Любой материальный предмет - это всего лишь скопление атомов в пространстве. То, как эти атомы собраны в структуру, определяет, что это будет за предмет. И мы только дирижируем оркестром из этих атомных структур. Этот оркестр существовал с сотворения мира и лишь ждал, когда появится дирижер...

С. Лем. "Проверка на месте"¹

На рубеже наступающего двадцатого века один петербургский журнал провел среди читателей конкурс, как сейчас сказали бы, на лучший научно-фантастический рассказ о том, как будут встречать люди грядущий век. Первое место за самый невероятный сюжет получил рассказ, герой которого при помощи специального аппарата, не выходя из дома, наблюдает за концертом известной певицы в другом городе.

В то время это действительно казалось фантастикой. Но самое забавное заключается в том, что ни автор рассказа, ни редакция журнала даже не подозревали о том, что телевидение, описываемое в этом сюжете, уже реально существовало в конце девятнадцатого века. Пусть в примитивном виде - с механической разверткой, экраном со спичечный коробок, пусть только в научных лабораториях, но существовало. Иное дело, что широкая публика об этом не знала.

Сейчас ситуация повторяется. Многие вещи, понятия, возможности, с которыми мы пока сталкиваемся лишь на страницах научно-фантастических романов и которые ассоциируются у нас лишь с далеким будущим, на самом деле уже реально соседствуют с нами. Многое из того, что кажется нам невероятным, уже покидает стены лабораторий. Я вспоминаю, какое количество удивленных откликов вызвала недавняя публикация в "Компьютерре" о физических основах телепортации. Многих прямо-таки потряс тот факт, что телепортация не только не является чем-то противоречащим законам физики, но и вполне осуществима силами современной науки.

В 1982 году Станислав Лем опубликовал роман "Проверка на месте", в котором описал общество будущего, прямо-таки задыхающееся от благоденствия. Проблемы материальных ценностей в этом обществе не существует: у каждого есть специальный аппарат, при помощи которого любой подручный материал - пыль, грязь и т. п. - может быть превращен во что угодно: в пищу, драгоценности, произведение искусства... Проблемы здоровья не существует: в организме каждого человека обитают микроскопические роботы-врачи, которые тут же устраняют все возникшие "неполадки" на клеточном, а то и на атомарном уровне. Соответственно, и личное бессмертие - тоже не проблема. В этом обществе нет преступности: те же самые вездесущие микророботы следят за порядком лучше любой полиции, а попутно опекают и "нянчат" каждого члена общества, буквально предугадывая его желания. В результате благоденствие настолько "стало поперек горла" жителям этого будущего, что многие просто мечтают, чтобы с ними случилось какое-нибудь несчастье.

Вполне возможно, что идею сюжета Лем почерпнул у нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана, который в 1959 году говорил, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все, что угодно. В письме одному из своих литературных агентов Лем писал, что он изобразил общество, черед которого наступит через пятьсот лет. Вряд ли великий фантаст подозревал, что в тот момент, когда он писал письмо, в распоряжении человечества уже появились инструменты и зародились технологии для реализации чудес, изображенных в романе. Речь идет о так называемых нанотехнологиях. Для современного специалиста по нанотехнологиям лемовские фантазии уже не утопия, а повседневная работа. И если его спросить, когда наступит изображенное в романе будущее, он ответит, что если и не все, то очень многое будет реализовано не через пятьсот, а всего через пятьдесят лет.

Сейчас, пожалуй, не существует исчерпывающего определения понятия "нанотехнология". Но по аналогии с существующими ныне микротехнологиями следует, что нанотехнологии - это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра, - то есть одной миллиардной доли метра. Это ничтожная величина, в сотни раз меньшая длины волны видимого света и сопоставимая с размерами атомов. Поэтому переход от "микро" к "нано" - это уже не количественный, а качественный переход. Это скачок от манипуляции с веществом к манипуляции отдельными атомами.

Строго говоря, когда речь ведется о развитии нанотехнологий, то имеются в виду три направления:

изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размеры которых сравнимы с размерами единичных молекул или атомов;
разработка и изготовление наномашин, то есть механизмов и роботов размером с молекулу. Использование таких механизмов открывает перед человечеством невиданные перспективы. О некоторых из них будет рассказано ниже (см. также врезку);
непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них всего сущего, точно так же, как здание собирается из кирпичей. Эта задача, в свою очередь, также распадается на две концепции. Первая - это перестройка уже имеющихся структур. Например, перестроив порядок атомов в угле, мы сможет изготовить алмаз. Вторая - это сборка большего из меньшего. Например, используя молекулы воды и углекислого газа, мы можем изготовить из них сахар или крахмал, точно так же, как это делают растения.
Все три направления тесно взаимосвязаны. Так, например, изготовление нанороботов невозможно без реализации первой задачи, а использование атомов и молекул в качестве строительного материала может быть осуществлено в промышленных масштабах с применением наномашин. Реализация всех этих направлений уже началась. Почти десять лет назад были получены первые результаты по перемещению единичных атомов и сборки из них определенных конструкций, разработаны и изготовлены первые наноэлектронные элементы. Задача их внедрения и применения наиболее близка к реализации. По оценкам специалистов, уже на рубеже следующего века начнется производство наноэлектронных чипов. Например, новые технологии позволят изготавливать микросхемы памяти емкостью в десятки гигабайт.

Инструменты и оборудование для манипуляции атомами появились в 1981 году, когда двое ученых из швейцарского отделения IBM², Г. Бининг и Г. Рорер, занимаясь проблемой измерения микрорельефа поверхностей, создали так называемый туннельный микроскоп. Я не буду вдаваться в принципы его функционирования - специалисты, готовившие материалы для темы номера, сделают это лучше меня, - скажу только, что устроен он на удивление просто. Острая игла, на которую подано небольшое напряжение, движется над поверхностью материала на расстоянии около одного нанометра. При этом с острия иглы на поверхность туннелируют электроны, и возникает небольшой ток, величина которого сильно зависит от расстояния между иглой и поверхностью - изменение этого расстояния на величину меньшую, чем размер единичного атома, вызывает резкое изменение тока на порядок. Таким образом, можно "различить" на поверхности материала единичные атомы.

Однако оказалось, что туннельный микроскоп в отличие от своих предшественников, других "микроскопов", имеет одно принципиально новое свойство. С его помощью можно не только "видеть" отдельные атомы, но и, прикладывая то или иное напряжение, воздействовать на них: попросту говоря, при помощи туннельного микроскопа можно "подцепить" атом и поместить его в нужное место. Конечно, о каком-то практическом значении этого явления говорить пока рано, но ясно, что это всего лишь вопрос времени, причем не столь отдаленного. Самое главное - существует принципиальная возможность манипулировать атомами, а стало быть, непосредственно собирать из них, словно из кирпичиков, все, что угодно, любой предмет, любое вещество. Или, скажем, сделать абсолютно точную копию любого предмета, как это сейчас делает ксерокс с изображением. И несмотря на то, что с момента создания туннельных микроскопов прошло лишь немногим более десятилетия, в настоящее время нанотехнологии уже начинают использоваться в промышленных масштабах. Правда, речь пока еще не идет об "атомной сборке". Но вот нанотехнологический контроль изделий и материалов, буквально на уровне единичных атомов, в некоторых областях промышленности стал обыденным делом. Реальный пример - DVD-диски, производство которых было бы невозможно без нанотехнологического контроля матриц.

По-видимому, в скором времени нанотехнологии начнут применяться и в производстве интегральных схем. Существующие способы осаждения примесей в полупроводник (эпитаксии) по литографическим шаблонам уже практически приблизились к своему технологическому пределу. И дело не только в размерах элементов - еще существует определенная возможность их уменьшения. Дело в том, что нынешние технологии фотолитографии позволяют изготовлять только планарные структуры - когда все элементы и проводники расположены в одной плоскости. А это накладывает существенные ограничения на схемотехнику: наиболее прогрессивные схемные решения не могут быть осуществлены по такой технологии. В частности, таким образом невозможно воспроизвести нейронные схемы, на которые возлагаются большие надежды. В то же время сейчас активно развиваются нанотехнологические методы, позволяющие создавать активные элементы (транзисторы, диоды) размером с молекулу и формировать из них многослойные (трехмерные) схемы. По-видимому, именно микроэлектроника будет первой отраслью, где "атомная сборка" будет осуществлена в промышленных масштабах.

Что же касается наномашин, то обещают коренным образом изменить среду обитания человека. В 1992 году один из идеологов нанотехнологий доктор Эрик Дрекслер (см. фото), выступая перед комиссией Конгресса США, нарисовал картину обозримого будущего, когда нанотехнологии преобразуют мир. Будут ликвидированы голод, болезни, загрязнение окружающей среды и другие насущные проблемы, стоящие перед человечеством. Ключом к этим проблемам станут крошечные машины размером с молекулу, которые будут обладать способностью к самовоспроизведению и, используя в качестве строительного материала атомы, смогут производить все необходимое с недостижимой ранее эффективностью.

В основе разработки наномашин лежит простая идея. Хотя сейчас в нашем распоряжении и имеются средства для манипуляций отдельными атомами, вряд ли их можно "напрямую" применить для того, чтобы собрать что-то дельное: уже хотя бы только из-за количества атомов, которые придется "монтировать". Однако возможностей существующих технологий уже достаточно, чтобы соорудить из нескольких молекул некие простейшие механизмы, которые, руководствуясь управляющими сигналами извне (акустическими, электромагнитными и пр.), смогут манипулировать другими молекулами и создавать себе подобные устройства или более сложные механизмы. Те, в свою очередь, смогут изготовить еще более сложные устройства и т. д. В конце концов этот экспоненциальный процесс приведет к созданию молекулярных роботов - механизмов, сравнимых по размерам с крупной молекулой и обладающих собственным встроенным компьютером. В создании таких нанокомпьютеров нет ничего фантастического, активные электронные элементы таких размеров уже получены в лабораторных условиях.

Надо ли говорить о том, насколько это преобразит наш мир. Практически все, что необходимо для жизни и деятельности человека, может быть изготовлено молекулярными роботами непосредственно из атомов и молекул окружающей среды. Продукты питания - из почвы и воздуха, точно так же, как их производят растения; кремниевые микросхемы - из песка. Очевидно, что подобное производство будет куда более рентабельным и экологичным, чем нынешние промышленность и сельское хозяйство. Надо будет лишь снабдить наномашины сырьем и энергией, а все остальное они сделают сами. Хотя ничто не мешает тому, чтобы и сырье, и энергию наномашины также добывали сами. Человечество получит исключительно комфортную среду обитания, в которой не будет места ни голоду, ни болезням, ни изнурительному физическому труду.

В перспективе возможно возникновение такого явления, которое Лем назвал "разумная среда обитания". Наноразмерные логические элементы заполнят собой все окружающее пространство: они будут находиться между молекулами воздуха, присутствовать в каждом предмете, в каждом человеческом организме. Весь окружающий мир превратится в один гигантский компьютер или, что, пожалуй, будет вернее, человечество сольется с окружающим миром в единый разумный организм. Возникнет совершенно иное общество, но каким оно будет, представить сложно. Воображение одних рисует чудесный волшебный мир, где каждое желание человека исполняется, словно по мановению волшебной палочки, другие представляют общество, где каждый шаг человека поставлен под контроль логических автоматов, а сами люди лишены свободы и индивидуальности. Возник даже такой термин - "нанархия", обозначающий общество, где неукоснительное соблюдение закона достигается тем, что каждый шаг человека контролируется специальными нанороботами.

Хотя, если взглянуть трезво и без эмоций, такие опасения вряд ли обоснованы. Грядущее общество настолько будет отличаться от современного, что наши теперешние оценки и критерии к нему вряд ли применимы и даже, пожалуй, нелепы. Точно так же, как нелепы опасения амазонского туземца, что фотограф, снимая его, крадет тем самым его душу.

Когда же нанотехнологии войдут в нашу жизнь? А они уже потихонечку входят. Когда вы берете в руки компакт-, а тем паче DVD-диск, вы уже приобщаетесь к ним. Почти наверняка при изготовлении матрицы для производства этих дисков использовались нанотехнологические методы. Хотя, справедливости ради, надо заметить, что это пока один из немногих примеров промышленного применения нанотехнологий. Но всему свое время. Когда Фарадей демонстрировал открытое им явление электромагнитной индукции, одна светская дама заметила: "Но разве это может иметь какое-то практическое значение? Этот ток такой слабый, его силы едва хватает, чтобы отклонить стрелку". На что Фарадей ответил: "Но мадам, разве вы возьметесь предсказать судьбу новорожденного младенца?" А спустя сто с небольшим лет после этого разговора динамо-машины стали основным способом получения электричества.

Нанотехнологиям же, по-видимому не потребуется даже ста лет. Например, основным фактором, сдерживающим развитие наномашин, является вовсе не сложность их изготовления. Ученые уже умеют собирать атомы и молекулы в некие конструкции. Главная сложность состоит в том, что для того, чтобы собрать такую машину, надо сначала ее сконструировать, разработать. Расчет такой конструкции - дело чрезвычайно трудоемкое и сложное, для его осуществления не хватает даже мощности современных суперкомпьютеров. Но мы знаем, какими темпами развивается вычислительная техника. Поэтому появление молекулярных роботов - это вопрос десятилетий.

К примеру, оптимисты и пессимисты, предсказывая, когда при помощи молекулярных роботов удастся поставить барьер на пути болезней и старости человека (то есть речь идет фактически об индивидуальном бессмертии), расходятся в своих оценках всего на несколько десятилетий - ничтожный срок на фоне истории человечества. По разным прогнозам, это произойдет во второй или третьей четверти двадцать первого века³.

И кто знает, может быть, в тот самый момент, когда пишутся эти строки, в каком-нибудь роддоме Земли уже родился первый бессмертный человек. Задумайтесь над этим.

Некоторые перспективы нанотехнологий

1. Медицина. Создание молекулярных роботов-врачей, которые "жили" бы внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращали бы возникновение таковых, включая повреждения генетические. Прогнозируемый срок реализации - первая половина XXI века.

2. Геронтология. Достижение личного бессмертия людей за счет внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестройки и "облагораживания" тканей человеческого организма. Оживление и излечение тех безнадежно больных людей, которые были заморожены в настоящее время методами крионики. Прогнозируемый срок реализации: третья - четвертая четверти XXI века.

3. Промышленность. Замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул. Вплоть до персональных синтезаторов и копирующих устройств, позволяющих изготовить любой предмет. Первые практические результаты могут быть получены в начале XXI века.

4. Сельское хозяйство. Замена "естественных машин" для производства пищи (растений и животных) их искусственными аналогами - комплексами из молекулярных роботов. Они будут воспроизводить те же химические процессы, что происходят в живом организме, однако более коротким и эффективным путем. Например, из цепочки "почва - углекислый газ - фотосинтез - трава - корова - молоко" будут удалены все лишние звенья. Останется "почва - углекислый газ - молоко (творог, масло, мясо - все, что угодно)". Стоит ли говорить о том, что подобное "сельское хозяйство" не будет зависеть от погодных условий и не будет нуждаться в тяжелом физическом труде. А производительности его хватит, чтобы решить продовольственную проблему раз и навсегда. По разным оценкам, первые такие комплексы будут созданы во второй - четвертой четвертях XXI века.

5. Биология. Станет возможным "внедрение" в живой организм на уровне атомов. Последствия могут быть самыми различными - от "восстановления" вымерших видов до создания новых типов живых существ, биороботов. Прогнозируемый срок реализации: середина XXI века.

6. Экология. Полное устранение вредного влияния деятельности человека на окружающую среду. Во-первых, за счет насыщения экосферы молекулярными роботами-санитарами, превращающими отходы деятельности человека в исходное сырье, а во-вторых, за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы. Прогнозируемый срок реализации: середина XXI века.

7. Освоение космоса. По-видимому, освоению космоса "обычным" порядком будет предшествовать освоение его нанороботами. Огромная армия роботов-молекул будет выпущена в околоземное космическое пространство и подготовит его для заселения человеком - сделает пригодными для обитания Луну, астероиды, ближайшие планеты, соорудит из "подручных материалов" (метеоритов, комет) космические станции. Это будет намного дешевле и безопаснее существующих ныне методов.

8. Кибернетика. Произойдет переход от ныне существующих планарных структур к объемным микросхемам, размеры активных элементов уменьшаться до размеров молекул. Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцовых величин. Получат распространение схемные решения на нейроноподобных элементах. Появится быстродействующая долговременная память на белковых молекулах, емкость которой будет измеряться терабайтами. Станет возможным "переселение" человеческого интеллекта в компьютер. Прогнозируемый срок реализации: первая - вторая четверть XXI века.

9. Разумная среда обитания. За счет внедрения логических наноэлементов во все атрибуты окружающей среды она станет "разумной" и исключительно комфортной для человека. Прогнозируемый срок реализации: после XXI века.

Этапы развития нанотехнологий

1959 г. Лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман заявляет, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все, что угодно.

1981 г. Создание Бинигом и Рорером сканирующего туннельного микроскопа - прибора, позволяющего осуществлять воздействие на вещество на атомарном уровне.

1982-85 гг. Достижение атомарного разрешения.

1986 г. Создание атомно-силового микроскопа, позволяющего, в отличие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодействие с любыми материалами, а не только с проводящими.

1990 г. Манипуляции единичными атомами.

1994 г. Начало применения нанотехнологических методов в промышленности.

Заглянуть в будущее человечества можно по адресу: http://www.wired.com/wired/scenarios/ museum.html. Здесь расположен виртуальный музей достижений нанотехнологий. Хотя музей и научно-фантастический, те экспонаты, которые в нем представлены, вполне осязаемы. Ибо будущие достижения нанотехнологий прогнозируются сейчас с достаточной точностью. (СКРИНШОТ Museum)

1 S. Lem. Wizja Localna. Krakow, 1982. Роман очень сложен для перевода, поэтому на русском языке полностью, кажется, не публиковался. Отрывок из него был опубликован в 1988 году под названием "В институте облагораживания среды".

2 Не правда ли, символично, что другая научная сенсация - телепортация, тоже имеет отношение к IBM.

3 У многих из нас есть шанс дожить. Представляете, как будет обидно не дотянуть пять-десять лет.