http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=53b72c05-d065-442d-b530-f4752c737de5&print=1© 2024 Российская академия наук
Юрий Борисович Магаршак - президент MathTech, Inc., председатель оргкомитета международной конференции Environmental and Biological Risks of Nanobiotechnology, Nanobionics and Hybrid Organic-Silicon Nanodevices (Silicon vs Carbon).
К нанотехнологиям можно отнести такие различные процессы, как ферментативный катализ и квантовая электроника, создание моноатомных пленок и антибиотиков.
Петер Грик, «Столкновение частиц», 2006. Источник: gric.at
Слово «нанотехнологии» – во множественном числе – для обозначения области исследований и разработок (см., например, название Государственной корпорации «Российская корпорация нанотехнологий», или The Institute for Soldier Nanotechnologies at MIT – Массачусетский технологический институт, США) выпадает из традиционных наименований областей наук и технологий. Сравните: молекулярная биология изучает множество самых разных процессов, но тем не менее это одна наука и одна область исследований и разработок, в единственном числе. Можно ли превратить нанотехнологии в нанотехнологию – науку и область знаний с четко определенными целями и предметом исследований?
Термин как таковой
Согласно определению из Википедии к нанотехнологии «относят два типа устройств: те, которые строятся bottom up (из молекулярных компонентов, которые затем собираются по принципу молекулярного распознавания), и те, которые строятся top-down (из более крупных объектов без контроля на атомном уровне), имеющих размеры между одним и ста нанометрами». Определить научно-технологическую дисциплину через возможность постройки прибора и его размер представляется неадекватным масштабу заявленной при этом проблемы и инвестициям, исчисляемым миллиардами долларов. Не случайно быстрый на остроту российский народ (в данном случае академический) окрестил нанотехнологии бананотехнологиями – с одновременным намеком на банановую республику и прочие афоризмы, в которых упоминается этот фрукт.
Для иронии, несомненно, есть основания: ведь к нанотехнологиям относят самые разнообразные устройства и области знаний. Не слишком ли широко? Ведь это приблизительно то же самое, что назвать килотехнологиями любые устройства, масса которых превышает один килограмм. При этом стратегическая перспективность для цивилизации создания устройств, функционирование которых определяется в субатомных масштабах, сомнения не вызывает. Надо лишь правильно сформулировать приоритеты и ключевые проблемы, которые возникают на этом пути.
Чем, кроме размеров, отличается наномир от, например, микромира?
Какие эффекты существуют в наномасштабах и отсутствуют в микромире?
Нельзя ли объединить возникающие в наномасштабах процессы в одну или несколько научных и технологических дисциплин; а если это возможно, то в какие именно и исходя из каких критериев?
Формулировка и ответы на эти вопросы представляются намного более содержательными и конструктивными, чем термин «нанотехнологии» как таковой.
Микро-Нано-Пико-Фемто
У термина «нанотехнологии» есть и другая сторона: расплывчатость самого термина, не соответствующая научно-технологической традиции, для которой характерно стремление к четкости определений. В самом деле: термин «микроэлектроника» означал создание приборов, не просто работающих в масштабе микронов (10-6 м.), а таких, в которых перемещение электронов играет фундаментальную роль. Кибернетика означала (говоря грубо) создание систем преобразования и обработки информации. Синергетика – анализ нелинейных систем и структур, в них возникающих.
Нанотехнологии не ограничивают область изучения и созидания подобным образом. Название говорит лишь о линейных размерах процессов, определяющих функционирование приборов и свойства материалов: 1 нм = 10-9 м. Напомним: классический размер атомов по порядку величины равен 0,1 нм; длины валентных связей и расстояния между атомами в кристаллических решетках того же порядка; диаметр двухспиральной молекулы ДНК – 2 нм; толщина клеточной мембраны – 10 нм; размер вирусов от 20 до 300 нм. Минимальный размер углеродных нанотрубок, синтезированных в настоящее время, составляет 0,4 нм; характерные размеры белков – от 10 до 100 нанометров.
Таким образом, к нанотехнологиям можно отнести такие различные процессы, как ферментативный катализ и квантовая электроника, создание моноатомных пленок и антибиотиков. Строго говоря, любой биохимический процесс является нанопроцессом, поэтому создание почти любого лекарства – от витаминов и контрацептинов до обезболивающих препаратов и сывороток – можно отнести к нанотехнологии.
С другой стороны, к какой области отнести электронику и фотохимию, с учетом того, что классический радиус ключевого функционального элемента соответствующих устройств, электрона r = 2,82х10–15 м (3/1000 пикометра), а боровский радиус равен (ближайшая к ядру орбита электрона в атоме водорода), приблизительно 50 пикометров. Так что же, вводить новую научную дисциплину пикотехнологию – что звучит не менее, а может быть, еще более завораживающе, чем нанотех?
Размеры частиц, составляющих ядра атомов, нуклонов, еще меньше (например, классический радиус нейтрона – 1,1х10-15, то есть приблизительно 1 фемтометр). Ну, так давайте введем для технологий, использующих, например, создание дырок в пленках при их обстреле нуклонами, еще более впечатляюще звучащую дисциплину: фемтотех?!
Если следовать этой логике, то производство компьютеров, лопат и табуреток следует отнести к килотехнологиям, потому что каждый из перечисленных объектов весит килограммы. Но это абсурдно!
Устройство размером 100 нм = 0,1 микрометра (по порядку величины сравнимое с размером вируса средних размеров) следует отнести к нанотехнологиям или к микротехнологиям? А если размер устройства (к примеру) 101 нанометр? Где проходит граница? Ведь для различных физических процессов она абсолютно разная! Где граница между нано- и микромиром? И совпадает ли эта граница с таковой в других наноэффектах, например, с физическими процессами, возникающими на поверхности нанокристаллов?
С учетом всего вышесказанного следует крайне аккуратно относиться к нанотехнологии как термину. И говоря о нанотехнологиях, надо всякий раз уточнять, что именно имеют в виду. При этом одного ответа для всех технологических применений быть не может.
Считать критерием принадлежности (или непринадлежности) к научно-технологической дисциплине размер продукта, равно как и метод сборки составляющих его блоков, неконструктивно и недостаточно.
Биология и нанотех: не смешивать!
Совершенно очевидно, что биологические процессы и их использование в технологиях (например, при создании лекарственных препаратов) должны быть отделены от нанотехнологии как области науки и индустрии. Не потому, что функционирование биологических активных молекул не происходит в наномасштабах, а потому, что все молекулярно-биологические процессы происходят в наномасштабах. Биохимия, биофизика и молекулярная биология – быстроразвивающиеся науки с устоявшейся терминологией и в переопределении названия не нуждаются.
Нанопроцессы разумно подразделить на: а) такие, которые происходят не только в нано-, но и в больших пространственных масштабах, и б) такие, для которых наличие наноразмеров принципиально существенно. Представляется целесообразным процессам, которые происходят только в наномасштабах, дать особое наименование. Название «нанофундаментальные процессы» представляется наиболее адекватным.
В этой связи кажутся правомерными и актуальными вопросы:
1) какие физические процессы, которые могут быть использованы при создании нанотехнологических материалов и устройств, могут существовать только в наномасштабах;
2) какие именно технологии могут быть созданы на основе нанофундаментальных процессов, для которых пространственный масштаб, сравнимый с размерами атомов и молекул, принципиально существенен?
Ответ на эти вопросы определяет стратегические направления развития нанотехнологий, а в более широком контексте – и цивилизации XXI века вообще.
Кремний против углерода
Тот факт, что процессы в наномире подразделяются на: 1) происходящие in vivo и 2) относящиеся к неживой природе, определяет еще одно стратегически важное направление исследований и разработок.
Все живое основано на углероде, в то время как почти вся современная электроника базируется на кремнии. В песке (SiO2) масса углерода близка к 50%. Процент кремния в любой почве, на которой произрастают растения, также велик. Однако несмотря на это, процентное содержание кремния в любом живом организме – от бактерии до человека – совершенно ничтожно: как правило, каждый атом кремния in vivo оказывается под контролем.
В чем причина «антагонизма» в живой природе углерода – и наиболее похожего на него по свойствам из всех имеющихся в таблице Менделеева элементов: кремния? Возможно, это связано с тем, что и кремний, и углерод образуют цепочки. Но цепочки эти различны по структуре: если в соединениях углерода один атом углерода соединяется с другим атомом углерода непосредственно, то в цепях кремния, как правило, между атомами кремния имеются атомы других химических элементов.
В последнее время синтезированы материалы, состоящие из кремниевых цепочек, включающих до ста атомов кремния. Однако, кроме того и прежде всего, для кремния характерно образование кремнийорганических соединений, в которых атомы кремния соединены в цепи с помощью атомов кислорода.
Предположение, что способность кремния образовывать цепочки внутри живых организмов является опасной для их жизнедеятельности, представляется наиболее естественным и заслуживающим рассмотрения. В любом случае очевидно, что кремний, кремний как элемент – «враг» живого. А те немногие атомы кремния, которые используются in vivo, находятся под строжайшим, в сущности, поштучным контролем.
Нанотех и altera vitae
До тех пор, пока электроника (основанная на кремнии) и биологические процессы (для протекания которых ключевым элементом является углерод) разделены, проблемы не возникает. Однако при переходе к наномасштабам возникает теоретическая и практическая возможность создания гибридных устройств, в которых электроника и органика находятся в функциональной взаимосвязи. А вот тут-то и возникают проблемы, имеющие фундаментальный характер.
Более того: возникает реальная перспектива построения altera vitae, другой жизни, основанной либо на кремнии, либо на гибридах кремния с углеродом, либо только на углероде, но базирующаяся на принципах, отличающихся от тех, на которых базируется все живое (например, использующих другие аминокислоты или вообще не аминокислоты, другой генетический код или вообще не ДНК в качестве носителя наследственной информации). Каковы риски и перспективы альтервитальных революций?
Электроника по самой своей природе основана на перемещении электронов. В основе органических процессов (за исключением относительно немногих, таких, например, как фотосинтез) лежит перемещение атомов целиком, а также (например, в ферментативных реакциях) групп атомов. Основная идея прогресса в электронике – повышение частоты. Между тем in vivo частоты, характеризующие функционирование системы, а также скорости перемещения носителей информации, на много порядков ниже, чем в современных электронных устройствах. Так, изображение в глазу человека формируется несколько десятков раз в секунду (то есть в миллиарды раз медленнее, чем процессы, определяющие быстродействие современных компьютеров и телеканалов), скорость распространения нервного импульса – десятки метров в секунду (то есть в миллионы раз медленнее, чем скорость света, с которой распространяются электромагнитные колебания).
Казалось бы, мир углерода безнадежно проигрывает миру кремния. Ничуть не бывало! Доказательство чего – не только многообразие жизни, но и эффективность работы мозга, по многим параметрам остающаяся для современных компьютеров недосягаемой.
Можно ли перевести электронику с кремния на углерод?
Насколько опасно использование углеродной электроники в медицине для живых организмов?
Насколько опасно использование нелинейных молекул (шарообразных фуллеренов, дендримеров, имеющих ветвящуюся структуру, и других) в фармакологии и медицине?
Не следует ли при переходе к наномасштабам переводить компьютерную технику с булевой алгебры на какую-то другую базисную систему (напомним, что в живых организмах ничего, напоминающего систему нулей и единиц с переводом значений из разряда в разряд при сложении и умножении чисел, не обнаружено)?
Каковы риски и перспективы альтервитальных нанотехнологических революций?
Каковы риски гибридных кремнийорганических технологий для окружающей среды и биоценоза?
И, наконец, какие именно научно-технологические дисциплины и области индустрии должны образоваться из круга проблем, в настоящее время называемых нанотехнологиями?
Постановка этих вопросов представляется правомерной и перспективной как с научно-технологической, так и с государственной точек зрения.
* * *
То, что сегодня называют нанотехнологиями, делает первые шаги. Существует опасность, что (как это нередко бывает) наличие серьезного финансирования, господдержки, а также многочисленных заинтересованных в развитии отрасли фондов и корпораций во всем мире может сделать развитие этой – несомненно, стратегически важной для человечества – области негармоничным и даже опасным. Некоторые – заведомо второстепенные направления, – развившись первыми, могут помешать развитию других, значительно более перспективных разработок. Поэтому с самого начала – сегодня! – необходимо определять не только направления, которые могут дать немедленную отдачу. Наряду с финансированием тех или иных приложений, необходимо сосредоточить внимание на стратегии развития, обозначенной обобщающим термином «нанотехнологии», отрасли знаний и индустрии.