Текст книги "Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности"

Еще раз подчеркну, что я считаю проблему энергии наиболее важной для дальнейшего развития человечества. Все остальные задачи могут быть решены лишь при наличии достаточно мощных и доступных источников энергии. Проблема состоит в том, чтобы обеспечить население планеты (10 миллиардов человек в ближайшие десятилетия!) экологически чистыми, дешевыми и возобновляемыми источниками энергии. Я уверен, что эта задача может быть решена теми направлениями современной науки, где ученые уже умеют управлять веществом и процессами на атомарном уровне. Именно эти направления и объединяет нанотехнология.

Глава 3
Причудливые, странные и туманные перспективы нанотехнологии. Корабль в Саргассовом море с опасными капризами моды и агрессивными требованиями рекламы

Питер Коффи

Питер Коффи является одним из редакторов очень популярного в деловых кругах США журнала eWEEK (издание концерна Ziff Davis Media), посвященного проблемам предпринимательства и инновационной политики. Более 20 лет является одним из ведущих экспертов в области научно-технического развития вообще, выступая в качестве аналитика и консультанта и составляя обзоры по состоянию рынка и качеству новейших технических товаров в радиоэлектронике и информационных технологиях. Он также ведет известную среди специалистов редакторскую колонку «Epicenters», часто выступает по общенациональным каналам телевидения (CBS, NBC, CNN, Fox и PBS) по различным проблемам теории и практики новейших информационных технологий, организует конференции и семинары, а также выпускает книги и брошюры.

До перехода в журнал eWEEK (предыдущее название PC WEEK) П. Коффи занимал руководящие посты в фирмах Exxon и Aerospace Corporation, участвовал во многих правительственных и частных проектах, связанных с новыми технологиями (включая анализ жизненного цикла многих технологий типа x86, микропроцессоров RISC, Windows, OS/2 и т. п.), и преподавал во многих известных организациях и университетах. С его регулярными еженедельными заметками, озаглавленными Peter Coffee’s Enterprise IT Advantages, читатель может ознакомиться на сайте www.eweek.com/petercoffee.

У читателей книги и широкой общественности почти наверняка возникает наивный вопрос – а не является ли нанотехнология просто очередной модой, причудой и забавой самих ученых? Не придумывают ли они сами все эти фантастические возможности или опасности? Каковы реальные перспективы ее развития? Начальный период развития уже позади, поэтому серьезные инвесторы и ответственные спонсоры научных исследований все чаще ищут ответы на эти вопросы, решая конкретные проблемы финансирования и планирования. Мне кажется, следует начать со спокойного перечисления тех возможных сценариев развития нового направления, которые могут привести нас к разочарованию и потерям. Ввиду того что речь пойдет не о самой науке нанотехнологии, а лишь о том, как общество воспринимает ее и реагирует на связанные с ней изменения, я позволю себе несколько раскованный и образный стиль изложения. Начну с перечисления возможных вариантов развития нанотехнологии.

• Нанотехнология может оказаться еще одним «холодным синтезом», то есть научной идеей, в далекой перспективе обещающей исключительно важный результат. Ценность идеи вначале безмерно преувеличивается, а позднее все это научное направление оказывается бесплодным и «умирает», оставляя лишь память об ожесточенных дискуссиях и загубленных научных авторитетах некоторых участников.

• Нанотехнология может развиваться и по сценарию открытия «синтетического топлива» и многих других проектов, представляющих собой вначале вполне разумное и перспективное научное направление, которое позднее оказывается бесплодным (из-за экономических соображений, затянувшегося на многие годы решения побочных технических проблем или непрерывного усовершенствования и т. п.).

• Нанотехнология может представлять собой вариант проблемы «искусственного интеллекта», то есть абстрактного, но разумного научного понятия (или, точнее, наклейки, «лейбла»), которое при дальнейших исследованиях теряет собственный смысл и создает целый ряд отдельных научных направлений. Например, сейчас никто не занимается созданием «искусственного интеллекта» вообще, так как эта грандиозная научная проблема давно «распадалась» на множество конкретных задач, относящихся к вычислительной технике, компьютерам, исследованию операций, теории игр и многим другим научным дисциплинам.

Мне лично наиболее разумной в настоящее время представляется концепция развития, в соответствии с которой «корабль» под гордым флагом «Нанотехнология» действительно плывет к новым методикам преобразования энергии и вещества, хотя не исключена и возможность, что он будет бесконечно блуждать в Саргассовом море возможностей, незавершенных проектов и постоянных ожиданий.

В этой главе мы рассмотрим некоторые весьма общие доводы и закономерности, относящиеся к развитию нанотехнологии. Существует выражение «порочный круг», описывающее ситуацию, когда каждый неправильный поступок или ошибка немедленно порождают такие же неправильные последствия. В жизни и науке этому хочется противопоставить «добродетельный круг» (тем более что по-английски эти прилагательные рифмуются: vicious и virtuous circles), когда каждое новое достижение или успех тут же создает возможность для дальнейшего успеха и прогресса. Возвращаясь к метафоре корабля, я бы сказал, что он плывет в море, полном опасностей, главные из которых можно назвать «капризами моды» и «агрессивной рекламы» в развитии самой нанонауки.

Я воспользуюсь словом fad, которое имеет много значений и оттенков смысла (фантазии, увлечения, причуды, капризы моды и т. п.), сводящиеся, в сущности, к различным определениям, которыми люди стараются как-то приукрасить или оправдать свое неправильное поведение. Термину нанотехнология грозит опасность стать примерно таким же богатым на смыслы и неопределенным понятием, так как сейчас его используют в самых разнообразных проектах и разработках, от вполне реалистических до самых фантастических. В информатике и теории связи очень важным параметром является отношение сигнал/шум, позволяющее оценить долю ценной и действительно важной информации в потоке данных, но, к сожалению, мы не можем пока классифицировать по этому параметру огромное число данных и публикаций, относящихся к нанотехнологиям, особенно учитывая их специфические и иногда поразительные особенности.

Вообще говоря, отношение общества к новым технологиям постоянно меняется, по мере того как их достижения воплощаются в реальные изделия, товары и услуги. Поэтому, задумываясь о будущем, серьезные исследователи, стремящиеся привлечь интерес инвесторов к своим разработкам, стараются быть сдержанными и точными в оценке своих возможностей. В этой связи интересно отметить, что многие из них стали в последнее время избегать излишне общего термина нанотехнология и стараются просто точно определять свою «нишу» деятельности в рамках привычных дисциплин.

Ситуация с определениями в науке и технике достаточно сложна и требует некоторых пояснений. Дело в том, что приставка нано – и определение нанотехнологический превратились сейчас в какие-то своеобразные «наклейки», которые многие авторы и организации беззастенчиво используют лишь для демонстрации высокой технологичности предлагаемых процессов или товаров. Кстати, такое поведение неоднократно повторялось в истории техники. Парадоксально, но длительное время могут существовать лишь научные «наклейки», относящиеся к очень трудным или неосуществимым замыслам (например, «вечный двигатель»), а реализация большинства технологий приводит к быстрому привыканию публики, которая затем быстро теряет интерес к новинке, после чего соответствующие термины просто исчезают из разговорной речи и рекламных объявлений. Можно вспомнить, что в 60-е годы производители новейшей радиоаппаратуры постоянно подчеркивали, что их продукция является полупроводниковой и транзисторной (в противовес старым «ламповым» приемникам и т. п.), а позднее перестали об этом упоминать вообще. Образно говоря, многие технические определения просто «выцветают», подобно обычным наклейкам на товарах.

Это явление легко заметить и в современной жизни. Старшее поколение пользователей еще использует сочетания мобильный телефон, цифровая камера и т. п., но подростки говорят просто телефон (в США подростки говорят просто фон) и камера, поскольку считают определения очевидными и привычными. Можно с уверенностью предсказать, что в период 2010–2020 гг. (когда ожидается широкое внедрение нанотехнологических товаров и услуг) приставка нано– начнет постепенно, но неизбежно исчезать из названий и рекламных плакатов.

Я хочу подчеркнуть, что нанотехнологии уже потеряли необычность и статус научной причуды, а представляют собой одну из основных тенденций развития науки и техники, своеобразный мейнстрим общественного прогресса вообще. Исследователи, инвесторы и фирмы уже оценили возможности новых технологий и все шире внедряют их в коммерческое производство (иногда с энтузиазмом, иногда – вынужденно). Нанотехнологии, которые можно назвать системой управления веществом на атомарномолекулярном уровне, уверенно занимают новые позиции в промышленности и общественной жизни.

Часто приходится читать и слышать, что нанотехнологии возникли на основе удивительных предсказаний и видений Ричарда Фейнмана и Эрика Дрекслера, которые затем нашли много практических применений. Реальная ситуация выглядит сложнее, так как, разумеется, нанотехнологии стали результатом общего развития научных концепций и методик второй половины прошлого века. Мне хочется напомнить читателю американский фильм «Старшекурсник» (1967 год), в котором преподаватель объясняет студенту, что обобщающим термином для всех веществ на свете является слово полимеры. В те годы происходило широкое внедрение полимерных товаров и изделий, вследствие чего многим людям казалось, что слова полимеры или пластики лучше всего характеризуют вещества вообще. Примерно такое же отношение наблюдается сейчас по отношению к нанотехнологиям, которые многие ученые и предприниматели стали считать самым общим символом научнотехнических возможностей.

Уже сейчас, незаметно для общественности, созданные на основе нанотехнологий отдельные детали и изделия широко используются в производстве многих бытовых товаров (например, плоские экраны телевизоров и компьютеров), а их роль и стоимость должны учитываться фирмами-производителями и экономистами. Со временем процесс внедрения новых технологий станет принимать все более широкие масштабы, существенно изменяя базовую стоимость многих распространенных товаров и услуг, а также саму структуру рынка и производства.

Капризы и увлечения модой могут отрицательно влиять на развитие нанотехнологий, но оборотной стороной увлечений является уже возникшая агрессивная реклама возможностей новых технологий, постоянное обещание быстрых и невиданных успехов, включая самые фантастические проекты (я обозначаю эту деятельность термином hype, которым в Америке называют беззастенчивую агитацию на выборах). Рекламная шумиха вокруг научных достижений возникала всегда, и обычно ее считают неизбежным побочным фактором технического прогресса, однако иногда она может стать серьезным препятствием на пути развития новых технологий (например, она может отвлекать внимание общественности и инвесторов от действительно интересных и важных идей и разработок).

Ответственный и серьезный исследователь всегда старается избегать участия в разработках, носящих рекламный или фантастический характер. Кроме того, настоящие ученые, хотя бы в общих чертах, хорошо знакомы с реальными возможностями существующих методик и поэтому не берутся за слишком общие и сложные задачи. Например, ответственный разработчик не будет даже пытаться быстро научить компьютер воспринимать обычную человеческую речь, так как прекрасно понимает, насколько сложна такая задача. Несмотря на огромные усилия и расходы, никому пока не удалось добиться ощутимых результатов в этом направлении, что, разумеется, нисколько не смущает создателей фантастических фильмов, в которых ЭВМ уже десятилетиями беседуют с людьми. Этот пример можно считать показательным для финансирования исследований, так как не обладающий техническими знаниями инвестор может вкладывать значительные средства во внешне эффектный проект с броским названием и привлекательной для публики идеей, оставив без внимания действительно ценную и перспективную разработку.

Аналитики известной фирмы Gartner, специализирующиеся на исследовании информационных технологий, разработали даже общую модель реализации и развития таких проектов, названных ими просто «циклами преувеличенных ожиданий». Для начала такого цикла обычно необходимо сочетание нескольких ярких технических достижений, играющих роль психологических «триггеров», то есть спусковых механизмов, вызывающих серьезный интерес и даже ажиотаж инвесторов. В истории нанотехнологии можно указать набор таких факторов, важнейшим из которых, по-видимому, явилось издание в 1986 году получившей весьма широкую известность книги Э. Дрекслера «Машины творения».

Образно говоря, сейчас в области коммерциализации технологий вообще (включая прогнозирование развития рынка и вложения венчурных капиталов) сложилась очень сложная и напряженная обстановка, которую можно сравнить с «горючей смесью», готовой вспыхнуть от небольшой искры, то есть от незначительных технических усовершенствований, ничтожного изменения условий и т. д. Для рынка этот цикл, скорее всего, будет означать безудержную рекламу и «раскрутку» того, что физики и техники называют «новым великим изделием» (эту роль в свое время сыграли лампочка накаливания, транзистор, персональный компьютер и т. п.). Серьезная опасность для развития нанотехнологий вообще состоит в том, что неправильный выбор приоритетов может привести к глубокому и долгому разочарованию в новых технологиях.

Не стоит преувеличивать мудрость и проницательность венчурных капиталистов, которые вполне могут ошибиться, особенно в критический, начальный период развития малоизвестных технологий. Как ехидно отмечал Дэвид Истмен, один ведущих экспертов крупной консалтинговой фирмы Prospector Equity Capital: «…у инвесторов есть дурная привычка подражать друг другу, в результате чего они часто начинают наперебой вкладывать капиталы в некоторые модные отрасли промышленности. Мы видели это на примере производства дисководов, оптических сетей связи и запоминающих устройств. Если в этой ситуации вложения не приносят быстрой прибыли, многие из инвесторов после 3–4 неудачных попыток быстро разочаровываются в инвестиционном бизнесе и перестают им интересоваться. При этом из-за собственной нетерпеливости они часто попадают в смешное положение, покидая созданные фирмы незадолго до того, как организуемое производство начинает приносить реальную прибыль».

Такие неудачи надолго отбивают у многих инвесторов желание заниматься инвестиционными проектами, не говоря уже о том, что создают крайне тяжелую ситуацию для основателей и технического персонала фирм. Очень часто исходного капитала хватает на первый этап развития, при котором удается довести лабораторные результаты до технологического уровня, и именно в этот ответственный момент молодая фирма отчаянно нуждается в новых капиталовложениях (на оформление документации и патентов, закупку оборудования и т. п.). Эта ситуация является довольно стандартной, и многие энтузиасты нанотехнологий уже неоднократно попадали в нее за последние годы.

Спасти растущую фирму в таких условиях может лишь умелая техническая и финансовая политика, привлечение новых инвесторов, а также энергичные поиски новых практических применений разработанных материалов и изделий. Последнее условие является очень важным, так как современное состояний нанотехнологий вообще характеризуется именно нарастанием числа приложений. Инновационная деятельность в этой области связана больше с нахождением сфер приложения, а не с обычными «войнами» на рынках сбыта традиционных товаров. Успех в развитии нанотехнологий обусловлен сочетанием научного таланта с энергичной предпринимательской деятельностью, а не с выискиванием мелких экономических выгод (например, с распространением старых музыкальных хитов по Интернету).

Следующим, менее драматичным, но очень важным этапом развития новых технологий, по мнению экспертов фирмы Gartner, выступает «закат эпохи Просвещения», выводящий производителей и потребителей на «плато производства», при котором новые идеи начинают приносить реальную прибыль. На этом этапе развития неизбежно появляются предупреждения об исчерпанности возможностей новых технологий, их неизбежной гибели и т. п., подобно тому как в развитии кремниевой полупроводниковой технологии был период мрачных прогнозов (начало 1990-х годов), закончившийся широким внедрением в практику новых материалов (арсенида галлия и т. п.).

Впрочем, поскольку нанотехнологии имеют дело с веществом в его самых фундаментальных формах (атомы и молекулы), сейчас не имеет смысла даже фантазировать о том, что ожидает нас на следующем витке развития прогресса.

Вообще говоря, общую картину развития нанотехнологий даже на ближайшее время сейчас трудно прогнозировать, не в последнюю очередь из-за очевидных сложностей с определениями и терминологией. Например, многие фирмы спокойно относят свои производства к нанотехнологическим, аргументируя тем, что в процессе изготовления они давно оперируют размерами точностью в несколько нанометров. В качестве наглядных примеров можно указать производство осциллоскопов (которые должны обладать полосой пропускания около 10 ГГц, для точной регистрации сигнала шириной 1 ГГц) и полупроводниковых устройств, которые давно добились нанометрической точности в некоторых производствах, где уже изготовляют детали толщиной всего 20 нм. Эта величина составляет всего 1/1000 толщины человеческого волоса, но является уже вполне разумной для промышленного производства, доказательством чего может служить обещание фирмы Intel достигнуть ее к 2012 году[14]14
  http://www.reed-electronics.com/eb-mag/article/CA475441?industryid=2116.


[Закрыть] во всех чипах для быстродействующих запоминающих устройств.

Некоторые специалисты настаивают на том, что к «настоящим» нанотехнологиям следует причислять не те, в которых обрабатываются нанометрические объекты, а лишь те, в которых на молекулярном уровне осуществляется реальный технологический контроль над размерами изготовляемых деталей. Рассмотрим, например, процесс создания углеродных нанотрубок, представляющих собой просто цилиндрические образования из пятиугольных колец диаметром около 1 нм. Должны ли мы формально причислять их к нанотехнологическим материалам, если процесс синтеза контролируется лишь в самых общих чертах? Строго говоря, мы можем утверждать, что умеем производить новый материал лишь тогда, когда научимся управлять молекулярным процессом синтеза нанотрубок и будем способны выращивать из них, например, монолитные изделия со степенью точности, уже достигнутой в полупроводникой технике. Представляется очевидным и справедливым, что реально говорить о создании новых технологий мы сможем лишь после того, как научимся не только применять, но и строго контролировать точность используемых процессов. Ради справедливости стоит отметить, что за последнее время в этом направлении достигнут замечательный прогресс, о котором раньше нельзя было и мечтать. Например, в ноябре 2004 года появились сообщения о возможности использования искусственных молекул ДНК для ориентации углеродных нанотрубок и создания на этой основе устройства типа транзистора[15]15
  http://www.technologyreview.com/articles/04/12/rnb_120304.asp?p=l.


[Закрыть]. Важным фактором современного этапа развития выступает эффект, который физики называют синергией, то есть взаимным усилением воздействия разнородных факторов или методик. Например, это может означать применение методов молекулярной инженерии не в биологии, а для совершенно новых целей и процессов.

Более того, некоторые фирмы-производители уже преодолели сложности научно-конструкторских разработок и готовы перейти к коммерческому производству новых материалов и продуктов. Например, известная южнокорейская фирма Samsung объявила о скором массовом выпуске изделий следующего поколения с использованием углеродных нанотрубок. В частности, фирма уже создала прототип нового типа плоского телевизионного экрана (известного под названием «дисплей с полевой эмиссией») и собирается в ближайшее время запустить его в производство[16]16
  http://www.technologyreview.eom//articles/04/l1/mannl104.asp.


[Закрыть]. В новом устройстве очень большая решетка высокоточных и компактных электронных излучателей будет обеспечивать свечение экрана с исключительно высокой точностью и яркостью, значительно превосходящей существующие аналоги плоских экранов. Кроме того, фирма обещает значительно снизить энергопотребление новых типов телевизоров.

Тем самым фирма Samsung бросает вызов своим конкурентам, которые должны либо быстро начать агрессивную политику инвестиций в развитие аналогичных технологий, либо заранее смириться с поражением. Читателю можно напомнить историю с положением дел в радиоэлектронике начала 1960-х годов, когда фирмы Sony и Panasonic первыми выпустили на рынок карманные транзисторные приемники, ставшие позднее символом технической революции в области полупроводников[17]17
  http://eetimes.com/special/special_issues/rnillennium/companies/sony.html.


[Закрыть]. Интересно отметить, что фирма Sony вовсе не была пионером в производстве самих материалов, а начинала со сборки. Транзисторы для выпуска своих первых радиоприемников 1955 года Sony закупала на стороне, но позднее активно занялась материалами и устройствами, быстро создав технологию производства целого ряда очень популярных образцов бытовой радиоэлектроники. В настоящее время новые материалы и устройства столь же энергично разрабатывает специализированный исследовательский институт фирмы Samsung (Advanced Institute of Technology) в южном пригороде Сеула.

В этой связи следует особо отметить разнообразие свойств наноматериалов и связанную с этим возможность их применения для совершенно новых целей, которые зачастую даже не предполагались в исходных разработках. Например, многие из читателей наверняка неоднократно читали о необычных электрических характеристиках углеродных нанотрубок, позволяющих создавать новые устройства и приборы. При этом редко отмечается, что углеродные нанотрубки одновременно обладают очень высоким коэффициентом теплопроводности, что делает их весьма перспективным материалом для решения совершенно иной задачи компьютерной техники, а именно – для создания так называемой «тепловой смазки» между микропроцессорами и теплоотводами[18]18
  http://news.corn.com/Can+nanotubes+keep+PCs+cool/2100-7337_3-5166111.html?tag=nl.


[Закрыть].

При этом производственные проблемы могут выглядеть по-разному для одних и тех же материалов, используемых с разной целью. Например, если технология обеспечивает высокий выход нанотрубок, но не позволяет гарантировать постоянство их длины, то фирме-производителю следует подумать о возможность выпуска упомянутой выше «тепловой смазки» или других теплоизолирующих составов, для свойств которых длина трубок несущественна. Углеродные нанотрубки являются очень наглядным примером, так как исследователи неожиданно для себя обнаружили для них множество интересных и необычных применений. Введение трубок в качестве наполнителя позволило улучшить свойства теннисных мячей, повысить механические свойства тканей, создать новые типы косметических и лекарственных препаратов и многое другое[19]19
  http://www.usatoday.com/tech/news/nano/2004-ll-08-nano-on-the-move_x.htm.


[Закрыть]. Для многих наноматериалов массового производства трудно указать конкретные применения, так как специалисты продолжают изучать их свойства и возможности. Например, неожиданно выяснилось, что нанотехнологическая обработка значительно улучшает некоторые характеристики тканей (повышает их стойкость к загрязнению, прочность и т. д.), в результате чего известная фирма рабочей одежды Dockers подвергает такой обработке более половины своей продукции.

Можно вспомнить и о том, что наноматериалы ценны и благодаря многим физическим характеристикам, которые прежде не изучались учеными просто в силу того, что были недоступны для исследователей. Подобно тому как лазерная техника (возникшая после создания когерентных источников монохроматического излучения) позволила начать изучение и использование множества ранее неизвестных процессов, так и нанотехнологии предлагают нам то, что можно образно назвать «когерентными объектами». Например, уже существует техника, позволяющая создавать так называемые наносферы или «наноснаряды», размеры которых «подгоняются» таким образом, что они могут преобразовывать в тепло световое излучение с заданной длиной волны. Такие наносферы представляют особый интерес для врачей-онкологов, которые вводят их в пораженные раком ткани организма и пытаются создать на этой основе новые методики разрушения раковых клеток (интересная статья на эту тему была опубликована в июньском номере журнала Cancer Letters за 2004 год). Предварительные исследования показали, что эти методы обладают значительными преимуществами по сравнению с используемыми в настоящее время[20]20
  http://sciencentral.com/articles/view.php3?article_id=218392390.


[Закрыть].

Интересно, что новое применение находят даже казавшиеся фантастическими проекты создания так называемых инфинитезимальных (бесконечно малых, исключительно малых) механизмов или машин. Некоторые из таких устройств уже внедряются. Например, в 2004 году были созданы поразительно малые сопла для струйного принтера (диаметром около 35 нанометров), конструкция которых построена примерно всего из 75 000 атомов! Кстати, они могут служить примером разнообразия нанотехнологических устройств, так как разработчики действительно создавали их для использования в особо точных принтерах (их производство запланировано на 2008 год), однако позднее выяснилось, что такие инжекторы могут быть очень эффективны в медицинских имплантируемых устройствах для целевой доставки и введения медицинских препаратов внутри организма. Группа исследователей из Калифорнийского технологического института продемонстрировала возможности этой методики и пообещала начать выпуск устройств к 2015 году[21]21
  http://www.trnmag.com/Stories/2004/102004/Mechanical_valve_design_goes_nano_Brief_102004.html.


[Закрыть].