Эпоха открытий. Возможности и угрозы второго Ренессанса - читать онлайн книгу. Автор: Йен Голдин, Крис Кутарна cтр.№ 42

Когда популярные технологии меняются, наша интуиция тоже меняется. Мы очень быстро привыкаем к тому, как должны себя вести предметы. Вам приходилось когда-нибудь проводить пальцем по экрану, чтобы обнаружить, что это не сенсорный экран? В этот момент разочарования вы можете мельком ощутить изменения, которые привнесут в наше мышление квантовые технологии. Возможно, в нашей повседневной жизни начнут появляться диковинные устройства – новые инструменты для зондирования, коммуникации, вычисления и обработки информации, – которые будут вести себя совсем не так, как устройства, к которым мы привыкли. Это будут непроницаемые черные ящики, пугающим образом мгновенно узнающие то, что им нужно, невзирая на расстояние и сложность. Чем больше будет таких устройств, тем менее странными и более естественными нам будут казаться квантовые модели поведения. Мы начнем более глубоко интуитивно понимать, как на самом деле устроена Вселенная. И это поможет нам быстрее разгадать больше ее секретов.

Производственный гений

Недавнее вторжение человечества в нанопространство обнажило пределы наших возможностей в вопросе обработки информации – и пообещало дать новый способ, который однажды приведет нас к самым глубоким тайнам природы. Но оно также обнажило пределы наших возможностей в вопросе создания вещей и дало новые способы манипулировать материей.

В начале 1980-х гг. ученые в Цюрихе изобрели новое устройство на квантовой основе, сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), и впервые в истории смогли получить изображения отдельных атомов. К середине 1980-х гг. они уже могли брать и перемещать атомы по одному. Обрадованные футурологи буквально фонтанировали идеями: представьте себе крошечных нанороботов, которые создают машины и материалы с нуля, атом за атомом, с абсолютной точностью в минимальном масштабе. Некоторые фантазировали, что мы будем производить топливо из воздуха, извлекать чистую воду из жидких отходов и собирать космические корабли из песка и СО₂. А слово «недостаточно» вообще исчезнет из нашего лексикона [22].

К сожалению, так же как квантовая рябь не позволяет бесконечно уменьшать кремниевые транзисторы, некоторые наноявления не позволяют нам уменьшать наши машины. Две широко распространенные проблемы нанопространства – хаотическое движение и клейкость. Хаотическое движение наблюдается и в стандартной физике – оно заставляет единственную каплю пищевого красителя заполнять собой целый стакан чистой воды. Вода может выглядеть спокойной, но на уровне наночастиц это бушующий океан сталкивающихся между собой молекул H₂O. Клейкость является квантовой характеристикой – это то, что заставляет прозрачную пищевую пленку приклеиваться к салатнице и удерживает вместе две гладкие пластины стекла. Физические подробности этого явления понятны лишь посвященным, но в основном вещи прочно присоединяются друг к другу, когда их поверхности вступают в контакт. На макроуровне мы не часто наблюдаем этот эффект, поскольку большинство поверхностей, которые кажутся нам гладкими, при ближайшем рассмотрении оказываются шероховатыми, и у них слишком мало точек реального соприкосновения. Однако в нанопространстве клейкость обладает такой же всепроникающей силой, как сила тяжести на макроуровне. Из-за совместного действия этих двух явлений – хаотического движения и клейкости – пытаться построить что-либо в нанопространстве все равно что пытаться построить башню на корабле во время шторма, причем каждый рабочий, подъемный кран, болт, балка и дождевая капля покрыты слоем быстро застывающего цемента.

Новая эпоха открытий

Знакомые инженерам силы – натяжения, сжатия и т. п. – в нанопространстве не действуют, а материалы, которые они привыкли использовать для строительства, обладают другими свойствами. Углерод черного цвета, но если вы создадите лист углерода толщиной в один атом, он будет более прозрачным, чем стекло. Окружающее нас атомное пространство представлялось нам величайшей загадкой, поэтому в 1980-е гг. наука о материалах, вооружившись СТМ (сканирующими туннельными микроскопами) и другими новыми технологиями, устремилась на поиски того, что находится там, в глубине вещества, по каким правилам существует этот мир и можно ли использовать его необыкновенные качества для нашей пользы.

Прогресс был стремительным: мы увидели новые золотые города и вернулись с доказательствами. В 1990 г. в журнале Nature и дочерних изданиях было опубликовано в общей сложности 230 научных работ, посвященных наноразмерным объектам. К 2015 г. число работ превысило 11 тысяч. (Для сравнения, чтобы написать 11 тысяч научных работ на тему эволюции, потребовался 71 год [23].) На рубеже тысячелетий стали появляться первые коммерческие варианты применения нанотехнологий, а к 2015 г. тысячи таких продуктов уже образовали огромный рынок с оборотом 1 миллиард долларов [24].

Наночастицы серебра убивают бактерии. Как именно они это делают, мы пока точно не знаем, но уже выпускаем носки, плюшевых медвежат, перевязочные материалы, зубные импланты и строим станции метро с использованием материала, который помогает предотвращать болезни и ускоряет заживление. В 2015 г. ученые разработали «питьевую книгу» (бумагу, пронизанную наночастицами серебра) в качестве портативного недорогого решения для фильтрации грязной воды и превращения ее в питьевую [25]. Выяснилось, что гекконы могут бегать по стенам и потолку за счет квантовой клейкости: их мускулистые лапки покрыты миллиардами волосков наноразмера, обеспечивающих множество точек соприкосновения с любой поверхностью. Предприниматели создали синтетический аналог с помощью приемов, заимствованных из полупроводниковой промышленности, и теперь гекко-скотч может при необходимости найти применение в обороне (роботы повышенной проходимости), производстве (замена разнообразных винтов, заклепок и клеев) и даже в легкой атлетике (перчатки для американского футбола, не дающие игроку уронить мяч). Другие открытия будут иметь более широкое влияние. Ученые работают, например, над искусственным фотосинтезом, чтобы получать топливо из солнечного света и СО₂, над ускорением процесса секвенирования ДНК (идея заключается в том, чтобы пропустить одну молекулу ДНК через крошечное отверстие, способное чувствовать электрическую разницу между проходящими сквозь него A, C, G и T) и изготовлением супертонких нервущихся презервативов из нановолокон.

Один из самых универсальных материалов, пришедших к нам из нанопространства, – графен, впервые полученный в 2004 г. Графен представляет собой лист чистого углерода толщиной в один атом. Мы хорошо знакомы с другими формами углерода – алмазом, самым твердым из существующих материалов, и графитом, настолько мягким, что мы делаем из него карандашные грифели. Графен сочетает в себе все эти достоинства. Он прозрачен и тверд как алмаз, но вместе с тем из него можно свивать гибкие волокна (достаточно прочные, чтобы дотянуться до космоса) и разреза́ть его на любые двумерные формы по нашему желанию (скажем, сворачивающийся дисплей или солнечные батареи). Он проводит тепло в 10 раз лучше, чем медь, и электричество в 100 раз лучше, чем кремний (вызывая бурный восторг у производителей микросхем). Пока еще достаточно дорогой материал, графен быстро завоевывает свое место в макрореальности. В первый год после открытия графена ученые ценой немалых усилий смогли произвести графеновый лист, шириной немного превосходящий человеческий волос. Прошло менее десяти лет, и они могут печатать идеальные рулоны графена длиной до 100 метров.