Алексеев А. Г. (Санкт-Петербург)

Боевой атом углерода

Ученые конца ХХ — начала ХХI века, утверждавшие, что все прогрессивные занятия, связанные с накоплением знаний, идут к концу, что наука, как единая объективная целостность, закончилась, — не напоминают ли тех талантливых, но пугливых древних людей, которые очень долго, зная, что на небе одно Солнце и одна Луна, что у человека две руки и два глаза, удовлетворялись двумя числительными, а все, что выходило за пределы такого «множества», считали таинственным «ничто». Со временем, из этого «множества» стало выделяться еще одно — состоящее из трех предметов. Постепенно натуральный ряд чисел увеличивался. За кажущимся «ничто» появлялось «Нечто», так что позже великий математик древности Пифагор даже заявил, что «все есть Число», и математики во все времена стали претендовать на знание истинной истины, так как математика является единственной областью знаний, где истины открываются, а не выдумываются, причем, только эти истины являются абсолютными, в отличие от физических, которые устаревают и становятся частностями.

Можно в некотором смысле понять огорчение современных ученых, благоговеющих пред гениями прошлых веков, создавших теорию вероятности, квантовую физику, эволюционную биологию и такое оружие массового уничтожения, которое ставит под угрозу жизнь вообще, — ведь все «лучшее» уже придумано. Что же дальше? А, главное, зачем, если кажется, что невозможно создать в науке что-либо более значительное, чем это уже сделали Ньютон и Эйнштейн, Ломоносов и Королев. Словно в подтверждение этих мнений, происходит катастрофическое ускорение научного прогресса, о котором Гюнтер Стент, современный биолог из Калифорнийского университета в Беркли, говорит так: «На самом деле, сумасшедшая скорость, с которой сейчас идет прогресс, делает очень вероятным скорую остановку прогресса, возможно даже на нашем веку, может, через поколения два».

При таких устрашающих рассуждениях, научное направление, называемое устойчивым определением «высокие технологии» и привлекающее сегодня особое внимание ученых, кажется, напоминает тот древний арифметический ряд, которым когда-то открывалась «дверь» в бесконечность математических вычислений. Уже в самом названии «высокие технологии», очевидно, заложен метафизический смысл. О какой высоте можно говорить, если в большинстве случаев эти технологии связаны с микромиром, с элементарными частицами материи, с такими тончайшими процессами, в исследовании которых необходимо учитывать влияние личности исследователя. Осознанно, а скорее всего, интуитивно, по природе человеческой, издревле обожествляющей бесконечность, в названии этого научного направления появилось определение «высокие». В традиционном понимании высокими могут быть горы, небеса, звезды, чувства. Микромир может быть назван «высоким», если ученый видит его Божественное устройство, чувствует онтологически-иерархическую структуру Мирозданья. В связи с его названием, кажется, что научное направление «высокие технологии» в нашем апостасийном мире имеет корни духовной традиции.

Подобное мнение, в частности, находит подтверждение в работе кандидата ф. м. наук священника о. Кирилла Копейкина «Христианские аспекты гуманитаризации науки», где он пишет: «…именно христианское понимание тварного мира позволяет рассматривать его как своего рода «лествицу» в процессе богопознания и богообщения, а потому является стимулом к познанию самого тварного естества. Действительно, согласно библейскому повествованию мир сотворен Богом, т.е. не является ни иллюзией, ни злом, но «все, что Он создал… хорошо весьма» (Быт. 1, 31). Кроме того, в силу своей тварности, т.е. не-само-бытности, все творение сопричастно Божественному бытию и как бы несет в себе «отпечаток руки» Творца. Наконец, факт боговоплощения придает веществу мира возможность опосредовать связь с Творцом. Именно поэтому естественное созерцание — «рассматривание творений» — традиционно было одним из способов возвышения ума к Богу, «ибо невидимое Его, вечная сила Его и Божество, от создания мира через рассматривание творений видимы» (Рим. 1, 20).

В связи с таким пониманием науки, термин «высокие технологии», может иметь применение не только в области физико-технической, но в сфере педагогики и психологии, культуры и права, т. е. гуманитарной сфере, где таковым «видимым творением» является человек.

Рубрика «Высокие технологии» предполагает знакомство с новейшими научными достижениями русских ученых в естественных и гуманитарных науках, способствующими овладению отечественной наукой передовых позиций на благо России.

Первая статья академика РАЕН А. Г. Алексеева посвящена проблеме, о которой сегодня слышал, наверное, даже каждый школьник, а внимание к ее приоритету привлек президент России В. В. Путин, назвавший исследования в области нанотехнологий — первоочередным научным направлением. Так что же скрывается за этим таинственным словом — нанотехнологии?..

Редакция

Боевой атом углерода

На заседании Итальянского общества развития науки 21 сентября 1929 года учитель выдающегося физика Энрико Ферми академик Корбио сказал пророческие слова: «Итак, даже если в физике обнаружится тенденция к насыщению, работа над приложением физики в других дисциплинах, например, в биологии может привести к результатам величайшего научного и практического значения при условии, что такая работа будет вестись на высоком профессиональном уровне, с использованием ресурсов современной физики». Наилучшим подтверждением этой мысли явилось открытие фуллереновых наноструктур, удостоенное Нобелевской премии в 1996 году, которое состояло в установлении того факта, что углерод один, без посторонней помощи, образует молекулы в форме усеченного икосаэдра и более крупные геодезические клетки. Углерод изначально, с момента возникновения Вселенной, обладает этой способностью к самопроизвольной сборке молекул фуллеренов. В углероде запасена способность к созданию в трехмерном мире химически стабильных наноструктур — двумерных мембран толщиной в один атом.

По размеру наноструктуры занимают область между атомами и макроскопическими телами. Это масштаб порядка 10–100 атомных размеров.

1 нанометр (нм) = 10 Ангстрем = 10-9 метра

Атом водорода 0,05 нм

Микропроцессоры 130 нм

Видимый свет 600 нм

Поведение вещества на этих масштабах отличается замечательным многообразием свойств, так как свойства нанообъектов критически меняются от размера и/или числа атомов. Эти особенности наномира обуславливают разнообразные перспективы создания новых материалов и принципиально новых приборов.

Переход от микротехнологий к «нано» — это не количественный, а качественный переход в истории человечества. Это переход от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами, молекулами и кластерами, что и дает основание для цивилизационной роли нанотехнологий, изменяющей практически весь спектр технологического уклада — от медицины и военной безопасности до космической техники. Пример новой составляющей универсальной технологии: конец ХХ века принес человечеству «информационные технологии».

Информационные технологии и нанотехнологии тесно связаны: при теоретическом изучении наноструктур и их свойств, конструировании наноматериалов, разработок нанотехнологий значительную роль играют методы компьютерного моделирования. С другой стороны, именно с развитием нанотехнологий мы связываем будущий прогресс в материальной базе информационных технологий — электронике.

Авторитетные эксперты, предсказывают, что широкое использование нанотехнологий приведет к следующей промышленной революции, способной драматически увеличить разрыв между отдельными странами и группами стран в их экономической мощи и обороноспособности. Поэтому исследования и разработки в этой области в ряде промышленно развитых стран имеют приоритетную государственную поддержку. Первыми здесь были США, в которых финансирование национальной нанотехнологической программы началось в 2001 году.

В России с 2005 года нанотехнологии — точное название направления «Индустрия наносистем и материалы» — являются одним из национальных приоритетных направлений развития науки, технологий и техники, и с 2006 года этому направлению придается первостепенное значение.

В течение столетий наука знала только две формы химически чистого углерода: алмаз и графит. Сейчас мы знаем, что в сильно неравновесных условиях углерод способен самоорганизовываться в новую форму организации вещества — фуллереновые наноструктуры. Они представляют собой стабильные полые конструкции нанометрового размера, ограниченные поверхностями разной топологии: это топология сферы для фуллеренов и топология цилиндров для нанотрубок. Каждая из наноструктур конечна, что отличает их от классических форм углерода — графита и алмаза, идеальная структура которых заполняет все пространство.

Фуллерены были открыты в 1985 году в ходе экспериментов по изучению масс-спектров продуктов лазерной абляции углеродных мишеней в атмосфере гелия, которые выполнялись в связи с проблемой межзвездного вещества. Свое название фуллерены получили по имени американского архитектора В. Фуллера, который строил свои сооружения в виде геодезических куполов.

Фуллерены представляют собой полые кластеры, замкнутая поверхность которых образована правильными многоугольниками, пятиугольниками и шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы. Самый яркий представитель класса фуллеренов — С60 — состоит из 60 атомов углерода, его поверхность образована 12 пентагонами и 20 гексагонами. Он напоминает футбольный мяч, но с диаметром — 7,4 ангстрем. Обнаружены и более тяжелые фуллерены, состоящие из 70, 76 атомов углерода и так далее, до 900 атомов.

Настоящий бум в исследовании фуллеренов возник через пять лет после их открытия, когда в 1990 году немецкие физики предложили метод получения их макроскопического количества из графитовых электродов в электродуговом разряде в атмосфере инертного газа. С этого момента фуллерены стали гораздо более доступны для исследователей (Kraetschmer W., 1990).

На фуллеренах удивительные открытия новых углеродных наноконструкций не закончилось. В 1991 г. в Японии было обнаружено существование нанотрубок, представляющих собой полый цилиндрический кластер, позже в Швейцарии были открыты онионы — многослойные сфероидальные наночастицы, значительно превышающие фуллерены по размеру. В настоящее время предпринимаются значительные усилия по синтезу неуглеродных фуллеренов и нанотрубок, прежде всего из кремния.

В результате фундаментальных исследований фуллереновых наноструктур формируется новое содержательное представление о статусе углерода среди химических элементов и новый взгляд на фундаментальные процессы, происходящие с его участием в живой, не использующей фуллереновые наноконструкции, и неживой природе. Представляется перспективным путь формирования новых наносистем комбинированной архитектуры, подразумевающей подражание молекулярным нанотехнологиям живой природы, но использующей искусственно созданные фуллереновые наноконструкции. Такой подход является конкретной реализацией концепции нанобионики.

В настоящее время среди направлений, в которых ведутся прикладные разработки с использованием фуллереновых наноструктур, выделяются следующие:

— новые классы сверхпроводников, полупроводников, магнетиков, сегнетоэлектриков, нелинейных оптических материалов;

— новые классы полимеров с заданными механическими, оптическими, электрическими, магнитными свойствами;

— новые классы специальных полимерных ферромагнитных покрытий для электромагнитной безопасности и электромагнитной экологии;

— новые типы экологически чистых химических источников энергии;

— эмиттеры для нового поколения эмиссионной электроники и рентгеновских трубок;

— капсулы для безопасного захоронения радиоактивных отходов;

— принципиально новые классы лекарственных веществ, отличающихся как по химической структуре, так и по механизму воздействия.

Сейчас с фуллеренами, нанотрубками и другими подобными наноструктурами связывают прогресс в новых материалах, электронике, молекулярных роботах и супрамолекулярных машинах, механических наноустройствах и в других не менее важных и интересных приложениях. Например, развитие нанотехнологий с применением белковых, липидных молекул, нуклеиновых кислот или их синтетических аналогов дает возможность создавать новые высокочувствительные и дешевые системы для диагностики, а также системы для доставки лекарств к клеткам-мишеням, например раковым клеткам или целым органам. Основными приоритетами в России в области нанотехнологий для медицины являются [3,4]:

— разработка, создание и развитие новых нанотехнологических систем для диагностики;

— создание наночастиц как контейнеров для доставки, в том числе управляемой, лекарств;

— использование модифицированных фуллеренов как нового поколения лекарств.

Таким образом, результаты мировых исследований конца ХХ века превратили нанотехнологии в могучий междисциплинарный комплекс. По всему миру над его развитием работают коллективы ученых в области физики, химии, биологии, материаловедения, инженерных дисциплин. Уже получено огромное количество результатов, имеющих как фундаментальное значение для понимания свойств вещества на наноуровне, так и прикладное значение для создания новых способов манипулирования атомами и нанокластерами, получения наноструктур и наноструктурированных материалов. Наиболее значительные достижения были получены в областях наноэлектроники, нанофотоники и оптоэлектроники, полимерной электроники, биосенсорики, наноэлектромеханических систем, спинтроники и военной техники. В опубликованной в 2006 году издательством «Техносфера» книге Ю. Альтана «Военные нанотехнологии» приведен систематический обзор потенциальных военных приложений нанотехнологий в мире. В книге приведены программы по научным разработкам в области нанотехнологий, осуществляемых и планируемых в США и в ряде других развитых стран мира. В этих разработках одной из ведущих проблем является создание технологии, получившей общемировое название «Стелс», которая позволит сделать корабли, самолеты и другую военную технику малозаметными для систем обнаружения противника, а также разработать систему методов обороны против ее применения противником. В основу этих разработок положены новые типы маскировочных и защитных покрытий, которые могут использоваться и для решения задач электромагнитной безопасности военного персонала и экологии.

Научный приоритет России в подобных разработках был подтвержден в 2004 году, когда президиум Российской Академии наук присудил доктору физико-математических наук Московского физико-технического института Виктору Веселаго специальную премию им. В. А. Фока за цикл работ, признав их важнейшую роль в создании теоретического базиса нового направления физических исследований в этой области.

 

Литература:

 

1. Алексеев А. Г., Козырев С. В. «Нанотехнологии в современном мире — от электроники к нанобионике». Вестник РАЕН, 2003, № 7 (1), с. 38–48.

2. Алексеев А. Г. и др. «Медицинская магнитология и нанотехнологии», СПб, изд. «АССПИН», 2004.

3. Пиотровский Л. Б., Киселев О. И. «Фуллерены в биологии», СПб, ООО «Издательство «Росток», 2006.

4. «Нанотехнологии и наноматериалы», М.: ГУП «ИЦП», 2005.

 

 

 

 

 


культурно-просветительский
общественно-политический
литературно-художественный
электронный журнал
г. Санкт-Петербург
г. Москва