Знание-сила, 2008 № 08 (974) - [13]
— Итак, подводя промежуточный итог.
— Сейчас необходимо решение двух проблем. С одной стороны, формирование тех правил игры, которые позволят связать звенья цепочки «образование — наука — инновационные проекты — промышленность», а с другой — нам, самим ученым, настраиваться на конструктивный лад, понимая, что мы можем и должны принимать участие в процессе инновационного развития России. И будем все же оптимистами...
Материал подготовила О. Тарантина
Артем Коваленко
Зачем оно нам, нано?
В скором будущем я заканчиваю факультет наук о материалах Московского государственного университета имени М.ВЛомоносова. Хотел бы поделиться некоторыми соображениями по поводу той области знаний, с которой я собираюсь связать свою будущую жизнь, а именно «нанонаукой».
Пока писал эту статью, много размышлял, какое слово являлось бы наиболее подходящим для того раздела науки (науки, а не технологии), который привлекает сейчас такое большое количество молодых ученых.
В английском языке есть слово «nano-science», однако русского аналога я почему-то ни разу не слышал. Гораздо чаще встречается слово «нанотехнология».
Так что же, нано — это наука или технология?
Давайте попробуем разобраться, как же так получилось, что объекты размером порядка нескольких нанометров привлекли к себе такое внимание. Первым человеком, получившим наноматериал, был наш далекий предок, homo sapiens. К сожалению, он не знал, что сажа (продукт процесса горения при недостатке кислорода) может представлять большой интерес благодаря содержащимся в ней наночастицам углерода, которые являются в настоящий момент предметом исследования многих ученых. Но даже если бы нашему предку сказали об этом, думаю, он все равно бы не придал этому большого значения, потому что в его время наночастицы не могли нигде применяться.
Получением сверхтонких порошков также занимались задолго до формулировки Ричардом Фейнманом основных идей нанонауки, они были нужны в катализе, изучались в коллоидной химии (в виде суспензий). Ученые знали достаточно много о химических свойствах маленьких частиц вещества, об их повышенной реакционной способности, склонности к агрегации — слипанию под действием поверхностных сил и диффузии. Однако никому и в голову не приходило, какие разительные перемены в физических свойствах частиц могут происходить при уменьшении их размера до нанометрового. Почему? Потому что никто не мог измерить эти свойства: для нанообъектов нужны «наноприборы».
Но прошло время, и некоторые ученые поняли, что на микроуровне наш мир гораздо сложнее, чем в макромасштабе, в нем происходят различные «квантовые чудеса», такие, как квантование энергетических спектров, размазывание «области нахождения» частиц, туннелирование и так далее. О них люди узнавали только по косвенным признакам. Два принципа неопределенности Гейзенберга будто охраняли вход в ворота наномира молекул и атомов, давая исследователям только издали любоваться тем, что за этими воротами творилось. Однако каким-то фантастическим образом, будто подгоняя под ответ, некоторым энтузиастам удалось создать науку, «объясняющую» большинство экспериментальных фактов, относящихся к молекулам и атомам. Это была квантовая физика. Но у нее был один огромный недостаток — как только речь начинала идти не об отдельных молекулах и атомах, а о более крупных частицах вещества, уравнения квантовой физики становились нерешаемыми, порой даже приближенно и даже с помощью ЭВМ. Дополнительные трудности возникли вследствие отсутствия — на тот момент — экспериментальных данных по таким объектам. Для начала нужно было получить и исследовать их, а потом уже строить новые теории и модели.
Здесь я хочу процитировать Фейнмана о постепенном уменьшении размеров объектов. Великий ученый говорил: «Я думаю о создании системы с электрическим управлением, в которой используются изготовленные обычным способом «обслуживающие роботы» в виде уменьшенных в четыре раза копий «рук» оператора. Такие микромеханизмы смогут легко выполнять операции в уменьшенном масштабе. Я говорю о крошечных роботах, снабженных серводвигателями и маленькими «руками», которые могут закручивать столь же маленькие болты и гайки, сверлить очень маленькие отверстия и т.д. Короче говоря, они смогут выполнять все работы в масштабе 1:4. Для этого, конечно, сначала следует изготовить необходимые механизмы, инструменты и руки- манипуляторы в одну четвертую обычной величины (на самом деле, ясно, что это означает уменьшение всех поверхностей контакта в 16 раз). На последнем этапе эти устройства будут оборудованы серводвигателями (с уменьшенной в 16 раз мощностью) и присоединены к обычной системе электрического управления. После этого можно будет пользоваться уменьшенными в 16 раз руками-манипуляторами! Сфера применения таких микророботов, а также микромашин может быть довольно широкой — от хирургических операций до транспортирования и переработки радиоактивных материалов. Я надеюсь, что принцип предлагаемой программы, а также связанные с ней неожиданные проблемы и блестящие возможности понятны. Более того, можно задуматься о возможности дальнейшего существенного уменьшения масштабов, что, естественно, потребует дальнейших конструкционных изменений и модификаций (кстати, на определенном этапе, возможно, придется отказаться от «рук» привычной формы), но позволит изготовить новые, значительно более совершенные устройства описанного типа. Ничто не мешает продолжить этот процесс и создать сколько угодно крошечные станки, поскольку не имеется ограничений, связанных с размещением станков или их материалоемкостью. В принципе можно было бы организовать миллионы одинаковых миниатюрных заводиков, на которых крошечные станки непрерывно сверлили бы отверстия, штамповали детали и т.п.».
