Нанотехнологии. Правда и вымысел
Шрифт:
В таблице 10 представлены наиболее известные зарубежные фирмы, работающие в области создания наноматериалов и нанотехнологий.
Таблица 10. Некоторые наиболее известные зарубежные производители наноструктур и товаров на их основе
Переходным и соединяющим звеном между достаточно развитыми инкрементными нанотехнологиями и находящимися на начальном пути развития эволюционными нанотехнологиями являются различные методы зондовой нанотехнологии (микроскопии). О практической стороне их использования мы расскажем в дальнейших главах.
Достаточно широкое применение нашли нанотехнологии, основанные на гетероструктурах, в производстве полупроводниковых источников света – светодиодов, более подробно о которых также будет рассказано в следующей главе.
Эти и другие разработки наноразмерной электротехники, в том числе отечественных ученых, в настоящее время являются наиболее весомыми достижениями в области практической нанотехнологии.Эволюционная
Эволюционная нанотехнология связана с наномеханизмами, работы над которыми находятся на начальном этапе.
Как уже было отмечено, по идее Э. Дрекслера, из фуллеренов, нанотрубок, наноконусов и других аналогичных структур могут быть собраны молекулы в форме разнообразных нанодеталей – зубчатых колес, штоков, деталей подшипников, роторов молекулярных турбин, подвижных узлов манипуляторов и т. д. Сборка готовых деталей в работоспособную механическую конструкцию может осуществляться с использованием СЗМ или ассемблеров (самосборщиков) с прикрепленными к деталям биологическими макромолекулами, способными избирательно соединяться друг с другом. Изделия, созданные на основе оптимальной сборки атомов и молекул, будут иметь предельно высокие характеристики.
На рис. 43–45 приведены примеры простейших и довольно сложных механических конструкций, рассчитанных методами молекулярной динамики и собранных из нанокомпонентов.
Наибольшего прогресса в этом направлении достигли японские ученые из университета префектуры Айти вместе с коллегами из токийского Университета Сэйкэй, создавшие микроскопический «подшипник», в котором потери на трение настолько незначительны, что даже самые точные современные приборы не способны их зарегистрировать. Силу трения, которую измеряли при помощи силового зондового микроскопа, зафиксировать не удалось, так как она оказалась меньше триллионной доли Ньютона, что пока измерить невозможно.
Рис. 43. Простейшие шестеренные передачи (разработка NASA)
Рис. 44. Сборочные единицы наноподшипника
Рис. 45. Сборка конструкций наноманипуляторами
Материалом для «вечного» мини-подшипника послужили синтетические молекулы – фуллерены. В данном случае они состояли из 60 атомов углерода, расположенных в виде правильных пяти– и шестиугольников, формирующих шар. Эти вращающиеся «шарики» после сложного технологического процесса поставили в ряд между двумя удлиненными пластинками из графита.
В данном случае был реализован принцип безызносного подшипника, который планируется использовать в производстве миниатюрных роботов и микромеханизмов с практически вечными деталями.
В 2005 году профессор Джеймс Тур и его коллеги из техасского Университета Райса (Rice University) создали молекулярную механическую «конструкцию» – цельномолекулярный четырехколесный «наноавтомобиль», шириной около 2 нм, работающий на поглощении энергии света (рис. 46). Он состоял примерно из трех сотен атомов и имел раму и оси (фениленэтиленовый олигомер), химически связанные ковалентными связями с четырьмя фуллереновыми колесами (бакиболлами), то есть сферами из 60 атомов.
Рис. 46. Схематичная атомная конструкция наноавтомобиля
Первый «наномобиль» проявил способность к перемещению только по золотой поверхности и только в интервале температур 170–225 °C из-за высоких сил сцепления (адгезии) с поверхностью золота при более низких температурах.
С помощью электронного микроскопа было установлено, что «наноавтомобиль» может двигаться только в перпендикулярном направлении к осям конструкции, что указывает на реализацию вращающего движения колес, а не их скольжение по поверхности.
На разработку и создание «наноавтомобиля» потребовалось восемь лет. Причем самой сложной задачей оказался как раз поиск решения о креплении четырех фуллереновых колес несущей части. Рама «наноавтомобиля» была изготовлена учеными при помощи реакций кросс-сочетания, катализируемых палладием, причем эта работа заняла менее 10 % затраченного времени. При этом у фуллереновых «колес» оказались слишком большие потери на адгезию, и их пришлось заменить карборановыми (борорганическими).
В 2009 году, по некоторым сообщениям [сайт Rice University, 30.01.2009], американские ученые профессор Стефан Линк (Stephan Link), Анатолий Коломейский и др. усовершенствовали предыдущую разработку, создав «наномашину», двигавшуюся уже при комнатной температуре и непроводящей (не золотой) поверхности. Они также снабдили конструкцию флуоресцентной меткой, позволившей замерить скорость передвижения автомобиля – 4,1 нм/с (14,76 мкм/час). Можно считать, что на настоящий момент это мировой рекорд скорости для «наноавтомобилей», который заслуживает занесения в «Книгу рекордов Гиннесса».
Данная конструкция представляет собой первый шаг в направлении молекулярного производства (эволюционной нанотехнологии) и открывает возможности изучения манипулирования вещами на наноуровне в небиологических системах, о чем писал Эрик Дрекслер. В планах ученых – создание грузовых нанотранспортных средств («наногрузовиков») для перевозки грузов (молекул) к конвейерам нанофабрик.
Наибольшее внимание это направление исследований получило в электротехнике, ниже оно будет рассмотрено подробнее, поскольку в будущем послужит переходным звеном к радикальным нанотехнологиям.Радикальные нанотехнологии
Радикальная нанотехнология – это нанороботы (предполагаемые конструкции и результаты их использования в настоящее время существуют лишь в фантастических рассказах и кинофильмах). Они способны к перемещению в окружающей среде и снабжены бортовой системой управления. Нанороботы могут быть использованы для решения широкого круга задач, включая диагностику и лечение болезней, в том числе борьбу со старением, для перестройки организма человека «по заказу», изготовления сверхпрочных конструкций вплоть до лифтов «Земля-орбита» и даже «Земля-Луна», терраформирования (изменения) Луны, других планет, их естественных спутников и т. д.
Один из самых известных последователей идей Дрекслера и мыслитель в области молекулярной нанотехнологии – австралийский ученый и писатель Джон Сторрс Холл (John Storrs Hall). Он основал сайт новостей sci.nanotech Usenet, которым руководил на протяжении десяти лет. Холл два года работал в качестве главного специалиста Nanorex Inc. Он написал несколько научных работ по нанотехнологии и разработал такие идеи, как конструкторский туман, космический пирс – концепция космического гибрида пирса-башни и космический автомобиль. В 2006 году Институтом предвидения нанотехнологий (Foresight Nanotech Institute) С. Холл награжден премией Р Фейнмана не только за научные работы, но и за популяризацию идей из области молекулярной нанотехнологии. Время от времени на различных конференциях по нанотехнологиям доктор Холл представляет концепцию космического пирса как один из фантастических проектов, реализация которого будет технически и экономически возможна методами молекулярной нанотехнологии.
Идея космодрома, использующего силы земного притяжения и центробежного ускорения в виде системы супервысоких башен, связанных между собой специальной дорогой, достаточно стара. Еще в 1686 году в одном из писем Исаак Ньютон рассуждал об использовании в качестве средства передвижения конструкции (повозки), основанной на этих принципах.
Основоположник космонавтики Константин Эдуардович Циолковский (1857–1935) еще 1895 году в своей работе «Грезы о Земле и небе» также выдвинул аналогичные идеи транспортных космических систем: космического лифта и центробежного ускорителя.
Основная же идея космодрома Холла заключается в необходимости построить конструкцию из синхронных башен высотой от 100 км (62 мили) до 300 км (186 миль). Вся система должна быть соединена специальным токопроводящим рельсом или каким-то иным способом, позволяющим использовать для разгона индукционные (электромагнитные) поля (рис. 47).
Рис. 47. Схема космического старта с пирса-башни
Космический корабль (космический автомобиль) поднимается вертикально вверх на первую башню высотой 100 км над уровнем земли и устанавливается на этот рельс (путь). Затем за счет электромагнитных сил и центробежного ускорения Земли он разгоняется до необходимых скоростей, достаточных для выхода в открытый космос, полетов на Луну, Марс или Венеру.
В общем, упрощенно можно сравнить данную идею с катанием с горки на санях. Чем выше горка, тем быстрее едешь, при этом для движения вниз не затрачивается никаких дополнительных усилий (энергии), кроме как силы притяжения. В случае с космическим автомобилем имеется еще один дополнительный разгонный фактор – центробежные силы от вращения Земли вокруг своей оси.
Такая фантастическая идея имеет множество климатических, социальных, технических и технологических проблем, делающих ее невыполнимой в ближайшее время. Ведь для строительства подобной конструкции потребуется расширение производственных мощностей по производству различных наноструктур высокого качества, прежде всего трубок (наномолекулярное производство). Проект потребует до 100 тыс. тонн практически идеального нанотрубчатого графита большой длины для строительства башен и прокладки кабельных сетей протяженностью порядка 80 тыс. км.
Идея космического лифта в настоящее время кажется более осуществимой.
Космический лифт – фантастическая научно-техническая концепция специального устройства по выведению грузов и спутников на планетарную орбиту или за ее пределы с помощью высокопрочного троса, протянутого от земной поверхности к геостационарной орбитальной станции. По тросу должен двигаться подъемник, перевозящий необходимый груз. За пределами геостационарной орбиты за счет центробежной силы лифт будет ускоряться без дополнительных затрат энергии, что позволит даже отправлять его вовне планетарной орбиты. Для сбалансирования собственного веса троса со станции в противоположную сторону должен спускаться другой трос.
В 1960 году идея космического лифта была обоснована и достаточно подробно разработана ленинградским инженером Юрием Николаевичем Арцутановым.
В 1978 году один из известнейших научных фантастов Артур Кларк написал получивший широчайшую известность роман о космическом лифте «Фонтаны рая».
Кларку принадлежит и идея так называемого полулифта – троса, протянутого от аппарата на геостационарной орбите (такие спутники неподвижно расположены над заданной точкой земной поверхности на высоте 36 тыс. км) не до самой поверхности Земли, а только на половину расстояния.
Однако и конструкция космического лифта (полулифта) в той или иной степени требует применения новых высокопрочных материалов. От троса требуется сочетание высочайшей прочности на разрыв (около 20 000 МПа, тогда как у лучших легированных сталей она не превышает 1700 МПа) и малого удельного веса (плотности), ориентировочно втрое легче алюминия.
Так, стальной трос, если его подвесить над поверхностью Земли, под действием собственного веса разорвется при длине около 70 км, углеродные волокна оборвутся при высоте не более 140 км, искусственный материал кевлар продержится около 200 км, кварцевая нить выдержит более 280 км. С учетом «микротяжести» (разности между силой тяжести и центробежной силой, возникающей при вращении на орбите) максимальное натяжение намного меньше полного веса троса – реальная разрывная длина превысит указанную в 4–5 раз. По теоретическим расчетам трос из качественных углеродных нанотрубок может обладать прочностью до 400 кН/мм2.
Лишь для одного троса космического лифта потребуется около 20 млн граммов углеродных нанотрубок высокого качества. С учетом того, что в 2006 году их стоимость составляла 25 долларов за грамм, цена только одного троса в настоящее время составляет более 5 млрд долларов. Стоимость же создания всего лифта оценивается в 7-12 млрд долларов.
Поперечное сечение троса космического лифта само по себе является сложным техническим решением (рис. 48). В середину уложен легкий направляющий жгут 1 из волокон номекса или кевлара. Для передачи электрического тока на его поверхность укладывается тонкая оплетка 2 из медной проволоки, поверхность которой защищена от внешнего воздействия тефлоновым изоляционным материалом 3. Основную механическую нагрузку должен нести высокопрочный слой кевлара 4. Вся конструкция снаружи защищена от ультрафиолетового излучения еще одним слоем номекса 5. Также на поверхность могут быть нанесены различные светоотражающие защитные слои лака 6.