Текст книги "Нанотехнологии: настоящее и будущее"

Хранители энергии

Нанотрубки уже используются для изготовления крохотных, наноразмерных транзисторов. Чудо-трубки могут служить также идеальными проводами. По ним, сверхпроводникам, электрический ток огромной силы будет протекать, не встречая сопротивления и не выделяя тепла. Обычный провод при таком токе от сильнейшего нагрева мгновенно превратился бы в пар.

Сделанные из материалов с нанотрубками самолеты, ракеты, космические аппараты, автомобили становятся прочнее и легче. А покрытия на основе нанотрубок превращают военные машины в невидимки для радаров. Китайские нанотехнологи изготовили из нанотрубок необыкновенно прочные нитки. Английские – получили сверхпрочную бумагу.

Есть у этих замечательных наночастиц еще одно очень важное свойство: они могут хранить в своих внутренних полостях газообразные вещества, например водород.

Автомобили из наноматериалов будут прочнее, легче и красивее

В авиации материалы с наночастицами найдут самое широкое применение

Как известно, этот газ – замечательное горючее. На единицу своей массы он выделяет энергии намного больше, чем другие виды топлива, например бензин. Подсчитано, что для пробега в тысячу километров автомобилю потребовалось бы всего 5–6 килограммов водорода. Но поскольку водород – самый легкий газ в природе, эти 5–6 килограммов занимают очень большой объем. Чтобы взять с собой достаточный запас водорода, нужны огромные баллоны, которые разместить на легковом автомобиле просто невозможно. К тому же сами баллоны слишком тяжелы и небезопасны.

Но есть прекрасный выход: использовать нанотрубки. Они могут вместить и хранить огромный запас водорода. И это уже не фантазия. Японские компании работают над созданием легкового автомобиля с водородным баком из нанотрубок. Конечно, кроме машин, работающих на водороде, нужно построить еще и водородные заправочные станции. И они уже тоже строятся.

Внутренняя полость нанотрубки может быть заполнена другими атомами и молекулами

В нанотрубках можно хранить не только газы, но и различные жидкие вещества. Например, их можно использовать для перевозки вредных и ядовитых веществ. Дело в том, что попавшие внутрь нанотрубки атомы и молекулы выйти обратно уже не могут: концы трубок закрыты, а ячейки их сетчатых стенок слишком малы для прохода. На месте же доставки концы нанотрубок вскрываются (способы этого уже известны), и содержимое наноконтейнера выпускается наружу.

Пока производство нанотрубок обходится крайне дорого, и процесс этот небыстрый. К тому же длина трубок пока еще весьма мала, в лучшем случае измеряется несколькими миллиметрами. Но это сейчас. Со временем, надеются нанотехнологи, они научатся выращивать нанотрубки длиной в десятки, а то и сотни метров. Техника непрерывно совершенствуется, и то, что невозможно сегодня, станет вполне осуществимо завтра. Так было в технике не раз.

Ловушки для нанотрубок

Как уже говорилось, впервые углеродные нанотрубки были замечены японцем Сумио Ииджимой в саже, образовавшейся на электроде после дугового разряда. С тех пор многие исследователи пытались выяснить загадку рождения этих странных наночастиц, найти способ получения их в достаточном количестве и в чистом виде, не загрязненными различными примесями.

Усилия нанотехнологов оказались ненапрасными. Им удалось разработать даже не один, а несколько разных способов. Общее же в них заключается в том, что нанотрубки создаются из углерода химическим путем при очень высокой температуре.

Самый распространенный – так называемый «метод электродугового распыления графита». Сущность его состоит в следующем. В закрытой камере, заполненной каким-либо инертным газом, между двумя электродами (анодом и катодом) создается электрический разряд. Температура плазмы, рождающейся между электродами, достигает нескольких тысяч градусов. Поэтому стенки камеры приходится охлаждать жидким азотом.

При столь высокой температуре поверхность одного из электродов, анода, быстро испаряется. Пары осаждаются на холодных стенках камеры и другом электроде, катоде. Ради этих-то осадков все и делается. Именно в них, осадках, находят затем с помощью электронных микроскопов заветные нанотрубки и спутники их, фуллерены.

Во втором способе под названием «лазерное испарение графита» используются, как ясно уже из самого названия, лучи лазера. Графит, графитовую мишень, помещают в специальную печь с температурой в 1000 градусов и выше. Мишень обдувается газом – гелием или аргоном и облучается лазером. Распыленный графит уносится газовым потоком в сторону и осаждается вместе с нанотрубками на холодных стенках. Лазерный способ хорош тем, что, регулируя силу облучения, можно иметь трубки заданного размера.

Увы, описанные способы не позволяют получать нанотрубки в большом количестве. Но, к счастью, есть еще один способ, разработанный российскими учеными. Он именуется «метод химического осаждения». Особенность его заключается в том, что смесь двух газов – ацетилена и азота – прогоняется через кварцевую трубку, расположенную в печи. Трубка раскалена, вместе с ней раскаляется и газовая смесь. Там же в трубке находится металлический порошок – катализатор, вещество, ускоряющее химическую реакцию. На поверхности этого порошка и рождаются фуллерены и нанотрубки. Таким способом удается получить достаточно много чудесных частиц. А их требуется все больше и для научных опытов, и для промышленности.

Так устроен аппарат для получения нанотрубок методом распыления графита: 1– электрический генератор; 2 – катод; 3 – подвижный анод; 4 – устройство водяного охлаждения

Увидеть невидимое

Когда Ричард Фейнман выступал со своей знаменитой лекцией «Внизу полным-полно места», он призывал создать сверхсильные микроскопы, которые позволили бы ученым заглянуть в мир атомов. И физики услышали этот призыв и откликнулись на него.

Самые лучшие оптические микроскопы увеличивают в тысячу раз, давая возможность увидеть детали размером около двадцати пяти десятитысячных миллиметра. Когда появились электронные микроскопы, увеличивающие в два миллиона раз, стало возможным видеть группы молекул и атомов. Однако и этого увеличения оказалось недостаточно. Для нанотехнологий требовался микроскоп, позволявший видеть отдельные атомы.

Ученые пришли к выводу, что микроскоп может использовать и иной принцип: не увеличивать объект, а изучать как бы ощупывая его поверхность. Действительно, ведь даже с закрытыми глазами, ощупывая предмет, можно представить его размеры, форму, характер поверхности. Именно на этом принципе и работает сканирующий туннельный микроскоп.

Он был изобретен в 1981 году швейцарскими учеными Гердом Биннигом и Генрихом Рорером. Год спустя было получено первое изображение. Но удивительно, в это никто не хотел верить. Статью о новом микроскопе ни один журнал не пожелал печатать.

Прошло немало времени, пока сканирующий туннельный микроскоп, сокращенно СТМ, наконец оценили по достоинству, а его создатели стали лауреатами Нобелевской премии. Только после появления этого замечательного прибора началось стремительное развитие нанотехнологий. Как же устроен этот микроскоп?

Его рабочим органом служит необычайно острый (с кончиком толщиной всего в несколько атомов) зонд в виде иглы, чаще всего из металла вольфрама. Он подводится к осматриваемой поверхности на расстояние около половины нанометра. Если на зонд подать постоянное напряжение, то возникнет так называемый туннельный эффект, истечение электронов с острия к поверхности. Зонд медленно перемещают. Когда попадается возвышенность, зазор между острием и поверхностью уменьшается, а туннельный ток увеличивается. Если попадется углубление, зазор увеличивается, а ток, напротив, уменьшается.

Зонд сканирующего туннельного микроскопа над слоем атомов

Все изменения величины тока воспринимаются компьютером, с которым соединен микроскоп, и на экране дисплея можно увидеть ощупываемую поверхность со всеми ее характерными деталями. Чувствительность микроскопа колоссальна. Например, при уменьшении зазора между зондом и образцом всего на одну десятую нанометра туннельный ток увеличивается раз в десять. Отсюда и поразительная зоркость СТМ, способного ощутить даже отдельный атом.

На этом рисунке можно увидеть, как устроен сканирующий туннельный микроскоп: 1 – исследуемая поверхность; 2 – зонд; 3 – датчик положения зонда; 4 – компьютер

Так выглядит СТМ

Устройство атомно-силового микроскопа: 1 – исследуемая поверхность; 2 – зонд; 3 – лазер; 4 – фотодиод

К сожалению, сканирующий туннельный микроскоп применим лишь для изучения материалов, которые хорошо проводят электрический ток. Для токонепроводящих нужен другой микроскоп. Он был создан тоже в Швейцарии, в Цюрихе, микроскоп под названием «атомно-силовой», или сокращенно АСМ.

Для него разницы в материалах нет. Происходит это потому, что в микроскопе используется не туннельный ток, а силы, возникающие между атомами изучаемой поверхности и зонда. По зоркости этот микроскоп не уступает туннельному и вдобавок универсален.

Сегодня существует несколько разновидностей сканирующих микроскопов. А так как в них заложена одна и та же идея ощупывания, сканирования поверхности острым зондом, их объединили под общим названием – сканирующие зондовые микроскопы, сокращенно СЗМ.

«Сверху вниз» и «снизу вверх»

Эти замечательные приборы стали основными инструментами в нанотехнологиях. Они дали возможность не только видеть, изучать наночастицы, но и при помощи зонда микроскопа захватывать отдельные атомы и переставлять, передвигать, перекатывать их, создавая новые материалы, новые структуры и конструкции. Зонд работает то как подъемный кран, поднимающий и переносящий атомы, то как бульдозер. Этот способ получил название «сверху вниз». Он напоминает постепенное, кирпич за кирпичом, строительство дома.

Возник даже новый вид искусства, нанографика, когда художники, пользуясь методом сборки «сверху вниз», выкладывают из отдельных атомов какой-нибудь рисунок или надпись.

С помощью зонда сканирующего микроскопа можно передвигать, переносить атомы и молекулы

«Квантовый стадион», или «квантовый коралл», построенный из атомов

Кольцеобразный «квантовый коралл» – произведение нанотехнологического искусства

Главное преимущество способа заключается в том, что он позволяет строго контролировать ход работы. Но есть у него и большой недостаток: уж очень дорогостояща такая сборка и очень медленна. Способ «сверху вниз» пригоден, когда нужно получить материал для научных исследований, в небольшом количестве.

Другой способ называется «снизу вверх». Суть его состоит в том, что создаются условия, при которых атомы сами выстраиваются в заданном порядке. Не случайно этот способ называют еще и самосборкой.

Можно сказать, что самосборку нанотехнологи подсмотрели у природы. В самом деле, все живое образуется именно этим способом. Так рождаются клетки животных и растений. А из клеток, тоже методом самосборки, образуются ткани всех существующих на земле организмов, от микроба до человека.

Оказалось, что нечто подобное можно сделать искусственно, например, посредством определенных химических реакций выращивать самосборкой сверхмалые компьютеры, различные электронные приборы.

Более того, нанотехнологи уже всерьез говорят о том, что через несколько лет многие предметы и вещи – одежда, обувь, бытовая техника и многое другое – будут изготавливаться самосборкой из атомов при помощи индивидуальных нанофабрик.

В 1990 году впервые в мире сотрудники американской компании IBM сложили ее название, логотип, из 35 атомов ксенона (вверху)

На такой фабрике размером с чемодан, прямо как в знаменитой сказке «По щучьему велению, по моему хотению», можно будет создать любой бытовой предмет, любой продукт питания. Всю работу на домашней фабрике будут выполнять миллиарды роботов-фабрикаторов наноскопических размеров, устройств, способных захватывать атомы и соединять их в соответствии с заданной программой и подробным описанием вещи, расположения ее атомов, их связей.

Вот как видят нанотехнологи этот процесс. Сначала фабрикаторы первого уровня создадут наночастицы и блоки из них. На втором этапе блоки будут соединены попарно. На третьем – произойдет соединение соединенных блоков. И так до тех пор, пока не получится готовое изделие, готовая вещь. Миллиарды фабрикаторов выполнят эту работу очень быстро, за считанные минуты, а то и значительно быстрее.

Возможно ли такое? Нанотехнологи заверяют, что вполне возможно, и при этом ссылаются на природу. Ведь она смогла, когда создавала животных и растения. Да и сам человек является продуктом природной самосборки.

Фигурка пляшущего человечка, сложенная из атомов оксида углерода (внизу)

Ассемблеры Эрика Дрекслера

Нанотехнологии стали наукой и обрели будущее после работ американского ученого Эрика Дрекслера, особенно когда появилась его книга «Машины созидания». В ней он писал: «Если атомы упорядочены одним способом, то образуются почва, воздух, вода. Если другим, получается спелая земляника. Мы гордимся нашей технологией, нашими лекарствами и настольными компьютерами. Однако построенные нами космические корабли все еще грубы, компьютеры недостаточно умны, а молекулы в нашем организме постепенно приходят в беспорядок, разрушая наше здоровье и в конце концов саму жизнь».

Выход Дрекслер видел в том, чтобы при помощи нанотехнологий научиться манипулировать атомами и самим получать из них искусственно все, что захотим: виноград, свежий воздух, чистую воду, любую вещь. Если же в расположении атомов и молекул человеческого организма наметился сбой, то нанотехнологии должны помочь нам восстановить прежний порядок, здоровье. И Дрекслер предложил свое средство для управления атомами.

По его мнению, таким средством должны стать наноскопических размеров машинки. Ученый назвал их ассемблерами, что в переводе с английского означает «сборщики». Можно назвать их и по-другому – молекулярными машинами или нанороботами. Они подвижны и, подобно большим роботам, имеют механические руки, манипуляторы.

Чтобы дать представление о том, насколько крошечными будут ассемблеры, достаточно сказать, что тысяча подобных машинок могла бы свободно разместиться на площадке, занимаемой точкой в тексте этой книжки!

Американский ученый Эрик Дрекслер – пионер и энтузиаст нанотехнологий

Ассемблер приближается к заболевшей клетке

Нанороботы должны действовать по заданной программе. Поскольку число атомов огромно, то и ассемблеров потребуется множество – миллиарды, а быть может, и больше, триллионы. Изготовлением своих собратьев будут заниматься специальные роботы, репликаторы.

Манипулируя атомами, ассемблеры смогут любые вещества превратить в какой угодно материал или даже в живое существо. Попав в организм человека путем обычного укола, они остановят процесс старения клеток.

Да, дел у них будет непочатый край. Эти машинки, которые можно увидеть только с помощью специальной аппаратуры, изменят работу заводов и фабрик. Все, что теперь изготавливают из природных материалов – автомобили, самолеты, компьютеры, одежду, – все-все они будут собираться из атомов и молекул.

Огромные перемены произойдут и в сельском хозяйстве. Ассемблеры изменят и его до неузнаваемости. Уже не потребуется выращивать растения и разводить животных. Зачем – если проще произвести продукты питания при помощи ассемблеров непосредственно из атомов, продукты, которые ничем не будут отличаться от естественных. Нанороботы сделают это гораздо лучше и быстрее, чем делает природа.

Когда же это произойдет? Нанотехнологи обещают: в течение ближайших ста лет.

Потомки «аналитической машины»

Более 170 лет назад в Англии профессор Кембриджского университета Чарльз Бэбидж начал строить гигантскую вычислительную машину. Она должна была выполнять арифметические и логические действия и иметь управляющее и запоминающее устройства. Все это производилось с помощью бесчисленных зубчатых колес и колесиков.

До конца осуществить свой гениальный замысел Бэбидж не успел. И хотя ему удалось построить лишь отдельные части «аналитической машины», как он ее называл, она по праву считается далеким предком современных компьютеров.

Когда началась эра электронных вычислительных машин, никто не думал, что механика, шестеренки и зубчатые передачи еще понадобятся при создании микро– и нанокомпьютеров, микро– и нанороботов.

Сокращение МЭМС расшифровывается так: микроэлектромеханические системы. «Микро» – значит крошечных, микронных размеров. МЭМС – это чрезвычайно маленькие машины: электрические микродвигатели, микронасосы, микротурбинки. По размерам они сравнимы с рисовым, а то и маковым зернышком.

Эти удивительные машины появились полвека назад. Но должно было пройти около сорока лет, чтобы опытные МЭМС, все еще оставаясь своего рода игрушками, превратились в надежные устройства, годные для использования в технике.

Чарльз Бэбидж – создатель «аналитической машины», предка нынешних компьютеров

К сожалению, Бэбидж успел построить лишь часть своей огромной машины

А вслед за сокращением МЭМС родилось другое, очень похожее – НЭМС, которое расшифровывается следующим образом: наноэлектромеханические системы. Из названия ясно, что речь идет о еще меньших машинах, которые сравнимы по размерам с молекулами и даже атомами и в которых механика и электроника соединятся в одно целое. Ученые утверждают, что НЭМС произведет в технике настоящую революцию.

Уже упомянутый американский ученый Эрик Дрекслер, тот самый, что изобрел ассемблеры, разработал на основе НЭМС компьютер наноскопических размеров. Как это ни удивительно, но электронномеханическая память этой крошки по объему и скорости намного превысит память чисто электронных устройств, потребляя в то же время в миллион раз меньше энергии.

1. Чудо наномеханики – редуктор, собранный из полутора тысяч атомов

2. Планетарный редуктор

На основе НЭМС, считают нанотехнологи, можно создать такой важный в электронике прибор, как транзистор. И он тоже по всем статьям превзойдет ныне существующие.

Наконец, используя НЭМС, можно построить механо-электронную руку для сборки из атомов и молекул всего, что ей будет задано. И над подобной рукой-манипулятором уже работают самые крупные фирмы Японии, США, Германии и других технически развитых стран.

3, 4. Подшипники наноскопических размеров, собранные из отдельных атомов

5. Управляемый манипулятор из атомов – важнейший элемент наномеханизмов

Наноскопический насос, сделанный из атомов углерода

Управляемый снаряд, в котором используются МЭМС и НЭМС

Моторы для наномира

Для наномеханики потребуются свои моторы, или, как говорят специалисты, наноактюаторы. Без них наномеханизмы замрут, застынут. Поэтому конструкторы работают над созданием таких необычных двигателей, увидеть которые можно лишь в очень сильный микроскоп. И успехи есть. Уже создано несколько типов наноактюаторов. На привычные двигатели они совершенно не похожи, а в основу каждого из них заложены разные физические или химические явления.

Например, американские ученые предложили применить эффект поверхностного натяжения жидкости. То самое натяжение, которое позволяет длинноногому насекомому водомерке запросто бегать по глади пруда или озера, не погружаясь в воду. Правда, в наноактюаторе используется не вода, а расплавленный индий, легкоплавкий металл. Если говорить очень кратко, то капли индия в этом необыкновенном моторе под действием электрического тока и поверхностного натяжения перемещаются, быстро колеблются и тем приводят в движение механизмы.

А вот ученые из университета в Беркли, в Калифорнии, изобрели наноактюатор, в котором действуют электростатические силы. Размеры этого моторчика не превышают 500 нанометров, то есть пяти десятитысячных миллиметра. Ротор его (вращающаяся часть) сделан из золота. Осью служит нанотрубка. Неподвижная часть тоже золотая. Этот сверхмаленький двигатель делает за одну секунду до 30 оборотов.

Есть наномотор, в котором действует энергия лучей лазера. Есть такой, в котором работает, вращается один природный фермент (он регулирует обмен веществ, и его можно найти в любом организме). Надо сказать, что ученым до конца не ясна еще природа этого вращения, что, впрочем, не помешало им успешно использовать его в своем наномоторе.

Оригинальный наноактюатор был изобретен пионером нанотехнологий Эриком Дрекслером. Его наномотор отчасти напоминает обычный электрический. Отчасти – потому что устроен значительно сложнее и во многом по-другому, чем большие моторы. А нанотехнологи из Южной Кореи изготовили наноактюатор и насос из двух нанотрубок, вложенных одна в другую. На внутреннюю трубку действуют силы статического электричества. При этом она колеблется, работая одновременно и двигателем, и насосом.

Изобретательность, фантазия, воображение ученых не знают предела. Появляются все новые и новые виды моторов для наномира, устроенные один хитроумнее другого.

Наноскопический подшипник, сложенный из атомов углерода