Будущее нанотехнологий: проблемы и перспективы

Рис. 4. Нанотехнологии улучшают наружные детали Hummer

Инновационные покрытия с наночастицами

Инновационный лак nano-частицы Мерседесом-Benz предлагает существенно большее сопротивление царапины и улучшенный блеск относительно обычной автомобильной краски, позволяющей блеск демонстрационного зала Мерседеса быть поддержанным в течение многих лет дольше. Недавно развитый ясный nano-лак, который Мерседес Бенз использует как заключительное пальто, содержит nanosized керамические частицы. Нанотехнология позволяет nanosized керамическим частицам быть интегрированными в молекулярную структуру обязательного агента.

Применяемый компанией Mercedes-Benz инновационный лак с добавлением наночастиц по сравнению с обычной автомобильной краской имеет большую устойчивость к царапинам и улучшенный глянец, что позволит продлить блеск еще на многие годы, как будто машина только выехала из автосалона. Разработанный недавно прозрачный лак, который компания Mercedes-Benz использует в качестве внешнего покрытия, содержит наноразмерные керамические частицы. Нанотехнологии обеспечивают интеграцию наноразмерных керамических частиц в молекулярную структуру связующего агента. Термореактивный акрил служит первичной основой лака; используются также варианты с термореактивными алкидными смолами и полиуретаном. Система из керамических частиц и лака отверждается в сушильном шкафу, создавая выраженно сетевидную чрезвычайно плотную и равномерную пространственную структуру на поверхности покрытия. Прозрачное покрытие с наночастицами образует защитный слой, который отличается значительно большей устойчивостью к царапинам, например, наносимым в процессе контактного мытья. Компания Mercedes утверждает, что внедрение керамических наночастиц в это защитное наружное покрытие позволяет в 2—3 раза повысить устойчивость к царапинам, обеспечивая высокую стабильность глянца в течение длительного промежутка времени.

Эффективность новой технологии покрытия продемонстрирована как в экстремальных испытаниях, проводимых в лабораторной мойке согласно стандартам DIN, так и при обычных условиях. После десяти циклов в лабораторной мойке, эквивалентных разрушительному влиянию приблизительно 50 — 100 обычных моек, датчики блеска показали для обычной краски только 35% из 100% максимально возможных по шкале блеска, а для нанокраски — 72%.

Рис. 5. Новое прозрачное нанопокрытие (слева) в сравнении с традиционной окраской (справа) после 5 лет практических испытаний и 60 моек.

Перспективные разработки Volkswagen

Спрос потребителей на удобный, экономичный и безопасный автомобиль служит ориентиром для проведения изысканий в Группе исследования материалов компании Volkswagen. Ее коллектив выполняет многочисленные перспективные проекты в области применения наноматериалов. Необходимость придания привлекательного вида поверхностям внутри и снаружи автомобиля стимулирует изучение влияния различных химических групп, введенных в вещество из которого изготавливают поверхности, на свободную поверхностную энергию различных материалов. Разработки новых красок также могут привести к созданию покрытий, достаточно скользких (неадгезивных) для налипающих на поверхность загрязнений. В перспективе возможно создание самовосстанавливающихся покрытий, обеспечивающих устранение царапин по мере их появления. В этом направлении возможны и более фантастические перспективы создания красок, позволяющих изменять цвет автомобиля по желанию пользователя.

Компания  исследует использование нанотехнологий для предотвращения запотевания ветровых стекол, окон и зеркал, а также создания активированных автомобильных стекол, фильтрующих тепловое излучение и устраняющих «эффект духовки» при парковке автомобиля под интенсивным солнечным облучением. Производитель автомобилей также разрабатывает наноматериалы для моторного отсека, уменьшающие трение в движущихся частях, снижающие расход масла, продлевающие срок службы механизмов. Нанотехнологии уже используются в популярных современных моделях транспортных средств компании Volkswagen. На приборной панели и панели управления используются антибликовые покрытия; нанотехнологические материалы, предотвращающие ослепление ночью, автоматически затемняют зеркала заднего вида, ослабляя свет фар обгоняющих автомобилей.

5. Будущее нанотехнологий: проблемы и перспективы

Благодаря прорыву в области производства микроскопов современные ученые могут манипулировать атомами и  располагать их так, как им заблагорассудится. Такого еще не было за всю историю развития человечества!

Идеальная техническая система – это система, масса, габариты и энергоемкость которой стремятся к нулю, а ее способность выполнять работу при этом не уменьшается. Предельный случай идеализации техники заключается в уменьшении её размеров (вплоть до полного “исчезновении”) при одновременном увеличении количества выполняемых ею функций. В идеале – технического устройства не должно быть видно, а функции, нужные человеку и обществу, должны выполняться. Закон увеличения степени идеальности гласит: развитие всех систем

идет  в направлении увеличения степени  идеальности. На практике хорошей иллюстрацией этого закона может служить постоянное стремление производителей микроэлектроники и бытовой техники к миниатюризации, созданию устройств всё меньших размеров со все большими функциональными возможностями. Взять, например, те же сотовые телефоны или ноутбуки: размер все уменьшается, в то время как функциональность только растет.

Таким образом, нанотехнологии и наноустройства являются закономерным шагом на пути совершенствования технических систем. И возможно, не последним: за областью нановеличин лежат области пико (10_12), фемто (10_15), атто (10_18) и т.д. величин с еще неизвестными и непредсказуемыми свойствами…

В настоящее  время на рынке продаются только скромные достижения нанотехнологии, вроде самоочищающихся покрытий, "умной одежды" и упаковок, позволяющие дольше сохранять свежими продукты питания. Однако ученые предсказывают триумфальное шествие нанотехнологии в недалеком будущем, опираясь на факт её постепенного проникновении во все отрасли производства.

Нанотехнология станет основой новой промышленной революции, которая приведет к созданию устройств в 100 раз более прочных, чем сталь и не уступающих по сложности человеческим клеткам.

Уже создаются  и будут создаваться устройства, функциональные возможности которых определяются необычными свойствами новейших материалов. Благодаря обработке на атомарном уровне, привычные материалы будут обладать улучшенными свойствами, постепенно становясь все легче, прочнее и меньше по объему. Согласно прогнозам большинства ученых, это произойдет уже через 10-15 лет. Как уже говорилось. возможности использования нанотехнологий неисчерпаемы - начиная от микроскопических компьютеров, убивающих раковые клетки, и заканчивая автомобильными двигателями, не загрязняющими окружающую среду, однако большие перспективы чаще всего несут с собой и большие опасности. Ученые всего мира сегодня должны четко представлять себе, что подобные “неудачные” опыты или халатность в будущем могут обернуться трагедией, ставящей под угрозу существование всего человечества и планеты в целом. В связи с этим становится понятно, почему с самого появления нанотехнологии её развитию мешают страхи, часть которых однозначно относится к разряду научной фантастики, но некоторые, однако ж, вовсе не лишены основания. К сожалению, обсуждение этих проблем выходит за рамки книги. Поэтому, дабы не вводить читателя в заблуждение и позволить ему самостоятельно сделать выводы, в этой главе мы отдельно расскажем о тех перспективах и возможностях, которых мы вправе ожидать от нанотехнологий, а затем кратко опишем возможные проблемы и опасности, связанные с их развитием.

6.Охрана труда и окружающей среды

Восторженно предвкушая те положительные изменения, которые принесет с собой промышленная революция, не будем столь наивны, чтобы не задуматься о возможных опасностях и проблемах. Многие крупные ученые современности не зря пытаются привлечь внимание не только к позитивным перспективам будущего, но и к возможным негативным последствиям. Билл Джой, сооснователь и ведущий ученый Sun Microsystems в Пало Альто, штат Калифорния, утверждает, что исследования в области нанотехнологий и других областях должны быть остановлены до того, как это навредит человечеству. Его опасения поддержала еще одна группа нанотехнологов, выпустив так называемый “Foresight Guidelines” – “руководящие линии Института предвидения”. Как и Джой, они считают, что стремительный рост нанотехнологий выходит из-под контроля. Но, вместо простого запрета исследований в этой области они предложили установить правительственный контроль над опасными исследованиями. Такой надзор, утверждают они, сможет предотвратить случайную катастрофу. Страхи перед нанотехнологиями начали появляться с 1986 года, после выхода в свет “Машин созидания” Дрекслера, где он не только нарисовал утопическую картину нанотехнологического будущего, но и затронул “обратную сторону” этой медали. Одну из проблем, которая представлялась ему наиболее серьезной, он назвал “проблемой серой слизи” (“grey goo problem”). Опасность серой слизи в том, что нанометровые ассемблеры, вышедшие из-под контроля в результате случайной или намеренной порчи систем управления, могут начать реплицировать сами себя до бесконечности, потребляя в качестве строительного материала все на своем пути, включая леса, заводы, домашних животных и людей. Расчёт показывает, что теоретически такой ассемблер со своим потомством окажется в состоянии переработать всю биомассу Земли за считанные часы (правда, без учёта времени на перемещение по поверхности планеты). Предварительный анализ показывает, что ассемблер может быть сделан достаточно надёжным, чтобы вероятность появления самовоспроизводящейся ошибки оказалась пренебрежимо малой. Однако неразумно полностью исключить опасность преднамеренного программирования ассемблера террористом или хулиганом, подобным современным создателям компьютерных вирусов. В своих опасениях Джой опирается на то, что гипотетические части футуристических микромашин уже выпущены и встают на свои места. “Один из компонентов ассемблера – электронное устройство молекулярных размеров, – говорит Джой, – сейчас уже реализовано”. Далее он узнал, что саморепликация уже давно работает вне биологических систем: исследователи показали, что простые пептидные молекулы могут провоцировать свою собственную репродукцию. “Вот почему самореплицирующиеся машины становятся все более реальными, - заключил Джой. _ И от их реальности веет угрозой”. Другие ученые опровергают страхи перед “серой слизью”, говоря о принципиальной невозможности преодолеть все практические трудности в создании подобных механизмов. “Все это высосано из пальца”, - утверждает Блок. Будет ошибкой отталкиваться от того, что раз простые молекулы имеют способность к репродукции, то инженеры смогут построить сложные наномашины, умеющие делать то же самое. Что касается биологических систем, то они, конечно, способны к репликации, но, во-первых, они далеко не нанометровых размеров, а во-вторых, фантастически сложны по своей структуре, поскольку включают в себя отдельные системы для хранения и копирования генной ин_ формации, системы энергопроизводства, синтеза белков и др. “Даже природа не сделала нанометрической структуры, способной к репликации”, замечает Виола Вогель, наноученый Университета Вашингтона, штат Сиэтл. Тем не менее, возможны другие сферы злоупотребления достижениями нанотехнологий. На одной из встреч, посвященных обсуждению дальнейшего развития нанотехнологий, представители научного общества, исследовательских центров и государственных агентств были собраны для обсуждения проблем в этой области, вызывающих беспокойство. Особенно остро вставали вопросы следующего типа:

Способна  ли образовательная система обучить  достаточно нанотехнологических специалистов?

Может ли прогресс нанотехнологий подорвать традиционный бизнес и оставить тысячи людей без работы?

Может ли снижение стоимости продукции благодаря  нанотехнологиям и молекулярной биологии сделать их легкодоступными для террористов, чтобы разработать опасные микроорганизмы?

Каким будет  эффект от вдыхания некоторых веществ, которые в настоящее время формируются в молекулярном масштабе? Исследования показали, что та же нанотрубка, представляющая собой соединение сверхтонких игл, имеет структуру, похожую на асбест, а этот материал при вдыхании вызывает повреждение легких.

Что случится, если в окружающую среду будет  выпущено большое количества наноматериала, начиная от компьютерных чипов и заканчивая краской для самолетов? Не будут ли наноматериалы вызывать аллергию?

Когда Майкл  Фарадей создавал коллоидную суспензию  золота, состоящую из крошечных частиц металла, он увидел, что ее цвет менялся на фиолетовый. Значение этого открытия очень важно для нанотехнологии. Не окажутся ли материалы, считавшиеся безопасными в обычной форме, опасными для здоровья, когда их используют в форме наночастиц? Теоретически они могут оказаться более химически активными.

Не приведет ли вторжение наночастиц в наши тела к непредсказуемым последствиям? Они могут быть меньше белков. Что случится, если наночастицы вызовут пересворачивание белка? Проблемы со сворачиванием белка могут вызвать, например, болезнь Альцгеймера.

Эти и  другие вопросы, стоящие сегодня  перед исследователями, действительно очень актуальны и важны. В бешеной гонке нанотехнологий ученые должны взять на себя всю полноту ответственности за жизнь и здоровье других людей, чтобы не оказаться беззаботными фанатиками, совершившими “революцию”

только  лишь “во имя революции”, не утруждая себя размышлениями о возможных  трагических последствиях и катастрофах.

По всем этим причинам исследование наноэффектов новых технологий будет требовать принципиально новых методов и междисциплинарного подхода.

7. Нано на стыке наук

Если  достижения ушедшего века позволяют  говорить, что ХХ век был веком  узкоспециализированных профессионалов, то сегодня, поступая в то или иное учебное заведение, молодой человек  не может быть абсолютно уверен, что профиль, на который он собирается потратить 5 лет своей жизни, лет через 5_10 не окажется никому не нужным “старьем” в свете современных технологий.

“Так  как же быть?”, - спросите вы. Неужели  традиционное профессиональное образование может обесцениться настолько, что станет не актуальным на рынке труда? Конечно, нет, но на современном этапе профессионализма в какой-то узкоспециализированной профессии будет явно не хватать. Как вы, наверное, уже поняли, нанотехнологии - это не просто отдельная часть знаний, это масштабная, всесторонняя область исследований. Ее достижения касаются всех сфер жизнедеятельности человека. И поэтому лидирующее положение в будущем, естественно, будут занимать люди, обладающие фундаментальным образованием, основанным на междисциплинарном подходе. Вероятно, постепенно эта тенденция будет распространяться и на вузовское образование, побуждая составителей учебных программ объединять множество фундаментальных дисциплин в одном курсе. Но зачем же ждать, когда это сделают академики из Минобразования, когда у нас сегодня есть все возможности самим развиваться в разных направлениях, включая не только естественнонаучный профиль, но и гуманитарный?

К сожалению, современная система нацелена на формирование узкоспециализированных "винтиков", а не самостоятельно мыслящих и гармонично развитых людей. Нередко можно встретить человека, прекрасно разбирающегося, например, в программировании, но при этом совершенно не знакомого с достижениями современной биологии, или наоборот. Поэтому, надеюсь, читатель простит меня за небольшой "ликбез" по раз_ личным направлениям современной науки и техники. Ярким примером междисциплинарного мышления, достигшего выдающихся результатов в различных областях науки и искусства, являлся гений Леонардо да Винчи. Его нельзя называть только ученым, только художником, только архитектором или только инженером. Леонардо да Винчи своим примером показал возможность плодотворного сочетания различных знаний и умений в одном человеке, что бы там ни утверждали адепты “узкоспециализированного подхода”. Кстати, если говорить о связи нанотехнологий с фундаментальными науками, то можно сказать, что практически любой предмет, из тех, что изучаются в школе, так или иначе будет связан с технологиями будущего. Самой очевидной представляется связь “нано” с физикой, химией и биологией. По-видимому, именно эти науки получат наибольший толчок к развитию в связи с приближающейся нанотехнической революцией.

Но не только. Без развития информационных систем (особенно таких областей информатики, как искусственный интеллект, компьютерное моделирование, робототехника и т.д.), фундаментальной базой которых является математический аппарат, невозможно проектирование и создание ассемблеров и других устройств наноэлектроники. Эколог будущего также не останется без работы. Напротив, прогресс в сфере нанотехнологий, будет ставить перед ним все больше вопросов и задач: от автоматических наносистем охраны окружающей среды до сверхточного прогнозирования и борьбы с экологическим загрязнением и природными катаклизмами. Бурное освоение космоса может дать совершенно новый материал для астрономических исследований и гипотез. Историки и обществоведы будут изучать характерные черты и проблемы “нанотехнологического общества” как ледующего за “информационным” в цепочке общественно_ исторических формаций. Основы безопасности жизнедеятельности, возможно, станут одним из актуальнейших направлений будущих исследований. Психологи и социологи будут решать множество вопросов, связанных с адаптацией всех “неподготвленных” к неожиданным последствиям нанореволюции.