Lecture_No_01,02
.pdf
Справедливости ради следует сказать, что инициатором процессов, породивших нанобум, стал не Р. Фейнман, известный хорошо лишь среди ученых, а Э. Дрекслер, автор скандально знаменитой книги «Машины созидания: наступление нанотехнологической эпохи», опубликованной в 1986 г. и широко разрекламированной Б. Джоем в статье «Будущее не нуждается в нас». В книге Э. Дрекслера были показаны блестящие перспективы развития наноиндустрии и, вместе с тем, выдвинута идея так называемой «серой слизи» (gray goo), смертельно напугавшая общество.
Билл Джой.
21
В понимании Э. Дрекелера будущее молекулярной технологии и нанотехнологии заключается в создании функциональных структур и устройств с помощью программируемых нанороботов, способных "строить" из атомов различные объекты. Подобные машины были названы «ассемблерами» или сборщиками. Конструирование таких машин предполагалось осуществлять путем формирования химических связей в результате механического сближения электронных оболочек атомов. Наноманипулятор, описанный Дрекслером, состоял из 4*106 атомов, а робот, снабженный молекулярным компьютером, вспомогательными механизмами и т.д., содержал всего ~1*107 атомов. Очевидно, что из-за малых размеров возможности отдельного робота весьма ограничены, что, по мнению Дрекелера, приводит к необходимости создания наномашин, способных к самовоспроизводству - то есть размножению или репликации. В основе идей о самореплицирующихся структурах лежит теория фон Неймана (1940 г.), согласно которой репликация является основой природных механизмов развития, а сам процесс репликации используется как в клеточной машинерии, так и при воспроизводстве живых организмов.
22
Внешний вид ассемблера
23
Э. Дрекслер предположил, что выход из-под контроля процесса репликации изза возникновения ошибки в программе отдельного робота-репликатора может привести к техногенной катастрофе, так как нанороботы могут начать перерабатывать всю доступную им материю в самих себя (то есть неограниченно реплицироваться). При этом за два года нанороботы способны переработать всю биосферу Земли в «серую слизь», как была названа масса нанороботов в его книге. В 90-е годы XX века идеи Дрекелера вызвали волну неприязни общества к нанотехнологиям, что необоснованно затормозило процесс их развития.
И хотя позже (2004 г.) Э.Дрекслер отказался от идеи ассемблеров, способных воспроизводить самих себя, именно он и его довольно многочисленные последователи оказались ответственными за то, что в мире сейчас существуют два принципиально различных подхода к нанотехнологиям. Один, связанный с деятельностью промышленных корпораций, университетских и национальных лабораторий, базируется на достижениях химии, физики, материаловедения и ведет к революционному технологическому прорыву. Другой основан на представлениях научной фантастики о возможностях революционизировать человеческие способности благодаря развитию нанотехнологий, как на благо, так и во вред всем нам. Естественно, что последний подход оказывает значительно большее влияние на большинство людей, не имеющих специального научного или технического образования. И все же следует признать, что именно амбициозные идеи Э.Дрекелера о перспективности молекулярной индустрии, основанной на процессах механической сборки наноструктур с уникальными свойствами, растиражированные его многочисленными последователями, привлекли внимание как бизнеса, так и влиятельных конгрессменов и советников президента США к нанотехнологиям и привели в конечном счете к появлению в 2000 г. Национальной
нанотехнологической инициативы (ННИ).
24
Развитие реакции общества на новую технологию - "пик необоснованных ожиданий", "отрицательная гиперболизация", "минимум разочарований", "плато продуктивности".
Все верно, только тут недостаточно нарисовано по времени - там кривая возносится еще выше даже "пика ожиданий". Сравните "ожидания" по компьютерам годах в 70-х прошлого века и реальность, которая есть
сейчас... Тогда даже в фантастике не могли предположить о таком. :) Так что,
и нанотехнологии, я полагаю, ожидает та же участь.
25
26
•В 1947 году был изобретен транзистор, после чего началась эпоха расцвета полупроводниковой техники, при которой размеры создаваемых кремниевых устройств постоянно уменьшались (интегральные схемы, большие интегральные схемы, сверхбольшие интегральные схемы, и т.д.). С другой стороны, одновременно непрерывно возрастали быстродействие и объем магнитных и оптических запоминающих устройств. В частности, плотность записи на жестких магнитных и оптических дисках в настоящее время уже достигает 1 гигабит/кв. дюйм. Без преувеличения можно сказать, что в полупроводниковых технологиях (иногда их называют просто кремниевыми) вот уже более полувека происходит непрерывная революция.
•Однако, по мере приближения размеров полупроводниковых устройств к 1 микрону (1 мкм = 10-6м), в них начинают проявляться квантово-
механические свойства вещества, т. е. необычные физические явления
(типа туннельного эффекта). Можно с уверенностью предположить, что при сохранении нынешних темпов развития вся кремниевая технология (и связанная с ней промышленность полупроводников) примерно через 5-10 лет столкнется с проблемами принципиального характера, так как быстродействие и степень интеграции в ЭВМ достигнут некоторых «принципиальных» границ, определяемых известными нам законами физики. Таким образом, дальнейший прогресс науки и техники требует от исследователей существенного «прорыва» к новым принципам работы и новым технологическим приемам.
27
•Такой революционный прорыв может быть осуществлен только за счет использования нанотехнологии, которая позволяет создавать целый ряд
принципиально новых производственных процессов, материалов и устройств на их основе. Расчеты показывают, что использование нанотехнологии может повысить основные характеристики полупроводниковых вычислительных и запоминающих устройств на три порядка, т. е. в тысячу раз! Это станет,
безусловно, настоящей революцией в области информационных технологий и окажет огромное воздействие на экономическое и социальное развитие общества в XXI веке.
•Однако нанотехнологию не стоит сводить только к локальному революционному прорыву в указанных областях (электроника, информационные технологии). Уже сейчас в нанотехнологии получен ряд исключительно важных результатов, позволяющих надеяться на существенный прогресс в развитии многих других направлений науки и техники (медицина и биология, химия, экология, энергетика, механика и т. п.). Например, при переходе к нанометровому диапазону (т. е. к
объектам с характерными длинами около 10 нм) многие важнейшие свойства веществ и материалов изменяются существенным образом. Речь идет о таких важных характеристиках, как электропроводность, коэффициент оптического преломления, магнитные свойства, прочность, термостойкость
ит. п. На основе материалов с новыми свойствами уже сейчас создаются новые типы солнечных батарей, преобразователей энергии, экологически безопасных продуктов и т. п. Возможно, что именно производство дешевых, энергосберегающих и экологически безопасных материалов станет наиболее важным последствием внедрения нанотехнологий. Уже созданы высокочувствительные биологические датчики (сенсоры)
идругие устройства, позволяющие говорить о возникновении новой науки - нанобиотехнологии и имеющие огромные перспективы практического применения.
•Нанотехнология предлагает новые возможности микрообработки материалов и создания на этой основе новых производственных процессов и новых изделий, что должно оказать революционное воздействие на экономическую и социальную жизнь грядущих поколений.
28
Примеры практического применения нанотехнологий
Прогноз экономических и социальных последствий внедрения
нанотехнологий |
29 |
|
Развитие нанотехнологий
•Основной причиной ускорения развития нанотехнологий, например, в Японии, стала активизация действий США в этом направлении. Ранее всегда считалось, что США являются мировым лидером в информационных технологиях и биологии, а Япония имеет очень высокие показатели во многих других областях, связанных с микроили нанотехнологиями.
•В период 1996-1998 годов Соединенные Штаты поставили своей целью стать мировым лидером практически во всех нанотехнологических исследованиях, для чего была разработана обширная программа, позднее оформленная в виде официально принятой Национальной Нанотехнологической Инициативы (ННИ) в январе 2000
года. Уже в 2001 году США планировали выделить на развитие нанотехнологий около 500 миллионов долларов, что означает рост расходов на 84% по сравнению с предыдущим годом. ННИ представляет собой стратегию и детальный план развития новых технологий на ближайшие 20 лет, причем в него включено большое число долгосрочных и среднесрочных фундаментальных исследований. Программа опирается на огромную экономическую и техническую базу США и является весьма внушительной как в количественном, так и в качественном отношении.
•С другой стороны, японские достижения в нанотехнологий тоже соответствуют мировому уровню, однако Япония (в отличие от США) до сих пор не имеет общегосударственной стратегии развития в этой области, что не позволяет объединить должным образом усилия различных фирм и исследовательских организаций для получения реально значимых результатов. Изучая создавшуюся ситуацию, эксперты пришли к выводу, что японская промышленность должна, прежде всего, повысить свою конкурентоспособность в информационных технологиях и произвести серьезный пересмотр приоритетов своей научно-технической стратегии. США удалось «незаметно» обогнать другие страны в организации нанотехнологического прорыва.
30