Молекулярная нанотехнология

В то время как традиционная химия использует неточные процессы с неточными результатами, а биология применяет неточные процессы для получения однозначных результатов, молекулярная нанотехнология стремится использовать принципиально точные процессы для получения точных результатов. Цель молекулярной нанотехнологии — осуществлять молекулярные реакции в строго заданных позициях и ориентациях для получения требуемых химических продуктов, а затем собирать на их основе системы.

Разработка «дорожной карты» для МНТ является целью широкого технологического проекта, возглавляемого Институтом Баттелла и Институтом Foresight^[3]. Дорожная карта изначально планировалась к завершению в 2006 году, но была опубликована в январе 2008 года^[4]. Проект Nanofactory Collaboration^[5] — более фокусированная инициатива 23 исследователей из 10 организаций и 4 стран, вырабатывающая практическую исследовательскую повестку^[6] для позиционно-контролируемого алмазного механосинтеза и создания алмазоидных нанофабрик. В августе 2005 года Центр ответственной нанотехнологии (Center for Responsible Nanotechnology) собрал рабочую группу из более чем 50 международных экспертов для изучения социальных аспектов молекулярной нанотехнологии^[7].

Любой материал, спроектированный и созданный на нанометровом масштабе для выполнения особой задачи, называют умным материалом. Например, можно создать лекарства, способные распознавать и обезвреживать определённые вирусы. Самовосстанавливающиеся структуры естественным образом ремонтировали бы небольшие повреждения поверхности, как это происходит с кожей человека.

Наносенсор подобен умному материалу, это небольшой компонент в составе большой машины, реагирующий на окружающую среду определённым образом. Пример — фотосенсор, измеряющий интенсивность света и подающий сигнал, если интенсивность превышает порог. Такой сенсор, предположительно, был бы дешевле и энергосберегающим по сравнению с обычными сенсорами, сохраняя их функционал (например, включение уличных фонарей при наступлении темноты).

Хотя умные материалы и наносенсоры — полезные приложения МНТ, они гораздо уступают по сложности технологии, чаще всего связываемой с этим термином: самовоспроизводящиеся нанороботы.

Молекулярное производство часто ассоциируется с «ройными» нанороботами, координированно работающими на наноуровне, — популяризация ранней концепции Эрика Дрекслера (1986), обновлённой позже. В этой концепции достаточная сложность позволила бы нанороботам создавать новых нанороботов в искусственной среде из особых молекулярных блоков.

Критики сомневаются в реализуемости самовоспроизводящихся нанороботов и возможности их контроля: возможны мутации, приводящие к утрате управления и появлению патогенных вариантов. Защитники концепции в ответ отмечают, что первый макромасштабный самовоспроизводящийся автомат, собранный из Lego, был создан и испытан ещё в 2002 году^[8]. Для наномасштаба предлагаются системы, полагающиеся на точное позиционирование инструментов и надёжное проектирование реакций, что снижает роль сенсорики и позволяет успешно собирать детали. Второе возражение отвергается тем, что эволюция бактерий связана с возможностью эволюционировать, тогда как мутации программируемых нанороботов могут предотвращаться механизмами коррекции ошибок. Похожую позицию отражают Рекомендации Foresight по молекулярной нанотехнологии^[9] и карта дизайн-пространства самовоспроизводящихся автоматов, опубликованная Фрейтасом и Меркле^[10].

Однако подавление мутаций вызывает вопрос: как обеспечить эволюцию дизайна наноустройств без случайных мутаций и отбора? Критики утверждают, что сторонники МНТ не предложили альтернативной процедуры такой «эволюции» в мире с дефицитом сенсорики. Защитники считают, что эволюция дизайна должна происходить строго под управлением человека, в рамках обычного инженерного цикла: моделирование, проектирование, прототипирование, тестирование, анализ и доработка.

В любом случае, с 1992 года технические проекты МНТ не предусматривают неконтролируемых самовоспроизводящихся нанороботов; свежие этические рекомендации прямо запрещают такую репликацию^[9][11].

Одной из важнейших областей применения МНТ считается медицинская наноробототехника или наномедицина, пионером которой был Роберт Фрейтас^[12][13]. Дизайн, создание и массовое внедрение медицинских нанороботов могут обеспечить быстрое устранение болезней и безболезненное восстановление от травм. Такие нанороботы могут также исправлять генетические дефекты и способствовать значительному увеличению продолжительности жизни, а также (при спорных сценариях) усиливать естественные возможности человека. Исследования предполагают возможность лечения опухолей, артериосклероза, тромбозов, скоплений рубцовой и инфицированной ткани медицинскими нанороботами^[14][15].

Ещё одна концепция — «утилитарный туман»^[16] — сеть микроскопических роботов, формирующих любые макроскопические объекты и инструменты по программе.

Предлагаемое применение МНТ — фазированные оптические решётки (PAO), где принципы фазированных антенных решёток реализованы на оптических длинах волн^[17]. PAO позволяют реализовать любые оптические эффекты, включая виртуальные голограммы, рассветы или парящие лазеры.

Молекулярное производство — потенциально будущая область нанотехнологии, позволяющая производить сложные структуры с атомной точностью^[18]. Молекулярное производство требует значительных прорывов в нанотехнологии, но может обеспечить массовое, дешёвое изготовление сложных изделий на нанофабриках^[18].

Продукция молекулярного производства может включать как удешевлённые версии современных устройств, так и уникальные продукты, например умные материалы, наносенсоры, медицинских нанороботов и оборудование для освоения космоса^[18]. МНТ может позволить дешевое производство высокоточных, долговечных вооружений, вызывая опасения по поводу её влияния на безопасность. Такие устройства могут быть автономными, с широким спектром действий.

По мнению К. Феникса и М. Тредера из Центра ответственной нанотехнологии, а также Андерса Сандберга из Future of Humanity Institute, молекулярное производство представляет наибольшую глобальную катастрофическую угрозу. Аналогично, учёные в области нанотехнологий считают, что главные риски связаны с гонкой вооружений и разрушительными последствиями применения нанотехнологии государствами^[19]. Причинами такой нестабильности могут быть: низкий порог вхождения в гонку, лёгкость сокрытия оружия, сокращение зависимости от международной торговли^[20] и снижение экономических последствий агрессии за счёт дешевизны производства.

Поскольку саморегуляция всех акторов мало вероятна,^[21]. для минимизации военных рисков предлагается международное сотрудничество^[22] (например, по модели МАГАТЭ), развитие инфраструктуры совместного контроля и согласованные меры по оборонительным технологиям^[22].

Сценарий «серого жира» (grey goo), предложенный Дрекслером^[23], рассмотрен в ряде исследований^[24] и стал сюжетной линией в медиа^[25][26]. Сценарий предполагает размножение нанороботов, потребляющих биосферу ради энергии и сырья. Ведущие эксперты — включая самого Дрекслера — в дальнейшем сочли такой сценарий малореалистичным: «Так называемый grey goo может быть только результатом умышленной инженерии, а не случайности». Вместе с развитием нано-биотехнологии появился похожий сценарий «зелёного жира» (green goo) — уже на базе биологических организмов, созданных с применением нанотехнологий.

Нанотехнология (точнее, молекулярная нанотехнология) позволит развивать производство до фундаментальных физических пределов. Это даст возможность создавать мощные молекулярные компьютеры, материалы в 50 раз легче стали, но с той же прочностью, делать реактивные двигатели, ракеты и автомобили невероятно лёгкими и прочными, а также дешёвыми. Молекулярные хирургические инструменты, управляемые молекулярными компьютерами и вводимые в кровоток, смогут находить и уничтожать раковые клетки, бактерии, прочищать сосуды и обеспечивать организм кислородом при недостатке кровообращения.

Нанотехнология полностью перестроит всю производственную базу, сделав производство радикально более точным, дешёвым и гибким. Речь идёт не только о компьютерных фабриках, но и о конвейерах для машин, телевизоров, телефонов, хирургических инструментов, ракет, полок, самолётов, тракторов и всего остального. Это перманентное изменение в сфере производства, от которого будет зависеть экономический прогресс и военная мощь XXI века^[27].

Уже сегодня обсуждаются последствия внедрения МНТ для экономики^[28][29] и права. При успешной реализации МНТ приведёт к резкому снижению дефицита промышленных товаров и расширит спектр доступных и производимых благ.

МНТ ожидается даст новые наномедицинские средства для лечения любых болезней и даже позволит применять криоконсервацию с реальным восстановлением тканей.

Молекулярная нанотехнология — одна из технологий, которые, по мнению ряда специалистов, могут привести к технологической сингулярности, сопровождающейся непредсказуемым развитием событий. МНТ потенциально может позволить создание дешёвого, сверхразрушительного оружия и ОМУ, способного к саморепликации по принципу вирусов и раковых клеток^[30]. Общепризнано, что любые попытки создавать самовоспроизводящиеся наномашины должны подвергаться строжайшему контролю, либо изначально реализовываться как «безопасные по конструкции».

Среди обсуждаемых сценариев риска — возможность того, что наномеханические роботы при наличии саморепликации и доступе к естественным материалам начнут экспоненциально потреблять природные ресурсы (или просто вытеснят биосферу в борьбе за энергию, как это наблюдалось с появлением сине-зелёных водорослей). Такое развитие событий называют феноменом серого жира или экфагии. К. Э. Дрекслер считает ненамеренное возникновение «серого жира» крайне маловероятным и отмечал это в поздних работах.

С учётом этих угроз Институт Foresight подготовил этические рекомендации^[31], включая запрет на самовоспроизводящихся «псевдоорганизмов» с неограниченным питанием на поверхности Земли и, возможно, в иных средах.

Возможность реализации базовых технологий по Дрекслеру рассматривалась в научном обзоре Национальной академии наук США, а также была предметом активных дискуссий в научном сообществе и прессе.

В 2006 году был опубликован отчёт Национальной академии наук США, посвящённый МНТ^[32]. Комитет отметил, что современные теоретические расчёты недостаточны для точной оценки пределов производительности и рекомендует ориентироваться на лабораторные исследования, связывающие эксперимент с абстрактными моделями.

Одна из глав Дрекслера в Engines of Creation называется «Универсальные ассемблеры»^[33]. Коллега Дрекслера Ральф Меркле отмечает, что вопреки мифу, не утверждалось, что ассемблер может создавать абсолютно любую молекулярную структуру. Границы возможного, по Дрекслеру, определяются законами природы, а не только инженерными трудностями.

В 1992 году Дрекслер опубликовал «Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation»^[34], где предложил путь к настольной фабрике без необходимости первоначального универсального ассемблера. После этого другие исследователи также предлагали альтернативные пути развития^[5].

В 2004 году Ричард Джонс опубликовал книгу Soft Machines, где сравнил «жёсткую» нанотехнологию (традиционный подход Дрекслера) с «мягкой» (биомиметической) нанотехнологией, учитывающей реальную физику наномира — адгезию, брауновское движение, высокую вязкость, роль воды и пр. Мягкая нанотехнология, по Джонсу, предполагает создание машин, вдохновлённых биологией и случайными процессами.

Ряд учёных, включая лауреата Нобелевской премии Ричарда Смолли^[35], критиковали саму возможность универсальных ассемблеров, вызвав ответ Дрекслера и его коллег^[36] и дискуссию^[37]. Споры касались роли растворителей, управляемости реакций и выбора сред для наносборки. Предложения Дрекслера по каталитическим средам и опыт применения ферментов в безводных средах приводились им в защиту реализуемости процессов механосинтеза^[38].

Будущие достижения в области МНТ потребуют создания механизмов "эволюции дизайна" на наномасштабе, аналогичных биологической эволюции на молекулярном уровне. Биология оперирует случайными вариациями и естественным отбором, инженерия же — процессом итеративного усложнения от простого к сложному по принципу Джона Гэлла:^[39] «Действующая сложная система — результат усложнения успешной простой системы...»

Сегодня «нанотехнология» охватывает как стохастические подходы (напр., супрамолекулярная химия), так и детерминированные методы сборки отдельных молекул на поверхности с помощью СТМ или АФМ. Мечта о полной «детерминированной» молекулярной нанотехнологии пока не реализована; термин стали использовать также в смежных (поверхностной химии и тонкоплёночных технологиях) областях.

Возможность реализовать проекты из Nanosystems зависит от наличия методов создания наномашин без универсального ассемблера и работоспособности таких устройств. Сторонники МНТ подчёркивают, что за годы существования книги Nanosystems серьёзных физических ошибок обнаружено не было, а даже критики признают высокий уровень проработки некоторых аспектов^[40].

Однако другие критики считают, что Nanosystems обходит стороной низкоуровневые химические сложности, оставляя существенные пробелы, которые позже пытаются закрыть Фрейтас и Меркле^[41], углубляя низкоуровневое моделирование.

Дрекслер считает, что решение этих вопросов возможно только после развития классической нанотехнологии: «Молекулярное производство — результат серии шагов в развитии молекулярных машин, так же, как полёт на Луну стал итогом эволюции жидкостных ракет». В то же время Фрейтас и Меркле утверждают, что программы развития алмазного механосинтеза могут начаться уже сейчас, используя современные инструменты, и завершиться в течение десятилетия^[42].

Главные возражения против МНТ: неясно, возможно ли создавать машины и детали на атомном уровне в отсутствие «автономного ассемблера», и уж тем более — в промышленных масштабах. Сторонники отвечают, что существует план развития машин и альтернатива самовоспроизводящимся фабрикам^[6].

Второе затруднение — дизайн: ручное проектирование сложных наноструктур требует огромных трудозатрат, а комплексный проект неосуществим без специальных инструментов. Несмотря на сложности, ведутся разработки ПО и инструментов для автоматизации дизайна, например Nanorex или Molecular Science and Engineering Platform One (MSEP.one)^[43].

В упомянутом отчёте Национальной академии наук США^[32] подчёркивается, что до сих пор не выработано чётких путей к МНТ и требуется интенсивный экспериментальный прогресс. Эти выводы активно поддерживают исследовательские группы, занимающиеся алмазным механосинтезом^[44][45].

Вопрос «доживём ли мы до машин, способных создавать любую физически допустимую структуру» сторонники МНТ считают слишком жёстким; практические возможности даже ограниченного набора конструкций могут реализовать основную часть преимуществ молекулярного производства. Как сказал Ричард Фейнман, «наука — это всегда вопрос: что вероятнее или менее вероятно, а не абсолютные истины».

Существует всё больше научных публикаций, посвящённых синтезу алмаза путём механического удаления/добавления водорода и осаждения атомов углерода (процесс механосинтеза). Эти работы постепенно проникают в экспертное сообщество и являются предметом обсуждения^[46]. Последние эксперименты показывают, что специальные инструменты (DCB6Ge, DCB6Si) могут работать и при комнатных, и при низких температурах, если позиционирование производится с субатомной точностью. Технологии сканирующих зондовых микроскопов уже способны досточно точно размещать атомы.^[47][48] Полноценная нанофабрика требует разработанных инструментов для разного рода реакций и точной детализации процессов на сложных поверхностях; для этих задач требуются значительные вычислительные и экспериментальные ресурсы^[49].

• В The Diamond Age Нила Стивенсона алмаз синтезируется прямо из атомов, а устройства разных размеров собираются из основных химических элементов.
• В романе Tomorrow А. Салтцмана (ISBN 1-4243-1027-X) учёный с помощью нанороботов создает жидкость, делающую человека практически неуязвимым.
• В RPG Splicers по версии Palladium Books у человечества возникает эпидемия «наноботов», превращающих металлы в враждебных роботов, вынуждая переходить к биотехнологиям.
• В телесериале Mystery Science Theater 3000 есть комические существа Nanites — самовоспроизводящиеся биоразработанные микроорганизмы, ухаживающие за системами корабля.
• В серии игр Metal Gear Solid характеризуется активное упоминание наноматчей/наномашин.
• В Stargate Atlantis враг состоит из самособирающихся нанороботов, реализующих аналог «серого жира».
• В романе «Prey» Майкла Крайтона самовоспроизводящиеся наноботы формируют хищные нанорои.
• В фильмах Avengers: Infinity War и Avengers: Endgame костюм Железного человека построен с применением нанотехнологии.