Куда исчезли нанороботы? Почему громкие проекты в нанотехнологиях не сбылись
В начале 2000-х казалось, что нанотехнологии вот-вот изменят мир до неузнаваемости. Смелые обещания звучали не только от авторов фантастических произведений, но и от лидеров технокомпаний и государств. Говорили о крошечных роботах-врачах, которые плавают в сосудах и уничтожают рак, и о молекулярных фабриках, способных собрать из атомов всё что угодно — от еды до алмазов. Разобрались, в каком состоянии находится отрасль нанотехнологий сегодня и стоит ли ждать от неё серьёзных прорывов в ближайшем будущем.
«Нано-хайп»: анатомия несбывшейся мечты
В начале века все разработки с приставкой «нано-» привлекали огромные инвестиции — точно так же, как сегодня собирают деньги продукты с приставкой «ИИ-» (AI). Например, в США в 2000 году запустили Национальную нанотехнологическую инициативу (NNI), вложив в неё сотни миллионов долларов, а общие инвестиции в проект с 2002 по 2022 год составили около 40 миллиардов долларов. Вспомнили, какие обещания давали учёные и маркетологи, продвигавшие различные «нано»-продукты.
Нанороботы-врачи
Главной надеждой была медицина. Идея заключалась в создании микроскопических машин, которые можно запустить в кровоток человека. Эти нанороботы должны были самостоятельно находить и уничтожать раковые клетки или чинить повреждённые ткани, выступая в роли крошечных хирургов. В популярных СМИ и даже некоторых научных прогнозах их представляли как окончательное решение сложнейших медицинских проблем.
Молекулярные фабрики
Ещё одна захватывающая идея — «ассемблеры», или молекулярные фабрики. Эту концепцию популяризировал учёный К. Эрик Дрекслер в своей книге «Машины созидания». Он предположил, что можно создать наноразмерные устройства, способные по команде собирать из отдельных атомов любой объект, будь то новый смартфон или сочный стейк. Теоретически такие машины могли бы даже самовоспроизводиться.
«Серая слизь»
На фоне радужных обещаний родилось и главное опасение, связанное с развитием нанотехнологий, — сценарий конца света под названием «серая слизь». Что, если самовоспроизводящиеся нанороботы выйдут из-под контроля? Гипотетически они могли бы начать бесконтрольно поглощать всю биомассу на планете — растения, животных и людей, и превратить Землю в однородную массу наномашин. Дрекслер подсчитал, что теоретически один такой репликатор при неограниченных ресурсах мог бы превзойти массу Земли менее чем за два дня. Хотя такой исход был маловероятен, он заставил задуматься о рисках новых технологий.
Объёмная модель нано-шестерён, созданных учёными NASA
Почему нельзя сделать робота размером с молекулу
Грандиозные проекты провалились не из-за недостатка финансирования или воображения. Учёные столкнулись с фундаментальными законами природы, которые нельзя обойти.
Физика другого мира
На наноуровне привычные законы физики работают иначе. Здесь гравитация почти не имеет значения, зато огромную роль играют силы межмолекулярного взаимодействия. Все крошечные объекты стремятся «слипнуться» друг с другом. Лауреат Нобелевской премии Ричард Смолли назвал это проблемами «толстых пальцев» — манипулятору не хватает места для работы с отдельными атомами — и «липких пальцев», которая подразумевает, что атомы прилипают к самому манипулятору, а не к цели.
К этому добавляется броуновское движение — постоянная и хаотичная бомбардировка со стороны окружающих молекул. Из-за него наночастицы в жидкости, например, в крови, беспорядочно дёргаются, что делает точное и управляемое движение практически невозможным.
Энергия и управление
Как обеспечить энергией миллиарды нанороботов и управлять ими? Провода к ним не протянешь — это непрактично и может повредить ткани. Обычные батарейки слишком велики, а другие источники вроде тепла тела или ядерной энергии — либо неэффективны, либо неприемлемы по соображениям безопасности.
Управлять ими с помощью радиосигналов тоже не получится. Такой сигнал слишком груб для точечного контроля над отдельными наномашинами. А без точной навигации роботы просто «потеряются» в организме и могут нанести вред, вмешавшись в жизненно важные процессы.
Токсичность
Даже если бы учёные смогли создать и запустить наноробота, организм воспринял бы его как угрозу. Иммунная система пытается избавиться от любых чужеродных наночастиц. Многие из них могут вызывать окислительный стресс, повреждая клетки, или провоцировать воспалительную реакцию.
Кроме того, из-за своего крошечного размера наночастицы способны проникать через биологические барьеры и накапливаться в органах — печени, почках или лёгких, что может привести к долгосрочным проблемам со здоровьем. Оценить все риски крайне сложно из-за отсутствия стандартных протоколов тестирования.
Цена
Наконец, всё упирается в деньги. Производство даже самых простых наноструктур — это сложный и дорогой процесс. Оборудование для нанофабрик стоит огромных денег, а их эксплуатация обходится в миллионы долларов ежегодно. Каждая дополнительная функция — например, добавление молекул для точного нацеливания на опухоль — увеличивает сложность и стоимость производства, снижая итоговый выход продукта. В таких условиях массовый выпуск сложных нанороботов становится экономически нерентабельным.
Изображение спирального наномотора, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа
Где используются нанотехнологии
Хотя мечты о нанороботах-хирургах не сбылись, нанотехнологии не провалились. Они просто нашли применение в более прагматичных и достижимых областях, где уже сегодня приносят огромную пользу. Вот несколько примеров отраслей, где приставка «нано-» уже не кажется чем-то за гранью фантастики.
Медицина
Вместо роботов-хирургов учёные создали наночастицы для адресной доставки лекарств. Это микроскопические капсулы, например, липосомы или полимерные наночастицы, которые доставляют химиотерапевтические препараты прямо в опухоль. Такой подход позволяет минимизировать вред для здоровых тканей и снизить побочные эффекты. Также нанотехнологии используются в диагностике для обнаружения биомаркеров болезней и в создании сверхточных хирургических инструментов.
Электроника
Каждый современный смартфон — это пример использования нанотехнологий. Размеры транзисторов в процессорах третьего десятилетия XXI века измеряются в нанометрах, а передовые производители чипов вроде тайваньской TSMC или американской Intel уже разрабатывают и тестируют ангстремные техпроцессы, которые позволяют создавать чипы с линейными размерами транзисторов менее 2 нм. Именно нанотехнологии позволили так сильно уменьшить компоненты, одновременно увеличив вычислительную мощность и энергоэффективность устройств. Кроме того, наночастицы кремния и графена помогают улучшать аккумуляторы, делая их более ёмкими и быстрыми в зарядке.
Как производят микрочипы и нужно ли обращать внимание на нанометры в характеристиках
Материалы
Вместо самособирающихся машин получилось освоить производство сверхпрочных и лёгких композитных материалов. В процессе синтеза в структуру этих материалов добавляют углеродные нанотрубки — цилиндрические структуры из атомов углерода, отличающиеся высокой прочностью и электропроводностью. Такие композитные материалы легче и прочнее обычных и могут использоваться, например, в авиации для создания деталей двигателей и каркасов самолётов. Их также применяют для создания аккумуляторов нового поколения, защиты корпусов судов и даже в материалах для теннисных ракеток.
Быт
Используются нанотехнологии и в повседневных бытовых вещах:
- Солнцезащитный крем. Современные кремы содержат наночастицы диоксида титана и оксида цинка. Они эффективно блокируют УФ-излучение, но при этом прозрачны и не оставляют белых следов на коже.
- Самоочищающиеся стёкла. На такие стёкла наносят тончайшее покрытие из диоксида титана. Под действием солнечного света оно разлагает органическую грязь, которую затем смывает обычный дождь.
- Водоотталкивающие покрытия. Наночастицы создают на поверхности одежды или обуви структуру, которая отталкивает воду и грязь.
Изображение со сканирующего электронного микроскопа, показывающее структуру плёнки из наночастиц оксида титана
В итоге
История развития нанотехнологий наглядно показывает жизненный цикл любой популярной технологии: вслед за хайпом и громкими обещаниями идёт быстрый спад интереса и потеря популярности, после чего технология начинает развиваться в более спокойном темпе. После того, как пик популярности нанотехнологий прошёл, стало ясно, что многие обещания учёных и политиков были преждевременными или фундаментально невыполнимыми.
Однако это не значит, что нанотехнологии провалились. Область просто повзрослела: вместо попыток создать сложных роботов учёные сосредоточились на использовании уникальных свойств материалов на наноуровне. Этот прагматичный подход уже привёл к изменениям в медицине, электронике и материаловедении, и главные открытия, скорее всего, ещё впереди.