Нанонауки. Невидимая революция

Жоаким Кристиан

Блез Паскаль вообще обошелся без греческого языка, когда вопрошал об «анималкулах» (лат. анималкула —маленький зверь), то есть о тех крошечных существах, что обнаружили первые ученые-микроскописты. Позже Вольтер в своем сочинении «Микромегас» вывел самых разных героев — очень крупных и совсем мелких, размеры которых доходили или, вернее, нисходили до атомного масштаба. Главный персонаж по имени Микромегас (ростом в 8 льё, то есть примерно 30 км), уроженец планеты из системы Сириуса, знакомится с карликовым — рост всего 1000 туаз, около 1,8 км, — обитателем Сатурна, но затем оказывается, что «карлик» — лишь «промежуточное звено» между великим и малым. Эта парочка встречается с землянами, а это совсем уж «атомы», хотя именно они — главная приманка философской сказки Вольтера. Эти мелкие земляне умеют говорить и даже знают геометрию. Более того, Вольтер делает смелое предположение, что у крошечных землян может быть даже душа!

Впервые «нанно» как научный термин появился только в 1909 году, в Германии, когда на семинаре в Германском обществе зоологии выдающийся профессор зоологии университета в Киле Ханс Ломан предложил называть микроскопические водоросли, которые он наблюдал с помощью оптического микроскопа, «наннопланктоном», — на том основании, что греческое nannos —перевод

немецкого слова Zwerg, означающего «карлик». То, что Ломан сохранил двойное «эн», существенно повлияло на участь приставки. До сего дня часть биологов сохраняет веру в то, что область науки, которой они занимаются, называется наннобиологией, и публикуют свои работы в «Журнале исследований наннопланктона» — Journal of Nannoplankton Research.В главе 5 упоминались и другие биологи — те, что в наши дни изучают наннобактерии — организмы, величина которых меньше 100 нм. Ломан придумывал свою приставку для обозначения объектов величиной меньше микрометра. В начале XX века единицей измерения, использовавшейся для описания величины молекул, служила миллионная доля миллиметра, именуемая «микромиллиметром», а по-французски и вовсе непроизносимое: «septi`eme-centim`etre», то есть «сантиметр в (отрицательной) седьмой степени». Изучение излучений, испускаемых газами или пропускаемых через газы, шло тогда вперед семимильными шагами. Примерно в то же время были открыты рентгеновские лучи — с длинами волн в тысячу раз меньше, чем у видимого света. И повестка дня властно потребовала изобретения новых обозначений для единиц измерения сверхмалых величин. Чтобы убедиться в этом, достаточно ознакомиться с отчетами о Нобелевских премиях по физике за 1900–1920 годы: сообщения о результатах пестрят нулями после запятой. В статьях, выходивших в те годы, длину волны рентгеновских лучей указывали в сантиметрах: например 0,000000001 см! И тогда было решено измерять длины волн в ангстремах — в честь шведского физика Андерса Юнаса Ангстрема, внесшего большой вклад в развитие спектроскопии. Среди прочего он составил подробную диаграмму солнечного излучения, найдя каждому оттенку этой многоцветной палитры свою длину волны и выражая их значения в десятимиллионных долях миллиметра (10 ^{– 10}м). Этот множитель был определен как ангстрем (А) и в 1905 году утвержден в качестве единицы измерения.

Та же потребность в создании новых наименований множителей для единиц измерения, кратных метру, во второй раз побудила ученых вспомнить о приставке «нано». В октябре 1958 года во время заседания Международного комитета мер и весов было принято решение согласиться с предложением, с которым еще в 1956 году выступал советский ученый Г. Бурдун, и впредь именовать миллиардную долю метра нанометром. Члены комитета решили также писать одно «н», исходя из правила, по которому множителям единиц, больших метра, присваиваются греческие приставки, а если единица меньше метра, то множитель обозначается латинской приставкой. Так, префикс для множителя 1000, «кило», происходит от греческого «хили» (тысяча), а для тысячной — 10 ^{– 3}, «милли» — от латинского «миллесимус» (тысячная). В 1950-е годы были изобретены и другие приставки, произведенные от других корней: «гига» (10 ⁹) — от греческого «гигас» (великан), «тера» (10 ¹²) — от греческого «террас» (чудо, чудовище). Следуя той же логике, международные законодатели предпочли латинский корень «нанус» (карлик) греческому «наннос» для префикса-множителя одной миллиардной. Кроме того, в ходу также «микро» (10 ^{– 6}) — производное от греческого «микрос» (маленький), а «пико» (10 ^{– 12}) — и вовсе от итальянского «пикколо» (маленький).

Эта путаница между греческим карликом с двумя «н», о котором вспомнил Ломан, и латинским карликом с одним «н» Международного комитета мер и весов породила немало недоразумений. В 1950-е годы заседал как-то Консультативный комитет по научной терминологии при Французской академии наук. Жорж Дефландр, бывший тогда директором лаборатории микропалеонтологии Практической школы высших исследований* (L’'Ecole pratique des hautes 'etudes), захотел выяснить мнение комитета касательно двух «н» в своевольно введенном в 1959 году термине «наннофоссил» (ископаемые небольшого размера): словечко придумали, имея в виду уже существующий «наннопланктон» и подобные ему обозначения. Декану медицинского факультета в Монпелье Гастону Жирару поручили провести необходимые этимологические разыскания, и он, поразмыслив, сделал заключение, что оба написания корректны. В конечном счете Консультативный комитет постановил: удвоение буквы «н» в префиксе определяется научной областью, использующей термин с этой приставкой. Так, «палеонтология и микропалеонтология вправе писать приставку с двумя „н“, тогда как физика (в частности, метрология), медицина и физиология ограничиваются написанием одного „н“».

Но и это официально закрепленное разделение между «нано» и «нанно» не устранило двусмысленностей, возникающих из-за того, что «нано» понимается и просто как еще одно слово для чего-то немыслимо малого, и как точный научный термин со значением «одна миллиардная». Наоборот, неразберихи возникло еще больше. И она стала как бы узаконенной. Спору нет, откуда заседавшие тогда в Консультативном комитете знали, что прогресс физики, технологии и химии толкнет исследователей в направлении наномасштабов, а толки на этот счет привлекут внимание к злополучной приставке самой широкой публики. Сейчас не то, и даже вид красочных картинок конца 1950-х годов с атомами и молекулами теперь скорее удивляет. А надо бы не дивиться, а тревожиться: спрос на научно-фантастическое чтиво упал, не говоря о научной или хотя бы научно-популярной литературе. Но не так давно едва ли не все очень внимательно следили за успехами науки, нетерпеливо дожидаясь от нее новых чудес и радуясь покорению Луны, особенно полетам пилотируемых «Аполлонов». Парадоксально: полет «Аполлона» на Луну не состоялся бы, не будь миниатюризации электронных устройств и деталей, без знаменитых интегральных схем. Но время наномасштабов, миниатюризации до нанометра еще не пришло…

Однако уже в начале 1960-х физики научились чертить на поверхностях различных материалов царапины шириной в 100 нм. Этим достижениям, конечно, было далеко до высоких результатов метаболизма (обмена веществ) в живых организмах. Многих физиков завораживали молекулярные процессы, которые казались образцом, по которому стоило

бы строить самые совершенные машины. Открытие структуры ДНК в 1953 году породило надежды на возможность накопления больших объемов информации, умещающихся в небольшом количестве атомов. Со своей стороны, биологи-молекулярщики тоже подражали «чужим манерам», заимствуя идеи у технологии и кибернетики, после чего пытались истолковать функционирование генетики, уподобляя ее какому-то машинному механизму. Макромолекула — объект, что и говорить, немыслимо маленький, невидимый не только невооруженным глазом, но и в оптический микроскоп, иначе говоря, нанообъект в своем роде. И эта же молекула содержит тысячи атомов — и она по размеру много больше, чем нанометр. Чересчур она велика для нашей крошки «нано» — той, что с одним «н». К концу 1970-х прижился новый термин — «мезоскопическая физика», подразумевавший изучение физики объектов величиной с макромолекулу, то есть укладывающихся в пределы 10-100 нм. В 1974 году химик Ави Авирам, работавший тогда в исследовательских лабораториях IBMпод Нью-Йорком, вообразил молекулярный диод, то есть электронную деталь, проводящую ток только в одном направлении. И этот компонент должен был состоять только из одной молекулы, масса которой не превышала бы массу белка! Так что вслед за молекулярной биологией, мезоскопическая физика и молекулярная электроника тоже, и столь же неудержимо, устремились в мир «на дне». Между тем ни одну из соперничающих приставок — ни «нанно», ни «нано» — не вспоминали тогда на научных конференциях и семинарах. Возвращение приставки на публичную арену датируется 1974 годом, а произошло это в Японии. Так история «нано» началась в третий раз.

Специалист по материаловедению Норио Танигути задумался: как бы научиться изготавливать материалы с точностью до нанометра. Для обозначения подобного производственного процесса он придумал слово «нанотехнология». Лет пятнадцать на новинку почти никто не обращал внимания. Надо было дождаться 1981 года, года рождения туннельного микроскопа, чтобы нанотехнология, хотя и остававшаяся больше словом, чем реальным явлением, начала занимать все больше места в общественном сознании. Как-никак туннельный микроскоп позволял трогать атомы и перемещать их, что вполне оправдывало утверждение нового термина, хотя бы в научном словаре. Фирма Digital Instruments, со штаб-квартирой в Калифорнии, присвоила своему туннельному микроскопу — первому из приборов этого типа, поставлявшемуся как товар на коммерческий рынок, — имя «Наноскоп-1» ( Nanoscope 1). Следом в Англии начал выходить новый научный журнал — Nanotechnology(«Нанотехнология»). Он был создан по почину Дэвида Уайтхауса, профессора Университета в Уорике и специалиста по микроинженерии и высокоточной металлообработке: Уайтхаус сумел убедить английского издателя научных журналов в том, что стремление исследователей низвести миниатюризацию на уровень нанометра — не пустая болтовня и что это интересное начинание сулит превратиться в цветущий рынок. Первый номер вышел в июле 1990 года. Обращаясь к читателям нового издания, Д. Уайтхаус пророчил, что со временем его название изменится: вместо «Нанотехнологии» появится «Пикотехнология» иначе говоря, Уайтхаус пообещал умаление еще в тысячу раз. В этой книге рассказывалось о последовавших вскоре политических играх, обернувшихся для журнала немалой удачей: приставка «нано» в названии оказалась очень практичной. Благодаря приставке журнал мог обласкать любую научную дисциплину, даже самую почтенную: украсив себя яркими блестками новехонького бренда «нано», легче завлекать инвесторов. Эта забава, похоже, захватила всех, кроме, быть может, математиков. Приставка «нано» оттягивала на себя немалую долю отпускаемых на науку средств, и это происходило по всему миру. Не ограничившись нашей планетой, энтузиасты «нано» подняли шум вокруг так называемых «нанобактерий» с Марса — якобы обнаруженных внутри метеорита, прилетевшего с красной планеты. При этом «нано» решительно теснила «нанно» даже в биологии.

Но слишком велик был экспансионизм этого предприятия, и наша приставка «нано», не успев примелькаться, оказалась уже на пороге насыщения. Остается выискивать новые цели и мишени, особенно в биологии, химии, механике. И делать уступки общепринятым условностям, требующим вежливого обхождения с соседями и соперниками, — ради новых перспектив, конечно. Уже почти не говорят о «нанотехнологиях», предпочитая аббревиатуру НБИК, то есть «Нанотехнологии, биотехнологии, информационные и когнитивные технологии». Если вспомнить исходный смысл — «миллиардная доля метра», — то приставку можно подогнать под все что угодно, лишь бы это что-то было очень маленьким. Так что в общественном сознании «нано» все сильнее увязывается с микротехнологией. Изобретена даже гибридная приставка — micro & nano,которой охотно прикрываются лоббисты, создающие все новые и все большие группы давления, выбивающие средства как из казенных учреждений, отвечающих за науку, так и из капитанов частного бизнеса, подстрекая капиталистов тратиться на новые заводы. Многие ученые до того утомлены всей этой путаницей и суматохой, что спешно переходят на пикометр, который в 1000 раз меньше нанометра, тем самым точно и без обиняков обозначая масштаб своих исследовательских интересов. Те же из них, кому больше по вкусу образное мышление, говорят об «атомной шкале» или «атомном масштабе». А чтобы уж совсем и окончательно сбить с толку как можно больше народа, приставка «нанно» хоть и отступила, но не погибла, окопавшись в биологии и палеонтологии…

Библиография

Коллективные труды

ФРАНЦУЗСКОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ПО НАБЛЮДЕНИЮ ЗА ТЕХНИЧЕСКИМ ПРОГРЕССОМ (ОФТА)

La Haute Int'egration en 'electronique. Paris: Masson, 1987. Coll. «Arago». № 4.

L’'Electronique mol'eculaire. Paris: Masson, 1988. Coll. «Arago». № 7.

Nanotechnologies et micromachines. Paris: Masson, 1992. Coll. «Arago». № 12.

Microsyst`emes. Paris: Masson, 1999. Coll. «Arago». № 21.

Nanocomposants et nanomachines. Paris: Lavoisier; Tec & Doc, 2001. Coll. «Arago». № 26.

Nanomat'eriaux. Paris: Lavoisier; Tec & Doc, 2001. Coll. «Arago». № 27.

КОРОЛЕВСКОЕ ОБЩЕСТВО И КОРОЛЕВСКАЯ ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

Nanosciences and Nanotechnologies: Opportunities and Uncertainties. L., 2004. 29 July.

Nanosciences Pour la science. 2001. № 290, d'ec.

Lahmani M., Dupas C., Houdy Ph. ('ed.). Les Nanosciences. Nanotechnologies et Nanophysique.Paris: Belin, 2004. Coll. «'Echelles».