Естествознание. Базовый уровень. 11 класс - Сергей Титов

Главная проблема нанотехнологии заключается в том, чтобы найти способ заставить молекулы выстраиваться в определённом порядке, т. е. самоорганизовываться требуемым способом. Для решения этой проблемы был даже создан особый раздел химии – супрамолекулярная химия. Часто в нанотехнологии используют биологические крупные молекулы, по самой своей природе способные к самоорганизации. Известен, например, приём, используемый для соединения двух молекул в требуемый комплекс. Назовём эти молекулы А и В. Берётся молекула ДНК и разделяется на две взаимно комплементарные цепочки. К концу одной цепочки присоединяют молекулу А, а к другой – В. Затем оба компонента смешивают, комплементарные цепочки ДНК соединяются водородными связями, и в результате молекула А оказывается точно возле молекулы В. Между ними происходит взаимодействие, и образуется комплекс А. После этого молекулу ДНК можно удалить.

Благодаря своим уникальным свойствам наноматериалы стремительно завоёвывают мир. Эти свойства в первую очередь обусловлены их нанометровыми размерами. В отличие от своих макро– и микроскопических собратьев, наночастицы свободны от механических дефектов, что позволяет использовать их, например, для хранения информации и нужд микроэлектроники. За счёт чрезвычайно малых размеров возможно производить суперминиатюрные устройства.

На поверхности наноструктур находится относительно большое количество атомов, т. е. у них очень большая относительная площадь поверхности. Это свойство важно, например, для каталитических процессов, в которых наноматериалы способны ускорять реакции в тысячи и даже миллионы раз.

Помимо этого наноматериалы проявляют необычные свойства, которые не могут быть описаны привычными для нас законами классической механики. В них начинают проявляться так называемые квантово-механические эффекты, что делает их весьма перспективными для использования в электронных и оптических устройствах, а также в биологических и медицинских исследованиях.

Многие нанотехнологии уже нашли практическое применение, а другие ещё находятся на стадии разработки. Одной из таких перспективных разработок является создание углеродных нанотрубок – цилиндрических структур из тонкого слоя графита особой структуры диаметром до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров (рис. 256). Нанотрубки могут найти очень широкое применение – от создания новых типов транзисторов, дисплеев и фотодиодов до создания соединений между живыми нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках.

В 2010 г. Нобелевская премия по физике была присуждена двум русским учёным, работающим в Манчестерском университете, – Андрею Гейму и Константину Новосёлову. Премию они получили за то, что им удалось создать графен – плёнку, состоящую из обычного графита, который вставляют в карандаши, только эта плёнка имела толщину всего в один атом. Эта плёнка обладает настолько поразительными свойствами, что ещё недавно в возможность её существования никто не верил. Графен очень хорошо проводит электрический ток даже при комнатной температуре, что позволит заменить им кремний в полупроводниках и создавать на его основе сенсорные экраны, солнечные батареи, сотовые телефоны и сверхбыстрые компьютерные чипы.

Рис. 256. Нанотрубка

Рис. 257. Наноробот в кровеносном сосуде

Большой интерес в рамках нанотехнологий представляет создание нанороботов, разработка которых проводится в настоящее время (рис. 257). Это будут машины, сопоставимые по размерам с молекулами, которые будут способны двигаться, обрабатывать и передавать информацию, реализовывать заложенные в них программы, а возможно, и создавать себе подобные, т. е. самовоспроизводиться. Согласно другой точке зрения, нанороботы могут иметь и большие размеры – главное, чтобы они были способны манипулировать с объектами на наноуровне. Примитивные модели нанороботов существуют уже сейчас. Показано, что с их помощью можно управлять некоторыми химическими реакциями. Некоторые конструкторы нанороботов пытаются строить их на биологической основе, для чего используют фрагменты ДНК, называя свои создания ДНК-компьютерами.

Предполагают, что нанороботы могут найти применение в самых различных областях человеческой деятельности, особенно в медицине, где с их помощью можно будет диагностировать на ранней стадии многие заболевания (рак, диабет и др.), проводить хирургические микрооперации и осуществлять доставку лекарственных средств в нужные участки организма. Возможно, нанороботы смогут собирать различные системы из отдельных молекул.

Междисциплинарный характер нанотехнологии обеспечил ей распространение практически во всех отраслях науки и техники. В настоящее время технологические процессы производства интегральных микросхем уже осуществляются на нанометровом уровне в промышленных масштабах, и для дальнейшей миниатюризации преградой являются не технологические, а квантовые эффекты, проявляющие себя на микроуровне. Выпускаются фильтры, содержащие пористые наноматериалы. Они позволяют быстро и эффективно очищать воду не только от ионов, органических соединений, частиц грязи, но и от бактерий и даже вирусов. Появляются и первые медицинские препараты, позволяющие ускорять заживление ран и ожогов, а также эффективно убивать микробов. Наночастицы оксида титана и оксида цинка повсеместно стали использоваться в солнцезащитных кремах, поскольку именно они пропускают свет в видимом диапазоне и отсекают опасный для человека ультрафиолет.

В ближайшем будущем благодаря развитию нанотехнологии и биологии можно ожидать появления эффективных и безопасных лекарств, чувствительных датчиков, следящих за здоровьем человека, и, возможно, даже биокомпьютеров и биороботов.

1. Когда зародилась идея работы на наноуровне?

2. Каковы были предпосылки возникновения нанотехнологии?

3. Расскажите, чем занимается нанотехнология. Что такое нанометр?

4. Приведите примеры веществ и материалов, обладающих нанометровыми размерами.

5. Какими необычными свойствами обладают наноматериалы?

1. Используя дополнительную литературу и ресурсы Интернета, подготовьте сообщение или презентацию по одной из предложенных тем: «Бионаномашины и перспективы создания биокомпьютеров», «Наномедицина и её будущее», «Наноматериалы», «Нанотехнологии в медицине: новые подходы к доставке лекарств в организм», «Нанотехнология и экология: возможные опасности использования наноматериалов». Подготовьте и проведите конференцию по теме «Нанотехнологии и будущее человечества».

2. Подготовьтесь к дискуссии на тему «Военные приложения нанотехнологических разработок: за и против».

§ 76 Взаимодействие ноосферы и биосферы

К бригадиру лесорубов приходит человек и просит принять его на работу.

– А у вас достаточная квалификация? – спрашивает бригадир.

– Да, вполне!

– Ну, попробуйте срубить вон то дерево.

Претендент валит его одним ударом топора.

– А вот то, толстое?

Претендент тремя ударами сваливает толстенное дерево.

– Да, – говорит бригадир, – прекрасно! А где вы так научились

мастерству?

– Я несколько лет работал в лесах Сахары.

– Сахары?! Но ведь это пустыня.

– Конечно! Теперь там уже пустыня.

Трудно сказать, когда именно возникла ноосфера. Так как ноосфера означает сферу разума, то она должна была появиться вместе с появлением разумного человека. Но кого из предков современного человека можно считать разумным? Обладали ли примитивным разумом умелые и прямоходящие люди? Так или иначе наступило время, когда сфера человеческого разума стала активно вмешиваться в биосферные процессы. Когда начался этот процесс?

Мы говорили о том, что человека считают виновником вымирания многих животных ледникового периода. Но, во-первых, виновность человека у некоторых исследователей вызывает сомнения, а во-вторых, даже если это и так, то вряд ли это событие можно считать связанным с ноосферой. Человек начал заниматься загонной охотой около 15 тыс. лет назад, в результате чего численность многих животных сократилась, но в этом ещё трудно усмотреть влияние на биосферу разумной деятельности человека. С биосферной точки зрения в некоторых экосистемах просто появились очень ловкие и опасные хищники, деятельность которых и привела к снижению численности популяций их жертв. Такое бывало и до появления разумного человека. Появление копий и приспособлений для их метания глобально ничего не изменило.