Jede Art von menschlicher Aktivität ist mit Mythen überwachsen. Die Nanotechnologie, das wichtigste wissenschaftliche und technologische Projekt unserer Zeit, ist keine Ausnahme. Darüber hinaus berührt hier die Mythenbildung das Wesentliche. Die meisten Menschen, auch diejenigen, die der wissenschaftlichen Gemeinschaft angehören, sind davon überzeugt, dass Nanotechnologie in erster Linie die Manipulation von Atomen und die Konstruktion von Objekten ist, indem sie aus Atomen zusammengesetzt werden. Dies ist der Hauptmythos.
Wissenschaftliche Mythen sind zweifach. Einige entstehen durch die Unvollständigkeit unseres Naturwissens oder durch mangelnde Informationen. Andere werden absichtlich für einen bestimmten Zweck erstellt. Bei der Nanotechnologie haben wir eine zweite Option. Dank dieses Mythos und der daraus resultierenden Konsequenzen war es möglich, die Aufmerksamkeit der Machthaber auf sich zu ziehen und den Start des Nanotechnologie-Projekts mit einer autokatalytischen Erhöhung der Investitionen dramatisch zu beschleunigen. Im Wesentlichen war es ein wenig Betrug, was nach den Spielregeln auf höchstem Niveau durchaus akzeptabel war. Der Mythos spielte seine vorteilhafte Rolle als Initiator des Prozesses und wurde glücklich vergessen, wenn es um Technologie selbst ging.
Aber Mythen haben eine erstaunliche Eigenschaft: Wenn sie geboren werden, beginnen sie, ihr eigenes Leben zu führen, während sie erstaunliche Vitalität und Langlebigkeit demonstrieren. Sie sind so fest in den Köpfen der Menschen verwurzelt, dass sie die Wahrnehmung der Realität beeinflussen. Echte nanotechnologische Prozesse, sowohl ausländische als auch Rusnano-Projekte, widersprechen grundlegend dem Mythos, der Verwirrung in ihren Köpfen hervorruft (die meisten Menschen verstehen immer noch nicht, was Nanotechnologie ist), Ablehnung (dies sind keine echten Nanotechnologien!) Und sogar die Ablehnung der Nanotechnologie so wie.
Neben dem Hauptmythos enthüllt uns die Geschichte der Nanotechnologie mehrere begleitende Mythen, die verschiedene Bevölkerungsgruppen erregen und bei einigen unbegründete Hoffnungen und bei anderen Panik auslösen.
Der Gründungsvater Mythos
Die harmloseste der Mythen ist die Zuschreibung von Richard Feynman, einem Spezialisten auf dem Gebiet der Quantenfeldtheorie und Teilchenphysik, als Gründungsvater der Nanotechnologie. Dieser Mythos entstand 1992, als der Prophet der Nanotechnologie, Eric Drexler, bei einer Anhörung zum Thema "Neue Technologien für nachhaltige Entwicklung" vor einem Senatsausschuss sprach. Um das von ihm erfundene nanotechnologische Projekt durchzusetzen, verwies Drexler auf die Aussage des Nobelpreisträgers für Physik, eine in den Augen der Senatoren unerschütterliche Autorität.
Leider verstarb Feynman 1988 und konnte diese Aussage daher weder bestätigen noch leugnen. Aber wenn er es hören könnte, würde er höchstwahrscheinlich fröhlich lachen. Er war nicht nur ein hervorragender Physiker, sondern auch ein berühmter Joker. Kein Wunder, dass sein autobiografisches Buch den Titel trug: "Natürlich machen Sie Witze, Mr. Feynman!" Dementsprechend wurde Feynmans gefeierte Rede beim Silvesterdinner der American Physics Society am California Institute of Technology angenommen. Nach den Erinnerungen eines der Teilnehmer dieses Treffens kann der amerikanische Physiker Paul Schlickt: „Die Reaktion des Publikums kann insgesamt als fröhlich bezeichnet werden. Die meisten dachten, der Sprecher spiele den Narren."
Werbevideo:
Aber die Worte: "Die Prinzipien der Physik, die wir kennen, verbieten nicht die Schaffung von Objekten" Atom für Atom ". Die Manipulation von Atomen ist sehr real und verstößt nicht gegen Naturgesetze “, sagten sie, dies ist eine Tatsache. Der Rest waren Spekulationen über Miniaturisierung in Verbindung mit futurologischen Vorhersagen. Ein Vierteljahrhundert später wurden einige von Feynmans Ideen von Eric Drexler „kreativ“entwickelt und führten zu den wichtigsten Mythen der Nanotechnologie. Außerdem werden wir oft auf diese Rede zurückkommen, um uns an das zu erinnern, was Feynman tatsächlich gesagt hat, und gleichzeitig die Klarheit und Bildsprache der Formulierungen des großen Wissenschaftlers zu genießen.
Der Mythos der Wasteless-Technologie
Wenn wir ein Objekt Atom für Atom erzeugen, wenden wir offensichtlich abfallfreie Technologie an. Das Wort "offensichtlich" wird hier im ursprünglichsten Sinne verwendet - wenn Menschen, vor allem Beamte, Bilder betrachten, die den Prozess der Manipulation von Atomen darstellen, sehen sie keine Abfälle, keine Rauchrohre, die die Atmosphäre verschmutzen, und industrielle Abwässer, die Gewässer verschmutzen … Standardmäßig ist klar, dass das Ziehen eines nahezu schwerelosen Atoms um einige Nanometer eine winzige Energiemenge erfordert. Im Allgemeinen die ideale Technologie für "nachhaltige Entwicklung" - ein Konzept, das in den 90er Jahren des letzten Jahrhunderts äußerst beliebt war.
Die Frage, woher die Atome für den Zusammenbau kommen, ist fast unanständig. Natürlich aus dem Lager, von wo aus sie wahrscheinlich mit umweltfreundlichen Elektroautos geliefert werden. Die überwiegende Mehrheit der Bevölkerung hat wenig Ahnung, woher es kommt. Zum Beispiel die Materialien, aus denen verschiedene Industrieprodukte hergestellt werden, die wir in zunehmenden Mengen verbrauchen. Die Verbindung dieser Produkte mit der chemischen Industrie ist nicht sichtbar. Chemie als Wissenschaft ist langweilig und nicht sehr notwendig, und die chemische Industrie, die sicherlich umweltschädlich ist, muss geschlossen werden.
Unter anderem ist die chemische Industrie nach Ansicht der Mehrheit eine räuberische Verschwendung natürlicher Ressourcen, bei der Öl, Gas, Erze und Mineralien für ihre Prozesse verwendet werden. Und für die neue Technologie werden, wie sich ihre Anhänger vorstellen, nur Atome benötigt: In diesem Abschnitt des Lagers lagern wir Goldatome, in den nächsten Eisenatomen, dann Natriumatomen, Chloratomen … Im Allgemeinen das gesamte Periodensystem von Mendeleev. Wir sind gezwungen, die Autoren dieses idyllischen Bildes zu enttäuschen: Die Atome selbst existieren mit Ausnahme der Atome der Inertgase nur im Vakuum. Unter allen anderen Bedingungen interagieren sie mit ihrer eigenen Art oder anderen Atomen in chemischer Wechselwirkung mit der Bildung chemischer Verbindungen. Dies ist die Natur der Dinge und es kann nichts dagegen unternommen werden.
Jede Technologie erfordert einige Anpassungen, Produktionsmittel, die sich auch der Aufmerksamkeit von Apologeten entziehen, um Objekte aus Atomen zusammenzusetzen. Manchmal im Gegenteil, sie ziehen ihre Aufmerksamkeit auf sich und schütteln sie bis ins Mark. In der Tat sind Tunnel- und Leistungsmikroskope wunderschöne Geräte, ein sichtbarer Beweis für die Kraft des menschlichen Geistes. Und im Allgemeinen die Labore, in denen die Manipulation von Atomen ein Bild der Technologien der Zukunft im Geiste von Alvin Tofflers "Dritter Welle" ist: die sogenannten Reinräume mit Klimaanlage und spezieller Luftreinigung, Geräte, die die geringste Vibration ausschließen, ein Bediener in Spezialkleidung mit Universitätsabschluss in Tasche.
Wird all dies auch ohne Abfall aus Atomen gesammelt? Einschließlich Fundamente, Wände und Dächer? Wir glauben, dass selbst die leidenschaftlichsten Anhänger dieser Technologie es nicht wagen werden, diese Frage zu bejahen.
Die Menschheit wird eines Tages abfallfreie, umweltfreundliche Technologien entwickeln, die jedoch auf unterschiedlichen Prinzipien oder einer grundlegend anderen Technik beruhen.
Der Mythos der Nanomaschinen
Eigentlich ging es anfangs um eine andere Technik. Die Idee, dass ein Manipulator mit geeigneter Größe für das Design im Nanobereich erforderlich ist, liegt auf der Hand. So sah Richard Feynman die Umsetzung dieser Idee:
„Angenommen, ich habe einen Satz von zehn Manipulatorarmen hergestellt, viermal verkleinert und sie mit Drähten an die ursprünglichen Steuerhebel angeschlossen, damit diese Arme gleichzeitig und genau meine Bewegungen wiederholen. Dann werde ich einen Satz von zehn viertelgroßen Armen neu herstellen. Natürlich werden die ersten zehn Manipulatoren 10x10 = 100 Manipulatoren produzieren, jedoch um den Faktor 16 reduziert …
Nichts hindert uns daran, diesen Prozess fortzusetzen und so viele kleine Maschinen zu erstellen, wie wir möchten, da diese Produktion keine Einschränkungen hinsichtlich der Platzierung von Maschinen und ihres Materialverbrauchs aufweist … Es ist klar, dass dies das Problem der Materialkosten sofort beseitigt. Im Prinzip könnten wir Millionen identischer Miniaturfabriken organisieren, in denen winzige Maschinen kontinuierlich Löcher bohren, Teile stempeln usw."
Dieser Ansatz ist eine einfache Umsetzung der Idee, Miniaturgeräte zu erstellen. Es funktioniert, wenn auch mit vielen Einschränkungen, auf Mikroebene, wie die sogenannten mikroelektromechanischen Geräte belegen. Sie werden in Systemen zum Auslösen von Airbags in Autos bei Unfällen, in Laser- und Tintenstrahldruckern, in Drucksensoren, in Haushaltsklimageräten und in Kraftstoffstandsanzeigen in einem Gastank, in Herzschrittmachern und in Joysticks für Spielekonsolen verwendet. Wenn wir sie unter dem Mikroskop betrachten, sehen wir die Zahnräder und Wellen, Zylinder und Kolben, Federn und Ventile, Spiegel und Mikrokreise, die wir gewohnt sind.
Nanoobjekte haben jedoch andere Eigenschaften als Makro- und Mikroobjekte. Wenn wir einen Weg finden, die Größe von Transistoren proportional von heute 45-65 nm auf 10 nm zu reduzieren, funktionieren sie einfach nicht, da Elektronen durch die Isolatorschicht tunneln. Und die Verbindungsdrähte werden dünner zu einer Kette von Atomen, die den Strom anders als die massiven Proben leiten und aufgrund thermischer Bewegung zu den Seiten streuen oder sich umgekehrt auf einem Haufen sammeln, wobei die Aufgabe der Aufrechterhaltung des elektrischen Kontakts vergessen wird.
Gleiches gilt für die mechanischen Eigenschaften. Mit abnehmender Größe nimmt das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen zu, und je größer die Oberfläche ist, desto größer ist die Reibung. Nanoobjekte haften buchstäblich an anderen Nanoobjekten oder an Oberflächen, die für sie aufgrund ihrer eigenen Kleinheit glatt erscheinen. Dies ist eine nützliche Eigenschaft für einen Gecko, der leicht auf einer vertikalen Wand läuft, aber für jedes Gerät, das auf einer horizontalen Oberfläche fahren oder rutschen muss, äußerst schädlich ist. Um es einfach von seinem Platz zu entfernen, müssen Sie unverhältnismäßig viel Energie aufwenden.
Andererseits ist die Trägheit gering, die Bewegung stoppt schnell. Es ist nicht schwierig, ein Nanopendel herzustellen - ein Goldteilchen mit einem Durchmesser von einigen Nanometern an ein Kohlenstoffnanoröhrchen mit einem Durchmesser von 1 nm und einer Länge von 100 nm zu binden und es an eine Siliziumplatte zu hängen. Aber dieses Pendel stoppt fast sofort, wenn Sie es in die Luft schwingen, da selbst Luft ein erhebliches Hindernis für es darstellt.
Nanoobjekte haben, wie sie sagen, einen hohen Luftwiderstand, und es ist im Allgemeinen leicht, sie in die Irre zu führen. Viele beobachteten wahrscheinlich die Brownsche Bewegung in einem Mikroskop - zufälliges Werfen eines kleinen festen Teilchens in Wasser. Albert Einstein erklärte bereits 1905 den Grund für dieses Phänomen: Wassermoleküle, die sich in ständiger thermischer Bewegung befinden, treffen auf die Oberfläche des Partikels, und die unkompensierte Kraft des Aufpralls von verschiedenen Seiten führt dazu, dass das Partikel in die eine oder andere Richtung einen Impuls erhält. Wenn ein Teilchen mit einer Größe von 1 Mikron die Aufprallkraft kleiner Moleküle erfasst und die Bewegungsrichtung ändert, was können wir dann über ein Teilchen von 10 nm sagen, das eine Million Mal weniger wiegt und für das das Verhältnis von Gewicht zu Oberfläche 100 Mal weniger ist.
In der wissenschaftlichen und populärwissenschaftlichen Literatur, insbesondere in Medienpublikationen, finden sich jedoch ständig Beschreibungen der Nanokopie verschiedener mechanischer Teile, Zahnräder, Schraubenschlüssel, Räder, Achsen und sogar Getriebe. Es wird davon ausgegangen, dass sie zur Erstellung von Arbeitsmodellen für Nanomaschinen und andere Geräte verwendet werden. Nehmen Sie diese Werke nicht mit übermäßigem Ernst, verurteilen, wundern oder bewundern. "Ich bin persönlich davon überzeugt, dass wir Physiker solche Probleme nur zum Spaß oder zum Spaß lösen können", sagte Richard Feynman. Physiker scherzen …
Tatsächlich sind sie sich der Tatsache voll bewusst, dass zur Herstellung nanomechanischer oder nanoelektromechanischer Bauelemente Entwurfsansätze verwendet werden müssen, die sich von Makro- und Mikroanalysen unterscheiden. Und hier müssen Sie zunächst einmal nichts erfinden, denn in Milliarden von Jahren der Evolution hat die Natur so viele verschiedene molekulare Maschinen geschaffen, dass zehn Jahre nicht ausreichen, um alle zu verstehen, zu kopieren, an unsere Bedürfnisse anzupassen und zu versuchen, etwas zu verbessern.
Das bekannteste Beispiel für einen natürlichen molekularen Motor ist der sogenannte bakterielle Flagellenmotor. Andere biologische Maschinen sorgen für Muskelkontraktion, Herzschlag, Nährstofftransport und Ionentransport durch die Zellmembran. Die Effizienz molekularer Maschinen, die chemische Energie in mechanische Arbeit umwandeln, liegt in vielen Fällen nahe bei 100%. Gleichzeitig sind sie äußerst wirtschaftlich, beispielsweise werden weniger als 1% der Energieressourcen der Zelle für den Betrieb von Elektromotoren aufgewendet, die die Bewegung von Bakterien sicherstellen.
Es scheint mir, dass der beschriebene biomimetische Ansatz (aus den lateinischen Wörtern "Bios" - Leben und "Mimetis" - Nachahmung) der realistischste Weg zur Herstellung nanomechanischer Geräte ist und einer der Bereiche, in denen die Zusammenarbeit von Physikern und Biologen auf dem Gebiet der Nanotechnologie greifbare Ergebnisse bringen kann.
Der Nanoroboter-Mythos
Angenommen, wir haben eine Skizze eines Nanogeräts auf Papier oder auf einem Computerbildschirm erstellt. Wie sammle ich es und vorzugsweise nicht in einer Kopie? Sie können Feynman folgen und "winzige Maschinen erstellen, die kontinuierlich Löcher bohren, Teile stempeln usw." und Miniaturmanipulatoren zum Zusammenbauen des fertigen Produkts. Diese Manipulatoren müssen von einer Person gesteuert werden, dh sie müssen über eine makroskopische Ausrüstung verfügen oder zumindest gemäß einem von einer Person vorgegebenen Programm handeln. Darüber hinaus ist es notwendig, den gesamten Prozess irgendwie zu beobachten, beispielsweise mit einem Elektronenmikroskop, das auch Makrodimensionen aufweist.
Eine alternative Idee wurde 1986 vom amerikanischen Ingenieur Eric Drexler im futurologischen Bestseller "Machines of Creation" vorgeschlagen. Wie alle Menschen seiner Generation in den Büchern von Isaac Asimov aufgewachsen, schlug er vor, mechanische Maschinen geeigneter Größe (100-200 nm) zu verwenden - Nanoroboter für die Herstellung von Nanogeräten. Es ging nicht mehr um Bohren und Stanzen, diese Roboter mussten ein Gerät direkt aus Atomen zusammenbauen, so dass sie Assembler - Assembler genannt wurden. Der Ansatz blieb jedoch rein mechanisch: Der Monteur war mit Manipulatoren mit einer Länge von mehreren zehn Nanometern, einem Motor zum Bewegen der Manipulatoren und des Roboters selbst, einschließlich der zuvor genannten Getriebe und Getriebe, sowie einer autonomen Stromquelle ausgestattet. Es stellte sich heraus, dass der Nanoroboter aus mehreren Zehntausenden von Teilen bestehen sollte,und jedes Detail besteht aus ein oder zweihundert Atomen.
Das Problem der Visualisierung von Atomen und Molekülen verschwand irgendwie unmerklich. Es schien ganz natürlich, dass ein Nanoroboter, der mit Objekten vergleichbarer Größe arbeitet, sie „sieht“, wenn eine Person einen Nagel und einen Hammer sieht, mit denen er diesen Nagel gegen eine Wand hämmert.
Die wichtigste Einheit des Nanoroboters war natürlich der Bordcomputer, der den Betrieb aller Mechanismen kontrollierte und festlegte, welches Atom oder welches Molekül vom Manipulator erfasst werden sollte und wo sie im zukünftigen Gerät platziert werden sollten. Die linearen Abmessungen dieses Computers sollten 40-50 nm nicht überschreiten - dies ist genau die Größe eines Transistors, der durch die Industrietechnologie unserer Zeit erreicht wurde, 25 Jahre nachdem Drexler sein Buch "Creation Machines" geschrieben hatte.
Drexler richtete sein Buch aber auch an die Zukunft, an die ferne Zukunft. Zum Zeitpunkt dieses Schreibens haben Wissenschaftler noch nicht einmal die grundsätzliche Möglichkeit der Manipulation einzelner Atome bestätigt, ganz zu schweigen von der Anordnung zumindest einiger Strukturen aus ihnen. Dies geschah nur vier Jahre später. Das Gerät, das zum ersten Mal dafür verwendet wurde und heute noch verwendet wird - das Tunnelmikroskop - hat ganz greifbare Abmessungen, zig Zentimeter in jeder Dimension, und wird von einer Person gesteuert, die einen leistungsstarken Computer mit Milliarden von Transistoren verwendet.
Die Traumidee, dass Nanoroboter Materialien und Geräte aus einzelnen Atomen zusammensetzen, war so schön und verlockend, dass diese Entdeckung sie nur überzeugend machte. Weniger als ein paar Jahre später glaubten die Senatoren der Vereinigten Staaten, Journalisten, die weit von der Wissenschaft entfernt waren, daran und auf ihren Vorschlag hin - die Öffentlichkeit und überraschenderweise der Autor selbst, der sie weiter verteidigte, selbst wenn ihm verständlich erklärt wurde, dass die Idee im Prinzip nicht realisierbar sei … Es gibt viele Argumente gegen solche mechanischen Geräte, wir werden nur das einfachste von Richard Smalley anführen: Ein Manipulator, der ein Atom "einfängt", wird sich aufgrund chemischer Wechselwirkungen für immer mit ihm verbinden. Smalley war Nobelpreisträger für Chemie, was wohl der Fall gewesen sein muss.
Aber die Idee lebte weiterhin ihr eigenes Leben und hat bis heute überlebt. Sie wurde merklich komplizierter und durch verschiedene Anwendungen ergänzt.
Der Mythos der medizinischen Nanoroboter
Der populärste Mythos ist, dass es Millionen von Nanorobotern gibt, die durch unseren Körper streifen, den Zustand verschiedener Zellen und Gewebe diagnostizieren, Zusammenbrüche mit einem Nanoskalpell reparieren, Krebszellen zerlegen und abbauen, Knochengewebe durch Zusammenbau von Atomen aufbauen, Cholesterinplaques mit einem Nanoscoop abkratzen und im Gehirn Selektive Synapsen brechen, die für unangenehme Erinnerungen verantwortlich sind. Und berichten Sie auch über die Arbeit, die durch die Übermittlung von Nachrichten geleistet wurde, wie zum Beispiel: „Alex an Eustace. Aufgedeckte Beschädigung der Mitralklappe. Der Bruch wurde beseitigt. " Letzteres gibt Anlass zu ernsthafter öffentlicher Besorgnis, da dies die Offenlegung privater Informationen ist - die Nachricht des Nanoroboters kann nicht nur von einem Arzt, sondern auch von Außenstehenden empfangen und entschlüsselt werden. Diese Sorge bestätigtdass an alles andere die Menschen bedingungslos glauben. Wie bei Nanoroboter-Spionen beobachtet uns in "intelligentem Staub", der in unsere Wohnungen eindringt, unsere Gespräche, belauscht unsere Gespräche und überträgt die empfangenen Video- und Audiomaterialien erneut über einen Nano-Sender mit einer Nanoantenne. Oder in Killer-Nanobots, die Menschen und Technologie mit Nanoszenen treffen, vielleicht sogar mit nuklearen.
Das Erstaunlichste ist, dass fast alles, was beschrieben wird, erstellt werden kann (und etwas bereits erstellt wurde). Und invasive Diagnosesysteme, die über den Zustand des Körpers berichten, und Medikamente, die auf bestimmte Zellen wirken, und Systeme, die unsere Blutgefäße von atherosklerotischen Plaques, Knochenwachstum, Löschen von Erinnerungen und unsichtbaren Fernverfolgungssystemen sowie "intelligentem Staub" reinigen.
Alle diese Systeme der Gegenwart und der Zukunft haben und werden jedoch nichts mit mechanischen Nanorobotern im Sinne von Drexler zu tun haben, mit Ausnahme der Größe. Sie werden gemeinsam von Physikern, Chemikern und Biologen erstellt, Wissenschaftlern, die auf dem Gebiet der synthetischen Wissenschaft, der Nanotechnologie, tätig sind.
Der Mythos der physikalischen Methode zur Synthese von Substanzen
In seinem Vortrag verriet Richard Feynman unwissentlich den geheimen ewigen Traum der Physiker:
„Und schließlich, wenn wir in diese Richtung denken (die Möglichkeit, Atome zu manipulieren. - GE), kommen wir zu den Problemen der chemischen Synthese. Chemiker werden mit bestimmten Befehlen zu uns kommen, Physiker: "Hören Sie, Freund, werden Sie nicht ein Molekül mit dieser und jener Verteilung von Atomen herstellen?" Chemiker selbst verwenden komplexe und sogar mysteriöse Operationen und Techniken, um Moleküle herzustellen. Um das beabsichtigte Molekül zu synthetisieren, müssen sie normalerweise verschiedene Substanzen ziemlich lange mischen, schütteln und verarbeiten. Sobald Physiker ein Gerät entwickeln, das mit einzelnen Atomen arbeiten kann, wird all diese Aktivität unnötig … Chemiker werden die Synthese anordnen und Physiker werden Atome einfach in die richtige Reihenfolge "bringen".
Chemiker synthetisieren kein Molekül, Chemiker bekommen eine Substanz. Substanz, ihre Herstellung und Umwandlung ist ein Thema der Chemie, das bis heute für Physiker rätselhaft ist.
Ein Molekül ist eine Gruppe von Atomen, die nicht nur in der richtigen Reihenfolge angeordnet, sondern auch durch chemische Bindungen verbunden sind. Eine transparente Flüssigkeit, in der sich ein Sauerstoffatom für zwei Wasserstoffatome befindet, kann Wasser oder eine Mischung aus flüssigem Wasserstoff und Sauerstoff sein (Achtung: Nicht zu Hause mischen!).
Nehmen wir an, wir haben es irgendwie geschafft, ein Bündel von acht Atomen zusammenzusetzen - zwei Kohlenstoffatome und sechs Wasserstoffatome. Für einen Physiker wird dieses Bündel wahrscheinlich ein Molekül Ethan C2H6 sein, aber ein Chemiker wird mindestens zwei weitere Möglichkeiten zur Kombination von Atomen aufzeigen.
Nehmen wir an, wir wollen Ethan erhalten, indem wir uns aus Atomen zusammensetzen. Wie kann ich das machen? Wo fangen Sie an: zwei Kohlenstoffatome bewegen oder ein Wasserstoffatom an ein Kohlenstoffatom binden? Eine knifflige Frage, auch für den Autor. Das Problem ist, dass Wissenschaftler bisher gelernt haben, Atome zu manipulieren, zum einen schwer und zum anderen nicht sehr reaktiv. Ziemlich komplexe Strukturen bestehen aus Xenon-, Gold- und Eisenatomen. Der Umgang mit leichten und extrem aktiven Wasserstoff-, Kohlenstoff-, Stickstoff- und Sauerstoffatomen ist nicht ganz klar. Mit der atomaren Anordnung von Proteinen und Nukleinsäuren, von der einige Autoren als praktisch gelöste Angelegenheit sprechen, muss man also warten.
Es gibt noch einen weiteren Umstand, der die Aussichten für die "physikalische" Synthesemethode erheblich einschränkt. Wie bereits erwähnt, synthetisieren Chemiker kein Molekül, sondern erhalten eine Substanz. Die Substanz besteht aus einer Vielzahl von Molekülen. 1 ml Wasser enthält ~ 3x1022 Wassermoleküle. Nehmen wir ein bekannteres Objekt für die Nanotechnologie - Gold. Ein 1 cm3 Goldwürfel enthält ~ 6x1022 Goldatome. Wie lange dauert es, einen solchen Atomwürfel zusammenzusetzen?
Die Arbeit an einem Atomkraft- oder Tunnelmikroskop ist bis heute kunstähnlich, und es ist nicht ohne Grund erforderlich, dass eine besondere und sehr gute Ausbildung erforderlich ist. Manuelle Arbeit: Haken Sie das Atom ein, ziehen Sie es an die richtige Stelle, bewerten Sie das Zwischenergebnis. Ungefähr so schnell wie Mauerwerk. Nehmen wir an, wir haben einen Weg gefunden, den Prozess irgendwie zu mechanisieren und zu intensivieren und können eine Million Atome pro Sekunde stapeln, um den Leser nicht mit unvorstellbaren Zahlen zu erschrecken. In diesem Fall werden wir zwei Milliarden Jahre damit verbringen, einen 1 cm3 großen Würfel zusammenzusetzen, ungefähr so, wie es die Natur brauchte, um die gesamte lebende Welt und uns selbst als Krone der Evolution durch Versuch und Irrtum zu erschaffen.
Deshalb sprach Feynman von den Millionen "Fabriken", ohne jedoch deren mögliche Produktivität zu bewerten. Deshalb werden selbst eine Million Nanoroboter, die in uns huschen, das Problem nicht lösen, weil wir nicht genug Leben haben werden, um auf das Ergebnis ihrer Arbeit zu warten. Deshalb forderte Richard Smalley Eric Drexler auf, jegliche Erwähnung von "Schöpfungsmaschinen" vom öffentlichen Sprechen auszuschließen, um die Öffentlichkeit nicht mit diesem anti-wissenschaftlichen Unsinn in die Irre zu führen.
Können wir dieser Methode zur Gewinnung von Substanzen, Materialien und Geräten ein Ende setzen? Nein überhaupt nicht.
Erstens kann dieselbe Technik verwendet werden, um wesentlich größere Bausteine wie Kohlenstoffnanoröhren anstelle von Atomen zu manipulieren. Dies beseitigt das Problem von Licht und reaktiven Atomen und die Produktivität steigt automatisch um zwei bis drei Größenordnungen. Für eine echte Technologie ist dies natürlich noch zu wenig, aber mit dieser Methode produzieren Wissenschaftler bereits Einzelkopien der einfachsten Nanogeräte in Laboratorien.
Zweitens kann man sich viele Situationen vorstellen, in denen die Einführung eines Atoms, eines Nanopartikels oder auch nur der physikalische Aufprall der Spitze eines Tunnelmikroskops den Prozess der Selbstorganisation, der physikalischen oder chemischen Transformation im Medium auslöst. Zum Beispiel - eine Kettenreaktion der Polymerisation in einem dünnen Film aus organischer Substanz, Änderungen der Kristallstruktur einer anorganischen Substanz oder die Konformation eines Biopolymers in einer bestimmten Umgebung des Aufprallpunkts. Hochpräzises Oberflächen-Scannen und wiederholte Belichtung ermöglichen die Erstellung erweiterter Objekte, die durch eine regelmäßige Nanostruktur gekennzeichnet sind.
Und schließlich kann diese Methode verwendet werden, um eindeutige Proben zu erhalten - Vorlagen für die weitere Verbreitung durch andere Methoden. Nehmen wir an, ein Sechseck aus Metallatomen oder ein einzelnes Molekül. Aber wie multipliziert man ein einzelnes Molekül? Unmöglich, sagen Sie, das ist eine Art unwissenschaftliche Fantasie. Warum dann? Die Natur weiß genau, wie man mehrere, absolut identische Kopien sowohl einzelner Moleküle als auch ganzer Organismen erstellt. Dies wird allgemein als Klonen bezeichnet. Sogar Menschen, die weit von der Wissenschaft entfernt sind, aber mindestens einmal ein modernes medizinisches Diagnoselabor besucht haben, haben von der Polymerasekettenreaktion gehört. Diese Reaktion ermöglicht es Ihnen, ein einzelnes Fragment des DNA-Moleküls zu multiplizieren, das aus biologischem Material extrahiert oder auf chemischem Wege künstlich synthetisiert wurde. Dazu verwenden Wissenschaftler "molekulare Maschinen", die von der Natur geschaffen wurden - Proteine und Enzyme. Warum können wir keine ähnlichen Maschinen herstellen, um andere Moleküle als Oligonukleotide zu klonen?
Ich würde es wagen, Richard Feynman ein wenig zu paraphrasieren: „Die uns bekannten Prinzipien der Chemie verbieten das Klonen einzelner Moleküle nicht. Die "Reproduktion" von Molekülen gemäß einer Probe ist ziemlich real und verstößt nicht gegen Naturgesetze."
Der Mythos der grauen Gänsehaut
Die elementare Betrachtung der extrem geringen (in Bezug auf die Masse) Produktivität von Nanorobotern ging natürlich nicht an Eric Drekeler vorbei. Es gab andere Probleme in der Welt der "Schöpfungsmaschinen", die wir aus Platzgründen nicht im Detail besprochen haben. Zum Beispiel Qualitätskontrolle, Beherrschung der Freisetzung neuer Produkte und Rohstoffquellen, wo und wie Atome im "Lager" erscheinen. Um diese Probleme zu lösen, führte Drexler zwei weitere Gerätetypen in das Konzept ein.
Der erste ist Demontage, die Antipoden der Sammler. Insbesondere der Disassembler muss die Struktur eines neuen Objekts untersuchen und seine Atomstruktur in den Speicher des Nanocomputers schreiben. Kein Gerät, sondern ein Chemietraum! Trotz aller Fortschritte in der modernen Forschungstechnologie "sehen" wir nicht alle Atome, zum Beispiel in einem Protein. Die genaue Struktur eines Moleküls kann nur bestimmt werden, wenn es zusammen mit Millionen anderer ähnlicher Moleküle einen Kristall bildet. Mit der Methode der Röntgenstrukturanalyse können wir dann die genaue Position aller Atome im Raum bis zu Tausendstel Nanometer bestimmen. Dies ist ein zeitaufwändiges, mühsames Verfahren, das sperrige und teure Geräte erfordert.
Der zweite Gerätetyp ist der Ersteller oder Replikator. Ihre Hauptaufgaben sind die Inline-Produktion von Sammlern und die Montage ähnlicher Replikatoren, dh die Reproduktion. Replikatoren sind nach ihrer Vorstellung viel komplexere Geräte als einfache Assembler. Sie müssen aus Hunderten von Millionen Atomen bestehen (zwei Größenordnungen kleiner als in einem DNA-Molekül) und haben dementsprechend eine Größe von etwa 1000 nm. Wenn die Dauer ihrer Replikation in Minuten gemessen wird, erzeugen sie bei exponentieller Multiplikation Billionen von Replikatoren pro Tag und Billiarden spezialisierter Assembler, die mit dem Zusammenbau von Makroobjekten, Häusern oder Raketen beginnen.
Es ist leicht vorstellbar, dass die Funktionsweise des Systems im Interesse der Produktion, der ungehemmten Anhäufung von Produktionsmitteln - der Nanoroboter selbst - in einen Produktionsmodus übergeht, wenn ihre gesamte Aktivität auf eine Zunahme ihrer eigenen Bevölkerung reduziert wird. Dies ist der Aufruhr der Maschinen im Zeitalter der Nanotechnologie. Für ihre eigene Konstruktion können Nanoroboter nur Atome aus der Umwelt gewinnen, so dass Zerleger beginnen, alles, was unter ihre zähen Manipulatoren fällt, in Atome zu zerlegen. Infolgedessen wird nach einiger Zeit alles Materie und, was für uns am ärgerlichsten ist, Biomasse zu einem Haufen Nanoroboter, zu „grauem Schleim“, wie Eric Drexler es im übertragenen Sinne nannte.
Jede neue Technologie generiert aufgrund ihrer Implementierung und Verbreitung Szenarien für das unvermeidliche Ende der Welt. Der Grey Goo-Mythos ist historisch gesehen nur das erste derartige Szenario im Zusammenhang mit der Nanotechnologie. Aber er ist sehr einfallsreich, weshalb ihn Journalisten und Filmemacher so sehr lieben.
Glücklicherweise ist ein solches Szenario nicht möglich. Wenn Sie trotz alledem immer noch an die Möglichkeit glauben, etwas Wesentliches aus Atomen zusammenzusetzen, sollten Sie zwei Umstände berücksichtigen. Erstens fehlt den von Drexler beschriebenen Replikatoren die Komplexität, um ähnliche Geräte zu erstellen. Einhundert Millionen Atome reichen nicht einmal aus, um einen Computer zu erstellen, der den Montageprozess steuert, selbst für den Speicher. Wenn wir davon ausgehen, dass jedes Atom ein Informationsbit enthält, beträgt das Volumen dieses Speichers 12,5 Megabyte, und dies ist zu gering. Zweitens haben die Replikatoren Rohstoffprobleme. Die Elementzusammensetzung elektromechanischer Geräte unterscheidet sich grundlegend von der Zusammensetzung von Umweltobjekten und vor allem von Biomasse. Finden, Extrahieren und Liefern von Atomen der notwendigen Elemente, die einen enormen Aufwand an Zeit und Energie erfordern,- Das bestimmt die Reproduktionsrate. Wenn Sie die Situation auf eine Makrogröße projizieren, entspricht dies dem Zusammenbau einer Maschine aus Materialien, die gefunden, abgebaut und dann von verschiedenen Planeten des Sonnensystems geliefert werden müssen. Der Mangel an lebenswichtigen Ressourcen begrenzt die ungehemmte Verbreitung von Populationen, die viel angepasster und perfekter sind als mythische Nanoroboter.
Fazit
Die Liste der Mythen geht weiter. Der Mythos der Nanotechnologie als Lokomotive der Wirtschaft verdient einen gesonderten Artikel. Zu Beginn des Artikels "Nanotechnologie als nationale Idee" (siehe "Chemie und Leben", 2008, N3) haben wir versucht, den Mythos zu zerstreuen, dass die US-amerikanische National Nanotechnology Initiative ein rein technologisches Projekt ist.
Die kanonische Geschichte der Nanotechnologie ist ebenfalls ein Mythos, dessen Schlüsselereignis die Erfindung des Tunnelelektronenmikroskops ist. Letzteres ist leicht zu erklären. "Die Gewinner schreiben Geschichte", und das globale Projekt "Nanotechnologie", das das Gesicht (und die Finanzierung) der modernen Wissenschaft weitgehend definiert, hat die Physiker durchdrungen. Für die wir alle, Forscher auf diesem und verwandten Gebieten, den Physikern unseren unendlichen Dank aussprechen.
Mythen haben eine positive Rolle gespielt, sie haben Begeisterung geweckt und die Aufmerksamkeit der politischen und wirtschaftlichen Elite sowie der Öffentlichkeit auf die Nanotechnologie gelenkt. In der praktischen Umsetzung der Nanotechnologie ist es jedoch an der Zeit, diese Mythen zu vergessen und sie nicht mehr von Artikel zu Artikel, von Buch zu Buch zu wiederholen. Mythen behindern schließlich die Entwicklung, setzen falsche Orientierungspunkte und Ziele, führen zu Missverständnissen und Ängsten. Und schließlich muss eine neue Geschichte der Nanotechnologie geschrieben werden - eine neue Wissenschaft des 21. Jahrhunderts, ein Gebiet der Naturwissenschaften, das Physik, Chemie und Biologie vereint.
G. V. Erlikh, Doktor der chemischen Wissenschaften
