www.studmed.ru

доклад на тему: "Нанотехнологии". | Социальная сеть работников образования

XVI  Всероссийская конференция одаренных школьников

г. Москва, 21 – 29 января 2007 г.

  Заявка

на участие

 I. Личные данные:

Фамилия, имя, отчество :  Радостев Станислав Владимирович

 Дата рождения: «_12__» ___января___1991  г.

Домашний адрес:                           Тюменская обл.    ХМАО – Югра,   г. Советский ул.Железнодорожная, дом 22 квартира 2

Контактные телефоны 8(34675)31116; 89125192384.

II.

Место учебы: Муниципальное  общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа №1

полное  название школы (вуза, ссуза, ПТУ и др.)    

             10 а класс.

                                Тюменская область, ХМАО – Югра, город Советский, ул. Гастелло, д 26.

Адрес учебного заведения                                                                                        город (район)

Телефон:             3 –71-40                      Факс : 3 -15-49                      Эл. почта:   [email protected]    

III. Информация о представленном докладе:

Название доклада: «Нанотехнологии»

Необходимые для демонстрации технические средства (отметьте)

нет

Фамилии, имена, отчества, соавторов

ФИО руководителя: Фаттахова Зинаида Хамитовна,  учитель физики МОУ СОШ № 1.

Домашний адрес: 628240, Тюменская обл., ХМАО – Югра, г. Советский, ул.Киевская 27 кв.54 телефон:8(34675)32373

Краткие сведения о работе, результатом которой стал доклад:    Исследовательская работа о нанотехнологиях как  новом знании в современной жизнедеятельности человека.  

IV. Паспортные данные:

Серия           6704                      №           313108             Выдан «  28    »   января        2005г.        

ОВД Советского раиона ХМАО

                Подпись                                                          Дата «  9  »     декабря   2006  г.

Директор школы: Алевтина Александровна Дамашева                      

Приложение 21

Муниципальное общеобразовательное учреждение

Средняя общеобразовательная школа № 1

Тема доклада:

Нанотехнологии.

Выполнил: ученик 10»А»  МОУ СОШ  №1

    Радостев Станислав.

    Руководитель: Фаттахова Зинаида Хамитовна,

 учитель физики МОУ СОШ №1

        Город Советский, Тюменская область

2006 г.

Содержание.

I.     Введение

II.   Теоретические аспекты создания и развития нанотехнологии как науки

1. История возникновения нанотехнологий

2. Развитие  нанотехнологий как науки

III.   Практика применения нанотехнологий в современной    жизнедеятельности человека

1.Использование нанотехнологий в различных сферах общественной  жизни.

1.1. Нанатехнологии в медицине

1.2. Материаловедение и нанотехнологии

               1.3.  Электроника, компьютерные технологии,  роботехника

               1.4. Микроскопия и средства визуализации    

      2.Перспективы развития нанотехнологий с 2003 по 2050 гг

1. Схема «Роль нанотехнологий в развивающемся мире. 2003 – 2050гг»
2. Создание наноманипулятора
3. Строительство самособирающихся колоний
4. Новое в конструировании машин и механизмов
5. Решение сырьевой проблемы
6.  Революция в домашнем быту и сельском хозяйстве
7. Промышленность и нанотехнологии
8. Использование нанотехнологий в строительстве космического лифта
9. Решение экологических проблем
10. Социальные последствия

     3. Проблемы, связанные с развитием  нанотехнологий.

3.1.Почему возможно движение «антинанотехнологии»

3.2.Нанотехнологии и мировые экономика, политика, вооруженные силы

3.3.Изменят ли нанотехнологии общественно – политическое устройство мира

IV.   Заключение

V.    Литература

I. Введение

   Сегодня учёные и исследователи во всём мире свободно обращаются с  удивительными законами, позволяя себе манипулировать "нанокосмосом". Они создают шарики диаметром в 1 нанометр — одну миллиардную часть метра — и создают надписи из отдельных атомов.( См.мультик zoom).

      Одной из самых важных особенностей квантовой физики наших дней является то, что любое наблюдение — это манипуляция с наблюдаемым объектом. Тот, кто измеряет, к примеру, импульс атома гелия, вступает во взаимодействие с ним и изменяет его первоначальное состояние. В растровых зондах-микроскопах наблюдение и манипуляция стали нераздельны, как две стороны одной медали: контакт ультракрошечного кончика микроскопа с атомом действует и на объект, и на инструмент.

        То, что технизация наномира идёт так стремительно, зависит не только от неуёмного любопытства естествоиспытателей, которое рассматривалось Фейнманом как центральный мотив научного поиска. В первую очередь, она зависит от развития информационного общества, порождающего огромные объёмы информации, которые должны всё быстрее обрабатываться. Тем самым современная практика требует применения новых технологий, связанных с  изменением жизнедеятельности человека. Это могут быть компьютерные технологии, роботехника,   биотехнологии в медицине и космосе  и т.д.  Большую роль сыграет в будущем нанотехнология.  В связи с этим необходимо не только теоретическое  изучение данной науки, но и  ее  практическое применение.

Проблема.

Проблемой в моих исследованиях  стало необходимость знаний о  теории нанотехнологий   и эффективности применения их в практике, связанной с  жизнедеятельностью человека.  

Объект исследования.

Нанотехнологии как новое научное знание  в современной теории и практике жизнедеятельности человека

Предмет исследования.

Применение нанотехнологий в современной практике жизнедеятельности человека

 Цель.

• Выявление научных знаний по проблемам нанотехнологий и условий их применения  в современной практике жизнедеятельности человека.

Задачи.

• Изучить литературу, которая дает более расширенное представление о нанотехнологиях.
• Собрать информацию из различных источников и подготовить хронологию создания нанотехнологий.
• Представить в работе результаты исследования по использованию нанотехнологий в жизнедедеятельности человека.

Гипотеза.

Я предполагаю, что результат от моей работы будет очень позитивным,  т.к. я для себя уясню, что такое  нанотехнологии, в чем  сложность этой науки, её проблематику и новизну, а также её ценность для человечества; смогу представить информацию о данной науке на теоретических семинарах по физике.

Методы исследования.

В своей работе над данным докладом я использовал следующие методы исследований:

• изучение научной литературы;
• изучение научно-популярной литературы;
• изучение энциклопедий;
• поиск информации в сети Internet;
• просмотр различных фильмов, презентаций и т.п.

2. Теоретические аспекты создания и развития нанотехнологии как науки.

1.История  возникновения нанотехнологий.

Ровно 100 лет назад знаменитый физик Макс Планк (Max Planck) впервые приоткрыл дверь в мир атомов и элементарных частиц. Его квантовая теория позволила предположить, что эта сфера подчинена новым, удивительным законам.

      Ещё в 1959 году, когда доработанная квантовая механика Планка уже сделала возможным появление атомной электростанции и уже была произведена первая ядерная бомбардировка, американский физик Ричард Фейнман (Richard Feynman) заявил: "Пока мы вынуждены пользоваться атомарными структурами, которые предлагает нам природа". И добавил: "Но в принципе, физик мог бы синтезировать любое вещество по заданной химической формуле".

        Знаменитая лекция Фейнмана, известная под названием "Там, внизу, ещё много места" считается сегодня стартовой точкой в борьбе за покорение мира атомов и молекул.

     Ричард Фейнман стоял у истоков нанотехнологий: ему принадлежит новая формулировка квантовой механики, жидкий гелий, теория слабых взаимодействий и кварн-глюонная картина строения вещества...        

     Лекцию Фейнмана можно было бы посчитать курьезом из прошлого, как и приз в $1000, который он назначил тому, кто впервые запишет страницу из книги на булавочной головке, что, кстати, осуществилось уже в 1964 году. Но дальнейший прогресс так ускорил прорыв в "нанокосмос", что сегодня эта область исследований не может оставаться незамеченной.(См.мультик nanobots).

  2. Развитее нанотехнологий.

Само понятие же "нанотехника" было введено в 1974 году японцем Норио Танигучи (Norio Taniguchi). Первые средства для нанотехники были изобретены в швейцарских лабораториях фирмы IBM.  В 1982 году был создан растровый  туннельный микроскоп, за что его создатели четырьмя годами позже получили Нобелевскую премию, а в 1986 году — атомный силовой микроскоп.

    В то время, как в электронный микроскоп атомарные размеры можно рассмотреть лишь при определённых условиях, новые зонды дают более точную картину. "Принцип атомного силового микроскопа напоминает обычный проигрыватель пластинок", — говорит один из его создателей  Герд Бинниг.

        Однако слово "микроскоп" вводит в заблуждение. Нанозонды дают возможность не только увидеть мир атомов, но и изменять его. "Растровые зонды-микроскопы служат посредником между нами и наномиром", — говорит Гаральд Фукс (Harald Fuchs), физик из Мюнхенского университета, руководитель Центра нанотехнологии.

               Поскольку информация существует в нераздельной связи с реальными запоминающими устройствами и процессорами, это рано или поздно приводит к огромной проблеме занимаемого ею места.

      Современные кремниевые чипы могут при всевозможных технических ухищрениях уменьшаться ещё примерно до 2012 года. Но при ширине дорожки в 40-50 нанометров наступит конец. После этого предела наступает квантовомеханическая помеха: электроны пробивают разделительные слои в транзисторах, что равнозначно короткому замыканию. Выходом могли бы послужить наночипы, в которых вместо кремния используются различные углеродные соединения размером в несколько нанометров.

     Есть уже лабораторные образцы первых молекулярных электронных деталей: транзистор из крохотной углеродной трубочки диаметром в один нанометр. Физики из города Делфт (Нидерланды) смогли превратить такие трубочки в необходимый для транзисторов контакт металл-полупроводник.

    "Нанотрубки", как ещё назвали этот открытый в 1991 году в Японии вид углерода, могут быть и тем, и другим. При надломе такой трубки посередине одна половинка получается с металлическими свойствами, а другая — со свойствами полупроводника. Руководитель делфтской команды Сис Деккер (Cees Decker) считает, однако, что до промышленного производства таких "трубочных" транзисторов ещё  далеко.        

        Эксперименты ведутся также и с фуллеренами, открытыми в 1985 году молекулами углерода в форме шара. Исследовательская группа из калифорнийского университета Беркли смогла в прошлом году превратить "мячик" молекулы С60 (атомы углерода в ней расположены в углах пяти— и шестиугольников, образуя форму кусочков кожи, из которых сшит футбольный мяч), зажатой между золотыми электродами, в одноэлектронный транзистор.

        Между тем, известен целый ряд органических молекулярных групп, которые могут функционировать как выпрямитель, проводящая шина или запоминающее устройство. Для хранения одного бита информации теоретически нужна всего одна молекула. Изготовленный таким образом накопитель на жёстком диске мог бы во много раз превзойти по ёмкости сегодняшние аналоги.

     Нано-ЗУ, работающий на механическом принципе, изобрели учёные из IBM под руководством Герда Биннига (Gerd Binnig). Так называемый миллипед представляет собой растр из 1024 рычажков силового микроскопа. Если нужно записать "1", их кончики продавливают отверстие в мягком слое полимера.

Для считывания битов миллипед проверяет поверхность на наличие дырочек. Если рычажок попадает в отверстие, его температура, а вместе с тем и сопротивление, изменяются, а его уже можно измерить. Таким способом можно получить плотность записи до 80 Гб на квадратный сантиметр (сравните с максимально достижимой сегодня ёмкостью 8 Гб/кв. см). Через 3 года IBM изготовит миллипед с 4000 зондов, который можно будет применять в новом поколении портативной техники. По мнению Биннига, легко можно представить себе плату с миллионом зондов.

III.  Практика применения нанотехнологий в современной жизнедеятельности человека.

                    1.1.  Нанотехнологии в медицине.

Медицина изменяется неузнаваемо. Во-первых наночастицы могут использоваться в медицине для точной доставки лекарств и управления скоростью химических реакций. Нанокапсулы с метками идентификаторами смогут доставлять лекарства непосредственно к указанным клеткам и микроорганизмам, смогут контролировать и отображать состояние пациент, следить за обменом веществ и многое другое. Это позволит эффективнее бороться с онкологическими, вирусными и генетическими заболеваниями. Представьте себе что вы подхватили грипп при этом вы даже не подозреваете что его подхватили. Тут же среагирует система искусственно усиленного иммунитета, десятки тысяч нанороботов начнут распознавать в соответствии со своей внутренней базой данных вирус гриппа и за считанные минуты ни одного вируса у вас в крови не будет. Или у вас начался ранний атеросклероз и искусственные клетки начинают чистить механическим и химическими путями ваши сосуды.

Во-вторых возможно создание нанороботов врачей которые способны жить внутри человеческого организма устраняя все возникшие повреждения или предотвращая их возникновение. Последовательно проверяя если надо исправляя молекулы, клетку за клеткой, орган за органом, наномашины вернут здоровье любому больному, а затем просто не допустят никаких заболеваний и патологий в том числе и гинетических. Теоретически это позволит человеку жить сотни может быть тысячи лет.

В-третьих появится возможность быстрого анализа и модификации генетического кода простое консультирование аминокислот и белков создание новых видов лекарств, протезов, имплантантов. В этой области рядом исследователей уже проводится проверка различных наноматериалов на совместимость с живыми тканями и клетками.

По прогнозам уже в ближайшем будущем появятся медицинские устройства размером с почтовую марку. Их достаточно наложить на рану.

Это устройство самостоятельно проведет анализ крови, определит какие медикаменты необходимо использовать и впрыснет их в кровь.

Нужно отметить что появление высоких технологий из-за их высокой стоимости привнесли в здравоохранение ряд новых проблем, в том числе морально-этического свойства связанных с наличием и доступностью медицинских услуг для широких слоёв населения. Тем не менее, как бы сильно не развивалось научно - техническая основа медицины главными факторами исцеления больного всегда были и останутся профессиональная подготовка, этические и человеческие качества врача.(См.мультик sintez1,3).

                1.2.  Материаловедение и нанотехнологии.

Качество многих привычных материалов может быть улучшено за счет использования наночастиц и атомарной обработки. Нанотехнологии позволят создавать более легкие, тонкие и прочные композитные смешанные сложносоставные материал. Появятся так называемые «умные» материалы способные изменять свою структуру в зависимости от окружающей среды. Также появятся материалы сверхпрочные, сверхлегкие и негорючие на основе алмазоида, которые могут использоваться в аэрокосмической и автомобильной промышленности.

                 1.3. Электроника, компьютерные технологии, роботехника.

С появлением новых средств наноманипулирования возможно создание механических компьютеров способных в кубе с ребром 100 нм функционально повторить современный процессор Intel Pentium II.

Применение нанотехнологий в микроэлектронике (т.е. теперь уже наноэлектронике) позволит перейти от планарной технологии изготовления процессоров (с количеством транзисторов  108 шт. на см  2) к 3D-технологии, то есть к 1012 транзисторов на см3 соответственно что в 10 тысяч раз больше чем на современном этапе.

Развитие методов атомно – силовой микроскопии может обеспечить производство памяти с поверхностной плотностью данных до 17 терабит/см2. Это позволит создать компьютеры и микропроцессорные системы гораздо большей производительности, чем существующие сейчас.

В 2002 году компания HP создала память с электронной адресацией, имеющую на сегодняшний день наибольшую плотность данных. Опытный лабораторный образец 64 – битной памяти использует молекулярные переключатели(ключи), как активные устройства и по размерам не превосзодит квадратного микрона. Эта область настолько мала, что более чем 1000 таких устройств могут поместиться на торце человеческого волоса. Плотность битов в устройстве более чем в 10 раз больше, чем в современных кремниевых аналогах.

С течением времени предполагается дальнейшее уменьшение компьютерных компонентов с помощью нанотехнологии. Это приведёт к оснащению практически всех бытовых устройств встроенными компьютерами.

Планируется создание нанороботов размером всего 1 – 2 микрон, оснащенных бортовыми механокомпьютерами и источниками энергии, которые будут полностью автономны и смогут выполнять разнообразные функции, вплоть до самокопирования.

На основе нанотрубок уже сейчас создают детали наномашин – подшипники, передачи. Создание наномоторов на основе АТФ(универсального аккумулятора и переносчика энергии во всех биологических системах) позволит приводить в движение нанороботов, а развитие беспроводной лазерной связи позволит управлять ими и служить «энергопроводом».

              1.4.  Микроскопия и средства визуализации.

     Если на сегодняшний день основными средствами визуализации являются СЗМ – сканирующие зондовые микроскопы, то с появлением нанороботов откроются новые возможности в наноманипулировании, сканировании и средствах визуализации макромолекулярных структур, так как можно будет обрабатывать их с атомарной точностью.(См.мультик stm, asm, tunnel_effekt).

2.   Перспективы  развития нанотехнологий

                    c 2003 по 2050 г.г.

1. Схема

«Роль нанотехнологий в развивающемся мире.  2003 – 2050 гг»   

              2.2. Создание наноманипулятора.

        Прогноз развития нанотехнологий в будущем, а также отрасли человеческой деятельности, которые будут при этом затронуты

   Основной проблемой в наноиндустрии на сегодняшний день является управляемый механосинтез, т.е. составление молекул из атомов с помощью механического приближения до тех пор, пока не вступят в действие соответствующие химические связи. Для обеспечения механосинтеза необходим наноманипулятор, способный захватывать отдельные атомы и молекулы и манипулировать ими в радиусе до 100 нм. Наноманипулятор должен управляться либо макрокомпьютером, либо нанокомпьютером, встроенным в робота-сборщика (ассемблера), управляющего манипулятором. На сегодня подобные манипуляторы не существуют. Зондовая микроскопия, с помощью которой в настоящее время производят перемещение отдельных молекул и атомов, ограничена в диапазоне действия, и сама процедура сборки объектов из молекул из-за наличия интерфейса «человек – компьютер – манипулятор» не может быть автоматизирована на наноуровне.

    Институтом Молекулярного Производства (IMM) разработан предварительный дизайн наноманипулятора с атомарной точностью. За изготовление такого устройства назначена премия только из фонда IMM в размере $250,000. Как только будет получена система «нанокомпьютер – наноманипулятор» (эксперты прогнозируют это в 2010-2020 гг.), можно будет программно произвести еще один такой же комплекс – он соберет свой аналог по заданной программе, без непосредственного вмешательства человека. Такая «самосборка» называется репликацией, а репликатор - ассемблером. Бактерии, используя репликативные свойства ДНК, способны развиваться за считанные часы от нескольких особей до миллионов. Таким образом, получение ассемблеров в массовом масштабе не потребует никаких затрат со стороны, кроме обеспечения их энергией и сырьем.

    На основе системы «нанокомпьютер – наноманипулятор» можно будет организовать сборочные автоматизированные комплексы, способные собирать любые макроскопические объекты по заранее снятой либо разработанной трехмерной сетке расположения атомов. Компания Xerox в настоящее время ведет интенсивные исследования в области нанотехнологий, что наводит на мысль о ее стремлении создать в будущем дубликаторы материи. Комплекс роботов (дизассемблеров) будет разбирать на атомы исходный объект, а другой комплекс (ассемблеры) будет создавать копию, идентичную, вплоть до отдельных атомов, оригиналу (эксперты прогнозируют это в 2020-2030 гг). Это позволит упразднить имеющийся в настоящее время комплекс фабрик, производящих продукцию с помощью «объемной» технологии, достаточно будет спроектировать в компьютеризированной системе любой продукт – и он будет собран и размножен сборочным комплексом. Благодаря репликации можно будет наделять отдельные продукты этим свойством, например, нанороботов.

       2.3. Строительство самособирающихся колоний    

 Станет возможным автоматическое строительство орбитальных систем, самособирающихся колоний на Луне и Марсе, любых строений в мировом океане, на поверхности земли и в воздухе (эксперты прогнозируют это в 2050 гг.). Возможность самосборки может привести к решению глобальных вопросов человечества: проблемы нехватки пищи, жилья и энергии. Схематически прогресс нанотехнологий с 2003 по 2050 года представлен на дереве развития нанотехнологий.

         2.4 Новое в конструировании машин и механизмов

Благодаря нанотехнологиям существенно изменится конструирование машин и механизмов – многие части упростятся вследствие новых технологий сборки, многие станут ненужными. Это позволит конструировать машины и механизмы, ранее недоступные человеку из-за отсутствия технологий сборки и конструирования. Эти механизмы будут состоять, по сути дела, из одной очень сложной детали.    

          2.5. Решение сырьевой проблемы

      С помощью механоэлектрических нанопреобразователей можно будет преобразовывать любые виды энергии с большим КПД и создать эффективные устройства для получения электроэнергии из солнечного излучения с КПД около 90%. Утилизация отходов и глобальный контроль за системами типа «recycling» позволит существенно увеличить сырьевые    

запасы человечества. Для постройки большинства объектов нанороботы будут использовать несколько самых распространенных типов атомов: углерод, водород, кремний, азот, кислород, сера, и др. в меньшем количестве. С освоением человечеством других планет проблема сырьевого снабжения будет решена.

          2.6.  Революция в домашнем  быту и сельском хозяйстве.

Наннотехнологии способны произвести революцию в сельском хозяйстве. Молекулярные роботы способны будут производить пищу, заменив в этом качестве растения и животных . Для этого они будут использовать любое «подножное сырьё» : воду и воздух, где есть главные нужные элементы – углерод, кислород , азот, водород, алюминий и кремний; остальные, как и для «обычных» живых организмов, потребуются в микроколичествах.

К примеру теоретически возможно производить молоко прямо из травы, минуя промежуточное звено – корову. Человеку не придётся убивать животных, чтобы полакомиться жаренной курочкой или копченным сало. Предметы потребления будут производиться «прямо на дому».

      2. 7. Промышленность и нанотехнологии.

См.мультик nanotube1,2

      2.8.  Использование нанотехнологий в строительстве  космического лифта.

См.мультик cosmolift

       2.9. Решение экологических проблем с помощью нанотехнологий.

      Нанотехнологии способны так же стабилизировать экологическую обстановку. Новые виды промышленности не будут производить отходов, отравляющих планету, а нанороботы смогут уничтожить последствия старых загрязнений – нанотехника восстановит озонный слой, очистит от загрязнений почву, реки, атмосферу, океаны, демонтирует заводы, плотины, рудники, запечатает радиоактивные отходы в вечные самовосстанавливающиеся контейнера. Более того, эксперементы с образцами почв, пораженных радиационно и химически (в том числе и чернобыльскими) показали возможности восстановления их с помощью нанопрепаратов на основе бактериородопсина до естественного состояния микрофлоры и плодоносности за несколько месяцев. Следы промышленной деятельности почти исчезнут с лица Земли, сократятся с\х угодия, большую часть планеты покроют сады, естественные экосистемы.

С помощью механоэлектрических нанопреобразователей можно будет преобразовывать любые виды энергии с большим КПД и создать эффективные устройства для получения электроэнергии из солнечного излучения с КПД около 90%. Станут возможными глобальный экологический контроль, погодный контроль благодаря системе взаимодействующих нанороботов, работающих синхронно.    

           2.10. Социальные последствия.        

      По прогнозам экспертов Национальной нанотехнологической инициативы США, развитие нанотехнологий через 10-15 лет позволит создать новую отрасль экономики с оборотом в $1 000.000.000.000 и милионны рабочих мест.

Принципиально иным станет образование. Дети получат карманные наноконструкторы, создающие движущиеся модели животных, машин и космических процессов, которыми они смогут управлять. Соответственно, изменится и сам подход к обучению, традиционная безличная классно – урочная система канет в прошлое, изменятся учебные программы. Игровые и учебные наномашины откроют доступ к мировым знаниям, разовьют по индивидуальной программе умственные способности каждого ребёнка.

Труд в современном смысле, то есть «в поте лица», который с незапамяных времен был главным содержанием жизни, перестанет существовать. Потеряют смысл и нынешние понятия стоимости, цены, денег. Зато повысится, вероятно, стоимость идеи – конструкции определенной вещи для постраения её ассемблерами.

Как считает Дрекслер, в таком полностью обновленном обществе осуществится настоящая утопия но не из тех, где дается рецепт коллективного счастья в типовых общежитиях. Наноробот, каждый человек получит максимальное разнообразие вариантов существования, возможность, не мешая другим, свободно избирать и менять образ жизни, экспериментировать, ошибаться и начинать сначала.

Биотехнологии и компьютерная техника, вероятно, получат большее развитие благодаря нанотехнологиям. С развитием наномедицинских роботов станет возможным отдаление человеческой смерти на неопределенный срок. Также не будет проблем с перестройкой человеческого тела для качественного увеличения естественных способностей. Возможно также обеспечение организма энергией, независимо от того, употреблялось что-либо в пищу или нет.

    Компьютерная техника трансформируется в единую глобальную информационную сеть огромной производительности, причем каждый человек будет иметь возможность быть терминалом – через непосредственный доступ к головному мозгу и органам чувств.

Область материаловедения существенно изменится – появятся т.н. «умные» материалы, способные к мультимедиа-общению с пользователем. Также появятся материалы сверхпрочные, сверхлегкие и негорючие (на основе алмазоида).

     Таким образом, на основании прогнозов, нанотехнологии обещают радикальное преобразование как современного производства и связанных с ним технологий, так и человеческой жизни в целом. Как сказал Ralph Merkle, (Xerox, Palo Alto) «Нанотехнологии произведут такую же революцию в манипулировании материей, какую произвели компьютеры в манипулировании информацией».

3. Проблемы, связанные с развитием  нанотехнологий.

1. Почему возможно движение  «антинанотехнологии»

    Один американский специалист ещё в 2001 году предрёк появление движения против нанотехнологий, говоря, что будет движение"антинанотехнологии", также, как появилось движение "антибиотехнологии". Будет, говорит, "Anti-nanotech Movement", точно так же, как появилось "Anti-biotech Movement". Если не задушить на корню, вырастет. Что же антинанотехнологи боятся?

Впрочем, говорить о создании Движения рано. Возможно, пока. Если антибиотехнологи широко распространились, в том числе по Интернету, то об опасности и необходимости запрета нанотехнологий информации очень мало. Но она есть.

      Из более-менее информативных материалов имеет смысл выделить статью в "Wired" и работу профессора Томаса Маккарти (Thomas McCarthy) "Война в эпоху невидимых машин" (War in the Age of Invisible Machines).

      Смысл статьи журнала "Wired": те, кто требует прекратить исследования в области нанотехнологий, потому что эта технология опаснее атомной бомбы, недостаточно образованы, им просто не хватает знаний о наномире. Надо, дескать, вести среди населения разъяснительную работу. Всё.

2. Нанотехнологии  и мировые  экономика,

      политика и   вооруженные силы     

          Маккарти же написал большую статью с множеством цитат. Во всяком случае, о характере опасений борцов против нанотехники этот труд даёт исчерпывающее представление. Так же, как и об уровне их познаний в данной области.

     Автор оперирует термином MNT (Molecular nanotechnology). По его мнению, это зарождающаяся технология, которая имеет потенциал, чтобы изменить мировую энергосистему, осуществить переворот в политике, экономике и вооружённых силах всех государств.

    Короче говоря, MNT кардинально изменит жизнь на планете Земля, мир встанет на уши. А опасность нанотехнологий вовсе не в том, что MNT станет причиной несчастных случаев или в возможности злоупотреблений ею. Скорее, опасения вызывает её нормальное, правильное использование как инструмента.

        Как известно, мировая экономика напрямую зависит от энергоресурсов и, в первую очередь, от нефти. Также мы знаем, сколько вооружённых конфликтов спровоцировала борьба за "чёрное золото", а нанотехнологии способны, по мнению Маккарти, эту причину для войны снять: с MNT эффективность сбора солнечной энергии вырастет настолько, что про нефть и уголь все забудут напрочь.

         Энергия Солнца в равной степени доступна всем государствам на планете, и трудно придумать, как одна страна перекроет другой доступ к этому источнику. Следовательно, на одну причину для войн станет меньше, интерес стран друг к другу в плане энергоресурсов сойдёт на нет.

      С другой стороны, нанотехнологии могут и сами стать причиной конфликта, если мировые державы будут разрабатывать MNT разными темпами и с переменным успехом. Тогда нанотехнологии дестабилизируют отношения между странами, что приведёт к переустройству мира. Нынешняя  иерархия разрушится.

      К тому же, для организации стран, экспортёров нефти (OPEC), MNT в качестве альтернативы энергоресурсам будет означать потерю власти.

      А у кого нефти много? Вряд ли приветливо встретят нанотехнологии страны  Ближнего Востока.  Это позволяет говорить о такой угрозе, как антинанотехнологический терроризм. Впрочем, боевые действия в эпоху нанотехнологий потеряют всякий смысл.

Изменится  характер войны.   Во-первых, MNT позволит создать оружие невиданной разрушительной силы. Во-вторых, это будет невидимое оружие. В-третьих, цель у этого оружия будет одна — люди.

      Американцы считают себя лидерами и в области нанотехнологий. Эта надпись выложена специалистами IBM из 112 молекул моноксида углерода. 250 миллионов букв такого размера — 300 книг с 300 страницами — могут быть написаны на человеческом волосе (фото pubs.acs.org).        

Сегодня оружие массового уничтожения можно обнаружить и вопреки желанию государства-хозяина. В случае же с MNT, ни о каком сокращении нановооружений и контроле над ним, соответственно, не может идти речи.

        Нанотехнологии не только сделают средства уничтожения супермикроскопических размеров, но и миниатюризируют средства их производства.

       Сегодня, чтобы победить врага, достаточно уничтожить его самолёты, танки и тому подобное — война выиграна. Но если это невидимое нанооружие, которое легко производится на таких же невидимых фабриках?

     Уродливые серые здания военных заводов уйдут в прошлое, уступив место дешёвому и быстрому молекулярному производству нанооружия. Небольшие фабрики вырастут как сорняки: вместо одной уничтоженной тут же появится новая.

     В итоге, применение нанотехнологического вооружения будет означать одно — полное истребление населения враждебного государства, геноцид. При этом, та же MNT будет делать людей фактически бессмертными.

      Но невидимое нанооружие и уравняет страны в военной мощи. Представьте себе средства уничтожения, о которых невозможно сказать ничего — ни о количестве , ни  о качестве. Вдобавок ко всему, это будет оружие, способное к самовосстановлению и самовоспроизводству: 1 кг будет производить такой же 1 кг, скажем, за 1 час.

3. Изменят ли нанотехнологии

     общественно – политическое  устройство мира.

Единственным выходом из этой патовой ситуации представляется мир во всём мире, переполненном одинаково смертельным оружием у одинаково опасных государств, которые должны создать мировое правительство.

       Вероятность того, что государства пойдут на это — 50 х 50: в эпоху нанотехнологий не будет прежних супердержав, ни у одной из сторон не останется кнутов и пряников.

         Более того, MNT перевернёт вверх дном сами государства: убьёт крупные, но породит массу маленьких.

      Одним из преимуществ, имеющихся сегодня у граждан больших государств, является то, что они находятся в относительной безопасности. В том смысле, что крупные страны тяжелее уничтожить. Если MNT сделает все государства одинаково сильными, это преимущество испарится.

    С появлением невидимого нанооружия уничтожить Землю можно будет гораздо быстрее (иллюстрация julianbaum.co.uk).        

        Вместо экономических причин для объединения приоритетом станут религиозные, этнические, лингвистические и любые другие, что может кончиться сформированием маленьких, независимых общин для определённых групп людей.

        Причём для поддержания мира страны должны будут отделиться друг от друга не только экономически и политически, но и географически, то есть пространственно.

    Благие  намерения? Ничего не скажешь, не особо радостную картину нарисовал Томас Маккарти.  "Всё, во что ты навеки влюблён, уничтожит разом тысячеглавый убийца-дракон. Должен быть повержен он", — как пела группа "Ария".

      Нанотехнологии войдут в нашу жизнь через медицину и вооружённые силы, а потом обязательно изменят мир. Вопрос в том, насколько сильно. Прогноз Маккарти не оставил камня на камне.

    Есть другие варианты. Мы уже писали о gray goo problem — серой слизи: всё живое на Земле будет разобрано на молекулы, которые затем будут бесконечно копироваться, и толстый слой серой слизи покроет Землю.

    Если наноробота научат лечить, то и уничтожению обучить его будет несложно (фото microscopy-uk.org.uk).        

Профессор Евгений Абрамян утверждает: в устройстве, предназначенном для разборки промышленных отходов до атомов, произойдёт сбой, и оно начнёт уничтожать полезные вещества биосферы, обеспечивающие жизнь людей.

"Чтобы удержать наше лидерство в области нанотехнологий, необходимо заинтересовать наукой и техникой наших детей, — сообщил в журнале "Wired" директор проекта Albany NanoTech Лемар Хилл (LeMar A. Hill). - Нужно уделять больше внимания образованию общественности и, тем самым, способствовать нанотехнологиям. Мы не должны их бояться".

  Не пора ли учёным остановиться с этими нанотехнологиями? Может, стоит поддержать движение против нанотехнологий? Или зря народ паникует?

 IV. Заключение.  Что нас ждёт в будущем.

     С наступлением нового тысячелетия начинается эра нанотехнологии. Стремительное развитие компьютерной техники, с одной стороны, будет стимулировать исследования в области нанотехнологий, с другой стороны, облегчит конструирование наномашин. Таким образом, молекулярная нанотехнология будет быстро развиваться уже в начале следующего века.

     Если человечество одумается и не будет создавать нанотехнологического оружия, то у него есть реальный шанс выжить. Причём, его ждёт, если не безоблачное, то довольно светлое будущее в комфортном мире без экологических проблем. Жизнь на выживание превратится в приятную жизнь. Но не следует думать, что при этом исчезнут все извечные философские проблемы.

     Зачем жить? Сколько жить? Во что переделывать себя? – эти вопросы будут волновать людей в преображённом мире.

     На пути развития человечества стоит камень - указатель с надписью: “Молекулярные нанотехнологии. Налево пойдёшь – погибнешь. Прямо пойдёшь – богатство найдёшь. Направо пойдёшь – всё найдёшь, но себя потеряешь.” Дороги расходятся в разные стороны. Нужно выбирать. Дороги эти: гонка нанотехнологических вооружений; использование нанотехнологий лишь для проведения исследований и производства благ; радикальная перестройка человека, общества и всего окружающего мира. Причём именно сейчас ответвляется дорога создания нанотехнологического оружия. Не хочется сворачивать на неё.

     Хочется закончить на оптимистической ноте и привести цитату из “Далёкой Радуги” братьев Стругацких: «Не надо огорчаться и заламывать руки. Жизнь прекрасна. Между прочим, именно потому, что нет конца противоречиям и новым поворотам. А что касается неизбежных неприятностей, то я очень люблю Куприна, и у него есть один герой, человек, вконец спившийся водкой и несчастный. Я помню наизусть, что он там говорит. - Он откашлялся. - "Если я попаду под поезд, и мне перережут живот, и мои внутренности смешаются с песком и намотаются на колеса, и если в этот последний миг меня спросят: "Ну что, и теперь жизнь прекрасна?" - Я скажу с благодарным восторгом: "Ах, как она прекрасна!"»

Литература.

1. Физика словарь-справочник; Е.Платунов, В.Самолетов, С.Буравой; 2005г.
2. Научно-познавательный сайт в сети Internet Nanotechnology News Network; www.nanonewsnet.ru
3. Научный сайт в сети Internet Membrana, раздел сложно о простом; www.membrana.ru/articles/simply
4. Нанотехнология для всех. Большое в малом; Мария Рыбалкина; 2005 г.
5. Физика для всех; Л.Д.Ландау, А.И.Китайгородский;1974 г.

nsportal.ru

Реферат - Нанотехнология. Перспективы развития

Министерство общего и профессионального образования РФ

Уральский государственный технический университет

Кафедра Физической и Коллоидной Химии

Реферат

Нанотехнология. Перспективы развития.

Студент: Ягодин С. И.

Группа: Х-277

Екатеринбург 2003

Содержание.

1 Введение3 2 Туннельный Микроскоп7 3 Электронные элементы на основе нанотехнологий9 4 Наноботы11 5 Философия19 6 Заключение23

1 Введение

Для понятия нанотехнология, пожалуй, не существует исчерпывающего определения, но по аналогии с существующими ныне микротехнологиями следует, что нанотехнологии — это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Поэтому переход от «микро» к «нано» — это качественный переход от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами.

Когда речь идет о развитии нанотехнологий, имеются в виду три направления:

• изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов;
• разработка и изготовление наномашин;
• манипуляция отдельными атомами и молекулами и сборка из них макрообъектов.

Разработки по этим направлениям ведутся уже давно. В 1981 году был создан туннельный микроскоп, позволяющий переносить отдельные атомы. С тех пор технология была значительно усовершенствована. Сегодня эти достижения мы используем в повседневной жизни: производство любых лазерных дисков, а тем более DVD невозможно без использования нанотехнических методов контроля.

На данный момент возможно наметить следующие перспективы нанотехнологий:

1. Медицина. Создание молекулярных роботов-врачей, которые «жили» бы внутри человеческого организма, устраняя или предотвращая все возникающие повреждения, включая генетические.

Срок реализации — первая половина XXI века.

2. Геронтология. Достижение личного бессмертия людей за счет внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестройки и улучшения тканей человеческого организма. Оживление и излечение тех безнадежно больных людей, которые были заморожены в настоящее время методами крионики.

Срок реализации: третья — четвертая четверти XXI века.

3. Промышленность. Замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул.

Срок реализации — начало XXI века.

4. Сельское хозяйство. Замена природных производителей пищи (растений и животных) аналогичными функционально комплексами из молекулярных роботов. Они будут воспроизводить те же химические процессы, что происходят в живом организме, однако более коротким и эффективным путем. Например, из цепочки «почва — углекислый газ — фотосинтез — трава — корова — молоко» будут удалены все лишние звенья. Останется «почва — углекислый газ — молоко (творог, масло, мясо)». Такое «сельское хозяйство» не будет зависеть от погодных условий и не будет нуждаться в тяжелом физическом труде. А производительности его хватит, чтобы решить продовольственную проблему раз и навсегда.

Срок реализации – вторая — четвертая четверть XXI века.

5. Биология. Станет возможным внедрение наноэлементов в живой организм на уровне атомов. Последствия могут быть самыми различными — от «восстановления» вымерших видов до создания новых типов живых существ, биороботов.

Срок реализации: середина XXI века.

6. Экология. Полное устранение вредного влияния деятельности человека на окружающую среду. Во-первых, за счет насыщения экосферы молекулярными роботами-санитарами, превращающими отходы деятельности человека в исходное сырье, а во-вторых, за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы.

Срок реализации: середина XXI века.

7. Освоение космоса. По-видимому, освоению космоса «обычным» порядком будет предшествовать освоение его нанороботами. Огромная армия роботов-молекул будет выпущена в околоземное космическое пространство и подготовит его для заселения человеком — сделает пригодными для обитания Луну, астероиды, ближайшие планеты, соорудит из «подручных материалов» (метеоритов, комет) космические станции. Это будет намного дешевле и безопаснее существующих ныне методов.

8. Кибернетика. Произойдет переход от ныне существующих планарных структур к объемным микросхемам, размеры активных элементов уменьшаться до размеров молекул. Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцовых величин. Получат распространение схемные решения на нейроноподобных элементах. Появится быстродействующая долговременная память на белковых молекулах, емкость которой будет измеряться терабайтами. Станет возможным «переселение» человеческого интеллекта в компьютер.

Срок реализации: первая — вторая четверть XXI века.

9. Разумная среда обитания. За счет внедрения логических наноэлементов во все атрибуты окружающей среды она станет «разумной» и исключительно комфортной для человека.

Срок реализации: после XXI века.

Основные этапы в развитии нанотехнологии:

1959 г. Лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман заявляет, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все, что угодно.

1981 г. Создание Бинигом и Рорером сканирующего туннельного микроскопа — прибора, позволяющего осуществлять воздействие на вещество на атомарном уровне.

1982-85 гг. Достижение атомарного разрешения.

1986 г. Создание атомно-силового микроскопа, позволяющего, в отличие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодействие с любыми материалами, а не только с проводящими.

1990 г. Манипуляции единичными атомами.

1994 г. Начало применения нанотехнологических методов в промышленности.

Однако принято считать, что нанотехнология «началась» когда 70 лет назад Г. А. Гамов впервые получил решения уравнения Шредингера, описывающие возможность преодоления частицей энергетического барьера даже в случае, когда энергия частицы меньше высоты барьера. Новое явление, называемое туннелированием, позволило объяснить многие экспериментально наблюдавшиеся процессы. Найденное решение позволило понять большой круг явлений и было применено для описания процессов, происходящих при вылете частицы из ядра — основы атомной науки и техники. Многие считают, что за грандиозность результатов его работ, ставших основополагающими для многих наук, Г. А. Гамов должен был быть удостоен нескольких Нобелевских премий.

Развитие электроники подошло к использованию процессов туннелирования лишь почти 30 лет спустя: появились туннельные диоды, открытые японским ученым Л. Есаки, удостоенным за это открытие Нобелевской премии. Еще через 5 лет Ю. С. Тиходеев, руководивший сектором физико-теоретических исследований в московском НИИ «Пульсар», предложил первые расчеты параметров и варианты использования приборов на основе многослойных туннельных структур, позволяющих достичь рекордных по быстродействию результатов. Спустя 20 лет они были успешно реализованы. В настоящее время процессы туннелирования легли в основу технологий, позволяющих оперировать со сверхмалыми величинами порядка нанометров (1нанометр=10-9 м).

До сих пор создание миниатюрных полупроводниковых приборов основывалось, в основном, на технике молекулярно-лучевой эпитаксии (выращивания слоев, параллельных плоскости подложки), позволяющей создавать планарные слои из различных материалов с толщиной вплоть до моноатомной. Однако эти процессы имеют значительные ограничения, не позволяющие создавать наноскопические структуры. К этим ограничениям относится высокая температура процессов эпитаксии — до нескольких сотен градусов, при которой хоть и обеспечивается рост высококачественных пленок, однако не обеспечивается локальность формируемых областей. Кроме того, высокие температуры поверхности подложки стимулируют диффузионные процессы, «размывающие» планарные структуры. Более «холодные» технологии осаждения, типа напыления, из-за одновременности осаждения материала на всю подложку, одновременного роста в разных местах зерен осаждаемого материала и последующего образования дефектов на их границах раздела также не позволяли создавать бездефектные наноструктуры.

Формирование элементов нанометрового размера первоначально планировалось осуществлять методами электронно-лучевой литографии, дополняемой методами ионного травления. Однако высокоэнергетичный электронный луч, рассеиваясь в подложке, вызывает значительные разрушения в материале, расположенном как под, так и в районе области фокусировки, практически перечеркивая возможность создания многослойных схем с нанометровыми размерами элементов. Возникла тупиковая ситуация, решение которой было найдено в 1981 году.

2 Туннельный микроскоп.

В 1981 году кардинально новым шагом, открывающим возможность создания высоколокальных — с точностью до отдельных атомов — низкоэнергетичных технологических процессов, явилось создание Г. Бинингом и Г. Рорером, сотрудниками швейцарского отделения компании IBM, сканирующего туннельного микроскопа, за которое они в 1985 году были удостоены Нобелевской премии.

Основой изобретенного микроскопа является очень острая игла, скользящая над исследуемой поверхностью с зазором менее одного нанометра. При этом электроны с острия иглы туннелируют через этот зазор в подложку. Исключительно резкая зависимость тока туннелирующих электронов от расстояния (при изменении зазора на одну десятую нанометра ток изменяется в 10 раз) обеспечила высокую чувствительность и высокую разрешающую способность микроскопа. Стабильное удержание иглы на столь малом расстоянии от подложки обеспечивается применением электронной следящей системы, под воздействием результатов измерения туннельного тока управляющей пьезоманипулятором, перемещающим иглу, что позволяет удерживать зазор с точностью выше сотых долей нанометра. Измеряя величины управляющих сигналов, при известной чувствительности пьезоманипулятора к перемещению под действием напряжения, определяют высоту исследуемой области поверхности. Сканируя над исследуемой поверхностью, по результатам измерений высот различных областей определяют профиль поверхности с точностью до отдельных атомов.

Однако кроме исследования поверхности, создание нового типа микроскопов открыло принципиально новый путь формирования элементов нанометровых размеров. Были получены уникальные результаты по перемещению атомов, их удалению и осаждению в заданную точку, а также локальной стимуляции химических процессов.

Обычно, для того чтобы провести измерения с помощью туннельных микроскопов между зондом и проводящей подложкой, прикладывают низкие напряжения в несколько милливольт, что ограничивает максимальную энергию туннелирующих электронов величиной, меньшей энергии тепловых колебаний атомов. При проведении нанотехнологических процессов между зондом и подложкой прикладываются напряжения в несколько вольт и даже десятков вольт, что позволяет активизировать проведение атомно-молекулярных процессов, характеризующихся переносом атомов, вплоть до локального испарения, а также стимулировать локальные химические реакции.

Нанотехнологические процессы могут проводиться в различных средах: вакууме, газах и жидкостях. В вакууме, в основном, проводятся процессы полевого испарения материала с иглы на подложку и наоборот. Значительно большие технологические возможности открываются в установках с напуском технологических газов. В газовых средах проводят локальные химические реакции, позволяющие, по сравнению с вакуумными установками, расширить диапазон используемых материалов, повысить производительность технологических установок.

Напуск технологического газа или паров вещества, используемых в технологической реакции, приводит к образованию на поверхности подложки адсорбированного слоя. Зонд сканирующего туннельного микроскопа приближается к поверхности подложки и практически погружается в адсорбированный слой. Приложение напряжения между зондом и подложкой стимулирует прохождение нескольких процессов:

• поверхностной миграции полярных молекул адсорбированного вещества к зонду;
• поляризации вещества под зондом;
• удаления вещества из-под зонда за счет нагрева;
• возникновения и поглощения плазмонных колебаний;
• межатомного взаимодействия зонда, подложки и вещества;
• локальных химических реакций.

Данные процессы в ряде случаев являются конкурирующими, и окончательный результат сильно зависит от типа применяемого вещества.

В жидких средах также осуществляют локальные химические реакции, хотя отвод продуктов реакции сложнее, чем в предыдущем случае.

Синтезируя подложку с определенными свойствами в газовых средах специального состава, можно создавать наноструктуры различных типов, пример показан на рис.

Ширина линии букв — десятки атомов

В последние годы для работы с диэлектрическими подложками применяются атомно-силовые микроскопы, однако они не позволяют производить локальную активацию атомов и молекул под зондом, то есть при их помощи невозможно осадить проводящий материал на диэлектрическую подложку. Что же касается современной техники на базе туннельных микроскопов, то с их помощью можно активировать лишь материал, расположенный между вершиной зонда и проводящей подложкой, а не диэлектрической, как это требуется для практических целей.

Поэтому главное направление развития технологии создания проводящих элементов на изолирующих материалах, это создание принципиально новых типов активаторов нанотехнологических процессов.

3 Электронные элементы на основе нанотехнологий.

Новые потенциальные технологические возможности нанотехнологии открыли пути к реализации новых типов транзисторов и электронных функциональных устройств, выполняющих соответствующие радиотехнические функции за счет особенности взаимодействия электронов с наноструктурами. К транзисторам новых типов относятся одноэлектронные транзисторы, предложенные К. Лихаревым, в которых доминируют эффекты поодиночного прохождения электронов через транзистор и управления параметрами данного процесса под действием потенциала управляющего электрода. Достоинством транзистора данного типа и функциональных приборов на его основе является исключительно низкое энергопотребление. К сравнительным недостаткам — наивысшие по трудности реализации требования создания нанометровых областей наименьших размеров, позволяющих осуществить работу данных устройств при комнатной температуре. К принципиально другому типу транзисторов следует отнести транзисторы Ааронова-Бома, в которых используются волновые свойства электронов. Под воздействием управляющего напряжения, создающего несимметричность параметров волнового распространения электрона по двум расходящимся, а потом сходящимся проводникам, происходит интерференция волновых функций электрона, приводящая к модуляции выходного электронного потока. К достоинствам транзисторов данного типа следует отнести сверхвысокое быстродействие, достигающее терагерцового диапазона, а к недостаткам — наивысшие требования к однородности материалов, выполнение которых необходимо для минимизации рассеяния электронов при распространении их по данным двум проводникам. К третьему типу нанотранзисторов относится полевой транзистор, сформированный на основе нанопроводников, в котором под воздействием управляющего напряжения происходит полевая модуляция проводимости проводника, по которому течет ток. Данный транзистор, хоть и не является рекордсменом по сравнению с первыми двумя по энергопотреблению и быстродействию, предъявляет наиболее простые технологические требования к технологии создания и позволяет достичь частотного диапазона в сотни гигагерц.

В 1993 г. было разработано новое семейство цифровых переключающих приборов на атомных и молекулярных шнурах. На этой основе разработаны логические элементы НЕ-И и НЕ-ИЛИ. Размер такой структуры ~ 10 нм, а рабочая частота ~ 1012 Гц.

Одним из важнейших достоинств нанотехнологии, реализующей процесс послойной сборки, является возможность трехмерного изготовления наноэлектронных схем. Наличие такого свойства у разрабатываемой технологии исключительно важно, так как полупроводниковая микроэлектроника, фактически, так и осталась планарной, позволив реализовать очень ограниченное число уровней металлизации для формирования межсоединений. Данный недостаток технологии порождал проблему, названную Я. А. Федотовым «тиранией межсоединений». Она не только сдерживает развитие прогрессивных интегральных схем с большим числом элементов, но и не позволяет аппаратно реализовать исключительно важные типы нейронных схем, в которых доминирует большое числосвязей между элементами.

4 Наноботы.

MEMS-технологии и мини-роботы Сандиа

Многие эксперты склонны отсчитывать историю микротехнологий от знаменитой лекции нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана, прочитанной им в 1959 году перед Американским физическим обществом. Богатейшая фантазия Фейнмана и талантпопуляризатора позволили ему обрисовать потенциал микротехнологий в самых ярких красках: в его лекции были и крошечные компьютеры, и системы хранения данных, электронные компоненты и даже микроскопический инструментарий миниатюрных роботов. Но если пророчества Фейнмана в области микроэлектроники начали обрастать плотью очень быстро — уже в 1960-70-е годы, — то прогресс в электромеханических микросистемах шел гораздо медленнее. Лишь в 1980-е годы ведущие университеты и правительственные лаборатории начали осваивать сравнительно недорогие способы изготовления и сборки крошечных механических деталей, для чего была разработана технология микроэлектромеханических систем, или MEMS, использующая методы литографии и инструментарий полупроводниковой промышленности.

Фактически, понадобилось больше тридцати лет на то, чтобы появилось первое коммерческое приложение MEMS. Одной из первых MEMS-технологий, получивших повсеместное распространение, стали сенсоры ускорения, устанавливаемые сейчас практически во все современные автомобили для детектирования столкновения и выпуска защитных воздушных подушек. Массачусетская компания Analog Devices, изготовившая первые такие сенсоры в 1993 году, сейчас продает автомобилестроителям около 50 миллионов MEMS-чипов в год. Есть и еще целый ряд успешных MEMS-изделий, таких как головки микроструйных принтеров или сенсоры давления, которые компания Motorola сотнями миллионов поставляет медицинской и автомобильной промышленности. Или, скажем, цифровые проекторы высокого разрешения Texas Instruments, построенные на основе MEMS-массивов микрозеркал. За последние годы удалось достичь заметных успехов в изготовлении моторов, насосов и зажимов, сенсоров давления и смещения — короче, множества самых разных по назначению механических агрегатов, настолько малых, что их не видно невооруженным глазом. Однако запустить подобные продукты в массовое производство оказалось гораздо труднее, чем полагали оптимисты.

Сейчас самой перспективной областью внедрения MEMS принято считать телекоммуникации. Так, в конце 2000 года от Национальной лаборатории Сандиа, принадлежащей министерству энергетики США, отпочковалась частная компания MEMX, занимающаяся вопросами коммерческого применения создаваемых в лаборатории MEMS-технологий. Компания сфокусировалась в своей деятельности на оптических коммутаторах для оптоволоконных телекоммуникационных систем. В их основу положена фирменная технология Сандиа под названием SUMMiT V (от Sandia Ultraplanar Multilevel MEMS Technology). Это микромашинный процесс обработки поверхности чипа напылением и травлением, охватывающий пять независимых слоев поликристаллического кремния — четыре «механических» слоя для построения механизмов и один электрический для обеспечения межсоединений электросхемы. Технология позволяет доводить размеры механических элементов до 1 мкм.

Опыт, накопленный разработчиками Сандиа в миниатюризации электромеханических систем, помог создать и весьма эффектных микроскопических роботов. Построенная в середине 1990-х годов модель автономного робота MARV (Miniature Autonomous Robotic Vehicle) имела объем около 1 кубического дюйма, хотя робот почти целиком был изготовлен из коммерчески доступных компонентов. К 2000 году его размеры удалось уменьшить в четыре с лишним раза. Эта крошечная машина на гусеничном ходу имеет полимерный каркас, шесть колес, два электромотора, процессор с 8 Кбайт памяти, датчик температуры, микрофон, видеокамеру, химический сенсор и три батарейки от часов. Надо сказать, именно бытовые элементы питания помешали сделать устройство еще миниатюрнее. Машины планируется оборудовать системой беспроводной связи, после чего группа микророботов сможет объединяться для совместного решения задач под управлением центрального компьютера. По замыслу разработчиков, основной областью применения таких роботов может стать поиск и обезвреживание бомб и мин, опасных биологических и химических материалов. Благодаря малым размерам и высокой проходимости микророботы очень перспективны для решения разведывательных задач. Однако емкость современных батарей катастрофически мала, ее хватает лишь на преодоление десятка метров.

Роботы «сухие» и «мокрые»

Нанотехнологии, особенно наномедицина, развиваются в двух принципиально разных направлениях, условно именуемых «сухой нанотехнологией» в механической традиции и «мокрой нанотехнологией» в биологической традиции.

«Сухие нанотехнологии» чаще всего отталкиваются от уже имеющихся технологий — вроде сканирующих микроскопов, которые способны перемещать отдельные атомы и молекулы. Пока что, как правило, это выражается в форме своеобразных «нанограффити», то есть складывании из атомов собственных имен исследователей, названий их институтов или щедрых спонсоров. Но все такие эксперименты обычно ограничены плоскостью. Укладывание молекул друг на друга — следующая задача, которая будет решена в ближайшие годы.

Например, исследователями Гарвардского университета сконструирован первый «нанопинцет» общего назначения, использующий пару электрически управляемых углеродных нанотрубок. С помощью этого механизма удается манипулировать 300-нанометровыми кластерами полистироловых микросфер или извлекать единственный 20-нанометровый полупроводниковый провод из массы аналогичных перепутанных проводов. В ближайшем будущем ученые надеются создать столь малый нанопинцет, чтобы захватывать отдельные крупные молекулы.

Быть может, «мокрой нанотехнологии» следует сконцентрироваться на конструировании и модификации белковых молекул, знаменитых своими выдающимися способностями к самосбору. Многие ученые полагают, что ключ к прогрессу лежит именно здесь. Живые системы используют множество молекулярных машин, таких как молекулярные моторы. Поэтому логично попытаться приспособить к нашим потребностям уже имеющиеся в природе механизмы, используя их для приведения в движение крошечных насосов, рычагов и зажимов. Концепцию «мокрых наноботов» иногда именуют также микробиороботами.

Исследователям из Нью-Йоркского университета, избравшим «подход самосбора», удалось научиться генерировать комплементарные нити ДНК, которые объединяют себя в сложные структуры желаемой конфигурации. Так были выстроены кубы, восьмигранники и другие правильные фигуры, состоящие всего из нескольких тысяч нуклеотидов. Избрав аналогичный подход, ученые генетически модифицировали природный биомотор, в естественных условиях встречающийся в ферменте аденозинтрифосфатозе (ATPase). В результате был изготовлен первый гибридный наномотор с небиологическими элементами из 100-нанометровых полос азотистого кремния. Подобно микроскопическому пропеллеру, он вращается со скоростью 200 оборотов в минуту.

Как показывают предварительные оценки, механические системы в конечном счете смогут обеспечить более высокие скорости работы и большую эффективность управления нанороботом, нежели системы биологические. Однако важным преимуществом последних является то, что зачастую их функциональные компоненты можно частично или целиком брать из уже имеющихся естественных живых систем, тем самым существенно сокращая время разработки.

Саморепликация.

Производство нанороботов всё ещё затруднено по двум причинам: проблема «толстых пальцев»- недостаточная разрешающая способность современных приборов и сложность проектирования схемотехнических решений. Эти проблемы, как ни странно, возможно решить только при помощи самих нанотехнологий. Если для проектирования схемы нужен мощный процессор, работающий на высокой частоте, то для массовой сборки нанороботов нужны нанороботы, т.к. только они по своему предназначению могут предоставить необходимый инструментарий для сборки механизма. Человеку не под силу любыми устройствами произвести количество нанороботов, соответствующее современной концепции их применения. Для обеспечения простейших задач, поставленных перед нанороботом, их нужны сотни, если не тысячи. На сегодняшний день разработка в этом направлении возможна лишь в теоретическом виде. Однако уже существуют макроскопические роботы, способные собрать себе подобного, а затем запрограммировать его. Также этот вопрос исследует философия. Дело в том, что при разговорах о репликации, самовоспроизведении роботов неизбежно возникают мысли о выходе их из-под контроля.Вплоть до того, что нанотехнология рассматривается сейчас некоторыми как первый шаг человечества по скользкому краю апокалиптической ямы, заполненной «серой слизью». Этот термин получил довольно широкое хождение с подачи Билла Джоя, главного ученого Sun Microsystems, опубликовавшего в журнале Wired нашумевшую статью «Нуждается ли в нас будущее?» Джой и его идейные соратники настойчиво предупреждают, что микроскопические самовоспроизводящиеся роботы, невидимые человеческому глазу, в случае выхода из-под контроля могут привести к нашествию безликой, липкой и пожирающей все вокруг массы — «серой слизи». Причем идею эту вовсе нельзя назвать высосанной из пальца, поскольку некоторые рьяные поборники новейших технологий уже выдвигали предложения по разработке армии «синей слизи» — разрушительных микромашин — в качестве мощного оружия.

В ответ на подобные опасения и тревогу авторитетные сторонники нанопрогресса (Ральф Меркль, в частности) выдвигают свои аргументы. Хотя нанотехнология действительно предлагает использовать репликацию для сведения к минимуму стоимости производства, она не предлагает копировать живые системы. Живые системы адаптируются к среде самым чудесным образом и способны выживать в сложных природных условиях. Нанотехнология, напротив, предлагает строить молекулярные машинные системы, похожие на микроскопические версии оборудования сегодняшних фабрик и заводов. Рука-манипулятор микроробота, уменьшенная до субмикронного размера, должна уметь брать и собирать молекулярные детали, подобно тому, как манипуляторы заводских роботов орудуют гайками и болтами. К сожалению, говорит Меркль, очень легко пойти по ложной тропе из-за простого факта: единственная репликационная система, с которой знакомо большинство из нас, — это биологические самовоспроизводящиеся системы. Мы автоматически начинаем подразумевать, что нанотехнологические репликационные системы будут подобны биологическим. Но машины, которые изготовляют люди, очень мало похожи на живые системы, поэтому и молекулярные системы производства скорее всего будут столь же непохожими.

В качестве иллюстрации к своим доводам Меркль приводит экспериментальную систему «экспоненциальной сборки», создаваемую техасской корпорацией Zyvex. Здесь разрабатываются механические системы для сборки устройств микронного, субмикронного и молекулярного масштаба. На микронном уровне, используя уже имеющиеся MEMS-технологии, проектируется простая роботизированная рука «взять-и-положить», способная манипулировать сложными планарными деталями микронного масштаба, изготовленными с помощью литографии. Из этих деталей собирается роботизированная рука, способная манипулировать специально разработанными MEMS-деталями. Процесс получил название «экспоненциальная сборка», поскольку это репликационная технология, начинающаяся с единственной роботизированной руки на кремниевой пластине, которая сама собирает другие роботизированные руки, беря детали, заранее уложенные на пластине в точно известных местах. Хотя количество собранных таким методом роботизированных рук может возрастать экспоненциально (до некоторых пределов, понятно, накладываемых системой производства), этот процесс требует, среди прочего, литографически изготовленных деталей, а также подачи электроэнергии и управляющих сигналов для координации сложных движений рук-манипуляторов. Достаточно отключить энергию, управляющие сигналы или лишить микроробота деталей — и он будет действовать так же, как и его заводской собрат, изъятый со сборочной линии и заброшенный в глухой лес.

К сожалению, далеко не все ученые, работающие в области нанотехнологий, придерживаются подобной логики, и среди них один из ведущих специалистов лаборатории Сандиа — Джеф Бринкер, снискавший международную известность благодаря работам в области самосборных нанокомпозитных материалов. При его непосредственном участии достигнуты весьма примечательные успехи в создании материалов, способных к спонтанной самоорганизации в сложные трехмерные конструкции наномасштаба. Главный же интерес исследований Бринкера, по его собственным словам, это научиться придавать материалам «жизнеподобные» свойства — то есть получать такие материалы, которые чувствуют окружающую среду и соответствующим образом реагируют, могут самоисцеляться и избегать угрожающих их существованию обстоятельств. В двух словах, цель Бринкера — наноматериалы, занимающие промежуточное положение между живым и неживым. Разумеется, робот из таких материалов — это уже далеко не неуклюжий заводской манипулятор в лесной чаще.

Трезвомыслящие ученые прекрасно понимают, что нанотехнология способна породить серьезные проблемы. Любая технология может быть использована для нанесения ущерба, а не только для всеобщего блага. По масштабам будущего воздействия на человечество нанотехнологии наверняка не уступят индустриальной революции.

В калифорнийском Пало-Альто в 1989 году была создана специальная некоммерческая организация «Предусмотрительный институт» (Foresight Institute) и девизом «Готовясь к нанотехнологиям» (основатель и глава института — Эрик Дрекслер). Здесь был подготовлен набор правил «техники безопасности» для разработчиков и изготовителей молекулярных систем. Среди руководящих принципов, например, такие: искусственные системы-репликаторы не должны иметь способность к воспроизводству в естественной, неконтролируемой окружающей среде. Они должны быть абсолютно зависимыми от источника искусственного питания или от искусственных компонентов, не встречающихся в природе. Они должны использовать коды выявления ошибок и шифрование, предотвращающее непреднамеренные изменения в их конструкции.

Все эти правила выкристаллизовались из бурных дискуссий о самых разных сценариях возможного развития нанотехнологий. Очевидно, что наше понимание развивающейся технологии эволюционирует, а значит, претерпевают изменения и рекомендации, отражая степень осмысления учеными того, как обеспечивать безопасное развитие нанотехнологий. Но в конечном счете диктовать реальный спектр нанотехнологических приложений будут вовсе не ученые, а правительства и индустрия.

Современные разработки.

Существующие решения нельзя назвать нанороботами в полном смысле этого слова, но микророботы являются достойными макроскопическими моделями.

В Массачусетском технологическом институте сейчас разрабатывается серия микророботов под общим названием NanoWalkers («наноскороходы»). Некоторые из них оборудованы иглами-пробниками сканирующего туннельного микроскопа для отображения и подталкивания атомов. Другие — щупами атомно-силового микроскопа для работы с непроводящими материалами. Третьи — микроманипуляторами для перемещения и сбора деталей микронного размера, а со временем и атомов. Попутно создается набор инструментов для наномасштабного напыления, травления, обработки и формирования изображения. Способные стремительно перемещаться, роботы-сборщики черпают энергию с электрически заряженной рабочей поверхности, образованной перемежающимися полосами разной электрической полярности. Связь с микророботами осуществляется через инфракрасную систему, монтируемую на верхушке их приземистого корпуса. Цифровая ПЗС-камера следит за перемещением и местонахождением роботов, направляя их к нужному месту, а затем вступает в действие система тонкого позиционирования, наводящая пробники-манипуляторы на конкретные молекулы или атомы.

Преимущество подобной концепции в следующем. Вместо того чтобы последовательно проводить объект сборки через техпроцессы, каждый раз передвигая и заново позиционируя микроскопический узел, система позволяет держать его на одном месте — а двигаются пусть недорогие мобильные микророботы, управляемые компьютером. Надо сказать, что индустрия, привыкшая к конвейерному производству, новую концепцию воспринимает с трудом.

Пьезокерамические ножки, с помощью которых роботы NanoWalker перемещаются, могут гнуться внутрь и наружу, удлиняться и укорачиваться, в зависимости от формы приложенного электрического сигнала. Делая около 18 тысяч шажков в секунду, роботы способны носиться намного быстрее, скажем, тараканов (делающих около 13 шажков в секунду), причем разным «аллюром» — либо семенить крошечными шагами по 2 нанометра, либо одним махом покрывать по 50 микрон за раз. Пока что в МТИ сосредоточились на том, чтобы научить своих роботов двигаться плавно и интегрировать в работу тончайшие острия сканирующих и атомно-силовых микроскопов.

Некоторые исследовательские центры, не стремившиеся любой ценой сделать микророботов автономными, добились успеха в решении других задач. Так, в немецком университете Карлсруэ управляемые по проводам роботы уже действуют на предметных столиках оптических микроскопов и в вакуумных камерах сканирующих электронных микроскопов. Они справляются с таким делом, как сбор оптических систем микронного масштаба или захват и перенос отдельных биологических клеток. Бесспорно менее проворные, чем NanoWalker, и предназначенные для манипулирования более крупными объектами, немецкие роботы MINIMAN (от Miniaturized Robot for Micromanipulation) оперируют такими инструментами, как микрозажимы и микропипетки.

После того как управляющий роботом оператор щелкает указателем мышки по изображению конкретной клетки на мониторе, робот, ведомый компьютеризированной системой зрения, находит именно эту клетку, аккуратно засасывает ее в микропипетку, переносит в другое место и выпускает. При другом сценарии два робота, работающие совместно, могут удерживать клетку и впрыскивать в нее раствор медикамента или красителя. Подобные операции уже так отточены, что на их выполнение требуется буквально секунда. Несколько иной аппарат MINIMAN III способен собирать и настраивать систему из 1- и 2-миллиметровых, причем оператор вмешивается в процесс сборки всего один раз. Пока что многие из осваиваемых роботами операций автоматизированы лишь частично, однако со временем все работы будут осуществляться без участия человека. Разработка микророботов MINIMAN ведется совместно институтами Германии, Швеции, Испании, Великобритании и Италии. Содействие им оказывают голландская фирма Philips Bedrijven и немецкая Kammrath & Weiss.

Среди крупномасштабных разработчиков MEMS– фирма Intel, известная своими процессорными и сетевыми решениями. Свой интерес к технологии они объясняют стремлением разработать интегрированные всё-в-одном микросхемы. Уже сегодня интегральные схемы, содержащие в себе все основные системы компьютера. Применение нанотехнологий с многоуровневой структурой чипа и механическими микропереключателями MEMS позволило бы на порядок уменьшить геометрическую величину, стоимость, энергопотребление, тепловыделение, внутренние флуктуационные эффекты и т.д. Представители Intel приводят пример с радио, все аналоговые и цифровые компоненты которого будут выполнены на одном кристалле. Причем оно должно быть универсальным, то есть работать со всеми стандартами: GSM, GPRS, Bluetooth, 802.11a, 802.11b и так далее. Благодаря интегрированности, радио будет столь простым, что его удастся использовать не только для внешней коммуникации, но и для внутренней — например, между отдельными чипами в компьютере. Если такие универсальные радиоэлементы будут сделаны, им понадобятся механические движущиеся части для переключения цепей. На том же кристалле должны быть и аналоговые компоненты передатчика и приемника.

5 Философия.

Развитие нанотехнологий ставит ряд очень важных вопросов. В первую очередь философского характера.

Эдуард Теллер, один из создателей термоядерной бомбы заметил: «Тот, кто раньше овладеет нанотехнологией, займет ведущее место в техносфере следующего столетия ». Нужно опасаться такого хода мыслей. Высказывание, безусловно, верное, но нанотехнология не должна становиться предметом соперничества. Она обладает столь мощным потенциалом, что нужно вести разработки в этой области полностью открыто, с тщательным контролем, исключающем создание оружия.

Эрик Дрекслер пишет: «Но мощь новых технологий можно обратить и на создание военной силы. Перспектива создания новых вооружений и их быстрого производства является причиной для серьезного беспокойства. Это ведет к идее установления тщательного контроля даже для тех из нас, кто является убежденным сторонником свободного развития технологии ».

Молекулярные нанотехнологии, которые могут убить цивилизацию, с другой стороны обладают большим потенциалом созидания, чем разрушения. В этом их отличие, скажем, от ядерной энергии, неудержимая мощь которой гораздо больше подходит для разрушения. В этом смысле прорыв человека в микромир очень похож на изобретение колеса, которое имеет гораздо большее применение в мирных целях, чем при создании оружия, где оно обычно работает лишь косвенно.

Остаётся опасность непредсказуемого поведения наносистем, их выхода из-под контроля человека. Сколько статей и рассказов было написано, где компьютер взбунтовался против человека. Но практика развития компьютерных систем показывает, что ничего подобного не происходит и не собирается происходить. Опасность такого рода возникнет только тогда, когда система осознает саму себя и у неё появятся собственные цели.

На современном этапе развития поведение компьютерных систем слишком жёстко ограничивается алгоритмическими программами. Кроме того, эти алгоритмы слабо связаны с окружающей средой, у компьютеров только сейчас появляется слух и зрение в виде микрофонов и видеокамер, а органов воздействия на окружающие предметы практически нет.

Развитие нанокомпьютеров неизбежно будет связано с созданием нейросетей, допускающих случайные отклики на внешние воздействия, и ростом взаимосвязи компьютер – внешний мир. Наряду с громадным ростом быстродействия и памяти в таких системах можно ожидать самозарождения сознания.

Но отказ выполнять волю человека может произойти не только из-за того, что наносистемы начнут проявлять свою волю, противостоящую воле человека, а из-за недостаточного понимания людьми последствий исполнения собственных желаний наносистемами. Человек не может предусмотреть всех последствий деятельности наносистем в силу их очень высокой сложности. Станислав Лем это образно описывает так: «По-видимому, когда в среде обитания появляются зачатки разума, когда этот разум пересаживают из голов в машины, а от машин, как некогда от мамонтов и примитивных рептилий, его унаследуют молекулы, и молекулы эти, совершенствуя новые поколения смышленых молекул, преодолеют так называемый порог Скварка, то есть плотность их интеллекта настолько превысит плотность человеческого мозга, что в песчинке поместится умственный потенциал не доцента какого-нибудь, а сотни факультетов вместе с их учеными советами, – тогда уже сам черт не поймет, кто кем управляет: люди шустрами или шустры людьми. И речь тут вовсе не о пресловутом бунте машин, не о восстаниях роботов, которыми давным-давно, когда в моде была футурология для масс, пугали нас недоучившиеся журналисты, но о процессе совершенно иного рода и иного значения. Шустры бунтуют в точности так же, как растущая в поле пшеница или микробы на агаровой пленке. Они исправно делают, что им поручено, но делают это все лучше и лучше и, в конце концов, начинают делать это так изумительно, как никому не пришло бы в голову в самом начале… И уж тем более никто не верил, что какие-то шустры получат превосходство над людьми – не угрозами и не силой, но так, как ученый совет, состоящий из дважды профессоров, превосходит мальца в коротких штанишках. Ему не понять их коллективной мудрости, как бы он ни старался. И даже если он принц и может приказывать совету, а совет добросовестно исполняет его капризы, все равно результаты разойдутся с его ребяческими ожиданиями, – например, захоти он летать. Разумеется, он будет летать, но не по-сказочному, как он, несомненно, себе представлял, не на ковре-самолете, но на чем-нибудь вроде аэроплана, воздушного шара или ракеты, поскольку даже наивысшая мудрость в силах осуществить только то, что возможно в реальном мире. И хотя мечты этого сопляка исполнятся, их исполнение каждый раз будет для него неожиданностью. Возможно, в конце концов, мудрецам удалось бы растолковать ему, почему они шли к цели не тем путем, который он им указал, ведь малыш подрастет и сможет у них учиться; но среда обитания, которая умнее своих обитателей, не может разъяснить им то, чего они не поймут, ведь они — скажем, наконец, прямо – слишком глупы для этого ».

Кроме самопроизвольного неподчинения систем в силу их воли или глупости человека существует ещё много возможностей отказа наносистемы выполнить волю человека. Части этих отказов можно, теоретически избежать, другой части нельзя избежать в принципе.

Системы наномашин кто-то будет проектировать. Разработка наносистем на начальном этапе требует огромных затрат труда. Естественно, люди, разработавшие наносистемы, могут предусмотреть в их программе подчинение лишь себе или покупателю, но отказ служить другим людям. Таким образом, мир может разделиться на две группы людей (фирм, компаний, государств). Одним наносистемы будут подчиняться, а другим не будут.

Лем о новом мире и создателях наносистем пишет: «Но если в этой перекроенной на новый лад гармонии что-то разладится, кто исправит ее? А так как кто-то должен ее к тому же запроектировать и запустить в производство, это лицо или группа лиц будут склонны самозванчески, явным или, что еще хуже, тайным образом взять себе роль Господа Бога в этом всепредставлении ».

Практически невозможно избежать неповиновения наносистемы, если желания нескольких человек взаимоисключают друг друга. В этом случае наносистема, исполняя приказ одного человека, не будет повиноваться другому. Но этими вопросами занимается уже теория систем. Нанороботы в этом плане ничем не будут отличаться от сегодняшних и будущих роботов, разве только нейропроцессором. Но и модели поведения нейросистем, несмотря на отсутствие аппаратных реализаций, хорошо проработаны и изучены.

Развитие молекулярной нанотехнологии даст возможность тщательно изучить процессы, протекающие внутри клеток организма. Есть большие основания полагать, что точное знание того, как функционируют клетки, позволит создать наномашины ликвидирующие негативные изменения происходящие в клетках и тканях живого организма с течением времени. Возможно, удастся переделать программу, записанную в ДНК, так, чтобы «выключить» старение и улучшить генетические параметры организма. Тогда функции регулирующих наномашин возьмут на себя органеллы клетки.

Но не нарушит ли человек гармонию мира, искусственным путём достигнув бессмертия? Кроме проблемы перенаселённости Земли, которую, в принципе, можно решить, расселяясь по Вселенной, есть другие доводы против бессмертного человека.

Во-первых, поколение людей несёт с собой определённые моральные устои, мировоззренческие взгляды, и длительная жизнь одного поколения может привести к застою в развитии общества.

Во-вторых, с возрастом человек проявляет всё меньше интереса к жизни, в нём растёт усталость, груз накопленных знаний и переживаний гнетёт его, так что смена поколений необходима для поддержания активности всё время на высоком уровне.

В-третьих, опыт говорит нам, что любой развивающийся процесс в природе имеет своё начало и свой конец. Бесконечным может быть лишь стационарный или циклический процесс. Так как неотъемлемым атрибутом жизни является развитие, то любой жизненный процесс рано или поздно должен заканчиваться смертью.

Но отрицание возможности бессмертия не означает невозможность долголетия. Нет никаких принципиальных ограничений на длительность жизни человека, допустим, в 1000 лет. Таким долгожителем, скорее всего, можно стать с помощью молекулярной нанотехнологии. А дальнейшее увеличение длительности жизни будет зависеть от состояния общества и настроения каждого человека лично.

«Истинному» – временному долголетию человека можно противопоставить альтернативный вариант «внутреннего» долголетия, которое может дать молекулярная нанотехнология. В этом случае, внедрённые в мозг наносистемы так изменяют процессы мышления, что ход внутреннего времени человека многократно ускоряется. За прежний промежуток времени человек субъективно будет проживать во много раз больше. Но такому мозгу будет казаться, что весь мир впал в дрёму, так как для него все физические перемещения будут выполняться очень медленно, будто в вязком сиропе. Вряд ли такое долголетие придётся по вкусу многим людям.

Переделка человеческого организма с целью излечения от болезней и увеличения продолжительности жизни с помощью молекулярных нанотехнологий будет возможна в достаточно отдалённом будущем (хотя, по оптимистическим прогнозам это произойдёт в конце следующего века). Но даже для ныне живущих людей есть возможность стать такими долгожителями. Этот шанс предоставляет крионика — замораживание организма до сверхнизких температур после клинической смерти. Правда, это могут себе позволить лишь достаточно богатые и смелые люди. Ведь когда появится возможность разморозить и вылечить человека, скорее всего, никого из его родственников и знакомых, не разделивших его участь, не будет в живых. Плюс к тому нет существенной гарантии что тело будет правильно разморожено и будет соблюдён вес техпроцесс. На сегодня ни того не другого не разработано. Психологический аспект проблемы «размороженного» человека рассматривался во множестве различных произведений, от научно-фантастических до философских.

Заключение.

Нанотехнология – без сомнения самое передовое и многообещающее направление развития науки и техники на сегодняшний день. Возможности её поражают воображение, мощь – вселяет страх. Видимо будущее развитие технологии будет основываться на балансе между созиданием и разрушением. С точки зрения автора, обязательно появятся военные и, более того, подпольно-хакерские, применения. Но и многообразие мирных задач, поставленных перед нанотехнологией сегодня, не даст покоя учёным. Нанотехнология в корне изменит нашу жизнь. Появятся новые возможности, идеи, вопросы и ответы.

Сегодня кажется, что новый мир в наших руках. Однако на самом деле почти все массовые эксперименты ограничиваются лишь ловким гравированием атомами. Будущее же технологии закладывают ставшие уже традиционными области науки и техники. Микроэлектроника, робототехника, нейротехнология – привычные слуху названия, стоящие за сегодняшними науками, кажущимися практически бесполезными на фоне нанотехнологии.

Мы используем достижения новой технологии сегодня и уже не можем отказаться. Нам уже сложно помыслить даже день без компакт-дисков, а также всего того, что мы не видим. Это то, что упрятано в корпуса машин, систем безопасности, контроля окружающей среды. Датчики на основе наноэлементов используются уже далеко не первый год.

Нанороботы в будущем создадут интеллектуальную среду обитания. Буквально все пространство будет пронизано ими, они, связываясь между собой, создадут глобальную сеть, с которой можно будет взаимодействовать без всяких терминалов. Благодаря огромному количеству этих роботов, сеть будет «распаралелленной», что позволит передавать информацию с невообразимой сегодня скоростью. К тому времени накопится достаточно «контента» для распространения, хотя кто знает, может быть по этим сетям будет передаваться и материя, ведь разработки в области телепортации также связаны с небезызвестным имненем IBM.

Напоминаю – практически всё, что обещает нам сегодня нанотехнология, можно ощутить сегодня благодаря смежным технологическим разработкам. Можно пожить в интеллектуальной техносреде – уже разработаны целые интеллектуальные дома, набитые умной техникой, включая аресловутый холодильник с доступом в интернет. Микробототехникой занимается множество лабораторий по всему миро, например SANDIAи MEMX. Медицина – биоимплантаты, вживляемые в организм, несущие на борту от чипов с личной информацией до электронных органов. Нейропроцессоры и системы с параллельными алгоритмами существуют в программных реализациях. Они пусть медленно, но успешно работают. Конечно эти разработки слишком велики по габаритам, чтобы сравниться с наноустройствами, однако уже сейчас мы можем оценить, чем мы будем жить в будущем, причём не слишком отдалённом.

Список литературы.

1. Drexler K. Eric; «Engines of Creation. The Coming Era of Nanotechnology »; Anchor Books; 1986; www.foresight.org/EOC/index.html

2. Drexler K. Eric; «Nanosystems»; Wiley Interscience; 1992; nano.xerox.com/nanotech/nanosystems.html

3. Drexler K. Eric, Peterson Chris, and Pergamit Gayle; «Unbounding the Future: the Nanotechnology Revolution»; 1991; www.foresight.org/UTF/Unbound_LBW/index.html

4. Пётр Лускинович; «Нанотехнология»; Журнал «Компьютера» www.computerra.ru/offline/1997/218/828/

5. Михаил Соловьёв; «Нанотехнология — ключ к бессмертию и свободе»; Журнал «Компьютера»www.computerra.ru/offline/1997/218/829/

6. Бёрд Киви; «Микроботы: технология будущего сегодня»; Журнал «Компьютера»www.computerra.ru/offline/2002/439/17343/

7. Sandia National Laboratories Official Sitewww.sandia.gov

8. MEMX Official Sitewww.memx.com

9. S. Lem. Wizja Localna. Krakow, 1982.

Copyleft hpf

[email protected]

167718618

www.ronl.ru

Начальная Windows Commander Far WinNavigator Frigate Norton Commander WinNC Dos Navigator Servant Salamander Turbo Browser Winamp, Skins, Plugins Необходимые Утилиты Текстовые редакторы Юмор		File managers and best utilites Главная » Реферат » Реферат нанотехнологии Реферат: Нанотехнология. Перспективы развития. Реферат нанотехнологии Реферат Нанотехнологии. Применение нанотехнологий Реферат Нанотехнологии. Применение нанотехнологий Скачать реферат Нанотехнологии. Применение нанотехнологий в формате doc Скачать презентацию «Нанотехнологии. Применение нанотехнологий» в формате ppt Школьный портал предлагает Вашему вниманию увлекательнейший материал о направлении в современной науке и технике, набирающем обороты своего развития с невероятным темпом в нынешнее время. Речь идет о нанотехнологиях. На сегодняшний день не многие знают, что стоит за этим направлением в науке, несмотря на то, что она у всех на слуху и ей предрекают будущее. Реферат Нанотехнологии. Применение нанотехнологий — это материал, автор которого попытался приоткрыть завесу данного определения, понятия, познакомить с самой сущностью нанотехнологии, а также познакомить с многообразием спектра применения ее в разных отраслях науки. Как и в каждой бочке меда люди пытаются найти ложку дегтя, так и реферат Нанотехнологии. Применение нанотехнологий обоснует опасения некоторых ученых в вопросе степени вредоносности и опасности, которую могут нанести человеку в будущем нововведения с ними связанные. Реферат Нанотехнологии — определение и перспективы Данная область в науке появилась не так давно, но ее перспективы достаточно многообещающи. Понятие «нано» подразумевает величину, равную одной миллиардной доли какой-нибудь величины. К примеру, нанометр — это величина, соразмерная одной миллиардной части метра. Здесь уже можно говорить о размерах самих атомов и молекул. Если говорить об определении этого направления, то их можно привести великое множество. Каждое из них по-своему будет трактовать одну и ту же специфику, которая решается данной областью науки. В работе, которую можно скачать в начале статьи по ссылке, есть несколько наиболее часто встречающихся определений. В самом же широком понимании, нанотехнологии — это разработки, исследования уровня атомов, молекул, макромолекул в масштабе, исчисляемым размером от 1 до 100 нанометров; это изготовление и дальнейшее применение таких искусственных структур, систем или устройств, в силу своих сверхмалых размеров которые располагают совершенно новыми свойствами, до сих пор не практиковавшими на практике; это еще и способность манипулировать каким-либо веществом на уровне атомных расстояний. Реферат Нанотехнологии. Из истории развития Точку отсчета развитию этой области в науке послужили различные факторы. Причем, разные авторы приводят разнящиеся примеры, сподвигнувшие развитие и становление нанотехнологии. И все-таки, по мнению большинства ученых, толчок в развитии данного направления дала лекция Ричарда Фейнмана, научно доказывавшего, отсутствие каких бы то ни было препятствий, с точки зрения физики, возможности создания каких-либо объектов прямо из атомных частиц. Чтобы нагляднее продемонстрировать такую возможность манипулирования атомами, ввели понятие «ассемблера» — это, своего рода, молекулярная наномашина, способная построить различные молекулярные структуры. На первый взгляд, объект фантастический. Однако, есть в природе аналог ассемблера — рибосома, отвечающая за синтез белка в живых организмах. Реферат Нанотехнологии. Область на стыке наук Специализированные нанороботы На сегодняшний день можно уверенно утверждать, что нанотехнология уже не только обособленная часть знаний, а масштабная, связанная с разными фундаментальными науками, область знаний. Самая очевидная же связь обнаруживается с физикой, биологией, а также химией. В работе подробно приведено историческое обоснование развитию данной области знаний, а также существующие и перспективные направления применения продуктов нанотехнологии в областях: космосе, медицине, промышленности, сельском хозяйстве, электронике и искусстве. Реферат Нанотехнологии. Применение нанотехнологий имеет в качестве приложения одноименную презентаци, которую Вы можете также скачать в начале статьи, а просмотреть ниже ↓ Скачать презентацию «Нанотехнологии. Применение нанотехнологий» в формате ppt nashashcola.ru Реферат: Нанотехнология. Перспективы развития - Реферат - Нанотехнология. Перспективы развития	Содержание.1  Введение 32  Туннельный Микроскоп 73  Электронные элементы на основе нанотехнологий 94  Наноботы 115  Философия 196  Заключение 23 1 ВведениеДля понятия нанотехнология, пожалуй, не существует исчерпывающего определения, но по аналогии с существующими ныне микротехнологиями следует, что нанотехнологии - это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Поэтому переход от "микро" к "нано" - это качественный переход от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами. Когда речь идет о развитии нанотехнологий, имеются в виду три направления: изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов; разработка и изготовление наномашин; манипуляция отдельными атомами и молекулами и сборка из них макрообъектов. Разработки по этим направлениям ведутся уже давно. В 1981 году был создан туннельный микроскоп, позволяющий переносить отдельные атомы. С тех пор технология была значительно усовершенствована. Сегодня эти достижения мы используем в повседневной жизни: производство любых лазерных дисков, а тем более DVD невозможно без использования нанотехнических методов контроля.На данный момент возможно наметить следующие перспективы нанотехнологий:1. Медицина. Создание молекулярных роботов-врачей, которые "жили" бы внутри человеческого организма, устраняя или предотвращая все возникающие повреждения, включая генетические. ^ 2. Геронтология. Достижение личного бессмертия людей за счет внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестройки и улучшения тканей человеческого организма. Оживление и излечение тех безнадежно больных людей, которые были заморожены в настоящее время методами крионики. ^ 3. Промышленность. Замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул. ^ 4. Сельское хозяйство. Замена природных производителей пищи (растений и животных) аналогичными функционально комплексами из молекулярных роботов. Они будут воспроизводить те же химические процессы, что происходят в живом организме, однако более коротким и эффективным путем. Например, из цепочки "почва - углекислый газ - фотосинтез - трава - корова - молоко" будут удалены все лишние звенья. Останется "почва - углекислый газ - молоко (творог, масло, мясо)". Такое "сельское хозяйство" не будет зависеть от погодных условий и не будет нуждаться в тяжелом физическом труде. А производительности его хватит, чтобы решить продовольственную проблему раз и навсегда.^ 5. Биология. Станет возможным внедрение наноэлементов в живой организм на уровне атомов. Последствия могут быть самыми различными - от "восстановления" вымерших видов до создания новых типов живых существ, биороботов. ^ 6. Экология. Полное устранение вредного влияния деятельности человека на окружающую среду. Во-первых, за счет насыщения экосферы молекулярными роботами-санитарами, превращающими отходы деятельности человека в исходное сырье, а во-вторых, за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы. ^ 7. Освоение космоса. По-видимому, освоению космоса "обычным" порядком будет предшествовать освоение его нанороботами. Огромная армия роботов-молекул будет выпущена в околоземное космическое пространство и подготовит его для заселения человеком - сделает пригодными для обитания Луну, астероиды, ближайшие планеты, соорудит из "подручных материалов" (метеоритов, комет) космические станции. Это будет намного дешевле и безопаснее существующих ныне методов. 8. Кибернетика. Произойдет переход от ныне существующих планарных структур к объемным микросхемам, размеры активных элементов уменьшаться до размеров молекул. Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцовых величин. Получат распространение схемные решения на нейроноподобных элементах. Появится быстродействующая долговременная память на белковых молекулах, емкость которой будет измеряться терабайтами. Станет возможным "переселение" человеческого интеллекта в компьютер. ^ 9. Разумная среда обитания. За счет внедрения логических наноэлементов во все атрибуты окружающей среды она станет "разумной" и исключительно комфортной для человека. ^ Основные этапы в развитии нанотехнологии:1959 г. Лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман заявляет, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все, что угодно. 1981 г. Создание Бинигом и Рорером сканирующего туннельного микроскопа - прибора, позволяющего осуществлять воздействие на вещество на атомарном уровне. 1982-85 гг. Достижение атомарного разрешения. 1986 г. Создание атомно-силового микроскопа, позволяющего, в отличие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодействие с любыми материалами, а не только с проводящими. ^  Манипуляции единичными атомами. 1994 г. Начало применения нанотехнологических методов в промышленности. Однако принято считать, что нанотехнология "началась" когда 70 лет назад Г. А. Гамов впервые получил решения уравнения Шредингера, описывающие возможность преодоления частицей энергетического барьера даже в случае, когда энергия частицы меньше высоты барьера. Новое явление, называемое туннелированием, позволило объяснить многие экспериментально наблюдавшиеся процессы. Найденное решение позволило понять большой круг явлений и было применено для описания процессов, происходящих при вылете частицы из ядра - основы атомной науки и техники. Многие считают, что за грандиозность результатов его работ, ставших основополагающими для многих наук, Г. А. Гамов должен был быть удостоен нескольких Нобелевских премий. Развитие электроники подошло к использованию процессов туннелирования лишь почти 30 лет спустя: появились туннельные диоды, открытые японским ученым Л. Есаки, удостоенным за это открытие Нобелевской премии. Еще через 5 лет Ю. С. Тиходеев, руководивший сектором физико-теоретических исследований в московском НИИ "Пульсар", предложил первые расчеты параметров и варианты использования приборов на основе многослойных туннельных структур, позволяющих достичь рекордных по быстродействию результатов. Спустя 20 лет они были успешно реализованы. В настоящее время процессы туннелирования легли в основу технологий, позволяющих оперировать со сверхмалыми величинами порядка нанометров (1нанометр=10-9 м). До сих пор создание миниатюрных полупроводниковых приборов основывалось, в основном, на технике молекулярно-лучевой эпитаксии (выращивания слоев, параллельных плоскости подложки), позволяющей создавать планарные слои из различных материалов с толщиной вплоть до моноатомной. Однако эти процессы имеют значительные ограничения, не позволяющие создавать наноскопические структуры. К этим ограничениям относится высокая температура процессов эпитаксии - до нескольких сотен градусов, при которой хоть и обеспечивается рост высококачественных пленок, однако не обеспечивается локальность формируемых областей. Кроме того, высокие температуры поверхности подложки стимулируют диффузионные процессы, "размывающие" планарные структуры. Более "холодные" технологии осаждения, типа напыления, из-за одновременности осаждения материала на всю подложку, одновременного роста в разных местах зерен осаждаемого материала и последующего образования дефектов на их границах раздела также не позволяли создавать бездефектные наноструктуры. Формирование элементов нанометрового размера первоначально планировалось осуществлять методами электронно-лучевой литографии, дополняемой методами ионного травления. Однако высокоэнергетичный электронный луч, рассеиваясь в подложке, вызывает значительные разрушения в материале, расположенном как под, так и в районе области фокусировки, практически перечеркивая возможность создания многослойных схем с нанометровыми размерами элементов. Возникла тупиковая ситуация, решение которой было найдено в 1981 году. 2 ^ В 1981 году кардинально новым шагом, открывающим возможность создания высоколокальных - с точностью до отдельных атомов - низкоэнергетичных технологических процессов, явилось создание Г. Бинингом и Г. Рорером, сотрудниками швейцарского отделения компании IBM, сканирующего туннельного микроскопа, за которое они в 1985 году были удостоены Нобелевской премии. Основой изобретенного микроскопа является очень острая игла, скользящая над исследуемой поверхностью с зазором менее одного нанометра. При этом электроны с острия иглы туннелируют через этот зазор в подложку. Исключительно резкая зависимость тока туннелирующих электронов от расстояния (при изменении зазора на одну десятую нанометра ток изменяется в 10 раз) обеспечила высокую чувствительность и высокую разрешающую способность микроскопа. Стабильное удержание иглы на столь малом расстоянии от подложки обеспечивается применением электронной следящей системы, под воздействием результатов измерения туннельного тока управляющей пьезоманипулятором, перемещающим иглу, что позволяет удерживать зазор с точностью выше сотых долей нанометра. Измеряя величины управляющих сигналов, при известной чувствительности пьезоманипулятора к перемещению под действием напряжения, определяют высоту исследуемой области поверхности. Сканируя над исследуемой поверхностью, по результатам измерений высот различных областей определяют профиль поверхности с точностью до отдельных атомов. Однако кроме исследования поверхности, создание нового типа микроскопов открыло принципиально новый путь формирования элементов нанометровых размеров. Были получены уникальные результаты по перемещению атомов, их удалению и осаждению в заданную точку, а также локальной стимуляции химических процессов. Обычно, для того чтобы провести измерения с помощью туннельных микроскопов между зондом и проводящей подложкой, прикладывают низкие напряжения в несколько милливольт, что ограничивает максимальную энергию туннелирующих электронов величиной, меньшей энергии тепловых колебаний атомов. При проведении нанотехнологических процессов между зондом и подложкой прикладываются напряжения в несколько вольт и даже десятков вольт, что позволяет активизировать проведение атомно-молекулярных процессов, характеризующихся переносом атомов, вплоть до локального испарения, а также стимулировать локальные химические реакции. Нанотехнологические процессы могут проводиться в различных средах: вакууме, газах и жидкостях. В вакууме, в основном, проводятся процессы полевого испарения материала с иглы на подложку и наоборот. Значительно большие технологические возможности открываются в установках с напуском технологических газов. В газовых средах проводят локальные химические реакции, позволяющие, по сравнению с вакуумными установками, расширить диапазон используемых материалов, повысить производительность технологических установок. Напуск технологического газа или паров вещества, используемых в технологической реакции, приводит к образованию на поверхности подложки адсорбированного слоя. Зонд сканирующего туннельного микроскопа приближается к поверхности подложки и практически погружается в адсорбированный слой. Приложение напряжения между зондом и подложкой стимулирует прохождение нескольких процессов: поверхностной миграции полярных молекул адсорбированного вещества к зонду; поляризации вещества под зондом; удаления вещества из-под зонда за счет нагрева; возникновения и поглощения плазмонных колебаний; межатомного взаимодействия зонда, подложки и вещества; локальных химических реакций. Данные процессы в ряде случаев являются конкурирующими, и окончательный результат сильно зависит от типа применяемого вещества. В жидких средах также осуществляют локальные химические реакции, хотя отвод продуктов реакции сложнее, чем в предыдущем случае. Синтезируя подложку с определенными свойствами в газовых средах специального состава, можно создавать наноструктуры различных типов, пример показан на рис. ^ В последние годы для работы с диэлектрическими подложками применяются атомно-силовые микроскопы, однако они не позволяют производить локальную активацию атомов и молекул под зондом, то есть при их помощи невозможно осадить проводящий материал на диэлектрическую подложку. Что же касается современной техники на базе туннельных микроскопов, то с их помощью можно активировать лишь материал, расположенный между вершиной зонда и проводящей подложкой, а не диэлектрической, как это требуется для практических целей. Поэтому главное направление развития технологии создания проводящих элементов на изолирующих материалах, это создание принципиально новых типов активаторов нанотехнологических процессов. ^ Новые потенциальные технологические возможности нанотехнологии открыли пути к реализации новых типов транзисторов и электронных функциональных устройств, выполняющих соответствующие радиотехнические функции за счет особенности взаимодействия электронов с наноструктурами. К транзисторам новых типов относятся одноэлектронные транзисторы, предложенные К. Лихаревым, в которых доминируют эффекты поодиночного прохождения электронов через транзистор и управления параметрами данного процесса под действием потенциала управляющего электрода. Достоинством транзистора данного типа и функциональных приборов на его основе является исключительно низкое энергопотребление. К сравнительным недостаткам - наивысшие по трудности реализации требования создания нанометровых областей наименьших размеров, позволяющих осуществить работу данных устройств при комнатной температуре. К принципиально другому типу транзисторов следует отнести транзисторы Ааронова-Бома, в которых используются волновые свойства электронов. Под воздействием управляющего напряжения, создающего несимметричность параметров волнового распространения электрона по двум расходящимся, а потом сходящимся проводникам, происходит интерференция волновых функций электрона, приводящая к модуляции выходного электронного потока. К достоинствам транзисторов данного типа следует отнести сверхвысокое быстродействие, достигающее терагерцового диапазона, а к недостаткам - наивысшие требования к однородности материалов, выполнение которых необходимо для минимизации рассеяния электронов при распространении их по данным двум проводникам. К третьему типу нанотранзисторов относится полевой транзистор, сформированный на основе нанопроводников, в котором под воздействием управляющего напряжения происходит полевая модуляция проводимости проводника, по которому течет ток. Данный транзистор, хоть и не является рекордсменом по сравнению с первыми двумя по энергопотреблению и быстродействию, предъявляет наиболее простые технологические требования к технологии создания и позволяет достичь частотного диапазона в сотни гигагерц. В 1993 г. было разработано новое семейство цифровых переключающих приборов на атомных и молекулярных шнурах. На этой основе разработаны логические элементы НЕ-И и НЕ-ИЛИ. Размер такой структуры ~ 10 нм, а рабочая частота ~ 1012 Гц. Одним из важнейших достоинств нанотехнологии, реализующей процесс послойной сборки, является возможность трехмерного изготовления наноэлектронных схем. Наличие такого свойства у разрабатываемой технологии исключительно важно, так как полупроводниковая микроэлектроника, фактически, так и осталась планарной, позволив реализовать очень ограниченное число уровней металлизации для формирования межсоединений. Данный недостаток технологии порождал проблему, названную Я. А. Федотовым "тиранией межсоединений". Она не только сдерживает развитие прогрессивных интегральных схем с большим числом элементов, но и не позволяет аппаратно реализовать исключительно важные типы нейронных схем, в которых доминирует большое число связей между элементами. 4 Наноботы.MEMS-технологии и мини-роботы Сандиа Многие эксперты склонны отсчитывать историю микротехнологий от знаменитой лекции нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана, прочитанной им в 1959 году перед Американским физическим обществом. Богатейшая фантазия Фейнмана и талантпопуляризатора позволили ему обрисовать потенциал микротехнологий в самых ярких красках: в его лекции были и крошечные компьютеры, и системы хранения данных, электронные компоненты и даже микроскопический инструментарий миниатюрных роботов. Но если пророчества Фейнмана в области микроэлектроники начали обрастать плотью очень быстро - уже в 1960-70-е годы, - то прогресс в электромеханических микросистемах шел гораздо медленнее. Лишь в 1980-е годы ведущие университеты и правительственные лаборатории начали осваивать сравнительно недорогие способы изготовления и сборки крошечных механических деталей, для чего была разработана технология микроэлектромеханических систем, или MEMS, использующая методы литографии и инструментарий полупроводниковой промышленности. Фактически, понадобилось больше тридцати лет на то, чтобы появилось первое коммерческое приложение MEMS. Одной из первых MEMS-технологий, получивших повсеместное распространение, стали сенсоры ускорения, устанавливаемые сейчас практически во все современные автомобили для детектирования столкновения и выпуска защитных воздушных подушек. Массачусетская компания Analog Devices, изготовившая первые такие сенсоры в 1993 году, сейчас продает автомобилестроителям около 50 миллионов MEMS-чипов в год. Есть и еще целый ряд успешных MEMS-изделий, таких как головки микроструйных принтеров или сенсоры давления, которые компания Motorola сотнями миллионов поставляет медицинской и автомобильной промышленности. Или, скажем, цифровые проекторы высокого разрешения Texas Instruments, построенные на основе MEMS-массивов микрозеркал. За последние годы удалось достичь заметных успехов в изготовлении моторов, насосов и зажимов, сенсоров давления и смещения - короче, множества самых разных по назначению механических агрегатов, настолько малых, что их не видно невооруженным глазом. Однако запустить подобные продукты в массовое производство оказалось гораздо труднее, чем полагали оптимисты. Сейчас самой перспективной областью внедрения MEMS принято считать телекоммуникации. Так, в конце 2000 года от Национальной лаборатории Сандиа, принадлежащей министерству энергетики США, отпочковалась частная компания MEMX, занимающаяся вопросами коммерческого применения создаваемых в лаборатории MEMS-технологий. Компания сфокусировалась в своей деятельности на оптических коммутаторах для оптоволоконных телекоммуникационных систем. В их основу положена фирменная технология Сандиа под названием SUMMiT V (от Sandia Ultraplanar Multilevel MEMS Technology). Это микромашинный процесс обработки поверхности чипа напылением и травлением, охватывающий пять независимых слоев поликристаллического кремния - четыре «механических» слоя для построения механизмов и один электрический для обеспечения межсоединений электросхемы. Технология позволяет доводить размеры механических элементов до 1 мкм. Опыт, накопленный разработчиками Сандиа вминиатюризации электромеханических систем, помог создать и весьма эффектных микроскопических роботов. Построенная в середине 1990-х годов модель автономного робота MARV (Miniature Autonomous Robotic Vehicle) имела объем около 1 кубического дюйма, хотя робот почти целиком был изготовлен из коммерчески доступных компонентов. К 2000 году его размеры удалось уменьшить в четыре с лишним раза. Эта крошечная машина на гусеничном ходу имеет полимерный каркас, шесть колес, два электромотора, процессор с 8 Кбайт памяти, датчик температуры, микрофон, видеокамеру, химический сенсор и три батарейки от часов. Надо сказать, именно бытовые элементы питания помешали сделать устройство еще миниатюрнее. Машины планируется оборудовать системой беспроводной связи, после чего группа микророботов сможет объединяться для совместного решения задач под управлением центрального компьютера. По замыслу разработчиков, основной областью применения таких роботов может стать поиск и обезвреживание бомб и мин, опасных биологических и химических материалов. Благодаря малым размерам и высокой проходимости микророботы очень перспективны для решения разведывательных задач. Однако емкость современных батарей катастрофически мала, ее хватает лишь на преодоление десятка метров.^ Нанотехнологии, особенно наномедицина, развиваются в двух принципиально разных направлениях, условно именуемых «сухой нанотехнологией» в механической традиции и «мокрой нанотехнологией» в биологической традиции. «Сухие нанотехнологии» чаще всего отталкиваются от уже имеющихся технологий - вроде сканирующих микроскопов, которые способны перемещать отдельные атомы и молекулы. Пока что, как правило, это выражается в форме своеобразных «нанограффити», то есть складывании из атомов собственных имен исследователей, названий их институтов или щедрых спонсоров. Но все такие эксперименты обычно ограничены плоскостью. Укладывание молекул друг на друга - следующая задача, которая будет решена в ближайшие годы. Например, исследователями Гарвардского университета сконструирован первый «нанопинцет» общего назначения, использующий пару электрически управляемых углеродных нанотрубок. С помощью этого механизма удается манипулировать 300-нанометровыми кластерами полистироловых микросфер или извлекать единственный 20-нанометровый полупроводниковый провод из массы аналогичных перепутанных проводов. В ближайшем будущем ученые надеются создать столь малый нанопинцет, чтобы захватывать отдельные крупные молекулы. Быть может, «мокрой нанотехнологии» следует сконцентрироваться на конструировании и модификации белковых молекул, знаменитых своими выдающимися способностями к самосбору. Многие ученые полагают, что ключ к прогрессу лежит именно здесь. Живые системы используют множество молекулярных машин, таких как молекулярные моторы. Поэтому логично попытаться приспособить к нашим потребностям уже имеющиеся в природе механизмы, используя их для приведения в движение крошечных насосов, рычагов и зажимов. Концепцию «мокрых наноботов» иногда именуют также микробиороботами. Исследователям из Нью-Йоркского университета, избравшим «подход самосбора», удалось научиться генерировать комплементарные нити ДНК, которые объединяют себя в сложные структуры желаемой конфигурации. Так были выстроены кубы, восьмигранники и другие правильные фигуры, состоящие всего из нескольких тысяч нуклеотидов. Избрав аналогичный подход, ученые генетически модифицировали природный биомотор, в естественных условиях встречающийся в ферменте аденозинтрифосфатозе (ATPase). В результате был изготовлен первый гибридный наномотор с небиологическими элементами из 100-нанометровых полос азотистого кремния. Подобно микроскопическому пропеллеру, он вращается со скоростью 200 оборотов в минуту. Как показывают предварительные оценки, механические системы в конечном счете смогут обеспечить более высокие скорости работы и большую эффективность управления нанороботом, нежели системы биологические. Однако важным преимуществом последних является то, что зачастую их функциональные компоненты можно частично или целиком брать из уже имеющихся естественных живых систем, тем самым существенно сокращая время разработки.Саморепликация. Производство нанороботов всё ещё затруднено по двум причинам: проблема «толстых пальцев»- недостаточная разрешающая способность современных приборов и сложность проектирования схемотехнических решений. Эти проблемы, как ни странно, возможно решить только при помощи самих нанотехнологий. Если для проектирования схемы нужен мощный процессор, работающий на высокой частоте, то для массовой сборки нанороботов нужны нанороботы, т.к. только они по своему предназначению могут предоставить необходимый инструментарий для сборки механизма. Человеку не под силу любыми устройствами произвести количество нанороботов, соответствующее современной концепции их применения. Для обеспечения простейших задач, поставленных перед нанороботом, их нужны сотни, если не тысячи. На сегодняшний день разработка в этом направлении возможна лишь в теоретическом виде. Однако уже существуют макроскопические роботы, способные собрать себе подобного, а затем запрограммировать его. Также этот вопрос исследует философия. Дело в том, что при разговорах о репликации, самовоспроизведении роботов неизбежно возникают мысли о выходе их из-под контроля. Вплоть до того, что нанотехнология рассматривается сейчас некоторыми как первый шаг человечества по скользкому краю апокалиптической ямы, заполненной «серой слизью». Этот термин получил довольно широкое хождение с подачи Билла Джоя, главного ученого Sun Microsystems, опубликовавшего в журнале Wired нашумевшую статью «Нуждается ли в нас будущее?» Джой и его идейные соратники настойчиво предупреждают, что микроскопические самовоспроизводящиеся роботы, невидимые человеческому глазу, в случае выхода из-под контроля могут привести к нашествию безликой, липкой и пожирающей все вокруг массы - «серой слизи». Причем идею эту вовсе нельзя назвать высосанной из пальца, поскольку некоторые рьяные поборники новейших технологий уже выдвигали предложения по разработке армии «синей слизи» - разрушительных микромашин - в качестве мощного оружия. В ответ на подобные опасения и тревогу авторитетные сторонники нанопрогресса (Ральф Меркль, в частности) выдвигают свои аргументы. Хотя нанотехнология действительно предлагает использовать репликацию для сведения к минимуму стоимости производства, она не предлагает копировать живые системы. Живые системы адаптируются к среде самым чудесным образом и способны выживать в сложных природных условиях. Нанотехнология, напротив, предлагает строить молекулярные машинные системы, похожие на микроскопические версии оборудования сегодняшних фабрик и заводов. Рука-манипулятор микроробота, уменьшенная до субмикронного размера, должна уметь брать и собирать молекулярные детали, подобно тому, как манипуляторы заводских роботов орудуют гайками и болтами. К сожалению, говорит Меркль, очень легко пойти по ложной тропе из-за простого факта: единственная репликационная система, с которой знакомо большинство из нас, - это биологические самовоспроизводящиеся системы. Мы автоматически начинаем подразумевать, что нанотехнологические репликационные системы будут подобны биологическим. Но машины, которые изготовляют люди, очень мало похожи на живые системы, поэтому и молекулярные системы производства скорее всего будут столь же непохожими. В качестве иллюстрации к своим доводам Меркль приводит экспериментальную систему «экспоненциальной сборки», создаваемую техасской корпорацией Zyvex. Здесь разрабатываются механические системы для сборки устройств микронного, субмикронного и молекулярного масштаба. На микронном уровне, используя уже имеющиеся MEMS-технологии, проектируется простая роботизированная рука «взять-и-положить», способная манипулировать сложными планарными деталями микронного масштаба, изготовленными с помощью литографии. Из этих деталей собирается роботизированная рука, способная манипулировать специально разработанными MEMS-деталями. Процесс получил название «экспоненциальная сборка», поскольку это репликационная технология, начинающаяся с единственной роботизированной руки на кремниевой пластине, которая сама собирает другие роботизированные руки, беря детали, заранее уложенные на пластине в точно известных местах. Хотя количество собранных таким методом роботизированных рук может возрастать экспоненциально (до некоторых пределов, понятно, накладываемых системой производства), этот процесс требует, среди прочего, литографически изготовленных деталей, а также подачи электроэнергии и управляющих сигналов для координации сложных движений рук-манипуляторов. Достаточно отключить энергию, управляющие сигналы или лишить микроробота деталей - и он будет действовать так же, как и его заводской собрат, изъятый со сборочной линии и заброшенный в глухой лес. К сожалению, далеко не все ученые, работающие в области нанотехнологий, придерживаются подобной логики, и среди них один из ведущих специалистов лаборатории Сандиа - Джеф Бринкер, снискавший международную известность благодаря работам в области самосборных нанокомпозитных материалов. При его непосредственном участии достигнуты весьма примечательные успехи в создании материалов, способных к спонтанной самоорганизации в сложные трехмерные конструкции наномасштаба. Главный же интерес исследований Бринкера, по его собственным словам, это научиться придавать материалам «жизнеподобные» свойства - то есть получать такие материалы, которые чувствуют окружающую среду и соответствующим образом реагируют, могут самоисцеляться и избегать угрожающих их существованию обстоятельств. В двух словах, цель Бринкера - наноматериалы, занимающие промежуточное положение между живым и неживым. Разумеется, робот из таких материалов - это уже далеко не неуклюжий заводской манипулятор в лесной чаще. Трезвомыслящие ученые прекрасно понимают, что нанотехнология способна породить серьезные проблемы. Любая технология может быть использована для нанесения ущерба, а не только для всеобщего блага. По масштабам будущего воздействия на человечество нанотехнологии наверняка не уступят индустриальной революции. В калифорнийском Пало-Альто в 1989 году была создана специальная некоммерческая организация «Предусмотрительный институт» (Foresight Institute) и девизом «Готовясь к нанотехнологиям» (основатель и глава института - Эрик Дрекслер). Здесь был подготовлен набор правил «техники безопасности» для разработчиков и изготовителей молекулярных систем. Среди руководящих принципов, например, такие: искусственные системы-репликаторы не должны иметь способность к воспроизводству в естественной, неконтролируемой окружающей среде. Они должны быть абсолютно зависимыми от источника искусственного питания или от искусственных компонентов, не встречающихся в природе. Они должны использовать коды выявления ошибок и шифрование, предотвращающее непреднамеренные изменения в их конструкции. Все эти правила выкристаллизовались из бурных дискуссий о самых разных сценариях возможного развития нанотехнологий. Очевидно, что наше понимание развивающейся технологии эволюционирует, а значит, претерпевают изменения и рекомендации, отражая степень осмысления учеными того, как обеспечивать безопасное развитие нанотехнологий. Но в конечном счете диктовать реальный спектр нанотехнологических приложений будут вовсе не ученые, а правительства и индустрия.^ Существующие решения нельзя назвать нанороботами в полном смысле этого слова, но микророботы являются достойными макроскопическими моделями. В Массачусетском технологическом институте сейчас разрабатывается серия микророботов под общим названием NanoWalkers («наноскороходы»). Некоторые из них оборудованы иглами-пробниками сканирующего туннельного микроскопа для отображения и подталкивания атомов. Другие - щупами атомно-силового микроскопа для работы с непроводящими материалами. Третьи - микроманипуляторами для перемещения и сбора деталей микронного размера, а со временем и атомов. Попутно создается набор инструментов для наномасштабного напыления, травления, обработки и формирования изображения. Способные стремительно перемещаться, роботы-сборщики черпают энергию с электрически заряженной рабочей поверхности, образованной перемежающимися полосами разной электрической полярности. Связь с микророботами осуществляется через инфракрасную систему, монтируемую на верхушке их приземистого корпуса. Цифровая ПЗС-камера следит за перемещением и местонахождением роботов, направляя их к нужному месту, а затем вступает в действие система тонкого позиционирования, наводящая пробники-манипуляторы на конкретные молекулы или атомы. Преимущество подобной концепции в следующем. Вместо того чтобы последовательно проводить объект сборки через техпроцессы, каждый раз передвигая и заново позиционируя микроскопический узел, система позволяет держать его на одном месте - а двигаются пусть недорогие мобильные микророботы, управляемые компьютером. Надо сказать, что индустрия, привыкшая к конвейерному производству, новую концепцию воспринимает с трудом. Пьезокерамические ножки, с помощью которых роботы NanoWalker перемещаются, могут гнуться внутрь и наружу, удлиняться и укорачиваться, в зависимости от формы приложенного электрического сигнала. Делая около 18 тысяч шажков в секунду, роботы способны носиться намного быстрее, скажем, тараканов (делающих около 13 шажков в секунду), причем разным «аллюром» - либо семенить крошечными шагами по 2 нанометра, либо одним махом покрывать по 50 микрон за раз. Пока что в МТИ сосредоточились на том, чтобы научить своих роботов двигаться плавно и интегрировать в работу тончайшие острия сканирующих и атомно-силовых микроскопов. Некоторые исследовательские центры, не стремившиеся любой ценой сделать микророботов автономными, добились успеха в решении других задач. Так, в немецком университете Карлсруэ управляемые по проводам роботы уже действуют на предметных столиках оптических микроскопов и в вакуумных камерах сканирующих электронных микроскопов. Они справляются с таким делом, как сбор оптических систем микронного масштаба или захват и перенос отдельных биологических клеток. Бесспорно менее проворные, чем NanoWalker, и предназначенные для манипулирования более крупными объектами, немецкие роботы MINIMAN (от Miniaturized Robot for Micromanipulation) оперируют такими инструментами, как микрозажимы и микропипетки. После того как управляющий роботом оператор щелкает указателем мышки по изображению конкретной клетки на мониторе, робот, ведомый компьютеризированной системой зрения, находит именно эту клетку, аккуратно засасывает ее в микропипетку, переносит в другое место и выпускает. При другом сценарии два робота, работающие совместно, могут удерживать клетку и впрыскивать в нее раствор медикамента или красителя. Подобные операции уже так отточены, что на их выполнение требуется буквально секунда. Несколько иной аппарат MINIMAN III способен собирать и настраивать систему из 1- и 2-миллиметровых, причем оператор вмешивается в процесс сборки всего один раз. Пока что многие из осваиваемых роботами операций автоматизированы лишь частично, однако со временем все работы будут осуществляться без участия человека. Разработка микророботов MINIMAN ведется совместно институтами Германии, Швеции, Испании, Великобритании и Италии. Содействие им оказывают голландская фирма Philips Bedrijven и немецкая Kammrath & Weiss.Среди крупномасштабных разработчиков MEMS – фирма Intel, известная своими процессорными и сетевыми решениями. Свой интерес к технологии они объясняют стремлением разработать интегрированные всё-в-одном микросхемы. Уже сегодня интегральные схемы, содержащие в себе все основные системы компьютера. Применение нанотехнологий с многоуровневой структурой чипа и механическими микропереключателями MEMS позволило бы на порядок уменьшить геометрическую величину, стоимость, энергопотребление, тепловыделение, внутренние флуктуационные эффекты и т.д. Представители Intel приводят пример с радио, все аналоговые и цифровые компоненты которого будут выполнены на одном кристалле. Причем оно должно быть универсальным, то есть работать со всеми стандартами: GSM, GPRS, Bluetooth, 802.11a, 802.11b и так далее. Благодаря интегрированности, радио будет столь простым, что его удастся использовать не только для внешней коммуникации, но и для внутренней - например, между отдельными чипами в компьютере. Если такие универсальные радиоэлементы будут сделаны, им понадобятся механические движущиеся части для переключения цепей. На том же кристалле должны быть и аналоговые компоненты передатчика и приемника. 5 Философия. Развитие нанотехнологий ставит ряд очень важных вопросов. В первую очередь философского характера. Эдуард Теллер, один из создателей термоядерной бомбы заметил: «^ ». Нужно опасаться такого хода мыслей. Высказывание, безусловно, верное, но нанотехнология не должна становиться предметом соперничества. Она обладает столь мощным потенциалом, что нужно вести разработки в этой области полностью открыто, с тщательным контролем, исключающем создание оружия. Эрик Дрекслер пишет: «Но мощь новых технологий можно обратить и на создание военной силы. Перспектива создания новых вооружений и их быстрого производства является причиной для серьезного беспокойства. Это ведет к идее установления тщательного контроля даже для тех из нас, кто является убежденным сторонником свободного развития технологии». Молекулярные нанотехнологии, которые могут убить цивилизацию, с другой стороны обладают большим потенциалом созидания, чем разрушения. В этом их отличие, скажем, от ядерной энергии, неудержимая мощь которой гораздо больше подходит для разрушения. В этом смысле прорыв человека в микромир очень похож на изобретение колеса, которое имеет гораздо большее применение в мирных целях, чем при создании оружия, где оно обычно работает лишь косвенно. Остаётся опасность непредсказуемого поведения наносистем, их выхода из-под контроля человека. Сколько статей и рассказов было написано, где компьютер взбунтовался против человека. Но практика развития компьютерных систем показывает, что ничего подобного не происходит и не собирается происходить. Опасность такого рода возникнет только тогда, когда система осознает саму себя и у неё появятся собственные цели. На современном этапе развития поведение компьютерных систем слишком жёстко ограничивается алгоритмическими программами. Кроме того, эти алгоритмы слабо связаны с окружающей средой, у компьютеров только сейчас появляется слух и зрение в виде микрофонов и видеокамер, а органов воздействия на окружающие предметы практически нет. Развитие нанокомпьютеров неизбежно будет связано с созданием нейросетей, допускающих случайные отклики на внешние воздействия, и ростом взаимосвязи компьютер – внешний мир. Наряду с громадным ростом быстродействия и памяти в таких системах можно ожидать самозарождения сознания. Но отказ выполнять волю человека может произойти не только из-за того, что наносистемы начнут проявлять свою волю, противостоящую воле человека, а из-за недостаточного понимания людьми последствий исполнения собственных желаний наносистемами. Человек не может предусмотреть всех последствий деятельности наносистем в силу их очень высокой сложности. Станислав Лем это образно описывает так: «По-видимому, когда в среде обитания появляются зачатки разума, когда этот разум пересаживают из голов в машины, а от машин, как некогда от мамонтов и примитивных рептилий, его унаследуют молекулы, и молекулы эти, совершенствуя новые поколения смышленых молекул, преодолеют так называемый порог Скварка, то есть плотность их интеллекта настолько превысит плотность человеческого мозга, что в песчинке поместится умственный потенциал не доцента какого-нибудь, а сотни факультетов вместе с их учеными советами,– тогда уже сам черт не поймет, кто кем управляет: люди шустрами или шустры людьми. И речь тут вовсе не о пресловутом бунте машин, не о восстаниях роботов, которыми давным-давно, когда в моде была футурология для масс, пугали нас недоучившиеся журналисты, но о процессе совершенно иного рода и иного значения. Шустры бунтуют в точности так же, как растущая в поле пшеница или микробы на агаровой пленке. Они исправно делают, что им поручено, но делают это все лучше и лучше и, в конце концов, начинают делать это так изумительно, как никому не пришло бы в голову в самом начале… И уж тем более никто не верил, что какие-то шустры получат превосходство над людьми – не угрозами и не силой, но так, как ученый совет, состоящий из дважды профессоров, превосходит мальца в коротких штанишках. Ему не понять их коллективной мудрости, как бы он ни старался. И даже если он принц и может приказывать совету, а совет добросовестно исполняет его капризы, все равно результаты разойдутся с его ребяческими ожиданиями,– например, захоти он летать. Разумеется, он будет летать, но не по-сказочному, как он, несомненно, себе представлял, не на ковре-самолете, но на чем-нибудь вроде аэроплана, воздушного шара или ракеты, поскольку даже наивысшая мудрость в силах осуществить только то, что возможно в реальном мире. И хотя мечты этого сопляка исполнятся, их исполнение каждый раз будет для него неожиданностью. Возможно, в конце концов, мудрецам удалось бы растолковать ему, почему они шли к цели не тем путем, который он им указал, ведь малыш подрастет и сможет у них учиться; но среда обитания, которая умнее своих обитателей, не может разъяснить им то, чего они не поймут, ведь они - скажем, наконец, прямо – слишком глупы для этого». Кроме самопроизвольного неподчинения систем в силу их воли или глупости человека существует ещё много возможностей отказа наносистемы выполнить волю человека. Части этих отказов можно, теоретически избежать, другой части нельзя избежать в принципе. Системы наномашин кто-то будет проектировать. Разработка наносистем на начальном этапе требует огромных затрат труда. Естественно, люди, разработавшие наносистемы, могут предусмотреть в их программе подчинение лишь себе или покупателю, но отказ служить другим людям. Таким образом, мир может разделиться на две группы людей (фирм, компаний, государств). Одним наносистемы будут подчиняться, а другим не будут. Лем о новом мире и создателях наносистем пишет: «Но если в этой перекроенной на новый лад гармонии что-то разладится, кто исправит ее? А так как кто-то должен ее к тому же запроектировать и запустить в производство, это лицо или группа лиц будут склонны самозванчески, явным или, что еще хуже, тайным образом взять себе роль Господа Бога в этом всепредставлении». Практически невозможно избежать неповиновения наносистемы, если желания нескольких человек взаимоисключают друг друга. В этом случае наносистема, исполняя приказ одного человека, не будет повиноваться другому. Но этими вопросами занимается уже теория систем. Нанороботы в этом плане ничем не будут отличаться от сегодняшних и будущих роботов, разве только нейропроцессором. Но и модели поведения нейросистем, несмотря на отсутствие аппаратных реализаций, хорошо проработаны и изучены. Развитие молекулярной нанотехнологии даст возможность тщательно изучить процессы, протекающие внутри клеток организма. Есть большие основания полагать, что точное знание того, как функционируют клетки, позволит создать наномашины ликвидирующие негативные изменения происходящие в клетках и тканях живого организма с течением времени. Возможно, удастся переделать программу, записанную в ДНК, так, чтобы «выключить» старение и улучшить генетические параметры организма. Тогда функции регулирующих наномашин возьмут на себя органеллы клетки. Но не нарушит ли человек гармонию мира, искусственным путём достигнув бессмертия? Кроме проблемы перенаселённости Земли, которую, в принципе, можно решить, расселяясь по Вселенной, есть другие доводы против бессмертного человека. Во-первых, поколение людей несёт с собой определённые моральные устои, мировоззренческие взгляды, и длительная жизнь одного поколения может привести к застою в развитии общества. Во-вторых, с возрастом человек проявляет всё меньше интереса к жизни, в нём растёт усталость, груз накопленных знаний и переживаний гнетёт его, так что смена поколений необходима для поддержания активности всё время на высоком уровне. В-третьих, опыт говорит нам, что любой развивающийся процесс в природе имеет своё начало и свой конец. Бесконечным может быть лишь стационарный или циклический процесс. Так как неотъемлемым атрибутом жизни является развитие, то любой жизненный процесс рано или поздно должен заканчиваться смертью. Но отрицание возможности бессмертия не означает невозможность долголетия. Нет никаких принципиальных ограничений на длительность жизни человека, допустим, в 1000 лет. Таким долгожителем, скорее всего, можно стать с помощью молекулярной нанотехнологии. А дальнейшее увеличение длительности жизни будет зависеть от состояния общества и настроения каждого человека лично. «Истинному» – временному долголетию человека можно противопоставить альтернативный вариант «внутреннего» долголетия, которое может дать молекулярная нанотехнология. В этом случае, внедрённые в мозг наносистемы так изменяют процессы мышления, что ход внутреннего времени человека многократно ускоряется. За прежний промежуток времени человек субъективно будет проживать во много раз больше. Но такому мозгу будет казаться, что весь мир впал в дрёму, так как для него все физические перемещения будут выполняться очень медленно, будто в вязком сиропе. Вряд ли такое долголетие придётся по вкусу многим людям. Переделка человеческого организма с целью излечения от болезней и увеличения продолжительности жизни с помощью молекулярных нанотехнологий будет возможна в достаточно отдалённом будущем (хотя, по оптимистическим прогнозам это произойдёт в конце следующего века). Но даже для ныне живущих людей есть возможность стать такими долгожителями. Этот шанс предоставляет крионика - замораживание организма до сверхнизких температур после клинической смерти. Правда, это могут себе позволить лишь достаточно богатые и смелые люди. Ведь когда появится возможность разморозить и вылечить человека, скорее всего, никого из его родственников и знакомых, не разделивших его участь, не будет в живых. Плюс к тому нет существенной гарантии что тело будет правильно разморожено и будет соблюдён вес техпроцесс. На сегодня ни того не другого не разработано. Психологический аспект проблемы «размороженного» человека рассматривался во множестве различных произведений, от научно-фантастических до философских.Заключение.Нанотехнология – без сомнения самое передовое и многообещающее направление развития науки и техники на сегодняшний день. Возможности её поражают воображение, мощь – вселяет страх. Видимо будущее развитие технологии будет основываться на балансе между созиданием и разрушением. С точки зрения автора, обязательно появятся военные и, более того, подпольно-хакерские, применения. Но и многообразие мирных задач, поставленных перед нанотехнологией сегодня, не даст покоя учёным. Нанотехнология в корне изменит нашу жизнь. Появятся новые возможности, идеи, вопросы и ответы. Сегодня кажется, что новый мир в наших руках. Однако на самом деле почти все массовые эксперименты ограничиваются лишь ловким гравированием атомами. Будущее же технологии закладывают ставшие уже традиционными области науки и техники. Микроэлектроника, робототехника, нейротехнология – привычные слуху названия, стоящие за сегодняшними науками, кажущимися практически бесполезными на фоне нанотехнологии. Мы используем достижения новой технологии сегодня и уже не можем отказаться. Нам уже сложно помыслить даже день без компакт-дисков, а также всего того, что мы не видим. Это то, что упрятано в корпуса машин, систем безопасности, контроля окружающей среды. Датчики на основе наноэлементов используются уже далеко не первый год. Нанороботы в будущем создадут интеллектуальную среду обитания. Буквально все пространство будет пронизано ими, они, связываясь между собой, создадут глобальную сеть, с которой можно будет взаимодействовать без всяких терминалов. Благодаря огромному количеству этих роботов, сеть будет «распаралелленной», что позволит передавать информацию с невообразимой сегодня скоростью. К тому времени накопится достаточно «контента» для распространения, хотя кто знает, может быть по этим сетям будет передаваться и материя, ведь разработки в области телепортации также связаны с небезызвестным имненем IBM. Напоминаю – практически всё, что обещает нам сегодня нанотехнология, можно ощутить сегодня благодаря смежным технологическим разработкам. Можно пожить в интеллектуальной техносреде – уже разработаны целые интеллектуальные дома, набитые умной техникой, включая аресловутый холодильник с доступом в интернет. Микробототехникой занимается множество лабораторий по всему миро, например SANDIA и MEMX. Медицина – биоимплантаты, вживляемые в организм, несущие на борту от чипов с личной информацией до электронных органов. Нейропроцессоры и системы с параллельными алгоритмами существуют в программных реализациях. Они пусть медленно, но успешно работают. Конечно эти разработки слишком велики по габаритам, чтобы сравниться с наноустройствами, однако уже сейчас мы можем оценить, чем мы будем жить в будущем, причём не слишком отдалённом. Список литературы. Drexler K. Eric; «Engines of Creation. The Coming Era of Nanotechnology»; Anchor Books; 1986; http://www.foresight.org/EOC/index.html Drexler K. Eric; «Nanosystems»; Wiley Interscience; 1992;http://nano.xerox.com/nanotech/nanosystems.html Drexler K. Eric, Peterson Chris, and Pergamit Gayle; «Unbounding the Future: the Nanotechnology Revolution»; 1991;http://www.foresight.org/UTF/Unbound_LBW/index.html Пётр Лускинович; «Нанотехнология»; Журнал «Компьютера»http://www.computerra.ru/offline/1997/218/828/ Михаил Соловьёв; «Нанотехнология - ключ к бессмертию и свободе»; Журнал «Компьютера»http://www.computerra.ru/offline/1997/218/829/ Бёрд Киви; «Микроботы: технология будущего сегодня» ; Журнал «Компьютера»http://www.computerra.ru/offline/2002/439/17343/ Sandia National Laboratories Official Sitewww.sandia.gov MEMX Official Sitewww.memx.com S. Lem. Wizja Localna. Krakow, 1982.

Смотрите также

• 
  Прокуратура реферат
• 
  Реферат космос
• 
  Созвездия реферат
• 
  Реферат созвездия
• 
  Реферат стоматология
• 
  Реферат меланхолик
• 
  Реферат фотометрия
• 
  Лейшманиоз реферат
• 
  Ветроэнергетика реферат
• 
  Дуб реферат
• 
  Бешенство реферат