CC BY
106
УДК 111.1:62
С.Ю. Коломийцев Онтологические проблемы нанотехнологий
В работе выделены и рассмотрены основные онтологические проблемы нанотехнологий, раскрыта специфика нанообъектов и нанотехнологий. Поставлен вопрос о возможных последствиях использования нанотехнологий.
The paper singles out and considers the main ontological problem of nanotechnologies; it discloses specifics Nano objects and nanotechnology. It also raises the question on the possible consequences of nanotechnology.
Ключевые слова: онтологические проблемы, нанотехнология, нанообъект, наночастица, сущность, искусственный объект.
Key words: ontological problems, nanotechnology, Nano object, nanoparticle, essence, artifact.
Ещё 20 лет назад о нанотехнологиях слышали только люди, имеющие непосредственное отношение к науке, сегодня об их использовании говорят практически все и везде. Однако до сих пор нет однозначного определения нанотехнологии. Анализ уже сделанного исследователями в этой области позволяет следующим образом ее определить: нанотехнология - область науки и техники, занимающаяся исследованием атомов, молекул, совокупностей молекул и манипуляцией с ними с целью изучения и создания новых устройств с новыми свойствами.
Ключевым в понимании нанотехнологии выступает нанообъект. Под ним понимают частицу вещества, имеющую размеры от 1 до 100 нанометров хотя бы в одном измерении. Диапазон условно выбран именно таким в связи с тем, что его нижняя граница - это практически размеры атомов и молекул (например, атомный радиус самого большого элемента - цезия - составляет 0,225 нм), а новые уникальные свойства возникают примерно при достижении верхней границы диапазона. Именно в этом диапазоне происходит переход от свойств макромира к свойствам микромира. Соответственно, можно выделить три класса нанообъектов: квантовые ямы (наночастицы или нанопорошки), у которых размеры всех трёх измерений находятся в диапазоне от 1 до 100 нанометров; квантовые проволоки (нанотрубки и нановолокна), имеющие протяжённость в одном измерении более 100 нанометров; квантовые ямы (двумерные плёнки), у которых только толщина лежит в нанодиапазоне. Нанопорошок не имеет атомной или молекулярной решетки. За счет сверхмалых размеров частиц он обладает новыми свойствами, которые
можно использовать различными способами, например, наполнять композиционные материалы, краски и другие покрытия и использовать в электронике, химии, медицине, сельском хозяйстве и других сферах человеческой деятельности. Соответственно, нанопорошки используются, в первую очередь, в электронике, оптике, военной и космической промышленностях, немного меньше - в медицине. Нанотрубки образуются путём сворачивания графитовых плоскостей и бывают однослойные и многослойные, прямые и спиральные. Их длина может достигать нескольких сантиметров. Благодаря одномерному переносу частиц заряда они обладают уникальными оптическими и электронными свойствами, а также имеют высокие прочностные и упругие характеристики (углеродные нанотрубки в десятки раз прочнее стали), что позволяет их использовать в электронике, механике, приборостроении, военной промышленности и медицине. Нановолокна отличаются от нанотрубок тем, что не имеют внутренних протяжённых полостей. Они также используются в электронике и энергетике. Наноплёнка в основном благодаря своим механическим и оптическим свойствам используется для покрытия и защиты различных материалов.
Помимо такой очевидной систематизации, можно предложить и другие. Например, согласно рекомендации 7-й Международной конференции по нанотехнологиям (Висбаден, 2004) выделяют следующие типы наноматериалов: нанопористые структуры, наночастицы, нанотрубки и нановолокна, нанодисперсии, наноструктурированные поверхности и пленки, нанокристаллы и нанокластеры [3, с. 4]. Как видно, эта классификация более подробная и зависит не только от размерности наночастиц, но и от их структуры.
Итак, в чем состоит специфика нанотехнологии и чем она обусловлена? В первую очередь, специфика нанатехнологий определяется наноразмерами, позволяющими изменять структуру материи и влиять на неё на атомарном уровне, придавая ей определённые свойства. Для этого необходимо использование наномашин и нанороботов, с помощью которых человек и получает возможность создавать новые объекты жизнедеятельности. По сути, наномашины - это управляемые молекулы, которые механически воздействуют на атомы. Соответственно, нанотехнология -это метод создания искусственных объектов или изменения естественных объектов путём добавления в них наночастиц. Получается, что нанотехнология, с одной стороны, имеет дело с искусственными объектами, а с другой - с природными, добавляя в них частичку искусственно созданного. Следовательно, нанообъекты будут существовать объективно, следуя объективным законам, не зависимым от человека.
К изучению нанообъектов наука пришла путём постепенного уменьшения размеров изучаемых макрообъектов. Например, современная микроэлектроника пришла к наноэлектронике, в которой основным объектом становится один или несколько электронов или дырок. А через
электронику мы приходим и к другим областям, которые затрагивает нанотехнология: энергетике, медицине, химии и др., поскольку электроны, атомы, их совокупности и управление ими имеют непосредственное отношение к данным сферам деятельности человека. Таким образом, наночастица является центральным объектом нанотехнологии, основным понятием, без которого не было бы ни нанотехнологий, ни современных достижений в науке.
В результате применения нанотехнологий возникает макроскопический объект, который конструируется на уровне наночастиц. Этим объектом может быть уже что угодно, любое устройство, вещество, имеющее совершенно разные размеры, формы и выполняющее различные функции: от крошечного транзистора или микросхемы, фуллерена до автомобиля и космического лифта, лекарства или даже информации и интеллекта. Такая большая сфера применения нанотехнологий связана с малым размером наночастицы: чем глубже мы проникаем в строение вещества, чем искуснее мы управляем наночастицей, тем шире становятся наши возможности. Это можно сравнить с игрушечным конструктором: чем больше в нём деталей и чем меньше их размеры, тем больше разных изделий можно из него собрать. Вместе с этим собирать становится всё сложнее и сложнее, потому что необходимо тщательнее продумывать применение каждой детали и итоговую конструкцию и уметь предвидеть результат. В любом случае основополагающим элементом по-прежнему является крошечная наночастица, являющаяся тем самым маленьким элементом конструктора в громадном мире.
Объекты, полученные при помощи нанотехнологий, условно можно разделить на две группы: изделия, которые существовали до использования нанотехнологий; изделия, которые благодаря нанотехнологиям получили какие-то новые свойства, методы изготовления и т. п. Интересны обе группы, но если мы можем иметь представление об объектах, которые существовали раньше, то свойства объектов, которые будут впервые получены при помощи новых технологий, предсказать намного сложнее. Будут необходимы тщательная проработка и проверка, связанные с разработкой, исследованием и предсказанием свойств, внедрением и использованием. Эти объекты, на мой взгляд, будут являться главной целью использования нанотехнологий. Именно с ними связывают прогнозы скачкообразных и малопредсказуемых сегодня изменений в науке и быту.
Объект нанотехнологий находится между микро- и макрообъектами1, хотя приставка «микро-» и означает 10-6, а «нано-» - 10-9. Чем же интересен именно этот диапазон и уникальны свойства объектов, принадлежащих ему? Во-первых, при переходе от микро- к нанообъектам увеличивается отношение числа атомов, находящихся на поверхности, к
1 Микрообъект имеет размеры от 10"8 до 10"15 метров.
числу атомов в объеме, вследствие чего растет влияние сил поверхностного взаимодействия и границ раздела на свойства вещества. Во-вторых, с уменьшением размеров частиц все в большей степени проявляются квантовые эффекты. Роль первого фактора определяющая, например, при получении наноматериалов с уникальными механическими свойствами, а второго - при создании элементов наноэлектроники [2, с. 4]. Как известно из квантовой механики, любой движущейся частице, обладающей массой, соответствует волна. Волновые свойства проявляются сильно только для небольших частиц, обладающих малой массой. Например, у электрона, движущегося со скоростью 106 м/с, при которой ещё не происходит существенного увеличения массы, длина волны Де Бройля равна
0,73 нм, что соответствует длинам волн рентгеновского излучения. А для частицы массой один грамм и обладающей скоростью 1 м/с длина волны будет равна 6,63 • 10 31 нм, что лежит в диапазоне, далёком от освоения и понимания человеком. Наночастицы находятся как раз в том пограничном диапазоне, в котором уже исчезают корпускулярные свойства, но ещё не начинают проявляться в полной мере волновые, а на их стыке появляются новые, ещё не изученные. Наночастица - это как бы объект и макромира, и микромира, поэтому она так интересна для изучения, а её свойства настолько уникальны и непредсказуемы. Также именно в наноструктурах происходит переход от индивидуального к коллективному поведению нанообразований, поэтому возможность управлять такими структурами даёт возможность целенаправленно создавать атомные и молекулярные ансамбли с заданными свойствами [5, с. 14].
Поскольку свойства наноматериалов зависят не только от типов атомов вещества, их размеров и форм, но и от взаимного расположения наночастиц, нельзя не вспомнить такие свойства материи, как самосборка и самоорганизация. Самосборка - самопроизвольная организация малых молекул в большие, строго определённые, стабильные молекулярные комплексы [1, с. 225]. Если при самосборке системы за счёт внутренних факторов происходит процесс упорядочивания, то это называется самоорганизацией. Эти термины получили распространение в основном благодаря синергетике, однако благодаря изучению принципов взаимодействия нанообъектов они приобрели немного другое толкование. В частности, процессы самоорганизации происходят в условиях, близких к термодинамическому равновесию. Основными причинами взаимодействия наночастиц являются различные слабые силы (электростатические и капиллярные взаимодействия, поверхностное натяжение), которые в целом стремятся уменьшить общую площадь поверхности наночастиц и, следовательно, их поверхностную энергию. В общем случае, чем однороднее наночастицы, тем чётче проходит их упорядочивание. А в 2007 г. химиками из Университета Райса было сделано открытие, что золотые наностержни могут самопроизвольно самоорганизовываться в кольцеобразные структуры, а не выстраиваться параллельно друг другу,
как это было известно ранее [7, с. 2195]. Считается, что, благодаря этому открытию будет возможно получение приборов с новыми оптическими свойствами.
Большой интерес в связи со спецификой нанотехнологий представляет вопрос о связи в рамках нанотехнологий естественного и искусственного. Как подчеркивает В.П. Котенко, двойственность технических объектов состоит в том, что они представляют синтез «естественного» и «искусственного»: являясь продуктами человеческой деятельности, они преобразовывают вещества и энергию природы. С другой стороны, границы искусственного всегда определены естественным, т. е. природными свойствами [6, с. 78]. В случае с нанообъектами мы тоже имеем дело с двойственной природой, только еще более сложной. Поскольку нанообъекты создаются человеком, они искусственны. Однако при этом нанообъекты обладают естественными, природными свойствами, которые подчас отличаются от тех, которые мы привыкли видеть в макро- или микромирах. Поэтому, если объект простой технологии можно назвать естественным на 50 %, то объект нанотехнологии я бы назвал естественным на 25 %. Естественны в данном случае переплетения макросвойств, микросвойств и их порой труднопредсказуемые результаты; естественна только природа нанообъектов, если рассматривать её с самых малых начал: электронов и атомов.
Такая природа нанообъектов приводит к постановке следующей проблемы. Уже сегодня медицина обещает излечение человека от многих болезней путём внедрения в организм различных нанороботов. Сохранит ли в этом случае человек свою природу или станет искусственно созданным субъектом? Не являяется ли использование нанотехнологий первым шагом на пути создания из человека робота? Аналогичными должны быть размышления по поводу всех природных объектов, которых коснётся «исправляющая рука» нанотехнологии. Более того, нанотехнология позволит не только изменять и улучшать природные объекты, но и создавать новые, которые не будут иметь аналогов в природе. Человеку открывается возможность дублирования природных объектов с улучшающими, на первый взгляд, изменениями. А это приведёт к постепенному стиранию грани между естественным и искусственным; во всех объектах, которые имели дело с нанотехнологией, природное будет слито с искусственно созданным. При этом степень естественности и искусственности будет зависеть от того, что являлось основой конструирования: природный объект или технологический.
Прошёл всего 51 год с тех пор, как Ричард Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы с помощью манипулятора соответствующего размера, и 26 лет со времени введения термина Норио Танигути, которым он обозначил производство изделий с размерами несколько нанометров. Но уже с начала 1990-х можно говорить о нанотехнологическом буме. В частности, с 1990 по 2003 годы
число публикаций в мире в области нанотехнологий увеличилось с 1000 до 28000 [4, с. 89]. Сегодня для ведущих мировых научных держав, прежде всего США, Японии, Германии, это наиболее приоритетное направление науки. Пытается не отставать от них и Россия. Что ждёт весь мир дальше, по большому счёту, не может сказать никто, ибо такие революционные изменения практически во всех областях жизни ожидаются впервые. Все это делает чрезвычайно актуальным и своевременным философское осмысление как самих нанотехнологий, так и возможных последствий их применения.
Список литературы
1. Нанотехнологии : учеб. пособие для вузов / Пул Ч., Оуэнс Ф. ; ред. пер. с англ. Ю. И. Головин. - 3-е изд., доп. - М.: Техносфера, 2007.
2. Новиков Л.С., Воронина Е.Н. Нанотехнологии и наноматериалы в космонавтике // Тр. X межвуз. науч. шк. молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине», 23-24 ноября 2009 г. - М., 2009. - С. 3-15.
3. Проблема развития нанотехнологий в России и за рубежом / Ю.Д. Третьяков // Вестн. РАН. - 2007. - №1. - С. 3-11.
4. Социальные проблемы нанотехнологии / В. Горохов // Высш. образ. в России. -2008. - №3. - С. 84-98.
5. Теряев Е.Д., Филимонов Н.Б., Петрин К.В. Современный этап развития мехатроники и грядущая конвергенция с нанотоехнологиями // Мехатро-ника, автоматизация, управление: материалы 2-й Рос. мультиконф. по проблемам управления. - СПб.: Электроприбор, 2008.
6. Философские проблемы современной научной и технической реальности: учеб. пособие / под ред. В.П. Котенко. - СПб.: СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 1999.
7. Bishnu P. Khanal, Eugene R. Zubarev. Rings of Nanorods // Angewandte Chemie International Edition. - V. 46, Issue 13 (March 19, 2007). - P. 2195-2198.
