Молекулярная нанотехнология

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.

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.

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].