Восход нанотехнологий

За «микро» идет «нано» — мир, где устройства и системы, размеры которых исчисляются миллиардными долями метра, строятся атом к атому и молекула к молекуле. Идею эту предложил в 1959 году Ричард Фейнман в своем знаменитом выступлении «Внизу еще полно места»5. В конце 1980–х Эрик Дрекспер, собравший свои гипотезы в работе «Двигатели создания», поднял новую волну интереса к наномируб. Немногим более десяти лет спустя в США начала работу щедро финансируемая Национальная программа нанотехнологий; подобные же усилия предпринимались в других странах7. Научные и технические журналы регулярно публиковали обзорные материалы по теме — то восторженные, то критические8. А Майкл Крайтон пугал читателей своего техно–триллера «Рой» мерзкими ордами самовоспроизводящихся наночастицЭ.

Наноштучки не просто мельче своих микробратьев, они и ведут себя иначе. В депо вступает квантовая физика. Здесь преобладает энергия химических связей и межатомных взаимодействий. Огромная площадь поверхности на единицу объема часто ведёт к появлению полезных химических и биологических свойств. Характеристики прочности, удельной мощности, трения, теплопроводности, а также износостойкости и надежности оказываются другими, нежели при больших размерах. Здесь нужно помнить об уязвимости крошечных подвижных частей при столкновении со сравнительно крупными молекулами воздуха. Там, внизу, проектировщикам приходится играть по новым правилам.

Появление сканирующего туннельного микроскопа в 1981 году позволило увидеть и сдвинуть единичный атом на поверхности образца. С тех пор нанотехнологи разработали целый ряд модификаций сканирующего микроскопа — в частности атомно–силовой микроскоп, — позволяющих передвигать атомы, как кубики Lego. Это дает возможность вручную собирать интереснейшие наноструктуры, но производство таких структур в целесообразных количествах требует эклектичной смеси из методов и техник, используемых в физике, химии, материаловедении, машиностроении, электротехнике и биологии. Многих из устоявшихся границ между этими дисциплинами в наномире просто не существует.

Если микропроизводство основано на контролируемом сверху придании материалу определенной формы, на наноуровне могут происходить определяемые снизу процессы самоорганизации. Как в биологических системах: структуры самопроизвольно выстраиваются из фрагментов атомного и молекулярного уровня, затем объединяются в более крупные и более сложные системы и так далее. Чтобы построить по такому принципу сверхсложные конструкции, нужны механизмы минимизации ошибок и автоматической корректировки на случай, если ошибка все‑таки была допущена.

На наноуровне впервые открываются возможности для молекулярной электроники и квантовых вычислений. Наноэлектронные схемы можно выстраивать из молекулярных «проводов» 10или из квантовых точек — беспроводных структур вроде электромагнитных «ящиков», содержащих определенное количество эпектронов11. Память и дисплеи компьютеров можно конструировать из углеродных нано–трубок12. Целые «вычислительные частицы» — взаимодействующие друг с другом в аморфной компьютерной системе — могут уменьшиться так, что будут летать, как пылинки, держаться на поверхности воды, как пыльца, и впрыскиваться в вену в качестве диагностических устройств13. А химические и биологические сенсоры смогут засекать одну–единственную молекулу.

НЭМС (наноэлектромеханические системы) могут включать в себя подвижные молекулярные фрагменты. Микроскопические двигатели, приводы, цепи, насосы и акселерометры, роботы размером с клопа и турбины с монетку существуют уже сегодня, а сеть пестрит изображениями, схемами и проектами механизмов наноразмеров. Наноустройства могут даже стать частью беспроводного мира. У5ке сегодня к отдельной молекуле ДНК можно прикрепить нанокристаллическую антенну и управлять ею с помощью радиосигналов14. По нашей команде двойная спираль может скручиваться или раскручиваться — работая, скажем, крохотным манипулятором либо переключателем или же меняя уровень экспрессии кодируемого ею гена в рамках биологической системы.