Есть и совсем простой путь – делать чернила для струйника с такими наночастицами, которые бы позволяли "юному нанотехнологу" печатать не очень маленькие, но настоящие работающие электронные схемы по собственным спецификациям. В образовательных целях это было бы очень полезно.
А в Science уже были сообщения о микропечати люминесцентных структур квантовыми точками. Что дальше?..
Дальше, видимо, начинается инновационная экономика – но на эту малоизученную территорию мы сегодня не зайдем. Прежде чем приступить к инвентаризации наноотраслей, нам с читателями нужно сориентироваться в базовых понятиях. "Нанотехнологии, – говорит Евгений Гудилин, – это новый взгляд на давно известные вещи. Любые объекты и материалы можно изучать на разных пространственных масштабах. Кроме макроуровня (объект в целом) и атомарного уровня (определяющие, фундаментальные характеристики вещества), обычно выделяют масштабный уровень «микро» (характерный размер – микроны, то есть тысячные доли миллиметра), который задает так называемые "структурно-чувствительные" свойства материала, зависящие, например, от размера зерен керамики. Большую роль часто играет и субмикронный масштаб «мезо». Что касается «нано», IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry, Международный союз чистой и прикладной химии) постановил, что если хотя бы по одному измерению размер объекта меньше 100 нм (0,1 мкм), то мы говорим о наносистеме – это и есть уровень наномасштабов.
Логичнее было бы определить, что "настоящее нано" начинается с момента появления наноэффектов – изменений физических свойств веществ, связанных с переходом к этим масштабам. Принципиальная важность наносистем заключается именно в том, что на этом кусочке пространственной шкалы реализуется большинство самых интересных для химии и физики взаимодействий".
Евгений предлагает такое сравнение. В эпоху путешествий, великих географических открытий люди изучали двухмерную поверхность Земли. Когда поднялись в космос – это был выход в третье измерение. Когда стали изучать быстротекущие, фемтосекундные процессы и одновременно динамику на астрономических интервалах времени – взялись за четвертое измерение, шкалу времени. Сейчас в нашем поле зрения пятое измерение – мы движемся по шкале пространственных масштабов. Отсюда и мысли, что эти работы могут создать новую парадигму исследований, привести к научно-технологической революции.
Однако, по мнению Гудилина, речь может идти только о революции в понимании сути различных процессов и улучшении технологий производства: вряд ли в этих исследованиях будет обнаружено нечто эпохально новое.
Любопытно, что вейвлет-анализ – математический аппарат для расцепления структуры объектов (процессов) на разных пространственных (временных) масштабах – возник почти одновременно с пионерскими лозунгами «нано». В 1986 году вышла книга Эрика Дрекслера "Машины созидания", сделавшая нанотех фактом "общественного сознания". В 1984 году появилась первая работа, где был введен термин «вейвлет». Вскоре заговорили о «вейвлет-революции», а в 2000 году авторитетные комментаторы уже включили вейвлет-анализ в топ-десятку математических успехов ХХ века. В 1998 году «КТ» посвятила вейвлет-анализу целый номер (см."КТ" № 236). Многие ожидания, связанные с этим аппаратом, с тех пор вполне оправдались. В частности, новые, экономичные форматы представления изображений на основе вейвлетов включены в стандарт JPEG-2000. Сейчас идет интенсивное развитие обобщений вейвлет-анализа, нацеленных на детальный анализ трехмерной геометрической структуры сложных объектов.
Как выяснилось, Евгений – большой ценитель творчества издавна почитаемого в «КТ» Станислава Лема, особенно – знаменитого технологическими прогнозами романа "Осмотр на месте". Ответы Евгения на мои настойчивые расспросы ("а это тоже нанотехнологии? а это? а вот это?..") ниже скомпонованы в нечто, напоминающее по форме тот самый отчет Ийона Тихого об ошустренном мире.
Давайте начнем с главного – с нанороботов?
– Мы, знаете ли, из-за нанороботов чуть не подрались с коллегами, когда писали "Нанотехнологии. Азбука для всех" (сборник статей, который выходит в свет в конце года в издательстве «Наука»; по замыслу, это объективный рассказ о нанотехнологиях, интересный и школьнику, и академику. – Л.Л.-М.). Точнее, не из-за самих роботов, а из-за статьи про них в «Азбуке». Потому что в нанороботов, которые содержат шестеренки, ручки, ножки, глазки и процессор класса «Пентиум», я не верю абсолютно. Это чушь. Нанороботы – это и главная приманка, и главное пугало нанотеха. Все боятся "серой слизи" (grey goo, термин придумали первые нанофутуристы) – орд нанороботов, которые бесконтрольно размножаются и все вокруг убивают. Но ведь серая слизь существует уже миллиарды лет – это вирусы. Вирусы – объекты нанометрового размера, которые проникают в клетку и размножаются, больше ничего они делать не могут. Может быть, серая слизь – это искусственный вирус? Да, такие проекты, видимо, сегодня на повестке дня – но это не нанотех, это совсем другая область.
Почему же ничего, кроме вирусов, не годится на эту роль?
– Сколь-нибудь полезный наноробот должен оперировать большими объемами информации. Самое эффективное наноустройство для записи информации – биополимер, длинная биологическая молекула вроде ДНК или РНК. А если использовать биополимер, то ничего лучшего, чем вирусы, не придумаешь. Потому что это продукт очень длительной эволюции. Может быть, с них даже жизнь началась (хотя не все согласны с тем, что вирус вообще форма жизни). Можно и такой постулат выдвинуть: материя со сложным поведением не может обладать тривиальной структурой. Согласившись с этим, приходим к выводу, что структурные элементы такой материи не должны быть однородны. А в этом случае самый эффективный вариант – биополимеры, и мы опять приходим к вирусам. На мой взгляд, это правильная логика, хотя я понимаю, что и ее можно попытаться обойти…
Наверное, и количественно не получается втиснуть в нанообъем все эти механизмы, процессоры?
– Нет, главная проблема в другом. Важнее, что все физические процессы, которые сегодня используются для обработки информации, основаны на определенной статистике поведения частиц (в частности, на законе больших чисел), гарантирующей правильное взаимодействие элементов, скажем, в микроэлектронике. Но на наномасштабах, когда функциональные элементы состоят из небольшого количества атомов или молекул, эта статистика перестает действовать. Больше того, никто не отменял теплового движения атомов. Любая информация в таком маленьком элементе имеет немалый шанс пропасть. Отсюда вопрос: как сделать для наноробота мозг с процессором в сто мегагерц? Он сможет работать разве что при абсолютном нуле, если очень повезет… И это лишь одна из принципиальных трудностей, есть и другие. Поэтому я считаю, что любые попытки сделать наноробота закончатся созданием примитивного объекта, который будет уметь что-то одно. Ему не нужны лапки и глазки, поскольку нечем будет ими управлять.
Что, по-вашему, самое перспективное в сегодняшнем нанотехе?
– На мой взгляд – нанобиотехнологии. На Западе это направление развивается наиболее активно. Например, возьмем наночастичку, состоящую из полимера. Оказывается, что к ней можно пришить две вещи: во-первых, лекарство, а во-вторых – белок, который будет целенаправленно связываться именно с тем участком организма, куда нужно это лекарство доставить, – сосудом, нервной тканью и пр. Дело в том, что непосредственно сшить этот белок и это лекарство нельзя. Но их можно вместе посадить на наночастицу, которая играет роль "мула"!.. Другое направление в нанобиотехе – ввести наночастицы в клетку так, чтобы клетка немного изменила свои функции: например, начала продуцировать некие белки.
На пластинке из пьезокварца, как известно, можно «взвешивать» молекулы. Пластинку покрывают слоем белка, который повышает селективность к тем или иным биомолекулам, и получается необыкновенно чувствительный биосенсор – это тоже из области нанобиотеха.
Усиленно разрабатывается очень важная для медицины технология нано– и микрокапсул (размером от микрон до 20 нм). Они представляют собой кусочки вещества, которое может обладать магнитными или другими функциональными свойствами и имеет большую площадь поверхности. Его можно одеть в «шубу» из белка, из полимера, полисахаридов, гидроксильных радикалов, потом, как говорят, «векторно» доставить в нужное место организма, а если надо – еще и разогреть, чтобы стимулировать действие лекарства. Чем это хуже наноробота? Ничем. Только здесь нет футуристических фантазий про глазки и лапки.
Еще один сюжет на стыке «нано» и медицины – визуализация. Например, наши коллеги с физфака МГУ, сотрудничающие с Онкоцентром имени Н. Н. Блохина, создают магнитные наночастицы, содержащие гадолиний. Частицы рассеиваются по организму, но их можно целенаправленно собирать в исследуемом органе – и благодаря гадолинию этот орган очень хорошо виден с помощью МРТ-томографии. А с помощью магнитного поля можно проводить и гипертермию – разогревать раковую опухоль. Причем здесь очень важно, чтобы использовались именно наночастицы – частицы большого размера будут вызывать тромбы.
Все это замечательно, но нанокапсулы уже существуют? Продаются в аптеках?
– В аптеках, как известно, много чего продают. Вот замечательная история: знаете, как проще всего получить магнитную наножидкость? Берем два очень доступных вещества: железный купорос и хлорное железо, которое используется для травления печатных плат. Сливаем их в водный раствор аммиака – и моментально получаем магнитную жидкость – взвесь частиц Fe3O4 вполне нанометрового размера. Благодаря этой простоте появляется огромное количество статей в стиле "мы пришили к этим частицам белок и доставили туда-то магнитным полем". К сожалению, для медицинской практики именно эти частицы непригодны – они слишком слабо взаимодействуют с магнитным полем. Приходится получать металлические частицы, содержащие платину, железо, кобальт и др. элементы, обеспечивать биосовместимость – и вот тогда их можно «таскать» магнитным полем в нужном направлении, следить за их потоком в теле человека в реальном времени, если надо – разогревать с помощью магнитного поля или ультразвука (такие работы, кстати, проводили наши шестикурсники в РОНЦ РАМН).
Но как я хохотал, наткнувшись на рекламу фирмы, которая продает именно такие частицы оксида железа, как я только что рассказывал, – полученные простым смешиванием содержимого двух банок! Продают под лозунгом: нанодисперсный оксид железа излечит все ваши болезни (включая депрессивные состояния у женщин и даже простатит)! Это к тому, что продавать, конечно, можно – вопрос в том, какой эффект даст такой препарат. В данном случае – никакого. Настоящая проблема – в том, чтобы подобрать наночастицы с определенными свойствами (магнитными или другими), которые могли бы решить нужную вам задачу.
Что касается серьезных проектов лечения с помощью нанокапсул и магнитных жидкостей – они пока находятся в экспериментальной стадии. Научных (и очень интересных!) статей множество, однако на практике речь идет в лучшем случае об испытаниях ключевых принципов на животных и растениях. Из недавних популистских сообщений: группа немецких ученых осуществила магнитную доставку лекарств в легкие мыши с помощью магнитных наночастиц в микрокаплях воды из ингалятора (июль 2007 г.); корейские медики испытали (в пробирке) доставку лекарства, убивающего раковые клетки человека, с помощью магнитных наночастиц (июнь 2007 г.) и пр. На нашем сайте www.nanometer.ru мы частично отслеживаем сообщения по этой тематике, а «форумисты» дают очень компетентные и часто острые комментарии – по ним легко понять истинное положение дел.
Что же в нанотехе связано с нашей любимой информатикой? За исключением, конечно, нанометровых технологических процессов изготовления интегральных схем – об этом мы и так пишем достаточно.
– Вот хороший пример, связанный с ИТ, который, кстати, иллюстрирует некоторые общие принципы нанотеха. Возьмем магнитную нить – нечто, состоящее из оксида или металла в несколько нанометров толщиной. Круглая частичка такого размера была бы суперпарамагнитной – непригодной для магнитной записи. Как только мы начинаем круглую частицу «растягивать» (менять форм-фактор или «размерность» при одном и том же диаметре), у нее появляется доменная структура, и на эту нить уже можно записать информацию. Но практически значимую среду для записи информации мы получим, только если добьемся корректной взаимной ориентации большого массива нитей. Такая работа ведется, например, аспирантами и сотрудниками академика Ю. Д. Третьякова на факультете наук о материалах и химическом факультете МГУ. Делается своеобразная «матрица» из жидкого кристалла, потом она превращается в мезопористый диоксид кремния (SiO2), и в поры с помощью химических процессов вводятся ферромагнитные нити. Получается пленка, на которую потенциально можно записывать терабиты информации на дюйм. Проблема – в ненужном магнитном взаимодействии между отдельными элементами, но есть пути к ее преодолению.
Как видите, для создания наноматериалов оказывается важным не только их состав (определяющий основные свойства), размер ("модифицирующий" свойства), но и «размерность» (делающая частицы неоднородными) и упорядочение в системе (усиление, «интеграция» свойств в ансамбле нанообъектов). Это характерно для нанотехнологий – новое качество обычно получается только при правильно организованной структуре на более крупных масштабах, чем нано. Поэтому, занимаясь нанотехнологиями, мы не можем ограничиться только химией или только физикой. Нанотех – междисциплинарная область исследований.
Отметим еще полевые транзисторы на углеродных нанотрубках – важное для наноэлектроники направление. Углеродные нанотрубки легко получать, и им находятся все новые и новые применения. Но еще ближе к созданию промышленных устройств подошли разработки на квантовых точках – хотя это уже не столько информатика, сколько оптика.
Информатика тоже, ведь квантовые точки – один из кандидатов на элементную базу квантового компьютера.
– Да, но это, по-видимому, перспектива не менее чем десяти лет. А источники света на квантовых точках – ближайшая перспектива. Упрощенно говоря, квантовая точка – это светодиод, уменьшенный до наноразмера. Сейчас их научились делать очень устойчивыми и долгоживущими. Квантовые точки можно использовать в качестве генераторов лазерного излучения с очень узким спектром, в фотодинамической терапии рака, в качестве маркеров органелл в клетках, – а также для очень экономичных бытовых источников света. Они могут быть очень полезны и в фотонике. Если, скажем, сделать материал из одинаковых правильно упакованных микросфер полистирола или оксида кремния, промежутки заполнить нужными наночастицами, а потом убрать исходную матрицу из микросфер, то получим матрицу, состоящую из квантовых точек, воспроизводящую промежутки между исходными плотноупакованными микросферами. Это будет новый люминесцентный материал, его можно использовать для реализации различных архитектур фотонных компьютеров (фотонный кристалл со структурой обращенной опаловой матрицы).
О чем еще вспоминает специалист при упоминании нанотехнологий?
– Конечно, об энергетике. Одно из модных направлений – топливные элементы. Что это такое? Вы можете сжечь спирт, и выделится тепло. А если вы пропустите спирт через топливный элемент – произойдет непосредственное преобразование энергии химической реакции в электрическую энергию. Обычные батарейки делают абсолютно то же самое, но они работают с другими веществами, а топливные элементы (ТЭ) преобразуют обычное топливо в присутствии кислорода. В этих элементах есть особый газопроницаемый слой, где находится катализатор. В качестве катализатора для водородных и метанольных ТЭ особенно эффективны наночастицы платины (5—10 нм).
Вообще катализаторы (вещества, резко ускоряющие ход реакций) – это классическая область химии, которая тесно связана с наночастицами, потому что катализатор должен иметь большую площадь поверхности – хотя бы сотню квадратных метров на грамм! У нас на факультете наук о материалах студенты работают с изопористым диоксидом кремния – там площадь поверхности достигает двух тысяч квадратных метров на грамм.
Здесь, как и вообще в нанотехнологиях, очень важны не просто наночастицы, а наноструктурированные материалы: например, микростержень, на котором растут «нанолисточки». Когда-то Зелинский изобрел противогаз на основе диоксида марганца и оксида меди (гопкалит), в котором угарный газ превращался в СО2. Если эту идею немного додумать, то уже сейчас можно получить нечто полезное для ТЭ. Пусть ваш ТЭ использует метанол и кислород. Полупродуктом окисления метанола является СО. А это страшнейший яд для платины-катализатора. Но если бы удалось платину «посадить» на поверхность кристаллического уса (вискера), содержащего диоксид марганца, то носитель убивал бы яд, опасный для основного катализатора! Это – пример наноструктурированной системы, где есть уровень «нано» (катализатор), уровень «микро» (микронного размера усы, содержащие оксид марганца), а также уровень «макро», когда вы все делаете в виде бумаги, содержащей платину и гибкие вискеры, и каждый уровень по-своему важен и выполняет специфические функции. Все вместе дает материал для ТЭ – платинированную марганец-содержащую бумагу (мы сейчас работаем над таким проектом по Федеральной целевой программе).
В связи с водородной энергетикой тоже идет активный поиск катализаторов для фотодиализа воды – разложения ее на водород и кислород за счет солнечной энергии. Большие усилия направлены и на улучшение солнечных батарей с помощью наночастиц.
Исследуются разные вещества – в том числе сочетания фуллеренов с органическими веществами, диоксидом титана и другими. КПД таких установок растет, но пока они очень дороги.
Солнечные батареи, катализаторы для ТЭ – это все-таки улучшение того, что уже есть. А вот сверхпроводимость – это же новое качество в энергетике! Нанотех здесь применяется?
– Это, пожалуй, вопрос терминологии. Точный ответ таков – в этой задаче принципиально важна структура материала на наномасштабе. Высокотемпературные сверхпроводники – замечательная модель иерархических структур в твердом теле. Там есть уровень «макро» – левитаторы, большие шестигранные шайбы, которые можно уложить так, чтобы они образовали сплошную поверхность, поместить в жидкий азот, и над ними будет что-то «плавать» (например, поезд со сверхпроводящими элементами будет скользить над магнитным рельсом). Есть уровень «микро», который описывает организацию зерен-кристаллитов: несовершенства на границах зерен должны быть минимальны. Крайне важен и уровень «мезо» (субмикро). Потому что именно такой масштаб имеют несовершенства, ответственные за появление вихрей Абрикосова, которые работают как центры пиннинга – без них сверхпроводник второго рода не сможет выдержать сколь-либо значимых критических токов. Спрашивается, что же нового дает уровень нано?
А вот что. Вихри Абрикосова – очень небольшие по размеру. Желательно, чтобы центры пиннинга ("пришпиливания" вихря) были неподвижны. Поэтому порождающие их несовершенства структуры должны иметь как раз наноразмеры. И именно такие включения обнаружились в неодим-содержащих бариевых купратах. Берется твердый раствор (кристаллическая решетка, в которой часть атомов заменена на другие) – и он при определенной термообработке расслаивается, образуя «паркетную» наноструктуру. Она состоит из областей – нанофлуктуаций состава. Там, где больше неодима, возникают несверхпроводящие участки. Там, где меньше неодима, возникает сверхпроводимость. Получаются высокоэффективные центры пиннинга. Группа японских авторов «вморозила» с помощью такой системы сумасшедшее магнитное поле – 14 или 15 тесла! При этом крупнокристаллический высокотемпературный сверхпроводник был залит эпоксидной смолой и помещен в железную шайбу, чтобы магнитное поле не разорвало хрупкую керамику.
Спрашивается – это наноматериал? Нет! Напротив, это крупнокристаллическая керамика (размеры «зерен» до нескольких сантиметров!). Там нет наночастиц. Но там есть нанофлуктуации состава, встроенные в общую иерархию пространственной структуры. Эта замечательная работа, кстати, была сделана еще до бума нанотехнологий.
Между прочим, висмутсодержащие сверхпроводники с нанофлуктуациями состава используются для сверхпроводящих тоководов. Эти материалы прокатываются в ленты, из них делают многожильные кабели, ряд фирм уже выпускает такую продукцию. Сверхпроводящие тоководы работают внутри силовых подстанций и в Германии, и в Штатах, и в Японии. Это очень дорого – и материалы дорогие, и сама линия охлаждается жидким азотом или жидким водородом. Но за длительное время все это может окупиться, благодаря уменьшению энергопотерь.
То и дело слышим, что некая фирма начинает – "на основе нанотехнологий!" – производить краски, которые обеззараживают воздух и уничтожают вредные примеси. Но ведь такие краски уже лет десять как можно купить в магазине – рублей по сто за банку. Это обычные титановые белила. TiO2 – полупроводник с большой шириной запрещенной зоны. Грубо говоря, если он находится в воде (или контактирует с прилегающим слоем воздуха), то под действием ультрафиолета начинается генерация радикалов, которые убивают органическую грязь. Значит, если взять частицы этого вещества с большой суммарной площадью поверхности, поместить в воду и облучить ультрафиолетом, произойдет очень эффективная очистка воды (при условии, конечно, что вы сможете потом эти частицы отфильтровать). А если нанести титановые белила на стену, то когда солнышко ее осветит, там тоже, возможно, будут убиты очень многие микроорганизмы – либо самим солнцем, либо TiO2, кто потом докажет? Вот пример того, что за модным лозунгом могут скрываться давно известные вещи – просто их раньше не связывали с нанотехом.
Давайте кратко перечислим, что еще не упомянули?
– Нанотех универсален, поэтому перечислять области его применения можно бесконечно. Например, мы не назвали экологию, а вокруг нее особенно много спекуляций. Об этом – врезка "Просто белила", где речь о замечательных свойствах титановых белил.
С другой стороны, бытовые титановые белила все-таки не из наночастиц состоят – а более эффективные нанопорошки с обеззараживающими свойствами сделать на порядки труднее и дороже, так как эти свойства зависят не только от состава, но и от формы частиц, их срастания с частицами другой фазовой модификации, состава поверхности и многого другого.
Ну а сам-то нанотех представляет угрозу для экологии?
– Опасности существуют, но опять-таки многие из них не новы. Всем известны классические болезни – силикоз, асбестоз, бериллоз, рак легких у углекопов, – которые вызываются мельчайшими (в том числе и нано-) частицами некоторых материалов. Можно вспомнить недавние скандалы с нанокосметикой – плохо, что никто толком не знает, что в нее «запихивают», так как это секрет фирмы. Наночастицы легко проникают в клетки, даже обычный оксид железа может, оказывается, быть вредным в виде наночастиц. С другой стороны, йоги ведь буквально едят железо, в огромных количествах, – и ничего.
Но они же не наночастицы едят?
– Конечно, крупная частица не проникнет внутрь клетки – растворится, переработается. А наночастицы могут вести себя по-другому. Поэтому взаимодействие наночастиц с живым организмом – очень важная область исследований, и сейчас этим многие занялись (в том числе и у нас в МГУ, на биофаке, физфаке, химфаке, факультете наук о материалах и других факультетах). С другой стороны, наночастицы обычно очень реакционноспособны – легко превращаются в другие частицы, растворяются, трансформируются. Можно с осторожностью предположить, что накопление нежелательных наночастиц в окружающей среде – не такая уж большая опасность. Но тут все нужно тщательно изучать. А для этого нужен трезвый подход к проблеме.
В США и Европе в обществе (в частности, у гринписовцев, антиглобалистов) существуют устойчивые антипатии к «нано», есть целые организации, которые борются с нано, и в то же время есть фанатики нано – целый спектр радикальных мнений. К сожалению, у нас пока все только кричат "ура!" при слове «нанотехнологии» и в то же время слепо (но молча) их боятся.