вода Амударьи и Сырдарьи просто не дотекла до Аральского моря. И моря нет! Пересохло! Аральское море было четвертым по величине озером в мире. Было! В 1989 г. оно распалось на два изолированных водоема – Северное (Малое) и Южное (Большое) Аральское море. А там, откуда вода ушла, теперь соленая пустыня.

Аналогия с неолитической революцией не случайна. По мнению некоторых экспертов-футурологов [1]1
  Среди них Сергей Переслегин, Николай Ютанов и др. См., например: Переслегин С. Б.Самоучитель игры на шахматной доске / Сергей Переслегин. М: ACT; СПб.: TeraFantastica, 2005: Переслегин С., Переслегина Е., Ютанов Н.и др. Новые карты Будущего, или Анти-РЭНД. СПб.: TF; М.: ACT, 2009.


[Закрыть], человечество лишь дважды в своей истории испытало столь кардинальные перемены. Это собственно неолитическая революция, а также промышленная революция, начатая в Великобритании в последней трети XVIII в. как технологическая революция (текстильная промышленность, паровой двигатель, металлургия). Но, как утверждает большинство футурологов, нанотехнологическая революция потенциально сопоставима, равномощна этим двум уже состоявшимся. В общем, если футурологи правы, поздравляем: мы живем в эпоху перемен, что древнекитайские философы считали крайне неутешительной новостью.

С революционными изменениями связано такое понятие, как неизбежность. Мы не можем отказаться от изменений – сам отказ катастрофичен: его последствия тяжелее и трагичнее возможных последствий, которые несут с собой риски перемен. Такие изменения – не риск. Это данность. Поэтому еще до того, как мы начнем анализ различных рисков, связанных с нанотехнологиями, с их проникновением в нашу жизнь, необходимо прояснить следующее. Кроме рисков и угроз то, что может случиться, а может и не случиться (а это важная особенность риска), есть наша обязательная плата за технологическое развитие, впрочем как и за любое другое развитие. Так, за прямохождение человек сегодня платит большую цену. Это не только плоскостопие или искривленный позвоночник у значительной части населения, но и сердечно-сосудистые заболевания – бич XX и, наверно, XXI в. Любое «достижение» человека – как биологического вида, как существа социального (а технологическое развитие из этой «песочницы») – всегда требовало платы. Появились антибиотики, и вот уже экологи бьют тревогу: не прокормит наша планета такое количество, страшно сказать, не умерших, лишних людей. Впрочем, эту проблему осознали еще до антибиотиков: достаточно вспомнить экономиста Томаса Роберта Мальтуса (1766–1834) с его теорией перепроизводства людей [2]2
  Теория Мальтуса сводилась к двум положениям: 1) биологическая способность к размножению у человека превосходит его способность увеличивать продовольственные ресурсы; 2) сама способность к воспроизводству ограничивается наличными продовольственными ресурсами. – Прим. ред.


[Закрыть](правда, следует отметить, что эту «плату» человечество ловко умеет откладывать на потом). В отличие от рисков и угроз расплата обязательно наступает. Правда, мы об этом можем заранее и не знать: либо не предвидеть, либо думать о ней как, о риске. Но расплата – это не риск, и нужно думать не о том, как ее предотвратить, а о том, адекватна ли она, готовы ли мы ее нести за те преимущества, которые извлекли. Ну не на четвереньки же нам снова вставать.

Однако мы будем различать расплату и риски только там, где сумеем. И, когда будем говорить о рисках, мы, если это не оговорено специально, будем включать и расплату, неизбежнуюрасплату.

Кроме того, необходимо пояснить разницу между рисками и угрозами. Она условна. Но это различие как раз и позволяет нам находить тот баланс между надеждами и рисками, о которых речь шла выше. Представим, что в силу тех или иных внешних обстоятельств (под которыми мы будем понимать обстоятельства, вызванные иными причинами, чем рассматриваемое нами технологическое развитие) имеются риски, которые мы надеемся с помощью новых технологий преодолеть. Вот тогда и будем называть их угрозами. Например, проблема обеспечения безопасности – угроза; проблема потенциального голода – угроза; перечень можно продолжать достаточно долго. Но условность различия также легко понять: так, нанотехнологии способны не только преодолевать угрозы, но и косвенно порождать новые – все в этом подлунном мире взаимосвязано, и отделить причину от следствия порой не просто трудно, а принципиально невозможно – как в набившей оскомину дилемме о первичности курицы или яйца.

Итак, риски. Каковы они? Технологические риски сопутствуют человеку на протяжении всей его истории: не вовремя лопнувшая тетива первобытного охотника, оставившая его один на один с диким зверем, конечно, меньшая трагедия, чем взрыв ядерного реактора. Но, возможно, не с точки зрения данного охотника. Наша книга посвящена рискам, связанным именно с нанотехнологическим развитием. Означает ли это, что в данном случае имеет место особенность, отличие от того, что мы знали ранее, отличие от того опыта, который мы как человечество приобрели за свою не менее чем пятитысячелетнюю историю, если за отсчет принять первую письменную цивилизацию, опыт которой хоть как-то сохранился – шумерскую?

И да, и нет. И вот почему.

Почему «нет». Изменения носят, как будет показано далее, революционный характер. Физики, а вслед за ними и футурологи, называют такие изменения фазовым переходом. Изменения столь существенны, что свойства того, что получится за этим переходом, слабо связаны с тем, что было до него. Примером такого фазового перехода из физики является замерзание воды – по свойствам текучей жидкости очень трудно судить о свойствах на удивление твердого льда; если кто в этом сомневается, пусть подумает над тем, что сумел бы он предсказать, не зная заранее, что лед не тонет. Если изменения не столь существенны, хорошо работают аналогии, так называемые тренды и другие инструменты наших оценок по принципу еще одного, дополнительного, шажка – маленький шажок приводит к малым изменениям. У нас даже математика – дифференциальное и интегральное исчисление, вариационное исчисление и пр. – для этого специально приспособлена. А вот изменения, которые не являются непрерывными, изучает теория катастроф – в контексте данной книги очень обещающее название.

Следует помнить, мы по-настоящему погружаемся в область неочевидного. В буквальном смысле – глазами не увидеть. Квантовый мир, законы которого нанотехнологии приносят в наш мир, – источник быть может еще неосознанных сюрпризов и сюрреалистических бед. Вот спорили люди о том, что вокруг чего вертится: Земля или Солнце – центр мироздания. Копья ломали, на кострах чуть было не жгли, славу Богу до этого не дошло [3]3
  При всем уважении к Джордано Бруно он взошел на костер не за это.


[Закрыть]. Ведь видно – Солнце вращается вокруг Земли. Очевидно – очами, т. е. глазами. И трудно было представить, что наоборот. Но представили, и оказалось, что представить можно. Нам показали модель, в которой Земля вращается вокруг Солнца, мы на нее очами-глазами посмотрели и сказали: ба! да это же ОЧЕвидно. Стоило ли спорить. С квантовым миром все по-другому. Показать нечего. Нет такой модели, которую можно увидеть глазами и которая правильно бы показывала, что там, в квантовом мире, происходит. Такая модель невозможна в принципе. Нельзя квантовые законы описать на языке законов, которые ОЧЕвидны. Так уж устроен этот мир. И весь наш опыт в этих условиях может не только оказаться бесполезным, но и сыграть с нами дурную шутку. Если у вас есть детская игрушка юла, заведите ее и толкните влево. Влево ли она отклонилась? Нет? Надо же, а вы говорите – опыт. Люди, не знающие механики твердого тела, могут быть сильно удивлены, что то, что они были готовы отстаивать как очевидное, оказалось неверным [4]4
  Гироскоп, каким и является юла, отклонится под действием приложенной к нему силы не в направлении этой силы, а в перпендикулярном ему направлении в плоскости вращения.


[Закрыть]. Но юлу можно продемонстрировать. Неверующие удивятся, поворчат, может, даже обидятся, но спорить перестанут. А в нанотехнологиях «юлу» не предъявишь и никого не переубедишь. Не будет же каждый человек (включая уже вполне состоявшихся, опытных) шесть лет учиться квантам – как называют квантовую механику студенты физических специальностей. Да и специалисты, знающие кванты, могут ошибаться и, как ни странно, делают это довольно часто.

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 доказатьнельзя, 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 определилиэксперты – 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]5
  Это устройство с иголочкой нанометрового диаметра на конце, с помощью которого микроскоп ощупывает поверхность.


[Закрыть]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.

В нанотехнологиях часто материал уходит на второй план и вперед выступает Ее Величество Структура (см. главу 2 «Чудеса структуры»). Так и говорят – мы имеем дело с наноструктурами. Наноструктуры разнообразны. Это и так называемые метаматериалы (здесь слово «материалы» почему-то сохранилось), используемые в гига– и терагерцовой электронике, и то, что представляет собой следующий этап электроники, включая собственно электронику (как традиционную, так и принципиально новую), а также фотонику и спинтронику. Фотоника заменяет «привычный» нам электрон на квант света как носитель сигнала в наших сложных схемах, из которых мы собираем компьютеры, датчики и бытовые приборы. Спинтроника основана на коллективном поведении тех же электронов, их взаимодействии через спин: ток не идет (ток – это направленное движение электронов), сигнал же – пожалуйста: электроны как бы передали его «из рук в руки». С устройствами на базе спинтроники мы уже хорошо знакомы на бытовом уровне: она присутствует во флешках и другой долговременной памяти.

Структура – источник как возможностей, так и рисков. Гора кирпичей «в навал» представляет меньшую опасность при землетрясении, чем милый кирпичный домик, под которым есть шанс быть погребенным при его разрушении. Утрата структуры может иметь самые неожиданные и порой тяжелые последствия. Но и сама структура может быть не безопасной. Неудачно, а может, и намеренно (как в рассказе Карела Гашека «История о взломщике и поджигателе») расположенный кусок стекла (линза) может стать источником пожара [6]6
  Мстительный ученик установил линзу так, чтобы дом обидчика загорелся от солнечных лучей в определенный день – через год после своего позорного изгнания из дома учителя.


[Закрыть].

Структурный аспект нанобезопасности проявляется и при создании новых, ранее не существующих, и без технологий невозможных, химических соединений, хотя сам термин можно уже поставить под сомнение: химия ли это? Как отдельные молекулы, так и их совокупности (структурные или нет) – источник новых рисков, частично подобных тем, с которыми человечество столкнулось при бурном развитии химической промышленности в XX в.

И нельзя забывать, что эти структуры приносят нам «весточку» из мира квантового – интуитивно непонятного, неожиданного, с «сюрпризами».

Крайним выражением структуры являются устройства. В нанотехнологии это МЭМСы и НЭМСы. Эти аббревиатуры расшифровываются так: первая – микро-, вторая – наноэлектромеханические устройства. НЭМС – это что-то вроде машинки, «колесиками» в которой выступают отдельные (очень специальные) молекулы, т. е. такая штуковина может передвигаться. Делает это она либо под внешним воздействием (например, «ползет» туда, где соленость раствора выше), либо за счет внутренней «батарейки» или иного источника.

Конечно, МЭМСы и НЭМСы – это не только и не столько движущиеся машинки чрезвычайно малого размера – меньше человеческой клетки. Это прежде всего датчики, заменяющие нам гироскопы, измерители давления, температуры и многое другое. Но именно с НЭМСами связывают наиболее яркие картины нанотехнологической опасности. Естественно, речь идет о нанороботах. О том, так ли это, мы также поговорим в нашей книге (см. п. 6.4 «Самоходный чип и кошмар Дрекслера»).

Гипотетическая способность нанороботов размножаться – один из таких «беспокоящих» факторов. Представляется, что на эту проблему надо смотреть шире: наиболее перспективные области нанотехнологий лежат на стыке всего того, о чем шла речь выше, и живого. Нано проникает в жизнь на клеточном уровне, как создавая миметические устройства, «списанные» с живого как со шпаргалки, так и изменяя саму клетку для различных целей: промышленных, медицинских и др. И это, конечно, один из наиболее важных аспектов нанобезопасности (см. главы 4, 5). Медицинские, экологические и технологические риски переплетаются в запутанный клубок, который нам предстоит распутать.

Вот далеко не полный перечень того, что мы называем «нано», того, с чем нам придется считаться в недалекой перспективе или даже уже сейчас.