Концепція художника про біонаноробота. Кредитний імідж: NASA. Натисніть, щоб збільшити
Коли йдеться про наступний «гігантський стрибок» у дослідженні космосу, НАСА думає про малий - справді малий.
У лабораторіях по всій країні NASA підтримує процвітання науки про нанотехнології. Основна ідея полягає в тому, щоб навчитися мати справу з речовиною в атомному масштабі - вміти достатньо добре контролювати окремі атоми та молекули для проектування машин розміром з молекулами, передової електроніки та «розумних» матеріалів.
Якщо візіонери мають рацію, нанотехнологія може призвести до роботи, яку можна тримати на кінчику пальців, самолікувальних скафандрів, космічних ліфтів та інших фантастичних пристроїв. Деякі з цих речей можуть зайняти 20+ років, щоб повністю розвиватися; інші формуються сьогодні в лабораторії.
Просто зниження речі має свої переваги. Уявімо, наприклад, якби Марсові мандрівники «Дух і можливість» могли бути зроблені такими ж маленькими, як жук, і міг би снуватися над скелями та гравієм, як жук, відбираючи мінерали та шукаючи підказки історії води на Марсі. Сотні чи тисячі цих зменшувальних роботів могли бути відправлені в одних капсулах, які перевозили два настільних ровери, що дозволяє вченим досліджувати набагато більше поверхні планети - і збільшуючи шанси наткнутися на скам’янілу марсіанську бактерію!
Але нанотехніка - це більше, ніж просто скорочення речей. Коли вчені можуть свідомо впорядковувати та структурувати речовини на молекулярному рівні, іноді виникають дивовижні нові властивості.
Прекрасним прикладом є те, що дорога світ нанотехнологій, вуглецева нанотрубка. Вуглець трапляється природним чином як графіт - м'який, чорний матеріал, який часто використовується в олівцевих відведеннях - і як алмаз. Єдина відмінність між ними - це розташування атомів вуглецю. Коли вчені влаштовують одні й ті ж атоми вуглецю за схемою «курячого дроту» і згортають їх у мізерні трубки лише 10 атомами, отримані «нанотрубки» набувають деяких надзвичайних рис. Нанотрубки:
- мають в 100 разів більше міцності на розрив сталі, але лише на 1/6 ваги;
- в 40 разів міцніші за графітові волокна;
- проводити електроенергію краще, ніж мідь;
- можуть бути або провідниками, або напівпровідниками (як комп'ютерні мікросхеми), залежно від розташування атомів;
- і є прекрасними провідниками тепла.
Значна частина сучасних досліджень нанотехнологій у всьому світі зосереджена на цих нанотрубках. Вчені запропонували використовувати їх для широкого спектру застосувань: у високоміцному, мало ваговому кабелі, необхідному для космічного ліфта; як молекулярні дроти для наномасштабної електроніки; вбудований в мікропроцесори, щоб допомогти відводити сифон від тепла; і як мініатюрні стрижні та шестірні в наномасштабних машинах, лише декілька.
Нанотрубки займають чільне місце в дослідженнях, проведених в Центрі нанотехнологій НАСА Еймс (CNT). Центр був створений у 1997 році і зараз працює близько 50 штатних дослідників.
"[Ми] намагаємось зосередити увагу на технологіях, які могли б дати корисну продукцію протягом кількох років до десятиліття", - каже директор CNT Мейя Мейяппан. "Наприклад, ми розглядаємо, як наноматеріали можуть використовуватися для розширеної життєзабезпечення, секвенсаторів ДНК, надпотужних комп'ютерів та крихітних датчиків для хімічних речовин або навіть датчиків раку".
Хімічний датчик, який вони розробили за допомогою нанотрубок, планується здійснити демонстраційною місією в космос на борту ракети ВМС наступного року. Цей крихітний датчик може виявити лише кілька частин на мільярд специфічних хімічних речовин, таких як токсичні гази, що робить його корисним як для дослідження космосу, так і для оборони батьківщини. CNT також розробив спосіб використання нанотрубок для охолодження мікропроцесорів в персональних комп'ютерах, головне завдання - процесори стають все більш потужними. Ця технологія охолодження отримала ліцензію для Санта-Клари, штат Каліфорнія, стартап під назвою Nanoconduction, і Intel навіть висловила інтерес, говорить Меяппан.
Якщо ці короткочасні використання нанотехнологій здаються вражаючими, довгострокові можливості справді вражають розумом.
Інститут розширених концепцій NASA (NIAC), незалежна організація, що фінансується НАСА, розташована в Атланті, штат Джорджія, була створена для сприяння перспективним дослідженням радикальних космічних технологій, на які піде 10–40 років, щоб їх реалізувати.
Наприклад, один із останніх грантів NIAC фінансував дослідження техніко-економічного обґрунтування виготовлення нанорозмірних матеріалів - іншими словами, використовуючи величезну кількість мікроскопічних молекулярних машин для виготовлення будь-якого потрібного об'єкта, збираючи його атом за атомом!
Цей грант NIAC був присуджений Крісу Феніксу з Центру відповідальної нанотехнології.
У своїй доповіді на 112 сторінках Phoenix пояснює, що такий "нанофабрик" може створювати, скажімо, частини космічного корабля з атомною точністю, тобто кожен атом всередині об'єкта розміщується саме там, де йому належить. Отримана частина була б надзвичайно міцною, і її форма могла бути в межах ширини одного атома ідеальної конструкції. Ультра гладкі поверхні не потребують полірування та змащування, і практично не зазнають «зносу» з часом. Така висока точність і надійність частин космічних кораблів є першорядними, коли життя космонавтів під загрозою.
Хоча Phoenix в своєму доповіді накреслив деякі ідеї дизайну для нанофабрик для настільних ПК, він визнає, що - за винятком великого бюджету «Проект Нанхаттен», як він це називає, робочий нанофабрик знаходиться як мінімум на десятиліття, а можливо, і набагато довше.
Взявши підказку з біології, Константинос Мавроїдіс, директор лабораторії обчислювальної біонанороботики в Північно-Східному університеті в Бостоні, вивчає альтернативний підхід до нанотехнологій:
Замість того, щоб починати з нуля, в дослідженні Mavroidis, що фінансується NIAC, використовуються раніше існуючі функціональні молекулярні "машини", які можна знайти у всіх живих клітинах: молекулах ДНК, білках, ферментах тощо.
Сформовані еволюцією протягом мільйонів років, ці біологічні молекули вже дуже вміли маніпулювати речовиною в молекулярному масштабі - саме тому рослина може поєднувати повітря, воду і бруд і виробляти соковиту червону полуницю, і тіло людини може перетворити останню нічна вечеря з картоплі в нові еритроцити сьогодні. Перегрупування атомів, що робить ці подвиги можливими, виконується сотнями спеціалізованих ферментів і білків, а ДНК зберігає код для їх створення.
Використання цих «заздалегідь виготовлених» молекулярних машин - або використання їх як вихідних точок для нових конструкцій - є популярним підходом до нанотехнологій, який називається «біо-нанотехнологія».
"Навіщо винаходити колесо?" Каже Мавроїдіс. "Природа подарувала нам всю цю чудову, вишукану нанотехнологію всередині живих істот, то чому б не використати її - і спробувати чогось навчитися з цього?"
Специфічне використання біонанотехнологій, яке пропонує Мавроїдіс у своєму дослідженні, є дуже футуристичним. Одна ідея передбачає драпірування свого роду "павутинної павутини" з тонких волосся трубок, упакованих датчиками біо-нанотехнологій через десятки миль місцевості, як спосіб детально відобразити довкілля якоїсь чужої планети. Інша концепція, яку він пропонує, - це "друга шкурка" для космонавтів, які мають носити під своїми скафандрами, які б використовували біонанотехнологію, щоб відчути і реагувати на радіацію, що проникає в костюм, і швидко запечатувати будь-які порізи або проколи.
Футуристичний? Звичайно. Можливо? Можливо. Мавроїдіс зізнається, що таких технологій, мабуть, десятки років, і що технологія поки що в майбутньому, ймовірно, буде сильно відрізнятися від тієї, яку ми уявляємо зараз. Тим не менш, він каже, що він вважає, що важливо почати думати про те, які нанотехнології можуть зробити можливими довгі роки.
Зважаючи на те, що саме життя є певним прикладом нанотехнологій, можливості справді захоплюючі.
Оригінальне джерело: NASA News Release
