ВПЕЧАТЛЕНИЯ ОТ ЕДНА ЛЕКЦИЯ В КЛУБА

1. Нанотехнология ли е нанотехнологията?
Разполагаме с някаква технология, която претендира да се нарича “нанотехнология”. Коректно ли е да носи такова наименование?
Нанометър е една милиардна част от метъра, тоест десет на минус девета степен. Диаметърът на водородния атом е 0,03 нанометра. Молекулата на глюкозата е 0,7 нанометра. Нишката на ДНК може да е много дълга, но дебелината на спиралата е едва 0,2 нанометра. Средните размери на една човешка клетка (тази величина доста варира!) се колебаят около стойността 50 000 нанометра (поне два пъти по-дребни от прашинка). Дължината на вълната на червената светлина – 700 нанометра (което значи, че атомите са невидими за отпичния диапазон на електромагнитните вълни!).
Следователно терминът е адекватен за технология, която използва инструменти и механизми, съизмерими или 100, дори 1000 пъти по-едри от молекулата на глюкозата.
Това обаче не е всичко. Нанороботите постигат висока точност на сглобяване на молекулите и подреждането им във всички мислими структури, които са термодинамично стабилни при дадени условия и съществуването им не противоречи на добре известните природни (химични, физикохимични и физически) закони.
Е ли е молекулната химия нанотехнология? Спекулативно – да (получава например суспензии от наночастици, стабилни агрегати от 50, 100, 1000 атома). Строго погледнато – не, защото “производството” на такива частици става с методи, които манипулират големи ансамбли от молекули и атоми – милиони и милиарди (колко молекули има в една чаша вода или лабораторна епруветка? Въпрос за седми клас ЕСПУ). Но молекулната химия наред с генната инженерия на практика “навлизат в зоната на здрача” между досегашните бълк-технологии (от английското “bulk”) и т.нар. “нанотехнология”. Тоест те в известен смисъл вече не са стара технология, но още не са и нова.
Вероятно би било коректно да наречем нанотехнологията “молекулна технология”, но това е още по-общ термин и може да се отнесе както към фин органичен синтез на лекарства, така и към процесите в една доменна пещ.
Най-общо технологията е способността да се подреждат и манипулират молекулите на дадена суровина, така че да се получи продукт с желани свойства. Разделителната черта е НАЧИНЪТ, по който се получава желаната структура – дали статистически, след обработка на колосални количества молекули, или буквално атом по атом (ако е необходимо – с КПД 100%, без “шлака”, само чист продукт. Отпадъците в случая ще са във вид на топлина). Така че лесно може да се постави долната граница на приложението на нанотехниката – тя не оперира с обекти, по-малки от атома, тоест не се отнася до въздействие върху ядрените процеси. Това не значи, че с помощта на наномашините не би било възможно да се постигнат ядрени манипулации (по аналогия с това как сегашната химия успешно синтезира точно определени молекули, но при това неизбежно заедно с желания продукт се появяват странични вещества. НЯМА химическа реакция с КПД 100%... ако не броим биохимичните процеси с живите клетки, но и там се случват грешки – мутации). Просто това вече ще е напредване към “пикотехнология” както това става днес с молекулярната химия по отношение на нанотехнологията.
Нанотехнологията обаче не е предназначена (тоест поне възможностите й не са ограничени до) единствено за синтезиране на нано- или микрообекти. Нещо повече – асемблерите (нанороботите-монтажници) са в състояние да изградят МЕГАобекти с размерите на континенти и планети. Да прекръстим тогава нанотехнологията на “мегатехнология”? Малко абсурдно звучи, все пак синтезът се осъществява в наномащаб, без оглед на габаритите на продукта.

Как обаче да отделим собствено нанотехнологията от близките до нея технологии? Нужни са ни определени критерии:
- мащаб на елементарните работни операции;
- размери на работните механизми;
- дали дадена машина се държи като репликатор, аналогичен на молекулните машини на живата клетка (самата клетка всъщност е цял молекулен завод!) – този критерий има и друг вариант: дали машините на дадена технология се държат според принципите на Джон фон Нойман за самовъзпроизвеждащите се машини (1951 г.)
Тоест същинска нанотехнология е такава технология, която работи в мащабите на природните молекулни машини като ферменти и двойките рибозома-РНК. Асемблерът обаче като машина ще може да върши всичко, което правят ферментите, че и отгоре.

2. Какво е атомен силов микроскоп?
Това е апарат от класа на сканиращи зондови микроскопи, разработен в Швейцария в средата на 80-те и получил Нобелова награда.
Принципът на работа на АСМ е следният: диамантена игла, чийто връх е практически единичен атом, минава над изследвания обект. Силите на междуатомните връзки на малки разстояния въздействат върху иглата. Сензорите чертаят профила, над който е минала иглата. Сумирането на профилите дава нанотопологична карта на повърхността.
Кой казва, че старите грамофони са изчезнали безследно! :-)
АСМ не изисква от изследвания образец свойства като електропроводимост, АСМ може да сканира електронеутрални обекти.
Сканиращи зондови микроскопи позволяват МАНИПУЛАЦИЯ с нанообекти – тоест пренос на отделни атоми и позиционирането им в определена структура. През 1989 година Доналд Ейглер изписа абревиатурата ІВМ с атоми на ксенон. Освен подмазване към работодателя, операцията е дала доказателството, че манипулиране с отделни атоми е постижима задача.
Това ВЕЧЕ Е нанотехнология... почти.

3. Какво представляват нанотръбите?
Това са въглеродни съединения, наречени фулерени – нова алотрохна форма наред с графита и диаманта. Открити са през 1985 г. и откривателите им са грабнали Нобеловата премия през 1996 г.
Най-стабилната форма съдържа 60 въглеродни атома, разположени в шестоъгълници и петоъгълници, които образуват затворена мрежа. Всеки петоъгълник граничи само с шестоъгълници, всеки шестоъгълник има три съседа-петоъгълници и три съседа-шестоъгълника. Лесно е да се представи – погледнете обикновена футболна топка.
Кой казва, че футболът не бил интелектуална игра?!
1991 г. – японски професор описал нанотръбички – фулерени с брой въглеродни атоми над един милион. Диаметър – един нанометър, дължина – няколко десетки микрона. Повърхността се състои от шестоъгълници, образувани от въглеродни атоми, а от двете страни мрежата е “запечатана” с петоъгълници. Характеристиките на нанотръбичката са впечатляващи – голяма гъвкавост, здравина (50-100 пъти над стоманата при 6 пъти по-малка плътност), двойно по-голяма съпротивляемост на опън и натиск по дължина в сравнение с въглеродните моновлакна. Нишка с диаметър 1 милиметър издържа 20 тона товар.
За съжаление максималната постигната дължина на нанотръбичките (при това многослойни) от порядъка на милиметри – рекордът е половин сантиметър. Сред многото възможни употреби (кабел за космически лифт, изкуствени мускули и какво ли не друго) ще спомена само, че нанотръбичките са идеални игли за СЗМ (сканиращи зондови микроскопи), за които вече стана дума, че могат да преместват и подреждат атоми в зададени структури.

4. Начини за построяване на нанороботи:
Да си представим следната крайност – нанотехниката е изцяло механична. Нанокомпютрите са всъщност много прости устройства, подобни на едновремешните касови апарати със зъбни колелца. Единствената функция на нанокомпютъра е да прочита някаква програма (твърдо вградена в него, тогава самият той е програма, или сменяема, аналогична на цилиндър на латерна), като в резултат на това се задвижват негови лостове за предаване на механични сигнали по веригата изпълняващи асемблери. Източникът на енергия е гъвкава каучукоподбна молекула, която играе ролята на пружина. Налице е и устройство за самонавиване на тази пружина от външни сътресения (брауново топлинно движение на молекулите на средата). Всеки нанокомпютър (всъщност “четец”) е снабден с такава пружина, както и всеки асемблер. Полученият въображаем производствен комплекс ще прилича на тъкачни станове, управлявани механично и без нужда от външна намеса и контрол.
Какво следва от това? Именно “елементарността” на нанокомпютрите, които изобщо няма нужда да приличат на познатите ни РС-та. Тоест, те са изкуствени рибозоми, които строят зададен обект, като преди това очертават габаритите му с мрежа от асемблери. Значи – нанотехниката МОЖЕ да бъде простичка – в края на краищата на нея не й се възлагат задачите да оцелява като жив организъм, да еволюира и най-вече – да носи “товара” и паметта за собствената си еволюция. Може да започне “на чисто” и да имитира процесите в живите клетки в най-оптималния им и опростен, насочен само към изпълнението на поставената задача вариант.
Но ако ни харесва, можем да си представим наноробот с пълноценен бордови компютър от нанокомпоненти. Такава наномашина ще притежава почти неограничени възможности при дадени условия, енергия и суровина, а и е способна да се самокопира – сама си е репликатор, асемблер, дизасемблер и нанокомпютър. Теоретично размерите й са 1-2 микрона. Дали е “нано”?
Нано е. Робот-монтажник сглобява часовници и завива винтчета с диаметър под един милиметър, без да е съизмерим с тях – напротив, голям е колкото трикрилен гардероб (виждал съм подобен апарат преди 20 години). И този унисемблер може да е грамаден спрямо молекулите, но нищо не му пречи да притежава фини манипулатори, с помощта на които да захваща отделни атоми и молекули.

И така, начини за построяване на асемблери и нанокомпютри:
А) голяма машина строи свое малко по-дребно копие, копието строи свое още по-дребно подобие и след краен брой итерации стигаме до механизъм, който вече ще е способен да манипулира на молекулно равнище – най-вероятно тромаво и грубо. Именно той обаче ще построи първия асемблер. Стане ли това, грижата на самия асемблер да построи свои копия, фабрики за производството на други асемблери, както и по-добри модели управляващи нанокомпютри и системи за поиск на нужната програма-валяче за латерна в огромните (за неговите мащаби това са цели континенти!) полета на нанобиблиотеката.
Б) модифицирана рибозома строи според програма-синтетична РНК първата наномашина от диамант, която пък после вече се самоусъвършенства под контрол на конструкторите (а те може да са и системи за машинно проектиране, такива вече съществуват в производството на чипове). Най-подходящ материал за нанороботите според мен е кварцът, защото е термично по-устойчив и химически инертен. Ако наномашината е предназначена за работа в клетки на човешкия организъм, нищо не пречи да й се нанесе въглеродно покритие с диамантоидна структура, за да е биосъвместима.
В) Сглобяване на асемблер с помощта на СЗМ. Дори монтажът да отнеме седмици, достатъчно е да се направи само един наноробот. По команда на нанокомпютъра той ще сглоби свои копия, които ще вършат същото, докато не им се даде сигнал да спрат да се размножават (или вътрешният им брояч не ги изключи). В резултат се получава една производствена маса, която само чака да й се даде работа – ремонт на живи клетки, строеж на космически кораб с размерите на автомобил, синтез на храна от въглероден двуокис, азот и водни пари, възпроизвеждане на оригинала на Паисиевата история за личната ви библиотека... каквото ви хрумне.

5. Какво всъщност чухме в сряда на лекцията за нанотехнологиите в България?
Чухме един много интересен отчет за научна разработка, която е СТЪПКА към реализирането на нанотехнологии на асемблерна основа. Чухме как с макроинструменти и бълк-методи се постигат нанорезултати. Чухме и че няма принципни пречки да накараме една рибозома да ни произведе “универсален фермент”, един вид прототип на асемблер.
Цялата тази научна работа, представена ни от лектора, може да не доведе до никакви практически приложения – ако се осъществи построяването на асемблери, доставянето на лекарства в нанокапсули към болна клетка е безсмислено, защото нанороботите ще са в състояние директно да ремонтират увредената клетка по същия начин, по който се ремонтира катастрофирала кола. Ако клетката е ракова, дизасемблерите просто ще я разглобят и с това ще ликвидират заплахата за околните тъкани.
Но за да се проектира ефективен и универсален модел асемблер, конструкторите се нуждаят от информация за някои тънки ефекти на известните ни природни закони, които имат силно влияние върху нанообекти. По същия начин за нуждите на сегашните космически полети се използват уравненията на Кеплер, но ако ще подготвяме мисия до Алфа Центавър, задължително е да вземем под внимание релативистките ефекти, които ще се проявят при околосветлинната скорост на звездолета.
Ето това чухме – че нашата страна също дава своя принос в натрупването на теоретични знания, от които да кристализират (при това БУКВАЛНО!) първите асемблери и нанокомпютри. Чухме, че наноепохата се е приближила до нас с още една малка стъпка.
Изкачването на Фуджияма започва с малка крачка – твърдят японците.
Впрочем, “бащата” на термина нанотехнология е японец – Норо Танигучи през 1974 г.
За нещо повече по въпроса – вижте www.nanonewsnet.ru Там ще намерите доста интересни статии по въпроса, както и да прочетете книгата на Ерик Дрекслер “Engines of creation”. Върху нея подготвих реферат, вярвам, че вече е качен на сайта на клуба “Иван Ефремов”.
Благодаря за вниманието и търпението.

официално приетата дефиниция за нанотехнология е "нещо за чието функциониране/производство се изисква материален контрол (контрол над материала) на равнище нанометър".

цмос технологията тепърва се приближава, химията винаги е била там привидно, но всъщност не е, понеже там има брауново движение демек контрол няма, освен ако не става дума за кристалография и сплави - това вече е нанотехнология.
сканиращите електронни микроскопи не са нанотехнология, но е-beam литографията е, въпреки че технически са едно и същно нещо. (както и всяка друга литография която постига разделителна способност под 10 нанометра - ion beam milling i tn.).
сканиращо тунелните електронни микроскопи (СТМ) не са нанотехнология, но АФМ (атомно силова микроскопия) са, въпреки че физически/технически са почити едно и също нещо (електронно не са).
биохимията е нанотехнология само когато става дума за специфични сложни молекули - ДНК/РНК (тоест само със специфичен/определен код които се използва за нещо), молекулярни мотори (само aко транспортират нещо организирано или насочено тоест имат "шофьор"), и molecular imprints.
изследванията в/у ензими (където са по принцип и т.нар. "молекулярни мотори"), геноми, протеиноми и тн. не са нанотехнология.
хард дисковете са напът да станат нанотехнология, когато магнитните области където се съхранява всеки бит станат под 10 нанометра (до 10 години), последните прототипи се въртят около 30 (маи)

от друга страна тази дефиниция не се спазва от никои, понеже за получаването на финансиране за проекти (както в европа така и в УСА) думите "нано", "homeland security", и в по малка степен вече "лазер" и "bio" са абсолютно задължителни.
по тази причина проекти които правят мини роботи (2 сантиметра) с наи малък чаркалък от порядъка на стотици микрони минават за "нанотехнология" (по заглавие), а такива чиято краина цел е детектор 20 на 10 сантиметра са "микротехнология", като наи фрапиращи примери. едва ли има (технологичен) научен проект в днешно време които да не използва думата "нано" в заглавието си, дори и всъщност миниатюризацията да не е полезна в изследваната тема.

всеки които се занимава с "nano cantilever explosives detection by laser interferometry for homeland security" e осигурен с доживотно финансиране, за разлика от тези които правят "MEMS based mass-sensors", а това е едно и също нещо.
това как да е, но когато океанолози започнат да твърдят в резюметата си че изследването на китовата миграция помага за разбирането на социалните импулси при хората което от своя страна позволява разбиране в/у терористичния "импулс" което спомага за борбата с/у тероризма..е тогава вече има нещо гнило в дания.
друга (по широко използвана хватка) е да се изследва екология/биология/оеканология с помоща на "нано"сензори закачени за съответното животно вместо обички/тагове. от това науката по добра не става, но ключовата думичка "нано" вече спокоино може да фигурира в заглавието, дори и сензора да е 5 годишен радио чип с размери 2 на 2 сантиметра поръчан по интернет. (на които с маркер се написва номерче и се закача на рибата, наи вероятно :)

стара поговорка е, че само на проститутките и научните работници им се плаша да вършат каквото им е кеф.
в днешно време това все по често и по често се съкращава на "научните работници са проститутки", и представката "нано" наи-ясно го показва.


_____________________________
I find it offensive that you find it offensive
<P ID=&quot;edit&quot;><FONT class=&quot;small&quot;><EM>Редактирано от koroviev на 23.12.04 19:37.</EM></FONT></P>

Редактирано от koroviev на 23.12.04 19:42.

а към идеята на шаркан за използване на енергията на брауновото движение - що ми се струва че термодинамиката забранява такива далавери?
ще се опитам да го обясня механистично:
за да навиеш пружина с брауново движение ти трябва диод, механична контра, клапан или какъвто там си избереш НЕОБРАТИМ във времето НЕЛИНЕЕН елемент. за да е необратим един елемент, то той трябва да работи на термодинамичен принцип, защото фундаменталните физични закони са обратими във времето (t - инвариантни). но щом работи на термодинамичен принцип, то той ще има област на работа за енергии многократно по-големи от kT (k - константа на болцман). от друга страна енергията на брауновото движение на частицата е съизмерима с kT, което означава че нелинейния елемент няма да се държи нелинейно спрямо нея. с една дума - ако си направиш нещо като контра за отверка (ония които чаткат в едната посока, а заклинват в другата) и сложиш пружина зад нея, и всичко това го намалиш до там, че брауновите частици да могат да навиват пружината, то за твое разочарование ще се окаже че контрата пуска на обратно и пружината се развива, отдавайки енергията си на околната среда.




NE SUTOR ULTRA CREPIDAM

P&rvo - dobre dosh&l na Sharkan obratno v&v foruma! I blagodarja za interesnata statija.

Izpolzvaneto na energijata na braunoto dvizhenie ne e zabranena ot nikaka&v zakon - dokato temperaturata na izpolzvanite chastici en padne do absoliutnata nula. Mozhem da si predstavim taka zahranvaneto na nanomashina - slagame ja na pripek i tja si raboti. Ili ja slagame v&v fokusa na otrazhatel (t.e. teleskop) i go nasochvame k&m sl&nceto.

A mashinata za kojato govorish ja e izmislil oshte Maksuel i se kazva Demon. :) Naisitna, do tehnologicha realizacija ima dosta vreme i nikoj ne e nachertal otverkata, no da se andjavame, che shte se stigne do tam.

всъщност забранено е от принципа на неопределноста на хаизенберг (и от 2рия закон на термодинамиката разбира се - не можеш да получаваш енергия от топлина без да има поток на топлина от горещо към студено):

за да разбереш кои са бързите частици и кои са бавните трябва първо да имаш някво взаимодеиствие с тях (фотон да ги удари, да се отрази, да падне в лещата и оттам в окото ти..например :). ако имаш интеракция с тях обменяш енергия с тях, тоест точиш от тях (идеята е да не внасяш енергия в системата а обратно - да точиш). колкото по точно определяш енергията на частиците толкова повече трябва да източиш от нея (демек да я загубиш)- демек баланса винаги е там където и от двете страни на преградата частиците са еднакво бързи, независимо как е имплементирана физически преградата, вратички на пружинки или квото и да е.
_____________________________
I find it offensive that you find it offensive

Редактирано от koroviev на 24.12.04 00:52.

не е забранено от принципа за неопределеност, поне по две причини - едната е че частиците чай са доста едри и можеш спокойно да ги мериш, без да им даваш допълнително енергия. абстрактно погледнато - от частицата можеш да получиш енергия която е пропорционална на температурата величина, а за виждането и ти трябва енергия, обратнопропорционална на размера на частицата. очевидно е че съществуват такива температури и такива размери, за които ще можеш да видиш частицата с много по-малко енергия, отколкото носи тя.
втората причина: няма нужда да виждаш частиците. ако беше демон на максуел, да, ама тук говорим за друго устройство. демона на максуел подбира по-горещите частици, а тук ние не подбираме. всички удрят някакво бутало да речем, после някакъв еднопосочен елемент пренася удара към пружината, а не позволява натиска на пружината да се върне в буталото. принципа е съвсем различен, макар че цели същото - да обърне топлината в конвертируема енергия, или казано накратко вечен двигател от втори род.




NE SUTOR ULTRA CREPIDAM

първо, демона на максуел се различава по принцип на действие, макар че има същата цел. второ, демона на максуел е невъзможен, той е абстрактен мисловен експеримент, измислен навремето си като парадокс. причината да е невъзможен: демона на максуел е също необратим нелинеен елемент, което означава че не би могъл да е в термодинамично равновесие с частиците които обработва.
ВСЕКИ кибернетичен елемент е необратим и нелинеен. защо? най-просто доказателство - той трупа спомени от минало към бъдеще. още едно искаш ли? реакцията му е проводима от сензорите към мускулите. това веднага означава че е термодинамичен, а това веднага означава че има долен праг на ефективност на реакцията енергията kT, а това веднага означава че не може да борави с обекти с енергия близка до тази, каквито са молекулите.
ще ти дам пример - ако обекта е достатъчно голям за да го видиш, то той ще е твърде бавен за да го прецениш. ако е достатъчно бърз за да го прецениш, ще е твърде малък за да го видиш. и това не е някакъв технически недостатък, а фундаментален закон. ние можем да играем демони на максуел, ако газа представлява камъни в безтегловност, които се топат в някакъв контейнер. да сметнем обаче температурата на такъв газ. да речем камъните тежат по 100 грама и се носят с около метър в секунда. колко е това? енергия 0.1 джаул или температура 0.1/1.38Е-23=7Е21, това са седем хилиади милиарда милиарда градуса! ясно ти е че ние не сме в термодинамично равновесие със тях. системата ще работи, докато температурата ни се изравни. същото ще стане и със роботите, а те ще се загреят до околна температура много бързо, заради малкия си размер.




NE SUTOR ULTRA CREPIDAM

е, ставаше дума за молекули - поне при демона намаксуел.
а брауновото движение (на по големи частици) не може от него да се точи енергия - там нали движението зависи от топлината на средата - дори и да отделя настрани бърза частица - тя вече няма да е бърза, понеже няма да е на същото място където бързи молекули са я удряли. частицата сама по себе си е вид детектор, тя енергия не носи?!е,носи, щото самата тя е топла, но постъпателно не се движи в зависимост от собствената си топлина - не може сама да се сортира някъде.

"виждането" е условно казано. ставаше дума за взаимодеиствие (където е и виждането) взаимодеиствието капаче с пружинка в/у молекула пак си е въздеиствие. колко енергия трава да се предаде на пружинката за да се отвори така че молекулата да влезе вътре? и някъв импулс, щом е тръгнало капачето да се отваря?

както и да го гледаш - има ли взаимодеиствие с нещо неподвижно - значи импулс се губи. то разбира се може да не е неподвижно, но тогава пък вкарваш енергия в системата че после да си е вземаш обратно - все тая, пък и точноста намалява.
а без взаимодеиствие - не може да се разграничат бързи от бавни частици (молекули, електрони, квито ще да бъдат стига да се явяват носители на топлина).

инъче законите на термодинамиката са емпирични закони които в различните случаи се свеждат до различни физични закони (като тяхна причина). в случая подземния закон в деиствие (които запазва термодинамиката) е принципа на неопределеноста. според мен, разбира се
_____________________________
I find it offensive that you find it offensive

Редактирано от koroviev на 24.12.04 11:52.

Здрасти и тук.
Термодинамично е забранено, на защо се хващаш за думата. Могат да бъдат построени машини извличащи енергия от термодинамична система намираща се в равновесие, при температура по висока от абсолютната нула и то макромашини. Да кажем да се използват флуктуациите в системата или улавя излъчването породено от движещите се молекулни диполи.
Примера на Шаркан действително е неудачен, но могат да се използват други принципи за задвижване на наномашините, аз лично бих предпочелпружини задържани в напрегнато състояние от въглероден атом, който при окисление изпуска пружината.

Всяка прилика с действителни лица и събития е умишлена и целенасочена

не, подземния закон е закона на статистиката. термодинамиката не е емпирична, извежда се статистически. термодинамиката е валидна, дори когато частиците на газа са звезди в звезден куп.




NE SUTOR ULTRA CREPIDAM