Молекула фуллерена C60 напоминает футбольный мяч, составленный из правильных пятии шестиугольников Вездесущий углерод

Трудно выделить какое-то особое научное открытие, произошедшее в конце XX века, заставившее правительства промышленно развитых стран срочно пойти на штурм основной технологии XXI века. Пожалуй, именно открытие фуллеренов и углеродных нанотрубок стало ключевым фактором для осознания важности такого рода исследований. Сферические молекулы фуллерена С sub 60 /sub и свернутые в трубочку графитовые плоскости потрясли не только физиков и химиков, но и материаловедов с технологами. Элемент, ответственный за существование жизни, преподнес очередной сюрприз, показав, что и без помощи кислорода и водорода он способен образовывать гигантские молекулы, длина которых в миллионы раз превышает их диаметр.

Сегодня умеют массово выращивать однослойные и многослойные углеродные нанотрубки длиной сотни микрон. И это при том, что диаметр такого волокна не превышает нескольких десятков нанометров. Растут они на подложке из кремния, словно густой лес, который потом можно «срубить» и сплести в одну длинную нить. Сотрудники Техасского университета в Далласе (The University of Texas at Dallas) из 1 см2 такого «леса» вытягивают несколько метров высокопрочной почти невидимой нити толщиной несколько микрон. Сделанные из нее 20-микронные «канаты» оказались в 5 раз прочнее самых крепких кевларовых нитей такого же диаметра. Пуленепробиваемые жилеты и самолеты из углеродных нанотрубок делать пока еще не начали, но образец материи на миниатюрном ткацком станке сплели и провели разного рода испытания.

Создание материала, на порядок более прочного и легкого, чем сталь, — давнишняя мечта материаловедов и инженеров. И сегодня она уже близка к своему воплощению. Причем, учитывая темпы внедрения полезных для жизни научных открытий, революция в материаловедении не за горами. Углеродные нанотрубки имеют не только уникальные механические свойства, но и необычные электрические. Они бывают с полупроводниковым и металлическим типом проводимости, а значит, используя их, можно делать не только углеродные интегральные микросхемы, но и электрические провода для обычных кремниевых. Сопротивление однослойной нанотрубки не зависит от ее длины, благодаря этому их удобно использовать для соединения логических элементов внутри микроэлектронных устройств. Допустимая плотность тока в нанотрубках много больше, чем в металлических проводах такого же сечения, и в сто раз превышает лучшие достижения для сверхпроводников.

Про уникальные свойства углеродных нанотрубок написаны сотни книг, и даже простое перечисление областей их возможного применения займет не одну журнальную полосу. Похоже, что этот нанообъект первым найдет массовое применение в производстве микросхем памяти, в самолето- и автомобилестроении. Особый интерес к углеродным волокнам проявляют сегодня космические агентства, надеющиеся с их помощью сделать более компактными и мобильными будущие автоматические космические аппараты. С надеждой смотрят на углерод и строители пресловутого космического лифта, который должен открыть дорогу в космос всем желающим.

Первая российская нанотехнологическая установка Nanofab-100 демонстрировалась в 2006 году на X российском экономическом форуме в Санкт-Петербурге накануне встречи «Большой восьмерки». Включает атомно-силовой и туннельный микроскопы, а также модуль для модификации материалов сфокусированными ионными пучками (справа) и модуль для наращивания нанопленок

Миллиарды в наноиндустрию

«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России» — так называется Федеральная целевая программа, одной из частей которой значится «Индустрия наносистем и материалы». Здесь определено то, что российское правительство намерено вкладывать деньги в развитие нанотехнологий. Почти 5 миллиардов рублей было истрачено за 2005 и 2006 годы на генерацию знаний, разработку и коммерциализацию технологий. Еще больше будет вложено в освоение наномира в ближайшие пять лет. С 2007 по 2012 год общий объем финансирования приоритетных направлений составит почти 200 миллиардов рублей. Причем на наносистемы и материалы из этой суммы будет истрачено не менее трети, что вполне сопоставимо с американским миллиардом долларов, выделяемым ежегодно на развитие нанотехнологий. В 2007 году из федерального бюджета на развитие приоритетных направлений выделено 11,7 миллиарда рублей, из которых почти 40% — на работы в области нанотехнологий — в два с лишним раза больше, чем на энергетику и энергосбережение. Похоже, что и Федеральное агентство по науке и инновациям планирует зарабатывать доллары, продавая наноструктурированные материалы и изделия из них. В материаловедческой сфере у России пока есть определенный задел и достойное место в мировой экономике. Наши достижения по части производства самого массового и ликвидного продукта современных нанотехнологий — интегральных микросхем — мало кого в России могут порадовать, и промышленные предприятия, традиционно занимавшиеся микроэлектроникой, в рамках собственных программ развития наноиндустрии делают нанодисперсные материалы, ремонтно-восстановительные смеси и композитные материалы на основе углеродных нанотрубок.

Сказки для журналистов

Рассказ про реальные нанотехнологии, наномоторы, нанопинцеты и наносенсоры очень часто заканчивают картинкой некоего супернаноробота, который, орудуя в нашем организме, устраняет все наследственные огрехи и благоприобретенные болезни. Красивая мечта — создание искусственных самореплицирующихся, почти живых существ — достаточно часто изображается как основная задача развития нанотехнологий.

Любимое слово современного нанотехнолога — «самоорганизация». И в этом есть свой резон. Если триллион наноустройств собирать последовательно, тратя на сборку одного всего микросекунду, то на всю партию придется убить миллион секунд, то есть две недели непрерывного рабочего времени. Именно по этой причине фантасты предлагают организовывать нанопроизводство по схеме размножения дрожжевых бактерий. Делаем сначала всем миром одну универсальную нанофабрику. Затем настраиваем ее на изготовление себе подобных. Через некоторое время получаем уже две работающие фабрики, далее их становится 4, 8, 16, 32, 64 и так далее в геометрической прогрессии. Создав за короткое время (всего 20 саморепликаций) миллион таких универсальных фабрик, устанавливаем их в особо чистой комнате, размером несколько футбольных полей, и запускаем процесс производства всего что душе угодно, начиная от поджаристых пончиков и заканчивая вживляемыми супернанокомпьютерами, превращающими любого желающего в гения. Заманчивая перспектива, но крайне далекая от современной реальности и, возможно, в принципе нерентабельная.

Но эта мечта внушает и беспокойство — вдруг контроль за размножением и деятельностью «искусственной жизни» будет потерян и она просто разрушит всю нашу среду обитания. Подобный сценарий конца света впервые описал Эрик Дрекслер в книге «Машины созидания» (1986). Благодаря ей за новой опасностью закрепилось название «серая слизь» (gray goo). Оценить степень фантастичности подобных идей проще всего, вспомнив о том, как в 70-е годы прошлого века мечтали о появлении роботов и опасались восстания машин. Разговоры об искусственном интеллекте и могучих роботах перекочевали со страниц книг на экраны кинотеатров, но там пока и остаются, будучи крайне далеки от реальностей жизни.

Наноструктура из молекул ДНК (фиолетовые), скрепленных липидным «цементом» (зеленый). ДНК — отличный наноматериал, способный к самосборке. Причем ДНК могут образовывать не только классические двойные спирали, но и другие сложные объемные конструкции