Эпоха открытий. Возможности и угрозы второго Ренессанса - Крис Кутарна

Когда популярные технологии меняются, наша интуиция тоже меняется. Мы очень быстро привыкаем к тому, как должны себя вести предметы. Вам приходилось когда-нибудь проводить пальцем по экрану, чтобы обнаружить, что это не сенсорный экран? В этот момент разочарования вы можете мельком ощутить изменения, которые привнесут в наше мышление квантовые технологии. Возможно, в нашей повседневной жизни начнут появляться диковинные устройства – новые инструменты для зондирования, коммуникации, вычисления и обработки информации, – которые будут вести себя совсем не так, как устройства, к которым мы привыкли. Это будут непроницаемые черные ящики, пугающим образом мгновенно узнающие то, что им нужно, невзирая на расстояние и сложность. Чем больше будет таких устройств, тем менее странными и более естественными нам будут казаться квантовые модели поведения. Мы начнем более глубоко интуитивно понимать, как на самом деле устроена Вселенная. И это поможет нам быстрее разгадать больше ее секретов.

Производственный гений

Недавнее вторжение человечества в нанопространство обнажило пределы наших возможностей в вопросе обработки информации – и пообещало дать новый способ, который однажды приведет нас к самым глубоким тайнам природы. Но оно также обнажило пределы наших возможностей в вопросе создания вещей и дало новые способы манипулировать материей.

В начале 1980-х гг. ученые в Цюрихе изобрели новое устройство на квантовой основе, сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), и впервые в истории смогли получить изображения отдельных атомов. К середине 1980-х гг. они уже могли брать и перемещать атомы по одному. Обрадованные футурологи буквально фонтанировали идеями: представьте себе крошечных нанороботов, которые создают машины и материалы с нуля, атом за атомом, с абсолютной точностью в минимальном масштабе. Некоторые фантазировали, что мы будем производить топливо из воздуха, извлекать чистую воду из жидких отходов и собирать космические корабли из песка и СО2. А слово «недостаточно» вообще исчезнет из нашего лексикона [22].

К сожалению, так же как квантовая рябь не позволяет бесконечно уменьшать кремниевые транзисторы, некоторые наноявления не позволяют нам уменьшать наши машины. Две широко распространенные проблемы нанопространства – хаотическое движение и клейкость. Хаотическое движение наблюдается и в стандартной физике – оно заставляет единственную каплю пищевого красителя заполнять собой целый стакан чистой воды. Вода может выглядеть спокойной, но на уровне наночастиц это бушующий океан сталкивающихся между собой молекул H2O. Клейкость является квантовой характеристикой – это то, что заставляет прозрачную пищевую пленку приклеиваться к салатнице и удерживает вместе две гладкие пластины стекла. Физические подробности этого явления понятны лишь посвященным, но в основном вещи прочно присоединяются друг к другу, когда их поверхности вступают в контакт. На макроуровне мы не часто наблюдаем этот эффект, поскольку большинство поверхностей, которые кажутся нам гладкими, при ближайшем рассмотрении оказываются шероховатыми, и у них слишком мало точек реального соприкосновения. Однако в нанопространстве клейкость обладает такой же всепроникающей силой, как сила тяжести на макроуровне. Из-за совместного действия этих двух явлений – хаотического движения и клейкости – пытаться построить что-либо в нанопространстве все равно что пытаться построить башню на корабле во время шторма, причем каждый рабочий, подъемный кран, болт, балка и дождевая капля покрыты слоем быстро застывающего цемента.

Новая эпоха открытий

Знакомые инженерам силы – натяжения, сжатия и т. п. – в нанопространстве не действуют, а материалы, которые они привыкли использовать для строительства, обладают другими свойствами. Углерод черного цвета, но если вы создадите лист углерода толщиной в один атом, он будет более прозрачным, чем стекло. Окружающее нас атомное пространство представлялось нам величайшей загадкой, поэтому в 1980-е гг. наука о материалах, вооружившись СТМ (сканирующими туннельными микроскопами) и другими новыми технологиями, устремилась на поиски того, что находится там, в глубине вещества, по каким правилам существует этот мир и можно ли использовать его необыкновенные качества для нашей пользы.

Прогресс был стремительным: мы увидели новые золотые города и вернулись с доказательствами. В 1990 г. в журнале Nature и дочерних изданиях было опубликовано в общей сложности 230 научных работ, посвященных наноразмерным объектам. К 2015 г. число работ превысило 11 тысяч. (Для сравнения, чтобы написать 11 тысяч научных работ на тему эволюции, потребовался 71 год [23].) На рубеже тысячелетий стали появляться первые коммерческие варианты применения нанотехнологий, а к 2015 г. тысячи таких продуктов уже образовали огромный рынок с оборотом 1 миллиард долларов [24].

Наночастицы серебра убивают бактерии. Как именно они это делают, мы пока точно не знаем, но уже выпускаем носки, плюшевых медвежат, перевязочные материалы, зубные импланты и строим станции метро с использованием материала, который помогает предотвращать болезни и ускоряет заживление. В 2015 г. ученые разработали «питьевую книгу» (бумагу, пронизанную наночастицами серебра) в качестве портативного недорогого решения для фильтрации грязной воды и превращения ее в питьевую [25]. Выяснилось, что гекконы могут бегать по стенам и потолку за счет квантовой клейкости: их мускулистые лапки покрыты миллиардами волосков наноразмера, обеспечивающих множество точек соприкосновения с любой поверхностью. Предприниматели создали синтетический аналог с помощью приемов, заимствованных из полупроводниковой промышленности, и теперь гекко-скотч может при необходимости найти применение в обороне (роботы повышенной проходимости), производстве (замена разнообразных винтов, заклепок и клеев) и даже в легкой атлетике (перчатки для американского футбола, не дающие игроку уронить мяч). Другие открытия будут иметь более широкое влияние. Ученые работают, например, над искусственным фотосинтезом, чтобы получать топливо из солнечного света и СО2, над ускорением процесса секвенирования ДНК (идея заключается в том, чтобы пропустить одну молекулу ДНК через крошечное отверстие, способное чувствовать электрическую разницу между проходящими сквозь него A, C, G и T) и изготовлением супертонких нервущихся презервативов из нановолокон.

Один из самых универсальных материалов, пришедших к нам из нанопространства, – графен, впервые полученный в 2004 г. Графен представляет собой лист чистого углерода толщиной в один атом. Мы хорошо знакомы с другими формами углерода – алмазом, самым твердым из существующих материалов, и графитом, настолько мягким, что мы делаем из него карандашные грифели. Графен сочетает в себе все эти достоинства. Он прозрачен и тверд как алмаз, но вместе с тем из него можно свивать гибкие волокна (достаточно прочные, чтобы дотянуться до космоса) и разреза́ть его на любые двумерные формы по нашему желанию (скажем, сворачивающийся дисплей или солнечные батареи). Он проводит тепло в 10 раз лучше, чем медь, и электричество в 100 раз лучше, чем кремний (вызывая бурный восторг у производителей микросхем). Пока еще достаточно дорогой материал, графен быстро завоевывает свое место в макрореальности. В первый год после открытия графена ученые ценой немалых усилий смогли произвести графеновый лист, шириной немного превосходящий человеческий волос. Прошло менее десяти лет, и они могут печатать идеальные рулоны графена длиной до 100 метров.