Тайны открытий XX века

Ученые по-прежнему не могут до конца объяснить многие свойства твердых тел, например, магнетизм или сверхпроводимость. Внутри твердых тел наблюдаются настолько сложные и разнообразные процессы взаимодействия атомов, что описать их с помощью формул или составить модель их поведения пока не удается. Очевидно, какого-то прогресса поможет достичь нанотехнология — одно из важнейших направлений науки XXI века.

Решение было таким органичным

Еще никогда прежде путь от открытия в области физики до получения Нобелевской премии не был таким коротким. Когда 14 октября 1987 года Нобелевский комитет обнародовал свое решение наградить физиков Георга Беднорца и Карла Мюллера, прошло лишь около года с тех пор, как они, сотрудники научно-исследовательской лаборатории IBM в Рюшликоне (Швейцария), открыли феномен высокотемпературной сверхпроводимости.

Впервые сверхпроводимость была обнаружена в 1911 году в опытах с ртутью. Ее электрическое сопротивление исчезало при 4,2 кельвина. Позднее список сверхпроводников пополнили многие химические элементы, сплавы и соединения. Их поведение оставалось загадкой вплоть до 1950-х годов, когда странный эффект получил теоретическое объяснение. При чрезвычайно низких температурах электроны в этих материалах преодолевают взаимное отталкивание и образуют устойчивые пары — так называемые «пары Купера». Они движутся сквозь кристаллическую решетку, не сталкиваясь с атомами и не теряя энергию.

Впрочем, вплоть до середины восьмидесятых годов было известно, что подобное явление может наблюдаться лишь при температурах, практически равных абсолютному нулю, а значит, сверхпроводимость не имеет особого практического значения. Сверхпроводящие материалы надо охлаждать с помощью жидкого гелия до -269ºС, что весьма трудоемко и дорого.

Однако в своих экспериментах с оксокупратами — керамическими материалами, содержащими медь и кислород, а также барий, иттрий или висмут, — Беднорц и Мюллер выяснили, что сверхпроводимость может наблюдаться, например, при — 196°С, а до этой температуры можно охладить материалы с помощью жидкого азота, что вполне рентабельно. У ученых появилась надежда, что явление сверхпроводимости удастся использовать и в промышленности — для накопления и передачи электрической энергии. Однако эти необычные материалы оказались очень хрупкими и с трудом поддавались обработке.

Итак, ожидания ученых пока не сбылись, хотя за последние два десятилетия они регулярно открывают все новые — по большей части довольно экзотические — соединения, обладающие высокотемпературной сверхпроводимостью.

В 1993 году российские физики Е.В. Антипов и С.Н. Путилин синтезировали первый ртутьсодержащий сверхпроводник (его температура перехода равнялась -179°С), а полгода спустя они же получили сверхпроводник с рекордной температурой перехода, равной -138ºС.

Некоторые фтораргенаты — соли, содержащие серебро и фтор, — тоже могут стать сверхпроводящими при довольно высокой температуре, поскольку очень похожи на оксокупраты.

Обнаружились и полимеры с необычными свойствами: органические сверхпроводники. Правда, до их промышленного применения пока далеко, ведь они утрачивают электрическое сопротивление лишь при температуре -260ºС и давлении 2000 бар. При таком давлении в материале образуются широкие каналы, сквозь которые беспрепятственно перетекают электроны. Первый из таких материалов был открыт в 1980 году датским химиком Клаусом Бехгаардом и французским физиком Дени Жеромом. Он содержал селен. В состав самых известных органических полимеров входят соли на основе серы.

Любопытна их структура. В керамике, например, чередуются изолирующие и проводящие слои. Поэтому керамические сверхпроводники называют «двумерными». А вот в солях Бехгаарда ток течет только вдоль цепочки проводящих молекул, которая тянется через весь кристалл. Их называют «одномерными». На такие материалы уже не распространяется теория Л.Д. Ландау, который рассматривал движение электронов в твердых телах как своего рода течение жидкости, состоящей из отдельных частиц.

Изучение подобных полимеров, — пусть они и не находят пока промышленного применения, — поможет лучше понять свойства керамических сверхпроводников. Почему все-таки критическая температура последних так высока?

Известно, что электроны в них, как и в других сверхпроводниках, образуют пары. У металлов и их сплавов это наблюдается лишь при температурах ниже -250 °С. При более высоких температурах электронные пары распадаются. А вот в керамике такого не происходит. Как полагают, здесь начинают действовать магнитные силы, скрепляющие пары электронов.

«Похоже, что в органических сверхпроводниках между электронами тоже действуют магнитные силы», — считает немецкий исследователь Йохен Восница. Однако ученые пока не могут детально описать происходящие при этом процессы.

И все-таки первые успехи уже есть. Так, на трансформаторных станциях в Копенгагене и Детройте уже сейчас вместо медной обмотки используют сверхпроводящую керамику — купрат висмута. Со временем подобная керамика найдет широкое применение в трансформаторах, аккумуляторах и даже двигателях.

Ленту из купрата висмута можно намотать на трубку, по которой течет жидкий азот, охлаждающий ее до нужной температуры. Фирма «Американ Суперкондактор» уже изготовила электродвигатель мощностью 1000 лошадиных сил, где в обмотках электромагнитов вместо медных проводов использованы керамические ленты. Мотор получился на треть легче обычного, да и заметно уменьшился в размерах; зато создается более мощное магнитное поле.

Испытания нового двигателя прошли успешно. Теперь та же самая фирма намерена разработать сверхпроводящие двигатели мощностью от 5000 до 33 500 лошадиных сил. Их испытания будут вестись как на заводах, так и на кораблях американского ВМФ.

Вспоминая традиционные способы передачи электричества, впору воскликнуть: «Прощай, медная проволока! Тебя уносит в прошлое, в ту страну забытых вещей, где еще ставят на стол чернильницу-непроливайку, достают гусиное перо, а по медным проводкам все так же бежит электрический ток, накаливая лампы бра и торшеров. Тебя не будет, паутина меди, покрывшая изнутри все механизмы. Сколько энергии поглощала ты, когда по тебе перекатывался ток электронов! Как принижала любой КПД! И вот планы изобретателей, что расправа с тобой. В XXI веке тебя потеснят керамические сверхпроводники. Ведь они могут передавать электричество без потерь, а значит, использовать электрическую энергию куда эффективнее, чем теперь».

Однако прежде чем желанные перемены свершатся, предстоит решить немало практических и теоретических проблем. Ученые по-прежнему не могут объяснить, почему твердые тела иногда утрачивают электрическое сопротивление. Когда электроны перестают замечать кристаллическую решетку и «ударяться» об ее атомы? Какие силы удерживают электроны в парах? Если же отсутствует теория, то нельзя предсказывать существование новых сверхпроводящих материалов. Мы не можем моделировать ту или иную комбинацию химических элементов, позволяющую создать идеальный сверхпроводник.

«Физика сверхпроводников переживает период бурного расцвета, — отмечает академик Юрий Третьяков. — Однако в физике до сих пор не существует теории, которая имела бы прогностическую ценность и могла предсказать, где искать сверхпроводники с нужными свойствами. Наука лишь объясняет свойства уже синтезированных материалов. Но универсальной теории сверхпроводников нет».

Прогноз погоды на атомарном уровне

Не поддаются объяснению и другие феномены, присущие твердым телам. Например, некоторые металлические сплавы могут запоминать свою форму. После деформирования предметы, изготовленные из металла, обладающего памятью, вновь принимают первоначальную форму, если их нагреть до определенной температуры или поместить в магнитное поле. Они как будто помнят о своей прежней форме. Однако объяснить поведение этих материалов ученые пока не могут, как и не знают, почему одни материалы обладают памятью, а другие — нет.

Физики затрудняются даже объяснить эффекты, возникающие при взаимодействии света и материи. А ведь подобные эффекты играют важную роль и в природе, и в технике. Как, например, возникает окраска у различных твердых тел? Или как полупроводниковый лазер генерирует световой луч?

Во всех этих феноменах частицы света — фотоны — поглощаются твердой материей, изменяются определенным образом и вновь излучаются. Подобные процессы можно достаточно хорошо описать, но истолковать происходящее трудно.

Причина заключается в том, что внутри твердого тела — громадное количество частиц. Например, в кристалле размером с кусочек сахара содержится больше атомов, чем звезд в Млечном Пути. У любого из атомов есть свои электроны, которые взаимодействуют друг с другом и с кристаллической решеткой. Это и обусловливает свойства твердого тела.

Попытка описать, как меняются эти свойства, равносильна решению любой другой задачи о поведении системы, состоящей из бесчисленного множества отдельных элементов. К таким задачам относятся, например, прогнозирование погоды или описание процессов, происходящих внутри живых организмов. Подобные задачи не решить даже с помощью самых мощных компьютеров. Приходится прибегать к упрощенным расчетным моделям, которые дают лишь приблизительные решения.

Прощание с нашими кремниевыми коллегами

Очевидно, какого-то прогресса поможет достичь нанотехнология. Ее методами можно из отдельных атомов конструировать миниатюрные транзисторы и машины размером в нанометры — миллионные доли миллиметров. Это чрезвычайно важно, поскольку возможности традиционных кремниевых компьютеров скоро будут исчерпаны.

Девиз «Меньше, быстрее, лучше» нигде не проявился так ярко, как в микроэлектронике. Когда в 1971 году был создан первый процессор «Intel-4004», наибольшее число транзисторов на одной микросхеме не превышало 2250. Теперь порядок цифр изменился. Процессор, выпущенный компанией «Intel» тридцать лет спустя, содержал более ста миллионов транзисторов, размещенных на одной микросхеме размером с человеческий ноготь. Толщина самой крохотной структуры — изолирующего слоя из оксида кремния — достигла 1,5 нанометра, то есть оказалась в 100 тысяч раз меньше толщины человеческого волоса.

По оценкам экспертов, объем микросхем ежегодно уменьшается примерно на треть. В минувшие десятилетия ученые не раз полагали, что предел миниатюризации скоро будет достигнут, однако прогнозы оказывались ошибочными. И все же в ближайшее время, действительно, опасения сбудутся, ведь дальнейшей миниатюризации помешают фундаментальные законы физики. Когда элементы микросхемы достигнут атомарных размеров, начнут проявляться эффекты квантовой механики, и работа микросхем станет непредсказуемой. Использовать их в компьютере будет нельзя. Случится это около 2020 года. В дальнейшем же нанотехнология изменит мир так же радикально, как изменила его компьютерная технология.

Новая промышленная революция

Итак, прозвучало одно из ключевых слов XXI века — «нанотехнология», то есть создание материалов и объектов размером в нанометры. Без нанотехнологии, зародившейся лишь в последней четверти века минувшего, невозможно развитие микроэлектроники, биотехнологии, энергетики, робототехники, оптики, фармацевтики. Европейский Союз выделяет на ее развитие больше денег, чем наши власти — на всю российскую науку: по данным на 2004 год, 2,1 миллиарда евро, или двенадцать процентов от общего финансирования научных работ. Нанопродукты — огромный технологический рынок будущего.

Возможно, уже лет через десять появятся работающие механизмы атомарных размеров. Лет через 50 — 100 начнется «новая промышленная революция»: тогда, может быть, войдут в обиход наномашины, изготавливающие различную продукцию.

Конечно, энтузиасты без запинок отвечают, что произойдет в скором будущем. Нанороботы примутся конструировать из отдельных атомов любые предметы — микросхемы, транзисторы «и даже сэндвич с сыром», говорит Пол Грин, директор калифорнийской фирмы «Nanothinc». Или, как отмечает директор Института нанотехнологий США Чэд Миркин: «Сейчас мы используем в промышленности только то, что нам дает природа. Нанотехнологический подход состоит в том, что мы будем перерабатывать практически любые природные ресурсы в так называемые «строительные блоки», которые составят основу будущей промышленности». Сперва ученые хотят научиться собирать объекты размером с молекулу, а потом и более крупные объекты.

По мнению Пола Грина, будущее принадлежит фабрикам, работающим по тому же принципу, что и живая клетка. Сперва нанороботы будут конструировать свои копии. Если допустить, что каждые полчаса робот будет сотворять себе подобного, то уже через тридцать часов их число достигнет триллиона. Несметные полчища роботов начнут мастерить все, что угодно.

С точки зрения законов физики, нет ничего странного в том, что мы будем соединять одни молекулы с другими. Но как мы сообщим каждой из молекул ее точное положение внутри будущего предмета? На практике это означает невообразимое: всего один грамм графита, то бишь углерода, состоит из 50 секстиллионов молекул. Сколько же мороки уйдет на то, чтобы методами нанотехнологов изготовить простой карандаш с грифелем? Как описать эту мегаконструкцию, возведенную из отдельных атомов?

Представьте себе, что вам нужно возвести многоэтажный кирпичный дом. Вы собираетесь строить его по-новому: без помощи каменщиков. В каждый кирпич вы вмонтируете моторчик и снабдите его блоком памяти. Вы введете туда точные координаты его будущего места: этот уляжется в шестом ряду западной стены (позиция 647), этот — в двадцать четвертом ряду южной стены (позиция 2415). Наконец, после многодневной подготовки вы командуете «Пуск»: груды стройматериала приходят в движение. «Атом за атомом», кирпич за кирпичом, все это скользит по ленте транспортера, занимая положенные места. Но сколько же времени потеряно из-за вашей «революции в строительстве»? Не проще ли было нанять каменщиков? Уровень развития нанотехнологий пока таков, что нет никакого смысла стремиться к осуществлению многих предлагаемых прожектов. Можно лишь мечтать о них, ведь они заведомо неэффективны.

Как и в случае с микросхемами, миниатюризация имеет свои пределы. Не все можно уменьшить до атомарных размеров. В микромире нас подстерегают неожиданные эффекты. Там зубчатые передачи будут выходить из строя только потому, что сила притяжения между колесами будет заметно больше силы тяжести. Там части механизмов будут слипаться под действием адгезии. Там взыграют квантовые эффекты. Там все иначе, чем в видимом мире.

Кроме того, дальнейшее развитие нанотехнологий вызывает опасение у многих специалистов, видящих в ней угрозу человечеству. Как емко выразился Александр Семенов на страницах журнала «Знание — сила», «даже от атомного оружия можно спрятаться под землю. От всепроникающих нанороботов спрятаться нельзя».

По мнению критиков нанотехнологий, полагаться на добрый разум незримых роботов все равно, что выпускать на свободу микробы из бактериологических лабораторий. Одни будут сами проникать в человеческие клетки; другие примутся мастерить аппараты, способные на это. Что ж, хранителями знаний станут они — роботы; мы же — «мертвой Природой», полем их деятельности, их «собаками Павлова». Возможно, нанооружие будет уничтожать огромные общности людей, объединенных каким-либо одним генетическим признаком. На новом витке вооружений человек становится еще обреченнее на смерть. В мире нанороботов, этих «микроорганизмов» будущего, он — всего лишь «одна из самых слабых машин», которую можно так же бесцеремонно починять, как мы починяем и переделываем какой-нибудь жигуленок. Умные машины могут охотиться на него, как индейцы и янки — на стада бизонов, сводя к нулю миллионные поголовья людей.

Впрочем, пока заботы нанотехнологов довольно будничны. «Микроскопические» успехи здесь принимаются на ура. Весной 2000 года японские ученые из компании NEC изготовили переключатель размером менее 10 нанометров. Переключение осуществляется с помощью отдельных электронов. Незадолго до этого немецкий физик Райнер Кассинт продемонстрировал самое маленькое в мире сопло, чей диаметр в тысячи раз меньше диаметра человеческого волоса.

Однако сказанное не означает, что у нанотехнологии пока нет особых перспектив. Так, химическая нанотехнология уже сейчас созрела для промышленного применения. Поверхности различных материалов можно покрывать наночастицами, содержащими всего несколько сотен атомов или молекул. Эти частицы в тысячи раз меньше живой клетки. Их нельзя удалить; их сила сцепления слишком велика. Они меняют свойства подложки, придавая необычайную прочность и стойкость обычным материалам; те могут стать, например, пуленепробиваемыми.

Как подчеркивает физик Ю. Свидиненко на страницах журнала «Наука и жизнь», «нанообъекты (например, наночастицы металлов), как правило, имеют физические и химические свойства, отличные от свойств более крупных объектов из того же материала и от свойств отдельных атомов». Например, температура плавления частиц золота размером 5 — 10 нанометров на сотни градусов ниже температуры плавления куска золота объемом 1 кубический сантиметр.

Наука и промышленность возлагает большие надежды на наноматериалы. Они тверды, жестки, прочны и обладают особыми оптическими свойствами. Нанопорошок из крохотных шариков, трубочек и иголок является основой создания прозрачной керамики, плоских телеэкранов и электропроводящих полимерных пленок. Наночастицы, окруженные слоем органического материала, образуют чрезвычайно стойкие лаки. Мельчайший порошок диоксида титана особенно эффективно защищает дерево, кожу и продукты питания от ультрафиолетового излучения. Поверхность столовой ложки такого порошка примерно равна поверхности футбольного поля. Магнитизированные наночастицы целенаправленно разрушают раковые опухоли.

Нанопродукты — огромный технологический рынок будущего. Они найдут применение буквально во всех отраслях хозяйства: оконные стекла, которые нельзя разрисовать краской; стекла очков, что не поцарапать; противопожарные стекла, способные превратиться при сильном нагревании в изоляционный материал, что выдержит даже залп огнемета; самоочищающиеся покрытия, к которым не будет приставать грязь и вода; наноструктуры вместо традиционных транзисторов. И все же, по мнению экспертов, главной областью их применения станет создание новых «думающих» материалов на основе наночастиц.

«Эволюции потребовались миллиарды лет, чтобы от мельчайших структур перейти к сотворению таких макроскопических систем, как человек, — пишет Фриц Приц из Стэнфордс-кого университета. — Нам потребуются всего десятилетия, чтобы вернуться к мельчайшим объектам».

Кстати, в последнее время все больше интереса вызывает идея использовать фрагменты молекулы ДНК в качестве остова, к которому в строго определенных местах биохимическими методами будут прикрепляться различные наноструктуры.

Несомненно, развитие нанотехнологии благотворно скажется и на развитии фундаментальной физики. Исследование поведения отдельных атомов и взаимодействия их с другими атомами поможет оценить справедливость тех или иных теорий, поверить их практикой. Возможно, это объяснит загадочную природу твердых тел.

«По своей сути нанотехнология является междисциплинарной областью, — отметил в интервью «Известиям» ученый секретарь Совета при президенте РФ по науке и высоким технологиям Михаил Ковальчук. — Многие специалисты считают, что развивать масштабные междисциплинарные исследования сейчас способны только США и Россия». Однако если в США еще в 2000 году была принята государственная программа по развитию нанотехнологии, то в России подобной программы нет.