Elke vorm van menselijke activiteit is overwoekerd met mythen. Nanotechnologie, het belangrijkste wetenschappelijke en technologische project van onze tijd, is geen uitzondering. Bovendien raakt het maken van mythen hier de essentie. De meeste mensen, zelfs degenen die tot de wetenschappelijke gemeenschap behoren, zijn ervan overtuigd dat nanotechnologie in de eerste plaats het manipuleren van atomen en de constructie van objecten is door ze uit atomen te assembleren. Dit is de belangrijkste mythe.
Wetenschappelijke mythen zijn tweeledig. Sommige worden gegenereerd door de onvolledigheid van onze kennis van de natuur of door gebrek aan informatie. Anderen zijn met opzet gemaakt voor een specifiek doel. In het geval van nanotechnologie hebben we een tweede optie. Dankzij deze mythe en de gevolgen die eruit voortvloeien, was het mogelijk om de aandacht van de machthebbers te trekken en de lancering van het Nanotechnologie-project drastisch te versnellen met een autokatalytische verhoging van de investeringen. In wezen was het een beetje vals spelen, heel acceptabel volgens de regels van het spel op het hoogste niveau. De mythe speelde een gunstige rol als initiator van het proces en werd gelukkig vergeten als het ging om de technologie zelf.
Maar mythen hebben een verbazingwekkende eigenschap: wanneer ze worden geboren, beginnen ze hun eigen leven te leiden, terwijl ze een verbazingwekkende vitaliteit en een lang leven demonstreren. Ze zijn zo stevig geworteld in de geest van mensen dat ze de perceptie van de werkelijkheid beïnvloeden. Echte nanotechnologische processen, zowel buitenlandse als Rusnano-projecten, zijn fundamenteel in tegenspraak met de mythe, die verwarring in hun hoofd creëert (de meeste mensen begrijpen nog steeds niet wat nanotechnologie is), afwijzing (dit zijn geen echte nanotechnologieën!) En zelfs ontkenning van nanotechnologie. als zodanig.
Naast de hoofdmythe onthult de geschiedenis van de nanotechnologie ons verschillende begeleidende mythen die verschillende bevolkingsgroepen stimuleren en bij sommigen ongegronde hoop wekken en bij anderen paniek.
De mythe van de grondlegger
De meest onschadelijke van de reeks mythen is de toeschrijving van Richard Feynman, een specialist op het gebied van kwantumveldentheorie en deeltjesfysica, als de grondlegger van nanotechnologie. Deze mythe ontstond in 1992 toen de profeet van de nanotechnologie, Eric Drexler, een senaatscommissie toesprak tijdens een hoorzitting over "Nieuwe technologieën voor duurzame ontwikkeling". Om het door hem uitgevonden nanotechnologieproject door te drukken, verwees Drexler naar de verklaring van de Nobelprijswinnaar voor natuurkunde, een onwankelbare autoriteit in de ogen van senatoren.
Helaas overleed Feynman in 1988 en kon daarom deze verklaring niet bevestigen of ontkennen. Maar als hij het kon horen, zou hij hoogstwaarschijnlijk vrolijk lachen. Hij was niet alleen een uitstekende natuurkundige, maar ook een beroemde grappenmaker. Geen wonder dat zijn autobiografische boek de titel droeg: "Natuurlijk maakt u een grapje, meneer Feynman!" Dienovereenkomstig werd de gevierde toespraak van Feynman tijdens het oudejaarsdiner van de American Physics Society in het California Institute of Technology geaccepteerd. Volgens de herinneringen van een van de deelnemers aan die bijeenkomst, de Amerikaanse natuurkundige Paul Schlickt: “De reactie van het publiek is over het algemeen opgewekt te noemen. De meesten dachten dat de spreker de idioot speelde."
Promotie video:
Maar de woorden: "De principes van de fysica die we kennen, verbieden de creatie van objecten" atoom voor atoom "niet. Manipulatie van atomen is heel reëel en schendt geen enkele natuurwetten”, zeiden ze, dit is een feit. De rest was speculatie over miniaturisatie in combinatie met futurologische voorspellingen. Een kwart eeuw later werden enkele van Feynmans ideeën "creatief" ontwikkeld door Eric Drexler en leidden ze tot de belangrijkste mythen van de nanotechnologie. Verder zullen we vaak op deze toespraak terugkomen om ons te herinneren wat Feynman feitelijk zei, en om tegelijkertijd te genieten van de helderheid en het beeld van de formuleringen van de grote wetenschapper.
De mythe van verspilde technologie
Wanneer we atoom voor atoom een object creëren, passen we uiteraard afvalvrije technologie toe. Het woord 'duidelijk' wordt hier in de meest primordiale zin gebruikt - wanneer mensen, voornamelijk ambtenaren, kijken naar afbeeldingen die het proces van het manipuleren van atomen weergeven, zien ze geen afval, geen rokende pijpen die de atmosfeer vervuilen en industrieel afvalwater dat waterlichamen vervuilt. … Het is standaard duidelijk dat het slepen van een bijna gewichtloos atoom een paar nanometer van elkaar verwijderd is, een kleine hoeveelheid energie kost. Over het algemeen de ideale technologie voor "duurzame ontwikkeling" - een concept dat enorm populair was in de jaren 90 van de vorige eeuw.
De vraag waar de atomen voor assemblage vandaan komen, is bijna onfatsoenlijk. Uiteraard vanuit het magazijn, vanwaar ze vermoedelijk worden afgeleverd door milieuvriendelijke elektrische auto's. De overgrote meerderheid van de bevolking heeft geen idee waar het vandaan komt. Bijvoorbeeld de materialen waar verschillende industriële producten van gemaakt worden, die we in steeds grotere hoeveelheden consumeren. De connectie van deze producten met de chemische industrie is niet zichtbaar. Chemie als wetenschap is saai en niet erg noodzakelijk, en de chemische industrie, die zeker schadelijk is voor het milieu, moet worden gesloten.
De chemische industrie is volgens de meerderheid onder andere een roofzuchtige verspilling van natuurlijke hulpbronnen, waarbij olie, gas, ertsen en mineralen worden gebruikt voor haar processen. En voor de nieuwe technologie, zoals zijn aanhangers zich voorstellen, zijn alleen atomen nodig: in dit gedeelte van het magazijn slaan we goudatomen op, in de volgende - ijzeratomen, dan natriumatomen, chlooratomen … Over het algemeen het hele periodiek systeem van Mendelejev. We zijn gedwongen de auteurs van dit idyllische plaatje teleur te stellen: de atomen zelf, met uitzondering van de atomen van inerte gassen, bestaan alleen in een vacuüm. In alle andere omstandigheden hebben ze interactie met hun eigen soort of andere atomen, in chemische interactie met de vorming van chemische verbindingen. Dit is de aard van de dingen en er kan niets aan worden gedaan.
Elke technologie vereist enkele aanpassingen, productiemiddelen, die ook de aandacht van apologeten ontgaan voor het samenstellen van objecten uit atomen. Maar soms trekken ze juist hun aandacht en schudden ze door elkaar. Tunnel- en krachtmicroscopen zijn inderdaad prachtige apparaten, een zichtbaar bewijs van de kracht van de menselijke geest. En in het algemeen, de laboratoria waarin de manipulatie van atomen een beeld is van toekomstige technologieën in de geest van Alvin Toffler's "Third Wave": de zogenaamde cleanrooms met airconditioning en speciale luchtzuivering, apparaten die de minste trillingen uitsluiten, een operator in speciale kleding met een universitaire graad in zak.
Zal dit alles ook zonder afval uit atomen worden verzameld? Inclusief funderingen, muren en daken? Wij zijn van mening dat zelfs de meest fervente aanhangers van deze technologie deze vraag niet bevestigend zullen durven beantwoorden.
De mensheid zal op een dag afvalvrije, milieuvriendelijke technologieën creëren, maar ze zullen gebaseerd zijn op andere principes of op een fundamenteel andere techniek.
De mythe van de nanomachine
Eigenlijk ging het aanvankelijk om een andere techniek. Het idee dat het nodig is om een manipulator van de juiste grootte te hebben om op nanoschaal te ontwerpen, ligt voor de hand. Dit is hoe Richard Feynman de implementatie van dit idee zag:
“Stel dat ik een set van tien manipulatorarmen heb gemaakt, vier keer verkleind, en ze met draadjes heb verbonden met de originele bedieningshendels, zodat deze armen gelijktijdig en nauwkeurig mijn bewegingen herhalen. Dan zal ik een set van tien armen van een kwart maat opnieuw fabriceren. Uiteraard zullen de eerste tien manipulatoren 10x10 = 100 manipulatoren produceren, echter verminderd met een factor 16 …
Niets belet ons om dit proces voort te zetten en zoveel kleine machines te maken als we willen, aangezien deze productie geen beperkingen kent met betrekking tot de plaatsing van machines en hun materiaalverbruik … Het is duidelijk dat dit het probleem van de materiaalkosten onmiddellijk wegneemt. In principe zouden we miljoenen identieke miniatuurfabrieken kunnen organiseren, waar kleine machines continu gaten boren, onderdelen stampen, enz."
Deze benadering is een eenvoudige implementatie van het idee om miniatuurapparaten te maken. Het werkt, zij het met veel beperkingen, op microniveau, zoals blijkt uit de zogenaamde micro-elektromechanische apparaten. Ze worden gebruikt in systemen voor het inzetten van airbags in auto's bij ongevallen, in laser- en inkjetprinters, in druksensoren, in huishoudelijke airconditioners en in brandstofniveau-indicatoren in een gastank, in pacemakers en in joysticks voor spelconsoles. Als we ze onder een microscoop bekijken, zien we de tandwielen en assen, cilinders en zuigers, veren en kleppen, spiegels en microschakelingen die ons bekend zijn.
Maar nanoobjecten hebben eigenschappen die verschillen van de eigenschappen van macro- en microobjecten. Als we een manier vinden om de grootte van transistors proportioneel te verkleinen van de huidige 45-65 nm naar 10 nm, dan zullen ze gewoon niet werken, omdat elektronen door de isolatielaag gaan tunnelen. En de verbindingsdraden worden dunner tot een ketting van atomen, die de stroom anders geleiden dan de massieve monsters, en zich naar de zijkanten gaan verspreiden als gevolg van thermische beweging of, omgekeerd, zich verzamelen in een hoop, waarbij de taak van het onderhouden van elektrisch contact wordt vergeten.
Hetzelfde geldt voor mechanische eigenschappen. Naarmate de grootte afneemt, neemt de verhouding tussen oppervlak en volume toe, en hoe groter het oppervlak, hoe groter de wrijving. Nano-objecten kleven letterlijk aan andere nano-objecten of aan oppervlakken, die voor hen door hun eigen kleinheid glad lijken. Dit is een nuttige eigenschap voor een gekko die gemakkelijk over een verticale muur loopt, maar uiterst schadelijk voor elk apparaat dat op een horizontaal oppervlak moet rijden of glijden. Om het eenvoudig van zijn plaats te verplaatsen, moet u een onevenredige hoeveelheid energie besteden.
Aan de andere kant is de traagheid klein, de beweging stopt snel. Het is niet moeilijk om een nanoslinger te maken - om een deeltje goud van enkele nanometers in doorsnee aan een koolstofnanobuisje met een diameter van 1 nm en een lengte van 100 nm te bevestigen en aan een siliciumplaat te hangen. Maar deze slinger zal, als je hem in de lucht zwaait, vrijwel onmiddellijk stoppen, omdat zelfs lucht er een aanzienlijk obstakel voor is.
Nanoobjecten hebben, zoals ze zeggen, een hoge luchtdruk, en het is over het algemeen gemakkelijk om ze te misleiden. Velen hebben waarschijnlijk de Brownse beweging in een microscoop waargenomen - het willekeurig gooien van een klein vast deeltje in water. Albert Einstein legde in 1905 de reden voor dit fenomeen uit: watermoleculen, die constant in thermische beweging zijn, raken het oppervlak van het deeltje en de niet-gecompenseerde kracht van inslagen van verschillende kanten leidt ertoe dat het deeltje een momentum krijgt in een of andere richting. Als een deeltje van 1 μm groot de kracht van inslagen van kleine moleculen waarneemt en de bewegingsrichting verandert, wat kunnen we dan zeggen over een deeltje van 10 nm, dat een miljoen keer minder weegt en waarvan de verhouding tussen gewicht en oppervlakte 100 keer kleiner is.
Niettemin worden in wetenschappelijke en populair-wetenschappelijke literatuur, vooral in mediapublicaties, voortdurend beschrijvingen gevonden van nanokopie van verschillende mechanische onderdelen, tandwielen, sleutels, wielen, assen en zelfs versnellingsbakken. Aangenomen wordt dat ze zullen worden gebruikt om werkende modellen van nanomachines en andere apparaten te maken. Neem deze werken niet overdreven serieus, veroordelend, verwonderd of bewonderend. "Ik ben er persoonlijk van overtuigd dat wij natuurkundigen dergelijke problemen alleen voor de lol of voor de lol kunnen oplossen", zei Richard Feynman. Natuurkundigen maken grapjes …
Ze zijn zich in feite volledig bewust van het feit dat om nanomechanische of nano-elektromechanische apparaten te maken, het nodig is om ontwerpbenaderingen te gebruiken die verschillen van macro- en microanalogen. En hier, om te beginnen, hoef je zelfs niets uit te vinden, want gedurende miljarden jaren van evolutie heeft de natuur zoveel verschillende moleculaire machines gecreëerd dat tien jaar niet genoeg zullen zijn voor ons allemaal om ze te begrijpen, te kopiëren, aan te passen aan onze behoeften en te proberen iets te verbeteren.
Het bekendste voorbeeld van een natuurlijke moleculaire motor is de zogenaamde bacteriële flagellaire motor. Andere biologische machines zorgen voor spiercontractie, hartslag, transport van voedingsstoffen en ionentransport door het celmembraan. De efficiëntie van moleculaire machines die chemische energie omzetten in mechanisch werk is in veel gevallen bijna 100%. Tegelijkertijd zijn ze extreem zuinig: minder dan 1% van de energiebronnen van de cel wordt besteed aan de werking van elektromotoren die voor de beweging van bacteriën zorgen.
Het lijkt mij dat de beschreven biomimetische (van de Latijnse woorden "bios" - leven en "mimetis" - imitatie) benadering de meest realistische manier is om nanomechanische apparaten te maken en een van die gebieden waar de samenwerking van fysici en biologen op het gebied van nanotechnologie tastbare resultaten kan opleveren.
De nanorobot-mythe
Stel dat we een schets hebben gemaakt van een nano-apparaat op papier of op een computerscherm. Hoe af te halen, en liefst niet in één exemplaar? Je kunt, in navolging van Feynman, "kleine machines maken die continu gaten boren, onderdelen stampen, enz." en miniatuurmanipulatoren voor het samenstellen van het eindproduct. Deze manipulatoren moeten worden bestuurd door een persoon, dat wil zeggen dat ze een soort macroscopische uitrusting moeten hebben, of op zijn minst moeten handelen volgens een door een persoon gegeven programma. Bovendien is het op de een of andere manier nodig om het hele proces te observeren, bijvoorbeeld met een elektronenmicroscoop, die ook macro-afmetingen heeft.
Een alternatief idee werd in 1986 naar voren gebracht door de Amerikaanse ingenieur Eric Drexler in de futurologische bestseller "Machines of Creation". Opgegroeid, zoals alle mensen van zijn generatie, in de boeken van Isaac Asimov, stelde hij voor om mechanische machines van geschikte (100-200 nm) afmetingen te gebruiken - nanorobots voor de productie van nanodevices. Het ging niet langer om boren en ponsen, deze robots moesten een apparaat rechtstreeks uit atomen assembleren, dus werden ze assembleurs - assembleurs genoemd. Maar de aanpak bleef puur mechanisch: de assembler was uitgerust met manipulatoren van enkele tientallen nanometers lang, een motor voor het verplaatsen van de manipulatoren en de robot zelf, inclusief de eerder genoemde versnellingsbakken en transmissies, en een autonome krachtbron. Het bleek dat de nanorobot uit enkele tienduizenden onderdelen zou moeten bestaan,en elk detail bestaat uit een of tweehonderd atomen.
Het probleem van het visualiseren van atomen en moleculen verdween op de een of andere manier onmerkbaar, het leek heel natuurlijk dat een nanorobot die met objecten van vergelijkbare grootte werkt, ze 'ziet' zoals een persoon een spijker en een hamer ziet waarmee hij deze spijker in een muur slaat.
De belangrijkste eenheid van de nanorobot was natuurlijk de boordcomputer, die de werking van alle mechanismen aanstuurde, bepaalde welk atoom of welk molecuul door de manipulator moest worden gevangen en waar ze in het toekomstige apparaat moesten worden geplaatst. De lineaire afmetingen van deze computer mochten niet groter zijn dan 40-50 nm - dit is precies de grootte van één transistor bereikt door de industriële technologie van onze tijd, 25 jaar nadat Drexler zijn boek "Creation Machines" schreef.
Maar Drexler richtte zijn boek ook tot de toekomst, tot de verre toekomst. Op het moment van schrijven hebben wetenschappers zelfs nog niet de fundamentele mogelijkheid bevestigd om individuele atomen te manipuleren, om nog maar te zwijgen van de assemblage van ten minste enkele structuren daarvan. Dit gebeurde pas vier jaar later. Het apparaat dat hiervoor voor het eerst werd gebruikt en nog steeds wordt gebruikt - een tunnelmicroscoop - heeft vrij tastbare afmetingen, tientallen centimeters in elke dimensie, en wordt bestuurd door een persoon die een krachtige computer met miljarden transistors gebruikt.
Het droomidee van nanorobots die materialen en apparaten assembleren uit individuele atomen was zo mooi en aantrekkelijk dat deze ontdekking het alleen maar overtuigend maakte. Minder dan een paar jaar later geloofden de senatoren van de Verenigde Staten, journalisten die ver van de wetenschap verwijderd waren, erin, en op hun suggestie - het publiek en, nogal verrassend, de auteur zelf, die het bleef verdedigen, zelfs als hem begrijpelijk werd uitgelegd dat het idee in principe niet realiseerbaar was … Er zijn veel argumenten tegen dergelijke mechanische apparaten. We zullen alleen de eenvoudigste aanhalen die door Richard Smalley naar voren is gebracht: een manipulator die een atoom "gevangen" heeft, zal er voor altijd mee in verbinding staan vanwege chemische interactie. Smalley was een Nobelprijswinnaar in de scheikunde, en dat moet het geval zijn geweest.
Maar het idee bleef zijn eigen leven leiden en heeft het tot op de dag van vandaag overleefd, werd merkbaar ingewikkelder en aangevuld met verschillende toepassingen.
De mythe van medische nanorobots
De meest populaire mythe is dat er miljoenen nanorobots zijn die ons lichaam rondsnuffelen, de toestand van verschillende cellen en weefsels diagnosticeren, defecten herstellen met een nanoscalpel, kankercellen ontleden en ontmantelen, botweefsel opbouwen door atomen te assembleren, cholesterolplaques afkrabben met een nanoscoop, en in de hersenen. selectief scheuren synapsen die verantwoordelijk zijn voor onaangename herinneringen. En breng ook verslag uit over het uitgevoerde werk door berichten te verzenden als: “Alex aan Eustace. Onthulde schade aan de mitralisklep. De breuk is verholpen. " Het is het laatste dat aanleiding geeft tot ernstige publieke bezorgdheid, omdat dit de openbaarmaking van privé-informatie is - het bericht van een nanorobot kan niet alleen door een arts worden ontvangen en ontsleuteld, maar ook door buitenstaanders. Deze bezorgdheid bevestigtdat in al het andere mensen onvoorwaardelijk geloven. Net als in nanorobots-spionnen, in "slim stof", dat in onze appartementen zal doordringen, ons bekijken, onze gesprekken afluisteren en, nogmaals, het ontvangen video- en audiomateriaal verzenden via een nano-zender met een nano-antenne. Of in moordende nanobots die mensen en technologie raken met nanoscapes, misschien zelfs nucleaire.
Het meest verbazingwekkende is dat bijna alles wat wordt beschreven kan worden gemaakt (en er is al iets gemaakt). En invasieve diagnostische systemen die rapporteren over de toestand van het lichaam, en medicijnen die inwerken op bepaalde cellen, en systemen die onze bloedvaten reinigen van atherosclerotische plaques en botgroei, en het wissen van herinneringen, en onzichtbare volgsystemen op afstand, en "slim stof".
Al deze systemen van het heden en de toekomst hebben en zullen echter niets te maken hebben met mechanische nanorobots in de geest van Drexler, met uitzondering van de grootte. Ze zullen gezamenlijk worden gemaakt door natuurkundigen, chemici en biologen, wetenschappers die werkzaam zijn op het gebied van synthetische wetenschap genaamd nanotechnologie.
De mythe van de fysieke methode om stoffen te synthetiseren
In zijn lezing verraadde Richard Feynman onbewust de geheime eeuwige droom van natuurkundigen:
“En tot slot, denkend in deze richting (de mogelijkheid om atomen te manipuleren. - GE), komen we bij de problemen van chemische synthese. Chemici, natuurkundigen, zullen naar ons komen met specifieke opdrachten: "Luister, vriend, wil je geen molecuul maken met zo en zo een verdeling van atomen?" Chemici gebruiken zelf complexe en zelfs mysterieuze operaties en technieken om moleculen te bereiden. Gewoonlijk moeten ze, om het beoogde molecuul te synthetiseren, verschillende stoffen vrij lang mengen, schudden en verwerken. Zodra natuurkundigen een apparaat creëren dat in staat is om met individuele atomen te werken, zal al deze activiteit overbodig worden … Chemici zullen synthese bestellen, en natuurkundigen zullen atomen eenvoudig "in de juiste volgorde plaatsen".
Chemici synthetiseren geen molecuul; chemici krijgen een stof. De stof, de productie en transformatie ervan is een onderwerp van scheikunde, tot op de dag van vandaag mysterieus voor natuurkundigen.
Een molecuul is een groep atomen, niet alleen in de juiste volgorde gerangschikt, maar ook verbonden door chemische bindingen. Een transparante vloeistof, waarin er één zuurstofatoom is voor twee waterstofatomen, kan water zijn, of het kan een mengsel zijn van vloeibare waterstof en zuurstof (let op: thuis niet mengen!).
Stel dat we er op de een of andere manier in geslaagd zijn om een stel van acht atomen samen te voegen - twee koolstofatomen en zes waterstofatomen. Voor een natuurkundige zal dit stel waarschijnlijk een molecuul ethaan C2H6 zijn, maar een chemicus zal nog minstens twee mogelijkheden aanwijzen om atomen te combineren.
Stel dat we ethaan willen krijgen door uit atomen te assembleren. Hoe kan ik dat doen? Waar begin je: verplaats twee koolstofatomen, of koppel een waterstofatoom aan een koolstofatoom? Een lastige vraag, ook voor de auteur. Het probleem is dat wetenschappers tot dusver hebben geleerd atomen te manipuleren, ten eerste zwaar en ten tweede niet erg reactief. Vrij complexe structuren zijn samengesteld uit xenon-, goud- en ijzeratomen. Hoe je met de lichte en extreem actieve waterstof-, koolstof-, stikstof- en zuurstofatomen moet omgaan, is niet helemaal duidelijk. Dus met de atomaire assemblage van eiwitten en nucleïnezuren, waarvan sommige auteurs spreken als een praktisch opgeloste kwestie, zal het moeten wachten.
Er is nog een omstandigheid die de vooruitzichten voor de "fysieke" synthesemethode aanzienlijk beperkt. Zoals eerder vermeld, synthetiseren chemici geen molecuul, maar krijgen ze een stof. De stof bestaat uit een enorm aantal moleculen. 1 ml water bevat ~ 3x1022 watermoleculen. Laten we een meer bekend object nemen voor nanotechnologie: goud. Een kubus van 1 cm3 goud bevat ~ 6x1022 goudatomen. Hoe lang duurt het om zo'n kubus van atomen samen te stellen?
Het werken aan een atoomkracht- of tunnelmicroscoop is tot op de dag van vandaag verwant aan kunst, het vereist niet voor niets een speciale en zeer goede opleiding. Handwerk: het atoom inhaken, naar de juiste plaats slepen, het tussenresultaat evalueren. Ongeveer zo snel als metselwerk. Om de lezer niet bang te maken met onvoorstelbare getallen, stel dat we een manier hebben gevonden om het proces op de een of andere manier te mechaniseren en te intensiveren en een miljoen atomen per seconde kunnen stapelen. In dit geval zullen we twee miljard jaar besteden aan het samenstellen van een kubus van 1 cm3, ongeveer evenveel als de natuur ervoor nodig had om de hele levende wereld te creëren en onszelf als de kroon van de evolutie met vallen en opstaan.
Daarom sprak Feynman over de miljoenen "fabrieken", zonder echter hun mogelijke productiviteit in te schatten. Dat is de reden waarom zelfs een miljoen nanorobots die in ons rondscharrelen het probleem niet zullen oplossen, omdat we niet genoeg leven zullen hebben om te wachten op het resultaat van hun inspanningen. Daarom drong Richard Smalley er bij Eric Drexler op aan om elke vermelding van "scheppingsmachines" uit te sluiten van spreken in het openbaar, om het publiek niet te misleiden met deze anti-wetenschappelijke onzin.
Kunnen we dus een einde maken aan deze methode om aan stoffen, materialen en apparaten te komen? Nee helemaal niet.
Ten eerste kan dezelfde techniek worden gebruikt om substantieel grotere bouwstenen, zoals koolstofnanobuisjes, te manipuleren in plaats van atomen. Dit elimineert het probleem van lichte en reactieve atomen, en de productiviteit zal automatisch toenemen met twee tot drie ordes van grootte. Dit is natuurlijk nog te weinig voor een echte technologie, maar met deze methode produceren wetenschappers al enkele exemplaren van de eenvoudigste nanodevices in laboratoria.
Ten tweede zijn er veel situaties denkbaar waarin de introductie van een atoom, nanodeeltje of zelfs alleen de fysieke impact van de punt van een tunnelmicroscoop het proces van zelforganisatie, fysische of chemische transformaties in het medium initieert. Bijvoorbeeld - een kettingreactie van polymerisatie in een dunne film van organisch materiaal, veranderingen in de kristalstructuur van een anorganische stof of de conformatie van een biopolymeer in een bepaalde omgeving van het inslagpunt. Door het scannen van oppervlakken met hoge precisie en herhaalde belichting kunnen uitgebreide objecten worden gemaakt die worden gekenmerkt door een regelmatige nanostructuur.
En tot slot kan deze methode worden gebruikt om unieke monsters te verkrijgen - sjablonen voor verdere verspreiding met andere methoden. Laten we zeggen een zeshoek gemaakt van metaalatomen of een enkel molecuul. Maar hoe vermenigvuldig je een enkel molecuul? Onmogelijk, zegt u, dit is een soort onwetenschappelijke fantasie. Waarom dan? De natuur weet perfect hoe ze meerdere, absoluut identieke kopieën moet maken van zowel individuele moleculen als hele organismen. Dit wordt gewoonlijk klonen genoemd. Zelfs mensen die ver van de wetenschap af zijn, maar die minstens één keer een modern medisch diagnostisch laboratorium hebben bezocht, hebben gehoord van de polymerasekettingreactie. Met deze reactie kun je een enkel fragment van het DNA-molecuul vermenigvuldigen, geëxtraheerd uit biologisch materiaal of kunstmatig gesynthetiseerd met chemische middelen. Om dit te doen, gebruiken wetenschappers "moleculaire machines" die door de natuur zijn gemaakt - eiwitten en enzymen. Waarom kunnen we geen soortgelijke machines maken om andere moleculen dan oligonucleotiden te klonen?
Ik zou het wagen Richard Feynman een beetje te parafraseren: “De ons bekende principes van de chemie verbieden het klonen van afzonderlijke moleculen niet. "Reproductie" van moleculen volgens een monster is heel reëel en schendt geen enkele natuurwetten."
De grijze goo-mythe
De elementaire overweging van de extreem lage (in termen van massa) productiviteit van nanorobots ging natuurlijk niet voorbij aan Eric Drekeler. Er waren andere problemen in de wereld van "scheppingsmachines" die we bij gebrek aan ruimte niet in detail hebben besproken. Bijvoorbeeld kwaliteitscontrole, het beheersen van het vrijgeven van nieuwe producten en bronnen van grondstoffen, waar en hoe atomen verschijnen in het "magazijn". Om deze problemen op te lossen, introduceerde Drexler nog twee soorten apparaten in het concept.
De eerste zijn demonteerders, de antipoden van verzamelaars. Vooral de disassembler moet de structuur van een nieuw object bestuderen en de atomaire structuur opschrijven in het geheugen van de nanocomputer. Geen apparaat, maar de droom van een apotheek! Ondanks alle vooruitgang in de moderne onderzoekstechnologie, 'zien' we niet alle atomen, bijvoorbeeld in een eiwit. Het is alleen mogelijk om de exacte structuur van een molecuul vast te stellen als het samen met miljoenen andere vergelijkbare moleculen een kristal vormt. Vervolgens kunnen we met behulp van de methode van structurele röntgenanalyse de exacte locatie van alle atomen in de ruimte tot op een duizendste van een nanometer bepalen. Dit is een tijdrovende, arbeidsintensieve procedure waarvoor omvangrijke en dure apparatuur nodig is.
Het tweede type apparaat is de maker of replicator. Hun belangrijkste taken zijn in-line productie van verzamelaars en assemblage van vergelijkbare replicators, dat wil zeggen reproductie. Zoals bedacht door hun maker, zijn replicators veel complexere apparaten dan eenvoudige assemblers; ze moeten bestaan uit honderden miljoenen atomen (twee orden van grootte minder dan in een DNA-molecuul) en dienovereenkomstig een grootte hebben van ongeveer 1000 nm. Als de duur van hun replicatie wordt gemeten in minuten, dan zullen ze, exponentieel vermenigvuldigend, biljoenen replicators per dag creëren, ze zullen quadriljoenen gespecialiseerde monteurs produceren die macro-objecten, huizen of raketten gaan assembleren.
Het is gemakkelijk om een situatie voor te stellen waarin de werking van het systeem in een productiemodus zal gaan omwille van de productie, de ongebreidelde accumulatie van productiemiddelen - de nanorobots zelf, wanneer al hun activiteit wordt teruggebracht tot een toename van hun eigen bevolking. Dat is de oproer van machines in het tijdperk van nanotechnologie. Voor hun eigen constructie kunnen nanorobots alleen atomen uit de omgeving halen, dus ontmantelaars zullen alles wat onder hun hardnekkige manipulatoren valt, in atomen gaan demonteren. Als gevolg hiervan zal na enige tijd alle materie en, wat voor ons het meest irritant is, biomassa veranderen in een stel nanorobots, in 'grijs slijm', zoals Eric Drexler het figuurlijk noemde.
Elke nieuwe technologie genereert scenario's van het onvermijdelijke einde van de wereld, vanwege de implementatie en distributie ervan. De grijze goo-mythe is historisch gezien pas het eerste scenario dat in verband wordt gebracht met nanotechnologie. Maar hij is erg fantasierijk, en daarom houden journalisten en filmmakers zo veel van hem.
Gelukkig is zo'n scenario niet mogelijk. Als je ondanks al het bovenstaande nog steeds gelooft in de mogelijkheid iets essentieels uit atomen te assembleren, overweeg dan twee omstandigheden. Ten eerste missen de replicators die door Drexler worden beschreven de complexiteit om vergelijkbare apparaten te maken. Honderd miljoen atomen zijn zelfs niet genoeg om een computer te creëren die het assemblageproces bestuurt, zelfs niet voor geheugen. Als we het onbereikbare aannemen - dat elk atoom één bit aan informatie bevat, dan is het volume van dit geheugen 12,5 megabyte, en dat is te klein. Ten tweede zullen de replicators grondstofproblemen hebben. De elementaire samenstelling van elektromechanische apparaten verschilt fundamenteel van de samenstelling van omgevingsobjecten en allereerst van biomassa. Het vinden, extraheren en leveren van atomen van de noodzakelijke elementen, die een enorme investering in tijd en energie vergen,- dat is wat de reproductiesnelheid zal bepalen. Als je de situatie op macro-formaat projecteert, dan is dit hetzelfde als het samenstellen van een machine uit materialen die moeten worden gevonden, gedolven en vervolgens geleverd vanaf verschillende planeten van het zonnestelsel. Gebrek aan vitale middelen legt een limiet op de ongeremde verspreiding van alle populaties, veel meer aangepast en perfect dan mythische nanorobots.
Gevolgtrekking
De lijst met mythen gaat maar door. De mythe van nanotechnologie als locomotief van de economie verdient een apart artikel. Eerder in het artikel "Nanotechnologie als een nationaal idee" (zie "Chemistry and Life", 2008, N3), probeerden we de mythe te ontkrachten dat het Amerikaanse National Nanotechnology Initiative een puur technologisch project is.
De canonieke geschiedenis van nanotechnologie is ook een mythe, waarvan de belangrijkste gebeurtenis de uitvinding van de tunneling-elektronenmicroscoop is. Dit laatste is gemakkelijk uit te leggen. "Geschiedenis wordt geschreven door de winnaars", en het wereldwijde project "Nanotechnologie", dat voor een groot deel het gezicht (en de financiering) van de moderne wetenschap definieert, is doorgedrongen tot natuurkundigen. Waarvoor wij allemaal, onderzoekers die in deze en aanverwante gebieden werken, onze eindeloze dankbaarheid uitspreken aan natuurkundigen.
Mythen hebben een positieve rol gespeeld, ze hebben enthousiasme opgewekt en de aandacht getrokken van de politieke en economische elite, evenals het publiek, voor nanotechnologie. In het stadium van praktische implementatie van nanotechnologie is het echter tijd om deze mythen te vergeten en ze niet meer van artikel tot artikel, van boek tot boek te herhalen. Mythen staan immers de ontwikkeling in de weg, stellen verkeerde oriëntatiepunten en doelen, geven aanleiding tot misverstanden en angsten. En tot slot is het nodig om een nieuwe geschiedenis van nanotechnologie te schrijven - een nieuwe wetenschap van de 21ste eeuw, een gebied van natuurwetenschappen dat natuurkunde, scheikunde en biologie verenigt.
G. V. Erlikh, doctor in de chemische wetenschappen
