Что слышно про нанотехнологии

Что это вообще такое — нанотехнологии?

Это область науки на стыке физики и химии, она занимается разработкой устройств и материалов размером до 100 нм. Один нанометр — это одна миллиардная часть метра, примерно в 100 тысяч раз меньше толщины человеческого волоса. Нанометрами измеряют межмолекулярные расстояния и длины волн.

С помощью нанотехнологий можно менять структуру клеток или конструировать новые клетки, управляя атомами. Такие технологии позволяют создавать вещества и устройства с невероятными свойствами, которые вы могли встречать в научно-фантастических книгах и фильмах.

Но обычно под нанотехнологиями понимают строительство крохотных машин размером в несколько атомов — они будут лечить рак, делать более прочными материалы и самовоспроизводиться.

М-м-м, кажется, про них ещё в «Технике — молодёжи» писали в 80-х...

На самом деле ещё раньше, в 1970-х годах. Тогда редакция предсказывала, что в скором времени люди изобретут механизмы, состоящие буквально из нескольких атомов. Перспективы открывались потрясающие:

• Маленький наноробот-врач сможет проникать буквально куда угодно в организме, преодолевая клеточные мембраны, чтобы бороться с раком, удалять канцерогенные частицы и даже менять ДНК прямо в клетках.

• Изменяя молекулярную решётку металла, можно «чинить» его искажения — и тем самым получать новые суперпрочные материалы и сплавы.

Словом, нанотехнологии казались новым технологическим чудом. Неудивительно, что их можно встретить и в фантастике. В «Непобедимом» Станислава Лема представлена концепция «механической эволюции». Мириады крохотных самовоспроизводящихся роботов оказались настолько могучей силой, что даже развитому человечеству пришлось отступить перед ней. А в «Часе Быка» Ивана Ефремова наномашины позволяли людям будущего создавать невероятно прочные скафандры, которые при этом покрывали тело словно латексный костюм и были почти незаметны.

Впервые этот термин использовал японский физик Норио Танигути в своём выступлении «Основные принципы нанотехнологии» в 1974 году на международной конференции в Токио. В 80-х годах открыли важный принцип, который подстегнул развитие наносистем: оказалось, что уменьшение размеров структурных элементов ниже определённой величины приводит к заметному изменению свойств. Так происходит, когда размер частиц не превышает 100 нм, и лучше всего наблюдается, когда их размер менее 10 нм. Поэтому новые материалы можно создавать путём изменения не химического состава, а размеров и формы составляющих частиц.

Проще говоря: уменьшая частицы или механизмы, мы придаём им необычные свойства, которых в нашем обычном мире добиться трудно.

И что это за свойства?

Яркий пример нанотехнологий, о котором слышали многие, — углеродные нанотрубки. Это особая форма углерода, который свёрнут в крохотные трубки диаметром в несколько микрометров. Нанотрубки действительно резко повышают качество стальных сплавов, но используются не только для этого.

В 2010 году двое физиков российского происхождения, выпускники МФТИ Константин Новосёлов и Андрей Гейм, получили Нобелевскую премию: они придумали, как просто создавать нанотрубки (или наночешуйки), и открыли особые свойства этого материала, которые важны для сверхточных электронных приборов.

Кстати, свои чешуйки физики получали довольно необычным и в целом очень примитивным способом: они много раз приклеивали к графитовому стержню карандаша обычный скотч, а после изучали его под электронным микроскопом, ища чешуйки. Вот так смекалка может довести до Нобелевской премии (на самом деле карандаш и скотч — это, конечно, только крохотная часть эксперимента, но всё равно забавно).

Такие трубки (только диаметром побольше) обнаружены в дамасской стали — именно они придают ей особую прочность.

Клинки из дамасской стали были гибче и твёрже обычных и имели самое острое лезвие. Такого эффекта оружейники добивались за счёт последовательности создания стали по древнему рецепту, пониженной температуры обработки — 800 °C — и составу магнитной руды из редких индийских месторождений. А сегодня нанотрубки используются для производства особо прочных сталей — для брони или рабочих инструментов, которые применяются в космосе.

Скажите ещё, что и в Древнем Египте использовали нанотехнологии...

Да, действительно, в Древнем Египте с помощью нанотехнологий красили волосы в чёрный цвет пастой из извести, оксида свинца и воды. Природный чёрный цвет волосам придаёт пигмент меланин, который распределён в кератине. А в состав кератина входит сера, с которой вступала в реакцию красящая паста. Так образовывались частицы галенита, их размер — до 5 нм. Они обеспечивали равномерное и устойчивое окрашивание, которое обнаружили и смогли изучить учёные спустя сотни лет.

Интересно, что процесс происходил только в волосах, а в кожу головы соединения свинца не проникали.

Будто я египтянин... А сейчас-то что?

Наночастицы используют во многих сферах: косметике, водоотталкивающих, антибликовых и самоочищающихся покрытиях. Вот несколько технологий навскидку:

• Солнечные панели.

• Экраны на основе «электронных чернил».

• Химические катализаторы, которые используются на производстве.

• Композитные материалы в стоматологии.

• Светодиоды.

Более того, трудно найти сферу, где нанотехнологий нет. Они используются даже в производстве носков: наночастицы подавляют деятельность бактерий и уничтожают неприятный запах. А ещё — в шоколадных батончиках, где нанотехнологии не дают шоколаду отсыревать, и в SPF-кремах, где наночастицы блокируют ультрафиолетовые лучи.

Ну это ладно. А атомные роботы где?

На здоровье! Уже разработан и успешно изготовлен наноробот UiO-66-NH2, который помогает очищать окружающую среду. Он эффективно улавливает золото из электронных отходов и устраняет органические загрязнители и красители.

Сейчас нанотехнологии начали объединять с технологиями искусственного интеллекта. Например, ИИ анализирует и выстраивает цепочку ДНК, а с помощью нанотехнологий в дальнейшем её можно будет редактировать.

Наноконтейнерные технологии векторной доставки лекарств позволяют адресно доставлять лечебные средства в нужную точку организма. Так можно непосредственно воздействовать на раковые клетки.

По прогнозам, в период с 2024 по 2032 год отрасль нанотехнологий вырастет на 10%. Основной рост будет происходить в химической и фармацевтической промышленности.

В общем, в «Технике — молодёжи» были правы...

Не совсем. Нанотехнологии всё же не стали таким прорывом, как ИИ. Но они проникли в нашу жизнь. Вы пользуетесь ими практически каждый день — например, когда садитесь в такси (в машине используются катализаторы на основе наночастиц) или наносите на лицо крем.

В этом сила технологий. Они словно незаметны, но без них жизнь уже не представишь. А ещё у них есть мощный «запас хода», который будет двигать прогресс и дальше. Это был наношаг для инженерного дела, но могучий рывок для всего человечества!