Лекция 7 (2 часа). Атомно-силовой микроскоп

 

Принципы действия атомно-силового и туннельного мик­роскопов практически одинаковы, только в отличие от тун­нельного работа атомно-силового микроскопа основана на ис­пользовании сил межатомных связей. На малых расстояниях (около 0,1 нм) между атомами двух тел действуют силы отталки­вания, а на больших - силы притяжения.

В сканирующем атомно-силовом микроскопе такими тела­ми служат исследуемая поверхность и скользящее над нею ост­рие. В качестве зонда в АСМ обычно используется алмазная иг­ла. При изменении силы F, действующей между поверхностью и острием, пружинка, на которой оно закреплено, отклоняется, и это регистрируется датчиком. Величина отклонения упругого элемента (пружинки) несет информацию о рельефе поверхности.

В общем, туннельный и атомно-силовой микроскопы очень похожи, но у них есть одно важное отличие - конструкция иглы. В туннельном игла принципиально закреплена очень жестко и никогда не должна касаться поверхности, а в атомно-силовом обязательно на упругом подвесе (кантилевере) и может работать даже в прямом контакте с образцом. Для СТМ чем острее игла, тем лучше, а в атомно-силовом микроскопе слишком острая игла будет давать слишком маленький сигнал, который трудно зарегистрировать. Первое время кантилеверы для АСМ делали из золотой фольги с алмазным наконечником или из бытовой алюминиевой фольги с вольфрамовой проволочкой, а потом перешли на кремниевые, которые широко используются до сих пор. Колебания кантилевера регистрируют с помощью напыленного на него маленького, зеркальца.

Атомно-силовой микроскоп (АСМ) был изобретён в 1986 году Гердом Биннигом, Кэлвином Куэйтом и Кристофером Гербером. В основе работы АСМ лежит силовое взаимодействие между зондом и поверхностью, для регистрации которого используются специальные зондовые датчики, представляющие собой упругую консоль с острым зондом на конце (рис. 7). Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Регистрируя величину изгиба, можно контролировать силу взаимодействия зонда с поверхностью.

Рис.10

 

По мере приближения иглы к поверхности ее атомы все сильней притягиваются к атомам образца. Сила притяжения будет возрастать, пока игла и поверхность не сблизятся нас­только, что их электронные облака начнут отталкиваться элект­ростатически. При дальнейшем сближении электростатическое отталкивание экспоненциально ослабляет силу притяжения. Эти силы уравновешиваются на расстоянии между атомами около 0,2 нм.

Рис.11. Схематическое изображение зондового датчика АСМ

 

Качественно работу АСМ можно пояснить на примере сил Ван-дер-Ваальса.

Наиболее часто энергию ван-дер-ваальсова взаимодействия двух атомов, находящихся на расстоянии r друг от друга, аппроксимируют степенной функцией – потенциалом Леннарда-Джонса:

Первое слагаемое в данном выражении описывает дальнодействующее

притяжение, обусловленное, в основном, диполь - дипольным взаимодействием атомов. Второе слагаемое учитывает отталкивание атомов на малых расстояниях. Параметр ro – равновесное расстояние между атомами, 0 U - значение энергии в минимуме, (рис.12).

 

Рис. 12. Качественный вид потенциала Леннарда – Джонса

 

Потенциал Леннарда-Джонса позволяет оценить силу взаимодействия зонда с образцом. Общую энергию системы можно получить, суммируя элементарные взаимодействия для каждого из атомов зонда и образца, (рис.12).

 

Рис. 13. К расчету энергии взаимодействия зонда и образца

Тогда для энергии взаимодействия получаем:

где n (r) S и n (r') P - плотности атомов в материале образца и зонда.

Соответственно сила, действующая на зонд со стороны поверхности, может быть вычислена следующим образом:

В общем случае данная сила имеет как нормальную к поверхности, так и латеральную (лежащую в плоскости поверхности образца) составляющие. Реальное взаимодействие зонда с образцом имеет более сложный характер, однако основные черты данного взаимодействия сохраняются - зонд АСМ испытывает притяжение со стороны образца на больших расстояниях и отталкивание на малых.

 

 

Лекция 8 (2ч.). Средства сканирования поверхности. Разновидности АСМ.

 

Получение АСМ изображений рельефа поверхности связано с регистрацией малых изгибов упругой консоли зондового датчика. В атомно-силовой микроскопии для этой цели широко используются оптические методы (рис. 14).

 

Рис. 14. Схема оптической регистрации изгиба консоли зондового датчика АСМ

 

Оптическая система АСМ юстируется таким образом, чтобы излучение

полупроводникового лазера фокусировалось на консоли зондового датчика, а

отраженный пучок попадал в центр фоточувствительной области фотоприемника. В качестве позиционно - чувствительных фотоприемников применяются четырехсекционные полупроводниковые фотодиоды.

Рис. 15. Соответствие между типом изгибных деформаций консоли зондового датчика и изменением положения пятна засветки на фотодиоде

 

Основные регистрируемые оптической системой параметры - это деформации изгиба консоли под действием Z-компонент сил притяжения или отталкивания (FZ) и деформации кручения консоли под действием латеральных компонент сил (FL) взаимодействия зонда с поверхностью. Если обозначить исходные значения фототока в секциях фотодиода через I01, I02, I03, I04, а через I1, I2, I3, I4 - значения токов после изменения положения консоли, то разностные токи с различных секций фотодиода Δ Ii = Ii - I0i будут однозначно характеризовать величину и направление изгиба консоли зондового датчика АСМ. Действительно, разность токов вида

пропорциональна изгибу консоли под действием силы, действующей по нормали к поверхности образца (рис. 15 (а)).

 

А комбинация разностных токов вида

характеризует изгиб консоли под действием латеральных сил (рис. 15 (б)). Величина Δ I Z используется в качестве входного параметра в петле обратной

связи атомно-силового микроскопа. Система обратной связи (ОС) обеспечивает Δ I Z = const с помощью пьезоэлектрического исполнительного

элемента, который поддерживает изгиб консоли Δ Z равным величине Δ Z 0, задаваемой оператором

Рис. 16. Упрощенная схема организации обратной связи в атомно-силовом микроскопе

 

При сканировании образца в режиме Δ Z = const зонд перемещается вдоль поверхности, при этом напряжение на Z-электроде сканера записывается в память компьютера в качестве рельефа поверхности Z = f (x,y). Пространственное разрешение АСМ определяется радиусом закругления зонда и чувствительностью системы, регистрирующей отклонения консоли. В настоящее время реализованы конструкции АСМ, позволяющие получать атомарное разрешение при исследовании поверхности образцов.

 

Поскольку АСМ не требует, чтобы образцы были проводящими, он позволяет исследовать свойства проводников и изоляторов, молекул ДНК и других мягких материалов.

 

Сегодня СТМ и АСМ уже стали широко распространенными исследовательскими инструментами. Появилась целая индустрия, где можно найти всё: от игл и кантилеверов до сложных исследовательских комплексов. И тем не менее работа с туннельным микроскопом, как и 20 лет назад, остается уделом профессиональных физиков. Чтобы получить даже на фирменном СТМ за полмиллиона долларов изображение какого-нибудь необычного материала с разрешением в сотые доли ангстрема, потребуется немалое мастерство.

 

И все же туннельный микроскоп при достаточном умении и средствах не только наблюдать, но и создавать уникальные картины. Когда напряжение между иглой образцом и иглой несколько больше, чем в рабочем режиме туннелирования, атом образца (на самом деле ион) может «перескочить» на иглу. Сменив напряжение, можно заставить его «спрыгнуть» обратно. Если в промежутке между этими событиями игла сдвинулась, атом вернется уже на другое место. Подучается, что можно как угодно манипулировать атомами! Всё, что для этого нужно, - хороший туннельный микроскоп, охлажденный до нескольких градусов выше абсолютного нуля (чтобы атомы не разбегались под действием теплового движения), подходящая игла и масса терпения. Первыми продемонстрировали ловкость рук сотрудники IBM. Они выложили логотип своей фирмы атомами ксенона на поверхности никеля (рис. 17).

 

Рис. 17. Логотип IBM из атомов ксенона

 

С тех пор прошло уже больше 15 лет, но до сих пор такое развлечение могут себе позволить всего лишь несколько исследовательских групп в мире.

Атомно-силовая микроскопия оказалась настолько эффективной, что на ее основе были созданы другие специфические методики, позволяющие получать картины не только рельефа поверхности, но и многих других показателей. В частности, на сегодняшний день наиболее распространены следующие разновидности АСМ:

 

1. Магнитно-силовой микроскоп (МСМ) в качестве зонда использует намагниченное острие. Его взаимодействие с поверхностью образца позволяет регистрировать магнитные микрополя и представлять их в качестве карты намагниченности.

2. Электро-силовой микроскоп (ЭСМ) - в нем острие и образец рассматриваются как конденсатор, и измеряется изменение ёмкости вдоль поверхности образца.

3. Сканирующий тепловой микроскоп регистрирует распределение температуры по поверхности образца. Его разрешение достигает порядка 50 нм, так как в меньших масштабах такая макроскопическая характеристика вещества как температура не применима.

4. Сканирующий фрикционный микроскоп "скребется" по поверхности, составляя карту сил трения.

5. Магниторезонансный микроскоп позволяет получать изображение спинов отдельных электронов, отслеживая реакцию поверхности на быстро изменяющееся магнитное поле зонда.

6. Атомно-силовой акустический микроскоп позволяет очень точно измерять модуль Юнга в каждой точке как мягких, так и твердых образцов. Одним из недостатков АСМ является невозможность изучить глубинную структуру образца - ведь зонд скользит по поверхности и не может заглянуть внутрь. Однако и это ограничение удалось обойти - ученые уже построили настоящий дизассемблер, названный трехмерным атомно-зондовым томографом, который сканирует небольшой участок, потом «выщипывает» слой толщиной в один атом и сканирует участок снова, записывая параметры каждого нового атома. Современные томографы успевают «выщипать» 20.000 атомов в секунду - т.е. 72 миллиона атомов в час.

Нанотехнология - это технология общего назначения, то есть она применима во всех сферах производства, как то в:

1. Материаловедении;

2. Авиации и космонавтики;

3. Электроники, компьютерных технологиях, робототехнике;

4. Промышленности;

5. Вооружении;

6. Медицине;

7. Экологии.

 

 

ЛЕКЦИЯ 17 (2ч.). Социальный и культурный эффект внедрения нанотехнологий.

Овладение человечеством набором современных передовых технологий, многократно увеличивающим его возможности, естественно и неизбежно вызывает самые существенные сдвиги в жизни общества. И это должно быть также предметом изучения, т.к. здесь затрагиваются фундаментальные, методологические основы дисциплины, формируются у специалиста морально-этические, нравственные отношения к его будущей деятельности.

Ученые уже достаточно близко подошли к моделированию структур живой материи, которая, как известно, отличается от неживой способностью к самопостроению и к саморегуляции, что может привести к перевороту в науке и в жизни, так как затрагивает ряд значимых проблем философской антропологии, – будет возможно создание бионических приборов, клеточных мембран из биоорганики, даже биологических органов и объектов, вплоть до отдельных искусственно собранных, но "живых" органов человека и в пределе – построения самого совершенного компьютера, подобного по структуре и принципу действия мозгу человека.

Раньше наука занималась анализом, а теперь, благодаря нанотехнологиям, ученые впервые в истории человечества приступают к синтезу, пробуя получить возможность по своей воле создавать новый мир на основе биоорганики, которая соединила физику и молекулярную биологию.

Нанотехнологии позволяют осуществлять манипуляции с отдельными молекулами и атомами, моделировать «изобретения» живой природы; они открывают уникальные перспективы для творчества. Становится ясно, что по своим потенциальным возможностям и следующим из них социокультурным последствиям атомно-молекулярные технологии превосходят все, что было до сих пор достигнуто человечеством.

Вполне закономерно, что в начале XXI столетия все более значимым становится философская рефлексия социокультурных последствий развития нанотехнологии, что предполагает выяснение особенностей нанотехнологии, анализ влияния этой новой области деятельности на проектирование социальной реальности, рассмотрение новых культурных стереотипов, поиск нового подхода к традиционно понимаемому гуманизму, прогнозирование возможных социокультурных последствий развития нанотехнологии, выявление изменения социальных ценностей, тайны зарождения и смысла человеческой жизни под воздействием перспектив развития нанотехнологии.

Важен социально-философский анализ социокультурных последствий развития нанотехнологии, чья мощь не только обладает положительным потенциалом, но и угрожает существованию человечества в рамках техногенной цивилизации. Сейчас в связи с развитием нанотехнологии и формированием новой цивилизации традиционные представления о социальном и природном мире уже не вполне адекватны действительности. Именно поэтому социокультурные последствия развития нанотехнологии (в условиях, когда происходит смена парадигм научного познания и стремительное совершенствование новых высоких технологий) требуют глубокого, основательного исследования. Здесь существенная роль может принадлежать теориям социального конструирования реальности, теории информационного общества, цивилизационному подходу, структурным моделям культуры и другим концепциям и принципам социальной философии, связанным с рассмотрением места технологии в социуме.

Сегодня спектр возможностей применения нанотехнологии охватывает практически все сферы человеческой жизнедеятельности, изменяя технологические парадигмы. Не случайно в научных исследованиях делается вывод о фактически наличной смене технологических парадигм от микро- к нано. Такого рода смена характеризует начало изменений, ведущих к глобальным последствиям уже цивилизационного характера.

Развитие и внедрение нанотехнологии приводят к возникновению другой социокультурной реальности, что ставит новые этические вопросы, которые органически связаны с осуществлением возможных проектов. К последним относится, например, полное описание процессов мышления и характером осознания действительности мозгом человека; замедление процессов старения или возможность омоложения человеческого организма; разработка интерфейсов типа мозг/мозг или мозг/ЭВМ; создание роботов и других устройств, которые обладают хотя бы частичной индивидуальностью, и т.д. Наряду с появлением этических проблем, порожденных данными проектами, произойдет трансформация тех этических ценностей, которых многие люди придерживаются теперь. Развитие и внедрение нанотехнологии приведут к культурному эффекту, состоящему в усилении позиций одних этических ценностей и девальвации других.

Нанотехнология выступает как социальная технология, так как она опосредованно через промышленность организует социальное взаимодействие. Важно подчеркнуть кардинальное отличие нанотехнологии от всех остальных технологий, которое состоит в том, что она позволяет преобразовывать мир на атомно-молекулярном уровне и использовать его неисчерпаемые ресурсы.

Среди социально значимых сфер следует выделить: военную сферу, медицину, энергетику, сферу информационных коммуникаций, экологию, сферу потребления.

Военнопромышленный комплекс (ВПК). США рассматривают успехи в развитии нанотехнологий как средство обеспечить себе абсолютное лидерство в мире.

Именно потребности обороны, геополитические амбиции, борьба за жизненноважные ресурсы и реалии гонки вооружений среди ведущих супер-держав, оказываются движущей силой развития новых технологий в области вооружений. Нанотехнология не исключение, напротив, возможность контроля вещества на уровне молекул и отдельных атомов ставит её в особое положение. Именно ВПК, как социальная сфера, оказывается мощным каналом трансляции и проникновения ценностей техногенной цивилизации в культуры традиционных обществ, фактором их разложения. Дело в том, что создание высокотехнологичной техники, особенно авиационно-космической, требует освоения огромного пласта научных знаний, а это, в свою очередь, требует иного мировоззрения, принятия иных ценностей.

Военное использование нанотехнологий открывает качественно новый уровень военнотехнического доминирования и геополитического господства в мире.

Мощный и дешёвый искусственный интеллект станет неотъемлемой частью любого вида оружия. Стратегии ядерного сдерживания может потерпеть крах, поскольку контроль над безопасностью становится практически невозможным. Нанотехнология для отдельных стран уменьшит стимулы для поддержания мирных отношений с другими странами. Если нанотехнологическому развитию позволят распространиться, то многие развивающиеся страны достигнут и экономической независимости и беспрецедентного военного роста. Нанооружие может быть использовано криминальными и этническими группировками для террористических целей.

Медицина. Наибольшее влияние нанотехнологии ожидается в медицине, поскольку она наиболее явно затрагивает саму основу существования общества - человека. Нанотехнология выходит на такой размерный уровень физического мира, на котором различие между живым и неживым становится зыбким - это молекулярные машины. Грань между живым и не живым в нашем сознании начинает стираться.

Основные направления развития нанотехнологий в медицине приводят к одному из важнейших социокультурных последствий – идеи создания искусственной жизни, и в перспективе ведут к созданию роботов обладающих искусственным сознанием и способных к самовосстановлению на молекулярном уровне. Встает проблема культурной идентификации человека при открывающейся перспективе слияния с машиной. Это – проблема определения технологических границ, за которыми исчезает человеческий способ существования и сама человечность как культурная ценность. На этом пути открывается перспектива верификации проблемы человеческого в человеке, соотношения его природы и сущности и впервые можно будет ответить на вопрос: насколько человечность зависит от культуры и социализации и насколько от генетической составляющей нашей природы.

Иными словами, фактически речь идет о кибержизни как дальнейшем развитии идеи жизни и ее воплощении на практике благодаря нанотехнологии, что имеет свои социокультурные последствия. Вследствии чего встает важный вопрос о границах живого и неживого.

Наиболее радикальным применением нанотехнологии в медицине будет создание молекулярных нанороботов, которые смогут уничтожать инфекции и раковые опухоли, проводить ремонт повреждённых ДНК, тканей и органов, дублировать целые системы жизнеобеспечения организма, менять свойства организма.

В рамках этого направления обсуждается теоретическая возможность создания искусственного тела, что делает актуальной проблему практического бессмертия. Саму смерть начинают пониматься как обратимый процесс клеточного повреждения, который может быть устранен с помощью молекулярного ремонта, осуществляемого нанороботами, причем примером служат существующие в природе ремонтные системы ДНК.

Феномен практического бессмертия обусловлен тем, что информационные технологии и нанотехнологии меняют также представления о времени и пространстве на уровне самосознания культуры. Практическое бессмертие есть разрыв биологического времени, уход от цикличности и отказ от смерти. Нанороботы, ремонтирующие ДНК, останавливают биологическое время в текущем физическом времени. Это изменит образ жизни человека, поставив его в зависимость от технологических процедур ремонта и восстановления тела. Но такое бессмертие может быть использовано как инструмент власти. Страх потери бессмертия или отказа доступа к нему прочно укоренится в новой культуре, заменив собой страх смерти.

Также важным эффектом внедрения нанотехнологии в жизнедеятельность социума станет вытеснение традиционной формы религиозного мировоззрения из сферы общественного сознания, разрушение психологического основания религиозного мировоззрения, основанного на ощущении бессилия перед силами природы и временем.

Таким образом, развитие наномедицины выявляет следующие социокультурные изменения:

1. Кризис антропоцентризма. Исчезновение природного тела, принципом которого было создание искусственной среды, отделяющей тело от окружающей среды, приведёт к виртуализации восприятия внешней среды, обычное представление о различии между реальным и виртуальным исчезнет вместе с исчезновением природного человеческого тела. Исчезновение этой ценностной по сути границы приведёт к созданию новых ценностей. Возможность создания искусственного тела подводит к ряду проблем, таким как: оспаривание тезиса об исключительном статусе человеческого тела как носителя и хранителя человеческого сознания. Другим следствием оказывается принцип практического бессмертия.

2. Пересмотр законодательства и культурных представлений. Механизмы социальной смерти потеряют биологическую основу. Другим социальным последствием радикального увеличения жизни станет новое законодательство, вводящее ценз на право семье иметь ребёнка. Идеи такого закона уже обсуждаются, но только радикальное продление жизни сделает его актуальным.

Энергетика. Нанотехнологии в энергетике это - прежде всего альтернативная энергетика.

Нанотехнология позволяет повысить эффективность нефтеперерабатывающей промышленности, но она ведёт и к полному отказу от этой отрасли от импорта нефти через огромные запасы замороженного натурального газа (газогидрата) на дне океана и его восстановления с помощью органических нанокатализаторов.

Распространения дешёвых и эффективных солнечных батарей разрушит монополию централизованных энергетических систем, чем начнет процесс формирования нового, более эффективного, экологически безопасного и более децентрализованного энергохозяйства.

Таким образом, совершается очередная научно-техническая революция в энергетике. Нанотехнология ведёт к переходу от традиционной, слишком централизованной энергетики к новой, децентрализованной, экологичной, топливосберегающей. Для общества это возможность автономного существования и большей независимости от централизующих действий властвующих элит. Это приведёт к поиску новых способов господства над обществом со стороны элит. Акцент господства сместится в сторону контроля над распространением образования и технологий.

Сфера информационных и коммуникационных технологий. Социальные последствия внедрения нанотехнологии состоят в изменении форм коммуникации и возникновении новых социальных форм, построенных на новых возможностях нейроинтерфейсов и виртуальной реальности. В сфере коммуникации сращивание человека с машиной предполагает новые социальные формы с участием мощного искусственного интеллекта. Новый способ технологического производства снизу вверх исключает физический труд человека и целые технологические цепочки.

Любая система коммуникации в настоящее время носит локальный характер, но объединение машин и человеческого мозга даст перспективу нового уровня коммуникации, где информация сможет циркулировать в цепи человек-машина-вещество, поскольку уже разрабатывается теория информационно изменяемых свойств материалов.

В целом, нанотехнологии, внося информацию в наномир, всё дальше отстраняет человечество от непосредственности природы. Эта технология выводит информацию на качественно новый уровень вещества и сама же развивается за счёт этой информации. Это приводит к смене технологических парадигм индустриальной эпохи и общей виртуализации социума, выражающейся в изменении ценностных приоритетов, компьютеризации всех сфер общества, вплоть до создания суперинтеллекта. Нейросистемы на основе нанотехнологии открывают возможности соединения мозга с компьютером, создания новых форм виртуальной реальности и искусственного интеллекта нового поколения.

Экология. Нанотехнологии могут использоваться для контроля над состоянием окружающей среды.

Сфера потребления. Как социально значимая область в постиндустриальном обществе, с приходом нанотехнологии уже имеет целый спектр товарного воплощения.

Условно можно выделить области, в которых нанотехнология уже выходит к потребителю:

1. Продукты питания.

2. Бытовая электроника.

3. Бытовая электротехника.

4. Текстильная продукция.

5. Косметика.

6. Топливные присадки.

7. Строительные материалы.

8. Бытовая химия.

9. Товары для спорта.

Можно констатировать, что пока воздействие нанотехнологии на сферу потребления выражается лишь в использовании свойств наночастиц и наноструктур. Но ясно проглядывается тенденция комфортизации и всё большей индивидуализации человека через потребление в условиях умных материалов и интеллектуализирующейся технической и социальной реальности.

Нанотехнология воздействует на техногенную цивилизацию по всем социально значимым областям. Нанотехнология есть первая глобальная технология, последствием внедрения которой станет смена социальной парадигмы и формирование глобального общества, в котором искусственный интеллект и синтетическая реальность станут доминировать во всех сферах человеческой деятельности. Основными формами такой реальности будет технологически эмулированная чувственность и продукты нанопроизводства по технологии снизу вверх.

Позитивные и негативные последствия применения нанотехнологий Нанотехнологическая гонка начата. Япония, Китай, США, Германия, Франция и Великобритания активно развивают свои нанотехнологические программы. Никого не интересуют этические аспекты и судьба человечества там, где Воля почуяла шанс превосходства и возможность тотального господства. Подобно любой технологии нанотехнология при ее внедрении влечет за собой конструктивные и деструктивные социальные (и культурные) последствия, специфика которых связана с возможностью нанотехнологии преобразовывать физический мир на атомно-молекулярном уровне.

Угрозы от развития нанотехнологий можно разделить на несколько групп: опасности связанные с применением нанороботов и репликаторов, опасность использования нанооружия террористами и государствами, опасности связанные с новыми лекарствами, которые улучшены с помощью нанотехнологий, опасности связанные с новыми материалами, улучшенными с помощью нанотехнологий, угроза появления новых форм дискриминации.

Случайная утечка нанороботов приводит к переработке окружающей среды на атомном уровне. В результате планета покрывается "серой топью", состоящей из квадрилионов нанороботов. Природные механизмы сдерживающие размножение органических молекулярных машин (вирусов) не смогут противостоять размножению нанороботов из-за использования ими новых химических структур. Изготовленные злоумышленниками нанороботы, имеющие целью глобальное уничтожение огромных пространств, - это оружие нановойн и массового террора.

Террористичесая угроза может проистекать из двух фаторов: наличие террористичесих организаций и развитые рыночные отношения, делающие возможным доступ практически к любым техническим изобретениям, товарам и услугам. Нанотехнология подвергнет пересмотру такой параметр мирового сообщества как прочная взаимозависимость национальных го-сударств при мировом разделении труда.

Создание с помощью нанотехнологии сверхинтеллекта (СИ), значительно превосходящего человеческий, может привести к генерации решений по уничтожению всего живого на планете, человечества и самого СИ. Контроль над СИ будет затруднён его полным превосходством в стратегии и тактике ведения войны. Цивилизация постлюдей построенная на основе СИ, достигнув количественного доминирования над людьми, либо уничтожит всех людей, либо загонит человечество в космические резервации, используя людей как рабов.

Существуют также опасности социального и экономического порядка. Экономически общество столкнётся с проблемой сокращения рабочих мест из тех технологических комплексов, которые нанотехнология сделает морально устаревшими.

Имея всеобщую применимость, нанотехнологические концерны могут монополизировать производство, вытесняя конкурирующие технологии и используя промышленный шпионаж на молекулярном уровне. Такая монополия может существенно подорвать конкуренцию и развитие альтернативных технологий.

Сфера экономических отношений станет склоняться к доминированию локальной экономики (Отдельный человек сможет производить все, что теперь производится только благодаря огромной экономико-производственной системой больших социальных общностей).

Целые регионы, с помощью нанотехнологий смогут выходить из системы глобального хозяйства и глобального разделения труда. Станет расти число регионов, замкнувшихся на самодостаточное местное производство и местный обмен.

Исчезновение угрозы голода и нищеты приведёт к обессмысливанию современного государства как аппарата эксплуатации в условиях деффицита ресурсов.

При условии неконтролирумого распространения технологической информации произойдёт крах традиционныых форм экономического контроля со стороны государства.

Основные войны будут вестись именно за экономический контроль над нанопроизводством во всех его формах.

Возможность победы над нищетой и голодом угожает составляющей современной социальной матрицы – господства, достигаемого в силу объективно существующего неравенства в получении средств к существованию. Господство как идея найдёт новые формы реализации в создании новых технологических средств контроля за поддержанием неравества в социумах. Основанием этого нового неравенства станет достигнутый в том или ином социуме уровень мощности искусственного интеллекта. Новые конфликты будут уже войнами не столько людей, сколько войнами искусственных интеллектов и созданной этим интеллектом техники и виртуальной реальности.

В области сельского хозяйства опасность исходит от генетически изменённых растений. Выключение гена повторного прорастания зёрен злаков, дают в руки корпораций "лицензируемые закупки посевного зерна". Это наносит удар по фермерам, которые более не могут оставить часть урожая для посевов.

Появление самокопирующихся нанороботов выдвигает новую опасность цивилизационного масштаба. Роботы таковы, что смысл их существования в выполенении человеческой работы с высокой степенью эффективности. Создание репликаторов фактически дарит макророботам аппарат аналогичный генетическому аппарату человека. Их размножение станет автономным и не нуждающемся во внешнем контроле. Человеческая цивилизация получает мощного конкурента способного делать то же, что человек, но всегда гораздо лучше, быстрее и эффективнее.

Ещё одну угрозу составляет токсичность наноматериалов и их способность проникать свозь клеточную мембрану, вплоть до ДНК спиралей. Так, исследования, проведённые Евой Обердёрстер (Eva Oberdorster), биологом из Южного методистского университета в Далласе, показали возможность проникновения наночастиц в сруктуры мозга через носовое дыхание. Помимо клеток мозга наночастицы способны повреждать также ткани лёгкого у человека. Попадая в кровь, наночастицы способны менять заряд эритроцитов, что приводит к эффекту тромбоза, а также к повреждению ДНК и появлению условий для развития атеросклероза сердца и аорты.

Важной становится проблема нанозагрязнения. Определить наличие опасных наночастиц или их утечки будет невозможно, если заранее не известно место их локализации. Поэтому наноматериалы, выброшенные без утилизации, могут стать фактором губительным для окружающей среды и людей.

Новая нанотехнологическая гонка вооружений будет основана на достижении государствами полной экономической независимости, что нивелирует экономическую зависимость как стимул к поддержанию мирных отношений с другими государствами. Нестабильность будет возрастать. Таким образом, нанотехнология ставит перед человечеством проблему необходимости установления такого цивилизационного устройства, в котором отсутствуют границы государств.

В военной сфере меняется представление о способах ведения войны. Потенциал военной мощи и разрушительность станет зависеть от степени развитости нанотехнологии у той или другой стороны. Акцент превосходства переместится в сферу интеллектуальных разработок и программных новаций. Контроль за нановооружением и его распространением станет глобальной проблемой выживания цивилизации.

Другая угроза состоит во вторжении в сферу частной жизни граждан, поскольку нанотехнология позволит создать систему тотального наблюдения.

Генетическая дискриминация будет следствием молекулярных технологий наноуровня. Фирмы и государственные организации в лице работодателей будут заинтересованы в приёме сотрудников без отклонений на генном уровне. Выявление более совершенного генотипа может стать критерием статусной дифференциации в обществе.

Положительные последствия применения нанотехнологии возможны только в рамках её разумного использования.

Медицина как социальная сфера перейдёт на качественно новый уровень диагностики и лечения.

Исскуственные имунная, кровеносная, дыхательная системы на основе нанороботов. Уничтожение инфекций только введением нужной программы в компьютер, управляющий наносистемами. Лечение рака таблетками с наноструктурами. Клеточный ремонт и полное преодоление старения. Криогенное замораживание и последующее оживление безнадежно больных в случаях невозможности непосредственной реанимации или лечения. Создание молекулярных роботов, которые устраняют все возникающие повреждения организма и т.д.

Важным изменением в социальной матрице является новое представление медицинского бессмертия. Способ понимания смертности человека как его сущностное определение подвергается радикальному пересмотру. Это влечёт за собой и изменение самоидентификации человека в социуме и меняет такой важный параметр социальной матрицы как смысл жизни, а также параметр достоинства человеческой жизни.

Сфера экологиии модернизируется молекулярными роботами-дисассемблерами, разлагающими любые отходы деятельности человека до атомарного уровня. Появляются полностью безотходные нанотехнологические методы производства и утилизации любых субстанций. Появление фильтров и мембран на основе наноматериалов для очистки воды и воздуха, опреснения морской воды.

Сфера потребления начинает насыщаться товарами с использованием нанотехнологии.

Сфера коммуникации получает новое квантовое измерение. Компьютеры и сети преобразуются в единую глобальную квантовую информационную сеть с огромной производительностью. С помощью наноструктур и нанороботов будет обеспечен непосредственный доступ локальных и глобальной информационных сетей к головному мозгу и органам чувств. Появление развитого искусственного интеллекта может изменить общественную формацию через появление нового общественного слоя разумных машин.

Будут появляться новые социальные общности на основе слияния живого и неживого. Процесс сращивания человека с машиной станет необратимым на молекулярном уровне. Компьютеры получат все возможности человека, появятся искусственные сетевые личности неотличимые по мощности от человека. Появятся новые социальные общности разумных существ, природа которых будет не просто гибридной, но перстанет быть в строгом смысле живой или не живой в современном понимании. Появление новых социальных гибридных общностей поставит новые правовые и этические проблемы или изменит само понимание этичности.

Нанотехнологии дают перспективу новой формы общения и передачи информации - сенсорной коммуникации посредством нанороботов. Создание интерфейсов человек-машина и наночипов-имплантантов даёт возможность принятия и передачи сенсорной информации. Это вносит важное изменение в социальную матрицу.

Сфера промышленного производства получает новые материалы и свойства использующие размерный уровень квантовых эффектов ранее недоступный для общества. Вещество станет программируемым и, в зависимости от полученной информации, будет приобретать любые свойства от стекла до брони.

В социальной матрице меняется общепринятый образец технико-технологического решения социальных проблем потребления, экологии, формирования сферы занятости и структуры профессий, направленности и содержания образования, ликвидации последствий стихийных бедствий, создании инфраструктур и коммуникаций.

Сельское хозяйство становится другим. Растения и живые организмы как производители белкового сырья будут заменены системами молекулярных роботов, способных синтезировать любую белково-углеводородную субстанцию. Новое сельское хозяйство станет независимым от погоды и необходимости применения тяжелого физическоого труда человека. Продовольствие перестаёт быть основной проблемой. Исчезает голод и нищета.

Демографическая проблема решается за счёт освоения планет солнечной системы. Освоение необитаемых планет начнут нанороботы, создавая пригодную почву и атмосферу.

Эдуард Теллер, один из создателей термоядерной бомбы заметил: «Тот, кто раньше овладеет нанотехнологией, займет ведущее место в техносфере следующего столетия». Она обладает столь мощным потенциалом, что нужно вести разработки в этой области полностью открыто, с тщательным контролем. Технологии будут развиваться. Нужно обладать знанием, быть компетентным. Необходимо в зависимости от собственных представлений, рационального и иррационального, веры и разума, от собственной оценки науки принимать решения. Принятие такого рода концепций позволяет человеку жить с открытыми глазами.

И такого рода проблемы нуждаются в обсуждении специалистами из разных областей.

Философско-методологические проблемы развития нанотехнологий.

С точки зрения философской проблематизации, теоретические вопросы нанотехнологий могут быть сгруппированы двояко. Возможно деление на общие философско-методологические проблемы нанотехнологий, с одной стороны, и специальные (частные) проблемы нанотехнологий и их параллели с проблематикой постнеклассической философии науки – с другой. Однако возможна и другая дихотомия, которая предполагает более специфическую философскую ориентацию. Это разделение на онтологическую и гносеологическую проблематику, с одной стороны, и основанную на ней социально-этическую и социокультурную проблематику, с другой.

Явным образом содержащаяся здесь философская программа известна как редукционизм. Редукционизм имеет богатейшую философскую историю, восходящую к досократикам, но особенно острыми и содержательными стали его обсуждения в аналитической философии науки ХХ века, где принцип редукции функционирует как важнейший гносеологический и методологический ориентир.

В человеческом познании этот процесс редукции никогда не может быть завершен, и во всяком эмпирическом познании освобождение от чувственных данных может быть только частичным. Однако для наноробота такой предел существует – это один атом. Принципиальная невозможность создания механизма из одного атома может быть рассмотрена как принципиальный недостаток наноробота. Нанороботу не потребуется никаких рискованных попыток выделить чистые чувственные данные или проводить сомнительную редукционистскую логику. Подобно нерефлектирующему субъекту, наноробот, если его спросят, что он имеет в виду, сможет ответить прямо, сообщив, что, по его мнению, он и другие нанороботы смогут сделать, если его утверждения истинны и его понятия применимы. В определенном отношении это соответствует идеалу ученого, могущего дать совершенно точные описания операций, которые должны быть выполнимыми, если его понятия применимы, и, что еще более важно, могущего ввести новые понятия, значение которых можно сделать совершенно определенным с самого начала.

Вполне закономерно, что в начале XXI столетия все более значимым становится философская рефлексия социокультурных последствий развития нанотехнологии, что предполагает выяснение особенностей нанотехнологии, анализ влияния этой новой области деятельности на проектирование социальной реальности. Сейчас в связи с развитием нанотехнологии и формированием новой цивилизации традиционные представления о социальном и природном мире уже не вполне адекватны действительности. Именно поэтому социокультурные последствия развития нанотехнологии (в условиях, когда происходит смена парадигм научного познания и стремительное совершенствование новых высоких технологий) требуют глубокого, основательного исследования.

В первую очередь, социальные последствия внедрения нанотехнологии состоят в изменении форм коммуникации и возникновении новых социальных форм, построенных на новых возможностях нейроинтерфейсов и виртуальной реальности. В сфере коммуникации сращивание человека с машиной предполагает новые социальные формы с участием мощного искусственного интеллекта. Новый способ технологического производства снизу вверх исключает физический труд человека и целые технологические цепочки. Суть нанотехнологии – в появлении молекулярных машин на неорганической основе, которое произведет переворот в способе производства материальных благ ранее невиданных и исторически беспрецедентных масштабов. Анализ социальных последствий развития нанотехнологии показывает изменения в социально значимых сферах, что позволяет выявить контуры будущего общества и отношение к проблемам человеческого существования в условиях постиндустриального социума.

Культурные эффекты внедрения нанотехнологии связаны с новыми этическими вопросами, а также с возможными последствиями в изменении образа жизни людей и их культурных представлений. Технологии влияют на мировосприятие современного человека, поскольку благодаря им пополняются наши практические представления о веществе, энергии и формах существования материи. Наша эпоха характеризуется тем, что бытие теперь истолковывается иначе, а виртуальная реальность рассматривается как его ипостась. Это эпоха господства высоких информационных технологий, которые все более становятся связанными с нанотехнологиями, и их проникновения в жизнь человечества. По-новому пытаются понимать и саму социокультурную среду – она стала технизированной постольку, поскольку техническое объективно «выросло» на физическом мертвом и органическом живом, как когда-то биологическое «произросло» из физико-химического. Возникают новые информационные концепции мироздания, согласно которым законы физики рассматриваются как компьютерные программы, а Вселенная – как суперкомпьютер.

Не менее существенной является проблема техногенной цивилизации, связанная с развитием нанотехнологии, которая заключается в культурной идентификации человека при открывающейся перспективе слияния с машиной. Это – проблема определения технологических границ, за которыми исчезает человеческий способ существования и сама человечность как культурная ценность.

Доступность нейроинтерфейсов на базе нанотехнологий приведет к объединению человека и машин на качественно новом уровне. Изменится степень виртуализации сознания людей и социальных отношений, проникновение виртуальных технологий в чувственность человека создаст ситуацию гибридной реальности, когда коммуникация приведет к стиранию грани между виртуальной личностью человека и ее физической локализованностью в теле. Однако виртуальный мир социальных сетей ведет к эгоцентризму и поглощенности самим собой, своими мыслями, и это влечет за собой утрату связи индивида с реальным миром. Поэтому можно говорить о смене пространственных представлений о физических границах общения и идентификации. Данное изменение коснется статуса присутствия человека в среде коммуникации, когда присутствие станет осознаваться одновременно как реальное и виртуальное, что представляет собою совершенно новый феномен человеческого существования (пока эта граница существует весьма четко). Возможность создания искусственного тела при помощи нанотехнологии делает актуальной проблему практического бессмертия и восстановления идеи невозможности встречи со смертью: человек будет использовать нанороботов в своем теле, чтобы не иметь болезней и оставаться здоровым бесконечно долго. Феномен практического бессмертия обусловлен тем, что информационные технологии и нанотехнологии меняют также представления о времени и пространстве на уровне самосознания культуры. Но бессмертие может быть использовано как инструмент власти. Отлучение от бессмертия и отказ в доступе к бессмертию станут новым инструментом манипулирования человеком. Страх потери бессмертия или отказа доступа к нему прочно укоренится в новой культуре, заменив собой страх смерти. Одной из причин необходимости смены технологической парадигмы микротехнологии является сильное усложнение технологического процесса, что очень напоминает сильное усложнение теории в науке при столкновении ее с многочисленными фактами, не поддающимися описанию этой теории.

 

 

ВОПРОСЫ ДЛЯ ЗАЧЕТА ПО КУРСУ «ВВЕДЕНИЕ В НАНОМАТЕРИАЛЫ»

 

1. Суть приоритетных программ в области нанотехнологий развитых и развивающихся стран.
2. Нанотехнологии, как обязательная составляющая технического оборудования.
3. Наноматериалы – новая возможность повышения эффективности и надежности авиационно-космической техники.
4. Конструкция зондов и требования к ним для туннельного и атомно-силового микроскопов.
5. Основные разновидности атомно-силовых микроскопов.
6. Принцип работы трехмерного атомно-зондового томографа.
7. Классификация нанообъектов.
8. Фуллерены и нанотрубки. Принципы использования.
9. Объемные материалы.
10. Молекулярные и фрактальные кластеры. Закономерности развития фрактальных кластеров.
11. Алмазоиды. Возможные области применения.
12. Наноматериалы в электронике, компьютерных технологиях, робототехнике.
13. Наноматериалы в промышленности и космонавтике.
14. Возможности использования наноматериалов и нанотехнологий в медицине.
15. Основные направления «безотходного общества» - нанотехнологии в экологии.
16. Нанотехнологии в современных системах вооружения, как средство обеспечения лидерства в мире.
17. Наноматериалы в машиностроении.
18. Зависимость механических свойств металлов от размеров зерен при диспергировании.
19. Материалы для авиационно-космической техники, перспективы их производства.
20. Нанотехнлогии и будущие глобальные изменения привычной цивилизации.
21. Позитивные и негативные последствия применения нанотехнологий.
22. Философско-методологические проблемы нанотехнологий.
23. Определение наноматериалов, нанотехнологий, нанонауки.
24. Перспективы развития нанотехнологий.
25. Туннельный сканирующий микроскоп, принцип действия и его возможности.
26. Силовой атомный микроскопы, принцип действия и его возможности.

 

ТЕСТЫ К КУРСУ «ВВЕДЕНИЕ В НАНОМАТЕРИАЛЫ»

 

Задание 1. Понятие «атом» для описания самой малой частицы ввел:

1. Ричард Фрейман;
2. Михаил Ломоносов;
3. Демокрит;
4. Альберт Эйнштейн.

 

Задание 2. «Отцом» нанотехнологий считают:

1. Макса Кнолла;
2. Ричарда Фреймана;
3. Макса Планка;
4. Сумио Иидзима.

 

Задание 3. Первый вариант сканирующего туннельного микроскопа был изобретен:

1. Биннингом и Рорером;
2. Альфредом Чо и Джоном Артуром;
3. Максом Кноллом и Эрнстом Руска;
4. Робертом Керлом и Хэрольдом Крото.

 

Задание 4. Понятие «нанотехнологии» ввел впервые в обращение:

1. Демокрит;
2. Ломоносов;
3. Бор;
4. Танигути.

Задание 5. Принято, что наночастицы имеют размер не более:

1. 500 нанометров;
2. 10 нанометров;
3. 50 нанометров;
4. 100 нанометров.

 

Задание 6. Нанометр – это:

1. 10⁹ метра;
2. 10^{-9 метра;}
3. 10^{-3 метра;}
4. 10^{-6 метра.}

 

Задание 7. Принцип работы туннельного сканирующего микроскопа заключается в:

1. в использовании оптических систем с большим увеличением;
2. в отражении от атомов ультразвука;
3. в использовании квантового механизма;
4. в использовании рентгеновского излучения.

 

Задание 8. Атомно-силовой микроскоп используется для работы с материалами:

1. только проводниками;
2. только непроводящими ток (диэлектриками);
3. с теми и другими;
4. только с композитами.

 

Задание 9. Изучить послойную структуру образца можно, используя модификацию атомно-силового микроскопа:

1. Магнитно-силового;
2. сканирующего туннельного;
3. магнитно-резонансного;
4. трехмерного атомно-зондового томографа.

Задание 10. Нанотрубка – это:

1. молекулы на основе миллиона атомов кремния;
2. трубчатая молекула с диаметром около нанометра, состоящая из атомов углерода.
3. результат превращения аустенита в мартенсит;
4. структура углерода с тетраэдральной пространственной решеткой.

 

Задание 11. Ассамблером принято называть:

1. компьютерную программу для управления роботом;
2. молекулярную машину, запрограммированную на строительство молекулярных структур или устройство из более простых химических строительных блоков;
3. биологический наноразмерный объект;
4. электронное микроустройство из нанотрубок.

 

Задание 12. Наноматериалы и нанотехнологии позволяют получать:

1. высокопрочные материалы;
2. жаропрочные материалы;
3. самый широкий диапазон свойств;
4. сверхпроводящие.

 

Задание 13. Оптимальное сочетание прочности и пластичности сплава можно получить:

1. отжигом;
2. пластическим деформированием;
3. уменьшением размеров зерна до наноразмерной величины;
4. горячим прессованием.

 

Задание 14. Влияние нанотехнологий на развитие общественных отношений:

1. не влияет;
2. создает только предпосылки для развития отдельных отраслей промышленности;
3. способствует разработке новых материалов;
4. приведет к глобальному изменению в социальной, культурной, этической области всех цивилизационных отношений.