Наноматериалы: Введение в Карбоновый век
Я думаю, многие встречались с термином «нанотехнологии», «наноматериалы», «Роснано». Кто-то знает что такое фуллерен и что такое графен. И во многих случаях при упоминании этих слов возникает скепсис_ мол очередной «распил бюджета» без какого - либо практического выхода. Ведь самособирающихся роботов, «серую слизь» еще никто не создал, хотя в отрасль вбуханы миллиарды, если не триллионы. Роботы не созданы, зато созданы очень интересные материалы, обладающие невероятной прочностью, превосходящей все известные. Эти наноматериалы можно добавлять в «традиционные», такие как пластик, бетон, резину и другие, увеличивая тем самым прочность последних. И одна из крупнейших компаний-производителей подобных материалов находится в России. Создана она совсем недавно группой энтузиастов - ученых и предпринимателей. Эта компания, OCSiAl, самая крупная в «активе» Роснано. Ее стоимость на сегодня оценивается в 1 миллиард долларов.
Click to viewВ данном видео показано выступление основателей Юрия Коропачинского и Михаила Предтеченского на презентации OCSiAl в Институте Материалов, Минералов и Горного дела в Лондоне, 12 мая 2014 года. Собственно вот так и выглядит инновационный стартап - очень успешный предприниматель, по факту миллиардер, встречает талантливого ученого, доктора наук, академика РАН и тоже предпринимателя и они вместе решают «замутить». Инвестиции получают в том числе и от «Роснано» и добиваются мирового уровня разработок! Да, это вам не недоучившиеся студенты, «пилящие» стартап в виде очередного будильника для смартфона на основе машинного обучения.
Считается, что все нанотехнологии ведут свое начало от статьи Нобелевского лауреата по физике Ричарда Фейнмана «Внизу полным полно места», где впервые указывается идея о возможности построения микроминиатюрных устройств, чьи размеры сопоставимы с размером атомов.
1. Основная идея мистера Фейнмана была в том, что мы можем создавать станки, которые будут создавать уменьшенные копии станков, которые будут создавать... и так до тех пор, пока не дойдем до наноразмеров. Источник http://www.myshared.ru/slide/381325/
Статья была опубликована в 1960 году, но еще раньше в 50-е годы один из создателей кибернетики и автор одной из первых архитектуры ЭВМ Джон Фон Нейман написал работу «Теория самовоспроизводящихся автоматов», где теоретически рассмотрел условия, при которых кибернетическая система сможет воспроизводить себя.
2. Дж. фон Нейман и одна из первых ЭВМ EDVAC, созданная под его руководством. Источник http://fb.ru/article/239028/arhitektura-fon-neymana-istoriya-vozniknoveniya-termina
Причем, не важно что это за система - техническое устройство, биологическая система или компьютерная программа. Итак, с одной стороны Фейнман показал, что чисто теоретически возможно создание наноразмерных технических устройств, в том числе нанороботов, а с другой стороны Фон Нейман показал что нужно, чтобы эти роботы смогли воспроизводить себя. И, казалось, что для микроминиатюрных размеров задача облегчается, ведь у ученых перед глазами есть пример подобной системы - живая клетка.
3. Источник http://roboticslib.ru/books/item/f00/s00/z0000002/st020.shtml
В 1986 году вышла книга Эрка Дрекслера и пионера исследований в области искусственного интеллекта Марвина Мински «Машины создания: Грядущая эра нанотехнологии», где была описана концепция «наноассемблера» - специального сборщика нанороботов. Эта книга и последующая работа Дрекслера заложили основы того представления о нанотехнологиях, что имеется у большинства людей. Наноассемблеры, репликаторы, «серая слизь», конструирование на атомном уровне...
4. Нанообъект, используемый в медицинских исследованиях Лаборатории Нанотехнологий и Наномедицины Источник https://labofnano.gmu.edu/research/
Но на практике все оказалось сложнее. Микроминиатюризации поддавались технологии создания топологии на кристаллах кремния, германия, арсенида галлия, сапфира, но вот с роботами увы никак. Открытие сканирующего зондового и его разновидности сканирующего тоннельного микроскопа, позволяющие непосредственно манипулировать отдельными атомами, позволили непосредственно создавать конструкции атомных масштабов, но преимущественно на плоскости или в виде слоистой топологии.
5. Видите кружочки? Это отдельные атомы ксенона. Ученые из лаборатории IBM в 1989 году выложили ими аббревиатуру своей компании.
Ну а нанотрубки, фуллерены и фуллериты не конструируются людьми, а создаются в специальных реакторах. Все эти нанообъекты получили название в честь Ричарда Бакминстра Фуллера, инженера и архитектора, автора конструкции геодезических куполов. Их отличительная черта - легкость и невероятная прочность. Так, например, вполне реально создать жесткий геодезический купол, чей вес будет сопоставим с весом воздуха, который он вмещает. Но существующие конструкции пока не доходят до теоретических пределов, хотя тоже внушительны
6. Проект "Эдем" - ботанический сад в графстве Корнуэлл, Великобритания. Теплицы для растений созданы по технологии Фуллера. Источник https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D1%80%D0%BE%D0%B5%D0%BA%D1%82_%C2%AB%D0%AD%D0%B4%D0%B5%D0%BC%C2%BB
Так вот, все эти наноматериалы имеют форму или трубок или микроспопических «геодезических куполов», в которых молекулы выстроены в конструкцию в точностью повторяющую изобретение Фуллера.
7. Мысленно эту модель геодезической сферы в миллионы раз и вы представите себе современные наноматериалы. Фуллер вовсе не зря на этом фото рассматривает кристаллы - он изучает симметрию природных материалов. Источник http://samoe-samaya.ru/lyudi/richard-fuller-eksperiment-dlinoyu-v-zhizn.html
А в 2013 году при помощи атомов ученые из IBM сделали самый маленький мультик - «Парень и его атом»
В итоге пока что самыми сложными нанообъектами являются аналоги механических элементов - тела вращения, «подвески» наномашин, втулки, валы. А более сложные объекты, типо наноэлектродвигателей, имеют пока размеры в десятки микрометров.
8. Источник http://blog.thesietch.org/2009/04/23/behold-the-nano-car/
Ну а почему же до сих пор не создали действительно самовоспроизводящихся нанороботов? Да потому что еще не создали даже роботов, которые полностью производят себя в макромасштабе! Для производства любого промышленного робота сейчас требуется множество деталей и операций, которые не могут быть выполнены с использованием только лишь функционала этого робота.
9. Источник http://www.astrotime.ru/selfconstructed_mashine.html
Ближайший аналог подобной системы - это станкостроительный завод, который производит станки, которые используются в нем же. Ну или 3D принтер, который может печатать другие принтеры.
Есть ли технологическое будущее у этих технологий и оправдана ли оценка OCSiAl в один миллиард - время покажет. Ну а пока, судя по всему, нанотехнологии будут постепенно проникать в окружающие нас конструкции. Да, собственно говоря, это уже происходит.
10. Реальное изображение бактериофага Т4, полученное с помощью электронного микроскопа. Это вирус, который атакует бактерии. При помощи ножек он прикрепляется к ней и из своего верхнего хранилища вводит внутрь ее свой ДНК. Этот вирусный ДНК нарушает нормальную работу клетки, заставляя ее производить все новых и новых бактериофагов.... Не хватает только наноматоров на конечностях и системы управления!
11. Источник http://www.nanonewsnet.ru/articles/2007/top-5-samykh-populyarnykh-zabluzhdenii-svyazannykh-s-nanotekhnologiyami
Спасибо за внимание!