<<
>>

Небывалые возможности

  Медицина

Медицина изменится неузнаваемо. Во-первых, наночастицы могут использоваться в медицине для точной доставки лекарств и управления скоростью химических реакций. Нанокапсулы с метками-идентификаторами смогут доставлять лекарства непосредственно к указанным клеткам и микроорганизмам, смогут контролировать и отображать состояние пациента, следить за обменом веществ и многое другое.

Это позволит эффективнее бороться с онкологическими, вирусными и генетическими заболеваниями.

Представьте себе, что вы подхватили грипп (при этом вы даже еще не знаете, что его подхватили). Тут же среагирует система искусственно усиленного иммунитета - десятки тысяч нанороботов начнут распознавать (в соответствии со своей внутренней базой данных) вирус гриппа и за считанные минуты ни одного вируса у Вас в крови не будет! Или у вас начался ранний атеросклероз -искусственные клетки начинают чистить механическим и химическими путями Ваши сосуды .

Во-вторых, возможно создание нанороботов-врачей, способных “жить” внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения или предотвращая их возникновение. Последовательно проверяя и, если надо, “исправляя” молекулы, клетку за клеткой, орган за органом, наномашины вернут здоровье любому больному, а затем просто не допустят никаких заболеваний и патологий, в том числе генетических. Теоретически это позволит человеку жить сотни, а может быть, тысячи лет.

В-третьих, появится возможность быстрого анализа и модификации генетического кода, простое конструирование аминокислот и белков, создание новых видов лекарств, протезов, имплантантов. В этой области рядом исследователей уже проводится проверка различных наноматериалов на совместимость с живыми тканями и клетками.

По прогнозам журнала Scientific American, уже в ближайшем будущем появятся медицинские устройства размером с почтовую марку.

Их достаточно будет наложить на рану. Это устройство самостоятельно проведет анализ крови, определит, какие медикаменты необходимо использовать, и впрыснет их в кровь.

Нужно отметить, что появление высоких технологий из-за их высокой стоимости привнесли в здравоохранение ряд новых проблем, в том числе морально-этического свойства, связанных с наличием и доступностью медицинских услуг для широких слоев населения. Тем не менее, как бы сильно ни развивалась научно-техническая основа медицины, главными факторами исцеления больного всегда были и останутся профессиональная подготовка, этические и человеческие качества врача.

Материаловедение

Качество многих привычных материалов может быть повышено за счет использования наночастиц и атомарной обработки. Нанотехнологии позволят создавать более легкие, тонкие и прочные композитные (смешанные, сложносоставные) материалы. Появятся так называемые “умные” материалы, способные изменять свою структуру в зависимости от окружающей среды. Также появятся материалы сверхпрочные, сверхлегкие и негорючие (на основе алмазоида), которые могут использоваться в аэрокосмической и автомобильной промышленности.

Электроника, компьютерные технологии, робототехника

С появлением новых средств наноманипулирования возможно создание механических компьютеров, способных в кубе

Рис 23. Медицинские нанороботы в представлении художников

с ребром 100 нм функционально повторить современный микропроцессор Intel Pentium II.

Применение нанотехнологий в микроэлектронике (т.е. теперь уже наноэлектронике) позволит перейти от планарной технологии изготовления процессоров (с количеством транзисторов 108 шт. на см2) к BD-технологии, то есть к 1012 транзисторов на см3 соответственно, что в 10 тыс. раз больше, чем на современном этапе.

Развитие методов атомно-силовой микроскопии может обеспечить производство памяти с поверхностной плотностью данных до 17 терабит/см2 Это позволит создать компьютеры и микропроцессорные системы гораздо большей производительности, чем существующие сейчас.

В 2002 году компания HP создала память с электронной адресацией, имеющую на сегодняшний день наибольшую плотность данных. Опытный лабораторный образец 64-битной памяти использует молекулярные переключатели (ключи) как активные устройства и по размерам не превосходит квадратного микрона. Эта область настолько мала, что больше 1000 таких устройств может поместиться на торце человеческого волоса. Плотность битов в устройстве более чем в 10 раз больше, чем в современных кремниевых аналогах.

С течением времени предполагается дальнейшее уменьшение компьютерных компонентов с помощью нанотехнологии. Это приведет к оснащению практически всех бытовых устройств встроенными компьютерами.

Планируется создание нанороботов размером всего 1-2 микрон, оснащенных бортовыми механокомпьютерами и источниками энергии, которые будут полностью автономны и смогут выполнять разнообразные функции, вплоть до самокопирования.

На основе нанотрубок уже сейчас создают детали наномашин — подшипники, передачи. Создание наномоторов на основе АТФ (универсального аккумулятора и переносчика энергии во всех биологических системах) позволит приводить в движение нанороботов, а развитие беспроводной лазерной связи позволит управлять ими и служить “энергопроводом”.

Микроскопия и средства визуализации

Если на сегодняшний день основными средствами визуализации являются СЗМ — сканирующие зондовые микроскопы, то с появлением нанороботов откроются новые возможности в наноманипулировании, сканировании и средствах визуализации макромолекулярных структур, поскольку можно будет обрабатывать их с атомарной точностью.

Социальные последствия

По прогнозам экспертов Национальной нанотехнологической инициативы США, развитие нанотехнологий через 1015 лет позволит создать новую отрасль экономики с оборотом в $1.000.000.000.000 и миллионы рабочих мест.

Принципиально иным станет образование. Дети получат карманные наноконструкторы, создающие движущиеся модели животных, машин и космических процессов, которыми они смогут управлять.

Соответственно, изменится и сам подход к обучению, традиционная безличная классно-урочная система канет в прошлое, изменятся учебные программы. Игровые и учебные наномашины откроют доступ к мировым знаниям, разовьют по индивидуальной программе умственные способности каждого ребенка.

Труд в современном смысле, то есть “в поте лица”, который с незапамятных времен был главным содержанием жизни, перестанет существовать. Потеряют смысл и нынешние понятия стоимости, цены, денег. Зато повысится, вероятно, стоимость идеи- конструкции определенной вещи для построения ее ассемблерами.

Как считает Дрекслер, в таком полностью обновленном обществе осуществится настоящая утопия, но не из тех, где дается рецепт коллективного счастья в типовых общежитиях. Наоборот, каждый человек получит максимальное разнообразие вариантов существования, возможность, не мешая другим, свободно избирать и менять образ жизни, экспериментировать, ошибаться и начинать сначала.

Домашний быт и сельское хозяйство

Нанотехнологиии способны произвести революцию в сельском хозяйстве. Молекулярные роботы смогут производить пищу, "освободив" от этого растения и животных. С этой целью они будут использовать любое “подножное сырье”: воду и воздух, где есть главные нужные элементы — углерод, кислород, азот, водород, алюминий и кремний, а остальные, как и для “обычных” живых организмов, потребуются в микроколичествах.

К примеру, теоретически возможно производить молоко прямо из травы, минуя промежуточное звено — корову. Человеку не придется убивать животных, чтобы полакомиться жареной курочкой или копченым салом. Предметы потребления будут производиться “прямо на дому”.

Промышленность и космонавтика

Ожидается, что уже в 2025 году появятся первые ассемблеры, созданные на основе нанотехнологий. Теоретически возможно, что они будут способны конструировать из готовых атомов любой предмет. Достаточно будет спроектировать на компьютере любой продукт - и он будет собран и размножен сборочным комплексом нанороботов.

В своих “Машинах созидания” Дрекслер описывает, как примерно будет выглядеть создание, или точнее говоря “выращивание” ракетного двигателя:

“Процесс идет в баке, на дно которого помещают подложку - основание. Крышка бака герметически закрывается, и насосы наполняют его вязкой жидкостью, содержащей миллионы ассемблеров, запрограммированных на функции сборщиков двигателя.

В центре подложки находится “зародыш” - нанокомпьютер, хранящий в памяти все чертежи будущего двигателя, а на поверхности имеется участок, к которому могут “прилипать” сборщики из бурлящей вокруг взвеси. Каждый из них получает информацию о назначенном ему пространственном положении относительно зародыша и приказ захватить своими манипуляторами несколько других сборщиков из взвеси. Они также подключаются к компьютеру “зародыша” и получают аналогичные приказы. За несколько часов в жидкости вырастает некое подобие кристаллической структуры, с мельчайшими подробностями очерчивающей форму будущего двигателя.

Снова включаются насосы, и взвесь в баке заменяет сборщиков раствором строительных материалов — триллионами атомов различных химических элементов. Компьютер зародыша отдает команду, и часть составляющих каркас строителей отпускает своих соседей, складывает манипуляторы и также вымывается, оставляя ходы и каналы, которые будут заполнены нужными атомами и молекулами.

Специальные усики оставшихся сборщиков интенсивно гребут, создавая в каналах непрерывный ток жидкости, содержащей “топливо” и исходные материалы и выносящей из рабочей зоны отходы и тепло. Система связи, замкнутая на компьютер зародыша, передает команды каждому строителю. Там, где требуется наибольшая прочность, сборщики складывают атомы углерода в алмазную решетку. Где критичны тепловая и коррозионная устойчивость, на основе окиси алюминия создаются структуры кристаллической решетки сапфира. В тех местах, где напряжения невелики, сборщики экономят вес конструкции, меньше заполняя поры. И по всему объему будущего двигателя атом за атомом выкладываются клапаны, компрессоры, датчики и т.д.

На всю работу потребуется менее суток времени и минимум человеческого внимания.

На что похож этот двигатель? Это уже не массивный кусок сваренного и скрепленного болтами металла, он без швов, подобный драгоценному камню. Его пустые внутренние ячейки, построенные в ряды, находящиеся примерно на расстоянии длины волны света друг от друга, облегчают структуру, уже сделанную из самых легких и прочных известных материалов. В сравнении с современными металлическими двигателями этот усовершенствованный двигатель будет легче боле, чем на 90%.

Он выдерживает длительное и интенсивное использование, потому что состоит из более прочного материала. Поскольку ассемблеры позволили проектировщикам делать материал двигателя таким, что он при нагрузке течет прежде, чем ломается, двигатель не только прочен, но и износостоек.

При всем своем превосходстве, этот двигатель, в общем-то, вполне обычен. В нем просто заменили плотный металл тщательно устроенными структурами из легких, прочно связанных атомов.

Но это все еще самые простые возможности нанотехнологии. Из теории известно, что ракетные двигатели работали бы оптимально, если бы могли менять свою форму в зависимости от режима. Только с использованием нанотехнологии это станет реальностью.

Конструкция более прочная, чем сталь, более легкая, чем дерево, сможет подобно мускулам (используя тот же принцип скользящих волокон) расширяться, сжиматься и изгибаться, меняя силу и направление тяги. Космический корабль сможет полностью преобразиться примерно за час.

Нанотехника, встроенная в космический скафандр и обеспечивающая круговорот веществ, позволит человеку находиться в нем неограниченное время, к тому же превратит оболочку скафандра в “умножитель силы”.

Нанороботы способны воплотить также мечту фантастов о колонизации иных планет - эти устройства смогут создать на них среду обитания, необходимую для жизни человека. Станет возможным автоматическое строительство орбитальных систем, самособирающихся колоний на Луне и Марсе, любых строений в мировом океане, на поверхности земли и в воздухе (эксперты прогнозируют это к 2025 гг.). Возможность самосборки может привести к решению глобальных вопросов человечества: проблемы нехватки пищи, жилья и энергии. В освоении космоса начнется новая эра.

Космический лифт

Тот, кто думает, что с помощью нанотехнологии можно создать только что-то субмикроскопическое, невидимое для человеческого глаза, вероятно, будут удивлены проектом, разрабатываемым в последнее время специалистами из NASA и привлекшим столько внимания со стороны ученых и широкой общественности. Речь идет о проекте так называемого космического лифта.

Космический лифт — это трос длиной в несколько десятков тысяч километров, соединяющий орбитальную космическую станцию с платформой, размещенной посреди Тихого океана.

Идее космического подъемника более века. Первым о нем заговорил в 1895 году великий русский ученый Константин Циолковский, основоположник современной космонавтики. Он указывал на то, что принцип, положенный в основе современного ракетостроения, не позволяет современным ракетоносителям быть эффективным средством для доставки груза в космос. Причин тому несколько:

Во-первых, КПД современных ракет очень низок из-за того, что львиная доля мощности двигателей первой ступени уходит на работу по преодолению силы земного тяготения.

Во-вторых, известно, что значительное увеличение массы топлива в несколько раз даёт лишь небольшой прирост скорости

ракеты. Потому, например, американский ракетный комплекс “Сатурн-Аполлон” при стартовой массе 2900 тонн выводил на орбиту только 129 тонн. Отсюда астрономическая стоимость космических запусков с помощью ракет (стоимость вывода килограмма груза на низкую орбиту составляет в среднем около $10.000.)

И, несмотря на многократные попытки снизить стоимость запуска ракет, по-видимому, радикально удешевить транспортировку грузов и людей на орбиту до стоимости стандартных авиаперевозок на базе современных ракетных технологий принципиально невозможно.

Чтобы отправлять грузы в космос более дешевым способом, исследователи из Лос-Аламосской национальной лаборатории предложили создать космический лифт. Цена запуска груза с помощью лифта по предварительным оценкам может снизиться с десятков тысяч долларов до $10 за килограмм. Ученые полагают, что космический лифт сможет в буквальном смысле перевернуть мир, дав человечеству совершенно новые возможности.

По сути, лифт будет представлять собой кабель, соединяющий орбитальную станцию с платформой на поверхности Земли. Кабинки на гусеничном ходу будут перемещаться по кабелю вверх и вниз, перенося спутники и зонды, которые нужно вывести на орбиту. С помощью этого лифта на самом верху можно будет построить в космосе стартовую площадку для космических аппаратов, отправляющихся к Луне, Марсу, Венере и астероидам. Оригинально решена проблема подачи энергии к самим лифтовым “кабинам”: трос будет покрыт солнечными батареями либо кабины будут оснащены небольшими фотоэлектрическими панелями, которые с Земли будут подсвечивать мощные лазеры.

Ученые предлагают разместить наземную базу космического лифта в океане, в экваториальных водах Тихого океана, за сотни километров от маршрутов коммерческих авиарейсов. Известно, что ураганы никогда не пересекают экватор и здесь почти не бывает молний, что обеспечит лифту дополнительную защиту.

Космический лифт описан в произведениях Циолковского, а также писателя-фантаста Артура Кларка, а проект строительства такого лифта был разработан ленинградским инженером Юрием Арцутановым в 1960 году. Долгие годы активным пропагандистом идеи космического лифта был астраханский ученый Г.Поляков.

Но до сих пор никто не мог предложить материал такой легкости и прочности, чтобы из него можно было бы сделать космический трос. До недавнего времени самым прочным материалом являлась сталь. Но изготовить из стали трос длиной в несколько тысяч километров не представляется возможным, так как даже упрощенные расчеты говорят о том, что стальной трос необходимой прочности рухнул бы под собственной тяжестью уже на высоте в 50 км.

Однако с развитием нанотехнологий появилась реальная возможность изготовить трос с нужными характеристиками на основе волокон из сверхпрочных и сверхлегких углеродных нанотрубок. Пока никому не удалось сделать даже метровый кабель из нанотрубок, но, по уверениям разработчиков проекта, технологии производства нанотрубок совершенствуются ежедневно, так что подобный кабель вполне может быть сделан уже через несколько лет.

Главный элемент подъемника — трос, один конец которого крепится на поверхности Земли, а другой теряется в космосе на высоте около 100 тыс. км. Этот трос будет не просто “болтаться” в космическом пространстве, а будет натянут, как струна, благодаря воздействию двух разнонаправленных сил: центробежной и центростремительной.

Чтобы понять их прироу, представьте, что вы привязали к веревке какой-нибудь предмет и начали его раскручивать. Как только он приобретет определенную скорость, веревка натянется, потому, что на предмет действует центробежная сила, а на саму веревку - сила центростремительная, которая ее и натягивает. Нечто подобное произойдет и с поднятым в космос тросом. Любой объект на его верхнем конце или даже сам свободный конец будет вращаться, подобно искусственному спутнику нашей планеты, только “привязанному” особой “веревкой” к земной поверхности.

Уравновешение сил будет происходить, когда центр масс гигантского каната находится на высоте 36 тысяч километров, то есть на так называемой геостационарной орбите. Именно там искусственные спутники висят неподвижно над Землей, совершая вместе с ней полный оборот за 24 часа. В этом случае он будет не только натянут, но и сможет постоянно занимать строго определенное положение - вертикально к земному горизонту, точно по направлению к центру нашей планеты.

Рис 24. Космический лифт в представлении художника Пэта Ролингса*

Для начала строительства космического лифта необходимо будет совершить пару полетов на космических челноках. Они и специальная платформа со своим автономным двигателем доставят 20 тонн троса на геостационарную орбиту. Затем предполагается опустить на Землю один конец троса и закрепить где- то в экваториальной зоне Тихого океана на платформе, похожей на нынешнюю стартовую площадку для запуска ракет.

Затем рассчитывают пустить по тросу специальные подъемники, которые будут добавлять все новые и новые слои нанотрубочного покрытия к тросу, наращивая его прочность. Этот процесс должен занять пару-тройку лет - и первый космический лифт будет готов.

* Перепечатано с http://flightprojects.msfc.nasa.gov

Любопытные совпадения: в 1979 году писатель-фантаст Артур Кларк в своем романе “Фонтаны рая” выдвинул идею “космического лифта” и предложил заменить сталь неким сверхпрочным “псевдоодномерным алмазным кристаллом”, который и стал основным строительным материалом для данного приспособления. Самое интересное, что Кларк почти угадал. Нынешний этап интереса к проекту строительства космического лифта связан именно с углеродными кристаллами — нанотрубками, обладающими замечательными свойствами, с которыми мы уже познакомились.

И что совсем уж удивительно: физика - одного из участников разработки космического лифта - зовут Рон Морган. Морганом же звали и персонажа романа Артура Кларка - инженера, построившего космический лифт!

Морган настоящий прогнозирует, что первый лифт в космос человечество сможет построить всего через 12-15 лет, что он будет способен поднимать до 20 тонн грузов каждые 3 дня, а его предварительная стоимость составит 10 миллиардов долларов.

Политика

Нанотехнологии имеют большое военное будущее. На военные наноисследования в одном только 2003 году США потратили $201 млн. В военной сфере также активны Великобритания и Швеция. Как предполагается, в 2008 году будут представлены первые боевые наномеханизмы. Военные исследования в мире ведутся в шести основных сферах: технологии создания и противодействия “невидимости”, энергетические ресурсы, самовосстанавливающиеся системы (например, позволяющие автоматически чинить поврежденную поверхность танка или самолета), связь, а также устройства обнаружения химических и биологических загрязнений.

Производители уже получают первые заказы на наноустройства. К примеру, армия США заказала компании Friction Free Technologies разработку военной формы будущего. Она должна изготовить носки с использованием нанотехнологий, которые должны будут выводить пот, но сохранять ноги в тепле, а носки в сухости.

Чрезвычайно интересен проект исследовательской организации “Институт нанотехнологий для солдат” при Массачусе-

тском технологическом институте. На предстоящие пять лет институт получил грант ВС США в размере $50 млн. на разработку материалов для солдатской формы средствами нанотехнологий. В проекте принимают участие около 150 сотрудников, включая 35 профессоров Массачусетского о института, а также военные специалисты.

Униформа будущего “наносолдата” должна уметь отражать пули, самостоятельно лечить раны своего хозяина, повышать его способности, делать его незаметным и позволять ходить по отвесным стенам. В отличие от средневековых аналогов “нанокольчуга” будущего, произведенная при помощи молекулярных технологий, будет легкой и удобной.

Для защиты от поражения огнестрельным оружием может быть создан так называемый экзоскелет - специальный костюм, повышающий свою плотность в месте удара пули.

Еще одна идея - вплетать в ткань волокна органических полимеров, отражающие свойства которых зависят от механических напряжений либо электрических полей. Это сделает солдата “невидимым” для стандартных систем обнаружения, использующих различные виды излучения, поскольку в сочетании с массивом микромеханических датчиков эти нановолокна смогут воссоздавать прохождение света таким образом, как если бы солдата не было в данном месте.

При этом солдатам не обязательно носить на себе еще и электрогенератор, чтобы обеспечить электропитание собственного обмундирования - искусственные мускулы, разрабатываемые в настоящее время в Массачусетском технологическом институте, позволяют преобразовывать механическую энергию движения и накапливать её наподобие аккумулятора. Солдат сможет сначала поднакопить запасы энергии в ткани, а затем использовать ее, чтобы перепрыгнуть через высоченную стену. Прямо как в компьютерных играх - чтобы высоко и далеко прыгнуть, надо какое-то время просто идти.

Экология

Нанотехнологии способны также стабилизировать экологическую обстановку. Новые виды промышленности не будут производить отходов, отравляющих планету, а нанороботы смогут уничтожить последствия старых загрязнений — нанотехника восстановит озоновый слой, очистит от загрязнений почву, реки, атмосферу, океаны, демонтирует заводы, плотины, рудники, запечатает радиоактивные отходы в вечные самовосстанавливающиеся контейнеры. Более того, эксперименты с образцами почв, пораженных радиационно и химически (в том числе и чернобыльских), показали возможность восстановления их с помощью нанопрепаратов на основе бактериородопсина до естественного состояния микрофлоры и плодоносности за несколько месяцев!

Следы промышленной деятельности почти исчезнут с лица Земли, сократятся сельскохозяйственные угодья, большую часть планеты покроют сады и естественные экосистемы...

С помощью механоэлектрических нанопреобразователей можно будет преобразовывать любые виды энергии с большим КПД и создавать эффективные устройства для получения электроэнергии из солнечного излучения с КПД около 90%. Утилизация отходов и глобальный контроль за энергосистемами позволит существенно увеличить сырьевые запасы человечества.

<< | >>
Источник: Мария Рыбалкина. НАНОТЕХНОЛОГИИдля всех. 2005

Еще по теме Небывалые возможности:

  1. 2.2. Сценарии будущего в контексте глобальной коммуникации
  2. 2.2. Сценарии будущего в контексте глобальной коммуникации
  3. СОВРЕМЕННАЯ СИТУАЦИЯ И НОВЫЕ ПУТИ РАЗВИТИЯ ФИЛОСОФИИ
  4. ГЛАВА VI. Экономические корни империализма.
  5. Телевидение и Интернет
  6. АННА ШМИДТ- "НЕВЕСТА" В.С.СОЛОВЬЕВА. ТЕОСОФИЯ: Е.П.БЛАВАТСКАЯ, Е.Ф.ПИСАРЕВА И ДРУГИЕ
  7. 127 (398). ГЕГЕЛЬ- ГЁТЕ Берлин, 2 авг[уста] 1821 г.
  8. ПЛУТАРХ 920 О ЛИКЕ, ВИДИМОМ НА ДИСКЕ ЛУНЫ
  9. §3.7. Гуманизм кровопролитного века
  10. Глава 1 РОССИЙСКАЯ «РЕЧЕВАЯ ДЕЙСТВИТЕЛЬНОСТЬ» В ЭПОХУ ПЕРЕСТРОЙКИ
  11. Еще раз о больших деньгах
  12. 5 Упадок фордизма и вызов американской силе