Наполовину мертвый кот, или чем нам грозят нанотехнологии (Бином)

15 мм

Современная цивилизация стоит на пороге больших перемен. Они очевидны и неизбежны! Последствия современного технологического развития, связанного с появлением нанонауки и нанотехнологии, затронут различные стороны нашей жизни. Изменится само ее устройство: социальное, политическое, экосистемное, гуманитарное, наша культура – изменится сама цивилизация! Какую цену придется заплатить человечеству за это? Даст ли нам развитие нанотехнологий надежду на жизнь и процветание или же приведет нас к неизбежной гибели? Ответы на эти и многие другие вопросы вы найдете на страницах этой увлекательной книги.

Москва БИНОМ. Лаборатория знаний

ƫǀLjƽƿLjǂNJDžǂ ƟƿǂǁǂNJDžǂ ...........................................................................................5 Риск или плата? ..................................................................5 Это многоликое нано ....................................................... 10 Квантовый мир нано. Чего мы не знаем… ...................... 17 Нано и новый технологический уклад ............................ 22 Итак, риски ....................................................................... 31 ƴƝƮƯƹ I. ƪƝƪƫ ƟƫƧƭưƠ ......................................................... 35

ƠLjƽƿƽ 1. ƧNjƿƽǍNJƽǜ njǍNjǔNJNjǎǏǙ............................................37 1.1. Голова или хвост? ....................................................... 37 1.2. Порошок или пыль? ................................................... 45 1.3. Коварная прочность и оловянная чума .................. 52 1.4. Энергетические консервы.......................................... 57 1.5. Светло, да не видно .................................................... 65 ƠLjƽƿƽ 2. ƴǐǁǂǎƽ ǎǏǍǐLJǏǐǍǘ .............................................70 2.1. Фрактальная симфония ............................................. 70 2.2. Антиструктура и мы ................................................... 77 2.3. Оставив свободу с носом ........................................... 81 2.4. Нейронное минное поле............................................ 85 2.5. Программируемая материя........................................ 89 ƠLjƽƿƽ 3. ƮǏǍƽǎǏDž njNj LJƿƽNJǏƽlj ........................................95 3.1. Квантовые эффекты — это актуально? ..................... 95 3.2. Занять все, или черная пурга ..................................... 98 3.3. Немного мертвый кот, или компьютер-демон........ 101 3.4. Завышенные ожидания.............................................110

ƴƝƮƯƹ II. ƪƝƪƫ ƟƪưƯƭƥ ..................................................... 113

ƠLjƽƿƽ 4. ƞǐǁǙǏǂ DŽǁNjǍNjƿǘ ...................................................115 4.1. Хорошую вещь ГМО не назовут ..............................115 4.2. Превентивная медицина ......................................... 123 4.3. Невинные липосомы ............................................... 128 4.4. Homo autofaber. Запчасти для любимой .................. 133 ƠLjƽƿƽ 5. ư DŽǂǍLJƽLjƽ: ǚǏNj ƿǎǂ ǂǖǂ ǜ? ..............................139 5.1. Бегун на протезах ..................................................... 139 5.2. Поцелуй на расстоянии .......................................... 145

4

Оглавление

5.3. Мозг навынос .......................................................... 149 5.4. Кризис идентичности .............................................. 154 ƠLjƽƿƽ 6. ƪƽNJNj – ǁǂǏǜlj NJǂ DžǀǍǐǕLJƽ .............................158 6.1. Безопасный динамит ................................................ 158 6.2. Электронный вертел ................................................ 166 6.3. Умный песок .............................................................174 6.4. Самоходный чип и кошмар Дрекслера ................... 179 6.5. Наноголем ................................................................ 184 ƴƝƮƯƹ III. ƪƫƟƝƼ ƭƢƝƨƹƪƫƮƯƹ .................................... 189

ƠLjƽƿƽ 7. ƪƽǍǐǕǂNJDžǂ ǎDžǎǏǂljǘ .........................................191 7.1. Ключи от мира. Технологические пакеты ............... 191 7.2. Усложнение систем. Риск сложности ...................... 201 7.3. Упрощение систем. Бездорожная экономика ......... 205 7.4. Вперед в прошлое. Риск не состояться ................... 208 7.5. В капкане ложных целей ...........................................211 ƠLjƽƿƽ 8. ƪǂƿDžǁDžljǘǂ ǓǂLjDž ...................................................218 8.1. Наш враг — стереотип .............................................. 218 8.2. Борьба мифов и реальности .................................... 223 8.3. Этика нанотехнологий ............................................. 226 8.4. Экология нанотехнологий ....................................... 231 8.5. Ответственность перед обществом и моделирование новой реальности ...................... 234 ƟljǂǎǏNj DŽƽLJLjǛǔǂNJDžǜ: ƾǐǁǐǏ LjDž NJƽNJNjǏǂǒNJNjLjNjǀDžDž ǐnjǍƽƿLjǜǏǙ ǔǂLjNjƿǂLJNjlj ............................................238 ƨDžǏǂǍƽǏǐǍƽ (NJǂNjǃDžǁƽNJNJƽǜ ǀLjƽƿƽ) .........................242

ƟƿǂǁǂNJDžǂ ƭDžǎLJ DžLjDž njLjƽǏƽ? Самая отчаянная опасность лучше верной смерти. Артур Конан Дойль

Ʃ

ногие эксперты — политики, экономисты, равно как и представители естественных наук, инженеры и футурологи — связывают изменения в нашей жизни со становлением нанотехнологий. Однако такие, только технологические изменения трудно назвать «принципиальными» или «фундаментальными». Речь идет не только и не столько о технике (да и техникой ли это будет называться), сколько об изменении технологического уклада, включающего изменения социального, институционального и иных порядков. Большие надежды — всегда большие риски. О балансе надежд и рисков и пойдет речь в данной книге. Но и надежды, и риски

6

Введение

далеко выходят за пределы технологической плоскости. Последствия технологического развития и связанных с ним изменений затронут различные стороны нашей жизни. Изменится не только наша «обыденная» жизнь, т. е. жизнь нам «привычная», базовые обстоятельства которой мы ошибочно привыкли считать чем-то само собой разумеющимся. Изменится само устройство нашей жизни: социальное и политическое, экосистемное, гуманитарное, наша культура — изменится наша цивилизация. Поэтому и риски носят принципиально разноплановый характер. Это не только и не столько риски технические: что-то взорвалось, кто-то отравился (что, без сомнения, также чрезвычайно важно), но это и риски системные, связанные с характером и степенью возможных изменений в нетехнологических областях за счет изменений технологических. Человечество с такими изменениями сталкивается давно. Их примером — далеко не единственным — являются экологические последствия, в том числе планетарного характера. Достаточно вспомнить о рукотворности многих ландшафтов современного мира — пастух и земледелец раннего этапа неолитической революции, использующий технологии подсечного земледелия, оставил нам Землю, сильно отличающуюся от той, которую знал донеолитический охотник и собиратель. И не всегда этот новый ландшафт к лучшему. Да мы и сами «мастера»: судьба Аральского моря тому свидетель. Арал — жертва ракетной техники: так случилось, что наиболее массовое ракетное топливо, гептил, остро нуждалось в соответствующем сырье, среднеазиатском хлопке. А этот хлопок, выращиваемый на полях советской Средней Азии, требовал полива. В результате вода Амударьи и Сырдарьи просто не дотекла до Аральского моря. И моря нет! Пересохло! Аральское море было четвертым по величине озером в мире. Было! В 1989 г. оно распалось на два изолированных водоема — Северное (Малое) и Южное (Большое) Аральское море. А там, откуда вода ушла, теперь соленая пустыня. Аналогия с неолитической революцией не случайна. По мнению некоторых экспертов-футурологов1, человечество лишь

1 Среди них Сергей Переслегин, Николай Ютанов и др. См., например: Переслегин С.Б. Самоучитель игры на шахматной доске / Сергей Переслегин. М: АСТ; СПб.: TeraFantastica, 2005: Переслегин С., Переслегина Е., Ютанов Н. и др. Новые карты Будущего, или Анти-РЭНД. СПб.: TF; М.: АСТ, 2009.

Риск или плата?

7

дважды в своей истории испытало столь кардинальные перемены. Это собственно неолитическая революция, а также промышленная революция, начатая в Великобритании в последней трети XVIII в. как технологическая революция (текстильная промышленность, паровой двигатель, металлургия). Но, как утверждает большинство футурологов, нанотехнологическая революция потенциально сопоставима, равномощна этим двум уже состоявшимся. В общем, если футурологи правы, поздравляем: мы живем в эпоху перемен, что древнекитайские философы считали крайне неутешительной новостью. С революционными изменениями связано такое понятие, как неизбежность. Мы не можем отказаться от изменений — сам отказ катастрофичен: его последствия тяжелее и трагичнее возможных последствий, которые несут с собой риски перемен. Такие изменения — не риск. Это данность. Поэтому еще до того, как мы начнем анализ различных рисков, связанных с нанотехнологиями, с их проникновением в нашу жизнь, необходимо прояснить следующее. Кроме рисков и угроз то, что может случиться, а может и не случиться (а это важная особенность риска), есть наша обязательная плата за технологическое развитие, впрочем как и за любое другое развитие. Так, за прямохождение человек сегодня платит большую цену. Это не только плоскостопие или искривленный позвоночник у значительной части населения, но и сердечно-сосудистые заболевания — бич XX и, наверно, XXI в. Любое «достижение» человека — как биологического вида, как существа социального (а технологическое развитие из этой «песочницы») — всегда требовало платы. Появились антибиотики, и вот уже экологи бьют тревогу: не прокормит наша планета такое количество, страшно сказать, не умерших, лишних людей. Впрочем, эту проблему осознали еще до антибиотиков: достаточно вспомнить экономиста Томаса Роберта Мальтуса (1766—1834) с его теорией перепроизводства людей1 (правда, следует отметить, что эту «плату» человечество ловко умеет откладывать на потом). В отличие от рисков и угроз расплата обязательно наступает. Правда, мы об этом можем за-

1 Теория Мальтуса сводилась к двум положениям: 1) биологическая способность к размножению у человека превосходит его способность увеличивать продовольственные ресурсы; 2) сама способность к воспроизводству ограничивается наличными продовольственными ресурсами. — Прим. ред.

8

Введение

ранее и не знать: либо не предвидеть, либо думать о ней как о риске. Но расплата — это не риск, и нужно думать не о том, как ее предотвратить, а о том, адекватна ли она, готовы ли мы ее нести за те преимущества, которые извлекли. Ну не на четвереньки же нам снова вставать. Однако мы будем различать расплату и риски только там, где сумеем. И, когда будем говорить о рисках, мы, если это не оговорено специально, будем включать и расплату, неизбежную расплату. Кроме того, необходимо пояснить разницу между рисками и угрозами. Она условна. Но это различие как раз и позволяет нам находить тот баланс между надеждами и рисками, о которых речь шла выше. Представим, что в силу тех или иных внешних обстоятельств (под которыми мы будем понимать обстоятельства, вызванные иными причинами, чем рассматриваемое нами технологическое развитие) имеются риски, которые мы надеемся с помощью новых технологий преодолеть. Вот тогда и будем называть их угрозами. Например, проблема обеспечения безопасности — угроза; проблема потенциального голода — угроза; перечень можно продолжать достаточно долго. Но условность различия также легко понять: так, нанотехнологии способны не только преодолевать угрозы, но и косвенно порождать новые — все в этом подлунном мире взаимосвязано, и отделить причину от следствия порой не просто трудно, а принципиально невозможно — как в набившей оскомину дилемме о первичности курицы или яйца. Итак, риски. Каковы они? Технологические риски сопутствуют человеку на протяжении всей его истории: не вовремя лопнувшая тетива первобытного охотника, оставившая его один на один с диким зверем, конечно, меньшая трагедия, чем взрыв ядерного реактора. Но, возможно, не с точки зрения данного охотника. Наша книга посвящена рискам, связанным именно с нанотехнологическим развитием. Означает ли это, что в данном случае имеет место особенность, отличие от того, что мы знали ранее, отличие от того опыта, который мы как человечество приобрели за свою не менее чем пятитысячелетнюю историю, если за отсчет принять первую письменную цивилизацию, опыт которой хоть как-то сохранился — шумерскую? И да, и нет. И вот почему.

Риск или плата?

9

Почему «нет». Изменения носят, как будет показано далее, революционный характер. Физики, а вслед за ними и футурологи, называют такие изменения фазовым переходом. Изменения столь существенны, что свойства того, что получится за этим переходом, слабо связаны с тем, что было до него. Примером такого фазового перехода из физики является замерзание воды — по свойствам текучей жидкости очень трудно судить о свойствах на удивление твердого льда; если кто в этом сомневается, пусть подумает над тем, что сумел бы он предсказать, не зная заранее, что лед не тонет. Если изменения не столь существенны, хорошо работают аналогии, так называемые тренды и другие инструменты наших оценок по принципу еще одного, дополнительного, шажка — маленький шажок приводит к малым изменениям. У нас даже математика — дифференциальное и интегральное исчисление, вариационное исчисление и пр. — для этого специально приспособлена. А вот изменения, которые не являются непрерывными, изучает теория катастроф — в контексте данной книги очень обещающее название. Следует помнить, мы по-настоящему погружаемся в область неочевидного. В буквальном смысле — глазами не увидеть. Квантовый мир, законы которого нанотехнологии приносят в наш мир, — источник быть может еще неосознанных сюрпризов и сюрреалистических бед. Вот спорили люди о том, что вокруг чего вертится: Земля или Солнце — центр мироздания. Копья ломали, на кострах чуть было не жгли, славу Богу до этого не дошло1. Ведь видно — Солнце вращается вокруг Земли. ОЧЕвидно — очами, т. е. глазами. И трудно было представить, что наоборот. Но представили, и оказалось, что представить можно. Нам показали модель, в которой Земля вращается вокруг Солнца, мы на нее очами-глазами посмотрели и сказали: ба! да это же ОЧЕвидно. Стоило ли спорить. С квантовым миром все по-другому. Показать нечего. Нет такой модели, которую можно увидеть глазами и которая правильно бы показывала, что там, в квантовом мире, происходит. Такая модель невозможна в принципе. Нельзя квантовые законы описать на языке законов, которые ОЧЕвидны. Так уж устроен этот мир. И весь наш опыт в этих условиях может не только оказаться бесполезным, но и сыграть с нами дурную шутку. Если у вас есть детская игрушка 1

При всем уважении к Джордано Бруно он взошел на костер не за это.

10

Введение

юла, заведите ее и толкните влево. Влево ли она отклонилась? Нет? Надо же, а вы говорите — опыт. Люди, не знающие механики твердого тела, могут быть сильно удивлены, что то, что они были готовы отстаивать как очевидное, оказалось неверным1. Но юлу можно продемонстрировать. Неверующие удивятся, поворчат, может, даже обидятся, но спорить перестанут. А в нанотехнологиях «юлу» не предъявишь и никого не переубедишь. Не будет же каждый человек (включая уже вполне состоявшихся, опытных) шесть лет учиться квантам — как называют квантовую механику студенты физических специальностей. Да и специалисты, знающие кванты, могут ошибаться и, как ни странно, делают это довольно часто. Теперь почему «да». Как иначе объяснить то, что объяснить, в общем-то, нельзя? Аналогии — отличный инструмент. Он неточный, часто неверный, но убедительный. Конечно, так ничего доказать нельзя, но можно хотя бы предложить задуматься. Все то, что доказывается при помощи аналогии, потом придется действительно доказать. Аналогия недостаточна, она часто обманывает. Но при этом она дает отличный повод задуматься о том, что к нашим убеждениям стоит относиться с еще большей осторожностью, чем к столь ненадежной аналогии. Вдруг аналогия все же окажется правдивой! Такой инструмент, как аналогия, отлично подходит именно к анализу рисков. Ведь риски тоже на добрую половину состоят из этого «а вдруг?».

ƺǏNj ljNJNjǀNjLjDžLJNjǂ NJƽNJNj То, что тебя бранят, — не твой порок. Прекрасное обречено молве. Уильям Шекспир. Сонеты

ƴтобы содержательно говорить о рисках и угрозах, связанных с развитием нанотехнологий, необходимо разобраться в самих технологиях, объединенных приставкой «нано». Конечно, се-

Гироскоп, каким и является юла, отклонится под действием приложенной к нему силы не в направлении этой силы, а в перпендикулярном ему направлении в плоскости вращения.

1

Это многоликое нано

11

рьезный разбор требует самостоятельной книги — авторы, не очень довольные тем, что на сегодня уже на эту тему написано как в России, так и за рубежом, уже приступили к созданию такой книги (ее рабочее название — «Многоликое нано. Надежды и заблуждения»). Но нам необходимо — здесь и сейчас — дать те минимально необходимые сведения, без которых разговор о рисках будет сводиться к разговору о рисках технологического развития и технологических рисках в целом, пропуская столь важные особенности именно нано. А эти особенности важны — уж больно отличны эти странные нанотехнологии от того, что человечество делало ранее. Чаще всего нанотехнологии связывают с размером. В нанотехнологиях обязательно что-то маленькое, наноразмерное — сама ли «вещь» или ее функциональная «деталь», а может, что-то вообще такое, что и «деталью» назвать трудно. Заметим, что слова «вещь», «деталь» намеренно взяты нами в кавычки. Конечно, продвинутый философ легко оперирует понятием «вещь» в самых общих смыслах. Но мы-то привыкли понимать под вещью то, что можно потрогать, увидеть. Ну, в общем, как дети, познающие мир, ломая игрушки. А с нано это не всегда возможно. Итак, размер. Размер — так определили эксперты — должен быть в диапазоне от 1 до 100 нанометров — вот отсюда и при-

12

Введение

ставка «нано» ко всему остальному: к технологиям, материалам, свойствам. Эта приставка (дословно переводимая с древнегреческого как «карлик», «гном») означает одну миллиардную часть чего-либо. В данном случае — метра. Это очень маленький размер. В 1 нм (так кратко записывают нанометр) привычного нам твердого тела — кусочка льда, титановой детали реактивного самолета, куска школьного мела — умещается лишь несколько атомов. Поразительную малость этого размера можно представить себе и так: если уменьшить Землю до размера теннисного мяча, то яблоки, растущие на ней, будут размером в 1 нм. Помните поговорку о иголке в стоге сена? Задача найти и наточить иглу (причем не вынимая ее из стога) — пустяк по сравнению с тем, что делают нанотехнологии: найти наноразмерный объект и осуществить манипуляции с ним. А это именно так — транзистор в чипе размером 10 нм уже никого не удивляет. А эти транзисторы, между прочим, собраны в сложнейшие схемы, которые работают. Но в размере ли дело, точнее, только ли в нем? Бывает, что и в нем. Например, для электроники такой размер принципиален: чем он меньше, тем меньше электропотребление и тем выше скорость работы (тактовая частота). Но чаще дело вовсе не в размере. Просто с ним связано то, что мы вынуждены (или хотим) иметь дело с отдельными атомами и молекулами. Именно возможность манипуляции отдельными атомами и молекулами наиболее точно определяет нанотехнологии. Нанотехнологии во многом напоминают конструктор, подобный «Лего», деталями в котором служат отдельные атомы и молекулы. А уж размер деталей, само собой, маленький. Но этот маленький размер может быть все же больше объявленных предельными 100 нм. Есть такой важный объект — молекула белка. Ее нормальное состояние — быть свернутой в глобулу (образование в виде клубка) диаметром более 300 нм. Но это настоящий нанообъект, причем один из самых важных. Именно с такими объектами связывают наиболее перспективное в нано: способность к репродукции, способность к производству по программе, заложенной в самой молекуле белка. Именно так работает наследственный механизм всего живого. Для нанотехнологий такой механизм применительно к неживой материи называют самосборкой.

Это многоликое нано

13

Принципиальная связь нанотехнологий и механизмов живого — очень важный аспект нанобезопасности и соответствующих рисков. Именно здесь есть где разгуляться фантазии. Но — и это принципиально важно — за этими образными фантазиями, которые с успехом могут стать основой сценария увлекательного ужастика, порой стоят отнюдь не броские, но реальные угрозы, которые крайне опасно не заметить. Итак, нано — это малый размер, атомарная «механика» и «механика» живого или «механика» подражания жизни. Но где мы можем увидеть это нано, эти нанотехнологии, в чем они «находятся»? Простейшее (если по отношению к «нано» данное слово вообще уместно) «вместилище» нанотехнологий — это наноматериалы, а также наносырье для их производства. Новые материалы основаны на том, что придание им структуры с характерным наноразмером кардинально улучшает их полезные свойстваа: повышает прочность, износостойкость, снижает вес. Они могут обладать дополнительными качествами, ради которых их и создают, такими как отсутствие трения в трущихся частях, биосовместимость (что означает, например, неотторжение протеза организмом), несмачиваемость или связанная с ней способность не обледеневать и др. Все такие материалы называют конструкционными. Из них что-то делают: корпус ядерного реактора или подводной лодки, электропровода контактной сети сверхскоростного электропоезда, беговые лыжи, скользящие по асфальту как по снегу, и многое-многое другое. И с наличием (или отсутствием) таких материалов связаны те или иные возможности и те или иные риски. При производстве этих — а также других, о которых речь чуть ниже — материалов используют наносырье. Наносырье само является нанообъектом: это наночастицы и нанопорошок, углеродные и неуглеродные нанотрубки, фуллерены, дендримеры и др. Этот — собирательно назовем его — нанопорошок состоит из частиц или волокон наноразмера. Но и сами частицы и волокна могут обладать довольно специфичными свойствами. Простейший из нанопорошков, встречающихся в природе, — асбест, применение которого несет с собой хорошо известные риски, прежде всего канцерогенность. С другими наночастицами на сегодня не все так ясно.

14

Введение

Кроме конструкционных материалов нанотехнологии знают материалы функциональные. Это такие материалы, в которых само «тело» материала является механизмом. Неправильно думать, что до появления нанотехнологий функциональных материалов не было. Напротив, они были и широко использовались. Это и кристалл кварца, «держащий» частоту в высокоточном генераторе или часах, это и пьезокристалл, преобразующий колебания иглы электропроигрывателя 50—70-х годов XX в. в электрический сигнал и популярную мелодию Бернеса. (Кстати, похожие кристаллы используются и в нанотехнологиях. С помощью электрического тока, подаваемого на пьезокристалл, перемещают кантилевер1 атомно-силового микроскопа на расстояние в десятки микрон с точностью до нескольких нанометров.) Функциональные материалы разнообразны: это и электротехнические среды аккумуляторов и батареек, и катализаторы большой химии, и даже порох. Однако расцвет функциональных материалов приходится на нано. С появлением нанотехнологий они стали по-настоящему важны и разнообразны. Например, представьте себе материал, который способен подбирать к молекулам множество «ключей» (один подошел, другой нет) и на основе которого возможно создание такого устройства, как искусственный нос (см. п. 2.3 «Оставив свободу с носом»). С функциональными наноматериалами тесно связаны наноустройства. Часто невозможно различить, где «заканчивается» материал и «начинается» устройство. В этом и суть функциональных материалов: они сами — распределенное устройство, устройство без шестеренок и винтиков. Такие устройства — источник широчайшего спектра возможностей, часть которых сегодня даже трудно представить. А возможности, как мы уже говорили, имеют оборотную сторону — риски. И их спектр также широк, как и спектр возможностей. Об этом необходимо помнить всегда, когда мы создаем что-то новое, когда кардинально расширяем наши возможности. Важной отличительной особенностью функциональных наноматериалов является структура. В простейшем случае это специально приготовленная поверхность, в более сложных — 1 Это устройство с иголочкой нанометрового диаметра на конце, с помощью которого микроскоп ощупывает поверхность.

Это многоликое нано

15

квантовые точки, квантовые борозды и их аналоги. Речь идет о структуре именно на атомарно-молекулярном уровне. Конечно, углеродная нанотрубка является также структурой. Но в составе нанопорошка такая структура не носит строго упорядоченного характера. Так, лес отличается от парка: парк может быть «французским», где деревья составляют строгие геометрические узоры, может быть «английским», который похож на естественный лес, но все равно каждое дерево посажено строго по плану. В нанотехнологиях часто материал уходит на второй план и вперед выступает Ее Величество Структура (см. главу 2 «Чудеса структуры»). Так и говорят — мы имеем дело с наноструктурами. Наноструктуры разнообразны. Это и так называемые метаматериалы (здесь слово «материалы» почему-то сохранилось), используемые в гига- и терагерцовой электронике, и то, что представляет собой следующий этап электроники, включая собственно электронику (как традиционную, так и принципиально новую), а также фотонику и спинтронику. Фотоника заменяет «привычный» нам электрон на квант света как носитель сигнала в наших сложных схемах, из которых мы собираем компьютеры, датчики и бытовые приборы. Спинтроника основана на коллективном поведении тех же электронов, их взаимодействии через спин: ток не идет (ток — это направленное движение электронов), сигнал же — пожалуйста: электроны как бы передали его «из рук в руки». С устройствами на базе спинтроники мы уже хорошо знакомы на бытовом уровне: она присутствует во флешках и другой долговременной памяти. Структура — источник как возможностей, так и рисков. Гора кирпичей «в навал» представляет меньшую опасность при землетрясении, чем милый кирпичный домик, под которым есть шанс быть погребенным при его разрушении. Утрата структуры может иметь самые неожиданные и порой тяжелые последствия. Но и сама структура может быть не безопасной. Неудачно, а может, и намеренно (как в рассказе Карела Гашека «История о взломщике и поджигателе») расположенный кусок стекла (линза) может стать источником пожара1. Структурный аспект нанобезопасности проявляется и при создании новых, ранее не существующих, и без технологий неМстительный ученик установил линзу так, чтобы дом обидчика загорелся от солнечных лучей в определенный день — через год после своего позорного изгнания из дома учителя.

1

16

Введение

возможных, химических соединений, хотя сам термин можно уже поставить под сомнение: химия ли это? Как отдельные молекулы, так и их совокупности (структурные или нет) — источник новых рисков, частично подобных тем, с которыми человечество столкнулось при бурном развитии химической промышленности в XX в. И нельзя забывать, что эти структуры приносят нам «весточку» из мира квантового — интуитивно непонятного, неожиданного, с «сюрпризами». Крайним выражением структуры являются устройства. В нанотехнологии это МЭМСы и НЭМСы. Эти аббревиатуры расшифровываются так: первая — микро-, вторая — наноэлектромеханические устройства. НЭМС — это что-то вроде машинки, «колесиками» в которой выступают отдельные (очень специальные) молекулы, т. е. такая штуковина может передвигаться. Делает это она либо под внешним воздействием (например, «ползет» туда, где соленость раствора выше), либо за счет внутренней «батарейки» или иного источника. Конечно, МЭМСы и НЭМСы — это не только и не столько движущиеся машинки чрезвычайно малого размера — меньше человеческой клетки. Это прежде всего датчики, заменяющие нам гироскопы, измерители давления, температуры и многое другое. Но именно с НЭМСами связывают наиболее яркие картины нанотехнологической опасности. Естественно, речь идет о нанороботах. О том, так ли это, мы также поговорим в нашей книге (см. п. 6.4 «Самоходный чип и кошмар Дрекслера»). Гипотетическая способность нанороботов размножаться — один из таких «беспокоящих» факторов. Представляется, что на эту проблему надо смотреть шире: наиболее перспективные области нанотехнологий лежат на стыке всего того, о чем шла речь выше, и живого. Нано проникает в жизнь на клеточном уровне, как создавая миметические устройства, «списанные» с живого как со шпаргалки, так и изменяя саму клетку для различных целей: промышленных, медицинских и др. И это, конечно, один из наиболее важных аспектов нанобезопасности (см. главы 4, 5). Медицинские, экологические и технологические риски переплетаются в запутанный клубок, который нам предстоит распутать. Вот далеко не полный перечень того, что мы называем «нано», того, с чем нам придется считаться в недалекой перспективе или даже уже сейчас.

Квантовый мир нано. Чего мы не знаем…

17

ƧƿƽNJǏNjƿǘdž ljDžǍ NJƽNJNj. ƴǂǀNj ljǘ NJǂ DŽNJƽǂlj… Если тебе нравится мешок, купи его вместе с котом, которого тебе хотели в нем продать.

ƭ

Станислав Ежи Лец

азвитие нанотехнологий связывают во многом с теми неожиданными возможностями, которые нам предоставляет квантовый мир, точнее, те законы мироздания, которые проявляются в масштабах атомов и молекул и которые так не похожи на знакомые нам со школьной скамьи. И степень непохожести мы часто недооцениваем. Многие из нас, конечно, знают или слышали о туннельном эффекте — эффекте, на котором построена работа транзистора, уже ставшего рутинным. Но этот эффект в квантовом мире может проявиться не только в транзисторах. В чем же его суть? Знаем, скажут некоторые. Если электрон не может в обычной — классической — физике пройти сквозь стенку, то в квантовой может. Ну да, что-то вроде этого. Но это далеко не все. Проще всего объяснить это на ставшем классическим — с подачи Ричарда Фейнмана1 — примере работы мазера (а заодно и лазера).

1 Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Тома 8, 9: Квантовая механика: пер. с англ. 3-е изд. Эдиториал УРСС. С. 152.

18

Введение

Допустим, у вас есть молекула аммиака. Она изображена на рис. В1, например слева. И есть еще одна такая же — справа. Но не совсем такая — это зеркальное отражение первой. И как ни старайся, первую во вторую не превратить — не вывернешь же ее наизнанку. А вот в квантовом мире такое возможно — из-за туннельного эффекта. Но — внимание — это не все! В результате получится вообще нечто неожиданное. Реальными будут не «левая» и «правая» молекулы аммиака, между которыми возможен переход, а их смеси. Первая смесь — половинка «левой» плюс половинка «правой» молекулы. Вторая — половинка «левой» минус половинка «правой». Чудно? Авторы, конечно, в своем «объяснении» многое упустили. Пропустили такие слова, как «суперпозиция волновых состояний», «разница между бозе- и ферми-статистиками» и многое другое. Но для этого надо учить «кванты».

ƭDžǎ. Ɵ1 Физическая модель двух базисных состояний молекулы аммиака

Но это «чудно» имеет удивительное последствие. Если «левая» и «правая» молекулы ничем не отличались, и переход из одной формы в другую ничего не менял, ни к чему не приводил, то в случае наших смесей это не так. «Первая» смесь отлична от «второй». Они имеют разные внутренние энергии, и переход между ними осуществляется за счет поглощений (в одну сторону) или испускания (в другую сторону) кванта света. Вот этот квант, испускаемый молекулой, и есть то, из-за чего мазер (а также лазер) работает. Не будет преувеличением сказать, что мы видим тот факт, что состояния вовсе не одинаковы, а, напротив, различны, и значит, мы реально имеем дело не с «правой»

Квантовый мир нано. Чего мы не знаем…

19

и «левой» молекулами — реальны наши квантовомеханические смеси. Этот пример имеет далеко идущие последствия. Вот мы говорим, что атомы можно разместить так, можно иначе — на то и наши нанотехнологии, которые и осуществляют манипуляции с атомами. А на деле реальны не «так» и не «иначе», а их абстрактные математические комбинации. И у этих комбинаций, кроме того, и свойства другие. Здесь можно возразить: ну хорошо, это в квантовом мире такие «фокусы», а в нашем все проще. Возражение отчасти верно, но лишь отчасти. Наша убежденность в том, что нанотехнологии позволят нам воспользоваться теми свойствами, которые присущи квантовому миру, и есть утверждение того, что эти свойства окажутся у нас здесь, так сказать, «под руками» и «перед глазами». И непонимание этого — само по себе огромный риск. Лет двадцать назад одному из авторов этой книги довелось присутствовать на физическом семинаре, посвященном возможности холодного термояда — «поджечь» термоядерную реакцию без токамаков и других огромных, сложных и дорогостоящих установок. Докладчик уверенно рассказывал о том, что успех обеспечен: вот еще чуть-чуть, и он на своем рабочем столе, пусть не в центре Москвы, но в жилом, в общем-то, районе, этот термояд подожжет. Первым ему был задан следующий вопрос: а если «бабахнет»? «Не должно», — ответил докладчик. Больше вопросов к докладчику не было — было ясно, что он и сам не верит в успех своего эксперимента. Итак, если мы верим в нанотехнологии, в их квантовые возможности, — а это так, — то возможность того, что «бабахнет», не должна сбрасываться со счетов. А наш пример лишь про один из множества квантовомеханических «фокусов» показывает нам, что наше рассуждение по привычке может оказаться — и наверняка окажется! — ошибочным. Вот еще один пример ошибочного рассуждения, диктуемого нам нашим неквантовым опытом. Давайте подбросим две монетки. Какова вероятность, что выпадут два «орла»? Кто немного знаком с теорией вероятности и элементарной математикой, легко ответит: одна четверть, или 25%. И в самом деле, давайте переберем возможности. Первая — наши два «орла». Вторая — две «решки». А еще третья и четвертая. Первая монета — «решкой», вторая — «орлом». И, наоборот: первая — «орлом», вто-

20

Введение

рая — «решкой». Всего четыре равновероятные возможности. И только одна нас устраивает. Вот и получается одна четвертая. С монетками так и есть, можете проверить, немного поиграв в орлянку. А теперь «следите за руками»! У электрона есть два состояния: спин вверх и спин вниз — своеобразные «орел» и «решка». Какова вероятность найти два электрона спином вверх (пусть электроны имеют разную энергию, чтобы не было проблем с ферми-статистикой)? Думаете одна четвертая? Ничуть не бывало. Одна треть. Считаем состояния. Два вверх. Два вниз. Один вверх, один вниз. Всего три состояния. Стоп, — скажете вы. Ну, один, два, а затем три — первый вниз, второй вверх, и четыре — первый вверх и второй вниз. А вот и нет. Два электрона не бывают первым и вторым — они настолько одинаковы, что принципиально не различимы. Один вверх (неважно какой), один вниз — и никак иначе! Физики эту вероятность померили, что называется, поиграли в орлянку. И подтвердили — одна треть! В нашем мире любые два объекта — хоть братья близнецы — принципиально различимы. А в квантовом — наоборот: два электрона — это два электрона, а не первый и второй — пальцем в них ткнуть нельзя! Неразличимость одинаковых квантовых объектов (а это могут быть и нанокластеры) — удивительное отличие квантового мира от нашего. Что будет, если мы создадим точную атомарную копию какого-либо предмета — атом за атомом? Мы это еще не пробовали! А нанотехнологии нам такую возможность предоставят. Еще раз повторимся: мы многого не знаем. Нет, мы знаем, как «удивительно» ведут себя молекулы, атомы и их составные части — элементарные частицы. Но мы до конца не знаем, как ведут себя их ансамбли при условии, что действие квантовых эффектов будет «продолжено» до надлежащих размеров. А то, что такое «продление» будет, сегодня уже можно не сомневаться. Помните про спины электронов? Вот с ними имеет место совершенно удивительный «фокус», уже частично «пролонгированный» в наш мир. На основе этого «фокуса» работают флешки — память, не требующая энергопотребления. Электроны — фермионы, т. е. они подчинены так называемой ферми-статистике. Это означает, что два электрона в одно состояние запихнуть нельзя. Если «коробочка» занята, то будьте

Квантовый мир нано. Чего мы не знаем…

21

любезны — в другую. Помните, как в химии электроны химических элементов с ростом номера элемента заполняют электронные оболочки? Это оно и есть. Они не толпятся все на нижних орбитах — там занято и приходится забираться на следующие. Впрочем, на каждой «орбите» все же не один электрон, а два, ведь есть еще спин, вверх и вниз. В каждой клеточке по два электрона, спины которых смотрят в разные стороны. И если мы у одного электрона перевернем спин, то у другого он тоже обязательно перевернется. На этом — или почти этом — принципе работают так называемые спин-спиновые взаимодействия, или спиновые волны. Это передача сигнала очень странным способом — без привычных нам сил. Кстати, на этом принципе работает и так называемый квантовый компьютер, которому посвящен отдельный раздел (см. п. 3.3 «Немного мертвый кот, или компьютер-демон»). Исчерпываются ли «чудеса» и «фокусы» квантового мира тем, что мы рассказали? Конечно, нет! Например, мы можем с удивлением узнать, что, повернувшись на 360 градусов вокруг собственной оси, мы не очутимся в том же положении — оказывается, надо повернуться дважды! И многое-многое другое. Но обо всем этом — позже, конечно, лишь в том объеме, который нам необходим для разговора о рисках привнесения особенностей квантового мира в нашу жизнь.

22

Введение

ƪƽNJNj Dž NJNjƿǘdž ǏǂǒNJNjLjNjǀDžǔǂǎLJDždž ǐLJLjƽǁ …Эта промышленная революция была вызвана изобретением паровой машины, различных прядильных машин, механического ткацкого станка и целого ряда других механических приспособлений. Эти машины… изменили весь существовавший до тех пор способ производства… Фридрих Энгельс «СЕПУЛЬКИ — важный элемент цивилизации ардритов (см.) с планеты Энтеропия (см.). См. СЕПУЛЬКАРИИ». Я последовал этому совету и прочел: «СЕПУЛЬКАРИИ — устройства для сепуления (см.)». Я поискал «Сепуление»; там значилось: «СЕПУЛЕНИЕ — занятие ардритов (см.) с планеты Энтеропия (см.). См. СЕПУЛЬКИ». Станислав Лем. «Звездные дневники Ийона Тихого»

ơля понимания рисков, связанных с развитием нанотехно-

логий, очень важно ответить на, казалось бы, простой вопрос: что нам даст это развитие — наноартефакты неизвестной нам сегодня природы или привычные продукты, созданные на иной технологической основе? Иными словами, что мы ожидаем: будем ли мы продолжать изготовлять «табуретки» не из дерева, а из композитных наноматериалов, будем насаживать топор с нанопокрытием лезвия на рукоять из легкого и прочного наноматериала, чтобы нарубить дров для печного отопления, труба которого термоизолирована от потолка термозащитой из наноматериала во избежание пожаров, или речь о другом? Мы, конечно, утрируем. Но производство самолетов, ядерных реакторов и многого другого, что мы на сегодня умеем, в сущности — «табуретка» современности. Нанотехнологии найдут широкое применение и в авиастроении, и в традиционной электронике, и в большинстве традиционных областей: от медицины до космонавтики, но важно помнить, что это далеко не все. Манипулирование материей на атомарно-молекулярном уровне, использование в нашем мире эффектов квантового мира дают

Нано и новый технологический уклад

23

нам основание предполагать, что те возможности, которые предоставляют нанотехнологии, существенно шире «повторения пройденного». А если изменения — как мы, собственно, ожидаем — носят принципиальный характер, то мы должны ответить и на вопрос: как они могут изменить наши производство, потребление, а вместе с ними и сам «стиль» жизни, т. е. все? (См. главы 7 и 8.) Итак, по факту (так уже сложилось в реальной жизни) есть два рода нанотехнологий, которые условно можно назвать «традиционные» и «квантовые». И дело не только в «квантовости» того или иного эффекта — дело в том, о чем шла речь выше: ручка ли топора это или что-то принципиально новое, как когда-то были первый телефон, первое радио, первое телевидение, первый компьютер, антибиотики и наркоз, воздушный шар и первый самолет. Конечно, такое разделение не следует рассматривать как категорическое и вполне точное. Достаточно заметить, что имеют место и так называемые «промежуточные» нанотехнологии, которым одновременно присущи некоторые системные черты и тех, и других. Под «традиционными» можно (и как авторы полагают, следует) понимать технологии, лежащие в русле эволюционного раз-

24

Введение

вития, т. е. такого развития, которое вовсе не требует изменения наших базовых представлений или как минимум не требует их быстрого, а потому сложного изменения. Во многом такие представления уже сложились. Каковы же эти базовые преставления? Даже если мы не знаем точно, то в целом понимаем, зачем нам необходимы изменения свойств материалов и сред, применяемых в нашей технологической деятельности. Зачем и почему нужны материалы более прочные и легкие, более долговечные и способные работать в агрессивных средах, материалы, обладающие низкими коэффициентами трения и надлежащей адгезией и несмачиваемостью, и далее… — список может быть продолжен. Так же и с электроникой в различных ее аспектах: мы знаем, зачем нужна миниатюризация, ведущая к высочайшему быстродействию и колоссальным объемам памяти (как оперативной, так и «архивной»), к снижению энергопотребления (что среди прочего делает эти электронные устройства возможными, купируя проблему «отвода» рассеиваемой мощности). Иными словами, речь идет о нашем технологическом опыте, включая не только набор доступных нам технологий, а значит, возможностей, но и технологические «привычки» и стандарты мышления, наши рутины (см. п. 8.1 «Наш враг — стереотип»). Так, человечество в области металлургии давно и с успехом (ранее — опытным путем, впоследствии — на строгой научной основе) создает и массово производит материалы с желаемыми свойствами. При этом, как физик в области твердого тела, так и металлург-технолог, оперируют понятиями о строении вещества на уровне малых размеров, когда говорят о дислокациях, доменах, когда изучают фононную и иные «квазичастичные» структуры материала. И все это уже давно представлено в нашей практической жизни: прочные и надежные конструкционные материалы, инструментальные материалы, включая материалы, применяемые для медицинского протезирования, и многое другое. И если предел такого технологического развития, основанного на традиционных для XX в. технологиях, наступает (а во многом он уже наступил), то нанотехнологии «подхватывают» эту эстафету, которую вполне можно охарактеризовать, перефразировав олимпийский призыв: «прочнее, легче, практичнее». Да, нанотехнологии часто требуют иного инструментария, иных технологических принципов для реализации и этих вполне

Нано и новый технологический уклад

25

традиционных «улучшений». Но не всегда. Пример тому — нанопорошки, получение которых часто основывается на вполне традиционных технологиях1. При этом благодаря своим полезным свойствам такие нанопорошки имеют широкий спектр применения — от доставки лекарств в клетки и органы человека до создания поверхностей материалов с заданными свойствами. Но наибольшего эффекта следует ожидать от применения «традиционных» нанотехнологий в создании материалов на основе уже существующих технологий, может, и значительно модифицированных, использующих в качестве сырья нанообъекты. Примером тому может быть процесс создания волокон на основе фуллереновых трубок. Фуллереновая трубка — нанотехнологический объект, допускающий над собой традиционные манипуляции. Это возможный «шелк» будущего: на основе фуллереновых волокон возможно создание материалов и устройств самого различного назначения. Среди них есть и фантастические, такие как космический лифт (поднятие спутников на орбиту «на веревочке»), реализация которых сомнительна, но не по причине недостаточной прочности и легкости нити2. Но вот создание легких и чрезвычайно прочных материалов: нитей, полотна и на их основе композитов (для менее экзотических применений) вполне вероятно уже в среднесрочной перспективе. Такие материалы и композиты — основа многих будущих технических решений от создания броней и бронежилетов до развития авиа-, автомобиле- и судостроения. Применение новых конструкционных материалов — основа качественного изменения самих конструкционных решений высокотехнологической продукции. Не исключено, что те или иные решения, представляющиеся неэффективными или даже технически невозможными и непредставимыми сегодня, получат существенный импульс к развитию и станут нормой технологий недалекого будущего.

1

Среди таких технологий — размол, т. е. размельчение материала мельницей.

Не очень сложный теоретико-механический расчет поведения всей системы (орбитальный спутник, поднимаемый спутник и пусть легкий, но все же весомый канат) в гравитационном поле Земли, изменяющемся с высотой, показывает, что система ведет себя совсем не так, как это предполагают апологеты космического лифта.

2

26

Введение

Но не только фуллерены и структуры, основанные на них, являются перспективным направлением технологического развития по пути «традиционных» технологий. Другой перспективный путь — образование на поверхности материалов нанопленок с заданными свойствами. Достигается это путем как их нанесения, так и обработки поверхностей. Использование лазерного излучения, ионных пучков для нанесения таких поверхностей не должно скрывать от нас того обстоятельства, что это нанотехнологическое продолжение такого технологического процесса «со стажем», как оцинковка кровельного металла. Но такое продолжение открывает совсем новые технологические возможности применения материалов, которых ранее не было. Так, речь идет о создании покрытий, обеспечивающих длительное и надежное функционирование материалов в критических условиях. При этом одновременно решаются задачи обеспечения надежности и соблюдения сроков эксплуатации, что объединяется термином «ресурс», принципиально важным в таких областях, как авиадвигателестроение, энергомашиностроение, двигатели и генераторные агрегаты в целом. Нанопокрытия решают и вопросы повышения энергоэффективности, технически понимаемой как коэффициент полезного действия (КПД). Так, благодаря покрытию лопастей газовой турбины тепловой электростанции нанопленкой может быть существенно повышена рабочая температура, что в соответствии со «школьной» формулой тепловой машины1 позволяет значительно поднять КПД электрогенерации. С проблемами КПД, долговечности и надежности также тесно связаны вопросы, решаемые в рамках нанотехнологического вектора развития по снижению трения в различных агрегатах, в том числе двигателях. Снижение на порядок трения за счет нанопокрытия — ближайшая технологическая перспектива. В этом контексте следует отметить и упоминавшиеся нанопорошки как основу смазочных материалов, применяемых с обычными агрегатами (без нанопокрытий), как способа продления их ресурса. Одновременно другие нанопорошки будут использоваться и как абразивные материалы, применяемые в таких традиционных сферах, как бурение нефтяных и газовых 1 КПД зависит от разности температур нагревателя и холодильника тепловой машины. Нанопокрытия позволяют существенно увеличить температуру.

Нано и новый технологический уклад

27

скважин. В целом, это направление также справедливо рассматривать как традиционное, начатое технологиями по созданию искусственных технологических алмазов и производством уже полностью искусственного, т. е. не существующего в природе, фианита. При этом твердость созданного инструмента (не только бурового, но и иного) может быть выше или соразмерна твердости алмаза, как, впрочем, могут повышаться и его прочностные свойства в целом за счет снижения хрупкости. Традиционные области применения нанотехнологий требуют и ряда «простых» решений, таких как повышение надежности и качества соединений. Последнее решение стало особенно актуальным при строительстве подводных газопроводов, где качество сварных швов трудно периодически контролировать. В этом же — решение проблемы сродства1 различных материалов сборных конструкций, актуальной, в частности, в авиастроении. Так, отсутствие надлежащих материалов при проектировании в целом удачного воздушного судна ТУ-134/154 не позволило найти решения, исключающие процедуры технического обслуживания самолета, требующего периодическую частичную разборку фюзеляжа для проверки состояния стрингеров в местах соединений с корпусом. В этом же ряду стоит задача обеспечения необходимой адгезии2 поверхностей, имеющей место в процессах склеивания, пайки, сварки, нанесения покрытий, решение которой, в частности, позволит «склеивать» разнородные материалы, например керамическую пластину с металлической. Итак, отчетливо просматривается перспектива «традиционных» нанотехнологий как продолжение уже сформировавшихся технологических потребностей и трендов технологического развития, но уже на новой технологической базе. При этом — и это принципиально — конечный продукт данных технологий, как правило, являет собой привычное нам изделие промышленности — от горных лыж, достаточно прочных и эластичных, 1 Сродством к электрону называют энергию, выделяющуюся в процессе присоединения электрона к свободному атому. Если два металла имеют различное сродство, то при их контакте возникает электродвижущая сила — как в батарейке. Текущий ток разрушает материал.

2 Адгезия (от лат. adhaesio — «прилипание») — слипание поверхностей двух разнородных твердых или жидких тел.

28

Введение

обеспечивающих скольжение по любому снегу, а возможно и асфальту, до летательных аппаратов, пусть и с большим ресурсом и грузоподъемностью. Конечно, новые материалы дают нам перспективу новых конструктивных решений, позволяющих получить «новое качество», которое в свое время было достигнуто в авиации в виде принципиально новых видов техники и транспорта. Но данное технологическое развитие будет основано на уже имеющихся базовых представлениях, опираться на уже развитые модели, понятную нам математику в форме инженерного дела. Конечно, не все так просто и последовательно. Следует отметить тенденцию по изменению классического характера некоторых ранее «классических» технологий (назовем такие технологии «переходными»). Ярким примером таких «переходных» технологий могло бы стать создание материала, обеспечивающего обтекание крыла без образования турбулентности, т. е. завихрений потока, приводящих к повышению сопротивления движению в разы и на порядки. Такой ламинарный (не турбулентный) поток по обтеканию «классического материала» демонстрирует нам природа в «лице», а точнее в теле дельфина. Казалось бы, создание «дельфиньей кожи» на основе классических технологий, пусть и нано-, ожидать сложно. Однако научные лаборатории дают нам иные сигналы. Так, разработанная в Институте физических проблем Сибирского отделения Российской академии наук технология создания массивов микродатчиков на основе нанотрубок на достаточно большой поверхности позволяет говорить о создании «думающей» поверхности летательного аппарата, которая будет подстраиваться под аэродинамический поток, затягивая ламинарно-турбулентный переход и уменьшая сопротивление. А это важный шаг к созданию принципиально нового летательного аппарата, «плывущего» в атмосфере подобно дельфину. Вообще, улучшение тех или иных качеств, уже в принципе достигнутых, традиционных, может приводить к изменениям, носящим принципиальный характер. Так, вполне традиционное «легче и прочнее» может сделать реальным полет на Марс, ранее невозможный по простейшим технологическим причинам. И это всегда надо иметь в виду. Однако в долгосрочной перспективе, по оценке большинства экспертов, нанотехнологии произведут такую же революцию в манипулировании материей, какую произвели (а она еще дале-

Нано и новый технологический уклад

29

ко не окончена) компьютерные технологии в манипулировании информацией. Нанотехнологии обещают радикальное преобразование как современного производства и связанных с ним технологий, так и человеческой жизни в целом. И этот главный нанотехнологический «приз» — а в контексте нашей книги — вместе со всеми рисками. По мнению директора Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» М. В. Ковальчука, принципиальная особенность нынешней нанотехнологической революции состоит в том, что в ходе нее наблюдается смена парадигмы развития науки. Раньше мы шли «сверху вниз», т. е. двигались в сторону миниатюризации создаваемых предметов. Сейчас мы идем «снизу», с уровня атомов, складывая из них, как из кубиков, нужные материалы и системы с заданными свойствами. В этом суть нанотехнологий. Атомно-молекулярное конструирование материалов с необходимыми свойствами принесет ощутимые выгоды в экономии и энергетических, и материальных ресурсов. Атомно-молекулярное конструирование означает становление индустрии в целом на иных, непривычных, и во многом на сегодня не понятых нами принципах. В этих условиях — когда мы многого не понимаем — полезно применение следующего методологического принципа. Если мы хотим представить, что будет через 20 лет, мы должны спрогнозировать, что будет лет через 50, согласиться с этим как с гипотезой, и подумать, что будет сделано за 20 лет по достижении 50-летней цели. При этом за 20 лет технологическое развитие приведет к тому, что сами 50-летние цели станут иными, потеряют актуальность, точность или, возможно, даже смысл. Но именно они в итоге определят развитие в более короткой 20-летней перспективе. А что мы ожидаем в 50-летней (а многие эксперты говорят, что много ранее) перспективе? В долгосрочной перспективе нас ждет иная материальная капитализация индустрии. За этими сложными словами скрыта необходимость повторения того, что делало человечество для достижения своей индустриальной фазы развития. Примитивно это можно пояснить так. Для того чтобы выплавить сталь, надо было добыть коксующийся уголь, температура горения которого достаточно высока и достаточна для плавки стали. Но, чтобы добраться до угля, нужны металлические инструменты, пусть даже медные, ведь сталь

30

Введение

мы еще не выплавили. Медь можно выплавить с применением дров. И так далее — до самого первого знакомства человека с огнем. В «квантовых» нанотехнологиях мы только зажгли первую спичку. Инструменты наши примитивны. Но не они будут определять лицо «квантовой» наноиндустрии в долгосрочной перспективе, как не определяет кремневое огниво пещерного человека современное производство. Но — внимание! — появление новой индустрии подразумевает отказ от старой. Мы уже разучились строить пирамиды, мы скоро разучимся производить электронные лампы — опыт Чернобыля и Фукусимы наглядно показал, как опасен отказ от них: бывший Союз ССР сумел создать робота для работы вблизи активной зоны, Япония — уже нет. Мы утратим многие технологии, и если среди них окажутся те, которые принципиально важны для нашего выживания в экстраординарных условиях — а так оно и будет, — то последствия трудно представить. Давайте предположим, что на год-два отключили электричество. Всё. Повсеместно. Сможем ли мы когда-нибудь снова обеспечить его подачу? Но каков будет новый технологический уклад, основанный на «нано»? И какие риски с этим связаны? Об этом говорится в последней главе нашей книги. Одни вопросы разобраны достаточно подробно, другие только обозначены, многое пропущено. Но чтобы обо всем подробно и точно написать, пришлось бы здорово отклониться от того, что мы называем «нано». Нам бы пришлось окунуться в эмпиреи футурологии и научно-технологического прогноза. А эта книга все же о другом. Здесь мы затронем только один из самых «популярных» аспектов нового технологического уклада. Содержательным аспектом «квантовых» технологий являются наномеханизмы, в том числе наноактюаторы и наносенсоры, образующие особую группу механизмов, основанных на нанопринципах. Микроразмеры определяют не только чрезвычайно разнообразные, но и принципиально новые области применения наномеханизмов — вплоть до глобального контроля сред. В широком смысле слова роль наномеханизмов заключается в формировании нового технологического уклада, такого уклада, при котором производство конечного продукта, привычного нам, будет осуществляться на нанопринципах, а новым конечным продуктом будут наноустройства, которые невозможно

31

Итак, риски

представить в существующем технологическом укладе. Само производство и его инструментарий будут реализовываться за счет наноустройств и наноинструментов. «Конечным пунктом» такой «квантовой» наноиндустрии можно назвать нанорепликацию — когда наноустройства, совмещенные с наносенсорами по предложенной и «помещенной» в них программе, будут производить (собирая атомы в нужном порядке) письменные столы, продукты питания, биопротезы и органы для имплантации, и даже лемовские сепульки — что бы в будущем это ни означало. Это, вне всякого сомнения, далекая цель, но цель, которая позволяет нам оценить более близкие перспективы нашей погони за ней. При этом далеко не фантазийный характер мира наносенсоров и активных наноустройств демонстрируют ситуация и перспективы в «смежном» направлении — биотехнологиях, для которых наличие такого рода нанообъектов, как РНК- и ДНК-машины, — непреложный медицинский факт.

ƥǏƽLJ, ǍDžǎLJDž Разумный риск — самая похвальная сторона человеческого благоразумия. Джордж Сэвил Галифакс

ƥ

так, мы определили основные понятия, вокруг которых пойдет разговор о рисках, связанных с нанотехнологиями, и шире — с технологическим развитием и ожидаемой сменой технологического уклада, т. е. того, что ожидают от нанотехнологий как многочисленные эксперты — специалисты различных дисциплин и направлений, так и все мы. При этом мы уже договорились, что риски нанотехнологического развития могут быть разными. Среди них риски собственно технологические, риски экологические, экономические, социальные, политические, и наконец, риски системные. Но перечисления недостаточно: все это требует — пусть краткого — предварительного пояснения. Технологические риски достаточно разнообразны. Прежде всего применение технологий всегда связано с риском того, что

32

Введение

что-то опасно, что-то может пойти не так. Технологические процессы могут быть нарушены, возможно их катастрофическое развитие. Трубы газопроводов не должны взрываться, самолеты и автомобили — сталкиваться, страховочные альпинистские веревки — обрываться, но все это и многое другое происходит. Наша задача сделать наши технологии безопасными в том смысле, чтобы это происходило как можно реже. Нанотехнологии столь разнообразны, что с ними может быть связано большинство традиционных производственных рисков, присущих современному производству. Но нанотехнологии — это технологии в «превосходном» качестве, ведь и в области традиционных технологий мы их применяем затем, чтобы получить больший эффект. Значит и риски могут быть значимее. Необходимо сразу договориться: с оценкой риска не все так просто. Во-первых, есть риск как вероятность того, что произойдет нежелательное. А во-вторых, есть степень этого риска — тот результат, который получится, когда нежелаемое все же произойдет. В развитии нанотехнологий явно наметился тренд по снижению вероятности нежелательного. Но одновременно с этим могут расти риски, измеренные как степень или тяжесть последствий. Технологические риски также связаны с возможностью наших неверных оценок, просчетов, наконец, просто с недостаточностью знания. Квантовый мир — важный источник возможных неверных оценок. Здесь нас может подвести обыкновенный здравый смысл. Но и недостаток знаний, который у нас в последнее время «в достатке», — также немаловажный фактор. Авторы несколько лет назад давали рецензию на проект федерального закона «Технический регламент по безопасности устройств и систем, предназначенных для производства, хранения, транспортировки и использования водорода», а тема водородной энергетики тесно связана с нанотехнологиями. В проекте данного закона за безопасное количество водорода было предложено считать один килограмм. Но это очень много! Ведь водород легкий. Один килограмм взрывчатки — разве мало? Один килограмм водорода — это почти 30 килограмм в тротиловом эквиваленте! Заметим, что цена за незнание может быть еще выше, чем непреднамеренная детонация 30 килограмм взрывчатки.

Итак, риски

33

Примером тому является так называемый «человеческий» фактор, когда хочется чего-нибудь покрутить, поэкспериментировать, улучшить, как это было более четверти века назад в Чернобыле, или когда хочется сэкономить на регламентных работах, как это имело место относительно недавно на СаяноШушенской ГЭС. Фактор-то, конечно, «человеческий», но источником риска являются сами технологии. Технологический риск и «человеческий» фактор — братьяблизнецы. Если есть розетка, пальцы туда кто-нибудь обязательно сунет. И это справедливо от промышленности до бытового уровня. К технологическим можно также отнести риски, которые мы назвали системными и о которых речь пойдет в конце книги. Экологические риски настолько на слуху, что ошибочно принимаются как очевидные. Вот, ясно же, что атомная энергетика — источник возможных экологических бед. Многим ясно: зеленым, обывателю, как ни странно, нефтяным магнатам. А вот то, что обычная угольная электростанция (настоящая, а не придуманная альтернатива атомной энергетике) является активным источником радиоактивного заражения большой площади, — факт старательно замалчиваемый. Кроме того, природу беречь надо — факт! Но вот ведь интересно, согласились ли мы жить в девственно нетронутой природе? Человек — уж так он устроен — все время переделывает мир под себя: осушает болота и выводит бедняг-комаров, включая переносчиков малярии, а дай ему волю — изведет и энцефалитного клеща, как он извел бубонную чуму и тиф. А эти представители живого мира прекрасно чувствовали себя еще не так давно — в темные века. Вообще, с «экологией» не все ясно. Распространенное и активно распространяемое представление об экологии как о защите Мира от Человека — просто удивительно. Наши базовые представления антропоцентричны, или, проще говоря, человекоцентричны. Мы даже называем это эмоционально окрашенным термином — «гуманизм». А экология у нас — удивительное исключение. Однако, несмотря на разнообразные протесты и препоны, мы будем продолжать конструировать нашу среду обитания «под себя». И нанотехнологии — следующий шаг в этом направлении. Просто мы должны «не гадить» и убирать за собой, бережно относиться к ресурсам и т. д. И самое главное, внимательно следить

34

Введение

за рисками — уж слишком часто нам доводилось напортачить. Пестицид ДДТ, применяемый ранее в сельском хозяйстве, уже нашли в печени пингвинов. Озоновые дыры, как считают эксперты, — во многом следствие выброса парниковых газов и фреона, ранее применявшегося в холодильниках. Нанотехнологические новации, скорее всего, не избегут общей судьбы — какой-нибудь гадостью что-нибудь обязательно засорим. Но это опять «человеческий» фактор, но уже совсем в ином виде — наше коллективное, порой безответственное, поведение. Ведь чтобы «не бросать бычки на пол», не обязательно бросать «курить». С развитием нанотехнологий обязательно связаны и экономические, и социальные риски. Появление новых технологий — это далеко не всегда совершенно новое. Зачастую это замена старого. Такие технологии называют замещающими, и с ними связаны наиболее очевидные риски. Вот есть у вас кислотное производство в автомобильной промышленности. Четыре города на него работают. И вдруг придумали новое покрытие, и кислотное травление, с которым так долго боролись экологи, больше не нужно. Вместе с четырьмя крупными городами. Так собственно совсем недавно и было: место действия — американская автопромышленность. Последний пример показывает: экономические и социальные риски в условиях технологических перемен непосредственно связаны со структурными. Пока в муках родов нового технологического уклада структура экономики трещит по швам, экономическая и социальная ткани неизбежно нарушаются как минимум до тех пор, пока не установится новая структура экономики, а часто и за этими пределами. Здесь же и политические риски, куда же без них. Даже Интернет и социальные сети их порождают. А как новые технологические возможности скажутся на балансе экономической мощи государств, как скажутся на военных и смежных с ними возможностях — тема серьезного разговора. Все риски, перечисленные и не перечисленные нами, могут проявиться одновременно, совокупно, обостряя друг друга. Риски так переплетаются, что в сущности мы имеем дело с новым риском — риском нарушения или изменения системы или ее принципиальной незаконченности, недостаточности. Итак, риски.

ƴƝƮƯƹ I

ƪƝƪƫ ƟƫƧƭưƠ

ƠLjƽƿƽ 1

ƧNjƿƽǍNJƽǜ njǍNjǔNJNjǎǏǙ 1.1. ƠNjLjNjƿƽ DžLjDž ǒƿNjǎǏ? Желание избежать ошибки — вовлекает в другую. Квинт Гораций Флакк Когда исчезнет то, что зло сейчас, немедленно наступит то, что зло завтра. Фазиль Искандер Устранение факторов, способных привести к нежелательному исходу, обнаруживает новые такие факторы. Седьмой закон Мерфи

ƪанотехнологии начинаются с материалов, как, впрочем, и

все в привычном нам мире, — мире, начиная с древних шумеров, построенном на технологиях. Ведь если мы сделали какую-

38

Глава 1. Коварная прочность

то материальную вещь, то она обязательно сделана из материала. Много раньше мы строили и делали наши инструменты из дерева и камня. Потом настала эпоха меди и бронзы. Ее сменил век железа и стали, при котором мы научились делать механизмы. Алюминий и алюминиевые сплавы, а также титан позволили нам развить авиацию, штурмовать космос. Наш прогресс — это во многом прогресс материалов. Конечно, в современную эпоху — эпоху информационных технологий — может последовать серьезное возражение, ранее не имевшее место. Спрашивается: из какого материала сделана компьютерная программа? А ведь она так же важна и полезна, как и любая материальная вещь! Она настолько полезна, что ее можно продать, и объем продаж таких программ давно превысил соответствующий объем для многих вполне материальных вещей, например мебели. Действительно, в современном мире все сильней становится представление о нематериальных ценностях и активах: будь то вполне «осязаемая» программа или совершенно эфемерный гудвилл — репутация той или иной фирмы, товарного знака, бренда, оцененная в деньгах. Говорят даже об экономике знаний как о новом этапе нашей технологической цивилизации. Знания — вот истинная ценность, которую стоит производить, а они нематериальны. Все это отчасти верно. Но представьте себе, что мы начали обменивать знания на знания, не производя ничего другого. Будет ли это экономикой? Однако и знания мы сохраняем на материальном носителе. Сначала были глина и клинопись, потом папирус и иероглифы, затем пергамент и буквы, бумага и печать1. Сегодня — это компьютерная память, которая благодаря нанотехнологиям становится все более емкой и надежной. Развитие наших знаний тесно связано с материальными возможностями по их хранению и передаче. Здесь уместно вспомнить простенький анекдот. Заспорили как-то Интернет и Компьютерная программа — кто главнее. Интернет кипятится: — Ты, Программа, без меня ничего не передашь и не получишь. Где ты возьмешь данные для своей работы?

1 Авторы не приводят действительную историческую последовательность событий. Это лишь иллюстрация общего принципа.

1.1. Голова или хвост?

39

Программа возмущена: — Да без меня какая же передача данных: кто запрос отправит, кто по полочкам все разложит?

— Глупости, — отвечает Интернет. Тут пришло Электричество. Грустно улыбнулось… и всех выключило. Мораль проста: даже если мы и не видим материального основания — оно непременно есть. Оно лежит в основе всего. Наш мир — это, прежде всего, мир материалов, по крайней мере сегодня. Без материального носителя нет программы: будь то электронный диск, микросхемы памяти компьютера или флеш-устройства. Да и работа всех электронных устройств — от хранилищ информации до процессоров — требует такого материального основания, как производство энергии. С появлением «нематериальных» вещей наш мир стал еще более материальным, чем раньше. Правда, многие материалы стали другими. Появились совсем новые материалы, неизвестные и не используемые ранее, как, например, нанокомпозиты на основе фуллеренов или дендримеров, молекулярных конструкций, придуманных и синтезированных человеком. Кроме того, многие старые материалы приобрели новые качества, да такие, что мы вправе считать их совсем другими материалами. Такое случилось, например, с металлами. Действительно, мы не отказались от металлов. Однако теперь мы стали их специально обрабатывать — наноструктурировать. Мы можем наноструктурировать сам металл, его тело. Но чаще мы покрываем его специальными нанопокрытиями, чтобы сделать материал тверже, уменьшить трение, обеспечить его биологическую совместимость, т. е. для разных целей и по разным основаниям. Действительно, покрытие может сильно изменить свойства материала — это давно известно, но мы часто не обращаем на это внимания. Мало кто догадывается, что алюминиевая посуда ядовита. Мы в ней готовим, иногда в ней храним продукты (что, правда, не рекомендуется). В чем же дело, почему никто до сих пор не отравился? Все дело как раз в покрытии. Алюминий, или его сплав, такой как дюралюминий, всегда покрыт окисной пленкой. Не специально. Она образуется сама — на воздухе. Окисная пленка не ядовита и прочна. Алюминий надежно изолирован от наших продуктов. А если вы все же поцарапали кастрюлю — новая пленка на воздухе образуется практически

40

Глава 1. Коварная прочность

мгновенно. Но вот если вы поцарапаете такую кастрюльку в вакууме или в инертной атмосфере и будете в ней готовить пищу (конечно, если это будет возможно), то результат будет крайне неожидан — ваша кастрюля начнет растворяться в супе (точнее — в воде) с бурлением пузырьков выделяющегося водорода от разложения воды. (Кто на уроках химии в школе бросал в воду калий и наблюдал, как он «горит» в воде, знает, о чем идет речь.) Увидев все это, вы вряд ли рискнете попробовать варево. И правильно — токсично! Подчеркнем: когда мы имеем дело с материалом (например, трогаем его руками или храним в нем продукты), мы имеем дело не с ним, а с его поверхностью. А это не одно и то же! Алюминий — тот же калий, только покрыт прочной оксидной пленкой, и его не приходится хранить в пузырьке под слоем керосина. Нанотехнологии — это в том числе и технологии изменения свойств материалов за счет изменения его поверхности. Мы либо изменяем структуру поверхности, ее строение, либо наносим на поверхность тончайшие слои чего-то другого. И свойства материала на поверхности меняются, причем зачастую принципиально. Поэтому с нанотехнологиями мы получаем что-то вроде алюминиевой кастрюли, только наоборот. В кастрюле мы были хорошо знакомы с поверхностью, но плохо знали, что скрывается под ней. А в нанотехнологиях мы можем иметь дело с вполне знакомыми материалами, поверхность которых — чтото совсем другое. И у нас есть шанс обмануться. Представьте, что мы держим в руках привычную, как нам кажется, вещь, например резец для обработки сверхтвердых материалов, думаем, что это — привычная нам сталь, свойства которой нам хорошо знакомы. А это и сталь и не сталь! Нет, «внутри» она такая же, а вот поверхность стали уже нечто совсем другое — ведь именно этого мы добивались, изменяя ее свойства, например твердость. Но где гарантия, что мы не изменили — ненамеренно — и других свойств поверхности? Впору писать этикетки-напоминания, как это теперь часто делают: «Внимание: привычный нам материал может нас обмануть». И действительно, мы можем не ожидать от него опасности. Ведь многие из нас держали сверла в руках и знают — это вполне безопасно, не надо только руки сверлить! Конечно, сверла, покрытые специальным покрытием, как правило, безопасны. Но в этом «как правило» и скрыт наш риск. Если все делать «по ин-

1.1. Голова или хвост?

41

струкции», вряд ли стоит ожидать каких-нибудь неприятностей, кроме какой-нибудь специфической аллергической реакции. Но мы не роботы. Обязательно что-нибудь придумаем и попробуем, например просверлить магниевый сплав1. Итак, наноматериалы таят в себе опасность. Привычные нам вещи становятся не тем, что мы привыкли от них ожидать. Наш «опыт» может нас подвести. Только мы не всегда знаем как, где и когда! Появление новых материалов всегда таило в себе опасность. Человечество уже сталкивалось с подобной проблемой. Во второй трети ХХ в. в нашу жизнь стремительно ворвались синтетические материалы органической химии. Корпус и клавиатура компьютера, на котором писалась эта книга, как раз и сделаны из таких материалов. Это пластики или пластмассы. Данные материалы оказались нам крайне полезны. Они хорошо обрабатываются — деталь или изделие можно вылить или формировать за счет высокой температуры, а не точить, как это мы делали с металлами. Они оказались хорошими изоляторами, никого сегодня не удивляет оплетка электропроводов из такого материала. Некоторые из них оказались достаточно прочны, чтобы делать прочные вещи. Но… Этих «но» — множество. Все мы знаем о вреде «китайских» игрушек. Нет, конечно, дело не в том, что эти игрушки произвели именно в Китае — стране с великой культурой — или на подпольном заводике в подмосковном городе Долгопрудный — городе с высокими научными и технологическими традициями. Просто среди возможных материалов, удобных для производства игрушек, оказались материалы, со временем или под воздействием света «стареющие». Старение — это процесс разложения материала с выделением вредных, часто ядовитых, продуктов распада. И именно из этих материалов недобросовестный производитель производит детские игрушки, а недобросовестный продавец их продает. И добавим: недобросовестная мама уступает тормошащему ее ребенку, поддаваясь детскому «ну, мама, купи…». Повторимся — дело не в том, что игрушки «китайские». Дело в том, что 1 Авторы из общих соображений, хотя и не пробовали, предполагают, что при тех режимах обработки, которые используют для наноструктурного режущего инструмента (высокие скорости обработки), можно устроить неплохой фейерверк.

42

Глава 1. Коварная прочность

большая часть производителей, продавцов и — что часто упускают из виду — покупателей во всем мире недобросовестна! И добросовестными они становятся с огромным трудом. Ведь производителю выгодно взять дешевый и удобный материал. Продавцу удобно продать относительно недорогую игрушку — ведь выглядит она вполне качественной. Покупателю дорогая игрушка была бы вообще не по карману. Да и думает он совсем не о том, что детям нужны другие игрушки — не те, которые ему навязывают реклама и продавцы. Вот и ответьте теперь сами на вопрос: а почему с наноматериалами будет иначе? Неужели и производитель, и продавец, и покупатель будут другими: обуреваемыми чувством ответственности и не стремящимися к выгоде за счет других? Конечно, когда мы делаем ракеты, мы более ответственны1. Но вдруг дело и до «игрушек» дойдет! Удивительно, но именно пластики демонстрируют нам и обратную сторону этой проблемы. Обратная сторона — это наша попытка избавиться от недостатков, в данном случае — от способности пластиков разлагаться. Вот мы разработали материалы, которые не разлагаются от солнечного света (а это действительно так). Пусть они дороже, сложнее в использовании, т. е. частью преимуществ, которых мы добивались, мы поступились. И приняли меры, чтобы «вредные» материалы не применяли — запретили их использование, тщательно следим за тем, чтобы никто не применял разлагающиеся пластики. Но хорошо ли это? Как оказалось, вовсе нет. К сожалению, это привело нас к новой проблеме — проблеме «пластиковых пакетов». Массовое производство пластиковых пакетов, которые нам бесплатно или за небольшие деньги представляют магазины при покупках, — отличительная черта нашего времени. Ушли в прошлое авоськи и хозяйственные сумки — их сменил его величество одноразовый пластиковый пакет. И действительно, зачем нам носить свою сумку, ведь это же неудобно. Но вот беда. Пакетов стало так много, что они составили значительную часть нашего мусора — а мусор «одноразовым» не бывает. Тем более что такой пакет разлагается очень и очень долго. Ведь Оказалось, что и здесь — в отсутствии должного контроля — картина та же. Сегодня СМИ сообщают о выявленных случаях производства деталей для ракетоносителей на «заводах в сарайчиках».

1

1.1. Голова или хвост?

43

мы его таким сделали: он должен быть безопасным с точки зрения выделения вредных примесей, тех самых вредных примесей, за которые мы ругали «китайские» игрушки — мы же в него пищевые продукты кладем. И, естественно, лишь на то время, которое нам нужно, чтобы сходить в магазин: никто не говорит о том, что при долгом разложении в итоге токсичных веществ выделится меньше. И накапливаются наши пакеты, загрязняя планету, — там, где мы их нечаянно обронили или беспечно бросили, там, куда их принесло ветром или прибило прибоем. Лежат себе у реки, на лесной полянке, на пляже и не разлагаются. Лежат и на полигонах — так застенчиво мы называем громадные отвалы свозимого мусора. Уж нет в живых того, кто бросил пакет, а «напоминание» о нем живет — тот мусор, который он оставил своим потомкам. Ведь не банановая шкурка — не гниет. Пластики как новые, искусственные материалы демонстрируют нам ту принципиальную сложность, которая связана с созданием неестественных, чуждых природе, материалов, а такими и являются все наноматериалы. Избегая одной проблемы, мы тут же становимся жертвами другой. Обязательно! Эту ситуацию образно можно назвать дилеммой «головы и хвоста»: голову выдернул — хвост увяз, хвост выдернул — голова увязла, т. е. пластики или не разлагаются, или травят нас удушливыми газами. Авторы не утверждают, что эта дилемма неразрешима в принципе. Просто на ее решение нужно время, нужно затратить усилия, другие ресурсы и немало. Пройдет 40 лет и более, и возможно, проблема перестанет быть столь острой. Тот, кто помнит запах первых отечественных болоньевых курток шестидесятых (сегодняшние «китайские» игрушки по этому «параметру» все же здорово не дотягивают), тот понимает, насколько мы сегодня успешны в решении этой проблемы. Но это не отменяет самой проблемы относительно новых материалов — как сегодня, так и на длительную перспективу. В подтверждение можно привести еще один пример. Пластики применяются для изоляции. И там, «где есть электричество», их применяют для обеспечения безопасности людей. Этого требуют нормы электробезопасности. Однако многие из пластиков горят. И их применение запрещено, но уже другими нормами — противопожарными. Выход, казалось бы, прост: применить пластик, который не горит, благо такие пластики есть. Но пластики не горят за счет содержания в них фто-

44

Глава 1. Коварная прочность

ра — все, что могло бы гореть, связано с фтором; а фтор — более сильный окислитель, чем кислород, вот пластик и не горит в 21%-й кислородной атмосфере. Но этот, так сказать, выход — классическая демонстрация нашей дилеммы «голова-хвост». Гореть-то он не горит. Но вот, если что горит рядом, а гореть всегда есть чему, — он хорошо разлагается от температуры соседнего горения. И выделяет фтор и его ядовитые соединения! От огня при пожаре вы, может, и не погибнете, а вот от дыма, содержащего соединения фтора, — наверняка! И эти материалы также запрещены противопожарными нормами. Получается, что по одним нормам вы должны покрыть металлические проводящие поверхности пластиком — чтобы током не «шарахнуло», по другим — пластики применить нельзя: одни горят, другие травят. Этот казус не решен и сегодня. За пожарную безопасность нового здания проектировщик вынужденно берет ответственность на себя — в надежде, что пожара не будет. А пожарные знают — не так страшен огонь, как дым. Берегитесь дыма — вот лейтмотив современного пожарного дела. Итак, наш опыт, касающийся появления принципиально новых, не встречающихся ранее в природе материалов, говорит нам в отношении нанотехнологий следующее. Во-первых, будь осторожен, не доверяй своему опыту, наш опыт — обманщик (вот ведь как интересно получилось, ранее мы, прежде всего, полагались именно на опыт). То, что кажется привычным и понятным, таковым не является. Во-вторых, в погоне за столь желаемыми преимуществами и новыми возможностями, которые нам дают новые материалы, основанные на новых технологиях, всегда полезно помнить принцип: хвост вытащил — голова увязла. Решенная сегодня проблема — обязательно источник новой. А в сумме: главный риск применения новых материалов в том, что риска мы часто и не видим. А он есть! Обязательно. Следи за хвостом! Ʉɪɚɬɤɚɹ ɬɚɛɥɢɰɚ ɪɢɫɤɨɜ Ɋɢɫɤ ɨɩɵɬɚ — «ɩɪɢɜɵɱɧɵɟ ɢ ɡɧɚɤɨɦɵɟ» ɦɚɬɟɪɢɚɥɵ ɦɨɝɭɬ ɛɵɬɶ ɧɟ ɬɟɦ, ɤ ɱɟɦɭ ɦɵ ɩɪɢɜɵɤɥɢ. Ɋɢɫɤ ɧɟɡɧɚɧɢɹ — ɩɨɜɟɞɟɧɢɟ ɧɨɜɵɯ ɦɚɬɟɪɢɚɥɨɜ ɦɨɠɟɬ ɛɵɬɶ ɧɟɨɠɢɞɚɧɧɵɦ ɢ ɢɦɟɬɶ ɧɟɩɪɟɞɫɤɚɡɭɟɦɵɟ ɩɨɫɥɟɞɫɬɜɢɹ.

1.2. Порошок или пыль?

45

Ɋɢɫɤ ɞɨɛɪɨɫɨɜɟɫɬɧɨɫɬɢ — ɧɨɜɵɟ ɦɚɬɟɪɢɚɥɵ ɫɥɭɠɚɬ ɢɫɬɨɱɧɢɤɨɦ ɜɨɡɦɨɠɧɨɝɨ ɧɟɞɨɛɪɨɫɨɜɟɫɬɧɨɝɨ ɩɨɜɟɞɟɧɢɹ ɤɚɤ ɩɪɨɢɡɜɨɞɢɬɟɥɹ, ɬɚɤ ɢ ɩɨɬɪɟɛɢɬɟɥɹ. Ɋɢɫɤ ɩɪɟɨɞɨɥɟɧɢɹ ɪɢɫɤɚ — ɪɟɲɚɹ ɨɞɧɭ ɩɪɨɛɥɟɦɭ, ɩɨɪɨɠɞɚɟɲɶ ɞɪɭɝɭɸ.

1.2. ƬNjǍNjǕNjLJ DžLjDž njǘLjǙ? Наука не может быть виновата. Виноваты только те люди, которые плохо используют ее достижения. Фредерик Жолио-Кюри

Конечно, есть риски, которые мы осознаем и понимаем, которые мы учитываем уже сегодня, которые мы пытаемся оценить и предотвратить. Вот тому пример. Нанотехнологии, что называется, генетически связаны с манипулированием наночастицами и их совокупностью, нанопорошком — огромным количеством наночастиц примерно одинакового или различного размера. Нанопорошок применяется для создания множества самых различных наноматериалов. Это и нанокомпозиты на основе специальных пластиков с добавлением упрочняющих нанодобавок (употребляют мудреное слово «препреги»), это и покрытие поверхностей нанопорошком, это и создание керметов1 — спекание смеси нанопорошков металлов в металлокерамику. Это и многое другое — конечно, если использовать наночастицы «похитрее», такие, например, как дендримеры (дендримеры подробно описаны в п. 2.1 «Фрактальная симфония»). Но факт остается фактом. При производстве нанопродукции часто используется нанопорошок. А бывает, что наноматериал содержит этот наноразмерный порошок в себе (так, например, устроены нанокомпозиты). Риски, связанные с применением нанопорошков, изучены лучше всего. В чем здесь основная опасность? Частицы наноКермет — керамический металл, металлокерамика, искусственный материал, представляющий собой гетерогенную композицию металлов или сплавов, в том числе с неметаллами.

1

46

Глава 1. Коварная прочность

порошка настолько малы, что клеточные мембраны (а в них есть маленькие «окошки» для того, чтобы обеспечить необходимый обмен веществ, работающий на принципах осмотического калий-натриевого насоса) не препятствуют проникновению наночастиц в клетки. Попадая в организм, возможно наш, наночастицы любят накапливаться в определенных его органах и тканях. Чтобы понять это, в жертву науки была принесена не одна мышка, естественно, не компьютерная. Таких мышей специально выводят для проведения экспериментов. Это так называемые чистые линии1. Все они ближайшие родственники, поэтому про каждую из них известно очень многое — с ее копией уже проведено множество экспериментов. Но что еще важнее — результаты различных опытов, проведенных различными научными группами в разное время и в различных местах нашего мира, можно сравнивать! Ведь опыты ставились — пусть почти — на одной и той же мыши. Вот на основании результатов множества опытов с различными нанопорошками ученые выработали свои рекомендации: это представляет опасность, это нет, данная концентрация порошка или экспозиция (концентрация, помноженная на время) безопасна, а вот эта — нет. Свои рекомендации они оформили в виде СанПиНов. СанПиНы (санитарные правила и нормы) — это нормативные документы, обязательные к применению. Следует отметить, что российская система СанПиНов в сравнении с зарубежными наиболее адекватна возможным угрозам. Во-первых, если ее сравнивать с европейской или американской системой санитарных норм, она наиболее тщательно проработана, наиболее научно обоснована, опирается на мощнейший действующий институт Российской Федерации — Роспотребнадзор. Пусть вас не введет в заблуждение слово «санитарные» в названии — СанПиНы регулируют практически все вплоть до света лампочек, о чем речь идет в п. 1.5 «Светло, да не видно», а служба контролирует все, что регулируется СанПиНами. Кто не знает Геннадия Онищенко! Но кроме общей «мощности» системы норм, устанавливающих санитарные правила, российский подход к разработке 1 Чистая линия — группа организмов, имеющих некоторые признаки, полностью передающиеся потомству в силу генетической однородности всех особей.

1.2. Порошок или пыль?

47

таковых для нанотехнологий отличается от мировых (американского и европейского) в лучшую сторону вот еще чем. Европейский подход рассматривает нанотехнологии как один из видов технологий, которые регулируются уже существующими нормами. Возможно, их надо подправить, но они уже есть — написаны и зафиксированы. Очевидно, что такой подход не учитывает особенностей, связанных непосредственно с нанотехнологиями, а эти особенности есть. Во всяком случае они ожидаются: мы связываем с нанотехнологиями большие надежды, которые не реализуются в рамках традиционных технологий, значит, должны предполагать и их принципиальные особенности. Американский подход, напротив, «пренебрегает» накопленным опытом. Нанотехнологии — это принципиально новое. И все должно строиться по-новому. Российский подход — синтетический. Не отвергая накопленного опыта (надо заметить, громадного!), для нанотехнологий создают самостоятельные СанПиНы в рамках уже существующей единой системы СанПиНов. Важно подчеркнуть, Российская Федерация — мировой лидер в области обеспечения нанобезопасности, понимаемой как санитарная безопасность (а это понимание крайне широко, как мы только что отмечали), как гарантия непричинения вреда здоровью отдельного человека: взрослого и ребенка, здорового и больного, потенциальной матери и беременной женщины. Для каждой группы населения, в том числе для отдельных профессиональных групп, — свои требования, свои нормы. И дело не только в том, что выбран правильный подход. В Российской Федерации проведен огромный объем практических исследований по обеспечению такой безопасности. И на основании полученных результатов создана система СанПиНов, рассматривающая нанобезопасность во множестве ее аспектов. Правда, по утверждению самих разработчиков, далеко не все риски удалось устранить. Есть один риск, который трудно поддается анализу. Это риск долговременных последствий. Конечно, в опытах на животных мы заглянули далеко в будущее. За несколько лет исследований на мышах можно заглянуть за горизонт 50—70 лет человеческой жизни — учитывая разные темпы жизненных процессов. Но заглянуть дальше — трудно. Не все опыты можно ставить на быстроживущих дрозофилах, как это делают генетики.

48

Глава 1. Коварная прочность

Правда, один опыт природа сама поставила в долгосрочной перспективе. Есть такой материал — асбест. Это природный минерал, состоящий из нановолокон. Его применяют не только как огнеупорный материал (нановолокна — отличный термоизолятор), но и как термоизолирующий материал в строительстве. Было время, когда нельзя было найти дом, в котором при его строительстве не был применен асбест — где-то в большом объеме, где-то совсем немного. К счастью, это уже в прошлом. Оказалось, что этот материал, попадая в легкие человека, приводит к тяжелым последствиям. Астма — наименьшее из зол. Среди самых тяжелых последствий — рак дыхательных путей. И все это исключительно в силу механических свойств нановолокон асбеста, тех свойств, которыми обладают любые нановолокна. Следовательно, контакт нановолокон с органами дыхания должен быть исключен. СанПиНы это предусматривают уже давно. То, что размер частиц может иметь последствия — и не только для здоровья человека, — хорошо демонстрирует факт запрета курения в машинных залах электронно-вычислительных машин в 70—80 годы прошлого века. Дело вовсе не в том, что заботились о здоровье сотрудников, — из-за табачного дыма выходили из строя дисковые накопители, ласково называемые ЭВМ-щиками «кастрюлями». Размер частицы табачного дыма соответствовал ширине зазора между диском и магнитной головкой. Попадая в этот зазор, дым работал как абразив, стачивая магнитную поверхность диска. И для организма человека (да и животного) тоже есть «критические» размеры частиц, например «дыма» из нановолокон, когда в нашем организме чтото «истирается». И СанПиНы это учитывают — этот размер частиц безопасен, а этот нет. Но одними СанПиНами дело не ограничивается. Во-первых, совершенно все ими отрегулировать попросту невозможно. На каждый случай правило не напишешь. А во-вторых, там, где правила есть, их надо соблюдать, а это сложно. И дело не только в потенциальной недобросовестности. Мы просто часто думаем, что делаем правильно, поступая так, как не следовало бы. Вам любой химик скажет, что с ионами металлов — любых металлов, в том числе серебра, — нужно быть осторожными. Их растворы лучше не пить. Однако еще совсем недавно было широко распространено изготовление

1.2. Порошок или пыль?

49

«святой воды»: опускаешь в воду серебряную ложку, и вода не портится. И правда — не портится, потому что микробы передохли. И ключевое слово здесь «передохли». Но мы отчего-то уверены, что нам это не во вред, мы — не микробы! И если раньше это могло быть оправданно — не пить же воду, рискуя заразиться холерой или брюшным тифом, то сегодня у нас есть иные источники безопасной воды, в том числе благодаря нанотехнологичным фильтрам. И ионы серебра глотать для этого не обязательно. Вы скажете, что пример «притянут за уши». Мало ли каких заблуждений раньше не было? Но именно этот пример сегодня «успешно» реализуется в нанотехнологиях. Конечно, в условиях космического полета очень трудно часто менять носки. Да и для военнослужащего в условиях боевых действий, учений, к ним приближенных, просто в сложных условиях, актуальна та же проблема. Поэтому носки, ткань которых содержит серебряные наночастицы, не дающие ногам «потеть», — вещь, безусловно, полезная. Но это не отменяет того факта, что наночастицы серебра в целом для организма вовсе не полезны. Но за дело принимается реклама — и носки с наночастицами серебра становятся предметом моды. Они становятся «желательными». Мы носим такие носки на том же основании, которое побуждает нас чистить зубы. Неряшливо поступать иначе! А может быть лучше чаще менять носки? Мы же не космонавты — нам это не трудно. Но что мы будем делать, если других носков попросту не будет? А такое вполне может случиться, например по экономическим причинам. Зачем выпускать дешевые носки, если можно делать их дороже? Они не только носки, но и антисептик. Два в одном. Значит — дороже! Вам это не нужно? А ответьте себе, сколькими опциями своего мобильного телефона вы активно пользуетесь? Заплатили-то вы за все! С применением санитарных норм связано и следующее обстоятельство. Для разных категорий людей, как мы уже отмечали, установлены разные нормы. И это справедливо! Для детей — одно, для взрослых — другое. Все верно! Вот только осталось объяснить, почему учеников кормят школьными обедами такого качества, что взрослый есть не станет. Он-то, взрослый, имеет — пусть ограниченную — возможность выбирать, а школьник

50

Глава 1. Коварная прочность

нет. Вот захотели взрослые дяди дать в руки ребенку планшетник вместо привычной книги. И оказывается одни СанПиНы можно изменить (что равносильно отмене), а другие придумать: нельзя же «бедному» ребенку носить тяжелые книги — вредно это, а на остальное — наплевать. Наплевать на зрение, на навыки, на… впрочем, подумайте сами. Риск, что с нанотехнологиями будет так же, можно считать уже состоявшимся (планшетник, кстати, проходил по статье «нано», правда трудно понять, с какой стати1). Вы можете заметить, что все это «человеческий фактор». Просто власть должна быть более эффективной и не принимать неверных решений, как это имеет место с вышеприведенным планшетником, что дельцы должны быть не дельцами, а бизнесменами, не лоббирующими такие решения, что рынок должен быть совершенным, конкуренция на котором не позволяет принуждать нас к ношению чудо-наноносков с вредным для здоровья серебром, что, наконец, мы сами должны быть готовы… И так далее… Да, наверно, фактор действительно «человеческий». Вот только не бывает технологий в отрыве от «человеческого» фактора — мы об этом вас предупреждали еще во введении. Предполагать идеальные условия — это значит отказаться от учета рисков в принципе. Природа риска такова, что нежелательного может и не быть. Мы вообще-то надеялись и надеемся, что нежелательного не произойдет. Вот только «карты легли» как-то не так. И то, что казалось в идеальных условиях безопасным, безвредным, вдруг оказалось пренеприятной гадостью. Конечно, при анализе рисков следует различать технологический и человеческий факторы, хоть они и принципиально связаны. И лишь технологическая составляющая позволяет риску иметь место — не можем же мы устроить взрыв из ничего, какой человеческий фактор ни прикладывай, а вот из мелкодисперсного порошка — пожалуйста. Если взять бумажный пакет сахарной пудры, «хлопнуть» его, чтобы пудра разлетелась, и бросить в облако пудры горящую спичку… Пудра, продававшаяся в конце 60-х, первой половине 70-х годов в каждой московской булочной, — технологический фактор. Юный возраст одного из Конечно, можно считать, что все, что делает Роснано, — по определению нано, но строго обратное утверждение, по мнению авторов, гораздо больше соответствует фактам.

1

1.2. Порошок или пыль?

51

авторов этой книги — человеческий фактор. К счастью, в те далекие годы все закончилось относительно благополучно. А вот взрыв на мукомольном производстве — а такое, наверное, было не раз — имеет куда более тяжелые последствия. И поди пойми, какой человеческий фактор сработал: закурил ли какой-нибудь идиот, не досмотрел ли за электрическим контактом электрик, что привело к искре, — скорее всего, этого никогда не узнать. Важно помнить: если есть технологическая возможность — человеческий фактор найдется, например в лице ребенка, ставящего небезопасный эксперимент с сахарной пудрой, или взрослого, испытывающего очередную версию вакуумной бомбы (о которой речь пойдет ниже) на основе взвеси нанодисперсных частиц, нашего нанопорошка — разница часто бывает не велика. Заодно запомним: если нанопорошок получен из материала, который в принципе может гореть — а это наши фуллерены и нанотрубки, то над ним лучше не проводить подобных экспериментов по распылению. А производства должны иметь соответствующую систему взрывобезопасности — как на мукомольном производстве, с учетом всех «человеческих» факторов. Ʉɪɚɬɤɚɹ ɬɚɛɥɢɰɚ ɪɢɫɤɨɜ Ɋɢɫɤ ɜɪɟɞɚ ɧɚɧɨɱɚɫɬɢɰ ɡɞɨɪɨɜɶɸ ɱɟɥɨɜɟɤɚ ɧɚ ɩɪɨɢɡɜɨɞɫɬɜɟ. Ɋɢɫɤ ɩɪɢɦɟɧɟɧɢɹ ɦɚɬɟɪɢɚɥɨɜ ɫ ɫɨɞɟɪɠɚɧɢɟɦ ɧɚɧɨɩɨɪɨɲɤɚ ɞɥɹ ɡɞɨɪɨɜɶɹ ɩɨɬɪɟɛɢɬɟɥɹ. Ɋɢɫɤ ɩɨɛɭɠɞɟɧɢɹ ɤ ɧɟɩɪɚɜɢɥɶɧɨɦɭ ɩɪɢɦɟɧɟɧɢɸ ɢɡɞɟɥɢɣ ɫ ɫɨɞɟɪɠɚɧɢɟɦ ɧɚɧɨɦɚɬɟɪɢɚɥɨɜ. Ɋɢɫɤ ɞɨɥɝɨɜɪɟɦɟɧɧɵɯ ɜɨɡɞɟɣɫɬɜɢɣ ɧɚɧɨɦɚɬɟɪɢɚɥɨɜ ɧɚ ɨɪɝɚɧɢɡɦ ɱɟɥɨɜɟɤɚ. Ɋɢɫɤ ɧɟɞɨɫɬɚɬɨɱɧɨɫɬɢ ɢɥɢ ɧɟɫɨɛɥɸɞɟɧɢɹ ɫɚɧɢɬɚɪɧɵɯ ɧɨɪɦ ɢ ɩɪɚɜɢɥ. Ɋɢɫɤ ɫɨɡɧɚɬɟɥɶɧɨɝɨ ɢɫɤɚɠɟɧɢɹ ɫɚɧɢɬɚɪɧɵɯ ɧɨɪɦ ɢ ɩɪɚɜɢɥ ɜ ɫɢɥɭ ɧɟɬɟɯɧɨɥɨɝɢɱɟɫɤɢɯ ɩɪɢɱɢɧ. Ɋɢɫɤ ɧɟɭɱɟɬɚ ɱɟɥɨɜɟɱɟɫɤɨɝɨ ɮɚɤɬɨɪɚ ɩɪɢ ɨɛɪɚɳɟɧɢɢ ɫ ɧɚɧɨɦɚɬɟɪɢɚɥɚɦɢ.

52

Глава 1. Коварная прочность

1.3. ƧNjƿƽǍNJƽǜ njǍNjǔNJNjǎǏǙ Dž NjLjNjƿǜNJNJƽǜ ǔǐljƽ Чтоб доверие было прочным, обман должен быть длительным. Дон Аминадо (А. П. Шполянский)

ƪаша санитарная безопасность применения наноматериалов,

как написано выше, во многом зависит от поверхности материала. Но безопасность — не только санитарная. Что мы хотим от материала? Прочности? Пластичности? Электропроводности? Конечно, для разных материалов — разного. Но только ли этого мы хотим? Нет! Прежде всего мы хотим, чтобы материал, любой, нас не подвел, чтобы он в любых разумных условиях был прочным, пластичным или электропроводящим. А это зависит, как правило, не от поверхности, а от всего материала целиком. Соответственно риски, которые мы рассмотрим здесь, — это риски применения объемно наноструктурированных материалов. А с ними связана одна принципиальная особенность. Наноструктурное состояние — это так называемое метастабильное состояние. Пояснить это можно следующим образом. В разных условиях материал предпочитает находиться в различных состояниях: для каждого условия — свое состояние. Так, вода выше 100 градусов должна быть паром. Это ее нормальное, стабильное состояние. Она и закипает. Но можно воду — очень чистую воду, не содержащую ни пузырьков газа, ни пылинок, ни растворенной соли (всего того, что может быть центрами закипания), — нагреть до температуры и выше 100 градусов. Вода бы закипела, но она не знает, откуда начать. Но стоит бросить в нее крупинку, вода «взорвется», мгновенно превратится в пар. Перегретая жидкость (в нашем случае — вода) — это нестабильное состояние. Метастабильное состояние в чем-то похоже на стабильное — оно относительно устойчиво. Одновременно оно похоже и на нестабильное — также относительно. Дело только в степени этой относительности. Как правило, мы считаем метастабильные состояния столь же устойчивыми, сколь и стабильные. Твердое тело — а именно для него не только возможны, но и характерны метастабильные состояния — может находиться в различных состояниях. Замечательный тому пример — углерод.

1.3. Коварная прочность и оловянная чума

53

Мы хорошо знаем уголь, графит и алмаз. Но благодаря нанотехнологиям мы узнали и другие состояния углерода: фуллерены, углеродные нанотрубки, графен. Все эти состояния устойчивы — но в том смысле, о котором речь шла выше. Материаловеды и технологи знают, что металлы и сплавы могут находиться в различных состояниях, в зависимости от условий, переходящих друг в друга. Для каждого набора условий: температуры, давления и других — свое состояние. Но твердое тело на то и твердое, что переходы между состояниями затруднены. Состояние, забравшееся не в свои условия, и есть состояние метастабильное. Оно устойчиво, но все же предпочтительнее другое состояние. И если постараться, то в этих условиях будет реализовано именно оно. Так вот, повторим: наноструктурные состояния часто и есть состояния метастабильные. Приведем тому пример. Для корпусов ядерных реакторов нужен металл, не разрушающийся от потока постоянно бомбардирующих его, вылетающих из активной зоны реактора, нейтронов. Это достигается так. Сталь наноструктурируют: она состоит из зерен наноразмера — около 3 нм в диаметре. И дефекты (а это дефекты кристаллической решетки: здесь что-то лишнее, а в другом месте этого не хватает), образующиеся от бомбардирующих нейтронов, не могут покинуть границы этого маленького, в полтора десятка атомов, зерна. Из-за этого через какое-то время дефекты, двигающиеся по кристаллической решетке1, но неспособные покинуть область пространства, ограниченного частицей, обязательно встретятся. И дефекты компенсируют друг друга. Кристаллическая решетка станет такой же, какой она была до ее поломки пролетевшим нейтроном. Для нас важно здесь вот что. Наноструктурированная сталь — это не сталь с большими зернами. Каждое зерно — малюсенькое. Такое состояние метастабильно. В естественном состоянии сталь устроена иначе. Мы можем быть уверены, что в тех условиях, которые мы имеем, между стабильным и метастабильным состояниями нет никакой практической разницы. Да и не «вскипит» мате-

1 Дефекты могут двигаться по кристаллической решетке так же или почти так же, как в ней движется электрон проводимости. Для того чтобы дефект двигался, не нужно, чтобы двигался атом решетки: атомы передают дефекты «из рук в руки», как электроны.

54

Глава 1. Коварная прочность

риал, как перегретая вода, — не тот случай. Да — не вскипит. И все же…

1912 год. Экспедиция Р. Скотта гибнет при возвращении с Южного полюса. Увы, норвежец Р. Амундсен и его экспедиция обогнали экспедицию Скотта на 33 дня; англичанин Скотт, покорив Южный полюс, увидел там уже установленный национальный флаг Норвегии. После этого горького разочарования беды обрушились на экспедицию. Гангрена. Температура минус 35. Они не смогли вернуться — не дошли совсем немного. Топливо закончилось 23 марта, пищи оставалось на два дня. А до склада, где было все нужное, было меньше 17 километров. Скотт умер последним. Последняя запись в дневнике Скотта датирована 29 марта 1912 г. «Закончилось топливо» — это одна из важнейших причин трагедии. Именно топливо — то, что позволяет выжить при таком морозе. А топлива не хватило лишь потому, что оно было утеряно, просочилось из баллонов сквозь запаянные оловом швы. Скотт не знал, не мог знать, что на таком холоде с оловом происходит, казалось бы, неожиданное. Привычное нам олово в обычных условиях — белый металл, пластичный и ковкий. При нормальной плюсовой температуре олово выглядит так, что никто не может усомниться в его принадлежности к классу металлов. Но при температуре ниже всего 13,2°C (чуть ниже комнатной температуры!) устойчивое состояние олова иное. Начиная с этой температуры, в структуре олова начинается перестройка. Белое олово превращается в порошкообразное серое, или альфа-олово, и чем ниже температура, тем больше скорость этого превращения. Максимума она достигает при минус 39°C. Плотность серого олова заметно меньше, чем белого. Видимый результат превращения белого олова в серое называют «оловянной чумой» — она проявляется в виде серых пятен на белом олове, чем и напоминает чуму. Кроме того, чумой этот процесс назван потому, что для начала процесса превращения белого олова в серое достаточно незначительного количества «затравки» — кристаллов серого олова. Словно заразная болезнь, серое олово расползается, заражая здоровый металл. Итак, давайте не забывать, что наноструктурированные материалы метастабильны. И хорошо заранее тщательно проверить, как они ведут себя в различных условиях, прежде чем в усло-

1.3. Коварная прочность и оловянная чума

55

виях сильных магнитных полей или космического пространства наш материал неожиданно для нас заболеет какой-нибудь наноструктурной ветрянкой или метастабильной корью. Но проверять надо не только материалы для космических аппаратов или термоядерных реакторов — токамаков (именно там существуют такие сильные магнитные поля, превышающие магнитные поля Солнца). Наноструктурные материалы будут повсюду: в автомобильных и железнодорожных мостах, подверженных постоянной вибрации, в корпусах самолетов, в которые попадают сильные электрические разряды — молнии во время грозы, в контактных сетях скоростных электропоездов, подверженных длительному воздействию постоянного тока — текущего в одну сторону, в отличие от привычного нам переменного. И главное, чего мы хотим от этих материалов, — чтобы он не подвел. А если материал новый — такой риск нельзя сбрасывать со счетов. Риск того, что достаточно проверенный новый материал может в неординарных условиях повести себя не так, как мы того ожидаем, имеет своего «тезку». Речь идет о риске нештатного поведения нового материала в стандартных условиях, чего мы тоже от него не ожидаем, но по иным основаниям — ложной уверенности, необоснованного доверия к качеству, предъявляемому наиболее высокотехнологичными секторами экономики. При создании космических аппаратов применяют новый наноматериал — кермет. Зерна металла, размером до 5 нм, окруженные такими же зернами другого металла или его окисла (а чтобы такое получилось, металлов должно быть несколько), спекают под давлением. Получается композит — много металлов вперемешку. Почему металлы разные? Очень просто. Нанопорошок получают размолом металла специальными мельницами (есть и другие способы, но сейчас нам это не важно). При размоле частицы становятся все меньше: начинают с размера несколько микрон и доходят до наноразмера. Однако начиная с диаметра частиц около 25 нм процесс помола сталкивается с препятствием. Отдельные, более мелкие частицы предпочитают слипаться — между ними образуются перемычки, и наноструктура нарушается. А нам нужны частицы от 10 до 5 нм. Именно они обладают нужными нам свойствами. Если соседние частицы принадлежат разным металлам, такого слипания не происходит, как минимум быстро.

56

Глава 1. Коварная прочность

Но у нас нет гарантии, что зерно кермета не будет укрупняться с течением длительного времени. Сегодня космический аппарат — как правило, спутник, живущий менее 5—7 лет1, или вообще одноразовые ракетоносители и разгонные блоки. Этой проблемой можно и не озадачиваться. В основе некоторых современных автомобилей лежат технологии авиастроения. Таковы, например, компании «Субару» и «Мазда». Существует устойчивое мнение об «авиационном» генезисе некоторых автомобилестроительных компаний, например «Ауди». Как же — авиационные технологии, примененные в автомобилестроении; качество, недоступное другим! Прекрасная основа для продвижения своей продукции. Представьте, что кто-то решит перенести космические технологии в нашу «земную» жизнь, например в судостроение, под лозунгом: космическое — значит надежное. Гражданское судно или военный корабль, живущие 40 лет и более, — норма. Но как поведет себя критически важная деталь из кермета через 20—25 лет? В рамках космических разработок этого никто не проверял. Для того чтобы точно знать, как ведет себя материал с течением длительного времени, нужно это самое время. Не каждый процесс можно ускорить, быстро и надежно промоделировать численными методами. Все эти методы сами требуют верификации и, прежде всего, натурного опытного подтверждения, т. е. времени. Но мы торопимся. У нас множество планов, новых конструкторских решений, которые стали возможными только благодаря появлению нового материала. Такая ситуация — особенность наноматериалов. Мы их для этого и разрабатывали и создавали: сделать невозможное. И мы не можем ждать. И как результат — вынуждены нести риски. Ʉɪɚɬɤɚɹ ɬɚɛɥɢɰɚ ɪɢɫɤɨɜ Ɋɢɫɤ ɦɟɬɚɫɬɚɛɢɥɶɧɨɝɨ ɫɨɫɬɨɹɧɢɹ — ɪɢɫɤ ɭɬɪɚɬɵ ɧɚɧɨɫɬɪɭɤɬɭɪɵ. ɇɟɩɪɟɞɫɤɚɡɭɟɦɨɫɬɶ ɩɨɜɟɞɟɧɢɹ ɦɚɬɟɪɢɚɥɚ ɜ ɧɟɨɪɞɢɧɚɪɧɵɯ ɭɫɥɨɜɢɹɯ. Ɋɢɫɤ ɧɟɲɬɚɬɧɨɝɨ ɨɲɢɛɨɱɧɨɝɨ ɩɪɢɦɟɧɟɧɢɹ ɧɚɧɨɦɚɬɟɪɢɚɥɨɜ ɧɚ ɨɫɧɨɜɚɧɢɢ ɨɩɵɬɚ ɞɪɭɝɢɯ ɫɟɤɬɨɪɨɜ ɷɤɨɧɨɦɢɤɢ.

1

Время жизни спутников нового поколения — 15 лет.

1.4. Энергетические консервы

57

Ɋɢɫɤ ɧɟɫɨɨɬɜɟɬɫɬɜɢɹ ɜɵɫɨɤɢɯ ɬɟɦɩɨɜ ɬɟɯɧɨɥɨɝɢɱɟɫɤɨɝɨ ɪɚɡɜɢɬɢɹ, ɬɪɟɛɭɸɳɢɯ ɧɨɜɵɯ ɦɚɬɟɪɢɚɥɨɜ «ɫɟɝɨɞɧɹ», ɜɪɟɦɟɧɢ ɧɚ ɢɯ ɩɨɥɧɨɰɟɧɧɭɸ ɩɪɨɜɟɪɤɭ.

1.4. ƺNJǂǍǀǂǏDžǔǂǎLJDžǂ LJNjNJǎǂǍƿǘ Пакет с неизвестным содержимым — это взрывчатка, к которой поднесен запал, именуемый любопытством. Кобо Абэ

Ʃы уверенно предполагаем (и у нас есть на то основания),

что нанотехнологии предоставят нам новые возможности, недоступные без их применения. И не последнее место среди таковых занимают возможности, связанные с работой устройств в экстремальных условиях, т. е. таких условий, которые без применения соответствующих материалов были просто недостижимы. Такие экстремальные условия характерны для больших высокотехнологических установок, важное место среди которых

58

Глава 1. Коварная прочность

занимают научные установки мега-сайенс, такие, например, как ускоритель элементарных частиц. В Российской Федерации инициированы проекты по созданию установок класса мега-сайенс. Одной из них является компактный экспериментальный термоядерный реактор — токамак «ИГНИТОР». Пусть слово «компактный» не вводит вас в заблуждение. Установка все равно весит 500 тонн. Однако за счет применения нанотехнологий в магнитной системе его размер действительно компактный. Для сравнения: токамак ITER, строящийся во Франции международной коллаборацией при участии России, имеет массу реактора 360 000 тонн. Исторически, Россия — мировой лидер в проектировании и создании таких установок — установок, позволяющих надеяться, что мы сможем вырабатывать электроэнергию за счет термоядерной реакции синтеза. В отличие от ядерной реакции (реакции деления, распада атомов) реакция синтеза потенциально способна дать энергии на порядок больше. Собственно ровно такая же реакция протекает в нашем самом главном источнике энергии для нашей планеты — Солнце. Сила ветра, энергия рек и многое другое, — в конечном счете, это энергия Солнца. Фотосинтез как основа жизни и сама жизнь во всем ее многообразии возможны также за счет энергии Солнца. И попытка человека зажечь маленькое, безопасное солнышко как раз связана с надеждой поджечь термоядерную реакцию в токамаке. «Горит» в токамаке тритий-дейтериевая плазма, удерживаемая, а точнее, гоняемая по замкнутому кругу, сильнейшими магнитными полями. Чем компактнее токамак, тем сильнее надо свернуть в кольцо плазму, что требует более сильного магнитного поля. Но как сделать такой мощнейший магнит? Традиционные решения не подходят. Решение было найдено с применением нанотехнологий. В Российской Федерации создан уникальный наноструктурный сверхпроводящий материал, катушки из которого способны создавать и, главное, выдерживать эти мощнейшие поля. Здесь надо заметить, что такой проводник обязательно наноструктурирован. Сверхпроводимость — само по себе удивительное квантовое явление. Но вот беда, магнитное поле, даже относительно слабое, его разрушает. И придумали следующее: сделали материал, состоящий из тончайших волокон. Их диа-

1.4. Энергетические консервы

59

метр — 5 нм, а волокна разные. Каждое сверхпроводящее волокно окружают волокна с обычной проводимостью, и наоборот. И выходит так: ток течет по сверхпроводнику, а магнитное поле, создаваемое этим током, — рядом, в обычном проводнике. И оно может быть сильным и ничего не разрушать. Но ведь и токи, и магнитные поля — огромны. Постоянно текущий ток в соленоидах достигает 11 мегаампер! Магнитное поле превышает 14 Тл1 (это поле центрального соленоида токамака «ИГНИТОР»). Такие условия нельзя назвать обычными для любого материала, тем более для материала-сверхпроводника с его сложной волокнистой наноструктурой. Чтобы представить себе колоссальность такого магнитного поля, сравним его с другими — природными и искусственными. Магнитное поле Земли, привычное нам, которое не только вращает стрелку компаса, но и надежно защищает нас и всю жизнь на планете от безжалостной солнечной радиации, составляет всего 5u10—5 Тл. Отклоняющие дипольные магниты Большого адронного коллайдера, созданные по той же российской технологии и из российских материалов, — от 0,54 до 8,3 Тл. Магнитное поле солнечных пятен2 — 10 Тл. В токамаке «ИГНИТОР» магнитное поле больше! Как поведет себя эта структура, ее составляющие материалы в условиях сверхсильных полей, — вопрос далеко не праздный. Соленоид, или попросту катушка, по которой течет ток, — это такой же «аккумулятор» энергии, как и привычные нам. Различие лишь в том, что вместо емкости конденсатора в роли накопителя используется индукция катушки. И вот представьте, что где-то в цепи разрушится сверхпроводимость. Это приведет к катастрофическим последствиям. Токи и напряжения мгновенно вырастут — так устроена индуктивность: если в ней попытаться прервать ток, он тут же возрастает! Вся огромная энергия, накопленная в соленоиде, мгновенно выделится в виде тепла. Мгновенное выделение огромного количества тепла обычно называется проще — взрыв! Иными словами, последует 1 Тесла — единица индукции магнитного поля в СИ. Названа в честь Николы Тесла — физика, инженера и изобретателя в области электротехники и радиотехники.

2 Солнечные пятна являются областями выхода в фотосферу (поверхность Солнца) сильных магнитных полей.

60

Глава 1. Коварная прочность

взрыв колоссальной разрушающей силы. И все это держится на тоненьких ниточках диаметром 5 нм. Вы можете сказать — установка экспериментальная. Расположена она на обособленной территории. Вот, взрывались же на космодромах ракетоносители. Трагедия? Безусловно! Но последствия такой трагедии из-за принятых мер (прежде всего, удаленности космодрома) все же нельзя сравнить с крушением поезда, когда гибнут сотни человек. Токамак, конечно, строится так, чтобы избежать такого сценария; учитываются и принимаются во внимание различные риски; система управления и защиты строится так, чтобы всего этого надежнейшим образом избежать. Токамак один, ну, быть может, несколько. Для каждого из них предусматриваются самые совершенные технические решения. Но давайте вспомним, что практически любая нанотехнология — не экзотика. Она, как мы ожидаем, проникает во все аспекты нашей деятельности. И технология сверхмощных соленоидов из сверхпроводящих наноструктурных проводников здесь вовсе не исключение. Их применение планируется в обычной нам энергетике — той энергетике, которая обеспечивает электроэнергией промышленные предприятия, которая приводит поезда на железной дороге в движение, которая дает нам свет и делает возможным работу бытовых приборов. Для таких соленоидов или катушек даже специальное название уже есть — СПИН, что означает аббревиатуру от слов «сверхпроводящий индукционный накопитель». Так вот эти СПИНы — потенциальные устройства обычной силовой энергетики. Ожидается, что они будут неотъемлемой частью наших сетей электропередачи, такой же, как повышающие и понижающие трансформаторы, и будут защищать наши сети от возможных скачков напряжения, приводящих, в том числе, к таким техногенным катастрофам, как веерные отключения. Да и сами трансформаторы тоже будут сделаны из подобного материала. Появление таких устройств — основание для дальнейшего усложнения энергетических систем. Это означает, что риск, которого мы стараемся избежать, качественно изменяется. Да, системы становятся более надежными, но последствия действительно крайне редких нарушений работы — все более тяжелыми. Имеющие место веерные отключения электроэнергии в мегаполисах и промышленных агломерациях (вот некоторые из

1.4. Энергетические консервы

61

них: Санкт-Петербург и область — 2010 г.; Бразилия — 2009 г.; Германия, Франция, Италия и Бельгия — 2006 г., Москва, Тульская, Московская, Калужская и Рязанская области — 2005 г.) — убедительное свидетельство того, что аварийное отключение на одном участке вызывает отключение целых энергосистем. Способность концентрировать большую энергию в малых объемах — возможность и связанный с нею риск, порождаемые нанотехнологиями. И приведенный выше пример сверхпроводящего соленоида — далеко не единственный. Человечество связывает свои надежды на экологически чистую энергетику с успехами — действительными и желаемыми — водородной энергетики. В самом деле, с экологической точки зрения, водород — идеальное топливо. Ведь продуктом его сгорания является вода, точнее, водяной пар. Но водород опасен. Точнее, взрывоопасен. Об этом мы уже говорили во введении. Чтобы избежать последствий данного риска, предложено использовать наноструктуры, способные впитывать водород, как губка. В этих структурах водород хранят, в них же — каталитическим образом — сжигают, т. е. вместо открытого огня мы получили батарейку. Такие структуры способны впитать водород до плотностей лишь вдвое меньших плотности твердого тела. Это означает, что в среднем на два атома материала придется одна молекула водорода. Значит, это уже не газ. Это новая кристаллическая решетка из атомов наноструктурного материала и водорода. Накопленная энергия (значительная потенциальная энергия горения) в таком материале превращает его в потенциальную — и надо сказать, мощную, — взрывчатку. Но это далеко не все. Водород — странное вещество. Он способен протекать сквозь стенки многих металлов. Объясняется это так. Водород хорошо растворим в ряде металлов, прежде всего таких, как никель, платина или палладий. Да и сталь не составляет исключения. (Материалы, удерживающие водород, все же есть. Таковым, например, является серебро.) Собственно наша наногубка, впитывающая водород, — это то же самое. Раньше для этих целей использовали палладий. Только в нашей наногубке можно растворить водорода намного больше. Так вот, с растворимостью водорода в металлах и связана его способность проходить через них. Ведь это одно и то же! Обычная кухонная губка пропускает

62

Глава 1. Коварная прочность

воду потому, что может ее впитывать и отдавать. Такой процесс проникновения молекул одного вещества между молекулами другого называется диффузией. Следует иметь в виду, что диффузия через углеродистый сплав (например, сталь) иногда сопровождается разрушением сплава вследствие взаимодействия водорода с углеродом. Иными словами, водород — агрессивная среда. Из школьного учебника химии мы помним, что кислота — это то, что легко образует свободный ион водорода1 — именно он и оказывает то разрушительное действие, которое мы связываем с кислотой. А тут — как минимум атомарный водород в кристаллической решетке. Как эта среда, будучи концентрированной до плотностей, сравнимых с плотностью твердого тела, ведет себя, мы еще до конца не знаем. Не знаем и того, как такой материал, такая среда поведут себя при контакте с другими средами и веществами, с другими агентами — даже такими, контакт которых с водородом нами не предполагался. А если предположить массовый характер использования водородной энергетики — в автомобилях и других машинах, на судах, на самолетах и ракетах, в домашних роботах-андроидах и приборах, в компьютерах и средствах электронной коммуникации, — такие контакты неизбежны. С мыльной пеной детских «пузырей», со спиртом, содержащимся в алкогольных напитках, — словом, со всем тем, что окружает нас в быту. С разнообразными фармакологическими соединениями в медицинском учреждении, с веществами на производстве и в химической лаборатории, в мобильных лабораториях криминалиста и специалиста по контролю за окружающей средой — со всем тем, что мы используем в своей производственной деятельности. Кроме того, с кислотными дождями, не ко времени выпавшими, с песком, принесенным самумом, и снегом сибирской вьюги, с нещадно палящим солнцем посреди азиатской степи — со всем тем, что от нас не зависит и нас не спрашивает. Водородная энергетика дает прекрасный пример и того, что в новом деле, в новых технологиях мы можем пропустить важное, не только неизвестное нам, но и хорошо известное, а это риск не менее важный, чем риск нового.

1 Химик-ученый, возможно, не согласится с нами. Он скажет, что есть кислоты, не содержащие водорода. Но это не отменяет нашей аргументации.

1.4. Энергетические консервы

63

Все мы знаем перекись водорода, вернее, слабенький водный раствор перекиси водорода. Так вот, хорошо известно, что концентрированные водные растворы перекиси водорода взрывоопасны. А кто сказал, что при горении водорода — ведь водородная энергетика предполагает сжигание водорода — никогда не может сложиться условий, при которых образуется не окисел водорода (вода), а его перекись? И наши выхлопы, которые мы считали экологически чистыми, вдруг окажутся вовсе не такими безобидными. И даже если образовавшиеся капельки сконденсированного пара содержат недостаточно перекиси водорода, чтобы быть взрывоопасными, нельзя забывать и про то, что концентрированные растворы перекиси при попадании на кожу, слизистые оболочки и в дыхательные пути вызывают ожоги. Как известно, бензиновый двигатель может быть в разной степени экологически опасным (или безопасным). То же может быть справедливо и для водородного двигателя. Пожухлая листва городских деревьев не исключена и на фоне лозунгов об экологичности. Нанотехнологии делают водородную энергетику возможной. Но вот возможные негативные последствия такой энергетики могут быть с нанотехнологиями прямо не связаны. Из чего производят водород, требующийся в промышленных количествах? Ответ прост — из воды. Транспортировать водород по причинам, только что нами названным, трудно. Транспортировать водородные «аккумуляторы» не эффективно. Значит, придется транспортировать воду, что делает актуальным строительство трубопроводов, или пользоваться местными источниками. То, что вода — ценнейший ресурс, мы уже понимаем, но, видимо, не до конца. Говоря о водородной энергетике и роли в ней воды, ни в коем случае нельзя забывать о так много и настойчиво обсуждаемом сегодня сланцевом газе. Добывать сланцевый газ можно только там, где есть вода, — рядом с реками и озерами. Ее закачивают в скважину, чтобы использовать технологию гидровзрыва. Создание одной скважины требует до 4 000 тонн воды. США объявили, что к 2015—2020 гг. выйдут на уровень добычи 60 миллиардов кубометров (в так называемых условных газовых единицах) такого газа, что составит 10% от объемов тра-

64

Глава 1. Коварная прочность

диционной добычи газа в России. По экспертной оценке, это обеспечит годовую потребность в объеме 2,4 миллиарда тонн воды, что составляет четверть годового расхода воды реки Потомак или 55% от индивидуального годового потребления воды всем населением США (из расчета 40 литров воды в день на одного человека в среднем). Экологические последствия расхода такого объема воды сложно достоверно оценить. Аналогии, связанные с ирригацией (Сырдарья и Амударья и бассейн Арала, обмелевшая река Хуанхэ в Китае), заставляют крайне серьезно отнестись к данной проблеме. Какие основания у нас есть, чтобы считать, что проблема воды для водородной энергетики будет решена иначе, чем это сегодня уже происходит при добыче сланцевого газа? Правильно — никаких! Но вернемся к основной теме этого раздела. Нанотехнологии позволяют нам концентрировать энергию. Например, становятся возможными высокоэнергоемкие вещества и среды. И это отнюдь не только батарейки, способные служить в десять раз дольше. Накопленная в них энергия — это потенциальный взрыв, способный, в том числе, иметь военное применение. Среди таковых возможностей, предоставляемых нанотехнологиями, — создание так называемой вакуумной бомбы. Такие бомбы больших калибров сравнимы по мощности со сверхмалыми тактическими ядерными боеприпасами. Тротиловый эквивалент мощнейшей на сегодня в мире неядерной бомбы — российской авиационной бомбы объемного взрыва, испытанной 11 сентября 2007 г., — составляет около 44 тонн, а радиус гарантированного поражения — 300 метров. Тем самым площадь поражения больше площади Московского Кремля. Принципиальным моментом здесь является то, что высокая разрушающая способность сопряжена с относительной технологической простотой, а простота — обратная сторона доступности, в том числе «безответственным» игрокам, таким, например, как террористы. Ядерное оружие даже малых калибров подпадает под международно признанный режим нераспространения. Ядерные технологии, такие как технологии обогащения, не являются «незаметными», а потому, пусть недостаточно эффективно, контролируемы. Напротив, возможные заряды различной мощ-

65

1.5. Светло, да не видно

ности с применением нанотехнологий могут создаваться в обход установленным режимам нераспространения (как незаметные), да и сами режимы международное сообщество еще не установило. Итак: опасности, связанные с высококонцентрированной энергией, могут представляться нам очевидными. Военный аспект, к сожалению, делает эту тему для нас знакомой. Но предполагать, что все ограничится уже знакомыми нам последствиями, — ошибка. Такая же ошибка, как оценивать последствия случайного взрыва артиллерийского снаряда, без учета того, что этот снаряд может лежать на складе среди множества подобных. Ʉɪɚɬɤɚɹ ɬɚɛɥɢɰɚ ɪɢɫɤɨɜ Ɋɢɫɤ ɚɝɪɟɫɫɢɜɧɵɯ ɫɪɟɞ — ɧɚɧɨɦɚɬɟɪɢɚɥɵ ɪɚɡɪɚɛɚɬɵɜɚɸɬɫɹ ɞɥɹ ɩɪɢɦɟɧɟɧɢɹ ɜ ɚɝɪɟɫɫɢɜɧɵɯ ɫɪɟɞɚɯ, ɬɚɤɢɯ, ɞɥɹ ɤɨɬɨɪɵɯ ɩɪɢɦɟɧɟɧɢɟ ɨɛɵɱɧɵɯ ɦɚɬɟɪɢɚɥɨɜ ɧɟɜɨɡɦɨɠɧɨ. Ɋɢɫɤ ɩɟɪɟɧɨɫɚ ɜɵɫɨɤɢɯ ɬɟɯɧɨɥɨɝɢɣ ɢɡ ɥɚɛɨɪɚɬɨɪɢɣ ɜ ɦɚɫɫɨɜɨɟ ɩɪɨɢɡɜɨɞɫɬɜɨ ɢ ɨɛɵɱɧɭɸ ɫɪɟɞɭ ɨɛɢɬɚɧɢɹ ɱɟɥɨɜɟɤɚ ɫ ɟɟ ɧɟɩɪɟɞɫɤɚɡɭɟɦɵɦɢ ɜɨɡɞɟɣɫɬɜɢɹɦɢ. Ɋɢɫɤ ɧɟɭɱɟɬɚ ɢɡɜɟɫɬɧɵɯ ɮɚɤɬɨɪɨɜ ɜɜɢɞɭ ɢɯ «ɩɪɢɜɵɱɧɨɫɬɢ» ɢ ɨɬɫɭɬɫɬɜɢɹ ɢɯ ɚɧɚɥɢɡɚ ɜ «ɧɚɭɱɧɨɦ ɨɛɨɪɨɬɟ». Ɋɢɫɤ ɩɨɜɵɲɟɧɢɹ ɧɚɞɟɠɧɨɫɬɢ ɫɢɫɬɟɦɵ ɫ ɨɞɧɨɜɪɟɦɟɧɧɵɦ ɪɨɫɬɨɦ ɬɹɠɟɫɬɢ ɩɨɫɥɟɞɫɬɜɢɣ ɚɜɚɪɢɢ. Ɋɢɫɤ ɩɟɪɟɨɰɟɧɤɢ ɡɧɚɱɢɦɨɫɬɢ ɢɦɟɸɳɢɯɫɹ ɪɟɫɭɪɫɨɜ. Ɋɢɫɤ ɤɨɧɰɟɧɬɪɚɰɢɢ ɛɨɥɶɲɨɣ ɷɧɟɪɝɢɢ ɜ ɦɚɥɵɯ ɨɛɴɟɦɚɯ. Ɋɢɫɤ ɞɨɫɬɭɩɧɨɫɬɢ ɜɵɫɨɤɨɷɧɟɪɝɟɬɢɱɟɫɤɢɯ ɜɟɳɟɫɬɜ.

1.5. ƮƿǂǏLjNj, ǁƽ NJǂ ƿDžǁNJNj Главное — не перейти улицу на тот свет. Михаил Жванецкий «Чиновник! окажи мне дружбу; Скажи, куда несешься ты?» — «На службу!»

Ƭ

Козьма Прутков (басня «Чиновник и курица»)

оследствия применения нанотехнологий, как мы уже говорили, могут носить косвенный характер. Изменения затрагивают не столько сами производственные и технологические процес-

66

Глава 1. Коварная прочность

сы, сколько то, что с ними связано. Эти изменения напрямую технологией не диктуются. Скорее, попытки применить такие технологии там, где без такого давления технология не будет востребована, и есть тот источник риска, о котором речь пойдет далее. Яркий пример таких косвенных последствий — извините за невольный каламбур — последствия государственного лоббирования светодиодного освещения. Конечно, светодиодное освещение имеет и вполне прямые последствия. Не всякий свет полезен для человека, а тем более для ребенка: можно и зрение испортить. Наиболее энергетически эффективные светодиоды (а именно для этого их и применяют — электроэнергию экономить) как раз тем и отличаются, что их свет не такой, как солнечный. Вот и придумывают для них специальное применение. Это так называемое ландшафтное освещение. Мол, если здание для красоты подсвечивать, то все равно чем, лишь бы ярко. Но «задумки» этим не ограничиваются. Применение такого, да и практически любого светодиодного освещения в школьных и дошкольных учреждениях, поликлиниках и больницах (детских и взрослых), в общественных местах запрещено уже упомянутыми СанПиНами. И правильно запрещено. Попробуйте почитать книгу, освещая страницы светодиодным фонариком. Желание читать пропадет сразу. Ну а где такие светодиоды внедрять? Правильно — там, где их можно установить административно, например в транспорте. Самолет и электричка — вот первые потенциальные жертвы (не читать же вы пришли!), а также детские сады, школы, больницы, поликлиники и библиотеки. Постойте, скажет читатель. Ведь только что авторы написали — «запрещено СанПиНами»! Все так. Но кто мешает эти нормы пересмотреть? Например, провести исследования и «установить», что и не вредно вовсе. И такие попытки предпринимались, ведь энергоэффективность — важнейший приоритет государства! Хорошо, что на сегодня эти попытки закончились ничем. Но это только пока. Знающий читатель справедливо заметит: но ведь есть светодиоды и не такие вредные. Светят себе вполне приятным белым светом. Есть — правда. Но правда и в том, что их трудно отнести к энергоэффективным. Они, по сути, мало чем отличаются от ртутных ламп. Светит такой светодиодик в ультрафиолете, а

1.5. Светло, да не видно

67

сверху покрыт люминофором1. И ультрафиолетовое излучение полностью поглощается этим люминофором. Затем люминофор переизлучает его. Это явление называют люминесценцией, а лампы такого типа — люминесцентными. Переизлучает же он свет в широком спектре и с большей длиной волны, чем было, — как раз в диапазоне видимого света, от красного до фиолетового. Вот и получается свет беленький, приятный. Но вот что интересно. Энергосберегающие лампы, такие как компактная люминесцентная лампа (КЛЛ), делают это не хуже. Светит такая лампа в ультрафиолете, а люминофор его переизлучает. Зачем же тогда светодиод? Предъявляемый нам, потребителям, ответ таков. КЛЛ переизлучает ультрафиолет за счет содержащейся в люминофоре ртути, а ртуть, известное дело, — опасна. Такие лампы просто так не выкинешь, их собирать и утилизировать надо. А светодиодная лампа… Стоп! А светодиодная лампа как ультрафиолет переизлучает? На этот вопрос принято не отвечать. Еще на рубеже XIX—XX вв. было установлено, что каждый химический элемент обладает уникальным спектральным портретом. Вот что это означает. Элемент может поглотить или излучить не любой свет, а только свет определенных частот или длин волн. Такие узенькие диапазоны назвали спектральными линиями. Чем хороша ртуть? У нее есть в области ультрафиолета полосы поглощения, достаточные, чтобы эффективно поглотить энергию ультрафиолетового излучения, и есть линии излучения в широком спектре видимого света, достаточные для того, чтобы такой свет считать приемлемым. Если в КЛЛ применяют ртуть, а не какой-либо другой элемент, значит, ртуть наиболее подходит для этих целей. Портрет — в смысле спектральных линий — у нее такой, подходящий. Но светодиод (тот, о котором мы говорим сейчас) работает так же. Позвольте, разве для этого светодиода «изобрели» какую-то отдельную таблицу Менделеева? Если есть такой элемент, имеющий столь же подходящий, как у ртути, портрет спектральных линий, то почему его не применить в КЛЛ? Конечно, мы многое сильно упростили, утрировали. Но главное понятно: требуется объяснение, почему в одном случае Люминофор (от лат. lumen — свет и др. — греч. 1#'#+ — несущий) — вещество, способное преобразовывать поглощаемую им энергию в световое излучение.

1

68

Глава 1. Коварная прочность

у нас люминофор хороший, а в другом — плохой, ведь делают они одно и то же! Однако есть и светодиоды, свет которых нам видится белым. Такие светодиоды могут показаться удачным решением обсуждаемой проблемы. И люминофора в них нет, а значит, и ртути, и с энергоэффективностью полный порядок, ведь переизлучение — всегда потери. А работают такие светодиоды, как телевизор. Светят одновременно три светодиодика на одном кристалле (точнее, три квантовых точки). Один красный, второй зеленый, третий синий. Вот и видим мы все вместе как белый — как в телевизоре. Множество современных телевизоров и компьютерных дисплеев воспроизводят изображения, управляя интенсивностью трех основных цветов: красного, зеленого и синего. Яркий желтый, например, является композицией одинаковых по интенсивности красной и зеленой составляющих без добавления синего. Наше зрение устроено странно. Желтый — это определенный спектральный диапазон (длина волны — от 565 нм до 590 нм). Но наш глаз воспринимает смесь двух других спектральных диапазонов (красный — длина волны 620—740 нм и зеленый — 500—565 нм) как третий, как что-то среднее. Этим средним и будет желтый. Повторим: так устроено наше зрение. Но то, что мы видим, зависит не только от свойств нашего глаза. Мы, если не смотрим на Солнце, видим либо отраженный, либо рассеянный свет, чаще — отраженный от поверхности того предмета, на который смотрим. Например, посветили белым (солнечный свет), и все цвета, кроме желтого, поверхность поглотила — значит, видим желтую поверхность. Если другая поверхность поглотит все цвета, кроме синего и красного (последние, соответственно, отразит), мы опять увидим желтую поверхность — вспомним: синий плюс красный видно как желтый. Но вот если осветить первую поверхность с помощью света нашего светодиода, что мы увидим? Черную поверхность, ведь в составе света не было настоящего желтого — того, который наш предмет отражает! А вторую поверхность мы увидим такой же желтой, как и прежде, ведь синий и красный в нашем фонарике в наличии.

1.5. Светло, да не видно

69

Что это означает? Неправильную цветопередачу. Светло-то светло, да ничего не видно. Если сделать из такой лампы яркую (уж это — пожалуйста!) автомобильную фару, то в свете таких фар вы рискуете не увидеть пешехода, переходящего дорогу перед вашим автомобилем. Читатель может возразить: что-то я все-таки увижу. Ну, неправильные будут цвета, но дорога — не картинная галерея, как-нибудь разберемся. Ошибка, причем грубая! И вот почему. Вспомните принцип маскирующего камуфляжа. Хотите, представьте форму солдата, хотите шкуру тигра или леопарда — принцип один. И дело опять в особенностях нашего зрения. Мы узнаем образ того, что мы видим по границе этого образа, так устроено наше зрение (глаза плюс мозги). Чтобы «увидеть», достаточно одной границы: вспомните замечательные карикатуры Херлуфа Битструпа — ничего, кроме контура, но все узнаваемо. А вот если контур убрать, а именно это делают камуфлирующие пятна или полосы, увиденное сольется с фоном. При неправильной цветопередаче велик риск того, что контур распадется, — перед глазами будут не воспринимаемые нами «камуфляжные» пятна. Вот так: проверили фонарик — светит хорошо, ярко; посветили — и ничего не увидели! Но наш главный риск не в том, что мы в неверном освещении проглядим что-то важное. Наш главный риск — не увидеть те сюрпризы, которые таит в себе все новое. И не надо полагаться на очевидность — она-то и подведет, особенно в области нано. Ʉɪɚɬɤɚɹ ɬɚɛɥɢɰɚ ɪɢɫɤɨɜ Ɋɢɫɤ ɩɪɢɦɟɧɟɧɢɹ ɧɚɧɨɬɟɯɧɨɥɨɝɢɣ ɩɨ ɜɧɟɬɟɯɧɨɥɨɝɢɱɟɫɤɢɦ ɩɪɢɱɢɧɚɦ. Ɋɢɫɤ ɬɟɯɧɨɥɨɝɢɱɟɫɤɨɣ ɩɨɞɦɟɧɵ — ɡɚɦɟɳɚɸɳɚɹ ɧɚɧɨɬɟɯɧɨɥɨɝɢɹ ɧɟɫɟɬ ɬɟ ɠɟ ɪɢɫɤɢ, ɱɬɨ ɢ ɡɚɦɟɳɚɟɦɚɹ. Ɋɢɫɤ ɧɟɩɪɚɜɢɥɶɧɨɣ ɰɜɟɬɨɩɟɪɟɞɚɱɢ ɤɚɤ ɩɪɢɦɟɪ ɪɢɫɤɚ ɢɫɤɚɠɟɧɢɹ ɜɨɫɩɪɢɹɬɢɹ. Ɋɢɫɤ ɨɱɟɜɢɞɧɨɫɬɢ — ɧɟ ɧɚɞɨ ɩɨɥɚɝɚɬɶɫɹ ɧɚ ɨɱɟɜɢɞɧɨɫɬɶ — ɨɧɚɬɨ ɢ ɩɨɞɜɟɞɟɬ.