Однако расцвет функциональных материалов приходится на нано. С появлением нанотехнологий они стали по-настоящему важны и разнообразны. Например, представьте себе материал, который способен подбирать к молекулам множество «ключей» (один подошел, другой нет) и на основе которого возможно создание такого устройства, как искусственный нос (см. п. 2.3 «Оставив свободу с носом»).
С функциональными наноматериалами тесно связаны наноустройства. Часто невозможно различить, где «заканчивается» материал и «начинается» устройство. В этом и суть функциональных материалов: они сами — распределенное устройство, устройство без шестеренок и винтиков.
Такие устройства — источник широчайшего спектра возможностей, часть которых сегодня даже трудно представить. А возможности, как мы уже говорили, имеют оборотную сторону — риски. И их спектр также широк, как и спектр возможностей. Об этом необходимо помнить всегда, когда мы создаем что-то новое, когда кардинально расширяем наши возможности.
Важной отличительной особенностью функциональных наноматериалов является структура. В простейшем случае это специально приготовленная поверхность, в более сложных — квантовые точки, квантовые борозды и их аналоги. Речь идет о структуре именно на атомарно-молекулярном уровне. Конечно, углеродная нанотрубка является также структурой. Но в составе нанопорошка такая структура не носит строго упорядоченного характера. Так, лес отличается от парка: парк может быть «французским», где деревья составляют строгие геометрические узоры, может быть «английским», который похож на естественный лес, но все равно каждое дерево посажено строго по плану.
В нанотехнологиях часто материал уходит на второй план и вперед выступает Ее Величество Структура (см. главу 2 «Чудеса структуры»). Так и говорят — мы имеем дело с наноструктурами. Наноструктуры разнообразны. Это и так называемые метаматериалы (здесь слово «материалы» почему-то сохранилось), используемые в гига- и терагерцовой электронике, и то, что представляет собой следующий этап электроники, включая собственно электронику (как традиционную, так и принципиально новую), а также фотонику и спинтронику. Фотоника заменяет «привычный» нам электрон на квант света как носитель сигнала в наших сложных схемах, из которых мы собираем компьютеры, датчики и бытовые приборы. Спинтроника основана на коллективном поведении тех же электронов, их взаимодействии через спин: ток не идет (ток — это направленное движение электронов), сигнал же — пожалуйста: электроны как бы передали его «из рук в руки». С устройствами на базе спинтроники мы уже хорошо знакомы на бытовом уровне: она присутствует во флешках и другой долговременной памяти.
Структура — источник как возможностей, так и рисков. Гора кирпичей «в навал» представляет меньшую опасность при землетрясении, чем милый кирпичный домик, под которым есть шанс быть погребенным при его разрушении. Утрата структуры может иметь самые неожиданные и порой тяжелые последствия. Но и сама структура может быть не безопасной. Неудачно, а может, и намеренно (как в рассказе Карела Гашека «История о взломщике и поджигателе») расположенный кусок стекла (линза) может стать источником пожара[6].
Структурный аспект нанобезопасности проявляется и при создании новых, ранее не существующих, и без технологий невозможных, химических соединений, хотя сам термин можно уже поставить под сомнение: химия ли это? Как отдельные молекулы, так и их совокупности (структурные или нет) — источник новых рисков, частично подобных тем, с которыми человечество столкнулось при бурном развитии химической промышленности в XX в.
И нельзя забывать, что эти структуры приносят нам «весточку» из мира квантового — интуитивно непонятного, неожиданного, с «сюрпризами».
Крайним выражением структуры являются устройства. В нанотехнологии это МЭМСы и НЭМСы. Эти аббревиатуры расшифровываются так: первая — микро-, вторая — наноэлектромеханические устройства. НЭМС — это что-то вроде машинки, «колесиками» в которой выступают отдельные (очень специальные) молекулы, т. е. такая штуковина может передвигаться. Делает это она либо под внешним воздействием (например, «ползет» туда, где соленость раствора выше), либо за счет внутренней «батарейки» или иного источника.
Конечно, МЭМСы и НЭМСы — это не только и не столько движущиеся машинки чрезвычайно малого размера — меньше человеческой клетки. Это прежде всего датчики, заменяющие нам гироскопы, измерители давления, температуры и многое другое. Но именно с НЭМСами связывают наиболее яркие картины нанотехнологической опасности. Естественно, речь идет о нанороботах. О том, так ли это, мы также поговорим в нашей книге (см. п. 6.4 «Самоходный чип и кошмар Дрекслера»).
Гипотетическая способность нанороботов размножаться — один из таких «беспокоящих» факторов. Представляется, что на эту проблему надо смотреть шире: наиболее перспективные области нанотехнологий лежат на стыке всего того, о чем шла речь выше, и живого. Нано проникает в жизнь на клеточном уровне, как создавая миметические устройства, «списанные» с живого как со шпаргалки, так и изменяя саму клетку для различных целей: промышленных, медицинских и др. И это, конечно, один из наиболее важных аспектов нанобезопасности (см. главы 4, 5). Медицинские, экологические и технологические риски переплетаются в запутанный клубок, который нам предстоит распутать.
Вот далеко не полный перечень того, что мы называем «нано», того, с чем нам придется считаться в недалекой перспективе или даже уже сейчас.
Квантовый мир нано. Чего мы не знаем…
Если тебе нравится мешок, купи его вместе с котом, которого тебе хотели в нем продать.
Станислав Ежи Лец
Развитие нанотехнологий связывают во многом с теми неожиданными возможностями, которые нам предоставляет квантовый мир, точнее, те законы мироздания, которые проявляются в масштабах атомов и молекул и которые так не похожи на знакомые нам со школьной скамьи.
И степень непохожести мы часто недооцениваем.
Многие из нас, конечно, знают или слышали о туннельном эффекте — эффекте, на котором построена работа транзистора, уже ставшего рутинным. Но этот эффект в квантовом мире может проявиться не только в транзисторах. В чем же его суть?
Знаем, скажут некоторые. Если электрон не может в обычной — классической — физике пройти сквозь стенку, то в квантовой может. Ну да, что-то вроде этого. Но это далеко не все. Проще всего объяснить это на ставшем классическим — с подачи Ричарда Фейнмана[7] — примере работы мазера (а заодно и лазера).
Допустим, у вас есть молекула аммиака. Она изображена на рис. В1, например слева. И есть еще одна такая же — справа. Но не совсем такая — это зеркальное отражение первой. И как ни старайся, первую во вторую не превратить — не вывернешь же ее наизнанку. А вот в квантовом мире такое возможно — из-за туннельного эффекта. Но — внимание — это не все! В результате получится вообще нечто неожиданное. Реальными будут не «левая» и «правая» молекулы аммиака, между которыми возможен переход, а их смеси. Первая смесь — половинка «левой» плюс половинка «правой» молекулы. Вторая — половинка «левой» минус половинка «правой». Чудно? Авторы, конечно, в своем «объяснении» многое упустили. Пропустили такие слова, как «суперпозиция волновых состояний», «разница между бозе- и ферми-статистиками» и многое другое. Но для этого надо учить «кванты».
Рис. В1 Физическая модель двух базисных состояний молекулы аммиака
Но это «чудно» имеет удивительное последствие. Если «левая» и «правая» молекулы ничем не отличались, и переход из одной формы в другую ничего не менял, ни к чему не приводил, то в случае наших смесей это не так. «Первая» смесь отлична от «второй». Они имеют разные внутренние энергии, и переход между ними осуществляется за счет поглощений (в одну сторону) или испускания (в другую сторону) кванта света. Вот этот квант, испускаемый молекулой, и есть то, из-за чего мазер (а также лазер) работает. Не будет преувеличением сказать, что мы видим тот факт, что состояния вовсе не одинаковы, а, напротив, различны, и значит, мы реально имеем дело не с «правой» и «левой» молекулами — реальны наши квантовомеханические смеси.
Этот пример имеет далеко идущие последствия. Вот мы говорим, что атомы можно разместить так, можно иначе — на то и наши нанотехнологии, которые и осуществляют манипуляции с атомами. А на деле реальны не «так» и не «иначе», а их абстрактные математические комбинации. И у этих комбинаций, кроме того, и свойства другие.
Здесь можно возразить: ну хорошо, это в квантовом мире такие «фокусы», а в нашем все проще. Возражение отчасти верно, но лишь отчасти. Наша убежденность в том, что нанотехнологии позволят нам воспользоваться теми свойствами, которые присущи квантовому миру, и есть утверждение того, что эти свойства окажутся у нас здесь, так сказать, «под руками» и «перед глазами». И непонимание этого — само по себе огромный риск.
