Текст книги "Нанотехнологии: настоящее и будущее"

«Воздушный» нанобетон

Многие из нас даже не подозревают, что уже сегодня пользуются нановеществами. Они продаются и всем доступны. Существовали белые кремы для защиты от солнечных лучей, делавшие лица загоравших на пляжах странными и неприятными. Современные бесцветные солнцезащитные кремы содержат наночастицы. Они пропускают видимый свет, но отражают вредное ультрафиолетовое излучение.

Можно также привести в качестве примера жидкость для мытья оконных стекол. В этой жидкости находятся наночастицы диоксида титана (химического соединения металла титана с кислородом). Они способствуют быстрому распаду органических загрязнений. А в будущем, по словам нанотехнологов, стекла вообще станут самоочищающимися. Для этого достаточно подвергнуть их специальной обработке так, чтобы в них образовались собственные наночастицы.

Это только три примера. Нанотехнологии могут создать вещи большой прочности, материалы, не боящиеся сильного нагрева, химически стойкие, с улучшенными оптическими и электрическими свойствами.

Уже существуют наноматериалы, защищающие инструменты и детали машин от износа. Пропитанные особым наносоставом деревянные части дома будут служить очень долго, не разрушаясь, и никакие вредители, никакая плесень им после этого не страшны. Другой наносостав предотвратит коррозию, ржавление металлов, а термостойкие нанопокрытия защитят при нагреве детали автомобильных двигателей.

Архитекторы и строители благодарят нанотехнологов за новые строительные материалы. Например, российскими специалистами создан нанобетон. Особые добавки, наноинициаторы, как их называют, придают этому бетону замечательные качества. Он становится в полтора раза прочнее, не боится холодов и, ко всему прочему, в шесть раз легче. И все это благодаря наночастицам.

Наночастицы дадут возможность по желанию изменять цвет автомобиля

В России же изобретен и цемент с наночастицами. Строители не нарадуются. Да и как не радоваться, если у этого цемента (изобретатели назвали его керамическим) такие качества, которые трудно переоценить. За дом, построенный на новом цементе, можно быть спокойным. Ему не страшны ни огонь, ни сильные морозы. С наноцементом стройку можно вести даже под водой.

И уж совсем удивителен новый строительный материал – пенобетон с наночастицами. Он тоже прочен, но удивительно легок, «воздушен». Таким его делает добавка сажи, содержащей наночастицы. И добавка совсем небольшая, одна сотая часть. Вот что могут наночастицы!

А какие поразительные краски сотворены нанотехнологами! Ими можно окрашивать поверхности из любых материалов. К свету они необычайно стойки. Фасады домов, покрытые нанокрасками, даже спустя несколько лет выглядят как новенькие, словно недавно окрашенные.

Интересно, что создана специальная нанокраска для железнодорожных вагонов. Она не только делает их красивыми и нарядными, но и защищает от… хулиганов, портящих вагоны разными надписями и рисунками. После окраски поверхность вагонов становится настолько гладкой, что сделать надпись или что-нибудь нарисовать на ней совершенно невозможно.

«Умные» материалы

Трудно вообразить порванную рубашку, которая бы сама себя чинила. А вот одежда, пошитая из специальных нанотканей, может это делать. Наноматериалы, ведущие себя точно так же, как вел бы себя в тех же условиях человек, получили название «умных».

Наша кожа – природный, исключительно «умный» материал. При порезах и других ранениях она самовосстанавливается, заживает. Она чувствует изменение внешней температуры, прикосновения и даже звук. Ученые пытались создать искусственную кожу, не менее «умную», чем естественная. И это им удалось.

Примером могут служить интеллектуальные нановолокна. Ткань, изготовленная из этих волокон, в зависимости от температуры изменяет свой цвет и пористость. Если из такой наноткани-хамелеона пошить, например, рубашку, то в жаркий день она будет светлой и свободной. При похолодании, наоборот, будет темнеть и становиться плотнее.

Созданы наноткани, которые не мнутся при долгом лежании в чемодане, ткани, отпугивающие в лесу комаров и других кровососущих насекомых. Одна зарубежная фирма выпустила нижнее белье с нанодатчиками (сигнализаторами), следящими за здоровьем человека, точнее, за работой его сердца. И если сердце начнет давать сбои, то «умное» белье немедленно поднимет тревогу и даже сообщит об этом врачу.

«Умными» могут быть не только наноткани, но и наножидкости. Одна из них – с виду жидкость как жидкость. В обычном состоянии находящиеся в ней наночастицы располагаются в беспорядке, хаотично. Однако стоит подействовать на этот раствор электрическим или магнитным полем, как частицы выстраиваются определенным образом, и жидкость густеет, становится вязкой и наконец твердой как камень.

Такую наножидкость, находящуюся внутри бронежилета, можно заставить мгновенно затвердеть и превратиться в пуленепробиваемую броню. Она же может служить в автомобильных амортизаторах. Особый прибор следит за состоянием дороги. Если на ней попадается рытвина, в ту же секунду подается сигнал, «умная» жидкость в амортизаторе становится вязкой и смягчает толчок.

Автомобили с жидкими рессорами уже ездят. Известная фирма «Дженерал моторс» выпустила более ста тысяч легковых машин, в которых спокойную, мягкую езду обеспечивает «умная» жидкость.

Она же применяется для уменьшения вибрации, тряски при запусках космических ракет. Это имеет важное значение, так как при старте ракеты существенно уменьшается риск повредить аппаратуру искусственных спутников Земли и межпланетных аппаратов.

Бронежилет с «умной» жидкостью, мгновенно твердеющей, будет еще надежнее

«Умные» материалы при старте космической ракеты могут уменьшить вредные вибрации

«Умные» наноматериалы помогают беречь природу. Созданы упаковочные нанопленки, которые сами себя уничтожают. Крайне важное качество. Их называют еще биодеградирующими. Купил продукт в магазине, упаковку выбросил. Пройдет определенное время, и пленка сама собой разрушится, превратится в безвредное вещество, не загрязняющее ни воздух, ни землю.

А в США ученые изобрели удивительную промокашку, предназначенную для сбора нефти, разлившейся в море при аварии танкеров. Она состоит из минеральных нановолокон и может впитать нефти в 20 раз больше, чем весит сама.

«Папа всех бомб»

О том, что нанотехнологии могут быть использованы в военном деле, стало ясно почти сразу. И правда, на основе нанотехнологий можно разработать мощные боеприпасы – снаряды, мины, бомбы, создать пуленепробиваемые материалы, невиданные средства маскировки, точные приборы, новые средства связи и многое другое.

В 1960 году американцы испытали бомбу объемного взрыва, или, говоря иначе, вакуумную бомбу. Особенность ее состояла в том, что сначала появлялось облако специальной топливо-воздушной смеси. Оно воспламенялось, и тогда гремел взрыв колоссальной разрушительной силы. За огромную мощь американцы назвали свою бомбу «матерью всех бомб».

Но прошло время, и в 2007 году появились сообщения о том, что в нашей стране тоже разработана вакуумная бомба, но в четыре раза мощнее американской. Температура в центре ее взрыва тоже была намного выше. Площадь поражения значительно больше. По разрушительной силе этот сверхмощный боеприпас мог сравниться лишь с атомным боевым зарядом. Недаром его прозвали «папой всех бомб».

Устройство российской бомбы, заряда, прозванного за свою мощь «папой всех бомб»: 1 – детонатор; 2 – взрывчатка; 3 – устройство для распыления взрывчатки; 4 – стабилизатор; 5 – парашют

Такой мощности удалось достичь за счет применения нанотехнологий. При взрыве поджигалось облако с наночастицами горючего вещества, выделяющими при сгорании особенно много энергии. В этом и заключался секрет русской сверхбомбы.

Надежно замаскироваться, сделаться невидимым для противника – к этому всегда стремились военные. Нанотехнологи предложили специальные покрытия для танков, самолетов, артиллерийских орудий, делающие боевую технику незаметной для радаров.

Японские инженеры создали нанопленку – гибкий телеэкран. Плащ из такой пленки делает человека как бы прозрачным

Боевое «насекомое», умещающееся на кончике пальца

Ученые считают, что плащ-невидимка для солдат уже тоже не фантазия. Над ним работают, и первые результаты этой работы обнадеживают. Английские ученые создали модель. Она покрыта множеством тончайших игл диаметром 10 нанометров. Наноиглы так взаимодействуют со светом, что модель становится невидимой, но все, что за ней, видно хорошо.

Но это происходит при освещении модели только красным светом. Однако исследователи надеются, что со временем удастся добиться невидимости при любом освещении. А там и до плаща-невидимки уже недалеко.

Как известно, ярче всего нанотехнологии проявились в электронике. Стало возможным создать транзисторы, диоды, ячейки памяти и другие элементы микросхем очень малых размеров, состоящие из нескольких молекул и даже всего из одной молекулы.

Используя достижения наноэлектроники, израильские инженеры работают над созданием электронного шмеля для обнаружения и уничтожения противника в стесненных условиях большого города. Шмель снабжен видеокамерой и несет на себе заряд взрывчатки. Как утверждают футурологи (специалисты по будущему), нанотехнологии сделают грядущие войны куда более жестокими, чем в прошлые времена. Опасность заключается прежде всего в том, что оружие станет незаметным. Боевые нанороботы размером с муху и меньше будут такими же смертельно опасными и неуловимыми, как болезнетворные микробы.

В самом деле, что можно противопоставить туче микророботов, способных самостоятельно перемещаться по воздуху и внезапно атаковать? А для размещения целой армии подобных «насекомых» достаточно одного небольшого чемоданчика.

«Всевидящая пыль»

Идея эта впервые пришла в голову известному польскому писателю-фантасту Станиславу Лему. Те, кто читал его роман «Непобедимый», помнят, наверное, строки о необыкновенном оружии в виде туч из кремниевых пылинок. Казалось, что воображение писателя слишком опередило время, и если такое «пылевое» оружие и будет создано, то еще очень нескоро. На самом деле все произошло гораздо раньше. Произошло благодаря уже знакомым МЭМС и НЭМС – микро– и наноэлектромеханическим системам.

Более десяти лет назад американские ученые высказали мысль о том, что, используя нанотехнологии, можно создать «разумную пыль». Они предложили в случае войны разбросать над территорией противника множество мельчайших телепередатчиков. Никем не замеченные, эти крохотные электронные шпионы станут следить за передвижением и действиями вражеских войск.

Предполагалось, что телепылинки должны действовать не каждая в отдельности, а вместе с другими, соединенными в сложную сеть. Этот коллективный разум будет собирать разведывательные данные и пересылать их своим, в центральный компьютер, для анализа.

Первые опытные «разумные» пылинки были еще далеки от настоящих пылинок. Они скорее напоминали лекарственные таблетки с органами чувств, нанокомпьютером и микровидеокамерами. Без всякой подзарядки таблетки могли работать в течение многих месяцев, поскольку включались на короткое время для наблюдений, а затем замирали до следующего включения.

Знаменитый польский писатель-фантаст Станислав Лем

Первые опыты с «разумной пылью» состоялись весной 2001 года на военной базе в штате Калифорния. С самолета был сброшен электронный десант. Упав на землю, пылинки, как им и следовало, тотчас же объединились в сеть и приступили к наблюдениям. Стоило проехать колонне танков, как сообщение об этом сразу ушло в центр. Сообщалось о типе боевых машин, их количестве и скорости движения. И так обо всем, что могло заинтересовать военных.

За короткое время «умные таблетки» значительно уменьшились в размерах. Во время войны в Афганистане американцы испытывали электронных разведчиков величиной с маленькое зернышко.

Поскольку усовершенствованные пылинки работали все надежнее, а стоимость их уменьшалась, стало возможным использовать их не только для военной разведки, но и в научных целях и даже в повседневной жизни.

Примеров можно привести немало. Умные сигнализаторы стала применять полиция, их используют социальные службы для наблюдения за одинокими пожилыми людьми, экологи – за состоянием природы.

Американскому орнитологу (специалисту по птицам) Джону Андерсону каждое лето требовалось посещать далекий остров для наблюдения за птицами, гнездившимися там. Добираться до острова было нелегко. К тому же приходилось за короткое время обследовать тысячи гнезд. Но после того как ученый вместе со своими помощниками подбросил в гнезда «умные пылинки», положение коренным образом изменилось. Теперь необходимость ездить на остров отпала, а вести наблюдение за птицами и выведением птенцов стало легко и просто. «Можно находиться в любом месте нашей планеты, – с восхищением говорил Андерсон, – и ясно видеть, что происходит в любом птичьем гнезде, где лежат эти маленькие штучки». Маленькими штучками он ласково называл «умные пылинки».

В космос на лифте

Вид из космического лифта на далекую Землю

Летать в космос – дорого, непросто и нелегко. Далеко не каждый человек пригоден для этого. Космонавту требуется отличное здоровье. Подготовка к полету занимает несколько лет. Но, возможно, так будет не всегда, возможно, придет время, когда люди станут подниматься в космос не на ракетах, а совсем по-другому. Но как же можно обойтись без ракет?

Среди различных искусственных спутников Земли есть особенные – геостационарные. Они летают на высоте 36 тысяч километров. Скорость полета позволяет им строго следовать за вращением Земли и буквально висеть неподвижно над одной точкой земной поверхности.

Геостационарные спутники используются для трансляции телевизионных передач, а также в качестве средств связи. Но оказалось, что они могут понадобиться для дела совершенно грандиозного.

Полвека назад российским инженером Юрием Арцутановым был разработан проект, который в то время представлялся неосуществимой фантазией. Арцутанов предложил соединить прочным тросом Землю с неподвижно висящим над ней геостационарным спутником. Получится «канатная дорога» в космос, по которой смогут двигаться вверх и вниз кабины с пассажирами и грузами, как двигаются лифты в многоэтажных домах. Дорогу эту так и назвали – «космический лифт».

Идея простая и ясная, но осуществить ее действительно очень непросто, да в настоящее время и невозможно, техника еще не позволяет. Ведь, чтобы построить этот лифт, надо протянуть ввысь трос длиной в десятки тысяч километров. Никакой столь длинный трос, изготовленный из существующих материалов, не выдержит и неминуемо разорвется от собственной тяжести.

У самой лучшей стали прочность раз в двадцать меньше, чем необходимо для космического лифта. Кварцевое волокно в четыре раза прочнее стали, но все равно этого мало. Оставалось надеяться, что ученые создадут сверхпрочный и в то же время легкий материал, пригодный для сооружения гигантского лифта. И надежды эти оправдались. Такой трос, оказалось, можно сделать из нанотрубок, которые, как уже говорилось, обладают невиданной прочностью. Они в четыре раза крепче, чем нужно для космического троса. Допустим, что такой нанотрос есть. Как же будет выглядеть строительство космического лифта?

Строить его придется не снизу вверх, как высокую башню, а, наоборот, сверху вниз. Сначала на геостационарную орбиту необходимо вывести спутник. С него будет спущена на Землю первая нанонить будущего троса, совсем тоненькая, тоньше человеческого волоса.

По этой нити, закрепленной на базовой станции в Тихом океане, поползет легкая тележка, своеобразный паук, который вокруг первой нанонити начнет плести вторую. Снуя по нити вверх-вниз, он будет плести трос, пока тот не станет достаточно прочным, способным выдержать вес пассажирских и грузовых кабин.

Американские инженеры, развивая идею Юрия Арцутанова, предложили использовать в космическом лифте не трос, а плоскую ленту. Говорят, что космический лифт будет построен в ближайшие 15–20 лет.

Ну а что же случится, если произойдет авария и трос или лента разорвется? Часть лифта выше разрыва останется в космосе. Нижняя сгорит в атмосфере, и земляне увидят огненную полосу через все небо. А что не сгорит, то упадет в океан.

Этот наноробот за свой странный вид был назван амебой. Его предназначение – осваивать далекие планеты

Стражи здоровья

Нанотехнологии изменят медицину, и она станет другой. Иначе будут распознавать болезни, по-другому лечить их. Многие болезни исчезнут вообще. Появилось даже новое название – наномедицина.

Поставить правильный диагноз при серьезных заболеваниях непросто, и наночастицы здесь могут быть надежными помощниками. В теле человека нет ничего намагниченного. Это как раз и позволяет для выявления воспалений использовать намагниченные наночастицы, введенные больному. В организме человека они – тела инородные, а потому быстро захватываются фагоцитами, клетками, поглощающими все чужеродное.

Фагоциты становятся магнитными, мечеными клетками. Если в организме где-либо начинается воспалительный процесс, то бдительные фагоциты устремляются туда, чтобы немедленно начать борьбу с инфекцией – бактериями и вирусами. Место скопления меченых клеток легко обнаружить прибором – магнитно-резонансным томографом. Так с помощью наночастиц можно быстро засечь очаг воспаления и не теряя времени начать лечение.

Инфаркт – тяжелое заболевание сердца. Оказалось, что в борьбе с этим недугом могут помочь нановолокна. Опыты проводились пока на животных. У подопытных мышей искусственно были вызваны инфарктные повреждения сердца. После этого заболевших разделили на две группы.

Первой ввели препарат, в котором самопроизвольно строились длинные нановолокна, способствовавшие заживлению сердечной мышцы. Вторая группа не получила препарата.

Универсальный медицинский наноробот с руками-манипуляторами и чувствительными щупальцами

Прошел месяц с начала эксперимента. За этот срок мышки из первой группы полностью выздоровели. Во второй же группе поправилась лишь часть мышей, да и то спустя довольно долгое время.

Уколы, как известно, процедура болезненная, но необходимая. А нельзя ли обойтись без уколов, вводить лекарство каким-нибудь другим, более приятным способом? Австрийские ученые доказали, что такой способ есть.

Они изобрели замечательный нанопластырь, который применяется вместо страшного шприца. Пластырь с лекарствами на несколько минут прикладывают к телу, и лекарственные препараты сами проникают под кожу больного. Врачи утверждают, что такой безболезненный «укол» эффективнее обычного, болезненного. Сделать его может сам больной, без посторонней помощи и без риска занести инфекцию. А это очень важно для тех, кому необходимо вводить лекарственные препараты по несколько раз в день в домашних условиях.

Многорукий, похожий на краба, наноробот борется с вирусами, попавшими в организм

Сообщение о том, что японские нанотехнологи получили невероятно тонкую пленку, толщиной всего 20 нанометров, очень заинтересовало врачей. Выяснилось, что эта нанопленка может служить идеальным перевязочным материалом. Она прекрасно закрывала хирургические надрезы, которые после этого срастались чисто, без шрамов. К тому же выздоровление происходило быстрее и не было риска занести инфекцию.

Любое лекарство не только лечит, но и оказывает побочное вредное воздействие на здоровые органы заболевшего. Так получается главным образом потому, что оно попадает не только туда, куда ему следует попасть. Все меняется, если использовать для доставки лекарств наночастицы.

Нанороботы подошли к заболевшей клетке и начинают ее лечить

Это тоже медицинский наноробот, один из видов стражей здоровья

Каждая живая клетка – это наноскопический город, в котором множество фабрик изготавливают белок и другие органические соединения. Фабрики связаны между собой сложнейшей системой дорог.

Разные молекулы двигаются в клетке строго по своим путям. Если хорошо знать эту транспортную систему, то можно использовать ее для точной доставки лекарств. Для этого необходимо прикрепить крошечный контейнер с лекарством к молекуле-наночастице, и та доставит свой груз по нужному адресу.

Диво-лаборатории

Слово «чип» теперь известно многим. Сначала оно появилось в электронике для обозначения маленькой кремниевой пластинки, подложки, на которой собрано множество микроскопических деталек: диодов, транзисторов, резисторов и др. Вместе они образуют интегральную микросхему, или чип.

«Лаборатория на чипе» – так с чьей-то легкой руки стали называть действительно лабораторию, но очень маленькую, с деталями наноскопических размеров.

Сколько раз в течение жизни человеку приходится обращаться к врачам и делать различные анализы! Это отнимает много времени, хлопотно, а подчас и дорого. Лаборатории, где эти анализы проводят, занимают просторные помещения, заполненные мебелью, приборами, специальным оборудованием. Но если при помощи нанотехнологий уменьшить размеры лаборатории в миллион раз и при этом автоматизировать выполнение анализов, то все пойдет иначе, а врачи получат удобную, быстродействующую «лабораторию на чипе».

Первые такие лаборатории имели размер почтовой марки. На этой площадке находился ряд ячеек, заполненных образцами для анализа. Наноскопические связи соединяли их с другими частями лаборатории.

В отличие от электронных микросхем, эти связи – не только провода, но и тончайшие трубопроводы, идущие к микроскопическим резервуарам, биологическим и химическим приборам. У них много функций: они смешивают, разделяют, анализируют. Надо было придумать, как перекачивать жидкости по сверхтонким трубочкам и канальчикам. Насосы, даже самые крохотные, были для чипа слишком велики. Точно так же, как и двигатели, клапаны и прочие механизмы.

Интегральная микросхема, или чип

Поэтому вместо них используются иные способы перекачки, распределения, регулирования, способы, основанные на таких явлениях, как электрофорез и электроосмос. Жидкости при этом перемещаются, перекачиваются под воздействием электрического поля.

В одном из американских университетов разработана «лаборатория на чипе», в которой содержится около тысячи ячеек-анализаторов и разнообразная аппаратура. Все это на пластинке площадью в один квадратный сантиметр. Лаборатория позволяет быстро и совершенно автоматически выявить заболевание на его ранней стадии, провести анализ ДНК – носителя наследственной информации – и установить родство, проверить уровень сахара в крови и многое другое. Чтобы выполнить одновременно сотни анализов, требуется не более получаса.

Есть разные нанолаборатории. Например, для выявления различных ядов. Есть лаборатории, предназначенные для использования в полевых условиях, на войне. Задача их – проверить, не применил ли противник бактериологическое оружие. Чувствительность чипа очень высока. Достаточно присутствия в пробе 10 бактерий, чтобы приборы почувствовали их. В одном из опытов лаборатория обнаружила инфекцию, когда в пробе находился всего один-единственный вирус!

«Лаборатории на чипе» незаменимы там, где мало места или куда невозможно вызвать врача, например, на космических кораблях и орбитальных станциях. Недалеко то время, когда такую нанолабораторию будет иметь при себе каждый врач. Тогда ему не придется посылать пациента на анализы. Он сам в считанные минуты сделает нужный ему для точной диагностики анализ и назначит лечение.