Малые объекты - большие идеи. Широкий взгляд на нанотехнологии

Москва
Лаборатория знаний
2020

Генрих Эрлих

МАЛЫЕ ОБЪЕКТЫ –
БОЛЬШИЕ ИДЕИ

Широкий взгляд на нанотехнологии

Под редакцией
профессора Л. Н. Патрикеева

4-е издание, электронное

УДК 001/022.532
ББК 72.3+20
Э79

Генрих Эрлих
Э79
Малые объекты — большие идеи. Широкий взгляд на нанотехнологии / Генрих Эрлих. — 4-е изд., электрон. — М. : Лаборатория
знаний, 2020. — 257 с. — Систем. требования: Adobe Reader XI ;
экран 10". — Загл. с титул. экрана. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-00101-705-9
Мы живем в эпоху нанотехнологий. Мы уже больше десяти лет
прожили в эпохе нанотехнологий. Не знаете? Не верите? Сомневаетесь?
Цель этой книги — дать знание, вселить веру, развеять сомнения. Взглянем
на нанотехнологии непредвзято и увидим, что они есть не что иное, как
новая синтетическая наукоемкая дисциплина, в рамках которой произошло долгожданное объединение физических, химических и биологических
знаний. Вглядимся в окружающий мир, в нас самих — и увидим множество нанообъектов, составляющих материальную основу бытия. Посетим
промышленные предприятия и обнаружим разнообразные нанотехнологии.
И наконец, заглянем в будущее и представим, как нанотехнологии изменят
нашу жизнь.
Эта научно-популярная и междисциплинарная книга адресована широкому кругу читателей, интересующихся проблемами современной науки
и задумывающихся о будущем, в том числе школьникам старших классов,
которым предстоит строить этот будущий мир — мир эпохи нанотехнологий.
УДК 001/022.532
ББК 72.3+20

Деривативное издание на основе печатного аналога: Малые объекты —
большие идеи. Широкий взгляд на нанотехнологии /
Генрих Эрлих. —
М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. — 254 с. : ил.
ISBN 978-5-9963-0522-3

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 978-5-00101-705-9
c○ Лаборатория знаний, 2015

2

Оглавление 

Предисловие ................................................................................5

Введение. Эпоха нанотехнологий.....................................................7

Глава 1. Нано + технологии .................................................................12

Глава 2. Мифы нанотехнологий ........................................................ 20

Миф об отце-основателе ......................................................................23
Миф о безотходной технологии ...........................................................24
Миф о наномашинах ............................................................................25
Миф о нанороботах ..............................................................................29
Миф о медицинских нанороботах .......................................................30
Миф о физическом методе синтеза веществ .......................................31
Миф о «серой слизи» ........................................................................... 34

Глава 3. Ода электронному микроскопу ........................................ 36

Глава 4. Наномир .................................................................................. 49

Белки .....................................................................................................49
Нуклеиновые кислоты .........................................................................57
Клеточные мембраны...........................................................................65
Вирусы ..................................................................................................67
Полимеры .............................................................................................69
Жидкие кристаллы ...............................................................................76
Поверхностно-активные вещества ......................................................79
Сорбенты ..............................................................................................87
Катализаторы .......................................................................................92
Слоистые материалы ..........................................................................100

Глава 5. «Элементарная» химия эпохи нанотехнологий .......... 106

Золото .................................................................................................109
Углерод ................................................................................................ 114
Кремний .............................................................................................123
Арсенид галлия ................................................................................... 131
Селенид кадмия ..................................................................................135

Оглавление

Глава 6. Методы нанотехнологий ...................................................140

Общие принципы ...............................................................................140
Методы сборки ................................................................................... 141

Молекулярно-лучевая эпитаксия .................................................142
Химическое осаждение из газовой фазы ......................................145
Метод молекулярного наслаивания ..............................................147
Каталитические методы ................................................................149
Золь-гель технология .....................................................................152
Самоорганизация наночастиц ......................................................155
Детонационный метод ..................................................................158

Методы разборки ...............................................................................160

Механическое измельчение и механохимический синтез ...........160
Электрический взрыв ....................................................................163
Анодное растворение и окисление ...............................................164

Комбинированные методы ................................................................ 171

Темплатный синтез ........................................................................ 171
Литография .................................................................................... 173
Технология удаления жертвенного слоя ....................................... 177

Методы молекулярной биологии .......................................................180

Разборка и сборка ДНК ................................................................180
Полимеразная цепная реакция (ПЦР) .........................................184
Методы генной инженерии ...........................................................188
Биочипы .........................................................................................193

Глава 7. Образ будущего мира ....................................................... 201

Энергетика ..........................................................................................203

Солнечные батареи .......................................................................203
Автономные источники тока ........................................................210

Медицина ........................................................................................... 217

Направленный транспорт лекарств .............................................. 217
Генная терапия ..............................................................................219
«Ремонт» человека .........................................................................221

Электроника .......................................................................................225
Хлеб насущный ...................................................................................232
Химическая промышленность ...........................................................237
Фантастические проекты ...................................................................242

Космический лифт ........................................................................242
Плащ-невидимка ...........................................................................244
Искусственная жизнь ....................................................................246
Квантовые компьютеры ................................................................250

Заключение  ....................................................................................... 253

К
нига Генриха Эрлиха «Малые объекты — большие идеи», подобно 
знаменитой русской поговорке «Мал золотник, да дорог», охватывает мир нанотехнологий по-своему, оригинально и непредвзято.
Начиная с 2000 года, многие физики, химики, биологи, математики и менеджеры посвятили проблемам нанотехнологий большое количество монографий, учебников, популярных брошюр и статей*. Анализ 
этой литературы показывает, что нанотехнологии — это не свод какихто технологических приемов, а целая системная наука. Свойства наноматериалов резко отличаются по параметрам от массивных материалов, 
а различные изделия с добавками наноструктур существенно повышают 
потребительские качества изделий. При этом характеристики товаров, 
модифицированных с помощью наноматериалов, всё в большей степени 
поддаются аналитическим методам предварительного математического 
моделирования, выполняемого на суперкомпьютерах. 
С появлением малогабаритных, сравнительно дешевых и по сути персональных вычислительных машин многие апробированные на суперкомпьютерах программы станут доступными подавляющему большинству исследователей и проектировщиков, работающих в сфере «нано». 
Мы окажемся в мире, в новом мире, впечатляющих экологически чистых 
и безопасных нанотехнологий. Это утверждение касается всех сфер нашего бытия: медицинского обслуживания, продуктов питания, водообеспечения, энергетики, обустройства жилищ и т. д.
Для кого написана и кому адресована предлагаемая автором книга? 
Осмелюсь заявить, что она исключительно многоадресна! Она будет интересна и полезна прежде всего школьникам старших классов, учителям, 
молодым инженерам и специалистам, стремящимся повысить свою квалификацию, студентам и аспирантам (независимо от их специальности) 
и, наконец, ученым. Материал этой книги, безусловно, поможет школьным учителям привить устойчивый интерес к нанонауке со стороны молодежи. При этом хотелось бы надеяться, что студенты и другие читатели 
мотивируют себя к освоению наномира самостоятельно.
Автор настоящего издания абсолютно прав, когда сетует о недостаточной популяризации нанотехнологий среди населения нашей страны. 
Социологические опросы показывают, что только 3% молодых людей 
понимают, о чем идет речь, когда говорят и пишут о нанотехнологиях. 
За последние годы мне десятки раз приходилось выступать перед школьниками, студентами и преподавателями многих вузов в Москве, Тамбове, Санкт-Петербурге, Курске, Дубне, Петрозаводске и других городах 

*  Некоторые из книг, к появлению которых мне посчастливилось быть причастным, 
выпущены издательством «БИНОМ. Лаборатория знаний» в серии «Нанотехнологии» 
(http://www.lbz.ru/nano/).

Предисловие 

Предисловие

нашей страны. На таких встречах всегда получаешь истинное удовлетворение от многочисленных вопросов и энтузиазма слушателей, который, 
к сожалению, не имеет подкрепления и дальнейшего развития, в частности из-за отсутствия добротной литературы.
Книга Генриха Эрлиха дополняет и обогащает серии популярных изданий и, естественно, будет способствовать более глубокому пониманию 
проблем в области «нано». Надеюсь, что автор продолжит свою пропагандистскую активность и в средствах массовой информации — на страницах 
центральных и региональных газет и студиях телевидения.
Чем же особенно интересна предлагаемая читателям книга? Во-первых, 
четким авторским определением понятия «нанотехнологии». Во-вторых, 
историей развития нанонауки и мифах о ее безграничных возможностях. 
Хорошо и красиво сочинены Оды электронному микроскопу и другим инструментам нанотехнологий, появление которых, собственно говоря, и привело к появлению нанонауки. Любой читатель найдет для себя тот раздел, 
который ему ближе всего. При этом книга сгруппирована так, что читать ее 
можно с любого места, независимо от предшествующего раздела.
Особо остановлюсь на главе 7 «Образ будущего мира». В течение нескольких лет мне пришлось вплотную заниматься исследованиями в области солнечной энергетики. Опыт показывает, что создание солнечных батарей, преобразующих фотонную энергию Солнца в электрическую энергию, 
а также и устройств, основанных на обратном превращении, — светодиодов и различных дисплеев, по сути, являются типичными задачами нанотехнологий. Кремниевые, поликремниевые и гибкие (легкие и дешевые) 
органические полупроводники, элементы незаменимых батарей, — это наноразмерные структуры с жесткими требованиями к соблюдению режима 
их производства. Солнечные электростанции на огромных платформах, 
поднятые на геоцентрические орбиты, где потоки световой энергии Солнца 
в десятки и сотни раз выше характерных для поверхности Земли, могут на 
сотни и тысячи лет обеспечить потребности людей. Однако проблема заключается не только в повышении КПД солнечных батарей, о чем справедливо 
размышляет автор настоящей книги, но и в способах передачи заоблачной 
энергии на Землю. Последняя задача может быть решена с использованием активных фазированных антенных решеток СВЧ-диапазона, лазерных 
систем или сверхпроводящих кабелей. А тросы для удержания аэростатов 
могут быть сделаны опять же на основе нановолокон из углеродных нанотрубок.
Остается пожелать читателям увлекательного проникновения в 
добротную и хорошо написанную книгу о сегодняшнем и завтрашнем 
НАНОМИРЕ.

Председатель редакционного совета по нанотехнологиям
 издательства «Бином. Лаборатория знаний» 
профессор Лев Николаевич Патрикеев 

М
 ы живем в эпоху нанотехнологий. Мы уже больше десяти лет прожили в эпохе нанотехнологий. Не знаете? Не верите? Сомневаетесь? Что ж, для этого у вас, дорогие читатели, есть, несомненно, веские 
основания. Соответственно, не меньшие основания есть у меня для написания этой книги, цель которой — дать знание, вселить веру, развеять 
сомнения, в меру моих слабых сил, конечно. 
Людям вообще свойственно заблуждаться в том, в какой эпохе они 
живут. Две тысячи лет назад жители Римской империи были уверены, 
что живут в эпоху божественного императора Тиберия, тогда как мир уже 
вступил в христианскую эру. В конце 80-х годов прошлого века мы все 
верили, что живем в эпоху завоевания космоса, не подозревая, что ей 
на смену стремительно идет приземленная эра Интернета и мобильной 
связи. Эти заблуждения имели объективные причины: в середине первого века христианской эры Лука, Марк, Матфей и Иоанн еще не создали 
свои популярные жизнеописания, а принципы, легшие в основу создания Всемирной паутины, были сформулированы английским компьютерщиком Тимом Берненсом-Ли лишь в 1989 году. 
С нанотехнологиями ситуация была принципиально иной. О наступлении эпохи нанотехнологий было объявлено громогласно – в 2000 году 
президент США подписал документ под названием «Национальная нанотехнологическая инициатива» (ННИ), в соответствии с которым нанотехнологии приобрели статус приоритетного направления научнотехнологического развития США с соответствующим этому статусу 
многомиллиардным финансированием. Эта инициатива была незамедлительно воспринята и подхвачена другими странами. Например, в Китае уже в июле 2001 года был создан Шанхайский нанотехнологический 
исследовательский центр (Shanghai Nanotech Promotion Center) с бюджетом в 217 миллионов долларов. Отметим также, что Научный совет по 
наноматериалам при Президиуме Российской академии наук был создан 
в 2002 году, а в 2007 году была принята «Стратегия развития наноиндустрии», инициированная президентом РФ. В том же году была учреждена 

Введение 
Эпоха нанотехнологий

Какое, милые, у нас 
Тысячелетье на дворе?

 
Борис Леонидович Пастернак

Введение

Государственная корпорация «Российская корпорация нанотехнологий» 
(Роснанотех, или, как ее часто называют, РОСНАНО) с беспрецедентным 
для современной российской истории финансированием, сопоставимым 
с объемом вложений во всю остальную отечественную науку. 
В дополнение к этому, обществу были явлены истинные чудеса: манипулирование отдельными атомами, сборка из них удивительных конструкций, фотографии поразительных по красоте объектов наномира, 
полученных учеными. Это воспринималось как торжество человеческого 
разума, как прорыв в мир будущего. Новостные ленты по сей день заполнены сообщениями об открытии учеными новых необычных свойств нанообъектов, гигантских эффектах, создании устройств с недостижимыми доселе характеристиками, о которых еще недавно упоминали лишь в 
фантастических романах. 
В отличие от многих других научно-технических программ, цели нанотехнологий были сформулированы предельно четко, понятно и близко 
сердцу каждого человека. Вот, например, что пишут об этом руководители американского проекта ННИ в книге «Нанотехнологии: социальные 
последствия», изданной в 2007 г.: 

Нанотехнологии в сочетании с традиционными технологиями уже в 
обозримом будущем позволят:

избавиться от техногенных загрязнений окружающей среды благодаря внедрению «чистых» технологий;
начать ликвидацию негативных экологических последствий предшествующей деятельности человечества;
ликвидировать голод;
 дать возможность слепым видеть, а глухим слышать;
 искоренить болезни и обеспечить защиту от болезнетворных бактерий и вирусов;
увеличить продолжительность и качество жизни благодаря ремонту, 
 а в конечном итоге и замене слабеющих органов. 

Перечень далеко не исчерпывающий даже применительно к положительным социальным последствиям всемерного внедрения нанотехнологий, но и в таком виде он вполне соответствует «благой вести». 
И тем не менее по прошествии десятилетия отношение общества к 
нанотехнологиям можно охарактеризовать как скептическое, недоуменное, раздражительное, ироничное, безразличное. Энтузиазма нет и в помине, и все громче звучат голоса противников нанотехнологий, делающих акцент на негативных последствиях их внедрения. 
Все эти эмоции — элементарное следствие непонимания, что такое 
нанотехнологии. Несмотря на обилие и даже переизбыток информации, 
на публичных лекциях, встречах с учителями, школьниками, студентами 

и просто интересующимися встает один и тот же вопрос: «Что же такое 
нанотехнологии?». Самое обидное, когда этот вопрос задают после 
лекции на вышезаявленную тему. Все это очень напоминает ситуацию 
с фразой «Глокая куздра штеко будланула бокра и кудрячит бокрёнка», 
сконструированной выдающимся отечественным языковедом Львом 
Владимировичем Щербой. Буквы знакомые, и складываются они привычным образом в слова, а те — в грамматически правильное предложение, но смысл ускользает. 
Проблема, на мой взгляд, заключается в неправильно расставленных 
акцентах и в узкой, если не сказать тенденциозной, подаче материала. 
Наберите слово «нанотехнологии» в Google или Яндексе, просмотрите новостную ленту раздела «В мире науки», пролистайте десятки специализированных и научно-популярных изданий, стоящих на полках 
книжных магазинов, и у вас сложится четкое представление, что нанотехнологии — это в первую очередь манипулирование атомами посредством зондового микроскопа, искусственное конструирование объектов 
с регулярной наноструктурой, создание конструкционных материалов и 
электронных устройств с принципиально новыми свойствами. Материалы и электроника, несомненно, очень важны, но как они могут помочь 
ликвидировать голод, искоренить болезни и обеспечить защиту от болезнетворных бактерий и вирусов? Непонятно. 
И даже в области новых материалов и электроники никаких прорывов не наблюдается. Где квантовые компьютеры, где нанороботы, где 
хоть одно работающее устройство, созданное посредством сборки из 
атомов? Попытки объяснить собеседнику, что компьютер, на котором 
он работает, есть реальный продукт нанотехнологий, а также то, что если 
разобрать компьютер на части, то в нем найдется не меньше десятка различных устройств, содержащих элементы наноразмеров, включая самое 
главное — процессор, ни к чему не приводят. «Это — старое, известное, — упорно повторяет собеседник, — а нанотехнологии — это новое, 
принципиально новое». 
Последнее замечание весьма характерно, и в нем коренится одна из 
причин возникающих недоразумений. Нанотехнологии преподносятся 
как артефакт последнего поколения, как высшее и уникальное достижение науки и техники, как венец всего предшествующего развития, как 
технологическая революция. 

Царит убеждение, что все созданное до эпохи нанотехнологий не 
может иметь никакого отношения к нанотехнологиям. Нанотехнологическая революция, как любая революция, разрушает и выбрасывает на свалку истории все предшествующее. 

Эпоха нанотехнологий

Введение

Революционные идеи подразумевают скачок в развитии, тогда как 
мы в той же компьютерной технике наблюдаем лишь плавную эволюцию. Завышенные ожидания проистекают отчасти из пристрастия ученых к оснащению открываемых ими эффектов звучными приставками 
и эпитетами — супер-, сверх-, ультра-, гигантский и т. п. Читатель, не 
являющийся узким специалистом в рассматриваемой области, делает из 
этого вполне естественный вывод, что устройства, работающие на основе этих эффектов, будут обладать столь же экстраординарными характеристиками. Увеличением вдвое быстродействия или объема памяти компьютера никого сейчас не удивишь. Что уж говорить об увеличении КПД 
элементов солнечных батарей с нынешних 25 до 30%? Это выглядит как 
насмешка: 90% — это еще куда ни шло, а лучше — больше 100!
Недоумение вызывают и реализованные проекты в области нанотехнологий. Американские официальные лица вполне серьезно говорили 
о производстве непахнущих носков, содержащих наночастицы серебра, 
и о сверхпрочных теннисных ракетках на основе углеродных наноматериалов. РОСНАНО инвестирует огромные средства (от сотен миллионов 
до десяти миллиардов рублей) в строительство заводов по производству 
солнечных батарей по технологии «тонких пленок», энергосберегающих 
систем освещения на основе светодиодов, интегральных схем по технологии 90 нм, оптических волокон, полимерной упаковки для продуктов 
питания, текстильных материалов с напыленным металлом, модификатора дорожных покрытый на основе измельченных использованных 
автопокрышек и теплоизоляционного материала на основе битого несортового стекла. «При чем здесь нанотехнологии? — спрашивают многие и добавляют, — А интегральные схемы по технологии 90 нм — это 
вообще каменный век». 
Самое парадоксальное, что и в научном сообществе отношение к 
нанотехнологиям далеко не однозначное. Имеется, конечно, некоторое 
количество восторженных энтузиастов, но в целом отношение спокойное, взвешенное, осторожное и немного ироничное. Ирония заключается в том, что на словах нанотехнологиями занимаются все, для этого 
префикс «нано» вставляют где только возможно, потому что только под 
него сейчас выделяют финансирование. Реально же сфера нанотехнологий ограничена все тем же манипулированием атомами посредством 
зондового микроскопа, искусственным конструированием объектов с 
регулярной наноструктурой, созданием конструкционных материалов 
и электронных устройств с принципиально новыми свойствами. Вернее, так ее ограничили сами специалисты, работающие в этих областях. Ученые, ведущие исследования за пределами этой узкой области, 
не считаются, да и сами не считают себя «истинными» нанотехнологами, и поэтому относятся к нанотехнологиям как к очередной кампании 

или, точнее, к очередной волне. Вся история науки состоит из таких 
волн. Открытие, резкая интенсификация исследований, эйфория от 
ожиданий грядущего чуда, разочарование от несоответствия результатов ожиданиям, спад, рутина. Сколько их было! Кибернетика, высокотемпературная сверхпроводимость, расшифровка генома, сейчас — водородная энергетика.
Вот так и получилось, что по прошествии первого десятилетия эпохи нанотехнологий люди, как специалисты, так и неспециалисты, задаются вопросом: что такое нанотехнологии? Вопросом, который 
неизбежно влечет за собой следующие: каково место нанотехнологий 
в ряду других наук? каковы их реальные возможности? и что они 
принесут в будущем?

Эпоха нанотехнологий

К
ак театр начинается с вешалки, так наука начинается с определений. 
Определение позволяет очертить предмет обсуждения, выделить 
конкретное явление из непрерывной и беспредельной природы, выявить 
его характерные черты и отличия от других явлений и тем самым лучше понять его. Расчленение целого на части, объяснение сложных явлений через познание более простых — основной методологический подход, господствовавший в науке на протяжении столетий. Мы настолько 
свыклись с ним, что ученые, работающие в области нанотехнологий, не 
оставляют попыток четко определить предмет собственных изысканий, 
возвести вокруг него забор наподобие изображенного на рис. 1.1. А все 
остальные, слушающие и читающие, требуют, соответственно, от лектора и автора точного определения нанотехнологий. 

Глава 1
Нано + технологии

Настоящий мужчина
 состоит из мужа и чина.

  
Антон Павлович Чехов 

Рис. 1.1. «Квантовый кораль*», сложенный с помощью сканирующего
туннельного микроскопа из 48 атомов железа на поверхности меди
(IBM, Almaden Research Center)

*  Кораль (англ. corral) — загон для скота. Часто эту структуру ошибочно называют
квантовым кораллом, принимая corral за coral (корал).