Нанотехнологии. Правда и вымысел
Шрифт:
Рис. 72. Наноструктура дамасской стали (а) и конструкционного материала ApNano (б)
На одной из первых ежегодных Форсайтовских конференций, проводимых с 1989 года, по инициативе Э. Дрекслера было принято обращение к ученым и правительствам всего мира не производить наноразработки в военных целях. Однако необходимость получения средств на научные исследования привела к развитию нанопрограмм для средств вооружения, а также изделий двойного назначения, главным образом в США. Некоторые такие разработки уже находятся на вооружении армии этой страны и других стран НАТО, Израиля и сил самообороны Японии.
В настоящее время военные исследования в области нанотехнологий ведутся по шести основным направлениям: энергетические ресурсы и боеприпасы, обеспечение и противодействие невидимости объектов, защитные и самовосстанавливающиеся системы, позволяющие автоматически ремонтировать поврежденную поверхность танка или самолета или менять ее цвет («эффект хамелеона»), системы связи, а также устройства обнаружения химических и биологических загрязнений.
Если говорить о современном применении нанотехнологий в военных целях, то оно фактически было запущено, когда начались работы по созданию атомного оружия. Когда ученые смогли перешагнуть порог наноизмерений и устремились вглубь атомов, им открылись великие непознанные свойства материи, приведшие в конце концов к созданию не только ядерного оружия, но и атомной энергетики.
Работы в этом направлении продолжаются. Создаются не только новые виды вооружения и боезапасов, но и различные сопутствующие технологии, например средства защиты (бронежилеты, плащи-невидимки и т. д.), различного рода наносенсоры и другие электронные устройства.
Так, по сообщению заместителя начальника Генерального штаба ВС РФ А. С. Рукшина средствам массовой информации, в сентябре 2007 года испытана новейшая объемно-детонирующая авиационная бомба ОДАБ-9000, разработанная на принципах нанотехнологий, мощность которой, согласно утверждениям военных, может сравниться только с ядерными боевыми зарядами.
«Результаты испытаний созданного авиационного боеприпаса показали, что он по своей эффективности и возможностям соизмерим с ядерным боеприпасом. Основные разрушения производит сверхзвуковая воздушная ударная волна и невероятно высокая температура. Все живое просто испаряется. Почва после взрыва больше похожа на лунный грунт, но нет ни химического, ни радиоактивного загрязнения. Эта разработка обеспечит нам возможность дать реализацию безопасности государства и в то же время противостоять международному терроризму в любой обстановке и в любом регионе», – заявил А. Рукшин ведущим каналам российского телевидения.
До этого времени самой мощной неядерной бомбой считалась американская Massive Ordnance Air Blast («Бомба воздушного площадного взрыва»), или GBU-43/B МОАВ по американской официальной квалификации. По другой, неофициальной маркировке, аббревиатуру MOAB расшифровывают как – Mother Of All Bombs («Мать всех бомб»).
Отечественными военными было отмечено, что конструкторы новой бомбы назвали свое десятитонное изобретение «Папой всех бомб» – в противовес американскому вакуумному боеприпасу.
Сотрудник Научно-исследовательского института российского министерства обороны Юрий Балыко сказал, что взрывчатое вещество, использованное в новой бомбе, имеет более высокую разрушительную силу, чем тротил, и что этого удалось достичь вследствие применения нанотехнологий.
«Это позволило снизить требования к точности, отсюда удешевление – качество, которое необходимо в современных условиях», – заявил Ю. Балыко.
По данным журналистов, российская бомба в четыре раза мощнее американского аналога. При этом температура в центре разрыва в два раза выше. Площадь поражения также в два раза шире – 300 м против 150 м.
Приблизительно в 1960 году американскими военными конструкторами было установлено, что уже через 125 мс после подрыва боеприпаса, содержащего 10 галлонов (примерно 32–33 л) окиси этилена, образуется облако топливовоздушной смеси радиусом 7,5–8,5 м и высотой до 3 м. Одновременное воспламенение облака несколькими
Впервые аналогичные бомбы (тогда их называли «топливными» или «бензиновыми») применялись армейской авиацией США еще в годы войны в Корее в 1950–1953 годах. Сейчас их иногда называют «вакуумными» бомбами (наверное, из-за того, что в эпицентре взрыва кислород выжигается практически полностью).
Военными были испытаны и признаны годными для применения в бомбах объемного взрыва взрывчатые вещества, содержащие окись этилена, окись пропилена, метан, пропилнитрат и состав МАРР (смесь метила, ацетилена, пропадиена и пропана).
Американцы широко использовали вакуумные бомбы во Вьетнаме летом 1969 года во время американо-вьетнамской войны для расчистки джунглей. Использование вертолетов для подвоза материальных средств, а также эвакуации раненых и вообще личного состава в условиях джунглей часто было невозможно из-за отсутствия открытых площадок, пригодных для их посадки. Расчистка джунглей для посадки одного вертолета требовала непрерывной и интенсивной работы целого инженерного взвода в течение суток, что практически приводило их к гибели.
Эффект от применения новой бомбы превзошел все ожидания. Американский многоцелевой вертолет типа UH-1 Iroquois (производства фирмы Bell Helicopter Textron, более известный как «Хьюи», Huey) мог прямо в кабине свободно нести 2–3 таких боезапаса. Взрыв одной бомбы даже в самых непроходимых джунглях создавал открытую площадку диаметром 30–40 м, пригодную для посадки вертолета.
Несмотря на международные запреты, американская армия использовала термобарическую бомбу, основанную на аналогичных принципах, против движения Талибан и «Аль-Каиды» в горах на востоке Афганистана для разрушения пещер и подземных убежищ, в которых мог скрываться Усама Бен Ладен.
В период ливанской войны 6 августа 1982 года израильский самолет сбросил вакуумную бомбу американского производства в Ливане на восьмиэтажный жилой дом. Взрыв произошел в непосредственной близости от здания на высоте второго этажа. В результате здание было полностью разрушено. В самом здании и в находившихся поблизости от места взрыва укрытиях погибли около 300 человек.
Разработанная американцами «Мама всех бомб» при длине в 10 м и диаметре 1 м производит угнетающее впечатление. Из общей массы в 9,5 т около 8,5 т приходится на мощную взрывчатку на основе алюминиевого порошка типа H6 австралийского производства (по мощности в 1,3 раза превышает тротил).
MOAB разрабатывалась взамен знаменитой BLU-82 Daisy Сийег и впервые была испытана в марте 2003 года на полигоне во Флориде.
Как уже отмечалось, радиус ее гарантированного поражения – около 150 м, но частичные разрушения отмечаются и на расстоянии более 1,5 км от эпицентра взрыва. GBU-43/B не является высокоточным оружием, но наводится она все же с помощью GPS. При этом используются решетчатые рули, широко применяемые в аналогичных российских боеприпасах.
Боевое применение подобных авиабомб наиболее целесообразно при расчистке больших территорий от лесных насаждений (джунглей или тайги), а также как эффективное противопехотное или противотанковое средство.
По данным электронных средств массовой информации, в августе 1999 года, во время агрессии чеченских боевиков против Дагестана, на дагестанский аул Тандо, где скопилось значительное число захватчиков, российским штурмовиком «Су-25» была сброшена крупнокалиберная бомба объемного взрыва. Боевики понесли огромные потери. Этот удар имел значительное психологическое действие. В дальнейшем одно лишь появление штурмовика «Су-25» над каким-либо захваченным селением заставляло боевиков спешно покидать населенный пункт – срабатывал так называемый эффект Тандо.
Рассматривая возможные разрушительные последствия взрыва вакуумной бомбы большой мощности, можно вспомнить одну из версий Тунгусской катастрофы. Гигантский взрыв произошел 30 июня 1908 года в районе Подкаменной Тунгуски в Сибири. По одной из версий, он мог быть результатом воспламенения от молнии или пролетавшего метеорита скопившегося над тайгой значительного количества метана или другого газа, которого в этих местах предостаточно. Взрыв уничтожил тайгу на площади 2150 км, привел к регистрации толчков, аналогичных землетрясению, сейсмическими станциями в Иркутске и германском городе Киль, а также образованию взрывной волны, дважды обошедшей земной шар.
В течение первых нескольких суток после взрыва от Бордо (Франция) до Ташкента (Узбекистан) и от берегов Атлантики до Красноярска (Россия) отмечались необычные атмосферные явления – ночное свечение неба, яркие серебристые облака, гало и венцы вокруг солнца. В этот день в далекой Антарктиде участники английской антарктической экспедиции наблюдали необычное по форме и мощности полярное сияние.
Ученые по сей день спорят о возможных причинах этих явлений, но последствия были сравнимы со взрывом атомной бомбы. Если не вдаваться в научные тонкости вопроса, то аналогии налицо.
Разработанная технология объявлена военной тайной, но так как ее сравнивают с американской ОДАБ GBU-43/B MOAB, следует подробно рассмотреть, в чем же заключается принцип действия подобных бомб и какое отношение к нему могут иметь нанотехнологии.
Если вакуумная бомба давно известна, какой вклад внесли нанотехнологии в ее совершенствование? Ответ оказывается достаточно простым.
Известные отечественные ученые-химики заявляют, что современные технологии изготовления алюминиевого порошка (пудры) для вакуумных бомб обеспечивают дисперсность частиц размером до 100 нанометров. Дескать, вот и вся нанотехнология.
Естественно, чем меньше размер частиц распыляемого вещества, тем выше их проникающая способность, больше площадь распыления, а следовательно и площадь поражения. При этом, чем меньше дисперсность частиц, тем более полно они сгорают, обеспечивая выделение максимальной энергии сгорания при меньшей массе всего заряда, что имеет немаловажное значение для транспортировки бомбы к месту применения.
При этом указывается, что ни одна химическая реакция не может сравняться с ядерной (разница примерно в 10 миллионов раз), называя данную разработку очередным проявлением «нанопурги» от отечественных военных структур.
Другим направлением исследований, как уже отмечалось, является создание различного рода защитных средств. Так, израильская компания ApNano Materials недавно испытала один из наиболее стойких к удару материалов, известных человечеству (рис. 76, б). Образец конструкционного материала ApNano, разработанный на основе дисульфида вольфрама, подвергался ударам, которые производились стальным снарядом, выпущенным со скоростью до 1,5 км/с. Исследуемый материал выдержал удар с воздействиями до 250 т/см2, а также статическую нагрузку 350 т/см2, что соответствует приблизительно нагрузке, развиваемой четырьмя дизельными локомотивами на область размером с человеческий ноготь.
Руководитель ApNano Materials, доктор Менахем Генут (Menachem Genut), заявил, что компания готова выпускать до 200 кг материала ежедневно и в перспективе сможет перейти к производству в количестве, достаточном для нужд всей израильской армии. Такой материал может понадобиться для изготовления шлемов и бронежилетов, а также обшивки военного транспорта.
Класс подобных материалов назван «неорганической фуллереноподобной наноструктурой» (inorganic fullerene-like nanostructures, IF). В настоящее время компания переходит к исследованию аналогичных образцов на основе дисульфида титана, которые, как ожидается, могут быть еще более прочными, чем на основе вольфрама, при массе, меньшей в четыре раза.
В армейской научно-исследовательской лаборатории США (U.S. Army Research Laboratory) создали новую нательную броню для солдат на основе самосгущающейся жидкости (Shear Thickening Fluid, STF). STF имеет достаточно сложный состав, однако сам принцип работы достаточно прост. В жидкости, которую разработчики называют «полиэтиленгликоль», расположена взвесь наноразмерных частиц, которые образуют с полиэтиленгликолем суспензию, обладающую рядом уникальных физических свойств, в частности она сгущается при сильном механическом воздействии. Когда материал погружают в STF, кремниевые наночастицы поглощаются волокнами ткани. В обычном режиме ткань сохраняет гибкость, но когда материал встречается с внезапным напряжением, вроде попадания пули, частицы нанокремния автоматически создают дополнительное сопротивление. При сдвиговом течении коллоидных суспензий (в данном случае – STF) в условиях увеличения скорости сдвига возможно резкое увеличение вязкости суспензии, что может стимулировать кардинальные изменения в ее микроструктуре за счет агрегирования частиц. При ударной нагрузке на полимерную наносистему происходит диссипация энергии удара, которая расходуется на образование гидрокластеров, препятствующих разрыву пленки полимерной наносистемы (рис. 73).
Рис. 73. Механизм образования гидрокластеров в полимерной наносистеме STF (Shear Thickening Fluid): 1 – равновесное состояние; 2 – невысокая деформация; 3 – ударное воздействие
На 11-й Международной выставке средств обеспечения безопасности государства «Интерполитех-2007» Научно-исследовательский институт стали (Москва) и Институт прикладных нанотехнологий (Зеленоград) продемонстрировали первые опытные отечественные образцы «жидкой» брони, которая в перспективе может применяться для бронежилетов и других средств индивидуальной защиты.
Создание «жидкой» брони заключается в обработке обычной баллистической ткани гелевой композицией на основе фторполимерной композиции (химических соединений) с наночастицами оксида алюминия. Обработанная ткань внешне не отличается от аналога, но при ударном воздействии на нее пули или осколка находящийся внутри гель мгновенно затвердевает, препятствуя разрушению ткани и снижая поражающее воздействие.
Российскими специалистами исследовалась эффективность защитных свойств опытного образца ткани из «жидкой» брони и стандартного образца, изготовленного из 18 слоев баллистической ткани. Испытания проводились методом метания в них шариков массой 1,04 г и диаметром 6,3 мм (аналог пули) со скоростью 526 м/с. В результате испытаний было установлено, что «жидкая» броня обеспечивает лучшие защитные свойства, выдерживая нагрузку от шариков, летящих со скоростями до 558 м/с.
Проведенные исследования указывают, что имеющие место многочисленные западные публикации о разработках «жидкой» брони в Великобритании и США на основе материалов с прослойкой (или пропиткой) из наночастиц имеют под собой реальную основу.
С учетом относительной простоты изготовления и малого веса таких материалов, они уже сейчас вполне пригодны для применения в качестве средств защиты полицейских и некоторых других должностных лиц. В настоящее время в России и за рубежом ведутся исследования с целью обеспечения эффективности «жидкой» брони для защиты военнослужащих от современного стрелкового оружия и осколков большинства взрывных устройств.
Такое поведение суспензии может быть использовано и в амортизационных устройствах различных конструкций, где возможно ограничение максимальной скорости потока суспензии за счет нелинейного изменения вязкости.
Возможность практической реализации рассмотренных принципов «жидкой» наноброни также вызывает неоднозначные, точнее, негативные отзывы отечественных ученых-химиков, предлагающих удостоить разработчиков к «позорной» Шнобелевской премии (присуждаемой за сомнительные достижения, которые невозможно воспроизвести или же нет смысла этого делать) по химии! В то же время, как мне стало известно из заслуживающих доверия источников, такие исследования в России и за рубежом интенсивно продолжаются, а полученные результаты вселяют надежду в эффективность будущих результатов.
Как отмечается, бронежилеты из такого материала способны достаточно эффективно защитить человека от удара ножом, некоторых осколочных боеприпасов и пуль, выпущенных из огнестрельного оружия.
Другим изобретением, которое может быть в перспективе использовано для военных целей, является разработка так называемого плаща-невидимки. Как видим, некоторые фантастические сюжеты русских народных сказок о шапках-невидимках и коврах-самолетах начинают сбываться.
В таких исследованиях заинтересованы различные спецслужбы и армейские круги, которые и финансируют данные разработки.
Основная задача, стоящая перед разработчиками данного маскирующего устройства, заключается в том, чтобы сделать объект невидимым за счет выполнения двух необходимых требований: свет не должен отражаться от объекта и должен полностью обходить его. При этом необходимо, чтобы наблюдатель видел только задний фон, а не сам предмет, замаскированный устройством-невидимкой.
По данным интернет-ресурса Physorg.com, ученые и инженеры из центра нанотехнологий Бирка (Birck Nanotechnology Center) при университете Пердью, опираясь на теоретические расчеты, выполненные в 2006 году британскими физиками, создали виртуальную модель, состоящую из множества наноигл, торчащих наружу из центральной спицы, которая напоминает круглую массажную щетку. За счет отклонения кончиками игл видимого света объекты позади щетки становятся видны, но сам предмет, окруженный цилиндрическим массивом наноигл, – невидим.
Для изготовления наноигл необходимо оборудование, которое сейчас применяется при производстве устройств с помощью нанотехнологий, так как диаметр игл в теоретической модели составляет примерно 10 нм при длине в сотни нанометров.
Расчеты показывают, что устройство сделает объект невидимым только при одной строго определенной длине волны в 632,8 нм, что соответствует красному свету. Однако с помощью этой же модели «можно создать “плащ-невидимку” для любой длины волны в видимом спектре», – утверждает русский ученый Владимир Михайлович Шалаев, в настоящее время – профессор Колледжа электрического и компьютерного инжиниринга в университете Пердью.
По словам В. Шалаева, хотя модель работает только для одной частоты, ей уже сейчас можно найти практическое применение – например, производство защитной системы, позволяющей сделать солдат незаметными для приборов ночного видения, поскольку системы ночного видения определяют только конкретную длину волны. Другое возможное применение – маскировка объектов от «лазерных целеуказателей», используемых военными для поиска и подсветки цели.
Уже сейчас в ряде армий, прежде всего США, применяются специальные покрытия типа «Антилуч» для военных самолетов, кораблей и бронетехники, способные полностью нейтрализовать импульсы боевых лазеров.
«Создание модели, работающей для всех цветов видимого света одновременно, – трудная техническая задача, но я полагаю, что это возможно, это явно осуществимо. В принципе такой “плащ” может быть сколь угодно большим – размером с человека или самолет», – заявил В. Шалаев.
Другая группа ученых в составе Джона Пендри (John Pendry) из Империал-колледжа в Лондоне, Дэвида Шурига (David Schurig) и Дэвида Смита (David Smith) из Университета Дьюка, одновременно с Ульфом Леонардом (Ulf Leonhardt) из университета Св. Андрея в Шотландии опубликовала результаты собственных исследований – математические принципы, лежащие в основе устройства оптической маскировки.
Леонард пишет, что исследование университета Пердью представляет «.теоретические симуляции, которые показывают, что модифицированная римская чашка, созданная на основе современной технологии производства наноматериалов, будет работать как устройство для обеспечения невидимости… Любой объект, который вы поместите внутрь, исчезнет, как будто растворится в воздухе – при условии, что его наблюдают через поляризованные окрашенные очки именно этого цвета». Он сравнивает разработанную в центре Пердью модель с созданием в Риме «первого оптического метаматериала» – разновидности стекла, содержащего наночастицы золота. При обычном дневном свете изготовленная из этого стекла чашка кажется зеленой, а при внутренней подсветке становится рубиновой.
Другая группа исследователей разрабатывает концепции маскировки объектов размером меньше и больше длины волны видимого света. Такие системы требуются для защиты от различного рода радарных и поисковых устройств. Однако главная цель на сегодняшний день – все-таки принципиальное технологическое решение для маскировки произвольного объекта в спектре видимого для людей света. Наверное, следует признать, что эта задача имеет еще и некоторый психологический аспект.
Предполагается, что устройство может быть создано именно из так называемых немагнитных метаматериалов. В отличие от разработок для обеспечения невидимости в микроволновом спектре, новая модель не обладает магнитными свойствами. Это значительно облегчает маскировку объектов в видимом спектре, но в то же время небольшая часть видимого света все же отражается от маскируемого объекта. Для его производства необходим особый диэлектрик – метаматериал с отрицательным (левосторонним) коэффициентом преломления. В данном же случае с возможным использованием метаматериалов японский теоретик Томоширо Очиаи (Tomoshiro Ochiai) с коллегами теоретически рассчитал концептуальную модель реального «плаща-невидимки».
По поводу метаматериала следует заметить, что в 1967 году советский физик Виктор Георгиевич Веселаго предсказал возможность создания материала с отрицательным коэффициентом преломления (метаматериала), который он назвал «левосторонним». В своей статье «Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями е и ^», опубликованной в вестнике «Успехи физических наук», ученый пришел к заключению, что с появлением такого материала существенно изменяются почти все известные оптические явления распространения волн.
В следующей разработке модель «плаща-невидимки» представляет собой пустотелый цилиндр. Попадающие на него электромагнитные волны огибают внутреннюю полость цилиндра, продолжая движение на его противоположной стороне. В результате волновой фронт остается полностью неизменным, как если бы на его пути не было никакого цилиндра. Однако главный недостаток заключается в том, что в настоящее время все это «функционирует» опять же только для волн строго определенной частоты. Положительной же стороной является тот факт, что предложенный японскими теоретиками вариант устройства полностью соответствует основным требованиям, которые предъявляются к реальному «плащу-невидимке»: не отражать видимого света и не вызывать изменения фазы и направления проходящего излучения.
Имеются и более примитивные устройства, например разработка японского ученого-практика Сусуму Тачи (Susumu Tachi). Его «плащ-невидимка» состоит из частиц (экранчиков), каждая из которых воспроизводит свою часть изображения, полученного камерой на противоположной стороне. Однако невидимым человек является только строго с одной стороны (определенного угла зрения), со всех остальных сторон он видится «обычным» человеком в «необычном» (смешном) плаще.
Следует, однако, отметить тот факт, что невидимое невооруженным глазом может быть заметно с помощью специальных приборов, и наоборот. Наглядный пример – американский самолет-невидимка F-117 Night Hawk (известный в России как «Стелс», Stealth), созданный по новейшим технологиям, который 27 марта 1999 года был сбит югославскими ПВО с помощью достаточно старого советского зенитно-ракетного комплекса (ЗРК) С-125 «Нева» (принятого на вооружение еще в 1961 году).
Во время бомбардировок самолетами НАТО территории союзной Югославии американцы безнаказанно бомбили стратегические объекты страны: мосты, аэродромы, электростанции и т. д., рассчитывая, что югославские ПВО их не видят. Оказалось, что часть устаревших средств ПВО Югославии работает на других частотах, и «невидимки» ими регистрируются. Результатом стали обломки американского бомбардировщика «Стелс», показанные телевидением бывшей Югославии.
С технической стороны, несомненным достоинством сербской батареи ПВО являлись устаревшие радары и ракеты. Современные высокочастотные радары отслеживают летящие объекты, регистрируя отраженный от них радиосигнал. В случае со «Стелс» короткие волны рассеиваются особой карбоновой конструкцией и формой корпуса самолета так, что он не регистрируется на экранах локатора. Оказалось, что для длинноволновых (низкочастотных) радаров подобная форма самолета не является препятствием, и они регистрируют любой крупный объект в воздухе.
Возможно, еще одним фактором, сыгравшим на руку югославским ПВО, стала дождливая погода в этот период времени. Не исключено, что влажная от дождя поверхность «Стелс» оказалась менее защищена от сигналов радаров. Поэтому особое место и в этом случае могут занять гидрофобные покрытия, позволяющие обеспечить несмачиваемость защитных антирадарных поверхностей.
Как известно, наибольшее
Миниатюризация компонентной базы вычислительной техники и увеличение тактовой частоты представляют собой главное направление развития нанотехнологий. К настоящему времени доказана работоспособность ряда активных компонентов – транзисторов, диодов, ячеек памяти, состоящих из нанотрубок, нескольких молекул или даже единственной молекулы. Передача сигнала может осуществляться одним электроном. Пока не решены проблемы, связанные со сборкой таких компонентов в единую систему и соединением их нанопроводами. Тем не менее можно не сомневаться, что решение этих проблем – вопрос времени. Поэтому было бы удивительно, если бы эти разработки в первую очередь не были использованы в военных целях.
В связи с открытием в 2001 году нового агрегатного состояния вещества (конденсата Бозе-Эйнштейна) и проведением ряда экспериментов по умножению числа атомов (по аналогии с умножением числа фотонов в оптических лазерах) военные круги США в рамках программы «Звездные войны» заинтересовались возможностью изготовления «атомного лазера». В проведенном группой ученых эксперименте количество атомов в пучке, проходящем через установку, удалось увеличить в тридцать раз.
Такое устройство могло бы значительно увеличить мощность боевого луча и, следовательно, эффективность его применения, тем более что именно недостаточная мощность современных оптических лазеров не позволяет в полной мере реализовать намеченные планы.
Первые разработки в области наноскопических датчиков уже успешно применяются в военных целях. Новые поколения сенсорных массивов и аналитического программного обеспечения создадут новые возможности для внедрения в чужие базы данных и перехвата нужной информации. Испытанные американцами во время военной кампании в Афганистане микроскопические датчики Smart Dust («умная пыль»), похожие на пушинки миллиметровых размеров, показали высокую эффективность. Их новизна заключается в том, что сигналы большого количества разнородных элементарных датчиков принимаются и анализируются централизованно, а сами датчики очень дешевы в производстве, так как являются массовым продуктом.
Микроскопические частички Smart Dust разработала и изготовила группа исследователей под руководством профессора химии и биохимии Майкла Сэйлора (Michael Sailor) из калифорнийского университета в Сан-Диего (University of California, San Diego – UCSD). Сэйлор заявил: «Эти пылинки – ключ к разработке роботов размером с песчинку. В будущем можно будет создать миниатюрные устройства, передвигающиеся в крошечных средах вроде вен или артерий к определенным целям, обнаруживать там химические или биологические составы и передавать информацию во внешний мир. Такие устройства могли бы использоваться для контроля чистоты питьевой или морской воды, обнаружения опасных химических или биологических агентов в воздухе и даже нахождения и уничтожения поврежденных клеток в организме человека».
Создание «умной пыли» – это результат электрохимического процесса механической обработки и химических модификаций. Вначале был взят кремниевый чип, из которого гравировкой химикатами получили пористую фотонную структуру. Затем эту структуру модифицировали, чтобы получилось цветное двустороннее зеркало – красного цвета с одной стороны, зеленого – с другой (рис. 74).Рис. 74. Схема изготовления и работы ««умной пыли»
Стороны пористой зеркальной поверхности наделены практически противоположными свойствами. Одна сторона – гидрофоб, то есть водоотталкивающая, но «любящая» маслянистые вещества, другая – гидрофил (привлекательная для воды). После разрушения зеркального чипа ультразвуком от него остаются микроскопические частички диаметром с человеческий волос. Каждая из них – это крошечный датчик, и поэтому создается семейство самоорганизующихся сенсоров. При появлении влаги пылинки поворачиваются «гидрофильной» красной стороной к воде, а «гидрофобной» зеленой – к воздуху. Когда же появляется маслянистое (нерастворимое в воде) вещество, частички окружают каплю, прижимаясь к ней «гидрофобной» стороной. Ввиду того, что стороны разноцветные, по окраске можно определить, что происходит в этой «пыльной» среде. По словам М. Сэйлора, частицы можно запрограммировать на миллионы реакций, что даст возможность обнаружить присутствие тысяч химических веществ одновременно.
Длины волн света или цвета, отраженного от поверхностей пылинок после реакции на химический или биологический агент, – это своего рода штрихкод. Каждая частичка слишком мала, чтобы по ее цвету определить изменения, однако совокупность сотен или тысяч пылинок уже достаточно заметна для лазера даже на расстоянии 20 м. В университете Сан-Диего поставили цель разглядеть изменения с расстояния 1 км.
Работу над «пылинками» профессор М. Сэйлор с коллегами ведет в течение нескольких лет. В 2002 году они представили частички с односторонней зеркальной поверхностью. Финансовую поддержку ученым оказывает Национальный научный фонд США, озабоченные борьбой с терроризмом военные в лице управления научных исследований ВВС и агентства Пентагона по передовым оборонным разработкам DARPA.
Продолжая тему миниатюризации военных систем и использования в них нанотехнологий, следует рассказать о разработках беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), которые все больше используются военными разных стран в разведывательных и боевых операциях.
В связи с этим стоит отметить интенсивные полеты российских и грузинских БПЛА иностранного производства в канун начала грузино-осетинской войны 2008 года, а также полеты израильских аппаратов над территорией Палестины.
В настоящее время на вооружение стран НАТО поступают уже сверхмалые БПЛА, созданные с применением последних нанотехнологических разработок в конструкционном, энергетическом, радиотехническом и навигационном оснащении.
Норвежская компания Prox Dynamics создала самый маленький в мире беспилотный разведывательный вертолет PD-100 Black Hornet («Черный шершень») с оптической камерой, способной вести наблюдение на открытой местности и внутри помещений.
Вес «шершней» составляет всего 15 г, диаметр двухлопастного несущего винта – 10 см, а масса сервомоторов PDS-2 – всего 0,5 г. Особенность вертолета в том, что он практически неслышен с расстояния в несколько метров.
В комплекс беспилотной системы общей массой 0,7 кг включены три БПЛА PD-100 Black Hornet , пульт управления, зарядное устройство и транспортный контейнер размером 8x12x20 см с пультом управления на основе жидкокристаллического дисплея с диагональю 6 дюймов и устройством для записи сигнала, получаемого с камер, установленных на аппарате.
Компания Prox Dynamics планирует начать поставку полнофункционального нанобеспилотника PD-100 Black Hornet потенциальным заказчикам уже в 2010 году.
Аналогичные разработки ведутся и в других странах. В США разработан еще более миниатюрный аналогичный БПЛА NAV (Nano Air Vehicle) длиной всего 7,5 см, массой менее 10 г, полезной нагрузкой около 2 г, скоростью 5-10 м/с, дальностью полета более 1000 м и возможностью зависания над объектом не менее чем на 60 с. При этом данное нанотехнологическое воздушное транспортное средство Nano Air Vehicle приводится в движение взмахами крыльев и предназначено не только для военных миссий, но и для применения в городских условиях при мониторинге различного назначения и проведении спасательных операций.
По данным создателей, в БПЛА применены революционные разработки в аэродинамической конструкции подъемных устройств, обеспечивающих парящий полет, а также бортовое программное обеспечение, позволяющее избегать столкновений с препятствиями не только на улице, но и в закрытых помещениях.
NAV оснащен современной навигационной системой с GPS и, кроме видеонаблюдения, может выполнять различные функции в зависимости от типа устанавливаемых на него нанодатчиков.
По сообщениям российских интернет-изданий, отечественные разработки БПЛА пока не отличаются аналогичной компактностью. БПЛА вертолетного типа, выпускаемые ижевской компанией «Беспилотные системы», серий ZALA 421-06 и ZALA 421-06 при максимальном взлетном весе 12,5 кг имеют длину 1,57 м, ширину 0,54 м и высоту 0,57 м. При диаметре несущего винта в 1,77 м отечественный БЛПА имеет возможность нести полезную нагрузку массой до 3,5 кг. Однако эта характеристика, пожалуй, не является достоинством российского БЛПА, а указывает на несравнимо огромные, по сравнению с зарубежными аналогами, габариты и вес его оснащения.
Если говорить о проблемах авиации в целом, то следует отметить, что для реализации следующих поколений летательных аппаратов сегодня необходим технологический прорыв в создании новых конструкционных материалов при производстве двигателей, крыльев и фюзеляжей, в том числе значительном повышении доли нанотехнологий, и, самое главное, новаторские кадры, способные этот прорыв обеспечить.
Военный аналитик Том Маккарти (Tom McCarthy), автор статьи Molecular Nanotechnology and the World System [14] , заявляет, что нанотехнологии фундаментально изменят природу войны. Во-первых, это то, чего можно ожидать от инновационных и потенциально могущественных идей: нанотехнологии сделают войну гораздо более опасной и опустошительной, чем когда-либо в прошлом, в частности благодаря возможности создавать оружие огромной разрушительной силы. Во-вторых, нанотехнологии позволят странам вести войну при существующем миропорядке.
Отмечается, что нанооружие объединит оба пути развития вооружения. Благодаря возможностям наносборки и молекулярного конструирования станет возможным создание невидимых видов вооружений, более коварных и жестоких, чем даже биологическое или химическое оружие. Изготовленные с атомарной точностью с помощью молекулярной нанотехнологии новые виды оружия и боевых роботов окажутся, возможно, сопоставимыми с бактериями, но значительно более универсальными и мощными. Кроме того, таких нанороботов, в отличие от бактерий, можно будет программировать, а при необходимости – разбирать, используя как строительный материал для других целей на молекулярных нанофабриках.
Войну выигрывает тот, кто сможет уничтожить танки, самолеты, авианосцы, а также заводы и фабрики противника. Но если супероружие эпохи нанотехнологий невидимо, вроде невидимых фабрик, тогда и цели для удара не существует, опять же за исключением людей.
«…Развитие радикально новых видов оружия всегда сопровождается нарушением установленных международным сообществом правил» [15] . Как заявляют некоторые эксперты, технология молекулярного производства приведет к созданию значительно более опасных видов вооружения, чем существуют сегодня. Следует ожидать, что некоторые государства, отдельные группы людей или организаций предпримут попытки к их обладанию в террористических или иных целях. Можно объявить международный мораторий распространения такого оружия или полного его запрета, но будь это луки и стрелы (Второй Латеранский Собор, 1159 год) или ядерное оружие (Генеральная Ассамблея ООН, 1946 год), ни к чему кардинальному такой мораторий не приведет. «По одному меткому выражению, мечи не перековываются на орала. Они ржавеют», – заявляется в статье.
Представьте себе устройство (боевого робота) размером с мельчайшее насекомое (около 200 мкм), способное самостоятельно перемещаться, обнаруживать незащищенных людей (солдат или просто мирное население) и впрыскивать им яды. Учитывая, что смертельная доза токсина ботулизма составляет 100 нг или около 1/100 объема всего устройства, количества подобного оружия в 50 млрд единиц, способного храниться в обыкновенном дипломате, достаточно, чтобы убить всех людей на Земле.
Маккарти делает вывод, что нанотехнологии будут способствовать снижению степени экономического влияния отдельных государств (или даже военных блоков. – Прим. автора). В ходе боевых действий целью воюющих армий будут живые ресурсы, то есть солдаты и мирное население, а не военная техника и промышленные предприятия. Поскольку нанотехнологии обещают возможность организации промышленного производства даже в регионах, где нет минеральных ресурсов, они сделают небольшие группы людей вполне самодостаточными, что может способствовать распаду государственного устройства мирового сообщества.
Однако некоторые известные эксперты и ученые отмечают более глобальную потенциальную опасность нанотехнологий. Эрик Дрекслер, почетный председатель американского Института предвидения (Foresight Nanotech Institute – ведущая нанотехнологическая организация США, активно занимающаяся пропагандой данного направления), почти 20 лет назад выдвинул катастрофический сценарий «серой слизи» (grey goo problem), который предполагает превращение поверхности планеты и всего живого на ней в единый слой однородной липкой пыли или слизи, если самокопирующиеся нанороботы, способные брать вещество из окружающей среды, выйдут из-под контроля. Этой точки зрения придерживался также Билл Джой (Bill Joy), один из основателей корпорации Sun Microsystems, который неоднократно высказывался об опасности развития нанотехнологий.
Роберт Фрейтас, известный эксперт в области наномедицины. в работе «Некоторые ограничения, касающиеся угрозы уничтожения биосферы наноассемблерами и рекомендации по общественной безопасности» [16] , заявляет, что нашествие «серой слизи» вызовет интенсивное и значительное повышение температуры, а это не позволит человечеству оперативно отреагировать на возникшую угрозу. Если же скорость воспроизведения нанороботов окажется не очень высокой и сильного повышения температуры не произойдет, то для уничтожения биосферы Земли потребуется не менее двадцати месяцев, следовательно, у человечества появится возможность противостоять опасности уничтожения.
Если же работу самокопирующихся роботов удастся контролировать, они окажутся идеальным оружием, что вызывает повышенный интерес армейских кругов. В любом случае, поскольку функционирование всех устройств микромира носит вероятностный характер, всегда возможны непредсказуемые мутации наноавтоматов под влиянием внешних воздействий, приводящие к отказу от выполнения заданной программы и разрушительному поведению.
Пока гипотеза «серой слизи» не выдерживает критики: ведь для автосборки нанороботу нужны пальцы-манипуляторы, современные аналоги которых (микроэлементы модифицированных атомных микроскопов) значительно превосходят размеры атомов, что в принципе не позволяет создавать автономные сборщики наноразмеров. Кроме того, такие манипуляторы весьма несовершенны: в них внедряются посторонние атомы, и пока неясно, можно ли исключить все эти побочные эффекты, как подобные роботы смогут получать необходимую энергию, и будет ли она рассеиваться в результате масштабных молекулярных преобразований. На данный момент гипотеза «серой слизи» (в том виде, в каком она сформулирована) противоречит законам термодинамики. В настоящее время Э. Дрекслер опроверг собственный сценарий, считая его невероятным: «История про “серую слизь” является весьма захватывающей, однако те исследования, которые ведутся сейчас в области молекулярной сборки, не имеют с ней ничего общего. Идея о том, что молекулярные нанотехнологические системы могут выйти из-под контроля, основана на устаревшей информации». Впрочем, теоретическая возможность создания автосборщиков остается, и то, что кажется совершенно нереальным сегодня, завтра вполне может стать обыденностью. Показательно, что в 2003 году один из призов Института молекулярного производства (IMM), работа которого финансируется Институтом предвидения, был присужден за теоретические разработки по созданию стражей, способных контролировать деятельность авторепликаторов.
Более вероятна гипотеза «зеленой слизи» (green goo problem). Ученые предупреждают, что существует реальная возможность создания разрушительных вирусов и бактерий, которые, быстро размножаясь, просто уничтожат всю жизнь на планете, разобрав белковые структуры на отдельные молекулы. В технологическом плане эта задача проще – вирусы могут пользоваться строительным материалом и готовыми энергоресурсами клеток. Так, в 2002 году группа американских ученых заявила, что создала искусственным методом поливирус, потратив на эту работу более трех лет. В ноябре 2003 года появилось сообщение о том, что ученые Института альтернативных биологических источников энергии (г. Роквилл, шт. Мэриленд) собрали за 14 дней точную живую копию вируса PhiX из коммерчески доступных материалов. PhiX известен тем, что стал первым земным существом, генетический код которого был расшифрован в 1978 году. Его геном состоит из 5386 элементов, которые ученые состыковывали вручную.
В будущем ученые намерены сконструировать подобным образом искусственную бактерию и попробовать автоматизировать технологию сборки ДНК, чтобы в дальнейшем создавать более сложные живые организмы. Данный проект вызвал неодобрительные комментарии представителей ЦРУ, опасающихся, что технологии разработки вирусов могут оказаться доступными странам, поддерживающим глобальный терроризм.
С идеей создания нанороботов (которые, по прогнозам, должны появиться через 10–15 лет) также был не согласен Ричард Смолли.
Хочется надеяться, что знаменитый закон робототехники, сформулированный американским фантастом Айзеком Азимовым: «Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинен вред. Робот должен повиноваться командам человека, если эти команды не противоречат Первому закону», – будет такой же неотъемлемой частью программ создания и применения и нанороботов.Нанотехнологии, косметология и медицина
Никто не знает, что будет с вашей рукой, когда вы ее намажете. И никакого нано там нет. Просто модное слово взяли.
С. Иванов, вице-премьер Правительства Российской Федерации
В начале хотелось повторить слова, озвученные одним из нас в интервью интернет-изданию «АиФ-онлайн» под заголовком «Косметика с нанотехнологиями – научное чудо или рекламный трюк?» о твердом убеждении, что настоящую революцию нанотехнологии сначала произведут именно в медицине, а впоследствии полученные результаты дадут мощный толчок к развитию и других отраслей.
По многочисленным прогнозам, химерные нанобиоструктуры (созданные на основе генетически модифицированных вирусов, молекул нуклеиновых кислот энзимов и имеющие возможность транспортировать по организму медицинские нанодатчики, лекарственные препараты и даже ремонтные клетки) будут разработаны в ближайшие 10–12 лет, а уже через 15 лет войдут в повседневную практику подобно прививкам или флюорографическому обследованию.
Подобного мнения придерживаются многие современные ученые-футурологи, в том числе Рей Курцвейл. Он говорит: «Возможно, мои рассуждения покажутся кому-то неправдоподобными, но искусственные поджелудочные железы и нервные волокна существуют уже сейчас».
В соответствии с выдвинутым им Законом ускоряющейся отдачи, ученый заявляет: «Я и многие мои коллеги полагаем, что примерно через двадцать лет в нашем распоряжении окажутся средства для повторного биологического программирования человеческого организма. Таким образом, мы сможем остановить, а затем и полностью свести старение на нет» .
В своей книге «Сингулярность уже близка» [17] ученый фактически предсказывает наступление биологического бессмертия человека, но бессмертия относительного, основанного на нано-биотехнологическом ремонтном воздействии на органы и саму сущность человека.
В относительно скором будущем, утверждает футуролог, нанороботы, введенные в кровь, сделают функционирование сердечно-сосудистой системы человека в тысячи раз более эффективной. «Через 25 лет мы будем в состоянии пробежать олимпийскую спринтерскую дистанцию за 15 с в буквальном смысле на одном дыхании или плыть под водой четыре часа без кислорода», – говорит он.
Рей Курцвейл уверенно заявляет, что с помощью нанотехнологий можно будет создавать жизнеспособные ткани для восстановления пораженных болезнью или врожденных дефектных органов человеческого тела.
«Пострадавшие от сердечных приступов, даже не пожелавшие пересадить себе доступное по цене бионическое сердце, смогут жить без опаски, периодически наведываясь к врачу для проведения небольшой операции, потому что управляемые нанороботами клетки их собственной крови будут поддерживать организм в нормальном состоянии», – утверждает он.
В связи с вышесказанным, нам кажется несколько странным называть человеком (с его природной уязвимостью, чувствами, пороками, верой в Бога и т. д.) кибернетическое существо, напичканное нанодатчиками, частично собранное из биологических и синтетических полимерных материалов.
Идеи и предсказания Курцвейла, как и ряда других футурологов от нанотехнологий, вступают в неразрешимый конфликт с христианской моралью и поэтому категорически отвергаются церковью.
Пожалуй, на этом стоит остановиться и поговорить о более приземленных делах и проблемах. Самый яркий и простой пример использования нанотехнологии в медицине и косметике – обыкновенный мыльный раствор, обладающий моющим и дезинфицирующим действием. В нем образуются наночастицы, мицеллы – частицы дисперсной фазы Золя (коллоидного раствора), окруженные слоем молекул или ионов дисперсной среды. Мыло – чудо нанотехнологии, уже бывшее таковым, когда никто и не подозревал о существовании наночастиц. Однако этот наноматериал не является главным для развития современных нанотехнологий в здравоохранении и косметологии.
История, сделав круг, снова вернулась к нанотехнологиям в области дезинфицирующих средств. Мы уже неоднократно рассказывали в данной книге о бактерицидных свойствах наночастиц серебра, используемых в различных дезинфицирующих материалах, включая краску, одежду и даже напитки.
Речь уже не идет о простом мыльном пузыре, а о современных нанотехнологических разработках в данной области американской компании EnviroSystems. Ученые и технологи компании создали высокоэффективное дезинфицирующее, но безопасное для человека и животных средство EcoTru®. В нем используются наночастицы, которые, проникая внутрь бактерий, уничтожают их изнутри. Они действуют очень избирательно, поражая только бактерии и микробы.