Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
2.1. История возникновения нанотехнологий
Первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологиями, многие источники связывают с выступлением Ричарда Фейнмана в 1959 г. в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной конференции Американского физического общества. Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы при помощи манипулятора соответствующего размера, и, по крайней мере, такой процесс не противоречит известным физическим законам.
Такой манипулятор он предложил делать следующим образом: необходимо построить механизм, способный создавать свою копию, только на порядок меньшую. Полученный меньший механизм должен опять создать свою копию, опять на порядок меньшую и так до тех пор, пока размеры механизма не будут соизмеримы с размерами порядка одного атома. При этом необходимо делать изменения в устройстве этого механизма, так как силы гравитации, действующие в макромире, будут оказывать все меньшее влияние, а силы межмолекулярных взаимодействий будут все больше влиять на работу механизма. Последний этап – полученный механизм соберёт свою копию из отдельных атомов. Принципиально число таких копий неограниченно, и можно будет за короткое время создать произвольное число таких машин. Эти машины смогут такой же поатомной сборкой собирать и макрообъекты. Это позволит сделать вещи на порядок дешевле – таким нанороботам нужно будет дать только необходимое количество молекул и энергию, и написать программу для сборки необходимых предметов. До сих пор никто не смог опровергнуть эту возможность, но и никому пока не удалось создать такие механизмы.
Вот как Фейнман описал предполагаемый им манипулятор: «Я думаю о создании системы с электронным управлением, в которой используются изготовленные обычным способом обслуживающие роботы в виде уменьшенных в четыре раза копий «рук» оператора. Такие микромеханизмы смогут легко выполнять операции в уменьшенном масштабе. Я говорю о крошечных роботах, снабженных серводвигателями и маленькими «руками», которые могут закручивать столь же маленькие болты и гайки, сверлить очень маленькие отверстия и т.д. Короче говоря, они смогут выполнять все работы в масштабе 1:4. Для этого, конечно, сначала следует изготовить необходимые механизмы, инструменты и «руки» – манипуляторы в одну четвертую обычной величины». На самом деле это означает уменьшение всех поверхностей контакта уже в 16 раз.
На последнем этапе все эти устройства будут оборудованы серводвигателями (с уменьшенной в 16 раз мощностью) и присоединены к обычной системе электрического управления. После этого можно будет пользоваться уменьшенными в 16 раз руками – манипуляторами! Сфера применения таких микророботов, а также микромашин может быть довольно широкой – от хирургических операций до транспортирования и переработки радиоактивных материалов. Я надеюсь, что принцип предлагаемой программы, а также связанные с ней неожиданные проблемы и блестящие возможности понятны. Более того, можно задуматься о возможности дальнейшего существенного уменьшения масштабов, что, естественно, потребует дальнейших конструкционных изменений и модификаций (на определённом этапе, возможно, придется отказаться от «рук» привычной формы), но позволит изготовить новые, значительно более совершенные устройства описанного типа. Ничто не мешает продолжить этот процесс и создать сколько угодно крошечных станков, поскольку не имеется ограничений, связанных с размещением станков или их материалоёмкостью. Их объем будет всегда намного меньше объема прототипа. Легко рассчитать, что общий объем 1 млн. уменьшенных в 4000 раз станков (а значит, и масса используемых для их изготовления материалов) будет составлять менее 2 % от объема и массы обычного станка нормальных размеров. Это сразу снимает и проблему стоимости материалов. В принципе, можно организовать миллионы одинаковых миниатюрных заводиков, на которых крошечные станки непрерывно сверлили бы отверстия, штамповали детали и т. п. По мере уменьшения размеров мы будем постоянно сталкиваться с очень необычными физическими явлениями. Всё, с чем приходится встречаться в жизни, зависит от масштабных факторов. Существует ещё и проблема слипания материалов под действием сил межмолекулярного взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса), которая может приводить к эффектам, необычным для макроскопических масштабов. Например, гайка не будет отделяться от болта после откручивания, а в некоторых случаях будет плотно приклеиваться к поверхности, и т.д. Существует несколько физических проблем такого типа, о которых следует помнить при проектировании и создании микроскопических механизмов.
В ходе теоретического исследования данной возможности появились гипотетические сценарии конца света, подхваченные писателями-фантастами, которые предполагают, что нанороботы поглотят всю биомассу Земли, выполняя свою программу саморазмножения (так называемая «серая слизь» или «серая жижа»).
Первые предположения о возможности исследования объектов на атомном уровне можно встретить в книге «Optics» Исаака Ньютона, вышедшей ещё в 1704 г. В ней великий учёный выражает надежду, что микроскопы будущего когда-нибудь смогут исследовать «тайны корпускул, из которых состоит вся материя».
Впервые термин нанотехнология употребил американец японского происхождения Норио Танигути в 1974 году. Он назвал этим термином производство изделий размером несколько нанометров. С тех пор этот термин стал общеизвестным в науке.
В 1980-х годах этот термин использовал Эрик К. Дрекслер в своих книгах: «Машины создания: Грядущая эра нанотехнологии» («Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology») и «Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation». Центральное место в его исследованиях играли математические расчёты, с помощью которых, теоретически, возможно проанализировать работу микроминиатюрных устройств, размерами в несколько нанометров.