«Нано» — это пространство, измеряемое между одним атомом и порядка 400 атомами. Это пространство, на уровне которого физику Ньютона сменяет квантовое поведение. Этого пространства достаточно для миллиардов маленьких молекул. Молекулы хорошо определены — это точно описанные химические структурные элементы. Наночастицы почти всегда отличаются.
У них есть разные градации размера. Их поверхности отличаются по характеристикам текстуры, разнится состав. Это не отдельные структурные элементы, а часть некоего континуума. Более того, их поверхность меняется под воздействием окружающей среды.
В организме к ним прицепляются белки. В природе они могут отличаться химически по разным параметрам.
Каковы возможности с точки зрения законов физики? В каком бы направлении мы ни двигались, если зайти слишком далеко, мы достигаем пределов, установленных законами физики. Квантовая механика, скорость света, гравитационные силы и прочее.
А теперь подумайте о Земле в новом масштабе, масштабе одной миллиардной метра. Расстояние между Луной и Землёй измеряется миллиардами метров, это полёт продолжительностью в день. Расстояние между метром и одной миллиардной метра — это приблизительно такая же пропасть, но она занимает несколько секунд.
Мы погружаемся глубоко в мир нанонауки, прямо в размерность атома. Если рассматривать этот вопрос в данном контексте, нить ДНК имеет ширину в 2,5 нанометра; молекула белка имеет размер в 5 нм, а красное кровяное тельце — 7 тысяч нм.
По сравнению с волосом человека нанометр в 100 тысяч раз меньше, чем прядь волос. В масштабе нанометров обычные материалы начинают работать невообразимым образом. Поведение наноматериалов может меняться, когда размер становится настолько маленьким по сравнению с большим количеством того же самого материала.
По мере сближения и взаимодействия этих технологий мы будем получать точные на атомном уровне наносистемы — это маленький масштаб по микроскопическим меркам, но большой — по предыдущим меркам систем атомарной точности.
Сегодня такие нанотехнологии находят широкое промышленное применение. В медицине они используются для введения в тело функциональных структур, идёт ли речь о воздействии на раковые клетки или их уничтожении.
Нанотехнологии воплощают мечту о том, что учёные могут переделать мир атом за атомом, производя манипуляции на атомарном уровне для трансформирования и конструирования широкого ряда новых материалов, устройств, живых организмов и технологических систем
[162]
.
Экономические, военные и повседневно-бытовые последствия этого будут колоссальными. Прежде всего, мы можем стать свидетелями миниатюризации деталей в электронной и наноэлектронной промышленности. Не только хранение в крошечных объёмах пространства гораздо больших вычислительных мощностей, чем возможно сейчас, но и преимущества применения этих технологий в биомедицинской сфере: искусственная сетчатка; замена уха, которое больше не слышит; возможности создания молекулярных проводов, вырабатывающие, как нерв, разного рода импульсы, которые расшифровывает мозг.
С появлением новой науки и технологий, связанных с генетической революцией, мы можем буквально переписать нашу генетическую конструкцию. В течение одного поколения мы прошли путь от генетически модифицированных растений к генетически модифицированным животным. Будет ли следующий шаг в сторону генетически модифицированных людей?
На самом деле генная инженерия и военное применение нанотехнологий — это уже новая гонка вооружений.
Метаматериалы
Овладение характеристиками материи, которого нам удалось достичь, открывает новые грандиозные горизонты. К примеру,
«…наноструктурированные фотонные материалы — это смена технологической парадигмы и начало новой фотонной революции. Промышленная революция изменила саму структуру общества — оптический свет. Оптоволокно, несущее свет, привело к созданию глобальных информационных сетей. Фотонные метаматериалы произведут следующую революцию, создав условия для появления более продуманных решений во всех отраслях промышленности, в которых используется свет: от телекоммуникаций и хранения данных до безопасности в сфере обороны»
[163]
.
В 2010 году учёные создали материал, который не должен существовать в природе. Когда свет достигает какого-либо объекта, именно атомарная структура этого объекта определяет, что мы видим. Не важно, идёт ли речь о прозрачном мраморе, чистой воде или зелёной листве. Всё зависит от того, как свет взаимодействует с атомами. Если мы умеем манипулировать атомами, мы в конечном счёте сможем контролировать то, как выглядит мир. Как? Создавая искусственные материалы, называемые метаматериалами.
И эти новые структуры превосходят природу потрясающими способами. И в невероятно малых масштабах. Нанофотонные метаматериалы обеспечивают такую степень контроля над светом, которую невозможно было представить ещё несколько лет назад
[164]
.
Первая сфера применения — это, конечно же, военная техника обеспечения малозаметности. Один из прямых производных продуктов метаматериалов, который мы не могли вообразить всего несколько лет назад, это плащ-невидимка. Такого не существует в природе.
Технология светоотражающей проекции для плаща-невидимка была разработана группой японских учёных из университета Кэйо в 2003 году.
Уникальна эта технология из-за ткани, сделанной из стеклянных бусин диаметром всего 50 микрон, которые отражают свет сразу обратно к источнику, прямо как киноэкран. Этот материал можно применять как угодно. Цель в том, чтобы создать дополненную реальность, которая позволяет любому легко видеть всю полноту информации об объектах реального мира
[165]
.
Что касается применения в военной сфере, этот плащ-невидимка
[166]
, лист шестиугольных пикселей под названием Adapti V, помогает военной технике сливаться с окружением и становиться недоступной для ракет с тепловой системой самонаведения, поскольку этот метаматериал отражает свет так, что свет перемещается в обход спрятанного объекта без различимых искажений.
Тот свет, который мы с вами видим нашими глазами, это всего лишь небольшой спектр частот в рамках гораздо большего спектра, называемого спектром электромагнитных волн. Например, для нас стекло прозрачно, потому что оно напрямую пропускает свет в видимой частоте спектра. Если мы поднимемся немного выше по спектру в область ультрафиолета, стекло перестанет быть прозрачным. Другой тому пример — рентгеновские лучи. В рентгеновских лучах наши тела прозрачны, как стекло, но в то же время наши кости его не пропускают, потому что имеют другую структуру, отличную от нашей кожи и органов. Когда свет взаимодействует с материей, может произойти несколько разных вещей: возможно отражение, при котором свет полностью отталкивается; возможно преломление, когда свет входит в материал и проходит сквозь; или же возможна некая комбинация первых двух вариантов
[167]
.
