Każda ludzka działalność obfituje w mity. Nanotechnologia, główny projekt naukowy i technologiczny naszych czasów, nie jest wyjątkiem. Co więcej, tworzenie mitów dotyka tutaj samej istoty. Większość ludzi, nawet tych należących do środowiska naukowego, jest przekonanych, że nanotechnologia to przede wszystkim manipulacja atomami i konstruowanie obiektów poprzez składanie ich z atomów. To jest główny mit.
Mity naukowe są dwojakie. Niektóre są spowodowane niekompletnością naszej wiedzy o przyrodzie lub brakiem informacji. Inne są tworzone celowo w określonym celu. W przypadku nanotechnologii mamy drugą opcję. Dzięki temu mitowi i wynikającym z niego konsekwencjom udało się przyciągnąć uwagę rządzących i radykalnie przyspieszyć uruchomienie projektu Nanotechnologia z autokatalitycznym wzrostem inwestycji. W gruncie rzeczy było to małe oszustwo, całkiem akceptowalne przez zasady gry na najwyższym poziomie. Mit odegrał swoją pożyteczną rolę jako inicjator procesu i został szczęśliwie zapomniany, jeśli chodzi o samą technologię.
Ale mity mają niesamowitą właściwość: kiedy się rodzą, zaczynają żyć własnym życiem, demonstrując jednocześnie niesamowitą witalność i długowieczność. Są tak mocno zakorzenione w umysłach ludzi, że wpływają na postrzeganie rzeczywistości. Prawdziwe procesy nanotechnologiczne, zarówno projekty zagraniczne, jak i projekty Rusnano, zasadniczo zaprzeczają mitowi, który wprowadza zamieszanie w ich głowach (większość ludzi nadal nie rozumie, czym jest nanotechnologia), odrzucenie (to nie są prawdziwe nanotechnologie!), A nawet zaprzeczenie nanotechnologii takie jak.
Oprócz głównego mitu, historia nanotechnologii ujawnia nam kilka towarzyszących nam mitów, które stymulują różne grupy ludności, wywołując u jednych bezpodstawne nadzieje, au innych panikę.
Mit ojca założyciela
Najbardziej nieszkodliwym z szeregu mitów jest przypisanie twórcy nanotechnologii Richarda Feynmana, eksperta w dziedzinie kwantowej teorii pola i fizyki cząstek elementarnych. Mit ten powstał w 1992 roku, kiedy prorok nanotechnologii Eric Drexler przemawiał do komisji senackiej na przesłuchaniu na temat „Nowe technologie dla zrównoważonego rozwoju”. Aby przeforsować wymyślony przez siebie projekt nanotechnologiczny, Drexler odniósł się do wypowiedzi laureata Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki, niezachwianego autorytetu w oczach senatorów.
Niestety Feynman zmarł w 1988 roku i dlatego nie mógł ani potwierdzić, ani zaprzeczyć temu stwierdzeniu. Ale gdyby go usłyszał, najprawdopodobniej śmiałby się wesoło. Był nie tylko wybitnym fizykiem, ale także słynnym żartownisiem. Nic dziwnego, że jego autobiograficzna książka nosiła tytuł: „Oczywiście, że żartujesz, panie Feynman!” W związku z tym przyjęto słynne przemówienie Feynmana na kolacji sylwestrowej American Physics Society w California Institute of Technology. Wedle wspomnień jednego z uczestników tego spotkania, amerykańskiego fizyka Paula Schlickta: „Ogólnie rzecz biorąc, reakcję publiczności można nazwać wesołą. Większość uważała, że mówca udaje głupca”.
Film promocyjny:
Ale słowa: „Zasady fizyki, które znamy, nie zabraniają tworzenia obiektów„ atom po atomie”. Manipulacja atomami jest całkiem realna i nie narusza żadnych praw natury”- powiedzieli, to fakt. Reszta to spekulacje na temat miniaturyzacji w połączeniu z futurologicznymi przewidywaniami. Ćwierć wieku później niektóre pomysły Feynmana zostały „twórczo” rozwinięte przez Erica Drexlera i dały początek głównym mitom nanotechnologii. Co więcej, często będziemy wracać do tego przemówienia, aby przypomnieć sobie, co właściwie powiedział Feynman, a jednocześnie cieszyć się klarownością i obrazem sformułowań wielkiego naukowca.
Mit bezużytecznej technologii
Kiedy tworzymy obiekt atom po atomie, oczywiście stosujemy technologię bezodpadową. Słowo „oczywiście” jest tutaj użyte w najbardziej pierwotnym sensie - kiedy ludzie, przede wszystkim urzędnicy, patrzą na zdjęcia przedstawiające proces manipulacji atomami, nie widzą żadnych odpadów, żadnych fajek zanieczyszczających atmosferę i ścieków przemysłowych, które zanieczyszczają zbiorniki wodne … Domyślnie jest jasne, że przeciągnięcie prawie nieważkiego atomu w odległości kilku nanometrów od siebie wymaga niewielkiej ilości energii. Ogólnie rzecz biorąc, idealna technologia dla „zrównoważonego rozwoju” - koncepcja, która była niezwykle popularna w latach 90. ubiegłego wieku.
Pytanie, skąd pochodzą atomy do montażu, jest prawie nieprzyzwoite. Oczywiście z magazynu, skąd zapewne dostarczane są ekologicznymi samochodami elektrycznymi. Przytłaczająca większość populacji nie ma pojęcia, skąd pochodzi. Na przykład materiały, z których powstają różne produkty przemysłowe, które konsumujemy w coraz większych ilościach. Nie widać związku tych produktów z przemysłem chemicznym. Chemia jako nauka jest nudna i mało potrzebna, a przemysł chemiczny, jak z pewnością szkodliwy dla środowiska, musi zostać zamknięty.
Między innymi przemysł chemiczny w opinii większości jest drapieżnym marnotrawstwem zasobów naturalnych, wykorzystującym do swoich procesów ropę, gaz, rudy i minerały. A do nowej technologii, jak wyobrażają sobie jej zwolennicy, potrzebne są tylko atomy: w tej części magazynu przechowujemy atomy złota, w następnej - atomy żelaza, następnie atomy sodu, atomy chloru… W ogóle cały układ okresowy Mendelejewa. Jesteśmy zmuszeni rozczarować autorów tego idyllicznego obrazu: same atomy, z wyjątkiem atomów gazów obojętnych, istnieją tylko w próżni. We wszystkich innych warunkach oddziałują one z własnym rodzajem lub innymi atomami, w chemicznej interakcji z tworzeniem związków chemicznych. Taka jest natura rzeczy i nic nie można na to poradzić.
Każda technologia wymaga pewnych dostosowań, środków produkcji, które również wymykają się uwadze apologetów składania obiektów z atomów. Jednak czasami wręcz przeciwnie, przyciągają ich uwagę i potrząsają nimi do rdzenia. Rzeczywiście, mikroskopy tunelowe i elektroenergetyczne są pięknymi urządzeniami, widocznym dowodem potęgi ludzkiego umysłu. I generalnie laboratoria, w których manipulacja atomami to obraz przyszłych technologii w duchu „Trzeciej fali” Alvina Tofflera: tzw. Clean roomy z klimatyzacją i specjalnym oczyszczaniem powietrza, urządzenia wykluczające najmniejsze wibracje, operator w ubraniu specjalnym z dyplomem kieszeń.
Czy to wszystko będzie również zbierane z atomów bez odpadów? W tym fundamenty, ściany i dachy? Wierzymy, że nawet najbardziej zagorzali zwolennicy tej technologii nie odważą się odpowiedzieć twierdząco na to pytanie.
Ludzkość pewnego dnia stworzy bezodpadowe, przyjazne dla środowiska technologie, ale będą one oparte na innych zasadach lub na zupełnie innej technice.
Mit nanomaszyn
Właściwie początkowo chodziło o inną technikę. Pomysł, że do projektowania w nanoskali niezbędny jest manipulator o odpowiednich rozmiarach, jest oczywisty. Oto jak Richard Feynman widział realizację tego pomysłu:
„Załóżmy, że wykonałem zestaw dziesięciu ramion manipulatora, zredukowanych do czterech razy i połączyłem je drutami z oryginalnymi dźwigniami sterującymi, tak aby te ramiona jednocześnie i dokładnie podążały za moimi ruchami. Następnie ponownie wykonam zestaw dziesięciu ramion rozmiaru ćwiartki. Oczywiście pierwszych dziesięć manipulatorów wyprodukuje 10x10 = 100 manipulatorów, jednak zmniejszonych o współczynnik 16 …
Nic nie stoi na przeszkodzie, aby kontynuować ten proces i tworzyć tyle malutkich maszyn, ile chcemy, bo ta produkcja nie ma ograniczeń związanych z umiejscowieniem maszyn i ich zużyciem materiału … Widać, że to od razu usuwa problem kosztów materiałów. W zasadzie moglibyśmy zorganizować miliony identycznych miniaturowych fabryk, w których małe maszyny nieustannie wierciłyby otwory, stemplowały części itp.”
Takie podejście jest prostą realizacją idei tworzenia miniaturowych urządzeń. Działa, choć z wieloma ograniczeniami, na poziomie mikro, o czym świadczą tzw. Urządzenia mikroelektromechaniczne. Znajdują zastosowanie w systemach wyzwalania poduszek powietrznych w samochodach w razie wypadku, w drukarkach laserowych i atramentowych, w czujnikach ciśnienia, w domowych klimatyzatorach oraz we wskaźnikach poziomu paliwa w zbiorniku gazu, w rozrusznikach serca i joystickach do konsol do gier. Patrząc na nie pod mikroskopem, zobaczymy znane nam koła zębate i wały, cylindry i tłoki, sprężyny i zawory, lusterka i mikroukłady.
Ale nanoobiekty mają inne właściwości niż makro- i mikroobiekty. Jeśli znajdziemy sposób na proporcjonalne zmniejszenie wielkości tranzystorów z obecnych 45-65 nm do 10 nm, to po prostu nie będą działać, ponieważ elektrony zaczną tunelować przez warstwę izolatora. A przewody łączące staną się cieńsze do łańcucha atomów, który będzie przewodził prąd inaczej niż masywne próbki i zaczną rozpraszać się na boki z powodu ruchu termicznego lub odwrotnie, gromadzą się w kupie, zapominając o zadaniu utrzymania kontaktu elektrycznego.
To samo dotyczy właściwości mechanicznych. Wraz ze zmniejszaniem się rozmiaru wzrasta stosunek pola powierzchni do objętości, a im większa powierzchnia, tym większe tarcie. Nanoobiekty dosłownie przyklejają się do innych nanoobiektów lub do powierzchni, które ze względu na swoją małą wielkość wydają się im gładkie. Jest to przydatna cecha dla gekona, który łatwo chodzi po pionowej ścianie, ale niezwykle szkodliwa dla każdego urządzenia, które musi jeździć lub ślizgać się po poziomej powierzchni. Aby po prostu przenieść go z jego miejsca, będziesz musiał wydać nieproporcjonalną ilość energii.
Z drugiej strony bezwładność jest niewielka, ruch szybko się zatrzymuje. Wykonanie nanorurki nie jest trudne - przyczepić cząstkę złota o średnicy kilku nanometrów do nanorurki węglowej o średnicy 1 nm i długości 100 nm i zawiesić ją na płytce silikonowej. Ale to wahadło, jeśli poruszysz nim w powietrzu, zatrzyma się prawie natychmiast, ponieważ nawet powietrze jest dla niego znaczącą przeszkodą.
Nanoobiekty, jak mówią, mają silny wiatr i ogólnie łatwo jest je wprowadzić w błąd. Prawdopodobnie wielu obserwowało ruchy Browna w mikroskopie - przypadkowe wrzucenie małej cząsteczki stałej do wody. Albert Einstein już w 1905 roku wyjaśnił przyczynę tego zjawiska: cząsteczki wody, które są w ciągłym ruchu termicznym, uderzają w powierzchnię cząstki, a nieskompensowana siła uderzeń z różnych stron powoduje, że cząstka nabiera rozpędu w jednym lub w drugim kierunku. Jeśli cząstka o wielkości 1 μm wyczuwa siłę uderzenia małych cząsteczek i zmienia kierunek ruchu, to cóż możemy powiedzieć o cząstce o wielkości 10 nm, która waży milion razy mniej i dla której stosunek masy do powierzchni jest 100 razy mniejszy.
Niemniej jednak w literaturze naukowej i popularnonaukowej, zwłaszcza w publikacjach medialnych, nieustannie spotyka się opisy nanokopii różnych części mechanicznych, przekładni, kluczy, kół, osi, a nawet przekładni. Zakłada się, że posłużą one do tworzenia działających modeli nanomaszyn i innych urządzeń. Nie traktuj tych prac z nadmierną powagą, potępiając, zastanawiając się lub podziwiając. „Jestem osobiście przekonany, że my, fizycy, moglibyśmy rozwiązać takie problemy dla przyjemności lub zabawy” - powiedział Richard Feynman. Fizycy żartują …
W rzeczywistości są w pełni świadomi faktu, że do tworzenia urządzeń nanomechanicznych lub nanoelektromechanicznych konieczne jest stosowanie podejść projektowych różniących się od makro- i mikroanalogów. I tutaj, na początek, nie musisz nawet niczego wymyślać, ponieważ przez miliardy lat ewolucji natura stworzyła tak wiele różnych maszyn molekularnych, że dziesięć lat nie wystarczy, abyśmy wszyscy zrozumieli, skopiowali, dostosowali się do naszych potrzeb i spróbowali coś ulepszyć.
Najbardziej znanym przykładem naturalnego silnika molekularnego jest tak zwany silnik wici bakteryjnej. Inne maszyny biologiczne zapewniają skurcz mięśni, bicie serca, transport składników odżywczych i transport jonów przez błonę komórkową. Sprawność maszyn molekularnych przetwarzających energię chemiczną na pracę mechaniczną jest w wielu przypadkach bliska 100%. Jednocześnie są niezwykle ekonomiczne, np. Mniej niż 1% zasobów energetycznych ogniwa zużywane jest na pracę silników elektrycznych, które zapewniają ruch bakterii.
Wydaje mi się, że opisane podejście biomimetyczne (od łacińskich słów „bios” - życie i „mimetis” - imitacja) jest najbardziej realistycznym sposobem tworzenia urządzeń nanomechanicznych i jednym z tych obszarów, w których współpraca fizyków i biologów w dziedzinie nanotechnologii może przynieść wymierne rezultaty.
Mit nanorobota
Załóżmy, że stworzyliśmy szkic nanourządzenia na papierze lub na ekranie komputera. Jak to zebrać, a najlepiej nie w jednym egzemplarzu? Możesz, podążając za Feynmanem, tworzyć „małe maszyny, które w sposób ciągły wierciłyby otwory, stemplowały części itp.” oraz miniaturowe manipulatory do montażu gotowego produktu. Manipulatory te muszą być kontrolowane przez człowieka, to znaczy muszą mieć jakiś rodzaj makroskopowego sprzętu, albo przynajmniej działać zgodnie z podanym przez człowieka programem. Ponadto trzeba jakoś obserwować cały proces, na przykład za pomocą mikroskopu elektronowego, który również ma wymiary makro.
Alternatywny pomysł wysunął w 1986 roku amerykański inżynier Eric Drexler w futurologicznym bestsellerze „Machines of Creation”. Dorastając, jak wszyscy ludzie swojego pokolenia, na książkach Izaaka Asimowa, zaproponował użycie maszyn mechanicznych o odpowiednich rozmiarach (100-200 nm) - nanorobotów do produkcji nanourządzeń. Nie chodziło już o wiercenie i wykrawanie, roboty te musiały składać urządzenie bezpośrednio z atomów, więc nazywano ich asemblerami - asemblerami. Ale podejście pozostało czysto mechaniczne: asembler był wyposażony w manipulatory o długości kilkudziesięciu nanometrów, silnik do poruszania manipulatorów i samego robota, w tym wspomniane wcześniej przekładnie i przekładnie, a także autonomiczne źródło zasilania. Okazało się, że nanorobot powinien składać się z kilkudziesięciu tysięcy części,a każdy szczegół składa się z jednego lub dwustu atomów.
Problem wizualizacji atomów i cząsteczek jakoś zniknął niepostrzeżenie, wydawało się całkiem naturalne, że nanorobot pracujący z obiektami o porównywalnej wielkości „widzi” je tak, jak człowiek widzi gwóźdź i młotek, którym wbija ten gwóźdź w ścianę.
Najważniejszą jednostką nanorobota był oczywiście komputer pokładowy, który sterował działaniem wszystkich mechanizmów, decydował, który atom lub jaką cząsteczkę ma wychwycić manipulator i gdzie umieścić je w przyszłym urządzeniu. Liniowe wymiary tego komputera nie miały przekraczać 40-50 nm - to dokładnie taki rozmiar jednego tranzystora, jaki osiągnęła technologia przemysłowa naszych czasów, 25 lat po napisaniu przez Drexlera książki „Creation Machines”.
Ale Drexler skierował swoją książkę także do przyszłości, do odległej przyszłości. W chwili pisania tego tekstu naukowcy nie potwierdzili jeszcze nawet fundamentalnej możliwości manipulowania pojedynczymi atomami, nie wspominając o złożeniu z nich przynajmniej niektórych struktur. Stało się to dopiero cztery lata później. Urządzenie, które zostało do tego użyte po raz pierwszy i jest używane do dziś - mikroskop tunelowy - ma dość namacalne wymiary, dziesiątki centymetrów w każdym wymiarze i jest sterowane przez człowieka za pomocą potężnego komputera z miliardami tranzystorów.
Senny pomysł nanorobotów składających materiały i urządzenia z pojedynczych atomów był tak piękny i kuszący, że odkrycie to tylko przekonało. Niespełna kilka lat później wierzyli w nią senatorowie Stanów Zjednoczonych, dziennikarze dalecy od nauki, a wraz z ich uległością - publiczność i, co dość zaskakujące, sam autor, który nadal jej bronił, nawet gdy mu w zrozumiały sposób wyjaśniono, że idea jest w zasadzie nierealna. … Istnieje wiele argumentów przeciwko takim urządzeniom mechanicznym, przytoczymy tylko ten najprostszy wysunięty przez Richarda Smalleya: manipulator, który „przechwycił” atom, połączy się z nim na zawsze dzięki oddziaływaniom chemicznym. Smalley był laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie chemii, co musiało być.
Ale pomysł nadal żył własnym życiem i przetrwał do dziś, stając się zauważalnie bardziej skomplikowany i uzupełniany różnymi zastosowaniami.
Mit medycznych nanorobotów
Najpopularniejszym mitem jest to, że istnieją miliony nanorobotów, które będą przeszukiwać nasze ciała, diagnozować stan różnych komórek i tkanek, naprawiać uszkodzenia za pomocą nanoskalpela, rozcinać i rozbijać komórki nowotworowe, budować tkankę kostną poprzez składanie atomów, zdrapać płytki cholesterolu za pomocą nanoskalpela oraz w mózgu wybiórczo zrywają synapsy odpowiedzialne za nieprzyjemne wspomnienia. A także zdaj raport z pracy wykonanej przez przekazywanie wiadomości typu: „Alex do Eustace. Ujawniono uszkodzenie zastawki mitralnej. Pęknięcie zostało wyeliminowane. To ta ostatnia budzi poważne obawy społeczne, bo to ujawnienie prywatnych informacji - przesłanie nanorobota może odebrać i rozszyfrować nie tylko lekarz, ale także osoby postronne. Ten niepokój potwierdzaże we wszystko inne ludzie wierzą bezwarunkowo. Jak w nanorobotach-szpiegach, w „inteligentnym kurzu”, który wniknie do naszych mieszkań, będzie nas obserwował, podsłuchiwał nasze rozmowy i ponownie transmitował otrzymane materiały wideo i audio przez nano-nadajnik z nanoanteną. Albo zabójcze nanoboty, które uderzają w ludzi i technologię za pomocą nanoskapów, być może nawet jądrowych.
Najbardziej zdumiewające jest to, że można stworzyć prawie wszystko, co opisano (a coś już zostało stworzone). Inwazyjne systemy diagnostyczne, które informują o stanie organizmu, leki działające na określone komórki i systemy, które oczyszczają naczynia krwionośne z blaszek miażdżycowych i kości oraz usuwają wspomnienia, a także niewidzialne systemy zdalnego śledzenia i „inteligentny pył”.
Jednak wszystkie te systemy teraźniejszości i przyszłości nie mają i nie będą miały nic wspólnego z mechanicznymi nanorobotami w duchu Drexlera, z wyjątkiem rozmiarów. Tworzą je wspólnie fizycy, chemicy i biolodzy, naukowcy zajmujący się nauką syntetyczną zwaną nanotechnologią.
Mit o fizycznej metodzie syntezy substancji
W swoim wykładzie Richard Feynman nieświadomie zdradził sekretne odwieczne marzenie fizyków:
„I wreszcie, myśląc w tym kierunku (możliwość manipulowania atomami. - GE), dochodzimy do problemów syntezy chemicznej. Przyjdą do nas chemicy, fizycy, z konkretnymi rozkazami: „Słuchaj, przyjacielu, czy nie stworzysz molekuły z takim a takim rozkładem atomów?”. Sami chemicy używają złożonych, a nawet tajemniczych operacji i technik do przygotowania cząsteczek. Zwykle, aby zsyntetyzować zamierzoną cząsteczkę, muszą mieszać, wstrząsać i przetwarzać różne substancje przez dość długi czas. Gdy tylko fizycy stworzą urządzenie zdolne do pracy z pojedynczymi atomami, cała ta czynność stanie się zbędna … Chemicy zarządzą syntezę, a fizycy po prostu „ułożą” atomy we właściwej kolejności.
Chemicy nie syntetyzują cząsteczki; chemicy otrzymują substancję. Substancja, jej wytwarzanie i przemiana jest przedmiotem chemii, do dziś tajemniczej dla fizyków.
Cząsteczka to grupa atomów nie tylko ułożonych we właściwej kolejności, ale także połączonych wiązaniami chemicznymi. Przezroczystą cieczą, w której na dwa atomy wodoru przypada jeden atom tlenu, może być woda lub mieszanina ciekłego wodoru i tlenu (uwaga: nie mieszać w domu!).
Załóżmy, że jakimś cudem udało nam się złożyć razem osiem atomów - dwa atomy węgla i sześć atomów wodoru. Dla fizyka ta wiązka będzie prawdopodobnie cząsteczką etanu C2H6, ale chemik wskaże co najmniej dwie dodatkowe możliwości łączenia atomów.
Załóżmy, że chcemy uzyskać etan, składając się z atomów. Jak mogę to zrobić? Od czego zacząć: przenieść dwa atomy węgla, czy dołączyć atom wodoru do atomu węgla? Podchwytliwe pytanie, w tym dla autora. Problem w tym, że naukowcy do tej pory nauczyli się manipulować atomami, po pierwsze ciężkimi, a po drugie mało reaktywnymi. Dość złożone struktury składają się z atomów ksenonu, złota i żelaza. Jak radzić sobie z lekkimi i niezwykle aktywnymi atomami wodoru, węgla, azotu i tlenu nie jest do końca jasne. Tak więc w przypadku atomowego zgromadzenia białek i kwasów nukleinowych, o którym niektórzy autorzy mówią jako o materii praktycznie rozwiązanej, będzie musiał poczekać.
Jest jeszcze jedna okoliczność, która znacznie ogranicza perspektywy „fizycznej” metody syntezy. Jak już wspomniano, chemicy nie syntetyzują cząsteczki, ale otrzymują substancję. Substancja składa się z ogromnej liczby cząsteczek. 1 ml wody zawiera ~ 3x1022 cząsteczek wody. Weźmy bardziej znany przedmiot dla nanotechnologii - złoto. Kostka złota o pojemności 1 cm3 zawiera ~ 6x1022 atomów złota. Ile czasu zajmuje złożenie takiej kostki atomów?
Do dziś praca nad mikroskopem sił atomowych czy tunelowym przypomina sztukę, nie bez powodu wymaga specjalnego i bardzo dobrego wykształcenia. Praca ręczna: zaczep atom, przeciągnij go w odpowiednie miejsce, oceń wynik pośredni. Mniej więcej tak szybko, jak murowanie. Aby nie przestraszyć czytelnika niewyobrażalnymi liczbami, przypuśćmy, że znaleźliśmy sposób, aby w jakiś sposób zmechanizować i zintensyfikować ten proces i możemy układać milion atomów na sekundę. W tym przypadku spędzimy dwa miliardy lat, aby złożyć sześcian o pojemności 1 cm3, mniej więcej tyle samo, ile zajęła naturze stworzenie całego żywego świata i nas samych jako korony ewolucji metodą prób i błędów.
Dlatego Feynman mówił o milionach „fabryk”, nie oceniając jednak ich możliwej produktywności. Dlatego nawet milion nanorobotów przemykających w nas nie rozwiąże problemu, ponieważ nie będziemy mieli dość życia, aby czekać na wynik ich pracy. Dlatego Richard Smalley wezwał Erica Drexlera do wyłączenia jakichkolwiek wzmianek o „maszynach kreacji” z wystąpień publicznych, aby nie wprowadzać opinii publicznej w błąd tym antynaukowym nonsensem.
Czy można więc położyć kres tej metodzie pozyskiwania substancji, materiałów i urządzeń? Nie, wcale.
Po pierwsze, ta sama technika może być użyta do manipulowania znacznie większymi blokami budulcowymi, takimi jak nanorurki węglowe, zamiast atomów. Eliminuje to problem lekkich i reaktywnych atomów, a produktywność automatycznie wzrośnie o dwa do trzech rzędów wielkości. To oczywiście wciąż za mało na prawdziwą technologię, ale dzięki tej metodzie naukowcy już produkują w laboratoriach pojedyncze kopie najprostszych nanourządzeń.
Po drugie, można sobie wyobrazić wiele sytuacji, gdy wprowadzenie atomu, nanocząstki, a nawet fizycznego uderzenia końcówki mikroskopu tunelowego, zapoczątkowuje proces samoorganizacji, przemian fizycznych lub chemicznych w ośrodku. Na przykład - reakcja łańcuchowa polimeryzacji w cienkiej warstwie materii organicznej, zmiany struktury krystalicznej substancji nieorganicznej lub konformacji biopolimeru w pewnym sąsiedztwie punktu uderzenia. Precyzyjne skanowanie powierzchni i wielokrotne naświetlanie pozwolą na tworzenie rozbudowanych obiektów o regularnej nanostrukturze.
I wreszcie tą metodą można uzyskać unikalne próbki - szablony do dalszego rozmnażania innymi metodami. Powiedzmy, że sześciokąt składa się z atomów metalu lub pojedynczej cząsteczki. Ale jak pomnożyć pojedynczą cząsteczkę? Niemożliwe, mówisz, to jakaś nienaukowa fantazja. Dlaczego więc? Natura doskonale wie, jak tworzyć wiele, absolutnie identycznych kopii zarówno pojedynczych cząsteczek, jak i całych organizmów. Nazywa się to powszechnie klonowaniem. O reakcji łańcuchowej polimerazy słyszeli nawet ludzie, którym daleko do nauki, ale którzy przynajmniej raz odwiedzili nowoczesne medyczne laboratorium diagnostyczne. Ta reakcja pozwala namnażać pojedynczy fragment cząsteczki DNA, wyekstrahowany z materiału biologicznego lub zsyntetyzowany sztucznie chemicznie. W tym celu naukowcy wykorzystują stworzone przez naturę „maszyny molekularne” - białka i enzymy. Dlaczego nie możemy stworzyć podobnych maszyn do klonowania cząsteczek innych niż oligonukleotydy?
Zaryzykowałbym trochę parafrazy Richarda Feynmana: „Znane nam zasady chemii nie zabraniają klonowania pojedynczych cząsteczek. „Powielanie” cząsteczek według próbki jest całkiem realne i nie narusza żadnych praw natury”.
Mit szarej mazi
Eric Drekeler nie pominął elementarnego rozważania niezwykle niskiej (pod względem masy) produktywności nanorobotów. W świecie „maszyn kreacyjnych” istniały inne problemy, których z braku miejsca nie omawialiśmy szczegółowo. Na przykład kontrola jakości, opanowanie wydawania nowych produktów i źródeł surowców, gdzie i jak atomy pojawiają się w „magazynie”. Aby rozwiązać te problemy, Drexler wprowadził do koncepcji jeszcze dwa typy urządzeń.
Pierwsza to dezasemblery, antypody kolekcjonerów. W szczególności deasembler musi zbadać strukturę nowego obiektu, zapisując jego strukturę atomową do pamięci nanokomputera. Nie urządzenie, ale marzenie chemika! Pomimo wszystkich postępów w nowoczesnej technologii badawczej, nie „widzimy” wszystkich atomów, na przykład w białku. Możliwe jest ustalenie dokładnej struktury cząsteczki tylko wtedy, gdy razem z milionami innych podobnych cząsteczek tworzy kryształ. Następnie za pomocą metody rentgenowskiej analizy strukturalnej możemy określić dokładne, z dokładnością do tysięcznych części nanometra, położenie wszystkich atomów w przestrzeni. Jest to czasochłonna, pracochłonna procedura, która wymaga nieporęcznego i drogiego sprzętu.
Drugi typ urządzenia to twórca lub replikator. Do ich głównych zadań należy produkcja kolektorów w linii produkcyjnej oraz montaż replikatorów własnego rodzaju, czyli reprodukcja. Zgodnie z koncepcją ich twórcy replikatory są znacznie bardziej złożonymi urządzeniami niż proste asemblery; muszą składać się z setek milionów atomów (dwa rzędy wielkości mniejszych niż w cząsteczce DNA), a zatem mieć rozmiar około 1000 nm. Jeśli czas ich replikacji mierzy się w minutach, to mnożąc wykładniczo, będą tworzyć biliony replikatorów dziennie, będą produkować biliardy wyspecjalizowanych asemblerów, którzy zaczną składać obiekty makro, domy lub rakiety.
Łatwo sobie wyobrazić sytuację, w której funkcjonowanie systemu przejdzie w tryb produkcyjny na rzecz produkcji, niepohamowanej akumulacji środków produkcji - samych nanorobotów, gdy cała ich działalność sprowadzi się do wzrostu ich własnej populacji. Taki jest chaos maszyn w dobie nanotechnologii. Do własnej konstrukcji nanoroboty mogą pozyskiwać tylko atomy ze środowiska, więc osoby przeprowadzające demontaż zaczną rozkładać na atomy wszystko, co wpadnie w ich wytrwałe manipulatory. W rezultacie po jakimś czasie cała materia i, co dla nas najbardziej obraźliwe, biomasa zamieni się w skupisko nanorobotów, w „szary szlam”, jak w przenośni nazwał to Eric Drexler.
Każda nowa technologia generuje scenariusze nieuchronnego końca świata, dzięki jej wdrożeniu i dystrybucji. Mit szarej mazi jest tylko historycznie pierwszym takim scenariuszem związanym z nanotechnologią. Ale jest bardzo pomysłowy, dlatego dziennikarze i filmowcy tak bardzo go kochają.
Na szczęście taki scenariusz nie jest możliwy. Jeśli pomimo tego wszystkiego nadal wierzysz w możliwość złożenia czegoś istotnego z atomów, rozważ dwie okoliczności. Po pierwsze, replikatorom opisanym przez Drexlera brakuje złożoności tworzenia podobnych urządzeń. Sto milionów atomów to za mało nawet na stworzenie komputera sterującego procesem montażu, choćby na pamięć. Jeśli przyjmiemy nieosiągalne - że każdy atom przenosi jeden bit informacji, to objętość tej pamięci wyniesie 12,5 megabajta, a to za mało. Po drugie, replikatory będą miały problemy z surowcami. Skład pierwiastkowy urządzeń elektromechanicznych zasadniczo różni się od składu obiektów środowiskowych, a przede wszystkim od biomasy. Znalezienie, wydobycie i dostarczenie atomów niezbędnych pierwiastków, które wymagają ogromnej inwestycji czasu i energii,- to określi tempo reprodukcji. Jeśli rzutujesz sytuację w skali makro, jest to to samo, co składanie maszyny z materiałów, które należy znaleźć, wydobyć, a następnie dostarczyć z różnych planet Układu Słonecznego. Brak niezbędnych zasobów ogranicza nieograniczone rozprzestrzenianie się wszelkich populacji, znacznie lepiej przystosowanych i doskonałych niż mityczne nanoroboty.
Wniosek
Lista mitów jest długa. Mit nanotechnologii jako lokomotywy gospodarki zasługuje na osobny artykuł. Wcześniej w artykule „Nanotechnologia jako idea narodowa” (patrz „Chemia i życie”, 2008, N3) próbowaliśmy obalić mit, że amerykańska Narodowa Inicjatywa Nanotechnologiczna jest projektem czysto technologicznym.
Kanoniczna historia nanotechnologii to także mit, którego kluczowym wydarzeniem jest wynalezienie tunelowego mikroskopu elektronowego. To drugie jest łatwe do wyjaśnienia. „Historię piszą zwycięzcy”, a światowy projekt „Nanotechnologia”, w dużej mierze definiujący oblicze (i finansowanie) współczesnej nauki, przeniknął fizyków. Za co wszyscy, naukowcy pracujący w tej i pokrewnych dziedzinach, wyrażamy nieskończoną wdzięczność fizykom.
Mity odegrały pozytywną rolę, wzbudziły entuzjazm i zwróciły uwagę elit politycznych i gospodarczych, a także opinii publicznej, na nanotechnologię. Jednak już na etapie praktycznego wdrażania nanotechnologii czas zapomnieć o tych mitach i przestać je powtarzać z artykułu do artykułu, z książki do książki. W końcu mity utrudniają rozwój, wyznaczają niewłaściwe punkty orientacyjne i cele, rodzą nieporozumienia i obawy. I wreszcie trzeba napisać nową historię nanotechnologii - nową naukę XXI wieku, dziedzinę nauk przyrodniczych, która łączy fizykę, chemię i biologię.
G. V. Erlikh, doktor nauk chemicznych