Текст книги "История инженерной деятельности"

Автор книги: В. Морозов

Соавторы: В. Николаенко
сообщить о нарушении

Текущая страница: 19 (всего у книги 23 страниц)

Для России, Украины и других государств СНГ очень нужны трансгенные технологии. Россия, например, теряет из-за сорняков и вредителей 34,6 % злаковых культур, 42 % сахарной свеклы, 37 % подсолнечника, 46,2 % картофеля. Особо следует обратить внимание на картофель. Это «второй хлеб» и его потребляется 35 млн тонн ежегодно. В денежном выражении это приблизительно 7 млрд. долларов, а потери его исчисляются в 3,5 млрд. долларов. Кредит МВФ России – 2,8 млрд… Таким образом, колорадский жук съедает весь кредит МВФ. И в тоже время отечественные ученые предлагают трансгенный картофель, который не берет никакой колорадский жук. Кроме этого, 10 % картофеля гибнет от фитофтороза. В России есть уже свой трансгенный сорт, т.е. сорт сельскохозяйственных растений отечественного производства. Но нужно политическое решение – разрешение на их выращивание. Все это касается и Украины.

Трансгенные растения на столах потребителя уже есть. Около 70 наименований импортных трансгенных растений зарегистрировано и разрешено к применению. В этот разряд попали уже существующие продукты питания. Реально же провести экспертизу на наличие встроенного гена в какой-либо компонент продукта мы пока не в силах из-за отсутствия дорогостоящих тест-систем и оборудования. То есть если иностранная фирма-импортер не продекларирует наличие трансгенного растения в каком-либо продукте, то мы на сегодняшний день определить это не сможем.

Директор института молекулярной биологии и генетики НАН Украины академик Г. Х. Мацука в статье «Горизонты генноинженерных биотехнологий», пишет, что уже выращены трансгенные пшеница, кукуруза, соя, картофель, подсолнечник и др. Этим растениям введены гены, которые отвечают за стойкость против большинства пестицидов, гербицидов и ядохимикатов. Нужна законодательная база для внедрения и финансирования на достаточном уровне.

Благодаря генноинженерным методам появляются бактерии, которые извлекают из обедненных руд остатки урана, он переводится в состояние раствора, а затем концентрируется. Подобные разработки ведутся и в Украине, в частности в Институте коллоидной химии и химии воды НАН, но не с ураном, а с золотом. Золото добывается из обедненных руд Мужиевского месторождения в Закарпатье. Бактерии осуществляют селективную гетерокоагуляцию с частицами золота. Эта разработка зарегистрирована как открытие в 1986 г. Внедрение данной технологии дало возможность ежегодно Мужиевской обогатительной фабрике получать десятипроцентный прирост золота.

Новые методы ресурсной биотехнологии очень важны, скажем, для России, живущей за счет продажи ресурсов. Так, средняя отдача нефтяных месторождений не превышает 50 процентов. Новая же уникальная микробиологическая технология регулирования микрофлоры пластов уже позволила компании «Татнефть» получить дополнительно около полумиллиона тонн «черного золота» на месторождениях в Башкирии. Сегодня микробная технология используется для повышения нефтеотдачи во многих странах, а также извлечения азота, в том числе и из сточных вод и др.

В Украине введение микроорганизмов, которые фиксируют атмосферный азот и передают его растениям дало возможность увеличить урожайность гречихи до 12,3 ц. с гектара, против 8 ц. (без введения азота), озимой пшеницы соответственно 52,4 и 45, ячменя – 50 и 42, томатов – 56,8 и 23 ц. Количество белка увеличивается на 7–10 %, а уровень нитратов уменьшается в 10–100 раз, радиоактивного цезия – в 2,5 раза. Этот препарат проходит испытания и на него возлагаются большие надежды как наэкологически чистый препарат.

Большие перспективы имеет новый способ снижения концентрации метана с использованием метанотрофных бактерий. Для украинских шахт проблема метана была и остается одной из самых тяжелых. По статистике из-за взрывов метана каждый добытый миллион тонн угля уносит жизнь одного шахтера. Перед распадом СССР активно велись работы в направлении снижения концентрации метана, но вот уже десяток лет о жизненно важной перспективной технологии вспоминают редко, не говоря уже о ее применении. Что касается биотехнологий то надо отметить, что появляются совершенно неожиданные направления исследований. Например, есть реальная перспектива использования новых источников энергии. Водоросли, которые состоят на 70 % из углеводов – это фактически полноценное горючее. Ареал их распространения – австралийские озера. Задача генной инженерии – повысить содержание углеводов в этих водорослях.

Еще один интересный объект – ген фотосинтеза. Речь идет о преобразовании света в углеводород. Здесь бескрайнее поле исследований для генетиков. Возьмем всем знакомые светлячки. Оказывается, из них можно сделать фонарики. В Японии принят пятилетний план создания фонаря на основе люцеферина – люцеферазной реакции. Для этих опытов выделено 1,8 млрд. иен. Японцы собираются выделить гены светлячков, которые отвечают за эту реакцию, и ввести их деревьям, которые с наступлением темноты будут светиться вместо фонарей. Воистину генноинженерные технологии открывают перед человечеством невиданные перспективы.

В Ы В О Д Ы

Биотехнологии – это процессы с использованием биологических систем живых организмов и компонентов живой клетки, основанные на достижениях науки. Создание новых биотехнологий – фундаментальные результаты целого комплекса наук, особенно биологии: расширение сферы исследования в области генной инженерии, физико-химии ферментов, молекулярной диагностики, селекционной генетики, микробиологии и других.

Биотехнология объединяет новые достижения технической микробиологии, прикладной генетической, клеточной инженерии, имуннобиотехнологии. Этот раздел науки охватывает культивирование клеток растений, животных и людей, гибридов, макромецатов, водорослей, объектов генетической инженерии (плазмиды, векторы, рекомбинатные ДНК, ферменты).

Немало новых рентабельных биотехнологий появились в Украине благодаря разработкам Института проблем криобиологии и криомедицины НАН Украины, Института молекулярной биологии и генетики НАН Украины, Института агроэкологии и биотехнологии УААН и других. Можно сказать, что по уровню научно-исследовательских работ в области биотехнологий Украина не отстает от мировых лидеров – Японии, США, Англии, Германии, Франции. Об этом свидетельствует множество публикаций отечественных ученых, презентаций, количество международных грантов и стипендий, привлечение украинских ученых для сотрудничества в различные научно-исследовательские лаборатории мира.

Большие перспективы имеет генная инженерия. Успехи генетической инженерии ознаменовали начало качественно нового этапа в развитии биотехнологии. Важнейшим достижением стал переход от производства технических соединений до получения химически чистых продуктов биосинтеза: инсулина, α-β-интерферона, гормонов роста человека и крупного рогатого скота, а также поверхностных антигенов вирусов для получения так называемых молекулярных вакцин против герпеса, гепатита, краснухи, кори и других.

С помощью генной инженерии решаются вопросы, связанные с охраной окружающей среды, в частности, получение биополимерных флокулянтов для очистки воды, получения ряда важных для медицины препаратов, среди которых незаменимые аминокислоты, гормональные препараты, антибиотики и другие. Разработаны технологии получения генноинженерных антигенов, антител, вакцин, которые используются для профилактики, лечения и диагностики заболеваний.

Развитие таких наук как генетика, прикладное накопление новых биологических дисциплин, таких как биоинформатика, протеомика, метаболика и других имеют огромное значение для биотехнологии.

Необходимо возродить биотехнологии на новом современном уровне. Этого требуют потребности общества, экономики. Для этого нужна выработка необходимых законов, продуманная финансовая политика в области фундаментальной биологической науки и биотехнологии.

Тема XIII. ИНЖЕНЕРНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ И

НАНОТЕХНОЛОГИИ: СУЩНОСТЬ, ПЕРСПЕКТИВЫ

РАЗВИТИЯ, ЗНАЧЕНИЕ

Человечество уверенно вступило в XXI век, который, как мы часто слышим, будет проходить под знаком генетики, биотехнологий и информационных технологий. Мы также слышим, что ученые свои порой «сумасшедшие» идеи, прения подают под вывеской нанотехнологий. Оказывается, биотехнологии и информационные технологии лишь детали в картине, название которой – Наноленд. Хотя еще 3,5 млрд лет назад возникли первые живые клетки, именно они содержат наномасштабные биомашины, выполняющие такие задачи, как манипуляции с генетическим материалом и энергообеспечение. Но только сейчас возникли возможности реального использования этих особенностей.

С использованием нанотехнологий человек подошел к таким рубежам познания материи, которые позволят ему в ближайшее время изменять свойства материи в соответствии с нуждами потребителя. Речь идет о вмешательстве в строение материи на молекулярном и атомарном уровнях. Возможности нанотехнологии такие огромные, что они вдохновляют инженеров и ученых на подвиги, сближают людей в достижении реальной власти над природой и инженерная деятельность наполняется новым содержанием.

Целью настоящей лекции является рассмотрение сущности нанотехнологий, ее зарождения, развития основных направлений и дальнейших перспектив.

1. Сущность нанотехнологий и основные направления развития.

2. Настоящее нанотехнологий и перспективы развития.

История нанотехнологий не имеет, на наш взгляд, четкого временного значения. Она достаточно старая, и в то же время молодая.

400 лет до н. э. грек Демокрит вводит термин «атом» (неделимый), и это уже начало «наномира». Впервые же промышленность воспользовалась преимуществами нанотехнологии в 1902 г., когда для вулканизации были использованы мелкие частички (размером в несколько нанометров) сажи с чрезвычайно развитой поверхностью. Интересен и такой факт. В области нанотехнологий успели отметиться едва не все выдающиеся ученые XX века. К примеру, Альберту Эйнштейну в докторской диссертации впервые удалось обсчитать размеры характерной представительницы наномира – молекулы сахара. Тогда выяснилось, что ее диаметр составляет приблизительно один нанометр, то бишь миллиардную частицу метра, или одну миллионную булавочной головки, или одну тысячную длины бактерии…

Значительный вклад сделал Эрнст Резерфорд, который еще в 1912 г. в серии тонких опытов доказал, что атом похож на солнечную систему, в центре которой массивное ядро, а вокруг него вращаются легкие электроны. Так появилась планетарная модель атома, а уже в 1918 году Владимир Иванович Вернадский высказывал мнение о неисчерпаемых возможностях атомных технологий.

Для понятия нанотехнология, пожалуй, не существует исчерпывающего определения, но по аналогии с существующими ныне микротехнологиями следует, что нанотехнологии – это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Поэтому переход от «микро» к «нано» – это качественный переход от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами.

Нам знакомы такие понятия, как микроколичество (масса веществ, измеряемая микрограммами), микроанализ (анализ микроколичеств), микроэлектроника (упрощенно: электронные устройства с наименьшим размером отдельных деталей в микрометры или доли микрометров). Приставка «микро-» в числах означает миллионную долю.

Аналогичных терминов с приставкой «нано-» (миллиардная доля) нет, приставка чаще всего употребляется в числах. Однако если вспомнить, что размер отдельных несложных молекул определяется нанометрами, можно понять, какие объекты интересуют нанотехнологию.

Нанотехнология пересекается с различными научными и инженерными дисциплинами, единое ее определение дать трудно, и под ней понимают близкие, но все же отличающиеся области. Вот лишь некоторые определения:

– миниатюризация технологии: проектирование и изготовление разумных миниатюрных машин, запрограммированных на выполнение определенных задач;

– искусство манипулирования материалами в атомном и молекулярном масштабах, особенно для создания микроскопических устройств (роботов);

– способность производить объекты и структуры буквально атом за атомом, подобно процессам в клетках живых организмов.

Можно сказать, что когда речь идет о развитии нанотехнологий, имеются в виду три направления:

· изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов;

· разработка и изготовление наномашин;

· манипуляция отдельными атомами и молекулами и сборка из них макрообъектов.

Основные положения нового направления НТР были намечены в хрестоматийной речи отца нанотехнологий Ричарда Феймана There’s Plenty of Room at the Bottom («Там внизу – море места»), произнесенной им в Калифорнийском технологическом институте (Caltech) еще в 1959 году. Тогда его слова казались фантастикой только лишь по одной причине: еще не существовало технологии, позволяющей оперировать отдельными атомами на атомарном же уровне (подразумевается возможность опознать отдельный атом, взять его и поставить на другое место). Такая возможность появилась лишь в 1981 году, когда в швейцарском отделении IBM инженерами был разработан сканирующий туннельный микроскоп – прибор, чувствительный к изменениям туннельного тока между поверхностью материала и сверхтонкой иглой.

Р. Фейнман высказал мысль, что «принципы физики, насколько я понимаю, не говорят о невозможности создавать вещи атом за атомом».

В 1981 г. в США была опубликована статья К. Э. Дрекслера, содержащая основы новой науки, в 1986 г. – его книга «Средства созидания. Грядущая эра нанотехнологии», ставшая первым пособием по этому направлению.

К. Э. Дрекслер ввел новые понятия, которые стали широко использоваться. В его понимании молекулярная технология – создание функциональных структур и устройств путем их сборки атом за атомом или молекула за молекулой с помощью программированных роботов (ассемблеры), способных к самовоспроизведению (репликация). По расчетам, ассемблер, снабженный молекулярным компьютером, может иметь массу не более 109 а. е. м. Сборка происходит в соответствии с законами химии, но эти законы в условиях «позиционного» синтеза (когда атом или молекула доставляется в нужное место) действуют иначе, чем при проведении химических реакций, а преодоление активационных барьеров – небывалое дело! – может происходить за счет механической энергии.

Работы Эрика Дрекслера – пионера молекулярной нанотехнологии – носят в основном научно-популярный характер, но при этом глубоко отражают все технические проблемы, которые сейчас стоят перед нанотехнологией. Безусловно, чтение этих работ необходимо для ясного понимания того, что могут делать наномашины, как они будут работать и как их построить. Что касается классификации нанотехнологии, то пока единства мнений нет.

Встречается классификация нанотехнологии с выделением трех направлений: «мокрого», «сухого» и компьютерного.

Под «мокрой» нанотехнологией понимают изучение биологических систем, которые существуют предпочтительно в водной среде и включают генетический материал, мембраны, ферменты (биокатализаторы) и другие компоненты клеток. Такие структуры нанометрового размера, как известно, возникли и развиваются в результате эволюции организмов.

«Сухая» нанотехнология берет начало от физической химии и науки о поверхностных явлениях, сосредоточена на получении структур из углерода (например, нанотрубки), кремния, различных металлов и вообще из неорганических материалов. Конечная ее цель – создание функциональных устройств, обладающих такой же способностью к самосборке, как и «мокрые» структуры, но без опоры на эволюцию.

Компьютерная нанотехнология позволяет моделировать сложные молекулы и системы, вычислять их относительную устойчивость и предсказывать поведение. Для формирования аналогов созданного природой за сотни миллионов лет требуется немалое время. Моделирование и расчеты позволяют резко – до нескольких десятилетий – сократить этот период.

Многие специалисты под нанотехнологией понимают получение и использование материалов, частицы или слои которых измеряются несколькими нанометрами или десятками нанометров. При этом широко применяют такие термины, как наноматериалы, нанокристаллы, нанокомпозиты.

В этой связи можно разделить нанотехнологию на два направления – технологию наноматериалов и молекулярную нанотехнологию – и коротко рассмотреть их по отдельности.

Большое значение для развития нанотехнологии имели некоторые открытия XX века, которые стали как бы методологией проблемы, теорией и практикой.

1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.

1968 год. Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей.

1974 год. Японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот слово «нанотехнологии», которым предложил называть механизмы размером менее одного микрона. Греческое слово «нанос» означает примерно «старичок».

1981 год. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали микроскоп, способный показывать отдельные атомы.

1985 год. Американские физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смейли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы диаметром в один нанометр.

1986 год. Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрик Дрекслер опубликовал книгу, в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться.

1989 год. Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.

1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.

1999 год. Американские физики Джеймс Тур и Марк Рид определили, что отдельная молекула способна вести себя также, как молекулярные цепочки.

2000 год. Администрация США поддержала создание Национальной Инициативы в Области Нанотехнологии / National Nanotechnology Initiative. Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено 500 млн. долларов. В 2002 сумма ассигнований была увеличена до 604 млн. долларов. На 2003 год «Инициатива» уже запрашивала 710 млн. долларов.

Это далеко не полный перечень изобретений, открытий. Все более и более увеличивается их количество.

Авторитетный сетевой журнал для инвесторов в сфере высоких технологий RedHerring.com опубликовал рейтинг десяти самых выдающихся изобретений в секторе IT за 2002 г.

На восьмой позиции в этом престижном списке – генеральный директор Нижегородской лаборатории .linksarray[0]. Олег Суитин. Он признан автором уникальных изобретений в сфере нанотехнологий – революционных разработок, которые позволят осуществлять вычисления на атомарном уровне с колоссальной производительностью, в сотни раз превышающей возможности самых современных процессоров, выполненных на кремниевой основе.

Все составляющие нанокомпьютера и, прежде всего, устройства ввода-вывода и обработки информации представляют собой молекулы ДНК. Работа на молекулярном уровне позволяет нанокомпьютерам ставить рекорды в сфере миниатюризации ЭВМ: триллионы компьютеров, вычислительная способность которых по сегодняшним меркам кажется фантастической, будут умещаться в простой лабораторной пробирке. Плотность размещения данных в таких машинах примерно в 100000 раз выше, чем на обычном жестком диске.

С помощью нанотехнологий, как полагают ученые, удастся решить такие проблемы, как синтез веществ на молекулярном уровне, когда станет возможным производство любых предметов путем сбора их по отдельным атомам. Именно так, по мнению футурологов, жителям Земли удастся решить проблему голода – еда будет просто синтезироваться из любого соответствующего сырья.

Большое значение развитие нанотехнологий будет иметь для так называемых малобюджетных стран, в том числе России, Украины, тем более, что здесь есть существенное отставание, например, в микроэлектронике, и поэтому в экономическом плане переход к наноэлектронике в тысячи раз снижает затраты на создание и промышленное освоение современного производства наноэлементов по сравнению с созданием промышленного комплекса микроэлектроники. Новые научные решения позволяют совершить качественный скачок и преодолеть ряд технологических барьеров, свойственных микроэлектронике.

По оценкам ученых, экономистов, строительство современного завода по производству элементной базы микроэлектроники на основе сверхчистого кремния с разрешением в активной зоне порядка 0,1 микрометра будет стоит государству около 100 млрд долларов. Переход к гетероструктурам на основе соединений A₃B₅, созданным с использованием технологий наноэлектроники с той же производственной мощностью, потребует затрат порядка 200–300 млн. долларов. Это оставляет шанс таким странам, как Украина и Россия, не только догнать по уровню технологической оснащенности мировые державы, но и выйти по некоторым позициям в мировые лидеры.

Кроме того, от нанотехнологий ждут решения проблемы человеческого бессмертия, которое будет достигнуто за счет внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестройки и «облагораживания» тканей человеческого организма.

Нанороботы будут запущены в атмосферу и полностью ликвидируют вредное влияние жизнедеятельности человека на окружающую среду. Любые выбросы будут расщепляться на атомарном уровне и трансформироваться в естественные природные вещества. Эти же роботы смогут, например, сделать пригодной для обитания Луну и другие небесные тела. На них будут созданы вода, земная атмосфера и привычная землянам среда.

Эдвард Теллер, один из создателей термоядерной бомбы, заметил: «Тот, кто раньше овладеет нанотехнологией, займет ведущее место в техносфере следующего столетия» (имеется в виду ХХІ столетие). Высказывание, безусловно, верное, но нанотехнология не должна становиться предметом соперничества. Она обладает столь мощным потенциалом, что нужно вести разработки в этой области полностью открыто, с тщательным контролем, исключающим создание оружия.

Эрик Дрекслер пишет: «Но мощь новых технологий можно обратить и на создание военной силы. Перспектива создания новых вооружений и их быстрого производства является причиной для серьезного беспокойства. Это ведет к идее установления тщательного контроля даже для тех из нас, кто является убежденным сторонником свободного развития технологии».

На данный момент возможно наметить следующие перспективы нанотехнологий:

1. Медицина. Создание молекулярных роботов-врачей, которые «жили» бы внутри человеческого организма, устраняя или предотвращая все возникающие повреждения, включая генетические. Срок реализации: первая половина XXI века.

2. Геронтология. Достижение личного бессмертия людей за счет внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестройки и улучшения тканей человеческого организма. Оживление и излечение тех безнадежно больных людей, которые были заморожены в настоящее время методами крионики. Срок реализации: третья – четвертая четверти XXI века.

3. Промышленность. Замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул. Срок реализации: начало XXI века.

4. Сельское хозяйство. Замена природных производителей пищи (растений и животных) аналогичными функциональными комплексами из молекулярных роботов. Они будут воспроизводить те же химические процессы, что происходят в живом организме, однако более коротким и эффективным путем. Например, из цепочки «почва – углекислый газ – фотосинтез – трава – корова – молока» будут удалены все лишние звенья. Останется «почва – углекислый газ – молоко (творог, масло, мясо)». Такое «сельское хозяйство» не будет зависеть от погодных условий и не будет нуждаться в тяжелом физическом труде. А производительности его хватит, чтобы решить продовольственную проблему раз и навсегда. Срок реализации: вторая – четвертая четверть XXI века.

5. Биология. Станет возможным внедрение наноэлементов в живой организм на уровне атомов. Последствия могут быть самыми различными – от «восстановления» вымерших видов до создания новых типов живых существ, биороботов.

6. Экология. Полное устранение вредного влияния деятельности человека на окружающую среду. Во-первых, за счет насыщения экосферы молекулярными роботами-санитарами, превращающими отходы деятельности человека в исходное сырье, а во-вторых, за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы. Срок реализации: середина XXI века.

7. Освоение космоса. По-видимому, освоению космоса «обычным» порядком будет предшествовать освоение его нанороботами. Огромная армия роботов-молекул будет выпущена в околоземное космическое пространство и подготовит его для заселения человеком – сделает пригодными для обитания Луну, астероиды, ближайшие планеты, соорудит из «подручных материалов» (метеоритов, комет) космические станции. Это будет намного дешевле и безопаснее существующих ныне методов.

8. Кибернетика. Произойдет переход от ныне существующих планарных структур к объемным микросхемам, размеры активных элементов уменьшаться до размеров молекул. Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцовых величин. Получат распространение схемные решения на нейроноподобных элементах. Появится быстродействующая долговременная память на белковых молекулах, емкость которой будет измеряться терабайтами. Станет возможным «переселение» человеческого интеллекта в компьютер. Срок реализации: первая – вторая четверть XXI века.

9. Разумная среда обитания. За счет внедрения логических наноэлементов во все атрибуты окружающей среды она станет «разумной» и исключительно комфортной для человека. Срок реализации: после XXI века.

Посмотрим критически на перечисленные выше перспективы.

· Производство объектов. Необходима согласованная работа гигантского количества наномашин. Этой совокупности машин каким-то образом должен передаваться огромный объем информации. Вероятно, что существование такой легко управляемой и надежной системы невозможно. Кроме того, как сделать, чтобы в отходах производства (неиспользованных элементах мусора и самоликвидировавшейся системе наномашин) не содержалось высокотоксичных радикалов? И, наконец, главный вопрос: не будут ли произведенные таким способом объекты ненастоящими, «бездушными» и негодными к употреблению в связи с тем, что микромир при низких энергиях (которым живут обычные вещи) не «заканчивается» на атомах, как мы сейчас полагаем?

· Медицина. Внедрение наномашин в живой организм – эту сложнейшую систему – может привести к возникновению ряда новых болезней и появлению страшных вирусов. С другой стороны, излечение всех болезней, продление жизни и оживление людей из криоанабиоза усиливает проблему перенаселения Земли и увеличивает конфликт «отцов и детей».

· Экология. Возможны непредвиденные нарушения в экосистемах.

· «Облагораживание среды». Разумная среда должна обладать крайне высокими «интеллектуальными способностями». Почему она должна служить человеку, а не развиваться самостоятельно и непредсказуемо, возможно во вред ему?

Наряду с указанными выше проблемами возникают следующие четыре группы проблем:

1. Применение молекулярной нанотехнологии в военных целях.

2. «Поломка» наносистем или даже выход их из-под контроля.

3. Проблемы, связанные с этификацией (облагораживанием) окружающей среды.

4. Проблемы бессмертия человека.

Следует заметить, что уже с 1994 года практически начинается применение нанотехнологических методов в промышленности.

Многие из перспективных направлений в материаловедении, нанотехнологии, наноэлектронике, прикладной химии связываются в последнее время с фуллеренами, нанотрубками и другими похожими структурами, которые можно назвать общим термином углеродные каркасные структуры. Что же это такое?

Углеродные каркасные структуры – это большие (а иногда и гигантские!) молекулы, состоящие исключительно из атомов углерода. Можно даже говорить, что углеродные каркасные структуры – это новая аллотропная форма углерода (в дополнение к давно известным: алмазу и графиту). Главная особенность этих молекул – это их каркасная форма: они выглядят как замкнутые, полые внутри «оболочки». Самая знаменитая из углеродных каркасных структур – это фуллерен С₆₀, абсолютно неожиданное открытие которого в 1985 году вызвало целый бум исследований в этой области (Нобелевская премия по химии за 1996 год была присуждена именно первооткрывателям фуллеренов Роберту Керлу, Гарольду Крото и Ричарду Смалли). В конце 80-х, начале 90-х годов, после того как была разработана методика получения фуллеренов в макроскопических количествах, было обнаружено множество других, как более легких, так и более тяжелых фуллеренов: начиная от С₂₀ (минимально возможного из фуллеренов) и до С₇₀, С₈₂, С₉₆ и выше.

Однако разнообразие углеродных каркасных структур на этом не заканчивается. В 1991 году, опять-таки совершенно неожиданно, были обнаружены длинные, цилиндрические углеродные образования, получившие названия нанотрубок. Визуально структуру таких нанотрубок можно представить себе так: берем графитовую плоскость, вырезаем из нее полоску и «склеиваем» ее в цилиндр (предостережение: такое сворачивание графитовой плоскости – это лишь способ представить себе структуру нанотрубки; реально нанотрубки растут совсем по-другому). Казалось бы, что проще – берешь графитовую плоскость и сворачиваешь в цилиндр! – однако до экспериментального открытия нанотрубок никто из теоретиков их не предсказывал! Так что ученым оставалось только изучать их – и удивляться!

А удивительного было много. Во-первых, разнообразие форм: нанотрубки могли быть большие и маленькие, однослойные и многослойные, прямые и спиральные. Во-вторых, несмотря на кажущуюся хрупкость и даже ажурность, нанотрубки оказались на редкость прочным материалом, как на растяжение, так и на изгиб. Более того, под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки также ведут себя экстравагантно: они не «рвутся» и не «ломаются», а просто-напросто перестраиваются! Далее, нанотрубки демонстрируют целый спектр самых неожиданных электрических, магнитных, оптических свойств. Например, в зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости, нанотрубки могут быть и проводниками, и полупроводниками! Может ли какой-либо иной материал с таким простым химическим составом похвастаться хотя бы частью тех свойств, которыми обладают нанотрубки?!