Лекция №3 Нанотехнологии и безопасность

3.1 Будущее нанотехнологий: проблемы и перспективы

     Благодаря прорыву в области производства микроскопов современные ученые могут манипулировать атомами и располагать их так, как им заблагорассудится. Такого еще не было за всю историю развития человечества!
      Идеальная техническая система – это система, масса, габариты и энергоемкость которой стремятся к нулю, а ее способность выполнять работу при этом не уменьшается. Предельный случай идеализации техники заключается в уменьшении её размеров (вплоть до полного “исчезновении”) при одновременном увеличении количества выполняемых ею функций. В идеале – технического устройства не должно быть видно, а функции, нужные человеку и обществу, должны выполняться. Закон увеличения степени идеальности гласит: развитие всех систем идет в направлении увеличения степени идеальности.
     На практике хорошей иллюстрацией этого закона может служить постоянное стремление производителей микроэлектроники и бытовой техники к миниатюризации, созданию устройств всё меньших размеров со все большими функциональными возможностями. Взять, например, те же сотовые телефоны или ноутбуки: размер все уменьшается, в то время как функциональность только растет.
     Таким образом, нанотехнологии и наноустройства являются закономерным шагом на пути совершенствования технических систем. И возможно, не последним: за областью нановеличин лежат области пико (10 ^-12), фемто (10 ^-15), атто (10^-18) и т.д. величин с еще неизвестными и непредсказуемыми свойствами…
     В настоящее время на рынке продаются только скромные достижения нанотехнологии, вроде самоочищающихся покрытий, "умной одежды" и упаковок, позволяющие дольше сохранять свежими продукты питания. Однако ученые предсказывают триумфальное шествие нанотехнологии в недалеком будущем, опираясь на факт её постепенного проникновении во все отрасли производства.
     Нанотехнология станет основой новой промышленной революции, которая приведет к созданию устройств в 100 раз более прочных, чем сталь и не уступающих по сложности человеческим клеткам. Уже создаются и будут создаваться устройства, функциональные возможности которых определяются необычными свойствами новейших материалов. Благодаря обработке на атомарном уровне, привычные материалы будут обладать улучшенными свойствами, постепенно становясь все легче, прочнее и меньше по объему. Согласно прогнозам большинства ученых, это произойдет уже через 10-15 лет. Как уже говорилось, возможности использования нанотехнологий неисчерпаемы - начиная от микроскопических компьютеров, убивающих раковые клетки, и заканчивая автомобильными двигателями, не загрязняющими окружающую среду, однако большие перспективы чаще всего несут с собой и большие опасности. Взять хотя бы достижения в области атомной энергии и печальные последствия Чернобыльской аварии или трагедию Хиросимы и Нагасаки. Ученые всего мира сегодня должны четко представлять себе, что подобные “неудачные” опыты или халатность в будущем могут обернуться трагедией, ставящей под угрозу существование всего человечества и планеты в целом.
     В связи с этим становится понятно, почему с самого появления нанотехнологии её развитию мешают страхи, часть которых однозначно относится к разряду научной фантастики, но некоторые, однако ж, вовсе не лишены основания.

3.2 Основные области применения нанотехнологий

     Исследования в области наноструктурных материалов лежат в основе создания новой технологии XXI века – нанотехнологии (НТ). Из основных аспектов и приложений НТ, имеющих огромное социаль ное, финансовое и политическое значение, стоит выделить следующие:

• получение очень легких и очень прочных материалов с заданными свойствами, позволяющими создавать новые устройства и транспортные средства;
• создание миниатюрных и высокоэффективных компьютеров и дат чиков;
• производство новых фармацевтических препаратов на основе сочетания биологических и синтетических веществ;
• значительное ускорение процессов секвенирования, т.е. определения их первичной аминокислотной или нуклеотидной последовательности, имеющих принципиальное значение для развития генной инженерии; созда ние систем индивидуального лечения; таргетная (целевая) доставка лекарственных препаратов к требуемым органам в организме;
• создание искусственных материалов для диагностики процессов в живых клетках, производство биосовместимых имплантантов;
• создание высокоэффективных систем преобразования солнечной энергии;
• создание высокоэффективных топливных элементов и материа лов, позволяющих аккумулировать и удерживать водород;
• получение наноструктурных катализаторов для использования в низкоэнергетических и экологически чистых производствах;
• организация производства светоизлучающих диодов, потребляю щих очень небольшое количество электроэнергии;
• разработка простых и дешевых методов очистки и обессоливания воды;
• создание новых сельскохозяйственных препаратов и удобрений, а также методов генетической модификации растений и животных;
• создание небольших по весу космических аппаратов и систем их запуска, создание миниатюрных автоматических космических си стем;
• молекулярные НТ.

     Основные области применения наноструктурных материалов приведены в таблице

Таблица

Области применения наноструктурных соединений

3.3 Опасности, связанные с развитием нанотехнологий

     Многообещающее развитие НТ одновременно несет в себе и серьезные прямые и косвенные опасности, которые могут иметь преднамеренный характер и сопутствующий . Непосредственную опасность развития и использования НТ можно связать просто с обычным риском при появлении практически любых новых матери алов или изделий. Более серьезная проблема современности состоит в непрерывном увеличении объемов производства нановолокон и наночастиц. Свойства таких веществ (точнее говоря, изготовленных из них частиц) еще недостаточно изучены, и специалисты только при ступают к серьезному изучению их воздействия на здоровье человека и окружающую среду. Однако, по предварительно полученным данным, они вовсе не безобидны, поскольку из-за малых размеров спо собны проникать через клеточные мембраны человеческого организма, кроме того, существующие в настоящее время системы очистки могут оказаться не эффективными применительно к наноструктурированным загрязнителям.
     Можно выделить следующие основные опасности и этические проблемы:

• опасность для здоровья персонала, занятого в новых производ ственных процессах;
• опасность загрязнения окружающей среды наноразмерными загрязняющими веществами, которые не возможно уловить или нейтрализовать с помощью существующих в настоящее время систем и аппаратов;
• отсутствие средств коллективной и индивидуальной защиты от наноразмерных загрязняющих веществ;
• проблемы сохранения окружающей среды, связанные с крупно масштабным производством нанокомпозитных материалов, кото рые очень плохо поддаются вторичной переработке и практически не разрушаются естественным путем;
• перестройка промышленных производств, связанная с появлени ем новых материалов и изделий;
• опасности, связанные с отсутствием метрологического обеспечения контроля продукции НТ и процесса ее производства, санитарно-гигиенического нормирования, стандартов и др.;
• затоваривание рынка новыми товарами, серьезные потрясения су ществующей финансово-промышленной системы;
• усиление уровня безработицы, обусловленное появлением лишь небольшого числа рабочих мест на новых производствах, требующих к тому же достаточно высокой квалификации;
• усиление неравенства в доходах и уровне жизни (например, с точ ки зрения медицинского обслуживания), возникновение своеобразной «нанодискриминации»;
• развитие острых противоречий в области определения прав на интеллектуальную собственность;
• возникновение конфликта интересов в существующих отношениях высших учебных заведений, исследовательских центров и про мышленных кругов;
• очевидные риски и опасности генетических манипуляций с растениями, животными и людьми;
• опасности, связанные с новыми методами и материалами имплан тации;
• неочевидные проблемы, связанные с возможностями ранней диагностики болезней, для которых пока неизвестны методы лече ния;
• опасности, связанные с возможностью скрытого сбора сведений и проведения тайных операций;
• опасности нарушения прав личности и права на защищенность ча стной жизни посредством наблюдения или даже тайного вмешательства в функционирование человеческого организма;
• обострение проблем обеспечения личной безопасности;
• опасность создания «сверхумных» и виртуально невидимых уст ройств на основе сочетания НТ и разработок в области искусственного интеллекта (ИИ);
• опасности создания нанооружия, искусственных вирусов и раз нообразных агентов биологического или нервно-паралитическо го типа;
• необходимость создания систем контроля и слежения за развити ем новых технологий (при одновременном ограничении распрос транения многих конкретных сведений) в международном масштабе.

     Развитие нанотехнологий должно обязательно привести к появлению новых, непредсказуемых проблем, как с положительными, так и с отрицательными последстви ями. Например, развитие НТ может привести к значительному уве личению продолжительности жизни (что, в свою очередь, приведет к перенаселению, вызовет необходимость изменения пенсионного законодательства и т.д.), или широкое использование наночастиц может привести к серьезным биологическим изменениям в окружающей среде (как это имело ме сто с применением ДДТ), исправление последствий, которых может оказаться весьма сложной, дорогостоящей и длительной задачей.
     Для учета и предотвращения опасностей необходимо уже сейчас начать изучение научных, технологических и социальных последствий развития нанотехнологий на основе системного и междисциплинарного подхода, уделяя особое внимание вопросам безопасности и научно-социальным аспектам рас сматриваемых проблем. Нельзя забывать и о возможных социальных последствиях военных применений НТ [1].
     В настоящее время правительства и парламенты многих стран уже сейчас активно и серьезно работают над проблемами развития и внедрения НТ.
     Так в России 4 июля 2007 года Госдума приняла закон "О Российской корпорации нанотехнологий" (официальное краткое название – ГК "Роснанотех"), внесенный депутатами от партии "Единая Россия". 6 июля закон принят Советом федерации, 19 июля подписан президентом. В соответствии с законом корпорация создана для "реализации государственной политики в сфере нанотехнологий, развития инновационной инфраструктуры в сфере нанотехнологий, реализации проектов создания перспективных нанотехнологий и наноиндустрии". Генеральный директор "Роснанотеха" Леонид Меламед заявил 5 февраля 2008 года на пресс-конференции, что при госкорпорации будет создана комиссия по безопасности применения нанотехнологий. На развитие корпорации и проведение исследований в соответствующей сфере в 2008 году будет затрачено около 200 млрд. руб. Имущество "Роснанотеха" формируется за счет взноса государства и других "добровольных имущественных взносов и пожертвований". В стратегическом плане деятельности "Роснанотеха" особое внимание будет уделяеться вопросам безопасности.
     В августе 2007 года Главный санитарный врач РФ, глава Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (Роспотребнадзор) Геннадий Онищенко указал на необходимость усиления контроля за наноиндустрией. Рекомендовал юридическим лицам и индивидуальным предпринимателям, производящим и импортирующим продукцию, полученную с использованием нанотехнологий и/или содержащую наноматериалы, указывать в информации для потребителей сведения об использовании при изготовлении продукции нанотехнологий или наноматериалов. Также он потребовал при предоставлении документов для проведения санитарно-эпидемиологической экспертизы продукции представлять сведения об использовании нанотехнологий или наноматериалов с подтверждением безопасности их использования для человека. В настоящее время создана рабочая группа по подготовке концепции надзора за производством, использующим нанотехнологии, и оборотом продукции, содержащей наноматериалы.

3.4 Опасности, связанные с развитием молекулярных нанотехнологий

     Об основных опасностях и рисках, связанных с развитием так называемых молекулярных нанотехнологии (МНТ), предупреждал еще в 1986 году известный специалист Эрик Дрекслер, который на основе концепции самовоспроизводящихся наноустройств первым упомянул о возможности возникновения ставшей затем знаменитой пресловутой «серой слизи» ( grey - goo ). Проблема (и возникший на ее основе термин) основана на опасениях Дрекслера и ряда других ученых, что появление на планете «всеядных» наноструктур рано или поздно приведет к тому, что такие структуры начнут «перерабатывать» все органическое вещество на нашей планете. В связи с этими преду преждениями были даже предложены некоторые варианты превен тивного ограничения возможностей наноассемблеров. В связи с этим был создан список принципов и рекомендаций, относящихся к проектированию и созданию самовоспроизводящихся устройств.
     МНТ в социальной сфере могут спровоцировать крупные экономические потрясения, которые могут стать результатом массового производ ства дешевых товаров одновременно с резким сокращением занятости (поскольку НТ-производства, по-видимому, будут обходиться по чти без участия человека). Проблема связана с развитием ситуации, когда даже дешевые товары, производимые по таким новейшим тех нологиям, окажутся слишком дорогими для большей части населения, в ре зультате чего возрастет показатель имущественного неравенства, что может привести к серьезным социальным потрясениям. Существует опасность, что повсеместное распространение миниатюрных датчи ков в сочетании с появлением сверхмощных компьютеров создаст возможность тотальной слежки за всеми гражданами. Кроме этого, очевидно, что развитие и массовое использование вводимых в организм чипов грозят возможностью полного контроля над физическим и психическим состоянием людей.
     Острую полемику и большой интерес вызвали работы известного специалиста в области вычислительной техники Б. Джоя, который в своих предсказаниях сделал попытку объединить в единое целое мно гие разноплановые опасности развития новейших технологий. Исходя из последних достижений генетики, НТ и робототех ники, Джой предупреждает об опасности засилья роботов и возмож ности их массового самовоспроизведения, что грозит человечеству неминуемой гибелью. Он считает, что возникающие технологии яв ляются настолько эффективными и мощными, что человечеству не удастся сдержать их какими-либо «ограничениями», и единственной возможностью избежать гибели является отказ от опасных техноло гий и введение запретов на некоторые виды исследований.
     В ответ на эти предупреждения специалисты по молекулярным нанотехнологиям (которых уже можно назвать, по современной терминологии, МНТ-сообществом) опубликовали серию работ, в которых подчеркивалась опасность запрета и возможного перерегулирования (термин из теории управления) исследований в данной области. Более того, представители МНТ-сообщества даже основали Центр ответственной нанотехнологии, опубликовавший список предполагаемых опасностей и предло жений, сводящихся к довольно умеренным ограничениям на иссле дования. В этой связи можно лишь дополнительно отметить, что основные концепции МНТ-сообщества (бесконечность существования человечества, бессмертие, колонизация человечеством космических просторов и т.п.) представляются одновременно спорными, многообещающими и привлекательными [1].

3.4 Нанотехнологии для безопасности

     Несмотря на значительное количество отрицательных последствий развития и применения НТ, они, несомненно, несут и огромный положительный потенциал, в том числе и в области обеспечения безопасности и экологичности производственных процессов и производств, устойчивости в ЧС, сфере противодействия терроризму [1] :

• преимущества в области информационных тех нологий за счет интенсивного развития электроники;
• разработка на основе наноэлектроники более сложных систем создания виртуальной реальности, позволяющих организовать более гибкую и эффективную программу обучения персонала для высокотехнологичных производств, что позволит снизить роль «человеческого фактора» и повысить безопасность и устойчивость промышленных объектов к ЧС как природного, так и техногенного характера, и террористическим актам;
• широкое применение автоматики и робототехники в промышленном производстве , а также повышение эффективности использования оборудования ;
• производство более удобных (легких, прочных), эф фективных и дешевых средств коллективной и индивидуальной защиты;
• новые методики обеззараживания окружающей среды с помощью наноассемблеров, т.е. молекулярных наноструктур перерабатывающих загрязнения органического происхождения;
• значительное повышение чувствительности датчиков, регистрирующих загрязняющие или взрывчатые вещества (нанонос) , а также универсальных систем оповещающей сигнализации;
• использование комбинированных нано- и микромеханических ус тройств для организации контроля над хранением опасных отходов;
• новые типы мощных, миниатюрных двигателей и источников питания, не загрязняющих окружающую среду;
• ди станционно управляемые микроуст ройства, позволяющие исключить участие человека в опасных производственных процессах или антитеррористических мероприятиях;
• наноэргономика - осуществление прямой и косвенной связи электронных уст ройств с человеческим мозгом (с использованием имплантированных или даже дистанционных интерфейсов);
• создание искусственного интеллекта (т.е. машин, способных к самостоятельным «размышле ниям» и принятию решений);
• качественные и износостойкие материалы, повышающие надежность технических систем;
• сис темы физиологического контроля и профилактики;
• разработка нефармацевтических методов повышения работоспо собности персонала, т.е. модификация биохи мических процессов в человеческом организме, развитие методов компенсации недосыпания; усиление физических или психоло гических характеристик организма, снижение уровня травматизма.
• Производство спецодежды со встроенными датчиками, которые будут отслеживать малейшие изменения в физическом состоянии "хозяина", измеряя пульс, кровяное давление, температуру тела, сердечные ритмы, работу других внутренних органов, причем ответная реакция костюма на внешние раздражители во многом станет напоминать работу подушек безопасности в автомобиле.

3.5 Нанотехнологии в экологии

     Перспективны нанотехнологии и в области защиты окружающей среды. В настоящее время активно исследуются и применяются природные наноструктуры:

• цеолиты и другие пористые породы в качестве так называемых «кондиционеров», особенно в системах регулируемого водоснабжения;
• глины и цеолиты в качестве защитных материалов на хранилищах радиоактивных отходов;
• введение в пищевые продукты алюмосиликатов в качестве структурирующих агентов (например, получение диетических, немолочных сливок) или цеолитов в корма для животных, ускоряющие их рост ;
• цеолиты в качестве ионообменников для очистки воды;
• силикагель и другие нанофазные твердые осушители (обезвоживающие средства).

     Многие из указанных здесь материалов уже производятся в качестве обычных промышленных товаров, не связанных с высокими технологиями, однако существуют возмож ности для их модификации, что позволит использовать их для решения более сложных задач (в частности, регулирования переноса лекарственных препаратов внутри организма, создания систем регенерации на космических станциях и в других замкнутых помещениях и др.).
     Разработка методов быстрой идентификации, описания и анализа наночастиц (включая анализ состава, содержания следовых элементов, атомной структуры и морфологии) позволит надежнее оценивать их роль как загрязни телей окружающей среды, а также однозначно определять источники загрязнения. Например, существующая методика определения «асбеста» основана иск лючительно на форме частиц, нуждается в улучшении, поскольку накоплено много данных, свидетельствующих, что токсичность та ких частиц сильно зависит от их размера. Механизмы токсическо го действия наночастиц мало изучены, однако можно надеяться, что знания в этой области значительно расширятся после появления наносенсоров и нано устройств, позволяющих регистрировать малые количества загрязняющих агентов в воздухе и воде.
     Для очистки воды перспективны нанопористые полимеры. Так, например, использование циклодекстринов в качестве основных элементов структуры позволило синтезировать совершенно новый класс органических нанопористых полимеров с узким распределением пор по размерам (0,7—1,2 нм). Такие высокотехнологичные нанопористые полимеры обладают очень высокой способностью к «захвату» и переносу органических молекул-гостей на поверхностях раздела вода /твердое тело. Константа связывания органических молекул-гостей такими нанополимерами на восемь порядков величины превосхо дит соответствующее значение для молекулярных циклодекстринов в воде, причем описываемый процесс является полностью обратимым в органических растворителях, аналогичных по действию этиловому спирту. Огромное значение этих разработок обусловлено тем, что контакт воды с полимерами подо бного типа может снизить содержание в ней опасных органических загрязни телей практически до нуля (до нескольких частей на триллион).
     Для очистки среды используют введение активных наноструктурных агентов в жидкие отходы в месте их хранения или образования , что позволяет связывать загрязняющие ве щества, в результате чего отходы очищаются до уровня, безопасного для окру жающей среды. В таких процессах предполагается использовать два новых материала. Один из них представляет собой неорга ниче ский фуллерен, построенный из атомов молибдена (Мо) и серы ( S ). Поверхности такой регулярной структуры относительно инертны к ван-дер-ваальсовым взаимодействиям, а ее оптическая запрещенная зона попадает в область види мого света, что делает такую структуру идеальным агентом для фотоокисления жидких отходов. Другой тип материала представляет собой однослойную углеродную нанотрубку. Такие структуры эффективно используются для очистки газовых потоков и в качестве среды для аккумулирования водорода , адсорбции тяжелых металлов и других примесей.
     Для адсорбции атомов тяжелых металлов используют мезопористые композитные материалы. Они представляют собой силикатную решетку с цилиндрическими порами, образующими сотообразную структуру с очень вы сокой удельной поверхностью и наноразмерными порами. Поры действуют как ловушки для захвата молекул заданного размера, а химические функциональные группы обеспечивают образование плотных монослоев на поверхнос ти стенок. Диаметр пор составляет 55 нм, удельная поверхность 900 м²/г. Молекулы поверхностно-активных веществ, обладающие химической избирательностью, осуществляют самосборку в междоузлиях кремнеземной матрицы, полученной в результате реакций в растворах. Один конец молекулы жестко связывается с керамической подлож кой, а второй остается свободным и может взаимодействовать с веществами, подлежащими удалению.
     Такие нанокомпозиты, образующиеся в результате самосборки монослоев на мезопористых подложках, не только весьма эффективны при очистке стоков от ионов тяжелых металлов, но и могут найти многочисленные примене ния в технологиях, связанных с энергетикой, разделением веществ, катализом и т.д.
     Использование наноматериалов для создания новых катализаторов продолжает привлекать пристальное внимание исследователей. Каталитическое окисление оксида углерода применяется для очистки воздуха, конверсии автомобильных выхлопов, в техно логии новых топливных элементов, основанных на окислении метанола и других углеводородов. Для этих целей наиболее эффективно применение наночастиц, состоящих из металлического ядра и внешней оболочки . Для электрохимического окисления оксида углерода в качестве катализаторов используют наночастицы золота размером 2 и 5 нм, окруженные молекулами декантиолов. Подобное применение наночастиц золота свидетельствует о кооперативном усилении каталитической активности. Способами получения опти мальных катализаторов могут стать изменения формы ядра, струк туры молекулярной оболочки или ее свойств, природы связывания ядра и оболочки, влияющих на активные места, упаковку дефектов и коллективные электронные свойства наночастиц.
     Большую проблему для экологии современных промышленно развитых городов представляет смог, образующийся при участии оксидов азота, который выделяется в больших количествах при горении природного газа. В этой связи актуа лен поиск новых катализаторов окисления метана. Так, описан синтез нового каталитического материала, обеспечивающего горение метана при 400°С. Для его получения использо вали обратимые микроэмульсии на основе изооктана, воды и таких ПАВ, как аддукты полиэтиленоксида со спиртами. Соли Ва(ОС₃Н₇)₂ и А1(ОС₃Н₇)₃ растворяли в изооктане и смешивали с микроэмульсией при комнатной температуре. Полученный в ре зультате такой обработки твердый кристаллический наноразмер ный гексаалюминат бария показал высокую каталитическую ак тивность в реакции горения метана. Гексаалюминат бария сохраняет размеры частиц и их площадь поверхности при высоких температурах. Кроме того, его можно дополнительно моди фицировать церием, кобальтом, марганцем и лантаном. При мо дификации оксидом церия получен композит, обеспечивающий горение метана при температурах ниже 400 °С.
     В атмосфере, геологических породах, водной среде и биологических си стемах присутствует большое количество разнообразных естественных наночастиц и наноструктурных веществ. Однако их влияние на здоровье человека пока не изучалось систематически. Точная оценка воздействия наноразмерньгх веществ на биологиче ские системы в значительной степени осложняются отсутствием аппара туры для контроля содержания наночастиц и их воздействия. Для устранения или предотвращения загрязнения окружающей среды наночастицами необходимо, прежде всего, иметь достаточно полное представление о фундаментальных процессах взаимодействия наноча стиц и наноструктурных материалов с окружающей средой и, особенно с биологическими системами.
     К настоящему времени разработано несколько типов приборов, используемых в медицине и экологии для оценки влияния наночастиц в научно-исследо вательских целях. Например, существуют счетчики наночастиц, позво ляющие выращивать конденсацией из газовой фазы наночастицы определенного размера. Такими приборами обеспечивается регистрация частиц размером порядка 3 нм в воздухе при атмосферном давлении. Дополнительные сведения о свойствах наночастиц могут быть получены из анализа «дифференциальной подвижности частиц». По этой методике частицы заряжают единичным положительным или отрицательным зарядом. Под влиянием приложенного электрического поля частицы движутся поперек не содержащего частиц потока и разряжаются как мо нодисперсный аэрозоль.
     Наночастицы можно рассматривать в качестве своеобразных «микрореакторов», которые, в зависимости от окружения, могут преобразовывать энергию, перерабатывать отходы или служить в качестве наносенсоров, например, для непрерывного контроля состояния окружающей среды или для оптимального уп равления производственными процессами, позволяющими минимизировать потребление энергии. Непосредственный контроль состоя ния окружающей среды важен практически во всех производственных процессах (в химической промышленности, электронике, машиностро ении и т.п.), а регулирование расходования энергии связано с работой транспортных средств, нагревательных систем и холодильных устройств. Работа по созданию все более совершенных и экологически чистых производственных процессов зависит от развития средств контроля и обрат ной связи, которые во многих случаях могут быть построены лишь на основе наноустройств.
     Особенно важными являются следующие направления исследований:

• замена производств, связанных с образованием больших объемов отходов, на так называемые «зеленые» технологии;
• рационализация производственных процессов, позволяющая выпус кать более легкие и мелкие изделия, что поможет снизить расходы материалов и энергии;
• более глубокое изучение и регулирование природных явлений и про цессов загрязнения окружающей среды с помощью нанодатчиков и наноэлектронных устройств.

     Применение конструкционных нанокомпозитов началось лишь не сколько лет назад, но можно с уверенностью утверждать, что в течение ближайших 5—10 лет будут изготовлены более совершенные и экологи чески чистые композиты. Нынешние исследования в этой области име ют целью изготовление композитов, обладающих прочностью традици онных материалов, но значительно меньшим весом, с помощью введения наночастиц в полимерный материал. В перспективе возникает возможность создания композитов на осно ве полимеров и наночастиц, которые будут обладать повышенными функциональными характеристиками, например, тепло- и электропроводностью, заданными оптическими свойства ми и др. Но одновременно с этим возникает проблема переработки и утилизации таких сверх прочных, химически стойких нанокомпозитов.
     Нанотехнология охватывает многие научные дисциплины и поэтому нуждается в выработке единой терминологии, номенклатуре и стандар тов измерений в областях, связанных с проблемами окружающей среды:

• Изучение механизмов наномасштабных процессов и возможностей их регулирования (например, при осаждении и кристаллизации белков, десорбции загрязняющих агентов, стабилизации коллоидных дис персией, агрегации мицелл, подвижности микробов, образования и подвижности наночастиц, их взаимодействия с тканями организмов и т.п.). Возникает необходимость более глубокого изучения процес сов на межфазных границах систем: твердое тело — жидкость, твердое тело — газ, жидкость — газ с участием минеральных и органических компонентов почвы, аэрозолей, биомолекул (клеток, микробов), биологических тканей, химически модифицированных объектов (на пример, мембран и биопленок), антропогенных источников загряз нения (например, радиоактивных веществ и тяжелых металлов);
• Проведение междисциплинарных исследований, которые связаны с разработкой и математическим описанием сложных модельных сис тем, межфазных границ и других нанометровых структур и участвуют в биологических процессах функционирования живых организмов.
• Новейшие технологические приемы значительно расширяют воз можности изучения молекулярных и наномасштабных процессов, связанных с отдельными молекулами или клетками (например, опти ческие ловушки, лазерный «пинцет», синхронное излучение и др.). В последние годы были разработаны более эффективные методы ма тематического описания динамических, многомасштабных и много компонентных систем, в том числе, систем с фазовыми переходами и агрегированием;
• Изучение модельных на ноструктур, связанных с естественными процессами или с охраной окружающей среды (горные разработки и шахты, подземные водо носные слои, полярные области, атмосферные явления и др.).

     Углубление знаний о динамике специфических наномерных процес сов в природных системах должно привести к более глубокому понима нию сложных экологических закономерностей и выработке новых подходов к защите окружающей среды.
     НТ могут решить в будущем и такую серьезную проблему как недостаток минеральных ресурсов на Земле. Используя автономные самовоспро изводящиеся системы, человечество может организовать добычу по лезных ископаемых в космосе, например на Луне, планетах и астерои дах . Кроме того, молекулярные технологии могут ока заться чрезвычайно важными при осуществлении дальних космичес ких полетов или даже колонизации далеких космических объектов. Некоторые сторонники МНТ считают необходимость таких дальних путешествий неизбежной, в связи с растущим загрязне нием окружающей среды, истощением ресурсов, перенаселением из-за успехов наномедицины, т.е. в результате победы науки над старостью и смертельными заболеваниями.
     В настоящее время серьезной экологической проблемой является загрязнение атмосферного воздуха продуктами сжигания минерального и углеводородного топлива. С другой стороны существенное отставание добычи энергоресурсов от их потребления является причиной энергетического кризиса. Эти две взаимосвязанные проблемы можно решить с помощью нанотехнологии, разрабатывая новые источники энергии и устройств или материалов ее накопления, хранения и преобразования. Новая наноэнергетика будет развиваться в двух главных направлениях: повышение энергетических возможностей существующих микроустройств (при одновременном уменьшении их веса) и развитие разнообразных новых устройств с очень низким энергопотреблением.
     Основной задачей первого направления, очевидно, выступает создание новых типов топливных элементов и батарей, а также наноструктурных электродов и мембран. Миниатюрные топливные элементы уже сейчас широко используются в самых различных отраслях авиакосмической техники (электропитание беспилотных устройств, космических спутников и т.д.), а более крупные батареи и элементы (с мощностью в десятки киловатт и больше) применяются в наземных транспортных средствах, кораблях и т.п. Ожидается, что НТ позволят создать материалы для высокоэффективных устройств аккумулирования водорода и топливных элементов на этой основе, что, кстати, должно стать важным этапом на пути создания экологически чистых, «электрических» автомобилей.
     Ожидается также, что на основе органических нанокомпозитов будут созданы гибкие и очень легкие солнечные батареи. Например, американским ученым удалось создать субстанцию, которая способна поглощать 99,9% видимого света. Теперь ученые пытаются выяснить, способна ли новая субстанция поглощать ультрафиолетовые лучи или радиационное излучение, что кардинально могло бы повлиять, например, на перспективу внедрения так называемых "домашних реакторов" в качестве источника электроэнергии и на проблему утилизации ядерных отходов. Созданный материал состоит из тончайших нанотрубок углерода тоньше человеческого волоса в 400 раз, и на данный момент это самый темный материал на Земле. Трубки расположены вертикально, и таким образом, лучи света поглощаются, попадая в пустоты между трубками. Кроме ядерной энергетики, ученые предполагают, что материал выведет также и солнечную энергетику на новый уровень, благодаря своим свойствам поглощать почти 100% видимого света.
     Нанотехнологические подходы предлагается использовать также при создании генераторов малой мощности для различных микросистемных технологий. Сочетание обычных углеводородных топлив, термоэлектричес ких преобразователей энергии, двигателей внутреннего сгорания, но вейших топливных элементов и хорошо известных энергетикам рефор минг-установок уже сейчас позволяет создавать устройства и батареи (мощностью от нескольких микроватт до 1 Вт), плотность энергии ко торых превосходит лучшие существующие образцы в десятки раз.
     Среди принципиально нового оборудования следует особо упо мянуть возможность создания «собственных» электрогенераторов (их можно назвать телесными или даже соматическими), способных вы рабатывать электрический ток просто за счет энергии движения че ловека, незначительных по величине градиентов температуры в теле человека или даже биохимических реакций человеческого организ ма. Предлагается имплан тировать миниатюрные биотопливные батареи в организм человека. Вводя внутрь кровеносных сосудов микроустройства , в которых может происходить окисление глюкозы и восстановление кислорода (на специально сконструированных катодах и анодах соответственно), уже сейчас удается выработать в лабораторных условиях более 1 мкВт энергии в течение недели. Такие топливные системы и элемен ты могут применяться для питания микродатчиков, микроприводов и телеметрических систем слежения, введенных в организмы растений, животных и человека.
     Кроме этого, использование новых материалов на основе НТ должно неизбежно приводить к повышению КПД за счет различных вторичных эффектов (уменьшение веса подвижных деталей двигателя, снижения трения на контактирующих по верхностях, упоминавшееся выше повышение износостойкости деталей и т.п.), что значительно снизит выхлоп отработавших газов. Перечисленные преимущества в сочетании с микросистемными технологиями позволят создать практически новые типы сверхминиатюрных электродвигателей для микротранспортных устройств (воздушных, наземных, водных) и микророботов.
     При работе в очень небольших объемах или на очень малых масшта бах неожиданно высокую практическую ценность могут приобрести электромеханические (и особенно электростатические) двигатели, про изводство которых может быть организовано на основе различных ком бинаций микро- и нанотехнологий. С другой стороны, сочетание этих тех нологий позволяет создать и совершенно новые, весьма эффективные электродвигатели малых (но не микроскопических) размеров для решения самых разнообразных технических задач. Например, в автомобиль ной промышленности возможность установки небольших по размеру приводных двигателей на каждом из колес (а возможно, даже и в тормозной системе) будет означать революцию в этой обширной научно- технической области. Такой подход позволит убрать из конструкции многие детали (коробку передач, сцепление, генераторы и т.п.), в результате чего будет фактически создан экологически чистый «электрический» автомобиль [1].
     Для успешного использования существующих и появляющихся во все возрастающем количестве новых технологий, связанных с экологией, важна организация сотрудничества между университетами, лабораториями и промышленными предприяти ями. Такое сотрудничество будет способствовать развитию необходимых междисциплинарных исследований, расширению подготовки кадров и обмену специалистами [5-7, 60].

3.6 Опасности, связанные с возможностью примененийвоенных нанотехнологий

     Нанотехнология обладает огромным потенциалом, и перспективы ее военного применения выглядят весьма впечатляюще. Наибольшую тревогу вызывает возможность попадания достижений НТ в руки террористических организаций.
     МНТ могут применяться для массового производства высокотехнологичных видов оружия и ведения микробиологических войн, системы искусственного интеллекта — для проектирования новых типов вооружений, разработки стратегии и проведения бое вых, террористических и антитеррористических операций. После создания так назы ваемых ассемблеров любое государство может очень быстро повысить свою военную мощь и возможности, что может привести к резким и драматическим изменениям на политической карте мира. Поскольку для производства репликаторов требуется лишь очень небольшое количество вещества обыч ного типа, их появление может стать гораздо более опасным для истории человечества, чем создание атомной бомбы. С другой стороны, такие наномашины нередко могут ока заться гораздо эффективнее бомб или оружия, например при созда нии деспотических форм правления (организация слежки за населением, контроль сознания и тела и т.п.). В длительной перспективе, однако, вырисо вывается и картина организации «активной защиты», т.е. создание ав томатических оборонительных наномашин, которые будут бороться с репликаторами всех видов, обеспечивая оборону, не создавая угрозы противнику. Однако активная защита против опасных репликаторов является весьма опасной идеей, так как ничто не препятствует развитию в системе защиты автоимму нитета, что создает новые возможности атаки на биосферу.
     В литературе активно обсуждается возможность создания новых существ (киборгов) из обычных собак, крыс, насекомых и птиц после имплантации в их организмы датчиков или иных управляющих систем. Так, например, в Израиле уже ведется работа над созданием летающего наноробота под кодовым названием "бионический шершень". Он будет способен очень точно определять свое местонахождение, легко управляем, может находить труднодостижимые цели типа ракетных пусковых установок, вести видеосъемку и т.д.
     В далекой перспективе (с развитием и применением дальней ших достижений в МНТ, молекулярной биологии и информатике) этот подход позволит приступить к «выведению» новых пород живых существ, предназначенных для осуществления заданных боевых дей ствий. Разумеется, создание таких биороботов, способных и запрограммированных на убийство людей или проведение террористических актов, повлечет за собой возникновение целого ряда новых задач, связанных со стратегией и реальным осуществлением боевых и антитеррористических операций, не говоря уже об этических и мо ральных аспектах проблемы.
     В рамках грядущей военно-технологической революции, основанной на конвергенции или слиянии новейших достижений в области информатики, биологии и обработки материалов, можно выделить наиболее перспективные направления их развития:

• разработка биологического оружия трихгерного действия (смертоносного или выводящего из строя на время);
• развитие децентрализованных сетей миниатюрных датчиков, вплоть до создания «наблюдающей пыли»;
• совершенствование систем обработки информации с тем, чтобы их работа напоминала функционирование человеческого мозга;
• создание целых «флотилий» из очень небольших и дешевых робо тов для проведения войсковых и антитеррористических операций.

     На новом, непривычном для военных стратегов «поле боя» (его можно образно назвать мини атюрным или микроскопическим) оборона может оказаться значи тельно более сложным делом, чем наступление. К тому же, вмешательство в процессы биологического воспроизводства может очень быстро привести к ошибкам и неконтролируемой эволюции продуктов производства (возможно, с самыми неожиданными и нежелательными последствиями!).
     Наилучшим выходом для международ ного сообщества стал бы переход к идеальной экономической систе ме, т.е. переход к автоматическому производству на основе местных ресурсов, что означало бы также резкое сокращение международной торговли и прекращение борьбы за рынки сбыта. Фактически такой переход просто уничтожит существующую мировую экономическую систему, основанную на представлениях о заработной плате, деятельности транснациональных монополий и наличии мировых рынков по чти всех товаров. Такие глобальные изменения могли бы подарить че ловечеству поистине «золотой век» процветания.
     Таким образом, поскольку прогресс цивилизации ориентированный в настоящее время на развитие нанотехнологий остановить невозможно, то необходимо создавать эффективный международный контроль за их внедрением, разрабатывать и пропагандировать этические нормы для ученых и инженеров, повышая личную ответственность и нравственную уста новку специалистов, широко информировать общественность о достоинствах и опасностях НТ, сделать невозможным использование достижений МНТ террористическими организациями [1].
     В некоторых областях военной техники (взрывчатые вещества, бронетехника, бронебойные снаряды, ядерное оружие) применение НТ обещает пока лишь незначительное улучшение ха рактеристик уже существующих видов оружия, однако в ряде направ лений можно ожидать быстрых и даже революционных преобразова ний. В некоторых случаях такие преобразования могут стать следствием существенного улучшения технических параметров уже используемых устройств и веществ (электроника, конструкционные материалы, а также, возможно, программное обеспечение), а в дру гих — с возникновением качественно новых возможностей. В этом случае речь идет, прежде всего, о развитии личного вооружения и аму ниции солдата, повышении биологических характеристик организ ма, создании разнообразных автоматических систем, биотехнических гибридов, микроспутников, новых типов химического и биологического оружия и многого другого.
     В соответствии с общей концепцией молекулярных НТ предпола гается, что в будущем будут созданы нанороботы (способные действовать поодиночке или «стаями») и универсальные молекулярные ассем блеры, способные самовоспроизводиться, а также создавать любые требуемые изделия из доступных им материальных ресурсов. Одновре менно с этим будут созданы и устройства искусственного интеллекта (уровень развития которых, возможно, будет превосходить человечес кий), которые очень быстро научатся осуществлять практически лю бые технологические задачи (включая научно-исследовательские, кон структорские, испытательные и внедренческие). Такие устройства смогут не только полностью «понять» или расшифровать процессы, происходящие в клетках и живых организмах, но и даже научатся управлять ими в требуемых целях. Быстрое развитие таких научно-тех нических методов может привести к появлению совершенно неожиданных форм «слияния» сознания человека с автоматическими и вычислитель ными системами ( human - artificial merging ), что, возможно, позволит в будущем начать исследование космоса и его ресурсов в новых, пока даже не поддающихся описанию масштабах и формах.
      Молекулярные НТ смогут использоваться не только для производ ства и эксплуатации военной техники традиционного типа, но и для создания принципиально новых средств и методов ведения боевых действий. Такая возможность вытекает из сочетания перечисляемых ниже наиболее характерных особенностей производственных процес сов на основе таких технологий и создаваемых при этом устройств и материалов:

• миниатюрность создаваемых изделий;
• экономичность расходования ресурсов в производстве и эксплуа тации;
• возможность использования ресурсов (атомов) локального окру жения;
• саморепликация (самовоспроизведение) изделий;
• возможность изготовлять огромное число устройств и изделий;
• способность создавать устройства с огромной вычислительной мощностью;
• возможность создания «разумных» изделий, т.е. обладающих спо собностью к рассудочной деятельности;
• возможность создания датчиков и приводов любых типов и в любых количе ствах;
• возможность создавать устройства, способные проникать или «вне дряться» в другие объекты и живые организмы.

     Производимые на основе молекулярных НТ виды оружия по идее могут применяться для проведения самых разнообразных боевых дей ствий и антитеррористических операций, поскольку они позволяют использовать самые разные физические явления и эффекты. Новые виды вооружений будут связаны как с традиционными методами (взрывное действие, тепловыделение, кинетическое ударное воздействие), так и с совер шенно новыми подходами, основанными на использовании радио активности, воздействия пучков электромагнитного излучения (создание термических, механических или электрических перегрузок), информационной атаки на искусственные системы или людей, хи мического и биологического воздействия на материалы и организмы. Кроме этого, рассматриваемые микроскопические виды оружия могут применяться как одиночно, так и в «стае» или во взаимодействии с какими-либо более крупными и сложными системами, что существенно повышает их эффективность.
     Разумеется, следует учитывать, использование микрооружия вовсе не означает окончания эпохи крупных боевых систем или прекраще ния их производства и применения, хотя бы потому, что малые боевые устройства могут нести лишь очень небольшие полезные нагрузки, особенно в локальных конфликтах. Вооруженные силы каждой страны в будущем по-прежнему будут вклю чать в себя, прежде всего, очень важные и крупные объекты (корабли, бункеры, командные центры и другие элементы инфраструктуры), се рьезное повреждение или уничтожение которых будет требовать от противника огромных усилий и затрат энергии. Еще одним доводом в пользу сохранения крупномасштабных систем оружия является присущая малым системам медлительность реакции и ограниченность радиуса действия. Для переброски микросистем на большие расстояния, особенно при неблагоприятных условиях (например, при неподходящем направлении ветра и т.п.), необходимо применять более крупные уст ройства, в частности самолеты или даже ракеты . С другой стороны, многие круп ные системы оружия (авианосцы, бронетанковая техника и т.п.) могут в будущем значительно уменьшиться в размерах, если новейшие технологии позволят эксплуатировать их (частично или полностью) в ав томатическом режиме.
     В настоящее время невозможно предсказать, каким будет соотношение разных по масштабу боевых систем (макро-, микро- и нано-) в армиях будущего. В принципе, следует ожидать развития и совместного использования самых разномасштабных систем оружия: от специально создаваемых «боевых» молекул и наносистем (простых или самовоспроизводящихся) и микро/минироботов до очень крупных бо евых систем, некоторые из которых станут автоматическими или даже полностью автономными. Роботы смогут поражать и преследовать цели практически во всех средах, а также, при наличии соответству ющих механизмов и энергоснабжения, осуществлять даже крупно масштабные операции под землей.
     Естественно, что создаваемые на основе молекулярных НТ виды ору жия очень скоро станут объектами планируемых действий со стороны противника, вследствие чего, весьма вероятно, что дальнейшее развитие МНТ-оружия просто сведется к выработке средств взаимного про тиводействия. В этом случае мы вновь сможем проследить за классичес ким состязанием между средствами обороны и нападения (щит и меч), характерным для всей истории военной техники.
     Для повышения эффективности антитеррористических и боевых операций НТ и МНТ открывают широкие возможности, которые перечислены ниже.

• Прямое уничтожение с использованием традиционных средств макроскопического разрушающего воздействия (снаряды, взры вы, резкие скачки температуры и давления). Усовершенствование таких средств за счет молекулярных НТ может означать не только повышение технических характеристик (материалов, средств наведения, транспортировки и управления), но и развитие принци пиально новых подходов, включая способность формирования самого поражающего оружия в процессе достижения цели.
• Разработка принципиально новых средств воздействия на живые организмы, например использование огромного количества мик роустройств, способных забивать или «облеплять» лицо, носоглотку и глаза человека. Другие микроустройства могут «блокировать» пальцы, руки или ноги, а также создавать «сверхскользкие» по крытия на дорогах и т.п. Некоторые виды нанороботов могут быть спроектированы специально для воздействия на клетки, листья и другие органы растений.
• Модификация старых или создание новых типов химических и биологических веществ поражающего действия, включая их инъ екцию с помощью искусственных или гибридных управляемых насекомых.
• Возможность поражения проникающими в организм микроско пическими устройствами, способными к дальнейшему самовос произведению (сразу или даже в соответствии с некоторой про граммой), что может затем привести к следующим последствиям:

               а) механическое повреждение органов, закупорка и сужение артерий и т.п.;
               б) нарушение работы внутриклеточных механизмов (например, метаболизма ДНК или других процессов функционирова ния белков и генов, механизмы которых будут обнаружены и изучены в близком будущем);
               в) воздействие на нервную систему и мозг (особенно на меха низмы восприятия, мышления и моторной деятельности); контроль над общим состоянием, настроением, восприяти ем боли и т.п.; контроль сознания человека (что пока пред ставляется наиболее сложной задачей).