Nanotegnologie - Inligting - 2022
Enige menslike aktiwiteit, onbegryplik vir die meerderheid, word onmiddellik begroei met mites. Dit het natuurlik ook nanotegnologie beïnvloed - die belangrikste moderne wetenskaplike en tegnologiese projek. Almal het hiervan gehoor, maar min mense dink die wese van die rigting uit.
Die meeste glo dat nanotegnologie die manipulasie van atome is en die samestelling van mikro-voorwerpe daaruit. Maar dit is die belangrikste mite. Mites word gebore uit 'n gebrek aan kennis of 'n gebrek aan inligting. 'N Ander opsie is om opsetlik misleidings te plant ten einde aandag te trek, en daarom ook investering.
In die geval van die nanotegnologie-projek het die mites selfs gehelp om die proses te begin. Misleidings het egter 'n verrassende kwaliteit - as hulle gebore word, bly hulle hul lewens voort.
Ware nanotegnologie is so in stryd met die mites dat dit verwarring by mense se koppe skep, hulle verwerping en selfs ontkenning van die bestaan ​​van hierdie rigting in die algemeen. Daarom sal ons die belangrikste mites oor nanotegnologie oorweeg.
Die stigter en ideoloog van nanotegnologie is Richard Feynman. Hierdie mite is miskien die onskadelikste. Dit het in 1992 ontstaan ​​tydens 'n toespraak deur een van die profete van nanotegnologie, Eric Drexler, voor die Senaatskommissie. Om die projek waar te neem en bevorder te word, verwys die dosent na die stellings van Richard Feynman, 'n kundige op die gebied van deeltjiefisika en kwantumveldteorie. Die feit is dat die wetenskaplike 'n Nobelpryswenner was en 'n onwrikbare gesag in die oë van politici was. Feynman is egter in 1988 oorlede en kon hierdie stelling nie weerlê nie. Heel waarskynlik sou hy net gelag het, aangesien hy 'n beroemde joker was. Die gevierde toespraak van die wetenskaplike, waartydens die legendariese frase uitgespreek is: "Die beginsels van die fisika wat ons ken, verbied nie die skepping van voorwerpe" atoom vir atoom "nie, is deur kollegas meestal as een groot grap beskou. Die idee dat die manipulasie van atome moontlik is, het geblink. Verdere Drexler hierdie idee, wat die basis vorm van die belangrikste mites van die bedryf, kreatief ontwikkel het.
Nanotegnologie is afvalvry. Dit wil voorkom asof daar geen verkwisting van 'n voorwerp atoom vir atoom kan wees nie. Hierdie denke is egter inherent aan mense wat slegs na foto's kyk na die manipulasie van atome. Daar is geen rookpype of dreine nie. Dit wil voorkom asof 'n atoom oor 'n afstand van nanometers gesleep word en dat daar byna geen energie nodig is nie. Die vraag waarvandaan die atoom vandaan kom, is byna onsedelik. Die meeste mense het geen idee van die produksie-tegnologie nie, maar atome lê nie in 'n pakhuis en wag vir hul beurt nie? As ons vervaardigde goedere verbruik, konsentreer ons nie op hul verband met so 'n skadelike chemiese industrie nie. Dit is sy wat olie, gas of erts verbruik vir haar behoeftes. Maar vir baie mense is dit volgens nanotegnologie nie nodig nie - slegs individuele atome is nodig. Dit is egter net 'n idille; atome self bestaan ​​slegs in 'n vakuum, met die uitsondering van inerte gasse. In ander gevalle vorm hulle mekaar in wisselwerking en vorm dit nuwe chemiese verbindings - dit is die aard van dinge. Daarbenewens benodig enige tegnologie toepaslike gereedskap waarmee die produksie uitgevoer sal word. Dwing mikroskope en tonnelmikroskope, steriele laboratoriums in die algemeen, swaai die verbeelding as voorwerpe uit die toekoms. Dit alles, soos die mure, die dak en die fondament, sal egter op die gewone manier saamgestel word en nie van afvalvrye atome nie. Op 'n dag kan die mensdom 'n afvalvrye en omgewingsvriendelike produksie skep, maar dit sal met behulp van 'n ander tegniek en op verskillende beginsels geskep word.
Die bestaan ​​van nanomachines. Aanvanklik het dit gegaan oor 'n ander tegniek. Uiteraard is dit nodig om 'n toepaslike manipuleerder te hê om op die nanoskaal te ontwerp. Dit wil voorkom asof dit moontlik is om die grootte daarvan proporsioneel te verminder deur miniatuurfabrieke te organiseer wat onderdele sal boor en stempel. Hierdie benadering is egter eenvoudig. Op mikrovlak werk dit steeds, wat bestaan ​​uit mikro-elektromeganiese toestelle wat in motors, drukkers, lugversorgers, sensors en aanwysers gebruik word. As u onder 'n mikroskoop daarna kyk, kan u die gewone asse en ratte, suiers, kleppe en spieëls vind. Nanoobjekte het egter eienskappe wat verskil van makro- en mikroobjekte. Jy kan nie. Bepaal byvoorbeeld die grootte van transistors van die huidige 45 nm tot 10 proporsioneel, omdat hulle nie kan werk nie - elektrone sal deur die isolatorlaag begin tonnel. En die verbindingsdrade kan nie so dik soos 'n atoom wees nie, die stroom sal nie daardeur gelei word nie. So 'n struktuur sal óf disintegreer as gevolg van termiese beweging, óf in 'n hoop vergader en elektriese kontak verbreek. Net so, met die meganiese eienskappe van voorwerpe. Met 'n afname in hul grootte neem die verhouding van oppervlakte tot volume toe en wrywing neem toe. As gevolg hiervan, begin nano-voorwerpe letterlik aan mekaar of aan ander oppervlaktes plak wat as gevolg van hul kleinheid plat lyk. As u teen 'n vertikale muur moet loop, kan dit nuttig wees, maar as die toestel moet gly of loop, dan is die teendeel waar. Dit neem te veel energie om te beweeg. Selfs die nano-slinger sal onmiddellik stop - die lug self sal 'n belangrike struikelblok daarvoor word. Nanoobjekte het 'n hoë winding, selfs 'n deeltjie van 1 mikron groot, voel die invloed van klein molekules, wat kan ons sê oor elemente van 10 nm, wat minder as 'n miljoen keer weeg en die verhouding van gewig tot oppervlakte 100 keer minder is? In die media is daar egter voortdurend beskrywings van nanokopieë van moere, ratte en ander meganiese onderdele, waaruit dit bedoel is om bedryfsmasjiene te skep. Hierdie projekte kan nie ernstig opgeneem word nie. Natuurkundiges besef dat die skep van nanomeganiese of elektromeganiese toestelle verskillende beginsels benodig as makro- en selfs mikro-analoë. En die natuur sal hierin help, wat oor biljoene jare van evolusie 'n groot verskeidenheid molekulêre masjiene geskep het. Dit neem dekades om uit te vind hoe hulle werk, hoe dit aangepas kan word om aan u behoeftes te voldoen, en selfs te verbeter. Die bekendste voorbeeld van 'n natuurlike molekulêre motor is die vlagmotor van bakterieë. Biologiese masjiene bied ook spiersametrekking, voedingstof vervoer, en ioon vervoer oor selmembrane. Boonop het sulke molekulêre masjiene hoë doeltreffendheid - byna 100%. Dit is baie ekonomies, aangesien slegs 1% van die sel se energie spandeer word aan die werking van die elektriese motors wat die beweging van die sel verseker. Daarom kom wetenskaplikes tot die gevolgtrekking dat die mees realistiese manier om nanodevices te skep, die samewerking van fisici en bioloë is.
Die bestaan ​​van nanorobots. Laat ons sê dat u 'n skets van 'n nanodevisie gemaak het. Maar hoe kan u dit versamel, of beter, in verskillende eksemplare? Na aanleiding van Feynman se logika, kan u klein masjiene en miniatuur manipuleerders skep wat klaarprodukte sal saamstel. Hulle moet egter deur 'n persoon bestuur word, daar moet 'n soort toerusting of program wees vir beheer. Daarbenewens moet alle prosesse waargeneem word, byvoorbeeld met 'n mikroskoop. Eric Drexler het 'n alternatiewe idee in sy fantasieboek Machines of Creation uit 1986 voorgestel. Die skrywer, wat grootgeword het op die werke van Azimov, het voorgestel om meganiese masjiene met 'n grootte van 100-200 nm - nanorobots te gebruik vir die vervaardiging van nanodeerders. Terselfdertyd was dit nie meer sprake van pons of boor nie, robotte moes onmiddellik 'n toestel uit atome monteer, hulle is monteurs genoem. Maar selfs hier het die benadering meganies gebly. Die manipuleerders van die samesteller was veronderstel om etlike tientalle nanometer lank te wees, 'n enjin om die robot te beweeg en 'n outonome energiebron moet geïmplementeer word. Dit blyk dus dat die nanorobot self uit baie klein dele moet bestaan, elk 100-200 atome groot. Die belangrikste eenheid van die nanorobot was die boordrekenaar, wat bepaal watter molekule of atoom vasgevang moet word en waar om dit te plaas. Die lineêre afmetings van so 'n rekenaar moes egter nie 40-50 nm oorskry het nie, terwyl die hedendaagse tegnologie slegs een transistor van hierdie grootte kan skep. Daarna het Drexler die boek tot die verre toekoms toegespreek, en wetenskaplikes het destyds nie eens die moontlikheid bevestig om individuele atome te manipuleer nie. Dit het later gebeur toe 'n tonnelmikroskoop geskep is, beheer deur 'n kragtige rekenaar met miljarde transistors. Die droom van nanorobots was egter so aanloklik dat die ontdekking slegs geloofwaardigheid daaraan toegevoeg het. Nie net die skrywer het self in die projek geglo nie, maar ook joernaliste, senatore en die publiek. En net wetenskaplikes het luidrugtig verduidelik dat so 'n idee in beginsel onrealisties is. Die eenvoudigste verklaring is dat die manipuleerder wat die atoom vasgevang het, vir ewig daarby sal aansluit, aangesien 'n chemiese interaksie sal plaasvind. Is dit moontlik om nie saamstem met die Nobelpryswenner in die chemie Richard Smalley nie? Die idee van nanorobots leef egter steeds tot vandag toe, word meer ingewikkeld en kry nuwe toepassings.
Die bestaan ​​van mediese nanorobots. Hierdie mite was die afgelope tyd baie gewild: miljoene nanorobotte moet rondom die menslike liggaam rondtrek, veranderinge diagnoseer, die kleinste afbreekpunte herstel met nanoskalpelle, skrape met behulp van nanoskope afskraap, terwyl hulle êrens verslag doen oor die werk wat gedoen is. Waar is die waarborg egter dat die boodskap nie net deur die dokter, maar ook deur iemand anders ontvang sal word nie? Die bekendmaking van private inligting is duidelik. Sal robotte dan spioene word? Verder is die geloof in nanospies sterk. Verbasend genoeg is baie van wat in hierdie plan aangebied word, reeds geskep. Daar is indringende diagnostiese stelsels wat veranderinge in die liggaam rapporteer. Medisyne is ook geskep wat slegs op sekere selle werk; daar is ook stelsels vir die skoonmaak van bloedvate van gedenkplate en die opbou van beenweefsel. En wat spioenasie betref, is daar groot suksesse: skoonmaak van herinneringe, 'slim' stof en onsigbare opsporingstelsels. Slegs sulke stelsels van die toekoms het niks met Drexler-nanorobotte te make nie, behalwe vir hul grootte. Sulke prestasies sal moontlik wees deur die gesamentlike werk van fisici, chemici en bioloë wat binne die veld van sintetiese wetenskap en nanotegnologie werk.
Die teenwoordigheid van 'n fisiese metode vir die sintese van stowwe. Richard Feynman het eenkeer 'n ou droom van fisici onbewustelik verraai en gesê dat fisiese sintese moontlik is in die manipulering van atome. Net soos, sal chemici hulself wend tot fisici met bevele vir die sintese van 'n teikenmolekule met spesifieke eienskappe. Chemici stel egter nie belang in die sintese van 'n molekule nie; hulle werk met 'n stof, die produksie en transformasie daarvan. 'N Molekule is nie net 'n groep atome wat in 'n sekere volgorde gerangskik is nie, maar word ook verbind deur chemiese bindings. Per slot van rekening sal 'n vloeistof waarin daar een suurstof vir twee waterstofatome bestaan, nie noodwendig water wees nie. Miskien is dit net 'n mengsel van vloeibare suurstof en waterstof. Gestel u het daarin geslaag om 'n klomp van agt atome - twee koolstof en ses waterstof - saam te stel. Vir 'n fisikus is hierdie verbinding C2H6, en 'n chemikus dui op nog twee moontlikhede om atome te kombineer. En hoe kan so 'n molekule saamgestel word? Beweeg eers twee koolstofatome, of voeg 'n waterstofatoom by die koolstof? Wetenskaplikes weet hoe om atome te manipuleer, maar tot dusver slegs swaar en onreaktief. Komplekse strukture is gevorm uit atome van goud, yster, xenon. Maar hoe om met ligte en aktiewe atome van suurstof, waterstof, koolstof en stikstof te werk, is onduidelik. Dus is die samestelling van proteïene en nukleïensure nie so eenvoudig soos baie mense dit probeer voorstel nie. Daar is nog 'n nuanse wat die vooruitsigte vir fisieke sintese beperk. Chemici kry 'n stof waarin 'n groot aantal molekules voorkom. Daar is miljarde rande in 'n milliliter water. Hoe lank sal dit neem om so 'n kubus atoom bymekaar te maak. As u nou met 'n atoomkrag of met 'n tonnelmikroskoop werk, is dit soortgelyk aan kuns. 'N Mens kan dit nie sonder 'n spesiale opleiding van hoë gehalte doen nie; immers moet alle manipulasies met die hand gedoen word, en tussentydse resultate geëvalueer word. Die proses kan vergelyk word met die lê van 'n baksteen. Selfs as u sulke werk meganiseer en 'n miljoen atome per sekonde kan stapel, neem dit twee biljoen jaar om 'n kubus van 1 cm3 water te reproduseer! Dit is waarom miljoene fabrieke nie die probleem van sintese sal oplos nie, net soos 'n miljoen nanorobots wat in 'n persoon rondkruip, nie sy probleme sal oplos nie. Ons het net nie genoeg lewe om te wag vir die resultate van hul arbeid nie. Daarom het Richard Smalley Drexler in die openbaar versoek om die melding van 'skeppingsmasjiene' uit sy toesprake te verwyder om die publiek nie te mislei nie. Die idee om so 'n stof en materiale te bekom, moet egter nie onmiddellik laat vaar word nie. In die eerste plek is dit nie atome wat gemanipuleer kan word nie, maar veel groter blokke, byvoorbeeld koolstof nanobuise. In hierdie geval sal die probleem van ligte en aktiewe atome verdwyn, en sal die produktiwiteit onmiddellik met 'n aantal orde van grootte toeneem. Dus ontvang wetenskaplikes in laboratoriums reeds die eenvoudigste en enkele eksemplare van nanodeerders. Daarbenewens kan 'n mens sulke situasies opduik wanneer die instelling van 'n atoom, of bloot 'n impak van buite, die proses van selforganisasie of transformasies in die omgewing inisieer. As gevolg hiervan, kan baie akkurate oppervlakskandering en herhaalde blootstelling help om uitgebreide voorwerpe met 'n gewone nanostruktuur te skep. En hierdie metode kan unieke voorbeeldsjablone skep vir verdere kloning. Die natuur weet hoe om verskillende identiese klone van molekules en organismes te skep. Baie het gehoor van die polimerase-reaksie, wanneer 'n enkele stuk DNA wat uit biologiese materiaal onttrek is kunsmatig met chemiese maniere vermenigvuldig word. Maar waarom nie soortgelyke masjiene skep om ander molekules te kloon nie? Die bekende beginsels van chemie verbied dit nie, die voortplanting van molekules is baie eg en stem ooreen met die natuurwette.
Moontlikheid van 'n grys slym. In sy werke het Drexler twee soorte toestelle in die konsep ingebring. Die eerste is ontleders; hul funksies word na versamelaars omgeskakel. Sulke meganismes was veronderstel om die struktuur van 'n nuwe voorwerp te bestudeer en die atoomstruktuur daarvan te bewaar in die geheue van die nano-rekenaar. So 'n apparaat sou 'n droom van chemici wees; die wetenskap kan tot nou toe nie al die atome in 'n proteïen sien nie. 'N Akkurate bepaling van die struktuur van 'n molekule is slegs moontlik as dit in die samestelling van 'n kristal ingesluit is, tesame met miljoene soortgelyke. Dan kan u met behulp van die duur metode van X-straalstruktuuranalise die posisie van alle atome in die ruimte bepaal. Die tweede tipe was die skeppers, of replikators. Hulle belangrikste taak was om voortdurende produksie van versamelaars sowel as replikators van hul eie soort te wees, dit wil sê die reproduksie van nanorobots. Drexler het voorgestel dat replikators veel meer ingewikkelde meganismes moet wees as eenvoudige monteerders en uit honderde miljoene atome bestaan. As die duur van die replikasie in enkele minute gemeet word, sal meer as triljoen nuwe skeppers per dag herskep word, wat 'n meetkundige vordering sal maak, wat nuwe versamelaars sal produseer. Volgens hierdie mite is dit moontlik dat 'n situasie kan ontstaan ​​wanneer die stelsel slegs oorskakel na 'n modus van onbeperkte kloning, en al die aktiwiteite van replikators slegs daarop gemik is om sy eie bevolking te vergroot. Dit sal soos 'n soort oproer van nanomachines lyk.Dit wil voorkom asof nanorobots net vir hul eie konstruksie atome benodig wat uit die omgewing verkry kan word, sodat alles rondom hulle sal val in die hardnekkige manipuleerders van die ontmantelaars, en gevolglik is dit alles op die planeet, en daarmee sal ons 'grys slym' word - 'n groep nanorobotte. Die mite van die einde van die wêreld is nie nuut nie, geen wonder dat dit weer met hierdie nuwe tegnologie verskyn het nie. Fantasies oor grys goo hou direk verband met nanotegnologie, hierdie scenario is baie lief vir filmmakers, wat slegs die algemene wanopvatting versterk. So 'n verloop van gebeure is egter onmoontlik. Al dink u nog steeds aan die moontlikheid om iets essensiële uit atome saam te stel, dink daaraan. In die eerste plek het Drexler-replikators nie die kompleksiteit om hul eie soort te skep nie. Selfs 100 miljoen atome is nie genoeg om 'n rekenaar en eweredige geheue te vervaardig nie. Al neem ons aan dat 1 atoom 1 bit inligting bevat, is die totale hoeveelheid geheue 12,5 megagrepe, wat te klein is vir hierdie aktiwiteit. Daarbenewens sal replikators nie die grondstowwe wat hulle benodig, ontvang nie. Per slot van rekening verskil hul elementêre samestelling aansienlik van die wat deel is van die omgewing, insluitend biomassa. Dit neem baie tyd en energie om die nodige elemente te vind, af te lewer en te onttrek, en dit bepaal die reproduksietempo. In makro-afmetings sal so 'n samestelling soortgelyk wees aan die skepping van 'n masjiengereedskap uit elemente wat nog gevind moet word, ontgin en afgelewer word vanaf verskillende planete van die sonnestelsel. Daarom plaas die gebrek aan hulpbronne ook 'n beperking op die onbeperkte verspreiding van bevolkings van enige ander wesens, selfs baie meer perfek en aangepas as nanorobots.
In 2015 sal die mark vir nanotegnologie triljoene dollars beloop. Die rede vir die ontstaan ​​van so 'n mite was 'n verslag deur die National Science Foundation (NSF) in 2001 dat die mark vir nanotegnologie teen 2015 op 'n biljoen dollar gewaardeer sal word. Later is hierdie stelling nog meer oorskat; die rekordskatting is vandag die triljoen dollar. Sulke flitsende getalle lyk egter meer soos poniekoerante as ernstige marknavorsing. Vandag kan kundiges nie eens duidelik definieer wat nanotegnologie is nie. Dus, mikro-elektronika is reeds op pad om nano-elektronika te word, omdat die struktuur van elektroniese stroombane reeds die 100 nm-versperring oorgesteek het. Gevolglik sal die aantal maatskappye wat "nanoprodukte" produseer vinnig groei. Dit is waar, hulle sal baie bekende name hê - Toshiba, GE, Nokia, Bayer, Kraft, ens. Hul produkte kan as evolusionêre nanotegnologie geklassifiseer word. Maar om die mark vir rewolusionêre nanotegnologie, wat beplan om toestelle atoom vir atoom te monteer, akkuraat te beoordeel, is moeilik om te beoordeel, en daar kan dus nie verstaanbare ramings bestaan ​​nie. Boonop skat die bemarkingsnavorsing nie die waarde van 'n werklike nanotegnologiese proses, produk of materiaal nie. Slegs die totale koste van produkte word bereken, wat nanotegnologie insluit. Dit is 'n subtiele verskil en lei tot miljarde dollars in die verslagdoening. Die raming van Lux Research skat dus die netto mark vir nanomateriale teen 2010 op $ 3,6 miljard, terwyl die totale volume van die nanotegnologiemark op 1,5 biljoen dollar geraam word! Dit is eintlik nie die nanotegnologiemark wat beoordeel word nie, maar die mark vir produkte wat nanodeeltjies bevat. Dieselfde NSF beweer dat meer as 200 miljoen mense in die nano-industrie werksaam sou wees. Hierdie syfers klink in verslae en in subsidie-aansoeke. 8-10 jaar na die verslag het dit egter geblyk dat die nanotegnologiebedryf prakties nie bestaan ​​nie, ondanks die groot aantal navorsingsgroepe op verskillende gebiede.