Jebkāda veida cilvēka darbība ir apaugusi ar mītiem. Nanotehnoloģija, mūsu laika galvenais zinātniskais un tehnoloģiskais projekts, nav izņēmums. Turklāt šeit mītu veidošana skar pašu būtību. Lielākā daļa cilvēku, pat tie, kas pieder zinātnes aprindām, ir pārliecināti, ka nanotehnoloģija, pirmkārt, ir manipulēšana ar atomiem un objektu celtniecība, saliekot tos no atomiem. Šis ir galvenais mīts.
Zinātniskajiem mītiem ir divējāds raksturs. Dažus no tiem rada mūsu nepilnīgas zināšanas par dabu vai informācijas trūkums. Citi ir radīti apzināti ar noteiktu mērķi. Nanotehnoloģijas gadījumā mums ir otrā iespēja. Pateicoties šim mītam un no tā izrietošajām sekām, bija iespējams piesaistīt pie varas esošo cilvēku uzmanību un dramatiski paātrināt Nanotehnoloģiju projekta uzsākšanu ar autokatalītisku ieguldījumu apjoma pieaugumu. Pēc būtības tā bija nedaudz krāpšanās, diezgan pieņemama ar spēles noteikumiem augstākajā līmenī. Mīts guva labvēlīgo lomu kā procesa iniciators un tika laimīgi aizmirsts, kad nonāca pie pašas tehnoloģijas.
Bet mītiem ir pārsteidzošs īpašums: piedzimstot viņi sāk dzīvot paši savu dzīvi, vienlaikus demonstrējot pārsteidzošu vitalitāti un ilgmūžību. Viņi ir tik stingri iesakņojušies cilvēku prātos, ka ietekmē realitātes uztveri. Reāli nanotehnoloģiskie procesi, gan ārvalstu, gan Rusnano projekti, būtībā ir pretrunā ar mītu, kas viņu galvās rada neskaidrības (vairums cilvēku joprojām nesaprot, kas ir nanotehnoloģijas), noraidīšana (tās nav īstas nanotehnoloģijas!) Un pat nanotehnoloģiju noliegšana kā.
Papildus galvenajam mītam, nanotehnoloģiju vēsture mums atklāj vairākus pievienotos mītus, kas satrauc dažādas iedzīvotāju grupas, dažās rada nepamatotas cerības, bet citās - paniku.
Dibinātāja tēvs
Nekaitīgākais no mītu virknes ir kvantu lauka teorijas un daļiņu fizikas speciālista Ričarda Feinmana norādījums par nanotehnoloģiju dibinātāju. Šis mīts radās 1992. gadā, kad nanotehnoloģiju pravietis Ēriks Drekslers uzrunāja Senāta komisiju tiesas sēdē par tematu "Jaunas tehnoloģijas ilgtspējīgai attīstībai". Lai izsekotu viņa izgudroto nanotehnoloģisko projektu, Drekslers atsaucās uz Nobela prēmijas laureāta fizikā paziņojumu, kas senatoru acīs ir nesatricināms.
Diemžēl Feinmans nomira 1988. gadā, tāpēc nevarēja ne apstiprināt, ne noliegt šo paziņojumu. Bet, ja viņš to dzirdētu, tad, visticamāk, viņš priecīgi smieties. Viņš bija ne tikai izcils fiziķis, bet arī slavens jokotājs. Nav brīnums, ka viņa autobiogrāfiskajai grāmatai bija nosaukums: "Protams, jūs pajokojat, Feinmaņa kungs!" Attiecīgi tika pieņemta Feynmana svinētā runa Amerikas Fizikas biedrības jaungada vakara vakariņās Kalifornijas Tehnoloģiju institūtā. Pēc viena no šīs sanāksmes dalībnieku, amerikāņu fiziķa Pola Šlicta, atmiņām: “Skatītāju reakciju kopumā var saukt par jautru. Lielākā daļa domāja, ka runātājs spēlē muļķi."
Reklāmas video:
Bet vārdi: "Mēs zināmie fizikas principi neaizliedz radīt objektus" atoms pēc atoma ". Atomu manipulācijas ir diezgan reālas un nepārkāpj nevienu dabas likumu,”viņi teica, ka tas ir fakts. Pārējais bija spekulācijas par miniaturizāciju apvienojumā ar futuroloģiskām prognozēm. Ceturtdaļu gadsimta vēlāk dažas Feynman idejas “radoši” izstrādāja Ēriks Drekslers, un tās izraisīja galvenos mītus par nanotehnoloģijām. Turklāt mēs bieži atgriezīsimies pie šīs runas, lai atcerētos to, ko patiesībā teica Feynman, un tajā pašā laikā baudītu izcilā zinātnieka formulējumu skaidrību un tēlainību.
Bezmiegu tehnoloģiju mīts
Kad mēs izveidojam objekta atomu pēc atoma, mēs acīmredzami pielietojam bezatkritumu tehnoloģiju. Vārds "acīmredzami" šeit tiek izmantots vispirmākajā nozīmē - kad cilvēki, galvenokārt ierēdņi, skatās attēlus, kas attēlo manipulācijas ar atomiem, viņi neredz atkritumus, smēķēšanas caurules, kas piesārņo atmosfēru, un rūpnieciskos notekūdeņus, kas piesārņo ūdenstilpes. … Pēc noklusējuma ir skaidrs, ka gandrīz bezsvara atoma vilkšanai dažu nanometru attālumā viens no otra prasa nelielu enerģijas daudzumu. Kopumā ideāla tehnoloģija "ilgtspējīgai attīstībai" - jēdziens, kas bija ārkārtīgi populārs pagājušā gadsimta 90. gados.
Jautājums par to, no kurienes nāk montāžas atomi, ir gandrīz nepieklājīgs. Protams, no noliktavas, no kurienes tos, iespējams, piegādā videi draudzīgi elektromobiļi. Lielākajai daļai iedzīvotāju ir maz ideju, no kurienes tas nāk. Piemēram, materiāli, no kuriem tiek izgatavoti dažādi rūpniecības produkti, kurus mēs patērējam arvien lielākā daudzumā. Šo produktu saistība ar ķīmisko rūpniecību nav redzama. Ķīmija kā zinātne ir garlaicīga un nav ļoti nepieciešama, un ķīmiskā rūpniecība, kas noteikti ir kaitīga videi, ir jāslēdz.
Cita starpā ķīmiskā rūpniecība, pēc vairākuma domām, ir plēsonīga dabas resursu izšķērdēšana, kuras procesos izmanto naftu, gāzi, rūdas un minerālus. Un jaunajai tehnoloģijai, kā iedomājas tās piekritēji, nepieciešami tikai atomi: šajā noliktavas sadaļā mēs glabājam zelta atomus, nākamajā - dzelzs atomus, pēc tam nātrija atomus, hlora atomus … Kopumā visu Mendeļejeva periodisko tabulu. Mēs esam spiesti vilties šīs idilliskās bildes autoriem: paši atomi, izņemot inerto gāzu atomus, pastāv tikai vakuumā. Visos citos apstākļos tie mijiedarbojas ar sava veida vai citiem atomiem, ķīmiskajā mijiedarbībā ar ķīmisko savienojumu veidošanos. Tāda ir lietu būtība, un neko nevar darīt.
Jebkurai tehnoloģijai nepieciešami daži pielāgojumi, ražošanas veidi, kas arī novērš apologu uzmanību objektu salikšanai no atomiem. Tomēr dažreiz gluži pretēji, viņi piesaista viņu uzmanību un satricina tos kodolā. Tuneļu un spēka mikroskopi patiešām ir skaistas ierīces, kas ir uzskatāmi pierādījumi par cilvēka prāta spēku. Un vispār laboratorijas, kurās manipulācija ar atomiem ir nākotnes tehnoloģiju attēls Alvina Toflera "Trešā viļņa" garā: tā saucamās tīras telpas ar gaisa kondicionēšanu un īpašu gaisa attīrīšanu, ierīces, kas izslēdz vismazāko vibrāciju, operators īpašās drēbēs ar universitātes grādu kabatā.
Vai to visu savāks arī no atomiem bez atkritumiem? Ieskaitot pamatus, sienas un jumtus? Mēs uzskatām, ka pat visdedzīgākie šīs tehnoloģijas piekritēji neuzdrošināsies atbildēt uz šo jautājumu apstiprinoši.
Cilvēce kādreiz radīs videi draudzīgas tehnoloģijas, kas neizmanto atkritumus, taču to pamatā būs atšķirīgi principi vai principiāli atšķirīga tehnika.
Nanomateriāla mīts
Faktiski sākotnēji tas bija par atšķirīgu paņēmienu. Ideja, ka nanodaļu mērogā ir nepieciešams atbilstoša izmēra manipulators, ir acīmredzama. Šādi Ričards Feinmans redzēja šīs idejas īstenošanu:
“Pieņemsim, ka es sastādīju desmit manipulatora ieroču komplektu, četras reizes samazināja to un ar vadiem savienoja ar oriģinālajām vadības svirām, lai šīs rokas vienlaikus un precīzi sekotu manām kustībām. Tad es no jauna izgatavošu desmit ceturtdaļas izmēra ieroču komplektu. Protams, pirmie desmit manipulatori radīs 10x10 = 100 manipulatorus, taču tos samazina ar koeficientu 16 …
Nekas neliedz mums turpināt šo procesu un radīt tik daudz mazu mašīnu, cik vēlamies, jo šai ražošanai nav ierobežojumu attiecībā uz mašīnu izvietojumu un to materiālu patēriņu … Ir skaidrs, ka tas nekavējoties novērš materiālu izmaksu problēmu. Principā mēs varētu organizēt miljoniem identisku miniatūru rūpnīcu, kur sīkas mašīnas nepārtraukti urbtu caurumus, apzīmogotu detaļas utt."
Šī pieeja ir miniatūru ierīču izveides idejas tieša īstenošana. Tas, kaut arī ar daudziem ierobežojumiem, darbojas mikrolīmenī, par ko liecina tā saucamās mikroelektromehāniskās ierīces. Tos izmanto sistēmās gaisa spilvenu izvietošanai automašīnās negadījumu gadījumā, lāzera un tintes printeros, spiediena sensoros, sadzīves gaisa kondicionieros un degvielas līmeņa indikatoros gāzes tvertnē, elektrokardiostimulatoros un spēļu konsolēs. Aplūkojot tos mikroskopā, mēs redzēsim mums pazīstamos pārnesumus un vārpstas, cilindrus un virzuļus, atsperes un vārstus, spoguļus un mikroshēmas.
Bet nanoobjektiem ir īpašības, kas atšķiras no makro- un mikroobjektiem. Ja mēs atrodam veidu, kā proporcionāli samazināt tranzistoru izmēru no pašreizējiem 45-65 nm līdz 10 nm, tad tie vienkārši nedarbosies, jo elektroni sāks tunelēt caur izolatora slāni. Un savienojošie vadi kļūs plānāki atomu ķēdei, kas strāvu vadīs atšķirīgi no masīvajiem paraugiem, un termiskās kustības dēļ sāks izklīst uz sāniem vai, tieši otrādi, sakrājas kaudzē, aizmirstot par uzdevumu uzturēt elektrisko kontaktu.
Tas pats attiecas uz mehāniskām īpašībām. Samazinoties izmēram, palielinās virsmas laukuma un tilpuma attiecība, un jo lielāka virsma, jo lielāka berze. Nano-objekti burtiski pielīp pie citiem nano-priekšmetiem vai virsmām, kuras viņiem sava mazuma dēļ šķiet gludas. Šī ir noderīga iezīme gekonam, kas viegli staigā pa vertikālu sienu, bet ir ārkārtīgi kaitīgs jebkurai ierīcei, kurai jābrauc vai jāpārvietojas uz horizontālas virsmas. Lai to vienkārši pārvietotu no vietas, jums būs jāpavada nesamērīgs enerģijas daudzums.
No otras puses, inerce ir maza, kustība ātri apstājas. Nano-svārsta pagatavošana nav sarežģīta - dažu nanometru diametrā zelta daļiņu piestiprina oglekļa nanocaurulītei ar diametru 1 nm un garumu 100 nm un pakārt to no silīcija plāksnes. Bet šī svārs, ja jūs to pacelsit gaisā, gandrīz nekavējoties apstāsies, jo pat gaiss tam ir būtisks šķērslis.
Nanoobjektiem, kā viņi saka, ir liela uzbūve, un parasti ir viegli tos maldināt. Daudzi, iespējams, novēroja Brauna kustību mikroskopā - nejaušas mazu cietas daļiņas izmešanu ūdenī. Alberts Einšteins jau 1905. gadā izskaidroja šīs parādības iemeslu: ūdens molekulas, kas atrodas pastāvīgā termiskā kustībā, skar daļiņas virsmu, un nekompensētais triecienu spēks no dažādām pusēm noved pie tā, ka daļiņa iegūst impulsu vienā vai otrā virzienā. Ja daļiņa ar izmēru 1 μm uztver mazu molekulu trieciena spēku un maina kustības virzienu, tad ko mēs varam teikt par daļiņu ar 10 nm, kas sver miljons reizes mazāk un kurai svara un virsmas laukuma attiecība ir 100 reizes mazāka.
Neskatoties uz to, zinātniskajā un populārzinātniskajā literatūrā, īpaši plašsaziņas līdzekļu publikācijās, pastāvīgi tiek atrasti dažādu mehānisko detaļu, zobratu, uzgriežņu atslēgu, riteņu, asu un pat pārnesumkārbu nanokopiju apraksti. Tiek pieņemts, ka tos izmantos, lai izveidotu nanomašīnu un citu ierīču darba modeļus. Nelietojiet šos darbus ar nepamatotu nopietnību, nosodot, brīnīdamies vai apbrīnojot. "Es esmu personīgi pārliecināts, ka mēs, fiziķi, šādas problēmas varētu atrisināt tikai izklaides vai prieka pēc," sacīja Ričards Feinmans. Fiziķi joks …
Patiesībā viņi pilnībā apzinās faktu, ka, lai izveidotu nanomehāniskas vai nanoelektromehāniskas ierīces, ir jāizmanto dizaina pieejas, kas atšķiras no makro- un mikroanalogiem. Un šeit, sākumam, jums pat nekas nav jāizgudro, jo miljardu evolūcijas gadu laikā daba ir izveidojusi tik daudz dažādu molekulāro mašīnu, ka desmit gadu nepietiks, lai mēs visi saprastu, kopētu, pielāgotu savām vajadzībām un mēģinātu kaut ko uzlabot.
Slavenākais dabiskā molekulārā motora piemērs ir tā sauktais baktēriju flagellar motors. Citas bioloģiskās mašīnas nodrošina muskuļu kontrakcijas, sirdsdarbību, barības vielu transportēšanu un jonu transportēšanu pa šūnu membrānu. To molekulāro mašīnu efektivitāte, kas ķīmisko enerģiju pārvērš mehāniskā darbā, daudzos gadījumos ir tuvu 100%. Tajā pašā laikā tie ir ārkārtīgi ekonomiski, piemēram, mazāk nekā 1% no šūnas enerģijas resursiem tiek tērēti elektromotoru darbībai, kas nodrošina baktēriju pārvietošanos.
Man šķiet, ka aprakstītā biomimētiskā (no latīņu valodas vārdiem “bios” - dzīve un “mimetis” - imitācija) pieeja ir visreālākais nanomehānisko ierīču radīšanas veids un viena no tām jomām, kur fiziķu un biologu sadarbība nanotehnoloģiju jomā var dot taustāmus rezultātus.
Nanorobotu mīts
Pieņemsim, ka mēs esam izveidojuši nanoierīces skici uz papīra vai datora ekrāna. Kā to savākt, vēlams, nevis vienā eksemplārā? Pēc Feynman jūs varat izveidot "sīkas mašīnas, kas nepārtraukti urbtu caurumus, apzīmogotu detaļas utt." un miniatūras manipulatori gatavā produkta salikšanai. Šie manipulatori ir jākontrolē personai, tas ir, viņiem ir jābūt sava veida makroskopiskām iekārtām vai vismaz jādarbojas saskaņā ar kādas personas dotu programmu. Turklāt ir nepieciešams kaut kā novērot visu procesu, piemēram, izmantojot elektronu mikroskopu, kuram ir arī makro izmēri.
Alternatīvu ideju 1986. gadā izvirzīja amerikāņu inženieris Ēriks Drekslers futūroloģiskajā bestsellerā "Radīšanas mašīnas". Pieaudzis, tāpat kā visi viņa paaudzes cilvēki, par Īzaka Asimova grāmatām, viņš ierosināja nanoierīču ražošanā izmantot atbilstoša (100-200 nm) izmēra mehāniskās mašīnas - nanorobotus. Tas vairs nebija jautājums par urbšanu un štancēšanu, šiem robotiem bija jāsamontē ierīce tieši no atomiem, tāpēc tos sauca par montētājiem - montētājiem. Bet pieeja palika tīri mehāniska: montētājs bija aprīkots ar vairāku desmitu nanometru gariem manipulatoriem, motoru manipulatoru pārvietošanai un pašu robotu, ieskaitot iepriekš minētās pārnesumkārbas un transmisijas, kā arī autonomu enerģijas avotu. Izrādījās, ka nanorobotam vajadzētu sastāvēt no vairākiem desmitiem tūkstošu detaļu,un katru detaļu veido viens vai divi simti atomu.
Atomu un molekulu vizualizācijas problēma kaut kā nemanāmi pazuda, likās pilnīgi dabiski, ka nanorobots, kas darbojas ar līdzīga lieluma objektiem, tos “redz”, jo cilvēks redz naglu un āmuru, ar kuru viņš šo naglu iesit sienā.
Vissvarīgākā nanorobota vienība, protams, bija borta dators, kas kontrolēja visu mehānismu darbību, noteica, kuru atomu vai kuru molekulu vajadzētu uztvert manipulatoram un kur tos ievietot nākotnes ierīcē. Šī datora lineārajiem izmēriem nevajadzēja pārsniegt 40-50 nm - tas ir precīzi viena tranzistora izmērs, ko panāca mūsu laika rūpnieciskā tehnoloģija, 25 gadus pēc tam, kad Drekslers uzrakstīja savu grāmatu "Creation Machines".
Bet Drekslers arī adresēja savu grāmatu nākotnei, tālajai nākotnei. Šīs rakstīšanas laikā zinātnieki vēl nav apstiprinājuši pat pamata iespēju manipulēt ar atsevišķiem atomiem, nemaz nerunājot par vismaz dažu struktūru salikšanu no tiem. Tas notika tikai četrus gadus vēlāk. Ierīcei, kas pirmo reizi tika izmantota un tiek izmantota joprojām, - tuneļa mikroskopam - ir diezgan taustāmi izmēri, desmiti centimetri katrā dimensijā, un to kontrolē cilvēks, izmantojot jaudīgu datoru ar miljardiem tranzistoru.
Sapņu ideja par nanorobotiem, kas samontē materiālus un ierīces no atsevišķiem atomiem, bija tik skaista un pievilcīga, ka šis atklājums tikai padarīja to pārliecinošu. Mazāk nekā dažus gadus vēlāk tam ticēja Amerikas Savienoto Valstu senatori - žurnālistiem, kuri bija tālu no zinātnes, un pēc viņu ierosinājuma - sabiedrība un, diezgan pārsteidzoši, pats autors, kurš turpināja to aizstāvēt pat tad, kad viņam tika saprotami paskaidrots, ka ideja principā nav realizējama. … Ir daudz argumentu pret šādām mehāniskām ierīcēm, mēs citēsim tikai vienkāršāko, ko izvirzīja Ričards Smallijs: manipulators, kas “notvēra” atomu, ar to mūžīgi savienosies ķīmiskās mijiedarbības dēļ. Smallijs bija Nobela prēmijas laureāts ķīmijā, kā tam noteikti bija jābūt.
Bet ideja turpināja dzīvot pati savu dzīvi un ir saglabājusies līdz mūsdienām, kļūstot ievērojami sarežģītāka un papildināta ar dažādiem pielietojumiem.
Medicīnisko nanorobotu mīts
Vispopulārākais mīts ir tāds, ka ir miljoniem nanorobotu, kas riņķos caur mūsu ķermeni, diagnosticēs dažādu šūnu un audu stāvokli, ar nanoskalpeli izjauks sadalījumus, sadalīs un demontēs vēža šūnas, veidojot kaulu audus, saliekot atomus, ar nanoskopu nokasīs holesterīna plāksnes un smadzenēs selektīvi plīst sinapses, kas atbild par nepatīkamām atmiņām. Un arī ziņojiet par paveikto darbu, pārsūtot ziņojumus, piemēram: “Alekss Eustacei. Atklāti mitrālā vārsta bojājumi. Pārrāvums tika novērsts. Tieši pēdējais rada nopietnas sabiedrības bažas, jo tā ir privātas informācijas izpaušana - nanorobota ziņojumu var saņemt un atšifrēt ne tikai ārsts, bet arī nepiederoši cilvēki. Šīs bažas apstiprinaka visā pārējā gadījumā cilvēki bez nosacījumiem tic. Tāpat kā nanorobotos-spiegos, “viedajos putekļos”, kas iekļūs mūsu dzīvokļos, vērojiet mūs, noklausīsimies mūsu sarunas un atkal pārraidīsim saņemtos video un audio materiālus, izmantojot nanoraidītāju ar nanoantennu. Vai arī iznīcinošos nanobotos, kas skar cilvēkus un tehnoloģijas ar nanoskaidām, iespējams, pat kodolieročiem.
Pārsteidzošākais ir tas, ka gandrīz visu aprakstīto var izveidot (un kaut kas jau ir izveidots). Un invazīvās diagnostikas sistēmas, kas ziņo par ķermeņa stāvokli, un zāles, kas iedarbojas uz noteiktām šūnām, un sistēmas, kas attīra mūsu kuģus no aterosklerozes plāksnēm, un kaulu augšana, atmiņu izdzēšana, kā arī neredzamās tālvadības izsekošanas sistēmas un "viedie putekļi".
Tomēr visām šīm tagadnes un nākotnes sistēmām nav un nebūs nekā kopīga ar mehāniskiem nanorobotiem Drexler garā, izņemot lielumu. Tos kopīgi izveidos fiziķi, ķīmiķi un biologi, zinātnieki, kas darbojas sintētiskās zinātnes jomā, ko sauc par nanotehnoloģiju.
Mīts par vielu sintezēšanas fizisko metodi
Ričards Feinmans savā lekcijā negribot nodeva fiziķu slepeno mūžīgo sapni:
“Un visbeidzot, domājot šajā virzienā (iespēja manipulēt ar atomiem. - GE), mēs nonākam pie ķīmiskās sintēzes problēmām. Ķīmiķi pie mums, fiziķiem, nāks ar īpašiem rīkojumiem: "Klausieties, draugs, vai jūs neveidosit molekulu ar tādu un tādu atomu sadalījumu?" Paši ķīmiķi molekulu sagatavošanai izmanto sarežģītas un pat noslēpumainas operācijas un paņēmienus. Parasti, lai sintezētu paredzēto molekulu, tām diezgan ilgi jāmaisa, jāsakrata un jāapstrādā dažādas vielas. Tiklīdz fiziķi izveidos ierīci, kas spēj darboties ar atsevišķiem atomiem, visa šī darbība kļūs nevajadzīga … Ķīmiķi pasūtīs sintēzi, un fiziķi vienkārši "saliks" atomus pareizajā secībā."
Ķīmiķi nesintezē molekulu, ķīmiķi iegūst vielu. Viela, tās ražošana un pārveidošana ir ķīmijas priekšmets, kas mūsdienās ir noslēpumains fiziķiem.
Molekulā ietilpst atomu grupa, kas ir ne tikai sakārtota pareizajā secībā, bet arī savienota ar ķīmiskām saitēm. Caurspīdīgs šķidrums, kurā ir viens skābekļa atoms diviem ūdeņraža atomiem, var būt ūdens, vai arī tas var būt šķidra ūdeņraža un skābekļa maisījums (uzmanība: nejauciet mājās!).
Pieņemsim, ka mums kaut kā izdevās salikt astoņu atomu kopumu - divus oglekļa atomus un sešus ūdeņraža atomus. Fizikam šis ķekars, iespējams, būs etāna C2H6 molekula, bet ķīmiķis norādīs vēl vismaz uz divām atomu apvienošanas iespējām.
Pieņemsim, ka mēs vēlamies iegūt etānu, saliekot no atomiem. Kā es to varu izdarīt? Kā jūs sākat: pārvietojiet divus oglekļa atomus vai pievienojiet ūdeņraža atomu pie oglekļa atoma? Viltīgs jautājums, arī autoram. Problēma ir tā, ka zinātnieki līdz šim ir iemācījušies manipulēt ar atomiem, pirmkārt, ar smagiem un, otrkārt, ne pārāk reaktīviem. Diezgan sarežģītas struktūras ir samontētas no ksenona, zelta, dzelzs atomiem. Nav pilnīgi skaidrs, kā rīkoties ar vieglajiem un īpaši aktīvajiem ūdeņraža, oglekļa, slāpekļa un skābekļa atomiem. Līdz ar olbaltumvielu un nukleīnskābju atomu kompleksu, par kuru daži autori runā kā par praktiski atrisinātu lietu, būs jāgaida.
Ir vēl viens apstāklis, kas ievērojami ierobežo "fizikālās" sintēzes metodes iespējas. Kā jau minēts, ķīmiķi nevis sintezē molekulu, bet iegūst vielu. Viela sastāv no milzīga skaita molekulu. 1 ml ūdens satur ~ 3x1022 ūdens molekulas. Ņemsim pazīstamāku nanotehnoloģiju priekšmetu - zeltu. 1 cm3 zelta kubs satur ~ 6x1022 zelta atomus. Cik ilgs laiks nepieciešams šāda atoma kuba salikšanai?
Mūsdienās darbs pie atomu spēka vai tuneļa mikroskopa ir līdzīgs mākslai, un tas bez pamata prasa īpašu un ļoti labu izglītību. Manuālais darbs: piekabiniet atomu, velciet to pareizajā vietā, novērtējiet starpposma rezultātu. Aptuveni tikpat ātri kā ķieģeļu mūrēšana. Lai nebiedētu lasītāju ar neiedomājamiem skaitļiem, pieņemsim, ka mēs esam atraduši veidu, kā kaut kā mehanizēt un pastiprināt procesu un var sakraut miljonu atomu sekundē. Šajā gadījumā mēs pavadīsim divus miljardus gadu, lai saliktu 1 cm3 kubu, apmēram tikpat, cik dabai bija nepieciešams, lai izveidotu visu dzīvo pasauli un sevi kā evolūcijas vainagu ar izmēģinājumu un kļūdu palīdzību.
Tāpēc Feynman runāja par miljoniem "rūpnīcu", tomēr nenovērtējot to iespējamo produktivitāti. Tāpēc pat miljons nanorobotu, kas metas iekšā, neatrisinās problēmu, jo mums nebūs pietiekami daudz dzīves, lai gaidītu viņu darba rezultātu. Tāpēc Ričards Smallijs mudināja Ēriku Dreksleru no publiskas uzstāšanās izslēgt jebkādu “radīšanas mašīnu” pieminēšanu, lai nemaldinātu sabiedrību ar šo nezinātnisko muļķību.
Tātad, vai mēs varam izbeigt šo vielu, materiālu un ierīču iegūšanas metodi? Nē, nepavisam.
Pirmkārt, to pašu paņēmienu var izmantot, lai manipulētu ar ievērojami lielākiem celtniecības blokiem, piemēram, oglekļa nanocaurulēm, nevis atomiem. Tas novērš vieglo un reaktīvo atomu problēmu, un produktivitāte automātiski palielināsies par diviem līdz trim lielumiem. Tas, protams, joprojām ir par maz reālai tehnoloģijai, taču ar šo metodi zinātnieki laboratorijās jau ražo vienkāršāko nanoierīču atsevišķus eksemplārus.
Otrkārt, var iedomāties daudzas situācijas, kad atoma, nanodaļiņu vai pat tuneļa mikroskopa gala fiziskā iedarbība ierosina vidē pašorganizācijas, fizikālu vai ķīmisku pārvērtību procesu. Piemēram, - polimerizācijas ķēdes reakcija plānā organisko vielu plēvē, neorganiskas vielas kristāla struktūras izmaiņas vai biopolimēra konformācija noteiktā trieciena punkta tuvumā. Augstas precizitātes virsmas skenēšana un atkārtota ekspozīcija ļaus izveidot paplašinātus objektus, kuriem raksturīga regulāra nanostruktūra.
Visbeidzot, šo metodi var izmantot, lai iegūtu unikālus paraugus - veidnes turpmākai izplatīšanai ar citām metodēm. Teiksim, sešstūris, kas izgatavots no metāla atomiem vai no vienas molekulas. Bet kā reizināt vienu molekulu? Neiespējami, jūs sakāt, tā ir sava veida nezinātniska fantāzija. Kāpēc tad? Daba lieliski zina, kā izveidot vairākas, absolūti identiskas gan atsevišķu molekulu, gan veselu organismu kopijas. To parasti sauc par klonēšanu. Pat cilvēki, kas ir tālu no zinātnes, bet kuri vismaz vienu reizi ir apmeklējuši mūsdienu medicīniskās diagnostikas laboratoriju, ir dzirdējuši par polimerāzes ķēdes reakciju. Šī reakcija ļauj jums pavairot atsevišķu DNS molekulas fragmentu, kas iegūts no bioloģiskā materiāla vai mākslīgi sintezēts ar ķīmiskiem līdzekļiem. Lai to izdarītu, zinātnieki izmanto dabas radītas "molekulārās mašīnas" - olbaltumvielas un fermentus. Kāpēc mēs nevaram izgatavot līdzīgas mašīnas tādu molekulu klonēšanai, kas nav oligonukleotīdi?
Es uzdrošinos mazliet pārfrāzēt Ričardu Feinmanu: “Mums zināmie ķīmijas principi neaizliedz atsevišķu molekulu klonēšanu. Molekulu "reproducēšana" pēc parauga ir diezgan reāla un nepārkāpj nevienu dabas likumu."
Pelēkais goo mīts
Elementārs apsvērums par ārkārtīgi zemo (masas ziņā) nanorobotu produktivitāti, protams, neizturēja Ēriks Drekelers. "Radīšanas mašīnu" pasaulē bija arī citas problēmas, kuras vietas trūkuma dēļ mēs detalizēti neapspriedām. Piemēram, kvalitātes kontrole, jaunu produktu un izejvielu avotu izlaišanas apgūšana, kur un kā atomi parādās "noliktavā". Lai atrisinātu šīs problēmas, Drexler koncepcijā ieviesa vēl divus ierīču veidus.
Pirmais ir demontētāji, kolekcionāru antipodi. Jo īpaši izjaucējam ir jāizpēta jauna objekta uzbūve, pierakstot tā atomu struktūru nanodatora atmiņā. Nevis ierīce, bet ķīmiķu sapnis! Neskatoties uz visiem mūsdienu pētniecības tehnoloģiju sasniegumiem, mēs neredzam, piemēram, visus atomus, piemēram, proteīnā. Precīzi noteikt molekulas struktūru ir iespējams tikai tad, ja tā kopā ar miljoniem citu līdzīgu molekulu veido kristālu. Pēc tam, izmantojot rentgenstaru struktūras analīzes metodi, mēs varam noteikt precīzu, līdz nanometra tūkstošdaļām, visu atomu atrašanās vietu telpā. Šī ir laikietilpīga, darbietilpīga procedūra, kurai nepieciešams apjomīgs un dārgs aprīkojums.
Otrais ierīces tips ir radītājs vai kopētājs. Viņu galvenie uzdevumi ir kolekcionāru lineāra ražošana un līdzīgu replikatoru montāža, tas ir, reproducēšana. Kā iecerējuši to radītāji, replikatori ir daudz sarežģītākas ierīces nekā vienkārši montētāji; tiem jāsastāv no simtiem miljonu atomu (par diviem lielumiem mazāk nekā DNS molekulā) un attiecīgi jābūt aptuveni 1000 nm lieliem. Ja to replikācijas ilgumu mēra minūtēs, tad, reizinot eksponenciāli, dienā tiks izveidoti triljoni replikatoru, viņi ražos kvadriljonus specializētu montētāju, kuri sāks montēt makro objektus, mājas vai raķetes.
Ir viegli iedomāties situāciju, kad sistēmas funkcionēšana pāries ražošanas režīmā ražošanas, netraucētas ražošanas līdzekļu uzkrāšanas dēļ - paši nanoroboti, kad visa viņu darbība tiek samazināta līdz pašu iedzīvotāju skaita pieaugumam. Tāds ir mašīnu sacelšanās nanotehnoloģiju laikmetā. Pašu konstrukcijai nanoroboti no vides var iegūt tikai atomus, tāpēc demontētāji sāks izjaukt atomos visu, kas ietilpst viņu izturīgajos manipulatoros. Rezultātā pēc kāda laika viss jautājums un, kas mūs visvairāk kaitina, biomasa pārvērtīsies par nanorobotu kopumu “pelēkā sārmā”, kā to tēlaini sauca Ēriks Drekslers.
Katra jauna tehnoloģija rada neizbēgama pasaules gala scenārijus, pateicoties tās ieviešanai un izplatīšanai. Pelēkais goo mīts ir tikai vēsturiski pirmais šāds scenārijs, kas saistīts ar nanotehnoloģijām. Bet viņš ir ļoti tēlains, tāpēc žurnālisti un filmu veidotāji viņu tik ļoti mīl.
Par laimi šāds scenārijs nav iespējams. Ja, neraugoties uz visu iepriekš minēto, jūs joprojām ticat iespējai no atomiem salikt kaut ko būtisku, apsveriet divus apstākļus. Pirmkārt, Drexlera aprakstītajiem replikatoriem trūkst sarežģītības, lai izveidotu līdzīgas ierīces. Ar simts miljonu atomu nepietiek pat tāda datora izveidošanai, kas kontrolē montāžas procesu, pat atmiņai. Ja pieņemsim, ka tas nav sasniedzams - ka katrs atoms satur vienu informācijas bitu, tad šīs atmiņas apjoms būs 12,5 megabaiti, un tas ir par maz. Otrkārt, replicētājiem būs problēmas ar izejvielām. Elektromehānisko ierīču elementārais sastāvs būtiski atšķiras no vides objektu sastāva un, pirmkārt, no biomasas. Nepieciešamo elementu atomu atrašana, ieguve un piegāde, kuriem vajadzīgs milzīgs laika un enerģijas ieguldījums,- tas ir tas, kas noteiks reprodukcijas ātrumu. Ja jūs projicējat situāciju uz makroizmēra, tas ir tas pats, kas mašīnu salikšana no materiāliem, kas jāatrod, jāizrok un pēc tam jānogādā no dažādām Saules sistēmas planētām. Vitāli svarīgu resursu trūkums ierobežo neierobežotu jebkuras populācijas izplatību, kas ir daudz vairāk pielāgota un perfekta nekā mītiskie nanoroboti.
Secinājums
Mītu saraksts turpinās. Mīts par nanotehnoloģiju kā ekonomikas lokomotīvi ir atsevišķa raksta vērts. Iepriekš rakstā "Nanotehnoloģija kā nacionāla ideja" (sk. "Ķīmija un dzīve", 2008, N3) mēs mēģinājām kliedēt mītu, ka ASV Nacionālā nanotehnoloģiju iniciatīva ir tīri tehnoloģisks projekts.
Nanotehnoloģiju kanoniskā vēsture ir arī mīts, kura galvenais notikums ir tunelējošā elektronmikroskopa izgudrojums. Pēdējo ir viegli izskaidrot. “Vēsture ir uzvarētāju rakstīta”, un globālais projekts ar nosaukumu “Nanotehnoloģija”, kas lielā mērā nosaka mūsdienu zinātnes seju (un finansējumu), ir iespiedies fiziķos. Par ko mēs visi, pētnieki, kas strādā šajā un saistītajās jomās, izsakām savu bezgalīgo pateicību fiziķiem.
Mītiem ir bijusi pozitīva loma, tie ir izraisījuši entuziasmu un piesaistījuši politiskās un ekonomiskās elites, kā arī sabiedrības uzmanību nanotehnoloģijām. Tomēr nanotehnoloģiju praktiskās ieviešanas posmā ir laiks aizmirst par šiem mītiem un pārstāt tos atkārtot no viena raksta uz otru, no viena grāmatas uz otru. Galu galā mīti kavē attīstību, izvirza nepareizus orientierus un mērķus, rada pārpratumus un bailes. Visbeidzot, ir jāraksta jauna nanotehnoloģiju vēsture - jauna 21. gadsimta zinātne, dabaszinātņu joma, kas apvieno fiziku, ķīmiju un bioloģiju.
G. V. Erlihs, ķīmijas zinātņu doktors