Текст книги "Нанотехнологии: настоящее и будущее"

Квантовые точки

Насколько важно выявить болезнь сразу, быстро? Например, такую коварную, как рак? Это стало возможным благодаря нанотехнологиям, а говоря точнее, с помощью квантовых точек.

Так называются кристаллы полупроводников нанометрического размера. Как и все наночастицы, они отличаются свойствами, которых нет у таких же веществ, но в большом, макроскопическом масштабе. Одно из свойств заключается в том, что в ответ на облучение светом определенной частоты частицы начинают светиться. Этот эффект, называемый люминесценцией, оказался очень важным при выявлении злокачественных опухолей. Они становятся зримыми.

Дело в том, что при развитии болезни в опухоли появляется разветвленная сеть новых кровеносных сосудов. Наночастицы, попадая в этот лабиринт, задерживаются там, накапливаются и при облучении, как уже сказано, начинают светиться, ясно свидетельствуя о грозной болезни. Перед этим необходимо лишь одно: ввести в организм заболевшего раствор с наночастицами.

Врачи называют такой способ диагностики пассивным. Но есть уже и другой, активный, с использованием блуждающих квантовых точек. Он позволяет добиться той же цели, но быстрее, а главное, получить результат еще более точный.

Суть активного способа диагностики состоит в том, что те же наночастицы, квантовые точки, связывают с молекулами белков, антителами, способными обнаруживать раковые клетки и уничтожать их. Расположение же опухоли выявляется при этом, как и раньше, по свечению наночастиц.

Такие квантовые точки биологи называют сопряженными. В опытах использовались наночастицы селенида кадмия (химического соединения селена с металлом кадмием). Проводились они на мышах и доказали эффективность этого метода.

Все бы хорошо, да связанные квантовые точки, введенные в организм, оказались слишком недолговечными. Потребовалось найти для них какую-то защиту и сохранить их способность высвечивать болезнь.

Квантовые точки выявляют болезнь в самом начале ее развития

Это удалось сделать ученым из американского города Атланты. Они покрыли наночастицы слоем вещества, которое, защищая, не уменьшало, однако, их способности светиться. Покрытие также не позволяло ядовитому кадмию попасть в организм подопытных животных. Понятно, что это будет крайне важно, когда дело дойдет до выявления заболеваний у людей.

Медицинские нанороботы среди клеток крови

Надо сказать, что и раньше, до появления нанотехнологий, опухоли выявлялись при помощи красителей и светящихся белков – маркеров. Но квантовые точки посылают более мощный световой сигнал. К тому же посредством наночастиц можно выявить опухоль, даже глубоко скрытую внутри тела.

Ученые надеются, что со временем удастся получить квантовые точки, каждая из которых будет сообщать об особенности заболевания, а не только о местонахождении. Для этого квантовые точки будут светиться разным цветом в зависимости от характера болезни. Одна – красным, другая – синим, третья – желтым, и так далее.

А в будущем квантовые точки смогут не только сигнализировать о болезни, но еще и способствовать ее лечению. С этой целью они могут быть использованы и для доставки к месту заболевания необходимых лекарств, причем точно по назначению.

Васкулоиды – заменители крови

Лет пятнадцать назад американские ученые Роберт Фрайтас и Крис Феникс пришли к мысли, которая до сих пор выглядит странной и пугающей. Они решили создать специальные медицинские роботы (изобретатели назвали их васкулоидами, что в переводе с греческого означает «подобные кровеносным сосудам») и заменить ими… человеческую кровь!

Нанороботов для этого понадобится колоссально много, сотни триллионов только для одного человека. Этому удивительному заменителю ученые дали название «робокровь». Считается, что у робокрови будет много преимуществ по сравнению с кровью обычной.

Мириады васкулоидов должны циркулировать в кровеносной системе, совершенно лишенной естественной крови, и полностью выполнять ее функции. Масса роботов из-за их наноскопических размеров будет напоминать жидкость.

Функций у робокрови наберется немало: бороться с болезнями, производить чистку и укрепление сосудов, лечить заболевшие клетки, уничтожать болезнетворные бактерии, наконец, заменять поврежденные гены. А для этого необходимо присутствие в заменителе крови нанороботов различных специальностей, подобно тому как в крови природной имеются разные клетки.

Подразделение нанороботов под названием респироциты должно играть ту же роль, что и клетки крови эритроциты, – переносить кислород от легких к тканям. Но респироциты будут способны накапливать значительно больше кислорода, чем эритроциты. А значит, человек сможет дольше находиться без воздуха, не дышать, например, под водой.

Нанороботы клоттоциты заменят тромбоциты – клетки, способствующие свертыванию крови при ранениях. Вот и клоттоциты будут препятствовать потере искусственной крови, но делать это в 10 тысяч раз активнее естественных клеток.

Крайне важно защититься от проникновения в организм опасных микробов и вирусов. В природной крови за это отвечают лейкоциты, белые кровяные тельца, составляющие систему иммунной защиты в организме.

Но если лейкоциты не справились с врагами – микробами, – на борьбу с ними бросаются фагоциты. Не случайно они получили такое название. В переводе с греческого оно означает «клетка-пожиратель». Увы, борьба эта не всегда заканчивается полной победой фагоцитов.

Роль их в робокрови будут исполнять микрофагоциты. Их инструменты – руки-манипуляторы с механическими захватами и чувствительные жгутики. Манипуляторы должны быть выдвижными, чтобы не мешать нанороботу свободно перемещаться по извилистым туннелям кровеносных сосудов.

Микрофагоцит сначала приклеит к себе опасные патогенные бактерии. Затем выдвинется манипулятор, схватит бактерию и отправит внутрь наноробота. Там микроб и закончит свое существование. Собственно, подобным же образом уничтожают микробы и фагоциты. Однако микрофагоциты будут справляться с этим куда быстрее и лучше.

Наноробот микрофагоцит уничтожает чужеродные вредные частицы

Фагоциты – враги инородных частиц и опасных микробов

Медицинский робот должен иметь нанокомпьютер, двигательное устройство, чувствительные органы, сенсоры для изучения окружающей обстановки, радиоприемную и передающую аппаратуру для связи с другими нанороботами и, конечно, источник энергии.

К перечисленным надо добавить еще один подвид нанороботов – коммуноциты. Они будут служить промежуточными станциями для связи между триллионами стражей здоровья.

Пока обо всех этих чудесах можно говорить как о медицине и технике будущего. Впрочем, не такого уж и далекого. Ученые предполагают, что лет этак через пятьдесят умные васкулоиды, а быть может, и странная робокровь уже появятся.

Вечная жизнь

Трудно найти человека, который не хотел бы жить как можно дольше, а еще лучше – вечно. В сказках бессмертие возможно. А в действительности?

Трансгуманисты, сторонники учения о вечной жизни, утверждают, что с помощью науки человек в конце концов получит возможность жить столько, сколько захочет. Путь, ведущий к бессмертию, по их мнению, состоит в замене человеческого мозга нейроэлектронным носителем разума, который будет не только существовать бесконечно долго, но и работать неизмеримо быстрее живого человеческого мозга.

Нервная система человека по сравнению с наноэлектронными схемами занимает слишком много места, а обрабатывает информацию в 10 миллионов раз медленнее. Сигналы по нервным волокнам распространяются со скоростью всего 150 метров в секунду.

Увы, мозг, хотя и совершенная машина, уступает компьютеру по быстродействию, выносливости и объему памяти: 1 – мозжечок; 2 – затылочная доля; 3 – теменная доля; 4 – лобная доля; 5 – височная доля; 6 – продолговатый мозг

Мозг человека – поразительная мыслящая машина

Нервные клетки, как известно, не восстанавливаются. С возрастом число их уменьшается, что ведет к информационной перегрузке мозга. Свободный доступ к нервным клеткам, к мозгу сильно затруднен. Мозг очень непрочен. Когда он гибнет, исчезает и сознание. Заменить прежний мозг новым невозможно.

Другое дело электроника, компьютер. Объем электронной памяти современного компьютера огромен. Она почти мгновенно выдает записанную в ней информацию.

Но легко сказать: заменить естественное сознание на электронное. Ведь для этого необходимо знать состояние 100 миллиардов нейронов человеческого мозга, содержащих воистину колоссальный объем информации.

Только наноэлектроника способна создать искусственный мозг. Более того, нанотехнологии помогут переделать всего человека, его тело. Для электронного сознания требуется и более совершенное вместилище. Новое тело человека, как и новый мозг, будет более надежным, не знающим болезней.

Если сказать проще, обновленный бессмертный человек должен частично или полностью превратиться в киборга. Он сможет жить в любой среде, выдерживать самые суровые условия: на суше, в глубинах океана, в космосе, на других планетах. И уже трудно будет определить, где кончается человек и начинается машина.

Нервные клетки, нейроны, те самые, что никогда не восстанавливаются

Нервная система – это множество связанных друг с другом нервных клеток

Все, о чем сказано, существует лишь в проектах и фантастических романах. Однако первые попытки совместить работу живой нервной системы и компьютера уже проводятся, правда на животных. Например, американским ученым удалось соединить проводами мозг крысы с компьютером и превратить животное в киборга. Действия крысы зависели после этого уже не только от работы ее природного мозга, но и от подключенного к нему искусственного, наноэлектронного.

Еще более убедительными были опыты с обезьяной. Ее мозг с помощью радиоволн передавал сигналы в специальный компьютер, управлявший движением механической руки через Интернет. И это несмотря на то, что рука находилась на расстоянии тысячи километров от подопытной обезьянки!

В наши дни уже мало кто сомневается, что придет время, когда посредством компьютера и вживленного в голову человека наноэлектронного имплантата незрячему можно будет видеть, а глухому – слышать. Нанотехнологами разработан биосовместимый имплантат – искусственная сетчатка глаза. Она дает возможность слепым вновь обрести зрение. Существуют подобные наноэлектронные устройства и для возвращения человеку слуха. Конечно, они еще далеки от совершенства. Требовать этого слишком рано. Киборгизация человека – дело будущего.

Бунт нанороботов

Нанотехнологии позволили осуществить многое из того, о чем раньше и мечтать было невозможно. Наночастицы лечат людей, борются с микробами и вирусами, позволили создать новые лекарства. Однако не все так хорошо и благостно. Чем больше нанотехнологии входят в нашу жизнь, тем сильнее тревога за будущее.

Некоторые ученые призывают взять исследования по нанотехнологиям под международный контроль. Они считают, что в противном случае эти исследования могут принести человечеству не только великие блага, но и огромный непоправимый вред. В самом деле, не все наночастицы полезны для здоровья людей. Некоторые, напротив, очень вредны. Бывает, что такие частицы получаются не по злой воле людей, не по незнанию, а попутно.

Пользуясь метро, подавляющее большинство пассажиров не ведает, что вокруг них в воздухе подземки витают вредные наночастицы железа. Эти частицы образуются при движении поезда по рельсам. Эти наночастицы попадают в легкие людей и могут привести к серьезным болезням. Кроме того, они разрушают ДНК – носитель наследственной информации.

В выхлопных газах автомобилей содержатся не только ядовитые вещества, но вдобавок и очень вредные наночастицы сажи. Установлено, что они могут оставаться в воздухе во взвешенном состоянии до восьми суток!

Опасные для здоровья наночастицы образуются при трении автомобильных шин о покрытие автотрасс. Опасны и нанотрубки. Опыты показали, что эти необычные наночастицы могут проникать в мозг по нервным волокнам и приводить к серьезным болезням. Подопытным крысам давали вдыхать воздух, содержащий углеродные нанотрубки. Спустя несколько часов они были обнаружены в мозгу животных, в участке, заведующем запахами.

Наночастицы невидимы невооруженным глазом, а потому вред от них сразу не осознается. Теперь известно, что наиболее опасны наночастицы, находящиеся в воде, свободные и несвязанные. Они легко могут попасть на кожу, в дыхательные пути и наконец в кровь.

В метро витают опасные частицы наножелеза

Но самую большую тревогу вызывают не эти опасности, а угроза той всемирной катастрофы, которую создатель ассемблеров Эрик Дрекслер назвал внезапным нашествием серой слизи. Эта слизь не что иное, как масса нанороботов, ассемблеров, которые вышли из-под контроля и начали быстро и лавинообразно размножаться.

Страшно представить картину, которая получилась бы в случае такого бунта нанороботов, бунта бессмысленного и беспощадного. С огромной скоростью они начали бы использовать в качестве строительного материала здания, автомобили, животных, растения, людей.

Как показывают расчеты, чтобы истребить все, что есть на Земле, нанороботам понадобится всего несколько часов. Для противодействия этому ужасному процессу уничтожения у человечества просто не хватит времени. За считанные часы вся наша планета покроется слоем серой массы, серой слизи. Жизнь на Земле прекратится.

Жуткая картина, что и говорить. Однако не все ученые разделяют эти опасения, многие говорят, что такого быть не может, что создать столь коварных нанороботов просто не удастся. Ведь даже природа за долгий срок не смогла сотворить существ наноскопических размеров, способных к бесконтрольному воспроизведению.

Но как бы там ни было, опасности все же существуют. А потому на ученых, занимающихся нанотехнологиями, лежит огромная ответственность за будущее.

Взгляд за горизонт

На развитие нанонауки и нанотехнологий тратятся миллиарды долларов. Ныне во всем мире нанотехнологиями занимаются около четырех тысяч крупных компаний, фирм и научных институтов. Во всех передовых странах исследованиям наночастиц уделяется огромное внимание. Еще бы! От развития нанонауки зависит многое. Даже современные достижения ее нередко воспринимаются как чудо.

Совершив долгий перелет, межпланетный аппарат приближается к Марсу

В этой книжке уже немало сказано о том, что нанотехнологии дадут в будущем. Но рассказывать можно еще долго. Так велики ожидания, и они непременно сбудутся. Вот еще несколько примеров того, что ждет нас.

Мобильный телефон теперь – вещь привычная, можно сказать обыденная. Но оказывается, мобильные телефоны можно удивительным образом усовершенствовать на основе нанотехнологий, сделать так, чтобы при разговоре передавалась не только речь говорящего, но и все его чувства: радость, беспокойство, восхищение, будто сам находишься на месте того, кто с тобой говорит.

Сначала люди освоят Луну. Быть может, так будет выглядеть лунная станция

Далекие планеты, увы, для жизни людей совершенно не приспособлены. Освоить их будет непросто. К тому же это связано с большим риском. Но, может быть, все произойдет иначе? Может быть, первыми на чужие планеты прибудут не космонавты, а нанороботы? Работая по заданной им программе, они быстро преобразят природные условия планеты, сделают их похожими на земные. Тогда, высадившись, скажем, на Марсе или Венере, люди сразу же смогут начать там нормальную жизнь.

Нанотехнологии дадут возможность строить удивительные здания

Самоочищающиеся покрытия, автомобильные стекла с изменяющейся прозрачностью в зависимости от погоды и освещенности особенного удивления уже не вызывают. Но совсем другое дело – быстрое изменение цвета всего автомобиля по желанию владельца. Например, была машина красного цвета, а спустя считанные минуты превратилась в зеленую. Нанотехнологиям это вполне под силу.

А какая поразительная архитектура появится в век нанотехнологий – наноархитектура! Во-первых, за счет прочности и легкости наноматериалов высота зданий значительно увеличится. Расцветку их, как и цвет автомобилей, можно будет изменять по желанию. Но не это самое замечательное. Нижние части зданий станут… невидимыми. От этого целые кварталы приобретут сказочный вид повисших в воздухе небоскребов.

В огромные телеэкраны превратятся стены квартир. Кресла сами будут подстраиваться под фигуру сидящего. Компьютеры станут настолько крохотными, что превратятся в имплантаты, вживленные прямо в тело человека в дополнение к живому мозгу.

Но главное достижение нанотехнологий будет в изменении жизни людей, их поведения, интересов, увлечений. Знаменитый английский ученый и писатель-фантаст Артур Кларк, предсказавший многие достижения науки и техники, писал, что к 2040 году нанотехнологам удастся создать универсальный репликатор, устройство для производства объектов любой сложности. И тогда самые дорогие украшения, самые изысканные кушанья можно будет сделать буквально из грязи. «В результате за ненадобностью, – писал Кларк, – исчезнут промышленность и сельское хозяйство, а вместе с ними и необходимость в физическом труде. Последует взрывное развитие искусств, развлечений и образования». Будем надеяться, что люди от этого не испортятся. Трудолюбие их не пропадет. Напротив, они станут лучше, добрее и любознательнее.

Города будущего с небоскребами-невидимками

Используя наноматериалы, архитекторы смогут создавать здания любой формы и высоты