Многоликое нано. Надежды и заблуждения

С. Б. Тараненко

М Н О Г О Л И К О Е
НАНО
НАДЕЖДЫ
И ЗАБЛУЖДЕНИЯ

2-е издание, электронное 

Москва
Лаборатория знаний
2020

УДК 621.3
ББК 20
Т19

Тараненко С. Б.
Т19
Многоликое
нано.
Надежды
и
заблуждения
/
С. Б. Тараненко. — 2-е
изд.,
электрон. — М.
:
Лаборатория знаний, 2020. — 232 с. — Систем. требования:
Adobe Reader XI ; экран 10". — Загл. с титул. экрана. —
Текст : электронный.
ISBN 978-5-00101-721-9
В книге в популярной форме рассказывается о междисциплинарном комплексе технологий, объединенных термином
«нано». Одинаково просто рассказано как о «несложных»
нанотехнологиях, связанных с вполне понятными на бытовом
уровне эффектами, так и о технологиях квантовых, а равно
технологиях, построенных на понимании и использовании
механизма
жизни.
Легко
и
доступно
рассказано
о
множестве
возможных
практических
применений
различных
наноэффектов,
т. е.
тех
технологий,
которые
нашли
или
в ближайшем (а может, и отдаленном) будущем найдут свое
применение в различных секторах экономики и человеческой
деятельности. Среди таких секторов — энергетика, космонавтика, медицина и множество других.
Для широкого круга читателей.
УДК 621.3
ББК 20

Деривативное издание на основе печатного аналога: Многоликое нано. Надежды и заблуждения / С. Б. Тараненко. —
М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. — 229 с. : ил. —
ISBN 978-5-9963-0931-3.

В
соответствии
со
ст. 1299
и
1301
ГК
РФ
при
устранении
ограничений, установленных техническими средствами защиты
авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя
возмещения убытков или выплаты компенсации

ISBN 978-5-00101-721-9
c○ Лаборатория знаний, 2015

2

Оглавление

Введение ................................................................................................5
Глава 1. Мир большого и маленького: пропущенная 
область .................................................................................................7

1.1. Такие разные миры: мир Ньютона и Кельвина и мир

Бозе и Дирака — где же мы живем? ..............................7

1.2. Атомарная гипотеза: атомы, молекулы… — кто

следующий?................................................................... 18

1.3. Невыученный урок: наноразмер и мезофизика.......... 23

Глава 2. Размер или структура? 
Что имеет значение ..................................................................28

2.1. В один слой. Надуваем пузыри.................................... 28
2.2. Большая шкура маленького слона............................... 36
2.3. Тонкий и длинный. Места хватит всем....................... 40
2.4. Эти странные кристаллы.............................................. 45
2.5. Точка, точка, запятая… — рисуем на твердом............. 52
2.6. Нанокулинария: слойка за слойкой............................. 56

Глава 3. Граница «внутри» и снаружи. 
Новые материалы.........................................................................62

3.1. Нанотехнологии россыпью и вплавь: наночастицы... 62
3.2. Добавляем и размешиваем........................................... 67
3.3. Как размешать сталь..................................................... 73
3.4. Осторожно, покрываем… ............................................. 78
3.5. Сборка на месте: эпи — не значит «падучая» ............. 83
3.6. Трогая руками: такие разные поверхности ................. 88

Глава 4. Этюд в четыре руки, одна из которых 
за спиной. Мир углерода и не только —  
новая химия......................................................................................93

4.1. Трубочки для нанококтейля…...................................... 93
4.2. Округляем до… (фуллерены).......................................101
4.3. Дендримеры — от катализатора до носа ................... 108
4.4. Игра в топологию: плоское не значит простое..........113

Глава 5. Собираем руками и головой. 
Инструменты нанотехнологий.........................................122

5.1. Слон в посудной лавке ................................................122
5.2. Увидеть или потрогать — что проще?

Туннель в стене ............................................................125

5.3. Как подковать блоху? ..................................................129

Оглавление

5.4. И снова пучки…...........................................................133
5.5. Удерживая светом — лазерный пинцет ......................136

Глава 6. Неожиданный гость. 
Квантовый мир у нас дома.................................................139

6.1. Квантовая топография: ямы и точка!.........................139
6.2. Мезо… — полуоткрытая дверь… ................................ 143
6.3. Путешествие по спиновым волнам:

вспомнить все ............................................................. 149

6.4. Это странное трио: квантовый бит............................ 154
6.5. Поиграем в машинки?.................................................158

Глава 7. Собери себя сам. 
Заманчивые перспективы нано...........................................162

7.1. Подглядывая за собой ................................................ 162
7.2. Выращивание молотка —

руководство для начинающих.................................... 166

7.3. Белок как машина........................................................170
7.4. Секвенирование — наука или искусство?..................173
7.5. Искусственный ген......................................................176

Глава 8. Живое или не живое? 
Вопрос без ответа...................................................................180

8.1. Урожай инсулина .........................................................180
8.2. Векторы и клетки — не в тетрадках!.......................... 184
8.3. Умные лекарства..........................................................188

Глава 9. Мегазадачи маленького нано. 
Этот быстроменяющийся мир.........................................192

9.1. «Физики» или «лирики»? Никаких «или»! ................ 192
9.2. Странный вопрос: а оно нам НАНО?.. ..................... 195
9.3. Старая и новая энергетика: от света и ночью........... 198
9.4. Персональная медицина.

Показано: лечить до болезни ..................................... 204

9.5. Новый технологический уклад:

неожиданные черты будущего.................................... 207

Глава 10. Мир и мы. Место России 
в развитии нанотехнологий.................................................214

10.1. Приоритеты и узкие места: быть первыми!................214
10.2. Инфраструктура наноиндустрии — есть ли она?.......219
10.3. Планы и возможности: кто должен?.......................... 223

Заключение ....................................................................................225

Введение

В этой книге не должно было быть введения. Она — целиком введение! Введение к той книге, которая еще не написана, которая еще впереди. Чтобы ее написать, потребуется
труд множества людей — ученых и инженеров. Быть может,
среди них будете и вы. А это просто рассказ, что уже появились и что, безусловно, есть такие странные вещи, как
нанотехнологии и нанонаука, которые все чаще называют
коротко — «нано».

Вокруг нано очень много спекуляций: от чудо-носков с на
носеребром и нанобетона (последнее — просто глупость) до
разговоров о квантовой телепортации. Один из умных людей
окрестил это нанопургой. И в этой «пурге» действительно трудно разглядеть ростки зарождающегося нового — то, чем со
временем могут стать нанотехнологии. А есть мнение, что они
способны кардинально поменять привычный нам мир, так, как
это было однажды во времена Великой промышленной революции.

И эти возможные изменения отнюдь не пустяковые. Если

вы ранее писали гусиным пером, а теперь гелевой ручкой, считайте, что ничего не изменилось. Речь идет об изменении самого уклада жизни. Вот пример.

Появление и, главное, повсеместное распространение тех
нологии 3D-печати как способа расстановки нужных атомов в
нужном месте могут иметь катастрофические для нашего образа жизни последствия. Города (как место работы) больше не
нужны. Все, что производится, можно произвести на месте из
буквально валяющегося под ногами песка (ведь песок — это
диоксид кремния, а кремний, наряду с углеродом, — возможное сырье для наноматериалов с самыми различными свойствами). Значит, не только на работу не надо ехать, но и сырье

Введение

подвозить не надо. А потому не нужны ни транспорт, ни дороги. Кроме, конечно, специфических, — уже вполне привычные
нам сети электропередачи все же нужны. Вот и приходим мы к
миру, совсем не похожему на наш — к миру бездорожной экономики, к миру без городов. Этакая пасторальная идиллия на
новый лад.

Нарисованная здесь картина — одна из тех, которые рису
ют нам футурологи, — люди, профессионально занимающиеся
предвидением базовых черт будущего. Быть может — и скорее
всего — в этом конкретном примере они не правы. Но все же
стоит задуматься над тем, к чему приведут нас возможные технологические изменения. Если, конечно, приведут…

Но для этого надо сначала разобраться, что нано, а что нет,

что действительно возможно, а что — плод фантазии нашего
некритического отношения и «хотелки».

Вот собственно и все «введение». Осталось только сделать

одно маленькое замечание.

До этой книги была написана (и уже вышла) другая, тоже

посвященная нанотехнологиям. Автор со своими коллегами
посвятили ее угрозам и рискам, связанным с появлением и развитием нано. Предполагалось, что она будет второй, завершающей из двух книг. Но вышло иначе. Поэтому пришлось многое
из того, что уместнее было бы поместить здесь, в этой книге,
рассказать там, — без этого многое было бы не понятно. Название этой книги «Наполовину мертвый кот, или Чем нам грозят нанотехнологии». Автор старался избегать повторов. И их
почти нет. Поэтому считайте, что эти две книги — двухтомник,
у которого любой том первый, — на ваш выбор.

Глава 1
Мир большого 
и маленького: 

пропущенная область1

1.1. Такие разные миры: мир Ньютона 

и Кельвина и мир Бозе 
и Дирака — где же мы живем?

«Классический» — значит «образцовый».

Устойчивое выражение

— Ой, все чудесится и чудесится! — закричала
Алиса. (Она была в таком изумлении, что ей уже
не хватало обыкновенных слов, и она начала придумывать свои.)

Льюис Кэрролл.  «Алиса в стране чудес»
  (перевод Б. Заходера)

Наши представления о мире и сегодня во многом основываются на достижениях классической физики — той физики,
которая создавалась на протяжении более трех веков величайшими умами человечества. Эти достижения бесспорны. Наш
мир машин и механизмов — прямое развитие представлений,
которые мы связываем с именами Ньютона и Лейбница, Карно и Кельвина и многих других великих естествоиспытателей
прошлых веков. То, что мы называем инженерным знанием,
во многом и сегодня описывается такими понятиями, как аналитическая (или теоретическая) механика, известная студентам как «теормех», или термодинамика, описывающая работу

1 
Эту главу, если она вам вначале покажется «нравоучительной» и «лишней»,
можно пропустить. Но ее все равно стоит прочитать — в конце.

Глава 1. Мир большого и маленького: пропущенная область

тепловых машин, окружающих нас повсеместно: среди таковых
и турбогенераторы электроэнергии, и авиационные и автомобильные двигатели.

Каковы же эти классические представления?
Ньютон считал, что наш мир — созданная и заведенная

Богом машина, точнее, механизм на манер механических часов — с «шестеренками», балансиром или маятником и пружиной. Только пружина эта — вечная! А «шестеренки» не из
металла — вместо них законы механики, которые не менее
«жесткие»: они удерживают не хуже шестеренок. Конечно,
это сильное упрощение взглядов великого естествоиспытателя и математика, но суть верна. Такие взгляды разделял не он
один. Среди единомышленников и великий Гук — тот, чьим
именем назван закон о сжимающейся пружине, а также многие другие, кто рискнул бы в те далекие от нас времена назвать себя естествоиспытателем.

Конечно, в этом мире Ньютона много «деталей», но для

каждой из них — согласно механике, сформулированной Гуком и Ньютоном,1 — достаточно задать начальное положение
и начальную скорость, чтобы знать их положение (и скорость) в любой момент времени как угодно точно и как угодно долго.

Конечно, «детали» мира Ньютона взаимодействуют. Есть

сила тяготения, приоритет открытия которого оспаривал у Гука
Ньютон, есть упругость тел, подчиняющаяся закону Гука,
и есть — досадное, и не удобное для всей схемы — трение.
Но, в общем, если забыть о трении, это, как мы говорили, не
более чем «шестеренки» нашего механизма.

Эта картина мира наложила отпечаток и на наше современ
ное сознание. Достаточно заметить, что в нашем языке часто
употребляются такие слова, как «механический», «механически», применяемые отнюдь не только к механизмам и означающие, что все происходит строго в соответствии с правилами,
т. е. механически, с предопределенным начальными условиями
результатом.

1 
Последовательность имен не случайна. Многое из того, что мы привычно
приписываем Ньютону как первооткрывателю, впервые было сформулировано, пусть и туманно и малопонятно, Гуком. Ведь приписываем же мы
создание специальной теории относительности Эйнштейну, а не Минковскому, который ее внятно сформулировал (в отличие от Эйнштейна)!

1.1. Такие разные миры

Но главным в этой картине мира, которую наши современ
ники называют детерминистической, выступает не сам детерминизм1. В этом мире нет естественного масштаба: мир и
его законы одинаковы как для планетных систем, подобных
нашей Солнечной системе, так и для движущихся вокруг ядер
атомов электронов. Конечно, не надо забывать, что ни Ньютон, ни Гук ничего об электронах не знали. Но если бы и знали,
они бы не сомневались в ответе — все части мира подчиняются
одним и тем же законам! Вне зависимости от размера! Да и как
же иначе: ведь мир — Божье творение и, следовательно, совершенен!

Можно образно представить дело так: неважно, какого раз
мера шестеренки в часах, — и башенные куранты, и миниатюрные часики устроены одинаково и действуют по одним и тем
же законам.

Конечно, это не вся картина мира, «нарисованная» Нью
тоном и его современниками. Так, лишь одному Ньютону
(а были и другие) принадлежат значимые достижения в области теории света, в области гидродинамики, в области теплопередачи. Во всех этих областях дело обстояло иначе, чем в
столь прекрасной и понятной Ньютону механике. Однако это
не отменяло того, что мир одинаков во всех своих масштабах, — движение комет, Луны, планет и их спутников, тщательно измеренное и занесенное в таблицы, подчинялось тем
же законам, что и падение легендарного яблока, ударившего
гения по голове.

Вместе с тем, казалось бы, вопрос о масштабе был уже

вполне уместен. Так, по представлениям Ньютона, свет —
это совокупность корпускул2 разного рода (от «красных» до

1 
Д е т е р м и н и з м о м
называют учение о том, что все происходящие

в мире события, включая ход человеческой жизни, определены явлениями природы. Пьер-Симон Лаплас был приверженцем абсолютного детерминизма. Он постулировал, что если бы какое-нибудь разумное существо
смогло узнать положения и скорости всех частиц в мире в некий момент,
оно могло бы совершенно точно предсказать все события Вселенной.
Такое гипотетическое существо впоследствии было названо демоном 
Лапласа.
2 
К о р п у с к у л а – термин для обозначения мельчайшей частицы материи.
В нашем мире корпускулами выступают атомы, их ядра, субатомные частицы (такие, как электрон) и отдельные молекулы.

Глава 1. Мир большого и маленького: пропущенная область

«фиолетовых»1). И оптические явления вполне могли быть связаны с соответствующими размерами. Однако и это не так.

Базовой абстракцией механики Ньютона являлась, да и яв
ляется, так называемая материальная точка — объект, не имеющий размера. Даже планеты в своем движении по орбитам
вполне можно представить в виде материальных точек, вся масса которых сосредоточена в центре тяжести. Есть даже соответствующая теорема механики (совершенно не сложная2), доказывающая такую возможность. Вот и корпускулы света можно
было рассматривать как материальные точки, т. е. корпускулы,
не имеющие характерного размера.

Вторым принципиальным направлением развития класси
ческой физики стала термодинамика. Под термодинамикой мы
часто понимаем две связанные, но вообще-то разные науки.
Во-первых, это собственно термодинамика — наука о теплоте
(а точнее о так называемых термодинамических потенциалах,
в которых химики — исключительные доки), а во-вторых, молекулярная физика, объясняющая нам некоторые (но не все!)
механизмы этой странной термодинамики.

Реальные вещи нашего мира — если отвлечься от их ме
ханического движения по траекториям, — все же не сводятся
к материальным точкам. Они, в частности, могут нагреваться
и при нагревании расширяться, а остывая — сжиматься, тем
самым совершая полезную нам работу. Или наоборот. Мы совершаем работу, а тело нагревается. Но что удивительно, тепло от одного тела к другому можно передать и не совершая
никакой работы, как будто тепло — это некая субстанция!3

1 
По Ньютону, разные корпускулы имеют разный коэффициент преломления, что и объясняет разложение белого света оптической призмой или
каплей тумана на уже неделимые цветные составляющие и появление детского стишка: «Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан». Правда,
очень похоже, что Ньютон все же «придумал», что цветов в радуге именно
семь — как нот в музыке! Да и цвета у Ньютона были несколько другие:
отсутствовал голубой, зато между синим и фиолетовым был цвет индиго.

2 
Теорема о движении центра масс.

3 
Такой — на самом деле не существующей — субстанцией явился теплород,
придуманный основателем современной химии Антуаном Лораном Лавуазье. Только один из современников Лавуазье не согласился с его гипотезой — М. В. Ломоносов. Великий Ломоносов считал, что природа теплоты
состоит во взаимном движении корпускул тела — тех корпускул, которые
теперь мы называем молекулами.

1.1. Такие разные миры

Термодинамика учит нас, что это не так, что тепло и работа
(а точнее — механическая энергия) — дополняющие друг друга понятия.

Мы об этом, может быть, и не вспоминаем каждый раз, ког
да куда-нибудь едем, но наши двигатели внутреннего сгорания
основаны как раз на этих принципах.

Однако термодинамика вообще не интересуется тем, как

что-то устроено. Вот есть закон сохранения энергии — его нарушить нельзя. Пожалуйте из этого следствия! Кроме этого,
есть так называемые термодинамические потенциалы, убыль
которых при определенных условиях (для каждого потенциала — свои) равна полезной внешней работе — той самой работе, которая заставляет крутиться турбину электрогенератора,
двигает автомобиль или самолет либо делает еще что-то полезное и необходимое нам.

В этой теории нет никаких представлений о том, что что
то может зависеть от масштаба, от размера какой-то особенной
«детальки». И маленькая соринка, и наше Солнце описываются с помощью термодинамических потенциалов совершенно
одинаковым образом.

Молекулярная физика, объясняющая механизмы тепло
вых и аналогичных им процессов в теле за счет анализа движения молекул, как следует из ее названия, должна зависеть
от масштаба. Ведь молекулы уж точно имеют конечный размер. Однако, если такая зависимость и есть (а она есть!)1, то
связана она совсем не всегда с размерами молекул. И дело
вот в чем.

Молекулярная физика, как и термодинамика, имеет дело

с поведением огромного числа частиц — молекул или атомов.
Эта огромность нами плохо представима. Характерное число молекул — это число молекул в одном моле2 вещества или

1 
Например, конечным размером молекул объясняется поведение неидеального газа, одной из особенностей которого является его конденсация, при
определенных условиях, в жидкость.

2 
Для ориентира: для углерода моль — это 12 г, для кислорода – нет, не 16 г,
как могли подумать те, кто знает или помнит таблицу Менделеева, а вдвое
больше: ведь молекула кислорода — это два атома кислорода. И занимает
все это совсем немного места: при нормальных условиях (привычные нам
температура и давление) всего 14 см3, т. е. кубик со стороной чуть более
2,4 см. Едва поместится Дюймовочка.

Глава 1. Мир большого и маленького: пропущенная область

число Авогадро. Это число поистине гигантское: чуть1 больше
чем 6×1023 молекул. Если вам вздумается пересчитать молекулы
одного моля, и на каждую вы потратите треть секунды, то за
год непрерывного счета вы досчитаете менее чем до 100 млн,
или 1×108. За тысячелетие вы досчитаете до 1×1011, за миллиард лет — до 1×1017. По современным представлениям, время
существования Вселенной — с момента ее зарождения в результате Большого взрыва по сегодняшний день — составляет 13,8 млрд лет. За это время мы успеем досчитать только до
1,38×1018. Таким образом, нам надо проделать то же самое еще
как минимум 100 000 раз, чтобы досчитать до конца! Нам не
хватит времени существования мира, чтобы закончить нашу
«арифметику», даже если мы будем считать молекулы лишь одной-единственной песчинки!

Как ни удивительно, именно огромность числа молекул дает

нам в руки инструмент анализа. Мы не знаем, как поведет себя
отдельная молекула. Но их так много, что это и не важно, —
можно говорить об их поведении в среднем. И чем больше их
число, тем точнее будет наше «среднее». Нам теперь совсем не
нужны законы Ньютона как способ рассчитать движение каждой из молекул, тем более с учетом их взаимодействия.

Средние характеристики такого движения мы воспринима
ем как теплоту или температуру2, давление, плотность и другие
макропараметры. Конечно, эти макропараметры не должны
быть одинаковыми для всего тела. Так, температура может меняться от точки к точке. Ее различие, или по-научному градиент3, — также измеряемая величина. Кроме того, измеряемыми
величинами являются теплопроводность и теплоемкость материала. И все они могут отличаться от точки к точке. Но!.. Здесь
огромное и очень важное «но»! Все эти макропараметры определяются не для точки, как это было в случае с «материальной
точкой» механики, а для очень маленького кусочка тела, для
которого этот конкретный параметр можно считать одинако
1 
Это «чуть» тоже огромное, просто оно лишь малая доля еще большего числа. Вот наиболее точное, известное на сегодня, значение числа Авогадро:
6,02214078(±18)×1023 моль–1.
2 
В полном соответствии с тем, что предсказал Ломоносов.

3 
Гр а д и е н т — вектор, своим направлением указывающий направление
наискорейшего возрастания некоторой величины в пространстве, и по величине (модулю) равный быстроте роста этой величины в этом направлении.