Звезды наносцены

В зону наномасштабов, где привычные законы мира "настоящих вещей" переплетаются и конфликтуют с зыбкой реальностью мира квантов, мы начинаем входить только сейчас. Предметы большего размера техника освоила давно, и шлифовка многотонной турбины с микронной точностью никого не удивляет. Но и предметами в миллион раз меньше нанометра, атомными ядрами и элементарными частицами человечество непринужденно оперирует уже много десятилетий, создавая ядерные бомбы, реакторы, большие и малые коллайдеры.

В мире малых величин

Приставка "нано" происходит от греческого "нанос" — "карлик" и означает миллиардную долю чего-нибудь. В контексте нанотехнологий — миллиардную долю метра, то есть нанометр. Представить этот масштаб помогают деньги: нанометр и метр соотносятся как копеечная монета и земной шар (а если каждый житель Земли даст по монетке, этого хватит, чтобы выложить цепочку вокруг экватора, даже если кое-кто, как обычно, пожадничает). Миллиметрами (тысячная доля метра) размечена школьная линейка, микрометры (они же микроны, миллионная доля метра) — размер того, что видно в хороший микроскоп (клетки, микробы и их органы), ну а в нанометрах измеряют вирусы, крупные молекулы, с недавних пор — транзисторы в компьютерных процессорах. Величина атомов — десятые доли нанометра. Если бы мы были ростом нанометр, то могли бы играть атомами в футбол. Чем же эта пограничная зона так поразила воображение мировых лидеров технологического прогресса, что они бросились вкладывать колоссальные средства в ее изучение и освоение? Дело в том, что очень многое и в технике, и в природе, и в повседневной жизни определяется именно процессами, идущими в наномасштабах. Они влияют на прочность домов и чистоту воздуха, быстродействие компьютеров и эффективность лекарств.

Более того, жизнь любой бактерии, цветка или человека поддерживается непрерывной работой бесчисленных природных наномашин, которые управляют развитием и делением клеток: молекулы ДНК и РНК копируют и передают информацию, а особые органы клетки, рибосомы, на основе этой информации собирают белки из аминокислот-заготовок. Сбой в работе этих нанозаводов ведет к очень печальным последствиям. Вот почему более чем заманчиво было бы научиться управлять нанопроцессами, чинить испорченные наномашины и строить новые, которых никогда не было в природе.

Все это было осознано давным-давно — впервые о таких перспективах сказал великий американский физик Ричард Фейнман в своей новогодней лекции 29 декабря 1959 года. В качестве дальнего рубежа он намечал даже изготовление заданных веществ путем прямой сборки из атомов, без химического синтеза. Инструменты, пригодные для столь точной работы в наномасштабах, действительно появились, но гораздо позже. В 1980-х годах были созданы сканирующий туннельный микроскоп и атомно-силовой микроскоп, позволяющие не только видеть отдельные атомы, но и собирать из них кое-какие конструкции, как из кубиков. Наномир впервые стал доступным не только для исследования, но и для преобразования. С тех пор разработан целый набор средств для создания нанометровых структур в самых различных материалах. До искусственных рибосом и замены химии на атомный конвейер еще далеко, но сделать действующий автомобильчик с колесами в одну молекулу или портрет нового президента США из 150 млн нанотрубок сегодня уже не научный подвиг, а просто нанотехнологичная шутка.

Нанотехнологиями как раз и называют всевозможные способы создания материалов и конструкций с ценными, иногда просто удивительными свойствами, определяемыми их строением в диапазоне наномасштабов. Нанокапсулы для прямой доставки лекарств к пораженным клеткам и бумага из нанотрубок многократно прочнее стали, сверхмалые транзисторы на нанопроводах и солнечные элементы на гибких нанопленках — все это и многое другое уже существует как продукты нанотехнологий. Нанотехнологии изменят наш мир не меньше, чем изменили его компьютеры, интернет и мобильная связь в прошедшие десятилетия.

Энергия измельчения

Самый простой вид нанопродукции — наночастицы. Измельчение до частиц размером в десятки или сотни нанометров часто придает давно известным материалам новые полезные качества. Одна из причин в том, что суммарная поверхность частиц в таком нанопорошке становится огромной. Наночастица состоит всего лишь из нескольких тысяч или миллионов атомов, а это очень мало — ведь даже в невидимой простым глазом живой клетке атомов в миллионы раз больше. Поэтому материал в нанопорошке как бы выворачивается наизнанку, почти все атомы оказываются на поверхности, на границе с внешним миром и энергично с ним взаимодействуют.

Например, серебро в форме наночастиц становится губительным для бактерий — это успешно применяется в современных ранозаживляющих повязках. Другой пример — нанорезина, нанопорошок из отработанных шин. Когда его добавляют в сырье для асфальта, дорога, покрытая таким асфальтом, служит в несколько раз дольше обычной.

Нанопорошки глины в последние годы используют в изолирующих покрытиях силовых кабелей — такая изоляция очень плохо горит, и это повышает безопасность зданий. Наночастицы диоксида титана (основы всем известных титановых белил) помогли создать самоочищающееся стекло: их локальная химия не дает мелким частичкам грязи прилипать к стеклу.

Мягкие металлы добавляют в виде наночастиц в масло для автомобилей, и износ деталей двигателя резко снижается. Daimler и Nissan применяют в ряде моделей лак с керамическими наночастицами для защиты от царапин и придания особого блеска. Нанопорошок алюминия в твердом ракетном топливе радикально ускоряет его сгорание, а наночастицы соединений платины очень эффективно работают в автомобильных катализаторах.

Основа энергетики мобильных устройств, фонариков и игрушек — обычная литий-ионная батарейка полностью обновилась за счет использования наноматериалов. Недавно начался промышленный выпуск литий-ионных аккумуляторов, содержащих наночастицы,— они заряжаются с немыслимой еще вчера скоростью: на 80% всего за минуту (обычно для этого требуется несколько часов).

Впрочем, столь прозаичные, хотя и эффектные примеры не очень-то убеждают в том, что нанотехнологии заметно изменят облик техносферы и наш образ жизни. Радикальных перемен ждут от более сложных наноструктур — звезд сегодняшней наносцены.

Нанотрубки и наноковрики

Сегодня символ нанотеха — углеродная нанотрубка, свернутая из одного слоя атомов углерода, как из листа бумаги. Типичный диаметр трубки — несколько нанометров. Длина иногда в миллионы раз больше (при массовом выращивании в лучших современных установках она достигает долей миллиметра). Первые в истории нанотрубки углерода были получены в экспериментах советских ученых еще в 1952 году — они появлялись в саже электродуговых свечей. Тогда на них не обратили внимания, и только в 1991 году этот замечательный наноматериал был вновь открыт в Японии и сразу приобрел всемирную славу.

Углеродные нанотрубки в 20 раз прочнее и в 10 раз легче стали. Сплетенная из них нить толщиной в пару десятков микрон в пять раз крепче волокон кевлара. Чрезвычайно прочна и нанобумага из этих частиц, которую уже научились производить со скоростью несколько метров в минуту. Удивительно, но из таких же трубок делаются и прозрачные электропроводящие пленки толщиной в десятки нанометров для использования в дисплеях и телевизорах. Углеродные нанотрубки могут быть хорошими проводниками тока, а могут — и полупроводниками. В обоих случаях заманчивое применение — наноэлектроника, так как размеры нынешних транзисторов и проводов в микросхемах скоро будет невозможно уменьшить традиционными методами. Трубки из углерода и других материалов открывают здесь новую перспективу: не исключено, что процессор недалекого будущего будет похож на лес нанотрубок, выращенный на подложке. Месяц назад китайские ученые продемонстрировали даже громкоговоритель на пленке из нанотрубок. Его можно приклеить к стене или повесить на крючок, как полотенце. В устройстве нет мембраны — звук порождается быстрыми колебаниями температуры пленки при прохождении переменного тока.

Одно из самых перспективных направлений в нанотехнологиях — разработка сверхмалых датчиков чего угодно. Нанотрубки служат для них чувствительными элементами. Поле применения таких датчиков огромно, от медицинской диагностики до непрерывного детального наблюдения за средой обитания. Уже созданы нанодатчики взрывчатки, такие же чувствительные, как нос собаки, хотя пока и не такие избирательные.

Фуллерен — еще одно громкое нанослово. Молекулы этой формы углерода — симметричные многогранники из атомов, похожие на футбольный мяч. Классический фуллерен из 60 атомов впервые получил один из пионеров нанотехнологий Ричард Смолли с коллегами в 1980-х годах. Новые структуры назвали в честь инженера и философа Бакминстера Фуллера, который использовал аналогичные многогранники в строительных конструкциях.

Массой невероятных и полезных свойств обладает открытый совсем недавно графен, плоский, толщиной в один атом, ковер из шестиугольных ячеек атомов углерода (в сущности, тот самый лист, из которого свернуты фуллерены и нанотрубки). Не исключено, что этот материал заменит кремний в электронике нового поколения, а трехмерные нанопористые структуры из таких листов будут, по расчетам, крайне эффективным хранилищем водорода в водородных элементах. Недавно выяснилось, что графен еще и самый прочный из известных сегодня материалов. Создатели графена (работающие в Англии физики российского происхождения) номинированы на Нобелевскую премию следующего года.

Фуллерены, нанотрубки, графен пробуются на сотни ролей в наноиндустрии, и каждый день появляются сообщения о новых достижениях. Многие из них связаны с энергетикой — так, в наступающем году начинается выпуск солнечных элементов на органических нанопленках, и возникающие в пленке токи собирают как раз с помощью фуллеренов.

Логика искусственных атомов

Еще один культовый персонаж наносцены — квантовая точка, наноразмерный кристалл полупроводника. Физика таких кристаллов во многом схожа с физикой отдельного атома, поэтому их часто называют искусственными атомами. Основные области применения — источники света, дисплеи, медицинские датчики, энергетика.

Квантовые точки — очень удобный источник света, причем цвет его зависит от размера: чем точка больше, тем ее свет краснее, чем меньше — тем он голубее. Существуют и белые квантовые точки, их массивы в сочетании с обычными светодиодами дают при малых затратах энергии свет, близкий по восприятию к натуральному, солнечному. Разноцветные же квантовые точки инженеры очень хотели бы использовать в дисплеях с высоким качеством цветопередачи и большой яркости — такие дисплеи могли бы просто печататься на полимерных пленках. Первые экспериментальные образцы появились два года назад, компании-разработчики проходят все новые раунды инвестиций, однако на рынок устройства пока не вышли.

На основе квантовых точек создается целый спектр медицинских приложений. Эти кристаллики крайне удобны в качестве маркеров. Их планируют использовать для точной визуализации опухолей. Например, квантовая точка связывается с биологической частицей, настроенной на какие-нибудь нехорошие клетки, и та находит такую клетку в организме. После этого квантовая точка начинает подавать сигналы, причем не только светом, но иногда и звуком. Отметим, что визуализация опухоли может быть жизненно важной: во время операций она помогает хирургу удалить только то, что необходимо. Квантовые точки начинают использовать и для более тонких исследований: ими можно пометить индивидуальные клетки и даже отдельные биомолекулы, а потом следить, куда они перемещаются и что с ними происходит. Сейчас главная сложность применения квантовых точек в медицине — подобрать нетоксичный материал для их изготовления.

Квантовые точки считаются перспективным материалом для солнечных батарей. Они могут работать как одноэлектронные транзисторы в логических схемах, используя единичные электроны как носитель информации. Но это пока задача на послезавтра.

От нанокапсул к наномышцам

Медицинское применение нанотеха, безусловно, находится среди важнейших и обещающих самый быстрый успех. Одно из главных направлений работы — нанокапсулы для адресной доставки лекарств. Они движутся прямо к пораженным клеткам и воздействуют нужным веществом только на них, не повреждая здоровые. Эта идея была сформулирована еще в 20-е годы прошлого века под названием "золотая пуля" — но только наноматериалы позволили приблизиться к ее реализации, и лекарства такого типа уже начинают применять, в том числе для лечения некоторых форм рака.

Одна из конструкций такова: противоопухолевый антибиотик или препарат для химиотерапии помещается в липосому — шарик из биоматериала размером не более 200 нанометров (иначе не получится взаимодействия с клеткой). Этот шарик, как волосами, окутан цепочками полимеров, к которым присоединены антитела, определяющие "адрес доставки", то есть способность связываться с заданным антигеном на поверхности раковой клетки. Если сделать липосому еще и чувствительной к повышению температуры, то лекарственный препарат будет высвобождаться по команде извне — только при нагревании.

Наночастицы помогают решить и другие проблемы с доставкой лекарств в организм. Так, человеческий мозг имеет сильную природную защиту от проникновения ненужных веществ по кровеносным сосудам — и блокирует лекарства от тяжелых болезней самого мозга. Чтобы ввести эти лекарства, необходима серьезная операция. Сейчас испытывается безоперационный способ доставки таких лекарств с помощью наночастиц. К белку, который свободно преодолевает мозговой барьер, "пристегивается" наночастица для диагностики и лечения.

Диагностика — еще одно важнейшее направление в наномедицине. Вот один пример. Работа над знаменитым проектом "Геном человека" заняла много лет, но врачам нужно иметь карту генов не человека вообще, а данного пациента — это поможет вовремя прогнозировать его будущие болезни и создавать индивидуальные лекарства от них. Сейчас процесс расшифровки генома не затягивается на годы, но все равно очень длителен и дорог. Его радикальное ускорение и, главное, удешевление — одна из самых масштабных задач современной медицины, и в ней себя уже очень хорошо показали нанопористые материалы. Наноматериалы крайне ценны для протезирования. В следующем году начинается выпуск наноцемента для костей — он будет заполнять повреждения, создавая основу для нарастания здоровой ткани. В более отдаленной перспективе в медицину придут наноматериалы для искусственных хрящей (пока это лабораторные разработки), а позже, возможно, и мышц.

Краткая история будущего

Все перечисленное — либо уже в практике, либо готовится, тестируется, настраивается. Одни идеи сработают, другие нет, одни инноваторы встроятся в экосистему рынка, другие сойдут со сцены — но проекты, о которых мы говорили, фантастикой сегодня уже никто не назовет. Однако мы говорили лишь о винтиках, гайках, кирпичах нанотеха. Самое же интересное и интригующее — какими будут системы, построенные из этих деталей. Здесь тоже есть идеи, которые привлекают все большее внимание серьезных разработчиков-практиков.

Одна из них — самоорганизующиеся сети автономных нанодатчиков и других наноустройств. Как только нанодатчики удастся сделать достаточно интеллектуальными, вполне могут появиться сети непрерывного наблюдения, которые самостоятельно замечают и отслеживают всевозможные неприятности — от землетрясений и пожаров до порчи продуктов на полках магазинов. Легко вообразить и не столь гуманное применение таких сетей — в военных и разведывательных целях. Скорее всего, аппаратная база не заставит себя долго ждать — во всяком случае, радиоприемник на одной нанотрубке уже существует.

Еще одна футуристическая идея, родившаяся одновременно с идеей самих нанотехнологий,— это, конечно, массовая нанофабрикация. Энтузиазм по этой части велик, но мало-мальски реалистичных проектов сборки из элементарных наноблоков чего-нибудь большого и серьезного пока не видно. Однако уже очень успешно идут эксперименты по сборке нанопроводов с помощью молекул ДНК. Уже издаются серьезные научные журналы по нанофабрикации, где можно прочитать о матрицах микромеханических устройств на полупроводниковой подложке, согласованно собирающих из нанотрубок простейшие наноконструкции.

Уже придуман не один десяток сценариев дальнейшего развития нанотехнологий и их преобразующего воздействия на технику, природу и общество. Но предугадать путь развития в истории не удавалось никогда, вряд ли это удастся сделать и сейчас. Несомненно одно: далеко не всегда новые наноидеи и наноразработки нацелены на получение прямой пользы и решение практических задач. Интерес к нанотехнологиям сейчас настолько велик, что именно он часто стимулирует неожиданные повороты в их развитии. Многое в лабораториях и мастерских делается просто для того, чтобы испытать какое-нибудь эффектное нано. Между прочим, в конце своей знаменитой лекции Фейнман сказал, что главным мотивом для ученых в любом случае будет интерес как таковой,— он оказался прав и в этом.