МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Донбаський державний технічний університет
Кафедра АЕМС
На тему:
«Нанотехнології та нанороботи»
Алчевськ 2008
Зміст
\ T "yfyjhj; 1" Введення. 3
1. Історія розвитку нанотехнології в датах. 4
2. Нанотехнології. 9
3. Нанороботи .. 12
4. Перспективи розвитку нанороботів. 15
Висновок. 22
Посилання. 23
Введення
Нанотехнології є дуже перспективними, але поки не розвиненими у повній мірі. Нанотехнології - міждисциплінарна область фундаментальної і прикладної науки і техніки, що має справу з сукупністю теоретичного обгрунтування, практичних методів дослідження, аналізу та синтезу, а також методів виробництва і застосування продуктів із заданою атомарної структурою шляхом контрольованого маніпулювання окремими атомами й молекулами.
Нанороботи, або наноботи - роботи, створені з наноматеріалів і розміром порівнянні з молекулою, що володіють функціями руху, обробки і передачі інформації, виконання програм. Нанороботи, здатні до створення своїх копій, тобто самовідтворення, називаються реплікатора. Можливість створення нанороботів розглянув у своїй книзі «Машини створення» американський вчений Ерік Дрекслер. В даний час вже створені електромеханічні нанопристрої, обмежено здатні до пересування, які можна вважати прототипами нанороботів.
У даній науково-дослідній роботі розглядається історія виникнення нанотехнології, загальний принцип дії, а також шляхи розвитку в майбутньому.
1. Історія розвитку нанотехнології в датах
Один нанометр (від грецького «нано» - карлик) дорівнює однієї мільярдної частини метра. На цій відстані можна впритул розташувати приблизно 10 атомів. Мабуть, першим ученим, що використав цю одиницю виміру, був Альберт Ейнштейн, який у 1905 р. теоретично довів, що розмір молекули цукру дорівнює одному нанометра.
Але тільки через 26 років німецькі фізики Ернст Руска, який отримав Нобелівську премію в 1986 р., і Макс Кнолл створили електронний мікроскоп, що забезпечує 15-кратне збільшення (менше, ніж існуючі тоді оптичні мікроскопи), він і став прообразом нового покоління подібних пристроїв, що дозволили заглянути в наносвіт.
У 1932 р. голландський професор Фріц Церніке, Нобелівський лауреат 1953 р., винайшов фазово-контрастний мікроскоп - варіант оптичного мікроскопа, що поліпшує якість показу деталей зображення, і дослідив за його допомогою живі клітини (раніше для цього доводилося застосовувати барвники, вбивали живі тканини).
Цікаво, що Церніке пропонував свій винахід фірмі «Цейс», але менеджери не усвідомили його перспективності, хоча сьогодні такі мікроскопи активно застосовуються в медицині.
У 1939 р. компанія Siemens, в якій працював Руська, випустила перший комерційний електронний мікроскоп з роздільною здатністю 10 нм.
Днем народження нанотехнологій вважається 29 грудня 1959 Професор Каліфорнійського технологічного інституту Річард Фейнман (Нобелівський лауреат 1965 р.) у своїй лекції «Як багато місця там, внизу» («There's plenty of room at the bottom»), прочитаної перед Американським фізичним товариством , відзначив можливість використання атомів як будівельних часток.
1966 Американський фізик Рассел Янг, який працював у Національному бюро стандартів, придумав пьезодвігатель, застосовуваний сьогодні в скануючих тунельних мікроскопах і для позиціонування наноінструментов з точністю до 0,01 ангстрем (1 нм = 10 A °).
1968 Виконавчий віце-президент компанії Bell Альфред Чо і співробітник її відділення з досліджень напівпровідників Джон Артур обгрунтували теоретичну можливість використання нанотехнологій у вирішенні задач обробки поверхонь і досягнення атомної точності при створенні електронних приладів
1971 Рассел Янг висунув ідею приладу Topografiner, що став прообразом зондового мікроскопа. Настільки тривалі терміни розробки подібних пристроїв пояснюються тим, що спостереження за атомарними структурами призводить до зміни їх стану, тому були потрібні якісно нові підходи, які не руйнують досліджуваний речовина.
Щоправда, невдовзі роботи над Topografiner були припинені, і визнання до Янгу прийшло тільки в 1979 р., після чого він отримав безліч нагород.
1974 Японський фізик Норіо Танігучі, що працював в Токійському університеті, запропонував термін «нанотехнології» (процес поділу, складання і зміни матеріалів шляхом впливу на них одним атомом або однією молекулою), швидко завоював популярність у наукових колах.
1982 р. У Цюріхському дослідному центрі IBM фізики Герд Бінніг і Генріх Рорер (Нобелівські лауреати 1986 разом з Ернстом Руської) створили скануючий тунельний мікроскоп (СТМ), що дозволяє будувати тривимірну картину розташування атомів на поверхнях провідних матеріалів.
ВТМ діяв за принципом, схожому з закладеним в Topografiner, але швейцарці створили його незалежно від Янга, домігшись значно більшою роздільної здатності і розпізнавши окремі атоми в кальцієво-іридієво-олов'яних кристалах.
Головною проблемою в дослідженні були фонові перешкоди - вістря мікроскопа, позиціювалися з точністю до часток атома, збивалося від найменших шумів і вібрацій на вулиці.
1985 Троє американських хіміків: професор Райсского університету Річард Смеллі, а також Роберт Карл і Херольд Крото (Нобелівські лауреати 1996 р.) відкрили фулерени - молекули, що складаються з 60 атомів вуглецю, розташованих у формі сфери. Ці вчені також вперше зуміли виміряти об'єкт розміром 1 нм.
1986 Герд Бінніг розробив скануючий атомно-силовий мікроскоп зондовий, що дозволив нарешті візуалізувати атоми будь-яких матеріалів (не тільки проводять), а також маніпулювати ними.
1986 Американський вчений Ерік Дрекслер, який працював у лабораторії штучного інтелекту Массачусетського технологічного інституту, написав книгу «Машини творення» («Engines of Creation»), в якій висунув концепцію універсальних молекулярних роботів, що працюють за заданою програмою і збирають що завгодно (у тому числі і собі подібних) з підручних молекул.
Ця ідея була, мабуть, навіяна Дрекслер його основною діяльністю - в задачах штучного інтелекту ідея самовідтворюються пристроїв зустрічається постійно.
Учений вже тоді досить точно передбачив чимало прийдешніх досягнень нанотехнологій, і починаючи з 1989 р. його прогнози збуваються, причому нерідко зі значним випередженням термінів.
1987-1988 рр.. У НДІ «Дельта» під керівництвом П.М. Лускіновіча запрацювала перша російська нанотехнологічна установка, яка здійснювала спрямований догляд частинок з вістря зонда мікроскопа під впливом нагрівання.
1989 Учені Дональд Ейглер і Ерхард Швецер з Каліфорнійського наукового центру IBM зуміли викласти 35 атомами ксенону на кристалі нікелю назву своєї компанії.
Для першого в світі цільового перенесення окремих атомів в нове місце вони використовували ВТМ виробництва IBM. Щоправда, такий напис проіснувала недовго - атоми швидко розбіглися з поверхні.
Але сам факт наявності стороннього атома в молекулярній структурі деякого речовини відкривав потенційну можливість створення молекулярних автоматів, котрі тлумачать наявність або відсутність такого атома в деякій позиції як логічне стан.
1991 Японський професор Суміо Ліджіма, що працював в компанії NEC, використовував фулерени для створення вуглецевих трубок (або нанотрубок) діаметром 0,8 нм. На їх основі в наш час випускаються матеріали в сто разів міцніше сталі. Залишалося навчитися робити такі трубки як можна більш довгими - їх розміри виявилися безпосередньо пов'язані з міцністю виготовляються речовин. Крім того, відкрилася можливість збирати з нанотрубокразлічние наномеханізми з зачепами і шестерінками.
Комп'ютерник Уоррен Робінет і хімік Стен Уїльямс, співробітники університету Північної Кароліни, виготовили наноманіпулятор - робот розміром з людину, зістиковано з атомним мікроскопом і керований через інтерфейс віртуальної реальності.
Оператор, маніпулюючи окремими атомами, з його допомогою міг фізично відчувати багаторазово посилену віддачу від модифікує речовини, що значно прискорювало роботу.
Намагатися робити прикладні нанопристрої без такого комплексу до того часу було немислимо.
1991 р. У США запрацювала перша нанотехнологічна програма Національного наукового фонду. Аналогічною діяльністю почав перейматися й уряд Японії. А от у Європі серйозна підтримка таких досліджень на державному рівні розпочалася тільки з 1997 р.
1997 Ерік Дрекслер оголосив, що до 2020 р. стане можливою промислова збірка нанопристроїв з окремих атомів. До цього часу майже всі його прогнози збувалися з випередженням.
1998 Сиз Деккер, голландський професор Технічного університету м. Делфтса, створив транзистор на основі нанотрубок, використовуючи їх як молекул. Для цього йому довелося першим у світі виміряти електричну провідність такої молекули.
З'явилися технології створення нанотрубок довжиною 300 нм.
У Японії запущена програма «Astroboy» з розвитку наноелектроніки, здатної працювати в умовах космічного холоду і при спеці в тисячі градусів.
1999 Американські вчені - професор фізики Марк Рід (Єльський університет) та професор хімії Джеймс Тур (Райсскій університет) - розробили єдині принципи маніпуляції як однією молекулою, так і їх ланцюжком.
2000 Німецький фізик Франц Гіссібл розгледів в кремнії субатомні частинки. Його колега Роберт Магерле запропонував технологію нанотомографіі - створення тривимірної картини внутрішньої будови речовини з роздільною здатністю 100 нм. Проект фінансувала компанія Volkswagen.
Уряд США відкрило Національну нанотехнологічну ініціативу (NNI). У бюджеті США на цей напрямок виділено 270 млн. дол, комерційні компанії вклали в нього в 10 разів більше.
2001 Реальне фінансування NNI перевищило заплановане (422 млн. дол) на 42 млн.
2002 Сиз Деккер поєднав вуглецеву трубку з ДНК, отримавши єдиний наномеханізми. Фінансування NNI склало 697 млн. дол (на 97 млн. більше плану).
2003 Професор Фенг Лью з університету Юти, використовуючи напрацювання Франца Гіссібла, за допомогою атомного мікроскопа побудував образи орбіт електронів шляхом аналізу їх обурення при русі навколо ядра.
На NNI відпущено 770 млн. дол У бюджеті NNI 2004 закладена сума 849 млн. дол
2. Нанотехнології
Нанотехнології - це технології роботи з речовиною на рівні окремих атомів. Традиційні методи виробництва працюють з порціями речовини, що складаються з мільярдів і більше атомів. Це означає, що навіть самі точні прилади, зроблені людиною до цих пір, на атомарному рівні виглядають як безладна мішанина. Перехід від маніпуляції з речовиною до маніпуляції окремими атомами - це якісний стрибок, що забезпечує безпрецедентну точність і ефективність.
Нанотехнології зазвичай ділять на три напрямки:
- Виготовлення електронних схем, елементи яких складаються з декількох атомів
- Створення наномашин, тобто механізмів і роботів розміром з молекулу
- Безпосередня маніпуляція атомами й молекулами і складання з них чого завгодно.
Часто вживане визначення нанотехнології як комплексу методів роботи з об'єктами розміром менше 100 нанометрів недостатньо точно описує як об'єкт, так і відмінність нанотехнології від традиційних технологій і наукових дисциплін. Об'єкти нанотехнологій, з одного боку, можуть мати характеристичні розміри зазначеного діапазону:
- Наночастки, нанопорошки (об'єкти, у яких три характеристичних розміру знаходяться в діапазоні до 100 нм).
- Нанотрубки, нановолокна (об'єкти, у яких два характеристичних розміру знаходяться в діапазоні до 100 нм).
- Наноплівки (об'єкти, у яких один характеристичний розмір знаходиться в діапазоні до 100 нм).
З іншого боку, об'єктом нанотехнологій можуть бути макроскопічні об'єкти, атомарна структура яких контрольовано створюється з дозволом на рівні окремих атомів.
Нанотехнології якісно відрізняються від традиційних дисциплін, оскільки на таких масштабах звичні, макроскопічні, технології поводження з матерією часто непридатні, а мікроскопічні явища, зневажливо слабі на звичних масштабах, стають набагато значніше: властивості та взаємодії окремих атомів і молекул або агрегатів молекул, квантові ефекти.
У практичному аспекті це технології виробництва пристроїв та їх компонентів, необхідних для створення, обробки і маніпуляції атомами, молекулами і частками, розміри яких знаходяться в межах від 1 до 100 нанометрів. Однак, нанотехнологія зараз перебуває в початковій стадії розвитку, оскільки основні відкриття, що передбачаються в цій області, поки не зроблені. Тим не менше, проведені дослідження вже дають практичні результати. Використання в нанотехнології передових наукових результатів дозволяє відносити її до високих технологій.
При роботі з такими малими розмірами проявляються квантові ефекти і ефекти міжмолекулярних взаємодій, такі як Ван-дер-Ваальсових взаємодії. Нанотехнології і, особливо, молекулярна технологія - нові області, дуже мало досліджені. Розвиток сучасної електроніки йде по шляху зменшення розмірів пристроїв. З іншого боку, класичні методи виробництва підходять до свого природного економічного та технологічного бар'єру, коли розмір пристрою зменшується не набагато, зате економічні витрати зростають експоненціально. Нанотехнології - наступний логічний крок розвитку електроніки та інших наукоємних виробництв.
3. Нанороботи
Нанороботи (в англомовній літературі також використовуються терміни «наноботи», «наноіди», «наніти») - роботи, створені з наноматеріалів і розміром порівнянні з молекулою. Вони повинні володіти функціями руху, обробки і передачі інформації, виконання програм. Розміри нанороботів не перевищують кількох нанометрів. Згідно сучасним теоріям, нанороботи повинні вміти здійснювати двосторонню комунікацію: реагувати на акустичні сигнали і бути в стані підзаряджатися або перепрограмувати ззовні за допомогою звукових або електричних коливань. Також важливою представляються функції реплікації - самозбірки нових нанітов та програмованого самознищення, коли середовище роботи, наприклад, людське тіло, більше не потребує присутності в ньому нанороботів. В останньому випадку роботи повинні розпадатися на нешкідливі і бистровиводімие компоненти.
Чимало нанотехнологічних пристроїв вже створено і хоча вони поки є експериментальними розробками, практичні перспективи очевидні. Розроблено наноелектродвігатель, що має обмотку з однією довжиною молекули, здатної без втрат передавати струм. При подачі напруги починав обертатися ротор, що складається з декількох молекул. Існує також пристрій лінійної транспортування, здатне переміщати молекули на задану відстань. Розробляються також молекулярні біосенсори, антени, маніпулятори.
Сфера застосування нанороботів дуже широка. По суті, вони можуть бути необхідні при створенні, налагодженні і підтримці функціонування будь-якої складної системи. Наномашини можуть застосовуватися в електроніці для створення мініустройств або електричних ланцюгів - дана технологія називається молекулярної наносборкой. У перспективі будь-яка збірка на заводі з компонентів може бути замінена простий складанням з атомів.
Проте на перше місце зараз вийшло питання застосування нанороботів в медицині. Тіло людини як би наштовхує на думку про нанороботів, оскільки саме містить безліч природних наномеханізми: безліч нейтрофілів, лімфоцитів і білих клітин крові постійно функціонують в організмі, відновлюючи пошкоджені тканини, знищуючи вторглися мікроорганізми і видаляючи сторонні частинки з різних органів. Шляхом звичайної ін'єкції нанороботи можуть бути уприснути в кров або лімфу. Для зовнішнього застосування розчин з цими роботами може бути нанесений на ділянку тканини. Одним з розроблених напрямів є транспортування ліків до уражених клітинами. При звичайному введенні ліків лише одна молекула зі ста тисяч досягає мети, в той час як нанопристроїв в білковій оболонці збільшує ефективність на два порядки, в перспективі не буде орієнтуватися фагоцитами як «чужий» і після виконання функції розпадається на нешкідливі компоненти. Такі нанороботи можуть бути ефективними, наприклад, при медикаментозному лікуванні ракових пухлин.
Донбаський державний технічний університет
Кафедра АЕМС
На тему:
«Нанотехнології та нанороботи»
Алчевськ 2008
Зміст
\ T "yfyjhj; 1" Введення. 3
1. Історія розвитку нанотехнології в датах. 4
2. Нанотехнології. 9
3. Нанороботи .. 12
4. Перспективи розвитку нанороботів. 15
Висновок. 22
Посилання. 23
Введення
Нанотехнології є дуже перспективними, але поки не розвиненими у повній мірі. Нанотехнології - міждисциплінарна область фундаментальної і прикладної науки і техніки, що має справу з сукупністю теоретичного обгрунтування, практичних методів дослідження, аналізу та синтезу, а також методів виробництва і застосування продуктів із заданою атомарної структурою шляхом контрольованого маніпулювання окремими атомами й молекулами.
Нанороботи, або наноботи - роботи, створені з наноматеріалів і розміром порівнянні з молекулою, що володіють функціями руху, обробки і передачі інформації, виконання програм. Нанороботи, здатні до створення своїх копій, тобто самовідтворення, називаються реплікатора. Можливість створення нанороботів розглянув у своїй книзі «Машини створення» американський вчений Ерік Дрекслер. В даний час вже створені електромеханічні нанопристрої, обмежено здатні до пересування, які можна вважати прототипами нанороботів.
У даній науково-дослідній роботі розглядається історія виникнення нанотехнології, загальний принцип дії, а також шляхи розвитку в майбутньому.
1. Історія розвитку нанотехнології в датах
Один нанометр (від грецького «нано» - карлик) дорівнює однієї мільярдної частини метра. На цій відстані можна впритул розташувати приблизно 10 атомів. Мабуть, першим ученим, що використав цю одиницю виміру, був Альберт Ейнштейн, який у 1905 р. теоретично довів, що розмір молекули цукру дорівнює одному нанометра.
Але тільки через 26 років німецькі фізики Ернст Руска, який отримав Нобелівську премію в 1986 р., і Макс Кнолл створили електронний мікроскоп, що забезпечує 15-кратне збільшення (менше, ніж існуючі тоді оптичні мікроскопи), він і став прообразом нового покоління подібних пристроїв, що дозволили заглянути в наносвіт.
У 1932 р. голландський професор Фріц Церніке, Нобелівський лауреат 1953 р., винайшов фазово-контрастний мікроскоп - варіант оптичного мікроскопа, що поліпшує якість показу деталей зображення, і дослідив за його допомогою живі клітини (раніше для цього доводилося застосовувати барвники, вбивали живі тканини).
Цікаво, що Церніке пропонував свій винахід фірмі «Цейс», але менеджери не усвідомили його перспективності, хоча сьогодні такі мікроскопи активно застосовуються в медицині.
У 1939 р. компанія Siemens, в якій працював Руська, випустила перший комерційний електронний мікроскоп з роздільною здатністю 10 нм.
Днем народження нанотехнологій вважається 29 грудня 1959 Професор Каліфорнійського технологічного інституту Річард Фейнман (Нобелівський лауреат 1965 р.) у своїй лекції «Як багато місця там, внизу» («There's plenty of room at the bottom»), прочитаної перед Американським фізичним товариством , відзначив можливість використання атомів як будівельних часток.
1966 Американський фізик Рассел Янг, який працював у Національному бюро стандартів, придумав пьезодвігатель, застосовуваний сьогодні в скануючих тунельних мікроскопах і для позиціонування наноінструментов з точністю до 0,01 ангстрем (1 нм = 10 A °).
1968 Виконавчий віце-президент компанії Bell Альфред Чо і співробітник її відділення з досліджень напівпровідників Джон Артур обгрунтували теоретичну можливість використання нанотехнологій у вирішенні задач обробки поверхонь і досягнення атомної точності при створенні електронних приладів
1971 Рассел Янг висунув ідею приладу Topografiner, що став прообразом зондового мікроскопа. Настільки тривалі терміни розробки подібних пристроїв пояснюються тим, що спостереження за атомарними структурами призводить до зміни їх стану, тому були потрібні якісно нові підходи, які не руйнують досліджуваний речовина.
Щоправда, невдовзі роботи над Topografiner були припинені, і визнання до Янгу прийшло тільки в 1979 р., після чого він отримав безліч нагород.
1974 Японський фізик Норіо Танігучі, що працював в Токійському університеті, запропонував термін «нанотехнології» (процес поділу, складання і зміни матеріалів шляхом впливу на них одним атомом або однією молекулою), швидко завоював популярність у наукових колах.
1982 р. У Цюріхському дослідному центрі IBM фізики Герд Бінніг і Генріх Рорер (Нобелівські лауреати 1986 разом з Ернстом Руської) створили скануючий тунельний мікроскоп (СТМ), що дозволяє будувати тривимірну картину розташування атомів на поверхнях провідних матеріалів.
ВТМ діяв за принципом, схожому з закладеним в Topografiner, але швейцарці створили його незалежно від Янга, домігшись значно більшою роздільної здатності і розпізнавши окремі атоми в кальцієво-іридієво-олов'яних кристалах.
Головною проблемою в дослідженні були фонові перешкоди - вістря мікроскопа, позиціювалися з точністю до часток атома, збивалося від найменших шумів і вібрацій на вулиці.
1985 Троє американських хіміків: професор Райсского університету Річард Смеллі, а також Роберт Карл і Херольд Крото (Нобелівські лауреати 1996 р.) відкрили фулерени - молекули, що складаються з 60 атомів вуглецю, розташованих у формі сфери. Ці вчені також вперше зуміли виміряти об'єкт розміром 1 нм.
1986 Герд Бінніг розробив скануючий атомно-силовий мікроскоп зондовий, що дозволив нарешті візуалізувати атоми будь-яких матеріалів (не тільки проводять), а також маніпулювати ними.
1986 Американський вчений Ерік Дрекслер, який працював у лабораторії штучного інтелекту Массачусетського технологічного інституту, написав книгу «Машини творення» («Engines of Creation»), в якій висунув концепцію універсальних молекулярних роботів, що працюють за заданою програмою і збирають що завгодно (у тому числі і собі подібних) з підручних молекул.
Ця ідея була, мабуть, навіяна Дрекслер його основною діяльністю - в задачах штучного інтелекту ідея самовідтворюються пристроїв зустрічається постійно.
Учений вже тоді досить точно передбачив чимало прийдешніх досягнень нанотехнологій, і починаючи з 1989 р. його прогнози збуваються, причому нерідко зі значним випередженням термінів.
1987-1988 рр.. У НДІ «Дельта» під керівництвом П.М. Лускіновіча запрацювала перша російська нанотехнологічна установка, яка здійснювала спрямований догляд частинок з вістря зонда мікроскопа під впливом нагрівання.
1989 Учені Дональд Ейглер і Ерхард Швецер з Каліфорнійського наукового центру IBM зуміли викласти 35 атомами ксенону на кристалі нікелю назву своєї компанії.
Для першого в світі цільового перенесення окремих атомів в нове місце вони використовували ВТМ виробництва IBM. Щоправда, такий напис проіснувала недовго - атоми швидко розбіглися з поверхні.
Але сам факт наявності стороннього атома в молекулярній структурі деякого речовини відкривав потенційну можливість створення молекулярних автоматів, котрі тлумачать наявність або відсутність такого атома в деякій позиції як логічне стан.
1991 Японський професор Суміо Ліджіма, що працював в компанії NEC, використовував фулерени для створення вуглецевих трубок (або нанотрубок) діаметром 0,8 нм. На їх основі в наш час випускаються матеріали в сто разів міцніше сталі. Залишалося навчитися робити такі трубки як можна більш довгими - їх розміри виявилися безпосередньо пов'язані з міцністю виготовляються речовин. Крім того, відкрилася можливість збирати з нанотрубокразлічние наномеханізми з зачепами і шестерінками.
Комп'ютерник Уоррен Робінет і хімік Стен Уїльямс, співробітники університету Північної Кароліни, виготовили наноманіпулятор - робот розміром з людину, зістиковано з атомним мікроскопом і керований через інтерфейс віртуальної реальності.
Оператор, маніпулюючи окремими атомами, з його допомогою міг фізично відчувати багаторазово посилену віддачу від модифікує речовини, що значно прискорювало роботу.
Намагатися робити прикладні нанопристрої без такого комплексу до того часу було немислимо.
1991 р. У США запрацювала перша нанотехнологічна програма Національного наукового фонду. Аналогічною діяльністю почав перейматися й уряд Японії. А от у Європі серйозна підтримка таких досліджень на державному рівні розпочалася тільки з 1997 р.
1997 Ерік Дрекслер оголосив, що до 2020 р. стане можливою промислова збірка нанопристроїв з окремих атомів. До цього часу майже всі його прогнози збувалися з випередженням.
1998 Сиз Деккер, голландський професор Технічного університету м. Делфтса, створив транзистор на основі нанотрубок, використовуючи їх як молекул. Для цього йому довелося першим у світі виміряти електричну провідність такої молекули.
З'явилися технології створення нанотрубок довжиною 300 нм.
У Японії запущена програма «Astroboy» з розвитку наноелектроніки, здатної працювати в умовах космічного холоду і при спеці в тисячі градусів.
1999 Американські вчені - професор фізики Марк Рід (Єльський університет) та професор хімії Джеймс Тур (Райсскій університет) - розробили єдині принципи маніпуляції як однією молекулою, так і їх ланцюжком.
2000 Німецький фізик Франц Гіссібл розгледів в кремнії субатомні частинки. Його колега Роберт Магерле запропонував технологію нанотомографіі - створення тривимірної картини внутрішньої будови речовини з роздільною здатністю 100 нм. Проект фінансувала компанія Volkswagen.
Уряд США відкрило Національну нанотехнологічну ініціативу (NNI). У бюджеті США на цей напрямок виділено 270 млн. дол, комерційні компанії вклали в нього в 10 разів більше.
2001 Реальне фінансування NNI перевищило заплановане (422 млн. дол) на 42 млн.
2002 Сиз Деккер поєднав вуглецеву трубку з ДНК, отримавши єдиний наномеханізми. Фінансування NNI склало 697 млн. дол (на 97 млн. більше плану).
2003 Професор Фенг Лью з університету Юти, використовуючи напрацювання Франца Гіссібла, за допомогою атомного мікроскопа побудував образи орбіт електронів шляхом аналізу їх обурення при русі навколо ядра.
На NNI відпущено 770 млн. дол У бюджеті NNI 2004 закладена сума 849 млн. дол
2. Нанотехнології
Нанотехнології - це технології роботи з речовиною на рівні окремих атомів. Традиційні методи виробництва працюють з порціями речовини, що складаються з мільярдів і більше атомів. Це означає, що навіть самі точні прилади, зроблені людиною до цих пір, на атомарному рівні виглядають як безладна мішанина. Перехід від маніпуляції з речовиною до маніпуляції окремими атомами - це якісний стрибок, що забезпечує безпрецедентну точність і ефективність.
Нанотехнології зазвичай ділять на три напрямки:
- Виготовлення електронних схем, елементи яких складаються з декількох атомів
- Створення наномашин, тобто механізмів і роботів розміром з молекулу
- Безпосередня маніпуляція атомами й молекулами і складання з них чого завгодно.
Часто вживане визначення нанотехнології як комплексу методів роботи з об'єктами розміром менше 100 нанометрів недостатньо точно описує як об'єкт, так і відмінність нанотехнології від традиційних технологій і наукових дисциплін. Об'єкти нанотехнологій, з одного боку, можуть мати характеристичні розміри зазначеного діапазону:
- Наночастки, нанопорошки (об'єкти, у яких три характеристичних розміру знаходяться в діапазоні до 100 нм).
- Нанотрубки, нановолокна (об'єкти, у яких два характеристичних розміру знаходяться в діапазоні до 100 нм).
- Наноплівки (об'єкти, у яких один характеристичний розмір знаходиться в діапазоні до 100 нм).
З іншого боку, об'єктом нанотехнологій можуть бути макроскопічні об'єкти, атомарна структура яких контрольовано створюється з дозволом на рівні окремих атомів.
Нанотехнології якісно відрізняються від традиційних дисциплін, оскільки на таких масштабах звичні, макроскопічні, технології поводження з матерією часто непридатні, а мікроскопічні явища, зневажливо слабі на звичних масштабах, стають набагато значніше: властивості та взаємодії окремих атомів і молекул або агрегатів молекул, квантові ефекти.
У практичному аспекті це технології виробництва пристроїв та їх компонентів, необхідних для створення, обробки і маніпуляції атомами, молекулами і частками, розміри яких знаходяться в межах від 1 до 100 нанометрів. Однак, нанотехнологія зараз перебуває в початковій стадії розвитку, оскільки основні відкриття, що передбачаються в цій області, поки не зроблені. Тим не менше, проведені дослідження вже дають практичні результати. Використання в нанотехнології передових наукових результатів дозволяє відносити її до високих технологій.
При роботі з такими малими розмірами проявляються квантові ефекти і ефекти міжмолекулярних взаємодій, такі як Ван-дер-Ваальсових взаємодії. Нанотехнології і, особливо, молекулярна технологія - нові області, дуже мало досліджені. Розвиток сучасної електроніки йде по шляху зменшення розмірів пристроїв. З іншого боку, класичні методи виробництва підходять до свого природного економічного та технологічного бар'єру, коли розмір пристрою зменшується не набагато, зате економічні витрати зростають експоненціально. Нанотехнології - наступний логічний крок розвитку електроніки та інших наукоємних виробництв.
3. Нанороботи
Нанороботи (в англомовній літературі також використовуються терміни «наноботи», «наноіди», «наніти») - роботи, створені з наноматеріалів і розміром порівнянні з молекулою. Вони повинні володіти функціями руху, обробки і передачі інформації, виконання програм. Розміри нанороботів не перевищують кількох нанометрів. Згідно сучасним теоріям, нанороботи повинні вміти здійснювати двосторонню комунікацію: реагувати на акустичні сигнали і бути в стані підзаряджатися або перепрограмувати ззовні за допомогою звукових або електричних коливань. Також важливою представляються функції реплікації - самозбірки нових нанітов та програмованого самознищення, коли середовище роботи, наприклад, людське тіло, більше не потребує присутності в ньому нанороботів. В останньому випадку роботи повинні розпадатися на нешкідливі і бистровиводімие компоненти.
Чимало нанотехнологічних пристроїв вже створено і хоча вони поки є експериментальними розробками, практичні перспективи очевидні. Розроблено наноелектродвігатель, що має обмотку з однією довжиною молекули, здатної без втрат передавати струм. При подачі напруги починав обертатися ротор, що складається з декількох молекул. Існує також пристрій лінійної транспортування, здатне переміщати молекули на задану відстань. Розробляються також молекулярні біосенсори, антени, маніпулятори.
Сфера застосування нанороботів дуже широка. По суті, вони можуть бути необхідні при створенні, налагодженні і підтримці функціонування будь-якої складної системи. Наномашини можуть застосовуватися в електроніці для створення мініустройств або електричних ланцюгів - дана технологія називається молекулярної наносборкой. У перспективі будь-яка збірка на заводі з компонентів може бути замінена простий складанням з атомів.
Проте на перше місце зараз вийшло питання застосування нанороботів в медицині. Тіло людини як би наштовхує на думку про нанороботів, оскільки саме містить безліч природних наномеханізми: безліч нейтрофілів, лімфоцитів і білих клітин крові постійно функціонують в організмі, відновлюючи пошкоджені тканини, знищуючи вторглися мікроорганізми і видаляючи сторонні частинки з різних органів. Шляхом звичайної ін'єкції нанороботи можуть бути уприснути в кров або лімфу. Для зовнішнього застосування розчин з цими роботами може бути нанесений на ділянку тканини. Одним з розроблених напрямів є транспортування ліків до уражених клітинами. При звичайному введенні ліків лише одна молекула зі ста тисяч досягає мети, в той час як нанопристроїв в білковій оболонці збільшує ефективність на два порядки, в перспективі не буде орієнтуватися фагоцитами як «чужий» і після виконання функції розпадається на нешкідливі компоненти. Такі нанороботи можуть бути ефективними, наприклад, при медикаментозному лікуванні ракових пухлин.
Нанороботи можу робити буквально все: діагностувати стану будь-яких органів і процесів, втручатися в ці процеси, доставляти ліки, з'єднувати і руйнувати тканини, синтезувати нові. Фактично, нанороботи можуть постійно омолоджувати людини, репліціруя всі його тканини. На даному етапі вченими розроблена складна програма, що моделює проектування і поведінку нанороботів в організмі. Надзвичайно детально розроблені аспекти маневрування в артеріальній середовищі, пошуку білків за допомогою датчиків. Вчені провели віртуальні дослідження нанороботів для лікування діабету, дослідження черевної порожнини, аневризми мозку, раку, біозахисту від отруйних речовин.
Логічно запитати - коли ж нанороботи прийдуть у наш світ, стануть такою ж буденністю, як персональні комп'ютери та інтернет. За прогнозами вчених, вік нанороботів вже не за горами.
Існуючі прототипи двигуна, процесора, захоплення будуть зібрані в єдиний пристрій, і епоха нанороботів настане до 2015 року. Всі названі перспективи можуть здійснитися, наномашини будуть в змозі відтворювати будь-які предмети з атомів, зможуть омолоджувати людини, стануть штучними виробниками їжі, заповнять навколоземний простір і зроблять придатними для людини планети і їх місяця.
Існують, однак, і побоювання з приводу наномеханікі. Так, згадана вище книга «Машини Творення» оповідає про збій у програмі роботів, у силу чого вони перетворюють всю землю в місиво з самих себе. Читач також може згадати «Непереможний» Станіслава Лема, в якому крихітні роботи, спадщина цивілізації Ліри, будучи примітивними механізмами, об'єднуються мільйонами, утворюючи мислячі конструкції, готові знищити людину з бездушністю механізму щоб потім знову поринути у тисячолітній стазис.
Дані погляди не є прерогативою фантастів, їх підтримує ряд учених, яких у пресі іноді називають наноапокаліптікамі. Професор Євген Абрамян у своїй статті «Загрози нових технологій» малює ситуацію, при якій роботи, призначені для розбирання на атоми відходів, почнуть розбирати чинності збою і все інше. При цьому такі машини будуть саморепліціроваться. Крім того, як зазначає вчений, ці мікромашини можуть стати основою для нових, ще більш жахливих, ніж сучасні, засобів ведення війни.
Так чи інакше, крок до створення нанороботів вже зроблено і ми в черговий раз стикаємося з питанням постановки формулювання: змінюють наші нововведення нашу ж життя, або ми самі її змінюємо. Чи зможемо ми створити на основі наномеханікі світ, вільний від голоду, потреби і при цьому має потенціал до розвитку, або дорога з жовтого нанокірпіча приведе нас до хаосу нових воєн буде залежати від нас самих, але ясно одне: світ змінюється і ми стрімко змінюємося разом з ним.
4. Перспективи розвитку нанороботів
У ході історії люди завжди тільки тим і займалися, що намагалися впорядковувати атоми з метою отримання структур із заданими властивостями. Весь розвиток техніки, по суті, зводиться до постійного зменшення часток речовини, з якими можна працювати. Первісні люди обтісували камені, відколюючи шматочки, що містять нескінченне число атомів. Пізніше з'явилися більш тонкі інструменти, що дозволяли оперувати значно меншою кількістю атомів, але рахунок все одно йшов на квадрильйона. У двадцятому столітті освоїли технології створення тонких плівок. Напилювані шари складалися з декількох молекул.
Ідеальний варіант - маніпулювання окремими атомами. Розташувавши їх певним чином, можна було б створювати структури з будь-якими заданими властивостями. На сьогоднішній день таке завдання не ставиться до області фантастики. Вже приблизно двадцять років, як хіміки навчилися збирати структури поатомно. Спочатку така операція представлялася проблематичною, але, розуміючи всі значення нової галузі науки, вчені знайшли різні методи її виконання. Це нанотехнології - принципово нові технології, по суті, переддень чергової інтелектуальної революції. Елементарної структурною одиницею, з якою вони працюють, є окремі атоми, що мають розміри близько десятих часток нанометра, - звідси і їх назва.
Але як можна оперувати окремими атомами? Відповіддю на це запитання є ми самі. Адже всередині кожного з нас - велика кількість різноманітних білків, ферментів і гормонів, а займаються вони саме тим, що вибірково розбирають або збирають ті чи інші молекули. Відмінність від нанотехнологій, звичайно, є: перелічені хімічні сполуки оперують групами атомів, і для роботи з окремими атомами не пристосовані.
Маніпулювання атомами стало можливим після появи так званого скануючого електронного мікроскопа з тунельним ефектом. Він міг переміщати окремі атоми за допомогою спеціальних електромагнітних полів. Принципова дорога у світ нанотехнологій виявилися відкритими, і вчені не забули нею скористатися. Укладаючи атоми вуглецю в певній послідовності, вони здобули у вісімдесятих роках першу перемогу: зібрали з них дві шестерні, що сидять на валах і вільно на них обертаються. Ці шестірні мали розмір порядку декількох нанометрів. Як тільки з'ясувалося, що таким чином можна побудувати працюючий механізм, почався бурхливий розвиток нанотехнологій. І вже через кілька років вдалося побудувати перший наноелектродвігатель. У ньому використовувалася здатність деяких довгих органічних молекул передавати електричний струм практично без втрат. Мотор працював: коли на «обмотку», що представляє собою одну «довгу» молекулу, подавали напруга, ротор, що складається всього з декількох молекул, починав обертатися. Шлях до наноманіпулятора був відкритий. З його створенням люди перестануть потребувати громіздких електронних мікроскопах - переставляти атоми можна буде за допомогою самого маніпулятора. Що впритул наблизить вчених до кінцевої мети.
Яка ж ця мета? Судячи з витрат на дослідження, їх результати повинні бути воістину грандіозними: якась чарівна паличка, вирішальна якщо не всі, то принаймні дуже багато проблем, що стоять перед людством. Пошуки покликані привести до появи універсального інструмента - нанороботи, здатного маніпулювати окремими атомами, просто «захоплюючи» їх і розставляючи в потрібних місцях. Таким чином, можна буде створювати структури будь-якої складності з необхідними властивостями. Потрібно тільки писати відповідні програми.
Нанотехнології відкривають величезні перспективи. Вони дозволять створювати надчисті матеріали, які не можна отримати іншими способами. Якщо кому-небудь для виконання унікального експерименту потрібно алмаз, що перевищує за величиною знаменитий Кохінор, створення його не проблема. Та й не тільки для розстановки атомів знадобляться нанороботи. Вони і самі є надточним інструментом. З їх допомогою можна конструювати нові нанороботи, істотно здешевлюючи виробництво. А недорогим нанороботом вже під силу складати з атомів та унікальні вироби, і предмети повсякденного користування.
Після створення розвиненої інфраструктури нанороботів необхідність у величезних заводах відпаде. Уявіть собі пристрій завбільшки з холодильник, забезпечене комп'ютером. Усередині будуть знаходитися ємність з різними хімічними елементами і колонія нанороботів. Припустимо, ви захотіли почистити зуби. Віддаєте команду комп'ютера - і той активує програму збирання зубної щітки. Нанороботи починають ловити атоми в розчині і розставляти їх по місцях. Через деякий час щітка готова, причому, якщо побажаєте, вже з зубною пастою. Після гігієнічної процедури кладете її назад у ємність, де вона розкладається на вихідні атоми. Таким чином, вартість виробу значно зменшується, оскільки потрібно платити лише за електрику і сам прилад. Крім того, речі не будуть накопичуватися, захаращуючи квартиру.
Не менш грандіозні перспективи відкриваються і перед медициною - людство отримає ліки від усіх існуючих хвороб, і не тільки вірусного і бактеріального походження, але і генетичного. Нанороботи зможуть проникати в клітини організму і виправляти всі пошкодження на молекулярному рівні - тобто зубна щітка не знадобиться зовсім. І нарешті, припиниться подальшому забрудненню навколишнього середовища, адже нова технологія, по суті, безвідходна.
Однак, щоб досягти всього цього, потрібно відповісти на безліч питань. Так, наприклад, ніхто поки не знає, які розміри повинні мати механічні частини роботів і як зробити так, щоб вони відповідали певним вимогам.
Дану проблему можна вирішити експериментально. Припустимо, нам потрібно знати, яку товщину повинна мати «рука» нанороботів. Ми могли б просто створити дослідний зразок і подивитися, зламається вона чи ні. Якщо зламається, то зробити «руку» товстіший, і т.д. Але у цього методу є серйозний недолік. Зараз нанооб'єктів доводиться створювати макрометод, що дуже дорого, занадто багато роботи і довго. Щоб перебрати багато варіантів і вибрати найкращий, можливо, не вистачить і життя. Тому треба шукати інші шляхи.
Отже, нам потрібно знати характеристики маніпулятора, що по суті є одну гігантську молекулу. Властивості будь молекули повністю визначається міцністю хімічних зв'язків між атомами, з яких вона складається. А як відомо, хімічний зв'язок - не що інше, як взаємодія електронів і ядер атомів. Щоб визначити ці зв'язки, ми повинні знати ймовірність перебування електронів в конкретному місці в певний час. Якщо ймовірність того, що електрон знаходиться між ядрами атомів велика, то зв'язок міцна. Чим нижча ймовірність цього, тим слабше зв'язок.
Проблема була вирішена на початку XX століття. Австрійський дослідник Шредінгер створив рівняння, що дозволяє дізнатися всі властивості хімічної сполуки, навіть не отримавши його на практиці. У рівнянні враховані всі сили, які впливають на електрон. Вчений вирішив його для найпростішого випадку - атома водню - і отримав точно такі ж значення, як і на практиці. Проблема опису зв'язків зникла, але виникла нова - як вирішити саме рівняння Шредінгера. Подумаєш, рівняння - здасться комусь. Проте не варто недооцінювати проблему. Адже отримати результат типу «ікс дорівнює» вдається не так вже й часто. І чим точніше рівняння описує реальний світ, тим менша ймовірність, що воно вирішується на папері. Що ж робити? Треба або спрощувати рівняння, або обчислювати його наближеними методами, а частіше за все доводиться робити і те й інше. Рівняння Шредінгера добре спрощується для кристалів, в яких атоми розміщені строго у вузлах решітки. А кордону кристала, де регулярна структура обривається, розташовані відносно далеко, та їхнім впливом можна просто знехтувати. Саме такий підхід дозволив дізнатися властивості напівпровідників, що в кінцевому підсумку призвело до створення сучасних інтегральних схем. Для маніпуляторів нанороботів все інакше. Атомів настільки мало, що всі вони є граничними, і вирішувати рівняння у спрощеному вигляді безглуздо. Доводиться шукати точне рішення. З іншого боку, атомів настільки багато, що знайти точне рішення неймовірно складно. Для найпростішого випадку - молекули водню, що складається з двох атомів, рішення рівняння Шредінгера не становить проблеми. Але чим складніше молекула, тим довше його рахувати.
Серед найпоширеніших нанопристроїв на сьогоднішній день - нанотрубки. Вони відіграють різні ролі: від молекулярних фільтрів, що діють як звичайні сита, і до тривимірних шестерень, без яких важко уявити собі який-небудь механізм. Нанотрубки на малюнку майже цілком складаються з вуглецю, а точніше з замкнутих графітових шарів. Зверніть увагу на виступи з обох боків трубок: саме вони виконують функції зубів, що перетворюють нанотрубки в шестерні.
Ще років двадцять тому поняття складності алгоритму було відомо абсолютно всім. Коли об'єм обчислень лінійно залежить від обсягу вхідних даних, говорять про лінійної складності. Це ідеал, мрія програміста. Якщо залежність статечна, справа йде гірше, але терпимо. Але якщо кількість даних є показником ступеня - це вирок алгоритму. Експоненціальна складність - майже те ж, що і відсутність рішення задачі.
Йшли роки, перед програмістами виникли нові проблеми, і основну увагу було приділено ім. Зрозуміло, постійне зростання продуктивності комп'ютерів і багаторазове зменшення їх вартості дозволили змиритися з наявністю неефективних алгоритмів. Однак такі «тепличні» умови не вічні. Варто з'явитися завданню, що вимагає великого обсягу обчислень, і проблеми складності знову стають гранично актуальними.
Однією з таких завдань стало визначення властивостей, якими повинні володіти нанопристрої. Відповідно до закону Мерфі, якщо неприємність може статися, вона обов'язково відбудеться. У повній відповідності з цією сентенцією алгоритм розв'язання рівняння Шредінгера має експоненційну складність. Властивості молекули водню обчислюються за частки секунди. Але на розрахунок міцностей зв'язків у воді йде кілька хвилин, а в метані - вже близько години. З ускладненням молекули справи йдуть дедалі гірше. Нічого не поробиш, при збільшенні числа зв'язків на одиницю потрібно в тисячі разів більше ресурсів. Одним словом, визначити властивості молекули з кількома десятками зв'язків вже малореально.
Вчені вдалися до численних спрощень, аж до того, що молекулу представляли у вигляді сукупності кульок-атомів, з'єднаних між собою пружинками. Якщо виходити зі сказаного, то все просто, і навіть надгігантських молекули «вважаються» швидко. Але от результат таких розрахунків відрізняється від практичного на порядки. Атоми не кульки, що ще Бор показав. Отже, залишається постійно шукати компроміс між складністю молекули і точністю розрахунків. А компроміс цей так близький до нуля, що рано думати про створення реальних маніпуляторів.
Тому потрібні обхідні шляхи. Де вони, ніхто не може передбачити. Але досвід вирішення, на перший погляд, безнадійних завдань вже є. Наприклад, класична задача комівояжера також має експоненційну складність. Проте, створивши новий тип системи, що само, Хопфілд зміг реалізувати алгоритм її вирішення з поліноміальної складністю. Втім, за економію ресурсів довелося платити. Лише половина рішень є оптимальною, тому, використовуючи систему Хопфілда, ніколи не можна сказати напевно, що завдання виконане. Але, як відомо, стовідсоткову гарантію дає тільки страховий поліс, а мати 99%-ю впевненість у решаемости завдання, яка раніше не вважалася такою, - зовсім непогано.
Для нанопристроїв системи, подібної системі Хопфілда, поки не існує, але будемо сподіватися, що це «поки» не затягнеться дуже надовго.
Висновок
У ході виконання даної НДРС мною були опрацьовано безліч статей, присвячених питанням нанотехнології. Також була прочитана повість Станіслава Лема «Непереможний» і переглянуті відеоролики, що висвітлюють роботу нанороботів в різних сферах діяльності. Після виконаної роботи я прийшов до наступних висновків:
Завдяки стрімкому прогресу в таких технологіях, як оптика, нанолітографії, механохімія і 3D Прототипування, нанореволюція може відбутися вже протягом наступного десятиліття. Коли це станеться, нанотехнологія матиме неабиякий вплив практично на всі галузі промисловості та суспільства.
Людство отримає виключно комфортне середовище проживання, у якій не буде місця ні голоду, ні хвороб, ні виснажливих фізичних праці. А в перспективі нас чекає виникнення «розумної середовища перебування» (тобто природи, що стала безпосередньою продуктивною силою). Нанокомп'ютер і наномашини заповнять собою весь навколишній простір: вони будуть знаходитися між молекулами повітря, бути присутнім в кожному предметі, в кожній клітині людського організму. Весь навколишній світ перетвориться на один гігантський комп'ютер або, що, мабуть, буде вірніше, людство зіллється з навколишнім світом в єдиний розумний організм.
Посилання
1. http://www.nas.nasa.gov/Groups/Nanotechnology/publications/MGMS_EC1/simulation/data/index.html
2. nanorobots.ru
3. cooler-online.com
4. membrana.ru
5. nanonewsnet.ru
6. ibtechno.com
7. r0b.biz
8. nanoenot.pisem.net
9. nanodigest.ru
Логічно запитати - коли ж нанороботи прийдуть у наш світ, стануть такою ж буденністю, як персональні комп'ютери та інтернет. За прогнозами вчених, вік нанороботів вже не за горами.
Існуючі прототипи двигуна, процесора, захоплення будуть зібрані в єдиний пристрій, і епоха нанороботів настане до 2015 року. Всі названі перспективи можуть здійснитися, наномашини будуть в змозі відтворювати будь-які предмети з атомів, зможуть омолоджувати людини, стануть штучними виробниками їжі, заповнять навколоземний простір і зроблять придатними для людини планети і їх місяця.
Існують, однак, і побоювання з приводу наномеханікі. Так, згадана вище книга «Машини Творення» оповідає про збій у програмі роботів, у силу чого вони перетворюють всю землю в місиво з самих себе. Читач також може згадати «Непереможний» Станіслава Лема, в якому крихітні роботи, спадщина цивілізації Ліри, будучи примітивними механізмами, об'єднуються мільйонами, утворюючи мислячі конструкції, готові знищити людину з бездушністю механізму щоб потім знову поринути у тисячолітній стазис.
Дані погляди не є прерогативою фантастів, їх підтримує ряд учених, яких у пресі іноді називають наноапокаліптікамі. Професор Євген Абрамян у своїй статті «Загрози нових технологій» малює ситуацію, при якій роботи, призначені для розбирання на атоми відходів, почнуть розбирати чинності збою і все інше. При цьому такі машини будуть саморепліціроваться. Крім того, як зазначає вчений, ці мікромашини можуть стати основою для нових, ще більш жахливих, ніж сучасні, засобів ведення війни.
Так чи інакше, крок до створення нанороботів вже зроблено і ми в черговий раз стикаємося з питанням постановки формулювання: змінюють наші нововведення нашу ж життя, або ми самі її змінюємо. Чи зможемо ми створити на основі наномеханікі світ, вільний від голоду, потреби і при цьому має потенціал до розвитку, або дорога з жовтого нанокірпіча приведе нас до хаосу нових воєн буде залежати від нас самих, але ясно одне: світ змінюється і ми стрімко змінюємося разом з ним.
4. Перспективи розвитку нанороботів
У ході історії люди завжди тільки тим і займалися, що намагалися впорядковувати атоми з метою отримання структур із заданими властивостями. Весь розвиток техніки, по суті, зводиться до постійного зменшення часток речовини, з якими можна працювати. Первісні люди обтісували камені, відколюючи шматочки, що містять нескінченне число атомів. Пізніше з'явилися більш тонкі інструменти, що дозволяли оперувати значно меншою кількістю атомів, але рахунок все одно йшов на квадрильйона. У двадцятому столітті освоїли технології створення тонких плівок. Напилювані шари складалися з декількох молекул.
Ідеальний варіант - маніпулювання окремими атомами. Розташувавши їх певним чином, можна було б створювати структури з будь-якими заданими властивостями. На сьогоднішній день таке завдання не ставиться до області фантастики. Вже приблизно двадцять років, як хіміки навчилися збирати структури поатомно. Спочатку така операція представлялася проблематичною, але, розуміючи всі значення нової галузі науки, вчені знайшли різні методи її виконання. Це нанотехнології - принципово нові технології, по суті, переддень чергової інтелектуальної революції. Елементарної структурною одиницею, з якою вони працюють, є окремі атоми, що мають розміри близько десятих часток нанометра, - звідси і їх назва.
Але як можна оперувати окремими атомами? Відповіддю на це запитання є ми самі. Адже всередині кожного з нас - велика кількість різноманітних білків, ферментів і гормонів, а займаються вони саме тим, що вибірково розбирають або збирають ті чи інші молекули. Відмінність від нанотехнологій, звичайно, є: перелічені хімічні сполуки оперують групами атомів, і для роботи з окремими атомами не пристосовані.
Маніпулювання атомами стало можливим після появи так званого скануючого електронного мікроскопа з тунельним ефектом. Він міг переміщати окремі атоми за допомогою спеціальних електромагнітних полів. Принципова дорога у світ нанотехнологій виявилися відкритими, і вчені не забули нею скористатися. Укладаючи атоми вуглецю в певній послідовності, вони здобули у вісімдесятих роках першу перемогу: зібрали з них дві шестерні, що сидять на валах і вільно на них обертаються. Ці шестірні мали розмір порядку декількох нанометрів. Як тільки з'ясувалося, що таким чином можна побудувати працюючий механізм, почався бурхливий розвиток нанотехнологій. І вже через кілька років вдалося побудувати перший наноелектродвігатель. У ньому використовувалася здатність деяких довгих органічних молекул передавати електричний струм практично без втрат. Мотор працював: коли на «обмотку», що представляє собою одну «довгу» молекулу, подавали напруга, ротор, що складається всього з декількох молекул, починав обертатися. Шлях до наноманіпулятора був відкритий. З його створенням люди перестануть потребувати громіздких електронних мікроскопах - переставляти атоми можна буде за допомогою самого маніпулятора. Що впритул наблизить вчених до кінцевої мети.
Яка ж ця мета? Судячи з витрат на дослідження, їх результати повинні бути воістину грандіозними: якась чарівна паличка, вирішальна якщо не всі, то принаймні дуже багато проблем, що стоять перед людством. Пошуки покликані привести до появи універсального інструмента - нанороботи, здатного маніпулювати окремими атомами, просто «захоплюючи» їх і розставляючи в потрібних місцях. Таким чином, можна буде створювати структури будь-якої складності з необхідними властивостями. Потрібно тільки писати відповідні програми.
Нанотехнології відкривають величезні перспективи. Вони дозволять створювати надчисті матеріали, які не можна отримати іншими способами. Якщо кому-небудь для виконання унікального експерименту потрібно алмаз, що перевищує за величиною знаменитий Кохінор, створення його не проблема. Та й не тільки для розстановки атомів знадобляться нанороботи. Вони і самі є надточним інструментом. З їх допомогою можна конструювати нові нанороботи, істотно здешевлюючи виробництво. А недорогим нанороботом вже під силу складати з атомів та унікальні вироби, і предмети повсякденного користування.
Після створення розвиненої інфраструктури нанороботів необхідність у величезних заводах відпаде. Уявіть собі пристрій завбільшки з холодильник, забезпечене комп'ютером. Усередині будуть знаходитися ємність з різними хімічними елементами і колонія нанороботів. Припустимо, ви захотіли почистити зуби. Віддаєте команду комп'ютера - і той активує програму збирання зубної щітки. Нанороботи починають ловити атоми в розчині і розставляти їх по місцях. Через деякий час щітка готова, причому, якщо побажаєте, вже з зубною пастою. Після гігієнічної процедури кладете її назад у ємність, де вона розкладається на вихідні атоми. Таким чином, вартість виробу значно зменшується, оскільки потрібно платити лише за електрику і сам прилад. Крім того, речі не будуть накопичуватися, захаращуючи квартиру.
Не менш грандіозні перспективи відкриваються і перед медициною - людство отримає ліки від усіх існуючих хвороб, і не тільки вірусного і бактеріального походження, але і генетичного. Нанороботи зможуть проникати в клітини організму і виправляти всі пошкодження на молекулярному рівні - тобто зубна щітка не знадобиться зовсім. І нарешті, припиниться подальшому забрудненню навколишнього середовища, адже нова технологія, по суті, безвідходна.
Однак, щоб досягти всього цього, потрібно відповісти на безліч питань. Так, наприклад, ніхто поки не знає, які розміри повинні мати механічні частини роботів і як зробити так, щоб вони відповідали певним вимогам.
Дану проблему можна вирішити експериментально. Припустимо, нам потрібно знати, яку товщину повинна мати «рука» нанороботів. Ми могли б просто створити дослідний зразок і подивитися, зламається вона чи ні. Якщо зламається, то зробити «руку» товстіший, і т.д. Але у цього методу є серйозний недолік. Зараз нанооб'єктів доводиться створювати макрометод, що дуже дорого, занадто багато роботи і довго. Щоб перебрати багато варіантів і вибрати найкращий, можливо, не вистачить і життя. Тому треба шукати інші шляхи.
Отже, нам потрібно знати характеристики маніпулятора, що по суті є одну гігантську молекулу. Властивості будь молекули повністю визначається міцністю хімічних зв'язків між атомами, з яких вона складається. А як відомо, хімічний зв'язок - не що інше, як взаємодія електронів і ядер атомів. Щоб визначити ці зв'язки, ми повинні знати ймовірність перебування електронів в конкретному місці в певний час. Якщо ймовірність того, що електрон знаходиться між ядрами атомів велика, то зв'язок міцна. Чим нижча ймовірність цього, тим слабше зв'язок.
Проблема була вирішена на початку XX століття. Австрійський дослідник Шредінгер створив рівняння, що дозволяє дізнатися всі властивості хімічної сполуки, навіть не отримавши його на практиці. У рівнянні враховані всі сили, які впливають на електрон. Вчений вирішив його для найпростішого випадку - атома водню - і отримав точно такі ж значення, як і на практиці. Проблема опису зв'язків зникла, але виникла нова - як вирішити саме рівняння Шредінгера. Подумаєш, рівняння - здасться комусь. Проте не варто недооцінювати проблему. Адже отримати результат типу «ікс дорівнює» вдається не так вже й часто. І чим точніше рівняння описує реальний світ, тим менша ймовірність, що воно вирішується на папері. Що ж робити? Треба або спрощувати рівняння, або обчислювати його наближеними методами, а частіше за все доводиться робити і те й інше. Рівняння Шредінгера добре спрощується для кристалів, в яких атоми розміщені строго у вузлах решітки. А кордону кристала, де регулярна структура обривається, розташовані відносно далеко, та їхнім впливом можна просто знехтувати. Саме такий підхід дозволив дізнатися властивості напівпровідників, що в кінцевому підсумку призвело до створення сучасних інтегральних схем. Для маніпуляторів нанороботів все інакше. Атомів настільки мало, що всі вони є граничними, і вирішувати рівняння у спрощеному вигляді безглуздо. Доводиться шукати точне рішення. З іншого боку, атомів настільки багато, що знайти точне рішення неймовірно складно. Для найпростішого випадку - молекули водню, що складається з двох атомів, рішення рівняння Шредінгера не становить проблеми. Але чим складніше молекула, тим довше його рахувати.
Серед найпоширеніших нанопристроїв на сьогоднішній день - нанотрубки. Вони відіграють різні ролі: від молекулярних фільтрів, що діють як звичайні сита, і до тривимірних шестерень, без яких важко уявити собі який-небудь механізм. Нанотрубки на малюнку майже цілком складаються з вуглецю, а точніше з замкнутих графітових шарів. Зверніть увагу на виступи з обох боків трубок: саме вони виконують функції зубів, що перетворюють нанотрубки в шестерні.
Ще років двадцять тому поняття складності алгоритму було відомо абсолютно всім. Коли об'єм обчислень лінійно залежить від обсягу вхідних даних, говорять про лінійної складності. Це ідеал, мрія програміста. Якщо залежність статечна, справа йде гірше, але терпимо. Але якщо кількість даних є показником ступеня - це вирок алгоритму. Експоненціальна складність - майже те ж, що і відсутність рішення задачі.
Йшли роки, перед програмістами виникли нові проблеми, і основну увагу було приділено ім. Зрозуміло, постійне зростання продуктивності комп'ютерів і багаторазове зменшення їх вартості дозволили змиритися з наявністю неефективних алгоритмів. Однак такі «тепличні» умови не вічні. Варто з'явитися завданню, що вимагає великого обсягу обчислень, і проблеми складності знову стають гранично актуальними.
Однією з таких завдань стало визначення властивостей, якими повинні володіти нанопристрої. Відповідно до закону Мерфі, якщо неприємність може статися, вона обов'язково відбудеться. У повній відповідності з цією сентенцією алгоритм розв'язання рівняння Шредінгера має експоненційну складність. Властивості молекули водню обчислюються за частки секунди. Але на розрахунок міцностей зв'язків у воді йде кілька хвилин, а в метані - вже близько години. З ускладненням молекули справи йдуть дедалі гірше. Нічого не поробиш, при збільшенні числа зв'язків на одиницю потрібно в тисячі разів більше ресурсів. Одним словом, визначити властивості молекули з кількома десятками зв'язків вже малореально.
Вчені вдалися до численних спрощень, аж до того, що молекулу представляли у вигляді сукупності кульок-атомів, з'єднаних між собою пружинками. Якщо виходити зі сказаного, то все просто, і навіть надгігантських молекули «вважаються» швидко. Але от результат таких розрахунків відрізняється від практичного на порядки. Атоми не кульки, що ще Бор показав. Отже, залишається постійно шукати компроміс між складністю молекули і точністю розрахунків. А компроміс цей так близький до нуля, що рано думати про створення реальних маніпуляторів.
Тому потрібні обхідні шляхи. Де вони, ніхто не може передбачити. Але досвід вирішення, на перший погляд, безнадійних завдань вже є. Наприклад, класична задача комівояжера також має експоненційну складність. Проте, створивши новий тип системи, що само, Хопфілд зміг реалізувати алгоритм її вирішення з поліноміальної складністю. Втім, за економію ресурсів довелося платити. Лише половина рішень є оптимальною, тому, використовуючи систему Хопфілда, ніколи не можна сказати напевно, що завдання виконане. Але, як відомо, стовідсоткову гарантію дає тільки страховий поліс, а мати 99%-ю впевненість у решаемости завдання, яка раніше не вважалася такою, - зовсім непогано.
Для нанопристроїв системи, подібної системі Хопфілда, поки не існує, але будемо сподіватися, що це «поки» не затягнеться дуже надовго.
Висновок
У ході виконання даної НДРС мною були опрацьовано безліч статей, присвячених питанням нанотехнології. Також була прочитана повість Станіслава Лема «Непереможний» і переглянуті відеоролики, що висвітлюють роботу нанороботів в різних сферах діяльності. Після виконаної роботи я прийшов до наступних висновків:
Завдяки стрімкому прогресу в таких технологіях, як оптика, нанолітографії, механохімія і 3D Прототипування, нанореволюція може відбутися вже протягом наступного десятиліття. Коли це станеться, нанотехнологія матиме неабиякий вплив практично на всі галузі промисловості та суспільства.
Людство отримає виключно комфортне середовище проживання, у якій не буде місця ні голоду, ні хвороб, ні виснажливих фізичних праці. А в перспективі нас чекає виникнення «розумної середовища перебування» (тобто природи, що стала безпосередньою продуктивною силою). Нанокомп'ютер і наномашини заповнять собою весь навколишній простір: вони будуть знаходитися між молекулами повітря, бути присутнім в кожному предметі, в кожній клітині людського організму. Весь навколишній світ перетвориться на один гігантський комп'ютер або, що, мабуть, буде вірніше, людство зіллється з навколишнім світом в єдиний розумний організм.
Посилання
1. http://www.nas.nasa.gov/Groups/Nanotechnology/publications/MGMS_EC1/simulation/data/index.html
2. nanorobots.ru
3. cooler-online.com
4. membrana.ru
5. nanonewsnet.ru
6. ibtechno.com
7. r0b.biz
8. nanoenot.pisem.net
9. nanodigest.ru