Все записи
01:11  /  26.10.18

3271просмотр

Между макро и микро мирами – связующее нанозвено выходит из тени

+T -
Поделиться:
Фото: Alex Sukontsev / Flickr.com
Фото: Alex Sukontsev / Flickr.com

Приставка «нано-» сейчас используется на каждом шагу: от докторских диссертаций по фулеренам до рекламы автомобильных «нано-моек», что бы эта реклама ни значила. И вот что интересно, люди, обладающие некоторым кругозором, транслируют в целом корректные определения — «нано-» означает миллиардную часть чего-либо и нечего тут выдумывать — но в своей беспристрастной «осведомленности» они находятся дальше от концептуального и, если хотите, философского понимания термина, чем те, кто казалось бы не по делу называет так свою автомойку.

Как узники в платоновской пещере, наблюдая лишь тени на стене, улавливают в них только тот смысл, который способны уловить, так и «общественное сознание» в целом понимает, что прогресс выносит всех нас в какую-то совершенно новую реальность, что «за стеной» назревает настоящая научно-техническая революция. Подливает масла в огонь литературный нанопанк, и спекуляции, преувеличения, а иногда и истерия футурологов. Между тем «там внизу» по меткому выражению Фейнмана (которого просто неприлично не процитировать по данной теме) происходит эпохальная встреча двух миров.

До относительно недавнего времени, до того, как «нано-» вошло в обиход, «оно» в основном использовалось в науке и технике как приставка в СИ – международной десятичной системе. «Нано-» спокойно располагалось между «микро-» (миллионной долей) и «пико-» (триллионной). На практике в масштабах «нано-» чаще всего измеряли малые электрические емкости и очень небольшие отрезки времени и никаких специфических чувств по поводу этого размера не испытывали. Наносекунда действительно ничем не отличается от секунды, будучи просто ее миллиардной частью, и нанофарад — такая же электрическая емкость. Как мы делим секунду на миллиард долей, так можем и перемножить все «обратно» и снова получить секунду.

Совсем другая история с нанометром: с длиной, площадью и объемом. Как только мы выходим из сферы чистой математики и наполняем этот объем веществом, вот тут размер начинает иметь принципиальное значение, и деление конкретного вещества означает совсем не то, что деление идеального «математического» метра. Фактически, деля вещество, мы берем «большую кучу», а затем, как слоненок в известном мультфильме, убираем из неё «орехи»-атомы, и, в конце концов, количество атомов, расположенных на поверхности, становится сначала сравнимо, а затем и больше, чем количество атомов внутри.

И в этот момент замечается принципиальное изменение некоторых свойств вещества: в метафоре мультика «куча перестает быть кучей». Некоторые такие явления давно и хорошо известны и не вызывают мистического трепета, например, поверхностное натяжение и капиллярные эффекты. Они возникают от того, что у атомов, лежащих на поверхности жидкости, как минимум одна «сторона» выходит «наружу» и не подвержена межатомным связям.

С другими явлениями люди столкнулись, судя по всему, случайно и отнесли их к разряду чудес, магии и древних тайн. В средние века добавки крошечных частиц золота, серебра и марганца делали простое стекло «двуцветным» или «рубиновым», а обыкновенный углерод превращал сталь в легендарный булат. Так что, если новые свойства и связаны с размерами, лежащими в нанодиапазоне, то дело тут все-таки не в размере, а в свойствах. Просто так исторически сложилось, что изучая и измеряя мир вглубь человечество как бы «проскочило» этот важный диапазон.

Есть то, что мы можем увидеть глазами, надеть очки, взять микроскоп, но все же именно увидеть. Это так называемый «макромир» — мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин. Платон бы сказал, что объекты этого мира тоже не более, чем тени на стене, но есть и «микромир», где платоновские «тени» уже не метафора. Это гораздо более глубокий уровень проникновения в вещество, тут объекты из области видимого переходят в область предсказуемого, увидеть их мы уже не можем, в лучшем случае можем только «прощупать». Это мир интуитивно непонятной и противоречащей здравому смыслу квантовой механики.

В этот мир человек попал не путем последовательного погружения, а путем рассуждений, озарений и стечения обстоятельств. И оттолкнувшись от мысленных экспериментов Демокрита и Платона постепенно нашел и изобрел совершенно другие методы исследования — так Беккерель облучал фотографические пластинки солями урана, а Резерфорд прощупывал α-частицами золотую фольгу. Картина мира стала заполняться «изнутри», постепенно с другой стороны подходя к пропасти, отделявшей микромир от макромира.

Разумеется, отдельные ученые и даже писатели не раз «намекали» на существование особенного, пропущенного диапазона в размерах частиц. Но в реальности наблюдение наноразмеров началось только с появлением электронного микроскопа, где вместо светового потока используется пучок электронов. Конечно, электронный микроскоп – это просвечивание, а не «прямая видимость», но зато расположение и размер частиц уже увязаны с реальной картиной, а компьютерное моделирование и раскрашивание фактически превращают результаты наблюдений в обычные фотографии.

Электронная микроскопия не просто позволила сделать «портреты» микрообъектов, но обеспечила ряд экспериментов по созданию наноструктур, а появившийся чуть позже сканирующий зондовый микроскоп дал истинно трехмерный рельеф поверхности и возможность манипулировать атомами. Физики и биологи смогли чуть ли не собственными руками покопаться на принципиально новом «наноуровне» — уровне «перехода», где нужно учитывать обе механики. Этот факт подчеркивается и этимологией терминов: как только размер образца в одном измерении попадает в нанодиапазон, получившуюся структуру называют квантовой ямой, если в двух — квантовой проволокой, а если во всех трех, то квантовой точкой.

Тут уже все совсем интересно, не всегда предсказуемо, и очень перспективно! Выход за рамки классической механики, и проявление квантовомеханических свойств — вот что является определяющим в новых «нанотехнологиях», а вовсе не диапазон размеров, в котором осуществляются исследования и работы. И эти изменения могут быть настолько масштабны, что осмыслить всю их важность способна, наверное, только философия.

Печальная ситуация с общественным пониманием уникальной важности науки о малоразмерных объектах связана прежде всего с тем, что научный мир в своем закономерном снобизме нечасто снисходит до уровня науч-попа. Подавляющее число научных статей читают меньше десяти читателей. Многие статьи вообще никто не читает. А разворачивающиеся в литературе перспективы или настолько прекрасны, что в них трудно поверить, как например у Винжа, где автоматика смягчает пол прежде, чем падающий его коснется, или настолько ужасны, как лемовская «электронная пыль» или ставшая мемом всепоглощающая Серая слизь, что о них просто не хочется думать.

На самом деле сегодня теоретизируя и практикуя в нанодиапазоне, человечество не просто «усовершенствует велосипед», и нанотехнологии не просто миниатюризация, кошмар любителей разбирать матрешки. Это совершенно новый мир, лежащий между макро- и микромирами — мир уникальных свойств материи, по прихоти природы непосредственно связанных с диапазоном размеров от одного до ста нанометров. На языке десятичной системы СИ между атомом водорода (с диаметром меньше миллиардной доли метра) и элементами интегральных схем и всякой биологической мелочью типа кишечных палочек (в диапазоне немногим меньше миллионной доли), в пресловутом нанодиапазоне живут белковые молекулы, вирусы, и нанотрубки, с которыми теперь можно непосредственно иметь дело.

Долгое время считалось, что квантовый мир как никакой другой передает смысл платоновской метафоры о тенях на стенах пещеры. Теперь люди рассматривают «фотографии» атомарных структур, заставляют вращаться молекулярные роторы, синтезируют наноматериалы и проектируют квантовые компьютеры. Нравится это кому-то или не нравится, но это квантовые нанотехнологии, которые, в отличие от драконов, существуют. И это в них самое удивительное.