Химия и нанотехнология:
две точки зрения

Одним из самых ярких достижений прошлого века, безусловно, является зарождающаяся нанотехнология. Наша газета неоднократно публиковала статьи по нанотехнологии и наноматериалам (см.: «Химия», 1999, № 40; 2000, № 17, 23; 2001, № 9, 18, 37; 2002, № 17; 2003,
№ 22). Очень смелое предсказание Р.Ф.Фейнмана, сделанное в 1959 г., о возможности синтеза любых химических веществ атом за атомом путем позиционной сборки было в 1980–1990-х гг. уточнено и развито К.Э.Дрекслером.
Сегодня нанотехнологию можно разделить на технологию наноматериалов (получение и применение материалов с размером отдельных частиц не более 100 нм) и молекулярную нанотехнологию (позиционная сборка материалов и конструкций). В последней выделяют две стадии, различающиеся по сложности, – ограниченную молекулярную нанотехнологию (синтез путем сборки) и неограниченную, развитую молекулярную нанотехнологию (сборка самовоспроизводящихся систем с помощью программируемых ассемблеров). Перспективы развития нанотехнологии стали предметом столкновения двух точек зрения. Об этом и говорится ниже.

С начала предоставим слово писателю-фантасту Артуру Кларку, который еще в 1945 г. точно предсказал, что первый искусственный спутник Земли появится через 12 лет. Он же, подхватив идею советского ученого Ф.А.Цандера (1887–1933), описал подъем грузов на орбиту по тросу, связывающему спутник на геостационарной орбите с Землей, и проект этот сегодня прорабатывается.
За два года до конца XX в. Кларк «расписал» открытия всего XXI в. Вот что, по его мнению, произойдет в 2040 г. (цитирую по газете «Мир за неделю», 16–23 октября 1999 г.): «Изобретено устройство, позволяющее воспроизводить на основе нанотехнологии молекулярные дубликаты любых предметов и веществ. Бриллианты, одежду или продукты можно делать отныне хоть из грязи. Промышленность и сельское хозяйство утрачивают свой смысл и прекращают существование. Человеческая цивилизация лишается своего главного занятия – работы. Искусство, образование, индустрия развлечений переживают бум. Огромные промышленные пространства опять превращаются в леса и луга. Желающим энтузиастам позволено вернуться к охоте и собирательству».
В своих прогнозах Кларк наверняка опирался на работы Карла Эрика Дрекслера. Дрекслер – ученый с мировым именем, теоретик молекулярной нанотехнологии, автор основополагающих книг в этой области и один из основателей Института предвидения в г. Пало-Альто (США). Его книга «Машины созидания. Грядущая эра нанотехнологии» (1986) имеется в Интернете в переводе на русский язык. Весьма популярна книга «Наносистемы. Молекулярные механизмы, производство и программирование» (1992). Основные идеи молекулярной нанотехнологии изложены в № 37 газеты «Химия» за 2001 г.
Однако радужные перспективы, описанные Кларком, были развеяны. В сентябре 2001 г. Р.Смолли, лауреат Нобелевской премии 1996 г. за открытие фуллеренов, руководитель выдающихся исследований по синтезу и применению углеродных нанотрубок, инициатор и ведущий участник программ Национальной нанотехнологической инициативы – официально провозглашенного курса правительства США на мировое лидерство в области нанотехнологии, – опубликовал статью в журнале «Scientific American» (в смысловом, не дословном переводе – «Американская наука»). Статья называлась «О нанотехнологии, любви и нанороботах» и имела подзаголовок: «Как скоро появятся нанороботы, предсказанные К.Эриком Дрекслером и другими сторонниками молекулярной нанотехнологии? Простой ответ – никогда».
В своей статье Смолли утверждал, что химия не так проста, как думает Дрекслер, что атомы нельзя прикладывать один к другому без учета их химического окружения. Смолли описал систему, которая могла бы проводить позиционную сборку, – набор «волшебных пальцев», перемещающих отдельные атомы. Он заключил, что такие пальцы будут слишком «толстыми», чтобы с необходимой точностью перемещать атомы, и слишком «липкими», чтобы легко эти атомы устанавливать в нужных точках. Главный вывод состоял в том, что, поскольку рассмотренная им модель несостоятельна, позиционная механическая сборка невозможна.
В апреле 2003 г. Дрекслер в открытом письме обратился к Смолли с просьбой уточнить аргументы против молекулярных ассемблеров (сборщиков). Он заявил, что «пальцы Смолли» – не более чем пугало, поскольку сторонники неограниченной молекулярной нанотехнологии никогда не предлагали ничего подобного. Ассемблеры предназначены для манипулирования молекулами, а не атомами, они не нуждаются в «пальцах Смолли» и будут действовать аналогично ферментам (биокатализаторам) и рибосомам (органоидам, осуществляющим синтез белка в живых клетках). Смолли «без всякой нужды запутал публичное обсуждение истинных долгосрочных проблем безопасности», поэтому Дрекслер призывал его к честности.
В номере еженедельного журнала Американского химического общества «Chemical and Engineering News» («Химические и технологические новости») за 1 декабря 2003 г. было помещено апрельское письмо Дрекслера, ответ на него Смолли, еще одно письмо Дрекслера и еще один ответ Смолли.
Смолли согласился, что нечто подобное ферментам и рибосомам, т. е. объектам живой природы, способно к позиционной сборке, однако – это подчеркивалось – только в водной среде. Смолли утверждал, что дрекслеровские «предприятия» по наносборке должны целиком состоять из биологических систем, и много места уделил описанию ограничений, присущих реакциям в водных средах. В заключение он спрашивал: «Неужели вы всерьез думаете, что химия ферментов и подобная ей по сложности химия возможна на сухих поверхностях или в вакууме?»
Химия, по Смолли, подобна любви. «Невозможно заставить полюбить друг друга юношу и девушку при простом сведении их вместе, точно так же невозможно провести направленную химическую реакцию двух молекул простым механическим перемещением... Химия, как и любовь, – гораздо утонченнее механики».
Дрекслер опроверг доводы Смолли. Он напомнил, отсылая к своей книге «Наносистемы», что и «сухая» химия может быть позиционной. Настольные нанофабрики могут существовать, их физические принципы вполне обоснованы. Они не будут содержать ни ферментов, ни живых клеток, а только множество самовоспроизводящихся нанороботов (и Смолли, и Дрекслер применяли новый термин – «наноботы», т. е. роботы с отдельными частями, близкими по размерам к атомам). «Вместо биомолекул, – утверждает Дрекслер, – они будут снабжены компьютерами для точного контроля операций, конвейерами для транспорта отдельных частей и позиционирующими устройствами определенных размеров для сборки малых частей в большие по размеру создания макроскопических объектов. Самые маленькие устройства установят молекулярные части и соберут структуры путем механосинтеза – химии “машинной фазы”... Сам позиционный контроль окажет сильное каталитическое воздействие: он может соединять реагенты для повторяющихся соударений с оптимальной геометрией и колебательными частотами более терагерц».
Дискуссия двух выдающихся ученых не привела к согласию. Появившиеся отклики на нее свидетельствуют, что позиция Смолли содержит изъяны: он приписал Дрекслеру неверную стратегию и опроверг реальность этой стратегии. Неверно утверждение о необходимости применять водные растворы: еще в 1983 г. было показано, что ферменты могут быть активными не только в водной среде, а также действуют и без растворителей. Наконец, за годы после публикации книги «Наносистемы» серьезной критики изложенных в ней положений не было. Призыв Смолли закончить спор был оценен как ненаучный и безответственный.
Добавлю к сказанному некоторые факты. С изобретением зондовых микроскопов – туннельного (1982) и атомно-силового (АСМ, 1986) – химия и нанотехнология получили первые инструменты не только для наблюдения отдельных атомов и молекул, но и для манипулирования атомами и молекулами. Правда, пока можно говорить о довольно упрощенном манипулировании.
В 1988 г. с помощью АСМ проведены первые передвижения атомов, в 1989 г. специалисты компании IВМ «написали» название компании, используя 35 атомов ксенона. Это довольно крупные атомы (атомный радиус ксенона равен 0,218 нм), превосходящие по размеру атомы большинства других химических элементов. Но это все же атомы! Микроснимок логотипа IВМ обошел весь мир.
После открытия однослойных углеродных нанотрубок (1993) АСМ использовали для их перемещения по подложке, сгибания и скручивания. Затем с плоскости перешли в трехмерное пространство и продемонстрировали крупные сростки трубок, завязанные узлом. Напомню, что типичный диаметр однослойных углеродных нанотрубок составляет 1,0–1,3 нм, т.е. только на порядок превышает типичный размер атомов, а длина трубок может достигать нескольких микрон или десятков микрон. Нанотрубки, используемые в качестве зонда в АСМ, повышают разрешение микроскопа и расширяют его возможности.
Были проведены очень тонкие и впечатляющие опыты с многослойными нанотрубками, напоминающими по структуре коаксиальные цилиндры. Внутреннюю трубку вытягивали из внешней, как меч из ножен, а потом вставляли ее на прежнее место. Публикация об этом появилась в июле 2000 г. («Science», v. 289, p. 603). В статье Дж.Камингса и А.Зеттла из Калифорнийского университета (г. Беркли, США) приведены снимки, полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа. Они же научились сгибать и разгибать нанотрубки. Вот как это выглядит на схеме (диаметр внешней трубки примерно 10 нм):

Еще через два года эти авторы измерили электрическое сопротивление индивидуальных многослойных нанотрубок и показали, что при вытягивании внутренней нанотрубки сопротивление плавно увеличивается. При этом увеличение сопротивления подчиняется не линейному, а степенному закону. Если х – длина вытянутой части внутренней нанотрубки, а R₀ – начальное сопротивление нанотрубки, то по закону Ома сопротивление должно было бы описываться уравнением:

R = R₀ + Ах,

где А – некоторая постоянная величина.
В действительности результаты измерений отвечают уравнению:

R = R₀ехр(х/l₀),

где l₀ – постоянная, меняющаяся для разных нанотрубок в пределах от 500 до 800 нм. Это свидетельствует о квантово-механическом механизме переноса зарядов.
Описанные достижения открывают дорогу к созданию из нанотрубок наноэлектромеханических устройств, быстродействующих (порядка 1–10 нс) электромеханических переключателей, а также регулируемых нанорезисторов. В июле 2003 г. Зеттл с сотрудниками описал созданный им первый в мире электрический наномоторчик, в котором золотой ротор вращался на валу из углеродной нанотрубки. Моторчик в поперечнике едва достигал 500 нм.
Углеродные нанотрубки сегодня играют роль главного «кирпичика» создаваемых наноустройств и приборов различного назначения: нанодиодов и нанотранзисторов, сверхплотной памяти и логических элементов компьютеров, сверхчувствительных химических сенсоров и миниатюрных исполнительных механизмов, средств связи, автономного оружия и др. По мнению Зеттла, разработки уже достигли стадии, на которой в нанотрубки можно вкладывать деньги.
Потрясающие новости пришли из Японии («Japan Journal of Applied Physics» («Японский журнал прикладной физики»), 2003, v. 42, p. 295): впервые механическим путем создана химическая связь между двумя наночастицами.
Специалисты из университета г. Нагоя с помощью специального наноманипулятора разорвали многослойную углеродную нанотрубку, прикрепленную одним концом к подложке, а другим к зонду кантилевера – чувствительной консоли АСМ. Наблюдение за образцами вели с помощью сканирующего электронного микроскопа. На концах каждой из двух образовавшихся нанотрубок возникли ненасыщенные («висячие») связи. Во избежание неконтролируемого присоединения к ним атомов и молекул газов из атмосферы все операции проводили в сверхвысоком вакууме. При сближении концов нанотрубок удалось воссоздать единую трубку, вновь образовать ковалентные связи.
Приведенные примеры показывают, насколько далека сегодня наука от реализации принципов молекулярной нанотехнологии.
И все же Смолли, похоже, не прав. Его неправота не говорит о том, что Дрекслер прав во всем. В споре Дрекслер вел себя и как ученый, и как джентльмен. Оправдаются ли предсказания Дрекслера, появится ли принципиально новая химия, покажет время. Ученые продвигаются по дорогам нанотехнологии все дальше и дальше. До названного Кларком срока остается еще 36 лет…

Э.Г.РАКОВ,
профессор кафедры
нанотехнологии и наноматериалов
РХТУ им. Д.И.Менделеева