История инженерной деятельности

Морозов В. В.

Развитие таких наук как генетика, прикладное накопление новых биологических дисциплин, таких как биоинформатика, протеомика, метаболика и других имеют огромное значение для биотехнологии.

Необходимо возродить биотехнологии на новом современном уровне. Этого требуют потребности общества, экономики. Для этого нужна выработка необходимых законов, продуманная финансовая политика в области фундаментальной биологической науки и биотехнологии.

Тема XIII. ИНЖЕНЕРНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ И

НАНОТЕХНОЛОГИИ: СУЩНОСТЬ, ПЕРСПЕКТИВЫ

РАЗВИТИЯ, ЗНАЧЕНИЕ

Человечество уверенно

вступило в XXI век, который, как мы часто слышим, будет проходить под знаком генетики, биотехнологий и информационных технологий. Мы также слышим, что ученые свои порой «сумасшедшие» идеи, прения подают под вывеской нанотехнологий. Оказывается, биотехнологии и информационные технологии лишь детали в картине, название которой – Наноленд. Хотя еще 3,5 млрд лет назад возникли первые живые клетки, именно они содержат наномасштабные биомашины, выполняющие такие задачи, как манипуляции с генетическим материалом и энергообеспечение. Но только сейчас возникли возможности реального использования этих особенностей.

С использованием нанотехнологий человек подошел к таким рубежам познания материи, которые позволят ему в ближайшее время изменять свойства материи в соответствии с нуждами потребителя. Речь идет о вмешательстве в строение материи на молекулярном и атомарном уровнях. Возможности нанотехнологии такие огромные, что они вдохновляют инженеров и ученых на подвиги, сближают людей в достижении реальной власти над природой и инженерная деятельность наполняется новым содержанием.

Целью настоящей лекции является рассмотрение сущности нанотехнологий, ее зарождения, развития основных направлений и дальнейших перспектив.

1. Сущность нанотехнологий и основные направления развития.

2. Настоящее нанотехнологий и перспективы развития.

История нанотехнологий не имеет, на наш взгляд, четкого временного значения. Она достаточно старая, и в то же время молодая.

400 лет до н. э. грек Демокрит вводит термин «атом» (неделимый), и это уже начало «наномира». Впервые же промышленность воспользовалась преимуществами нанотехнологии в 1902 г., когда для вулканизации были использованы мелкие частички (размером в несколько нанометров) сажи с чрезвычайно развитой поверхностью. Интересен и такой факт. В области нанотехнологий успели отметиться едва не все выдающиеся ученые XX века. К примеру, Альберту Эйнштейну в докторской диссертации впервые удалось обсчитать размеры характерной представительницы наномира – молекулы сахара. Тогда выяснилось, что ее диаметр составляет приблизительно один нанометр, то бишь миллиардную частицу метра, или одну миллионную булавочной головки, или одну тысячную длины бактерии…

Значительный вклад сделал Эрнст Резерфорд, который еще в 1912 г. в серии тонких опытов доказал, что атом похож на солнечную систему, в центре которой массивное ядро, а вокруг него вращаются легкие электроны. Так появилась планетарная модель атома, а уже в 1918 году Владимир Иванович Вернадский высказывал мнение о неисчерпаемых возможностях атомных технологий.

Для понятия нанотехнология, пожалуй, не существует исчерпывающего определения, но по аналогии с существующими ныне микротехнологиями следует, что нанотехнологии – это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Поэтому переход от «микро» к «нано» – это качественный переход от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами.

Нам знакомы такие понятия, как микроколичество (масса веществ, измеряемая микрограммами), микроанализ (анализ микроколичеств), микроэлектроника (упрощенно: электронные устройства с наименьшим размером отдельных деталей в микрометры или доли микрометров).

Приставка «микро-» в числах означает миллионную долю.

Аналогичных терминов с приставкой «нано-» (миллиардная доля) нет, приставка чаще всего употребляется в числах. Однако если вспомнить, что размер отдельных несложных молекул определяется нанометрами, можно понять, какие объекты интересуют нанотехнологию.

Нанотехнология пересекается с различными научными и инженерными дисциплинами, единое ее определение дать трудно, и под ней понимают близкие, но все же отличающиеся области. Вот лишь некоторые определения:

– миниатюризация технологии: проектирование и изготовление разумных миниатюрных машин, запрограммированных на выполнение определенных задач;

– искусство манипулирования материалами в атомном и молекулярном масштабах, особенно для создания микроскопических устройств (роботов);

– способность производить объекты и структуры буквально атом за атомом, подобно процессам в клетках живых организмов.

Можно сказать, что 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.

Основные положения нового направления НТР были намечены в хрестоматийной речи отца нанотехнологий Ричарда Феймана There’s Plenty of Room at the Bottom («Там внизу – море места»), произнесенной им в Калифорнийском технологическом институте (Caltech) еще в 1959 году. Тогда его слова казались фантастикой только лишь по одной причине: еще не существовало технологии, позволяющей оперировать отдельными атомами на атомарном же уровне (подразумевается возможность опознать отдельный атом, взять его и поставить на другое место). Такая возможность появилась лишь в 1981 году, когда в швейцарском отделении IBM инженерами был разработан сканирующий туннельный микроскоп – прибор, чувствительный к изменениям туннельного тока между поверхностью материала и сверхтонкой иглой.

Р. Фейнман высказал мысль, что «принципы физики, насколько я понимаю, не говорят о невозможности создавать вещи атом за атомом».

В 1981 г. в США была опубликована статья К. Э. Дрекслера, содержащая основы новой науки, в 1986 г. – его книга «Средства созидания. Грядущая эра нанотехнологии», ставшая первым пособием по этому направлению.

К. Э. Дрекслер ввел новые понятия, которые стали широко использоваться. В его понимании молекулярная технология – создание функциональных структур и устройств путем их сборки атом за атомом или молекула за молекулой с помощью программированных роботов (ассемблеры), способных к самовоспроизведению (репликация). По расчетам, ассемблер, снабженный молекулярным компьютером, может иметь массу не более 109 а. е. м. Сборка происходит в соответствии с законами химии, но эти законы в условиях «позиционного» синтеза (когда атом или молекула доставляется в нужное место) действуют иначе, чем при проведении химических реакций, а преодоление активационных барьеров – небывалое дело! – может происходить за счет механической энергии.

Работы Эрика Дрекслера – пионера молекулярной нанотехнологии – носят в основном научно-популярный характер, но при этом глубоко отражают все технические проблемы, которые сейчас стоят перед нанотехнологией. Безусловно, чтение этих работ необходимо для ясного понимания того, что могут делать наномашины, как они будут работать и как их построить. Что касается классификации нанотехнологии, то пока единства мнений нет.

Встречается классификация нанотехнологии с выделением трех направлений: «мокрого», «сухого» и компьютерного.