Пожалуйста подождите

Нанотехнологии

01 января 16:18
Рейтинг 0 - +    Эмоции
комментариев: 2
1. Введение

Нанотехнология — область прикладной науки и техники, имеющая дело с объектами размером менее 100 нанометров (1 нанометр равен 10−9 метра). Нанотехнология качественно отличается от традиционных инженерных дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические, технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул или агрегатов молекул, квантовые эффекты.

В практическом аспекте это технологии производства устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции частицами, размеры которых находятся в пределах от 1 до 100 нанометров. Однако, нанотехнология сейчас находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных результатов позволяет относить её к высоким технологиям.

Когда речь идет о развитии нанотехнологий, имеются в виду три направления:
* изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов;
* разработка и изготовление наномашин;
* манипуляция отдельными атомами и молекулами и сборка из них макрообъектов.
Разработки по этим направлениям ведутся уже давно. В 1981 году был создан туннельный микроскоп, позволяющий переносить отдельные атомы. С тех пор технология была значительно усовершенствована. Сегодня эти достижения мы используем в повседневной жизни: производство любых лазерных дисков, а тем более DVD невозможно без использования нанотехнических методов контроля.

На данный момент возможно наметить следующие перспективы нанотехнологий:

а) Медицина: создание молекулярных роботов-врачей, которые находились бы внутри человеческого организма, устраняя или предотвращая все возникающие повреждения, включая генетические.

б) Геронтология: достижение личного бессмертия людей за счет внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестройки и улучшения тканей человеческого организма. Оживление и излечение тех безнадежно больных людей, которые были заморожены в настоящее время методами крионики.

в) Промышленность: замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул.

г) Сельское хозяйство: замена природных производителей пищи (растений и животных) аналогичными функционально комплексами из молекулярных роботов. Они будут воспроизводить те же химические процессы, что происходят в живом организме, однако более коротким и эффективным путем. Например, из цепочки "почва - углекислый газ - фотосинтез - трава - корова - молоко" будут удалены все лишние звенья. Останется "почва - углекислый газ - молоко (творог, масло, мясо)". Такое "сельское хозяйство" не будет зависеть от погодных условий и не будет нуждаться в тяжелом физическом труде. А производительности его хватит, чтобы решить продовольственную проблему раз и навсегда.

д) Биология: станет возможным внедрение наноэлементов в живой организм на уровне атомов. Последствия могут быть самыми различными - от "восстановления" вымерших видов до создания новых типов живых существ, биороботов.

е) Экология: полное устранение вредного влияния деятельности человека на окружающую среду. Во-первых, за счет насыщения экосферы молекулярными роботами-санитарами, превращающими отходы деятельности человека в исходное сырье, а во-вторых, за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы.

ж) Кибернетика: произойдет переход от ныне существующих планарных структур к объемным микросхемам, размеры активных элементов уменьшаться до размеров молекул. Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцовых величин. Получат распространение схемные решения на нейроноподобных элементах. Появится быстродействующая долговременная память на белковых молекулах, емкость которой будет измеряться терабайтами. Станет возможным "переселение" человеческого интеллекта в компьютер.

В целом, использование достижений нанотехнологий поможет сделать все сферы человеческой жизни более комфортными для обитания.

Основные этапы в развитии нанотехнологии:

1959 г. Лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман заявляет, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все, что угодно.
1981 г. Создание Бинигом и Рорером сканирующего туннельного микроскопа - прибора, позволяющего осуществлять воздействие на вещество на атомарном уровне.
1982-85 гг. Достижение атомарного разрешения.
1986 г. Создание атомно-силового микроскопа, позволяющего, в отличие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодействие с любыми материалами, а не только с проводящими.
1990 г. Манипуляции единичными атомами.
1994 г. Начало применения нанотехнологических методов в промышленности.

2. Электронные элементы на основе нанотехнологий

Новые потенциальные технологические возможности нанотехнологии открыли пути к реализации новых типов транзисторов и электронных функциональных устройств, выполняющих соответствующие радиотехнические функции за счет особенности взаимодействия электронов с наноструктурами. К транзисторам новых типов относятся одноэлектронные транзисторы, предложенные К. Лихаревым, в которых доминируют эффекты поодиночного прохождения электронов через транзистор и управления параметрами данного процесса под действием потенциала управляющего электрода. Достоинством транзистора данного типа и функциональных приборов на его основе является исключительно низкое энергопотребление. К сравнительным недостаткам - наивысшие по трудности реализации требования создания нанометровых областей наименьших размеров, позволяющих осуществить работу данных устройств при комнатной температуре. К принципиально другому типу транзисторов следует отнести транзисторы Ааронова-Бома, в которых используются волновые свойства электронов. Под воздействием управляющего напряжения, создающего несимметричность параметров волнового распространения электрона по двум расходящимся, а потом сходящимся проводникам, происходит интерференция волновых функций электрона, приводящая к модуляции выходного электронного потока. К достоинствам транзисторов данного типа следует отнести сверхвысокое быстродействие, достигающее терагерцового диапазона, а к недостаткам - наивысшие требования к однородности материалов, выполнение которых необходимо для минимизации рассеяния электронов при распространении их по данным двум проводникам. К третьему типу нанотранзисторов относится полевой транзистор, сформированный на основе нанопроводников, в котором под воздействием управляющего напряжения происходит полевая модуляция проводимости проводника, по которому течет ток. Данный транзистор, хоть и не является рекордсменом по сравнению с первыми двумя по энергопотреблению и быстродействию, предъявляет наиболее простые технологические требования к технологии создания и позволяет достичь частотного диапазона в сотни гигагерц.
В 1993 г. было разработано новое семейство цифровых переключающих приборов на атомных и молекулярных шнурах. На этой основе разработаны логические элементы НЕ-И и НЕ-ИЛИ. Размер такой структуры ~ 10 нм, а рабочая частота ~ 1012 Гц.
Одним из важнейших достоинств нанотехнологии, реализующей процесс послойной сборки, является возможность трехмерного изготовления наноэлектронных схем. Наличие такого свойства у разрабатываемой технологии исключительно важно, так как полупроводниковая микроэлектроника, фактически, так и осталась планарной, позволив реализовать очень ограниченное число уровней металлизации для формирования межсоединений. Данный недостаток технологии порождал проблему, названную Я. А. Федотовым "тиранией межсоединений". Она не только сдерживает развитие прогрессивных интегральных схем с большим числом элементов, но и не позволяет аппаратно реализовать исключительно важные типы нейронных схем, в которых доминирует большое число связей между элементами.

3. Нанороботы (наноботы)

Многие эксперты склонны отсчитывать историю микротехнологий от знаменитой лекции нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана, прочитанной им в 1959 году перед Американским физическим обществом. Богатейшая фантазия Фейнмана и талантпопуляризатора позволили ему обрисовать потенциал микротехнологий в самых ярких красках: в его лекции были и крошечные компьютеры, и системы хранения данных, электронные компоненты и даже микроскопический инструментарий миниатюрных роботов. Но если пророчества Фейнмана в области микроэлектроники начали обрастать плотью очень быстро - уже в 1960-70-е годы, - то прогресс в электромеханических микросистемах шел гораздо медленнее. Лишь в 1980-е годы ведущие университеты и правительственные лаборатории начали осваивать сравнительно недорогие способы изготовления и сборки крошечных механических деталей, для чего была разработана технология микроэлектромеханических систем, или MEMS, использующая методы литографии и инструментарий полупроводниковой промышленности.
Сейчас самой перспективной областью внедрения MEMS принято считать телекоммуникации. Так, в конце 2000 года от Национальной лаборатории Сандиа, принадлежащей министерству энергетики США, отпочковалась частная компания MEMX, занимающаяся вопросами коммерческого применения создаваемых в лаборатории MEMS-технологий.

Существующие на данный момент решения нельзя назвать нанороботами в полном смысле этого слова, но микророботы являются достойными макроскопическими моделями.
В Массачусетском технологическом институте сейчас разрабатывается серия микророботов под общим названием NanoWalkers («наноскороходы»). Некоторые из них оборудованы иглами-пробниками сканирующего туннельного микроскопа для отображения и подталкивания атомов. Способные стремительно перемещаться, роботы-сборщики черпают энергию с электрически заряженной рабочей поверхности, образованной перемежающимися полосами разной электрической полярности. Связь с микророботами осуществляется через инфракрасную систему, монтируемую на верхушке их приземистого корпуса. Цифровая ПЗС-камера следит за перемещением и местонахождением роботов, направляя их к нужному месту, а затем вступает в действие система тонкого позиционирования, наводящая пробники-манипуляторы на конкретные молекулы или атомы.

Каковы отличительные особенности нанороботов и как они могут послужить улучшению различных аспектов человеческой жизни и научной деятельности? А также - весомы ли недостатки нанотехнических разработок?

Нанороботы размером в доли микрона, введенные в организм человека, смогут очистить его от микробов или зарождающихся раковых клеток, кровеносную систему – от отложений холестерина. Они смогут изучить, а затем и исправить характеристики тканей и клеток. Так же как молекулы ДНК при росте и размножении организмов складывают свои копии из простых молекул, плавающих в растворе, - нанороботы создадут свои копии или с помощью заданной программы - макроскопические объекты. Нанороботы могут быть использованы для очистки окружающей среды, для создания новых видов материи – как “мёртвой”, так и “живой”. Принципиально возможно изготовление “вечных“ деталей механизмов из атомов углерода, выстроенных в алмазную решетку, создание молекул, редко встречающихся в природе, и т.д.

Предстоит сделать радикальный шаг – уменьшить размеры приборов до принципиального предела – до величин, сравнимых с атомами.

4. Философия

Развитие нанотехнологий ставит ряд очень важных вопросов. В первую очередь философского характера.
Эдуард Теллер, один из создателей термоядерной бомбы заметил: «Тот, кто раньше овладеет нанотехнологией, займет ведущее место в техносфере следующего столетия». Нужно опасаться такого хода мыслей. Высказывание, безусловно, верное, но нанотехнология не должна становиться предметом соперничества. Она обладает столь мощным потенциалом, что нужно вести разработки в этой области полностью открыто, с тщательным контролем, исключающем создание оружия.
Эрик Дрекслер пишет: «Но мощь новых технологий можно обратить и на создание военной силы. Перспектива создания новых вооружений и их быстрого производства является причиной для серьезного беспокойства. Это ведет к идее установления тщательного контроля даже для тех из нас, кто является убежденным сторонником свободного развития технологии».
Молекулярные нанотехнологии, которые могут убить цивилизацию, с другой стороны обладают большим потенциалом созидания, чем разрушения. В этом их отличие, скажем, от ядерной энергии, неудержимая мощь которой гораздо больше подходит для разрушения. В этом смысле прорыв человека в микромир очень похож на изобретение колеса, которое имеет гораздо большее применение в мирных целях, чем при создании оружия, где оно обычно работает лишь косвенно.
Остаётся опасность непредсказуемого поведения наносистем, их выхода из-под контроля человека.
Представим себе, что в устройстве, предназначенном для разборки промышленных отходов до атомов, произойдет сбой и оно начнет уничтожать полезные вещества биосферы, обеспечивающие жизнь людей. Самым неприятным окажется то, что нанороботы способны к самовоспроизводству. И тогда они станут оружием массового поражения. Не трудно представить себе и нанороботы, запрограммированные на изготовление уже известного оружия. Овладев секретом создания робота или каким-то образом достав его, - штамповать их в большом количестве сможет небольшая группа людей или даже террорист - одиночка. Возможно и создание селективно разрушительных устройств, например, воздействующих на определенные этнические группы людей или заданные географические районы.
Усовершенствование искусственного интеллекта происходит с нарастающим темпом. В перспективе роль транзисторов в компьютерах будут играть отдельные атомы и молекулы, и мощность компьютеров по последним прогнозам может возрасти в миллион раз ориентировочно через 30 лет. Реальным станет создание высокоорганизованных устройств, которые в большинстве интеллектуальных задач смогут принимать решения, лучшие, чем человек. Весьма логичным будет поручить им самые сложные задачи. Это может касаться и экономики, и политики, и социальных вопросов, и почти любой другой сферы деятельности. Уже сейчас решение многих научных, военных и других задач перепоручают компьютерам. Применение их во многих технологических, хирургических и других операциях давно уже стало нормой. Области, где они работают лучше человека, все время расширяются. Парадоксом является то, что наш мозг, возникший в результате эволюции в течение десятков и сотен миллионов лет, сейчас в кратчайшие сроки создаёт мыслящие устройства с намного большими возможностями.
С увеличением мощности ЭВМ, улучшением программного обеспечения человеку всё труднее будет выдерживать конкуренцию. Естественно, те группы людей – фирмы, государства и др., - которые раньше передадут управление машинам, будут выигрывать. Трудно сейчас предсказать развитие событий, но, в конце концов, вопрос может свестись к тому, как человеку сохранить контроль над машинами. Не столь сложно контролировать свои частные машины - персональные, автомобильные и т.п. компьютеры. А как быть с установками, управляющими производством, энергетикой, снабжением, обороной и другими общественными, государственными системами? Ведь, известно, что одним из условий хорошего командования обычно является предоставление самостоятельности тому, кто принимает решения. Отнюдь не всегда возможно объяснить правильность решения менее компетентному (в данном случае – человеку), особенно, когда это надо делать быстро. В конкурентной и военной борьбе станет рациональным передать максимум функций управляющим машинам, разумным роботам - устройствам с искусственным интеллектом, заранее позаботившись о том, чтобы сделать их более сильными и неуязвимыми.
Научный прогресс в наше время происходит так быстро, что подавляющая часть населения не успевает понять, к каким последствиям может привести (или уже привело) то или иное научное направление. Чаще это бывает доступно лишь специалистам в узкой области, да и тут всегда существуют разногласия. К тому же жажда познания, желание быть первым притупляют чувство опасности у первооткрывателя. В сложившейся на рубеже тысячелетий ситуации обществу и политикам придется тратить гораздо больше усилий на понимание происходящего, возможных перспектив и принятие мер по предотвращению потенциальных угроз. Как показывает опыт, для обсуждения и осуществления мероприятий по противодействию грядущим опасностям обычно требуется больше времени, чем исследователям выйти на новый уровень. Как мы видим, силы, которыми собираются овладеть ученые, а с ними и все человечество, очень велики, и обращение с ними потребует чрезвычайной осторожности.

5. Заключение

Нанотехнология – без сомнения самое передовое и многообещающее направление развития науки и техники на сегодняшний день. Возможности её поражают воображение, мощь – вселяет страх. Видимо будущее развитие технологии будет основываться на балансе между созиданием и разрушением. Как следствие, обязательно появятся военные и, более того, подпольно-хакерские, применения. Но и многообразие мирных задач, поставленных перед нанотехнологией сегодня, не даст покоя учёным. Нанотехнология в корне изменит нашу жизнь. Появятся новые возможности, идеи, вопросы и ответы.
Сегодня кажется, что новый мир в наших руках. Однако на самом деле почти все массовые эксперименты ограничиваются лишь ловким гравированием атомами. Будущее же технологии закладывают ставшие уже традиционными области науки и техники. Микроэлектроника, робототехника, нейротехнология – привычные слуху названия, стоящие за сегодняшними науками, кажущимися практически бесполезными на фоне нанотехнологии.
Мы используем достижения новой технологии сегодня и уже не можем отказаться. Нам уже сложно помыслить даже день без компакт-дисков, а также всего того, что мы не видим. Это то, что упрятано в корпуса машин, систем безопасности, контроля окружающей среды. Датчики на основе наноэлементов используются уже далеко не первый год.
Нанороботы в будущем создадут интеллектуальную среду обитания. Буквально все пространство будет пронизано ими, они, связываясь между собой, создадут глобальную сеть, с которой можно будет взаимодействовать без всяких терминалов.
В целом, открытия нанотехнологии, совершённые на данный момент, позволяют человеку представить среду, в которой он будет находиться через 20-30 лет.

6. Список литературы

Drexler K. Eric; «Nanosystems»; Wiley Interscience; 1992; http://nano.xerox.com/nanotech/nanosystems.html

Drexler K. Eric, Peterson Chris, and Pergamit Gayle; «Unbounding the Future:
“The Nanotechnology Revolution»; 1991;
http://www.foresight.org/UTF/Unbound_LBW/index.html

Пётр Лускинович; «Нанотехнология»; Журнал «Компьютера» http://www.computerra.ru/offline/1997/218/828/

Михаил Соловьёв; «Нанотехнология - ключ к бессмертию и свободе»; Журнал «Компьютерра»
http://www.computerra.ru/offline/1997/218/829/

Бёрд Киви; «Микроботы: технология будущего сегодня» ; Журнал «Компьютерра»
http://www.computerra.ru/offline/2002/439/17343/

Sandia National Laboratories Official Site
www.sandia.gov

MEMX Official Site
www.memx.com

Wikipedia, the free encyclopedia
http://ru.wikipedia.org

Е.А. Абрамян «Угрозы новых технологий»
http://old.savefuture.ru/threatsru.htm
Метки меток нет

комментарии

К первому непрочитанному