Джордж Тулевски: Следующий шаг в нанотехнологии

Давайте представим скульптора, который создает статую, откалывая резцом небольшие кусочки. Микеланджело очень изысканно описывал этот процесс: «Каждый кусок камня имеет статую внутри себя, и задача скульптора — обнаружить ее». Но что будет, если пойти в обратном направлении? Не из целого куска камня, а из кучи пыли каким-то образом склеить миллионы частиц и создать из них статую.

Я знаю, это звучит абсурдно. И это, скорее всего, невозможно. Единственный способ сделать статую из пыли — если статуя создаст себя сама, если мы каким-то образом смогли бы заставить эти частицы собраться вместе в статую.

Как бы странно это ни звучало, но я работаю в своей лаборатории практически с такой проблемой. Но строю я не из камня, а из наноматериалов. Это невероятно крошечные, увлекательные маленькие объекты. Они настолько малы, что если бы этот контроллер был наночастицей, человеческий волос был бы размером с этот зал. Они — основа науки, которую мы называем нанотехнологиями, о которой, я уверен, все мы слышали, также мы слышали и о том, как они изменят все вокруг.

Когда я был аспирантом, мы работали с нанотехнологиями, что было весьма захватывающим. Научные открытия происходили постоянно, обсуждались на конференциях. Финансирующие организации вливали в это огромные деньги. Причина в том, что очень маленькие объекты подчиняются другим физическим законам, в отличие от обычных предметов, с которыми мы взаимодействуем. Этот раздел физики называется квантовая механика. Вы можете точно настроить поведение частиц, просто незначительно их изменяя, например, добавляя или убирая несколько атомов или скручивая материал. Это потрясающий инструмент. Вы вдохновляетесь, вы чувствуете, что можете сделать все.

И мы этим занимались — под «мы» я подразумеваю все мое поколение аспирантов. Мы пытались сделать сверхбыстрые компьютеры, используя наноматериалы. Мы создавали квантовые точки, которые, однажды попав в ваше тело, могли бы найти и излечить болезнь. Некоторые группы даже пытались сделать лифт в космос из углеродных нанотрубок. Можете проверить, это правда. В любом случае, мы думали, что это повлияет на все науки и технологии, от компьютерных до медицинских. И я должен признать, что выпил весь «Кулэйд». До последней капли.

Но это было 15 лет назад, и была проведена действительно важная, невероятная научная работа. Мы многому научились. Мы никогда не могли воплотить эту науку в новые технологии, технологии, которые могли бы повлиять на людей. Причина состоит в том, что наноматериалы — это палка о двух концах. То, что делает их такими привлекательными — их малые размеры — также делает невозможным работу с ними. Это в буквальном смысле словно строить статую из крупинок пыли. У нас просто нет инструментов такого размера, чтобы работать с ними. Но если бы они у нас были, это было бы не важно, потому что мы не смогли бы разместить миллионы частиц вместе, чтобы создать какую-то технологию. Именно поэтому все надежды и весь тот азарт остались просто надеждами и азартом. Нет нанороботов, которые боролись бы с болезнями, нет лифта в космос, и нет того, в чем я больше всего заинтересован: новых компьютеров.

Это последнее, но очень важное. Мы просто привыкли думать, что прогресс вычислительной техники будет продолжаться бесконечно. На этой идее мы построили целые экономики. И этот прогресс существует благодаря нашей способности «упаковывать» все больше устройств в компьютерный чип. И когда эти устройства уменьшаются, они становятся быстрее, расходуют меньше энергии и дешевеют. И это уменьшение открывает перед нами безграничные возможности.

К примеру, если взять компьютер размером с комнату, отправивший на луну и обратно троих, и каким-нибудь образом сжать его — сжать самый огромный компьютер, когда-либо существовавший, чтобы он стал размером не больше смартфона — на самом деле смартфон, который стоит $300, от которого вы избавляетесь каждые два года, «разнес» бы этот компьютер. Вы бы не удивились. Этот компьютер не сделал бы то, что может смартфон. Он был бы медленным, вы не смогли бы ничего загрузить в него, возможно, вы смогли бы посмотреть первые две минуты эпизода «Ходячие мертвецы», если повезет.

Дело в том, что прогресс не последователен. Прогресс непрерывен. Он экспоненциальный. Он развивается из года в год настолько, что если сравнить технологии одного поколения с другим, то они будут практически неузнаваемы. И мы ответственны за развитие прогресса. Мы хотим сказать то же самое и через 10, 20, 30 лет: «Смотрите, что мы сделали за последние 30 лет». Однако мы знаем, что прогресс не бесконечен. Фактически, это как «конец вечеринки». Как «выпить на посошок». Если взглянуть глубже на такие показатели, как скорость и производительность, прогресс уже давно приостановился. Поэтому, если мы хотим, чтобы «вечеринка» продолжалась, мы должны продолжать делать то, что всегда делали: инновации. Таким образом цель и миссия нашей группы — создавать новое с помощью углеродных нанотрубок, потому что за ними — будущее. Они полностью оправдывают свое название. Крошечные, полые трубки из атомов углерода, и их наноразмер настолько мал, что благодаря этому они обладают уникальными электронными свойствами. И наука говорит, что если мы сможем внедрить эти свойства в компьютеры, мы сможем повысить их производительность в 10 раз. Это как преодолеть несколько поколений в технологиях за один шаг.

И мы уже его сделали. Это серьезная и важная задача, и то, что мы изобрели — ее идеальное решение. Наука призывает нас: «Вот то, что вы должны делать, чтобы решить свои проблемы». Хорошо, давайте приступим к делу, начнем вот с этого. Но вы натыкаетесь на палку о двух концах. Это «идеальное решение» содержит материал, с которым невозможно работать. Для создания всего лишь одного чипа я был вынужден собрать миллиарды нанотрубок. Это такая же головоломка, извечная проблема.

И тут мы сказали: «Давайте остановимся». Давайте пойдем другим путем. Надо выяснить, что мы упустили. С чем мы еще не работали? Что не делаем из того, что должно быть сделано? Как в фильме «Крестный отец», правда? Когда Фредо предает Майкла, своего брата, мы все знаем, как надо поступить. Фредо должен уйти.

Но Майкл отпускает его. «Прекрасно, я все понял». Их мать еще жива, и она расстроится, узнав об этом. Мы спросили: «Кто же Фредо в нашем случае? Что мы упустили? Чего мы не делаем, но должны сделать для успешного завершения?» Ответ в этой ситуации: статуя должна сотворить себя сама. Мы должны найти какой-то способ заставить, «убедить» миллиарды этих частиц объединиться в технологию. Мы не можем сделать это за них. Они сами должны это выполнить. Это тяжело и совсем не просто, но в данном случае это единственный возможный вариант.

И теперь, как выяснилось, это не такая уж и новая проблема. Просто мы так не строим. Люди так не строят. Но если посмотреть вокруг — а примеры повсюду — природа именно так все и делает. Все строится от основания к вершине. Вы можете пойти на пляж, где найдете простейшие организмы, использующие белок — в основном это молекулы — для создания песка, просто доставая их из моря, в итоге создавая эти великолепные и необычные творения. Природа не так груба, она не кромсает все, как мы. Она элегантно и разумно использует только подходящие частицы, молекула за молекулой, создавая такие сложные и разнообразные структуры, которые мы даже представить себе не можем. И это и есть нанотехнологии. Природа использует их вот уже миллионы лет. Это мы опоздали на «вечеринку».

Мы решили, что будем использовать тот же инструмент, что и природа — химию. Химия — недостающий элемент. И в этом случае она работает, потому что эти нанообъекты такого же размера, что и молекулы, поэтому мы можем их использовать для манипуляции объектами. Именно этим мы занимаемся в лаборатории. Мы разработали химию, которая проникает в пыль, проникает в наночастицы, и достает именно те, которые нам нужны. Затем мы используем химию, чтобы буквально собрать эти частицы в один образец и использовать его для создания схемы. И раз мы можем сделать это, то сможем создать схемы во много раз быстрее тех, которые создавались ранее с использованием наноматериалов. Химия — недостающий инструмент, и каждый день он становится лучше и точнее. В итоге мы надеемся, что через пару лет выполним все свои обещания.

Сейчас компьютерные технологии — один из примеров. Это то, чем интересуюсь я, чем интересуется моя команда, но есть и другие: возобновляемая энергия, медицина, строительные материалы, где наука призывает вас использовать нанотехнологии. Вот где преимущество. Но если мы собираемся этим заниматься, настоящим и будущим ученым необходимы новые инструменты, те, о которых я только что вам рассказал. И для этого нужна химия. В этом вся суть. Красота науки в том, что как только вы создадите такие инструменты, они останутся в ней. Они там навсегда. И кто угодно и где угодно может взять их и использовать для развития нанотехнологий в будущем.

Перевод: Алена Черных
Редактор: Елена Говоркова

Источник