|
ВПЕЧАТЛЕНИЯ ОТ ЕДНА ЛЕКЦИЯ В КЛУБА
1. Нанотехнология ли е нанотехнологията?
Разполагаме с някаква технология, която претендира да се нарича “нанотехнология”. Коректно ли е да носи такова наименование?
Нанометър е една милиардна част от метъра, тоест десет на минус девета степен. Диаметърът на водородния атом е 0,03 нанометра. Молекулата на глюкозата е 0,7 нанометра. Нишката на ДНК може да е много дълга, но дебелината на спиралата е едва 0,2 нанометра. Средните размери на една човешка клетка (тази величина доста варира!) се колебаят около стойността 50 000 нанометра (поне два пъти по-дребни от прашинка). Дължината на вълната на червената светлина – 700 нанометра (което значи, че атомите са невидими за отпичния диапазон на електромагнитните вълни!).
Следователно терминът е адекватен за технология, която използва инструменти и механизми, съизмерими или 100, дори 1000 пъти по-едри от молекулата на глюкозата.
Това обаче не е всичко. Нанороботите постигат висока точност на сглобяване на молекулите и подреждането им във всички мислими структури, които са термодинамично стабилни при дадени условия и съществуването им не противоречи на добре известните природни (химични, физикохимични и физически) закони.
Е ли е молекулната химия нанотехнология? Спекулативно – да (получава например суспензии от наночастици, стабилни агрегати от 50, 100, 1000 атома). Строго погледнато – не, защото “производството” на такива частици става с методи, които манипулират големи ансамбли от молекули и атоми – милиони и милиарди (колко молекули има в една чаша вода или лабораторна епруветка? Въпрос за седми клас ЕСПУ). Но молекулната химия наред с генната инженерия на практика “навлизат в зоната на здрача” между досегашните бълк-технологии (от английското “bulk”) и т.нар. “нанотехнология”. Тоест те в известен смисъл вече не са стара технология, но още не са и нова.
Вероятно би било коректно да наречем нанотехнологията “молекулна технология”, но това е още по-общ термин и може да се отнесе както към фин органичен синтез на лекарства, така и към процесите в една доменна пещ.
Най-общо технологията е способността да се подреждат и манипулират молекулите на дадена суровина, така че да се получи продукт с желани свойства. Разделителната черта е НАЧИНЪТ, по който се получава желаната структура – дали статистически, след обработка на колосални количества молекули, или буквално атом по атом (ако е необходимо – с КПД 100%, без “шлака”, само чист продукт. Отпадъците в случая ще са във вид на топлина). Така че лесно може да се постави долната граница на приложението на нанотехниката – тя не оперира с обекти, по-малки от атома, тоест не се отнася до въздействие върху ядрените процеси. Това не значи, че с помощта на наномашините не би било възможно да се постигнат ядрени манипулации (по аналогия с това как сегашната химия успешно синтезира точно определени молекули, но при това неизбежно заедно с желания продукт се появяват странични вещества. НЯМА химическа реакция с КПД 100%... ако не броим биохимичните процеси с живите клетки, но и там се случват грешки – мутации). Просто това вече ще е напредване към “пикотехнология” както това става днес с молекулярната химия по отношение на нанотехнологията.
Нанотехнологията обаче не е предназначена (тоест поне възможностите й не са ограничени до) единствено за синтезиране на нано- или микрообекти. Нещо повече – асемблерите (нанороботите-монтажници) са в състояние да изградят МЕГАобекти с размерите на континенти и планети. Да прекръстим тогава нанотехнологията на “мегатехнология”? Малко абсурдно звучи, все пак синтезът се осъществява в наномащаб, без оглед на габаритите на продукта.
Как обаче да отделим собствено нанотехнологията от близките до нея технологии? Нужни са ни определени критерии:
- мащаб на елементарните работни операции;
- размери на работните механизми;
- дали дадена машина се държи като репликатор, аналогичен на молекулните машини на живата клетка (самата клетка всъщност е цял молекулен завод!) – този критерий има и друг вариант: дали машините на дадена технология се държат според принципите на Джон фон Нойман за самовъзпроизвеждащите се машини (1951 г.)
Тоест същинска нанотехнология е такава технология, която работи в мащабите на природните молекулни машини като ферменти и двойките рибозома-РНК. Асемблерът обаче като машина ще може да върши всичко, което правят ферментите, че и отгоре.
2. Какво е атомен силов микроскоп?
Това е апарат от класа на сканиращи зондови микроскопи, разработен в Швейцария в средата на 80-те и получил Нобелова награда.
Принципът на работа на АСМ е следният: диамантена игла, чийто връх е практически единичен атом, минава над изследвания обект. Силите на междуатомните връзки на малки разстояния въздействат върху иглата. Сензорите чертаят профила, над който е минала иглата. Сумирането на профилите дава нанотопологична карта на повърхността.
Кой казва, че старите грамофони са изчезнали безследно! :-)
АСМ не изисква от изследвания образец свойства като електропроводимост, АСМ може да сканира електронеутрални обекти.
Сканиращи зондови микроскопи позволяват МАНИПУЛАЦИЯ с нанообекти – тоест пренос на отделни атоми и позиционирането им в определена структура. През 1989 година Доналд Ейглер изписа абревиатурата ІВМ с атоми на ксенон. Освен подмазване към работодателя, операцията е дала доказателството, че манипулиране с отделни атоми е постижима задача.
Това ВЕЧЕ Е нанотехнология... почти.
3. Какво представляват нанотръбите?
Това са въглеродни съединения, наречени фулерени – нова алотрохна форма наред с графита и диаманта. Открити са през 1985 г. и откривателите им са грабнали Нобеловата премия през 1996 г.
Най-стабилната форма съдържа 60 въглеродни атома, разположени в шестоъгълници и петоъгълници, които образуват затворена мрежа. Всеки петоъгълник граничи само с шестоъгълници, всеки шестоъгълник има три съседа-петоъгълници и три съседа-шестоъгълника. Лесно е да се представи – погледнете обикновена футболна топка.
Кой казва, че футболът не бил интелектуална игра?!
1991 г. – японски професор описал нанотръбички – фулерени с брой въглеродни атоми над един милион. Диаметър – един нанометър, дължина – няколко десетки микрона. Повърхността се състои от шестоъгълници, образувани от въглеродни атоми, а от двете страни мрежата е “запечатана” с петоъгълници. Характеристиките на нанотръбичката са впечатляващи – голяма гъвкавост, здравина (50-100 пъти над стоманата при 6 пъти по-малка плътност), двойно по-голяма съпротивляемост на опън и натиск по дължина в сравнение с въглеродните моновлакна. Нишка с диаметър 1 милиметър издържа 20 тона товар.
За съжаление максималната постигната дължина на нанотръбичките (при това многослойни) от порядъка на милиметри – рекордът е половин сантиметър. Сред многото възможни употреби (кабел за космически лифт, изкуствени мускули и какво ли не друго) ще спомена само, че нанотръбичките са идеални игли за СЗМ (сканиращи зондови микроскопи), за които вече стана дума, че могат да преместват и подреждат атоми в зададени структури.
4. Начини за построяване на нанороботи:
Да си представим следната крайност – нанотехниката е изцяло механична. Нанокомпютрите са всъщност много прости устройства, подобни на едновремешните касови апарати със зъбни колелца. Единствената функция на нанокомпютъра е да прочита някаква програма (твърдо вградена в него, тогава самият той е програма, или сменяема, аналогична на цилиндър на латерна), като в резултат на това се задвижват негови лостове за предаване на механични сигнали по веригата изпълняващи асемблери. Източникът на енергия е гъвкава каучукоподбна молекула, която играе ролята на пружина. Налице е и устройство за самонавиване на тази пружина от външни сътресения (брауново топлинно движение на молекулите на средата). Всеки нанокомпютър (всъщност “четец”) е снабден с такава пружина, както и всеки асемблер. Полученият въображаем производствен комплекс ще прилича на тъкачни станове, управлявани механично и без нужда от външна намеса и контрол.
Какво следва от това? Именно “елементарността” на нанокомпютрите, които изобщо няма нужда да приличат на познатите ни РС-та. Тоест, те са изкуствени рибозоми, които строят зададен обект, като преди това очертават габаритите му с мрежа от асемблери. Значи – нанотехниката МОЖЕ да бъде простичка – в края на краищата на нея не й се възлагат задачите да оцелява като жив организъм, да еволюира и най-вече – да носи “товара” и паметта за собствената си еволюция. Може да започне “на чисто” и да имитира процесите в живите клетки в най-оптималния им и опростен, насочен само към изпълнението на поставената задача вариант.
Но ако ни харесва, можем да си представим наноробот с пълноценен бордови компютър от нанокомпоненти. Такава наномашина ще притежава почти неограничени възможности при дадени условия, енергия и суровина, а и е способна да се самокопира – сама си е репликатор, асемблер, дизасемблер и нанокомпютър. Теоретично размерите й са 1-2 микрона. Дали е “нано”?
Нано е. Робот-монтажник сглобява часовници и завива винтчета с диаметър под един милиметър, без да е съизмерим с тях – напротив, голям е колкото трикрилен гардероб (виждал съм подобен апарат преди 20 години). И този унисемблер може да е грамаден спрямо молекулите, но нищо не му пречи да притежава фини манипулатори, с помощта на които да захваща отделни атоми и молекули.
И така, начини за построяване на асемблери и нанокомпютри:
А) голяма машина строи свое малко по-дребно копие, копието строи свое още по-дребно подобие и след краен брой итерации стигаме до механизъм, който вече ще е способен да манипулира на молекулно равнище – най-вероятно тромаво и грубо. Именно той обаче ще построи първия асемблер. Стане ли това, грижата на самия асемблер да построи свои копия, фабрики за производството на други асемблери, както и по-добри модели управляващи нанокомпютри и системи за поиск на нужната програма-валяче за латерна в огромните (за неговите мащаби това са цели континенти!) полета на нанобиблиотеката.
Б) модифицирана рибозома строи според програма-синтетична РНК първата наномашина от диамант, която пък после вече се самоусъвършенства под контрол на конструкторите (а те може да са и системи за машинно проектиране, такива вече съществуват в производството на чипове). Най-подходящ материал за нанороботите според мен е кварцът, защото е термично по-устойчив и химически инертен. Ако наномашината е предназначена за работа в клетки на човешкия организъм, нищо не пречи да й се нанесе въглеродно покритие с диамантоидна структура, за да е биосъвместима.
В) Сглобяване на асемблер с помощта на СЗМ. Дори монтажът да отнеме седмици, достатъчно е да се направи само един наноробот. По команда на нанокомпютъра той ще сглоби свои копия, които ще вършат същото, докато не им се даде сигнал да спрат да се размножават (или вътрешният им брояч не ги изключи). В резултат се получава една производствена маса, която само чака да й се даде работа – ремонт на живи клетки, строеж на космически кораб с размерите на автомобил, синтез на храна от въглероден двуокис, азот и водни пари, възпроизвеждане на оригинала на Паисиевата история за личната ви библиотека... каквото ви хрумне.
5. Какво всъщност чухме в сряда на лекцията за нанотехнологиите в България?
Чухме един много интересен отчет за научна разработка, която е СТЪПКА към реализирането на нанотехнологии на асемблерна основа. Чухме как с макроинструменти и бълк-методи се постигат нанорезултати. Чухме и че няма принципни пречки да накараме една рибозома да ни произведе “универсален фермент”, един вид прототип на асемблер.
Цялата тази научна работа, представена ни от лектора, може да не доведе до никакви практически приложения – ако се осъществи построяването на асемблери, доставянето на лекарства в нанокапсули към болна клетка е безсмислено, защото нанороботите ще са в състояние директно да ремонтират увредената клетка по същия начин, по който се ремонтира катастрофирала кола. Ако клетката е ракова, дизасемблерите просто ще я разглобят и с това ще ликвидират заплахата за околните тъкани.
Но за да се проектира ефективен и универсален модел асемблер, конструкторите се нуждаят от информация за някои тънки ефекти на известните ни природни закони, които имат силно влияние върху нанообекти. По същия начин за нуждите на сегашните космически полети се използват уравненията на Кеплер, но ако ще подготвяме мисия до Алфа Центавър, задължително е да вземем под внимание релативистките ефекти, които ще се проявят при околосветлинната скорост на звездолета.
Ето това чухме – че нашата страна също дава своя принос в натрупването на теоретични знания, от които да кристализират (при това БУКВАЛНО!) първите асемблери и нанокомпютри. Чухме, че наноепохата се е приближила до нас с още една малка стъпка.
Изкачването на Фуджияма започва с малка крачка – твърдят японците.
Впрочем, “бащата” на термина нанотехнология е японец – Норо Танигучи през 1974 г.
За нещо повече по въпроса – вижте www.nanonewsnet.ru Там ще намерите доста интересни статии по въпроса, както и да прочетете книгата на Ерик Дрекслер “Engines of creation”. Върху нея подготвих реферат, вярвам, че вече е качен на сайта на клуба “Иван Ефремов”.
Благодаря за вниманието и търпението.
|
Нанотехнологии
