углеродных нанотрубок. Упругость различных материалов характеризуют модулем Юнга, который показывает, насколько материал сопротивляется растяжению под действием приложенной силы. Например, модуль Юнга стали в 30 тысяч раз больше, чем резины. А у одностенных нанотрубок – в десять раз больше, чем у стали, то есть они практически не деформируются при растяжении.
При этом одностенные трубки очень упруги при изгибе. Их можно сгибать, как каучуковый стержень, а потом они сами распрямятся без повреждений. Их высокая прочность на излом при сгибе и на разрыв при растяжении обусловлена все тем же отсутствием дефектов. Одностенные нанотрубки приблизительно в двадцать раз прочнее стали (на разрыв), к тому же они в шесть раз легче. Какие тросы из них можно свить!
И это отнюдь не фантазия, нацеленная в далекое будущее. Нанотрубки сейчас вполне доступны. Один из основных методов их синтеза был разработан как раз Ричардом Смолли – он выращивал нанотрубки на поверхности металлического катализатора при подаче на него окиси углерода или углеводородов. Круг замкнулся, процесс, который считался раньше безусловно вредным, стал основой новой технологии. И это далеко не единственный пример того, как ученые, используя новые методы, возвращаются к изученным ранее процессам и обнаруживают неожиданные эффекты или продукты, на которые раньше не обращали внимания или отбрасывали за ненадобностью. Так что все же не круг, а спираль – бесконечная спираль познания мира.
В настоящее время получение нанотрубок – довольно рутинная процедура. Действуют промышленные установки по их производству мощностью в несколько сотен тонн в год. При покупке тонны нанотрубок (конечно, смеси, а не индивидуальных) килограмм обойдется покупателю приблизительно в 100 евро. До тросов, электрических кабелей и “наноэлектроники” дело пока не дошло, так что углеродные нанотрубки добавляют, например, в качестве наполнителя в резину вместо сажи, износоустойчивость автомобильных покрышек возрастает процентов на тридцать при той же цене. Или в алюминий – так получают легкие и прочные сплавы для авиационной промышленности. И это только начало.
Есть еще одно простое соединение углерода, знакомое нам со школьной скамьи. В нашем мысленном конструкторе ему соответствует плоскость, составленная из шестиугольников. Именно из таких слоев углеродных атомов сложен графит. Единичный же слой назвали по аналогии графеном. И вот удивительное дело: все знали об этом веществе, из него сложено одно из самых распространенных природных соединений, физики-теоретики наперед рассчитали все его характеристики, но – око видит, да зуб неймет. “Живьем” графен получили позже фуллеренов и углеродных нанотрубок, впервые это удалось сделать лишь в 2004 году нашим соотечественникам Андрею Гейму (род. 1958 г.) и Константину Новоселову (род. 1974 г.), выпускникам Московского физико-технического института, давно, впрочем, перебравшимся в Манчестерский университет. Вы можете повторить их эксперимент и тоже получить графен. Для этого надо взять подходящий кристалл графита, приклеить к нему скотч и рвануть. Все гениальное просто. Остается придумать для этого какое-нибудь броское название – например, технология микромеханического скалывания.
Ученые неспроста так долго маялись с получением графена. С этим тончайшим блином толщиной в доли нанометра может в любой момент случиться все что угодно – склеится, слипнется, скрутится в рулон, пойдет складками. В сущности, графен может существовать только на какой-нибудь подложке, на скотче, на поверхности кристалла кремния и, естественно, на поверхности материнского кристалла графита. Так что Гейм с Новоселовым перенесли графен со скотча на поверхность кремния и экспериментально определили его характеристики, рассчитанные до этого теоретиками. Этого хватило для присуждения им в 2010 году Нобелевской премии по физике. Премия, на мой взгляд, немного курьезная, но это нисколько не умаляет гордости за наших соотечественников и восхищения их изобретательностью. Главный же урок, который всем нам, и особенно молодым читателям, следует вынести из этой истории, состоит в том, что открытия, достойные присуждения Нобелевской премии, можно сделать в областях, казалось бы, паханых-перепаханых, что супернавороченные приборы – всего лишь инструмент исследования, а открытия рождаются по-прежнему в голове ученого, и все зависит от его эрудиции, смекалки и неординарности мышления, способности посмотреть на вещи и явления с неожиданной для всех стороны.
Сейчас о графене много говорят и пишут, с ним связывают будущее наноэлектроники. Отчасти этот шум обусловлен нетерпением журналистов и общественности, которые устали ждать обещанных чудес от углеродных нанотрубок, им потребовался новый герой. Кто победит в этой гонке, предсказать невозможно, лично я поставил бы на нанотрубки просто потому, что ими легче оперировать и они обладают большим многообразием свойств. Но, возможно, первой на финише окажется какая-нибудь “темная лошадка”, о которой можно с уверенностью сказать только одно – она придет из наномира, будет создана методами нанотехнологий. Другого не дано.
Напоследок я расскажу вам об истории возникновения проекта под названием “Нанотехнологии”. Сия длинная комедия состояла из нескольких актов, первый из которых пришелся на заседание сенатской комиссии конгресса США. Это было не то заседание, где выступал Смолли, оно состоялось намного раньше, в 1992 году, и было посвящено актуальной теме “Новые технологии для устойчивого развития”. Что такое устойчивое развитие, никто толком не понимает, так что сейчас это словосочетание используют все реже, но в те годы эта идея была очень популярной. Руководил слушаниями сенатор Альберт Гор [38] , большой поборник любых экологических программ. Он-то и пригласил в сенат на слушания в качестве одного из научных экспертов Эрика Дрекслера.
Дрекслер (род. в 1955 г.) получил образование в Массачусетском технологическом институте по специальности “аэрокосмическая инженерия” и какое-то время занимался созданием солнечных батарей. В 1986 году он опубликовал футурологическую книгу “Машины созидания: грядущая эра нанотехнологии”, которая быстро стала бестселлером. Книга безусловно талантливая, потому что зацепила она многих и зацепила крепко, на всю жизнь. В значительной мере труд Дрекслера проложил дорогу нанотехнологиям и в то же время нанес им огромный вред, потому что многие изложенные там идеи читатели восприняли буквально. (Это можно сравнить с воздействием чтения Ветхого Завета на неподготовленные умы. Не случайно чтение Библии в Средние века было запрещено, а издавали ее “для служебного пользования” на латыни, доступной пониманию только посвященных и просвещенных.)
Речь в книге шла о том, что в далеком будущем различные материалы и устройства будут производить не так, как сейчас, а путем прямой сборки из атомов. Тут Дрекслер проявил себя истинным провидцем масштаба Жюля Верна, ведь в момент написания книги ученые даже не заикались о манипулировании атомами, а Дон Эйглер сложил свою первую композицию из атомов через три года после выхода книги. С другой стороны, отсутствие каких-либо научных зацепок оставляло полный простор для фантазии.
Выросший, как все люди его поколения, на фантастических романах Айзека Азимова, Дрекслер предложил использовать для манипулирования атомами и сборки из них различных устройств машины соответствующих размеров – нанороботы, они же сборщики, или ассемблеры. Помнится, мы с вами размышляли о чем-то подобном применительно к созданию молекулярных машин для операций с ДНК. Дрекслер был инженером, и его подход был чисто механическим: сборщик был оснащен манипуляторами длиной в несколько десятков нанометров, двигателем для перемещения манипуляторов и самого робота, автономным источником энергии и бортовым компьютером, который управлял работой всех механизмов, определял, какой атом или какую молекулу следовало захватить манипулятором и в какое место будущего устройства их поставить. Размер сборщика составлял сто-двести нанометров.
Откуда сборщики брали атомы для манипулирования? Для этого Дрекслер придумал антиподов сборщиков – разборщиков. Они разбирали на атомы попавшиеся им на пути объекты, записывая при этом в память своего бортового компьютера поатомную структуру разбираемого объекта – а ну как сборщикам в будущем потребуется собрать нечто подобное.
Еще один тип устройств – созидатели, или репликаторы. Их основные задачи: поточное производство сборщиков и разборщиков, а также сборка себе подобных репликаторов, то есть размножение. По Дрекслеру, репликаторы – намного более сложные устройства, чем простые сборщики, они должны состоять из сотни миллионов атомов (на два порядка меньше, чем в молекуле ДНК) и соответственно иметь размер около тысячи нанометров. Если продолжительность их репликации будет измеряться минутами, то, размножаясь в геометрической прогрессии, они за сутки создадут триллионы репликаторов, те произведут квадрильоны специализированных сборщиков, которые приступят к сборке макрообъектов, домов или ракет.
Сильно сокращенный вариант этой концепции Дрекслер и изложил на заседании сенатской комиссии. Американские сенаторы, как и подавляющая часть чиновников в других странах мира, далеки от науки, о химии и физике со школьной скамьи они сохранили лишь самое общее впечатление: есть атомы, которые непонятным образом объединяются в молекулы, которые еще более непонятным образом взаимодействуют между собой с образованием разных продуктов, по большей части вредных. Но они сразу ухватили суть предложенной на их рассмотрение идеи: атомы можно просто
