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Nanotechnologie

Nanotechnologie

Jede menschliche Aktivität, die für die Mehrheit unverständlich ist, wird sofort von Mythen überwältigt. Dies betraf natürlich auch die Nanotechnologie - das wichtigste moderne wissenschaftliche und technologische Projekt. Jeder hat davon gehört, aber nur wenige stellen sich das Wesentliche der Richtung vor.

Die meisten glauben, dass Nanotechnologie die Manipulation von Atomen und die Anordnung von Mikroobjekten aus ihnen ist. Aber das ist der Hauptmythos. Mythen entstehen aus Mangel an Wissen oder Informationen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, absichtlich Wahnvorstellungen zu pflanzen, um Aufmerksamkeit und damit Investitionen zu erregen.

Im Fall des Nanotechnologieprojekts haben die Mythen sogar dazu beigetragen, den Prozess anzukurbeln. Wahnvorstellungen haben jedoch eine überraschende Qualität - wenn sie geboren werden, leben sie ihr Leben weiter.

Echte Nanotechnologie widerspricht Mythen so sehr, dass sie Verwirrung in den Köpfen der Menschen hervorruft, sie ablehnt und sogar die Existenz dieser Richtung im Allgemeinen leugnet. Daher werden wir die wichtigsten Mythen über die Nanotechnologie betrachten.

Der Gründer und Ideologe der Nanotechnologie ist Richard Feynman. Dieser Mythos ist vielleicht der harmloseste. Es entstand 1992 während einer Rede eines der Propheten der Nanotechnologie, Eric Drexler, vor der Senatskommission. Um das Projekt wahrzunehmen und zu fördern, verwies der Vortragende auf die Aussagen von Richard Feynman, einem Experten auf dem Gebiet der Teilchenphysik und der Quantenfeldtheorie. Tatsache ist, dass der Wissenschaftler ein Nobelpreisträger und in den Augen der Politiker eine unerschütterliche Autorität war. Feynman starb jedoch 1988 und konnte diese Aussage nicht widerlegen. Höchstwahrscheinlich hätte er nur gelacht, da er ein berühmter Joker war. Die berühmte Rede des Wissenschaftlers, in der der legendäre Satz ausgesprochen wurde: "Die Prinzipien der Physik, die wir kennen, verbieten nicht die Schaffung von Objekten" Atom für Atom ", wurde von Kollegen im Allgemeinen als ein großer Witz verstanden. Die Idee, dass die Manipulation von Atomen möglich ist, klang jedoch. entwickelte kreativ diese Idee, die die Grundlage der wichtigsten Mythen der Branche bildete.

Die Nanotechnologie ist abfallfrei. Es scheint, dass es keine Verschwendung geben kann, ein Objekt Atom für Atom zu erschaffen. Dieses Denken ist jedoch Menschen eigen, die die Manipulation von Atomen nur in Bildern betrachten. Es gibt keine Pfeifen oder Abflüsse. Es scheint, dass zum Ziehen eines Atoms über eine Entfernung von Nanometern fast keine Energie benötigt wird. Die Frage, woher das Atom überhaupt zum Zusammenbau kommt, ist fast unanständig. Die meisten Menschen haben wenig Ahnung von der Technologie der Produktion, aber Atome liegen nicht in einem Lagerhaus und warten darauf, dass sie an die Reihe kommen? Wenn wir Industriegüter konsumieren, konzentrieren wir uns nicht auf deren Verbindung mit einer solch schädlichen chemischen Industrie. Sie verbraucht Öl, Gas und Erze für ihre Bedürfnisse. Für die Nanotechnologie ist dies nach Meinung vieler jedoch nicht erforderlich - es werden nur einzelne Atome benötigt. Dies ist jedoch nur eine Idylle, Atome selbst existieren mit Ausnahme von Inertgasen nur im Vakuum. In anderen Fällen interagieren sie und bilden neue chemische Verbindungen - das liegt in der Natur der Sache. Darüber hinaus erfordert jede Technologie geeignete Werkzeuge, mit deren Hilfe die Produktion durchgeführt wird. Kraftmikroskope und Tunnelmikroskope, sterile Labors im Allgemeinen, verwirren die Vorstellungskraft als Objekte der Zukunft. All dies wird jedoch wie die Wände, das Dach und das Fundament auf die übliche Weise zusammengesetzt und nicht aus abfallfreien Atomen. Eines Tages kann die Menschheit eine abfallfreie und umweltfreundliche Produktion schaffen, aber sie wird mit einer anderen Technik und nach anderen Prinzipien geschaffen.

Die Existenz von Nanomaschinen. Anfangs ging es um eine andere Technik. Für das Design im Nanobereich ist natürlich ein geeigneter Manipulator erforderlich. Es scheint möglich zu sein, ihre Größe proportional zu reduzieren, indem Miniaturfabriken organisiert werden, in denen Teile gebohrt und gestempelt werden. Dieser Ansatz ist jedoch unkompliziert. Auf Mikroebene funktioniert es immer noch und besteht aus mikroelektromechanischen Geräten, die in Autos, Druckern, Klimaanlagen, Sensoren und Anzeigen verwendet werden. Wenn Sie sie unter einem Mikroskop betrachten, finden Sie die üblichen Wellen und Zahnräder, Kolben, Ventile und Spiegel. Nanoobjekte haben jedoch Eigenschaften, die sich von Makro- und Mikroobjekten unterscheiden. Das kannst du nicht. Reduzieren Sie beispielsweise die Größe der Transistoren proportional von 45 nm auf 10 nm, da sie nicht arbeiten können - Elektronen beginnen durch die Isolatorschicht zu tunneln. Und die Verbindungsdrähte können nicht so dick wie ein Atom sein, der Strom wird nicht durch sie geleitet. Eine solche Struktur zerfällt entweder aufgrund thermischer Bewegung oder sammelt sich in einem Haufen und unterbricht den elektrischen Kontakt. Ebenso mit den mechanischen Eigenschaften von Objekten. Mit abnehmender Größe nimmt das Verhältnis von Fläche zu Volumen zu und die Reibung zu. Infolgedessen haften Nanoobjekte buchstäblich aneinander oder an anderen Oberflächen, die aufgrund ihrer Kleinheit flach erscheinen. Wenn Sie auf einer vertikalen Wand gehen müssen, dies jedoch nützlich sein kann, das Gerät jedoch rutschen oder gehen muss, ist das Gegenteil der Fall. Es braucht zu viel Energie, um sich zu bewegen. Sogar das Nano-Pendel stoppt sofort - die Luft selbst wird zu einem bedeutenden Hindernis für sie. Nanoobjekte haben eine hohe Luftströmung, selbst ein Teilchen von 1 Mikron Größe spürt die Kraft des Aufpralls kleiner Moleküle. Was können wir über Elemente von 10 nm sagen, die eine Million Mal weniger wiegen und das Verhältnis von Gewicht zu Fläche 100 Mal weniger ist? In den Medien gibt es jedoch ständig Beschreibungen von Nanokopien von Muttern, Zahnrädern und anderen mechanischen Teilen, aus denen Betriebsmaschinen hergestellt werden sollen. Diese Projekte können nicht ernst genommen werden. Physiker erkennen, dass die Herstellung nanomechanischer oder elektromechanischer Geräte andere Prinzipien erfordert als Makro- und sogar Mikroanaloga. Und die Natur wird dabei helfen, was über Milliarden von Jahren der Evolution eine große Vielfalt molekularer Maschinen hervorgebracht hat. Es dauert Jahrzehnte, um herauszufinden, wie sie funktionieren, wie sie an Ihre Bedürfnisse angepasst und sogar verbessert werden können. Das bekannteste Beispiel für einen natürlichen molekularen Motor ist der bakterielle Flagellenmotor. Biologische Maschinen bieten auch Muskelkontraktion, Nährstofftransport und Ionentransport durch Zellmembranen. Darüber hinaus weisen solche molekularen Maschinen einen hohen Wirkungsgrad auf - fast 100%. Sie sind sehr wirtschaftlich, da nur etwa 1% der Energie der Zelle für den Betrieb der Elektromotoren aufgewendet wird, die die Bewegung der Zelle sicherstellen. Daher kommen Wissenschaftler zu dem Schluss, dass der realistischste Weg zur Herstellung von Nanogeräten die Zusammenarbeit von Physikern und Biologen ist.

Die Existenz von Nanorobotern. Angenommen, eine Skizze eines Nanogeräts wird erstellt. Aber wie kann man es sammeln oder besser in mehreren Exemplaren? Nach der Logik von Feynman können Sie winzige Maschinen und Miniaturmanipulatoren erstellen, mit denen fertige Produkte zusammengesetzt werden. Sie müssen jedoch von einer Person verwaltet werden, es muss eine Art Ausrüstung oder ein Programm zur Kontrolle vorhanden sein. Zusätzlich müssen alle Prozesse beispielsweise mit einem Mikroskop beobachtet werden. Eine alternative Idee wurde von Eric Drexler in seinem Fantasy-Buch Machines of Creation von 1986 vorgeschlagen. Der Autor, der mit den Arbeiten von Azimov aufgewachsen war, schlug vor, mechanische Maschinen mit einer Größe von 100-200 nm - Nanoroboter - zur Herstellung von Nanogeräten zu verwenden. Gleichzeitig ging es nicht mehr um Stanzen oder Bohren, Roboter mussten ein Gerät sofort aus Atomen zusammenbauen, sie wurden Assembler genannt. Aber auch hier blieb der Ansatz mechanisch. Die Manipulatoren des Assemblers sollten mehrere zehn Nanometer lang sein, ein Motor zum Bewegen des Roboters und eine autonome Energiequelle sollten implementiert werden. Es stellt sich also heraus, dass der Nanoroboter selbst aus vielen kleinen Teilen bestehen muss, von denen jeder 100 bis 200 Atome groß ist. Die wichtigste Einheit des Nanoroboters war der Bordcomputer, der festlegte, welches Molekül oder Atom eingefangen werden sollte und wo es platziert werden sollte. Die linearen Abmessungen eines solchen Computers sollten jedoch 40-50 nm nicht überschreiten, während die heutige Technologie nur einen Transistor dieser Größe erzeugen kann. Dann richtete Drexler das Buch an die ferne Zukunft, damals hatten Wissenschaftler noch nicht einmal die Möglichkeit bestätigt, einzelne Atome zu manipulieren. Dies geschah später, als ein Tunnelmikroskop erstellt wurde, das von einem leistungsstarken Computer mit Milliarden von Transistoren gesteuert wurde. Der Traum von Nanorobotern war jedoch so verlockend, dass die Entdeckung nur zu seiner Glaubwürdigkeit beitrug. Nicht nur der Autor selbst glaubte an das Projekt, sondern auch Journalisten, Senatoren und die Öffentlichkeit. Und nur Wissenschaftler haben klar erklärt, dass eine solche Idee im Prinzip nicht realisierbar ist. Die einfachste Erklärung ist, dass der Manipulator, der das Atom eingefangen hat, sich für immer mit ihm verbindet, da eine chemische Wechselwirkung stattfindet. Kann man dem Nobelpreisträger für Chemie Richard Smalley nicht zustimmen? Die Idee der Nanoroboter lebt jedoch bis heute weiter, wird komplexer und gewinnt neue Anwendungen.

Die Existenz medizinischer Nanoroboter. Dieser Mythos ist in letzter Zeit sehr beliebt - Millionen von Nanorobotern sollten im menschlichen Körper herumtollen, Veränderungen diagnostizieren, mit Hilfe von Nanoskalpellen kleinste Ausfälle reparieren, Plaques mit Nanoskopen abkratzen und irgendwo über die geleistete Arbeit berichten. Wo sind jedoch die Garantien, dass die Nachricht nicht nur vom Arzt, sondern auch von jemandem außerhalb empfangen wird? Die Offenlegung privater Informationen ist offensichtlich. Werden Roboter dann zu Spionen? Darüber hinaus ist der Glaube an Nanospies stark. Überraschenderweise wurde vieles, was in diesem Plan vorgestellt wird, bereits erstellt. Es gibt invasive Diagnosesysteme, die Veränderungen im Körper melden. Es wurden auch Medikamente entwickelt, die nur auf bestimmte Zellen wirken, und es gibt auch Systeme zum Reinigen von Blutgefäßen von Plaques und zum Aufbau von Knochengewebe. Und in Bezug auf Spionage gibt es große Erfolge - das Löschen von Erinnerungen, "intelligenten" Staub und unsichtbare Verfolgungssysteme. Nur diese Systeme der Zukunft haben außer ihrer Größe nichts mit Drexler-Nanorobotern zu tun. Solche Erfolge werden durch die gemeinsame Arbeit von Physikern, Chemikern und Biologen auf dem Gebiet der synthetischen Wissenschaft und der Nanotechnologie möglich.

Das Vorhandensein einer physikalischen Methode zur Synthese von Substanzen. Es war einmal, als Richard Feynman unwissentlich einen alten Traum von Physikern verriet und sagte, dass physikalische Synthese bei der Manipulation von Atomen möglich ist. Ebenso wenden sich Chemiker an Physiker mit Befehlen zur Synthese eines Zielmoleküls mit spezifischen Eigenschaften. Chemiker sind jedoch nicht an der Synthese eines Moleküls interessiert, sondern arbeiten mit einer Substanz, ihrer Herstellung und Umwandlung. Ein Molekül ist nicht nur eine Gruppe von Atomen, die in einer bestimmten Reihenfolge angeordnet sind, sondern auch durch chemische Bindungen verbunden sind. Schließlich ist eine Flüssigkeit, in der sich ein Sauerstoff für zwei Wasserstoffatome befindet, nicht unbedingt Wasser. Vielleicht ist es nur eine Mischung aus flüssigem Sauerstoff und Wasserstoff. Nehmen wir an, Sie haben es geschafft, acht Atome zusammenzusetzen - zwei Kohlenstoff- und sechs Wasserstoffatome. Für einen Physiker ist diese Verbindung C2H6, und ein Chemiker gibt mindestens zwei weitere Möglichkeiten an, Atome zu kombinieren. Und wie kann ein solches Molekül zusammengesetzt werden? Bewegen Sie zuerst zwei Kohlenstoffatome oder fügen Sie dem Kohlenstoff ein Wasserstoffatom hinzu? Wissenschaftler wissen, wie man Atome manipuliert, aber bisher nur schwer und unreaktiv. Aus Atomen von Gold, Eisen und Xenon wurden komplexe Strukturen geschaffen. Wie man jedoch mit leichten und aktiven Atomen von Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlenstoff und Stickstoff arbeitet, ist unklar. Daher ist der Aufbau von Proteinen und Nukleinsäuren nicht so einfach, wie sich viele vorstellen wollen. Es gibt noch eine Nuance, die die Aussichten für die physikalische Synthese einschränkt. Chemiker erhalten eine Substanz, in der sich eine Vielzahl von Molekülen befindet. Es gibt Milliarden von Milliarden von ihnen in einem Milliliter Wasser. Wie lange wird es dauern, einen solchen Würfel atomar zusammenzusetzen? Jetzt ist die Arbeit an einer Atomkraft oder einem Tunnelmikroskop kunstähnlich, man kann nicht auf eine spezielle, qualitativ hochwertige Ausbildung verzichten - schließlich müssen alle Manipulationen manuell durchgeführt werden, um Zwischenergebnisse auszuwerten. Der Prozess kann mit dem Verlegen eines Ziegels verglichen werden. Selbst wenn Sie solche Arbeiten mechanisieren und eine Million Atome pro Sekunde stapeln können, dauert es zwei Milliarden Jahre, um einen 1 cm3 großen Wasserwürfel zu reproduzieren! Deshalb werden Millionen von Fabriken das Problem der Synthese nicht lösen, so wie eine Million Nanoroboter, die in einem Menschen herum huschen, seine Probleme nicht lösen werden. Wir haben einfach nicht genug Leben, um auf die Ergebnisse ihrer Arbeit zu warten. Deshalb forderte Richard Smalley Drexler öffentlich auf, die Erwähnung von "Schöpfungsmaschinen" aus seinen Reden zu streichen, um die Öffentlichkeit nicht irrezuführen. Die Idee, einen solchen Stoff und solche Materialien zu erhalten, sollte jedoch nicht sofort aufgegeben werden. Zunächst können nicht Atome manipuliert werden, sondern viel größere Blöcke, beispielsweise Kohlenstoffnanoröhren. In diesem Fall verschwindet das Problem von Licht und aktiven Atomen und die Produktivität steigt sofort um mehrere Größenordnungen. So erhalten Wissenschaftler in Laboratorien bereits heute die einfachsten und einfachsten Kopien von Nanogeräten. Darüber hinaus kann man sich solche Situationen einfallen lassen, in denen die Einführung eines Atoms oder einfach ein Aufprall von außen den Prozess der Selbstorganisation oder der Transformation in der Umwelt auslöst. Infolgedessen können hochpräzises Scannen der Oberfläche und wiederholte Belichtung dazu beitragen, erweiterte Objekte mit einer regelmäßigen Nanostruktur zu erstellen. Mit dieser Methode können eindeutige Beispielvorlagen für das weitere Klonen erstellt werden. Die Natur weiß, wie man mehrere identische Klone von Molekülen und Organismen erzeugt. Viele haben von der Polymerasereaktion gehört, bei der ein einzelnes Stück DNA, das aus biologischem Material extrahiert wurde, mit chemischen Mitteln künstlich multipliziert wird. Aber warum nicht ähnliche Maschinen erstellen, um andere Moleküle zu klonen? Die bekannten Prinzipien der Chemie verbieten dies nicht, die Reproduktion von Molekülen ist durchaus real und entspricht den Naturgesetzen.

Möglichkeit des Auftretens von "grauem Schleim". In seinen Arbeiten führte Drexler zwei Arten von Geräten in das Konzept ein. Die ersten sind Parser, deren Funktionen auf Kollektoren umgekehrt sind. Solche Mechanismen sollten die Struktur eines neuen Objekts untersuchen und seine atomare Struktur im Gedächtnis des Nanocomputers bewahren. Ein solches Gerät wäre ein Traum von Chemikern - schließlich kann die Wissenschaft bis jetzt nicht alle Atome beispielsweise in einem Protein sehen. Eine genaue Bestimmung der Struktur eines Moleküls ist nur möglich, wenn es zusammen mit Millionen ähnlicher Kristalle in der Zusammensetzung eines Kristalls enthalten ist. Mit der teuren Methode der Röntgenstrukturanalyse können Sie dann die Position aller Atome im Raum bestimmen. Der zweite Typ waren die Ersteller oder Replikatoren. Ihre Hauptaufgabe bestand darin, sowohl Kollektoren als auch Replikatoren ihrer Art kontinuierlich zu produzieren, dh Nanoroboter zu reproduzieren. Drexler schlug vor, dass Replikatoren viel komplexere Mechanismen als einfache Assembler sein müssen und aus Hunderten von Millionen Atomen bestehen müssen. Wenn die Replikationsdauer in Minuten gemessen wird, werden nach einem geometrischen Verlauf mehr als Billionen neue Schöpfer pro Tag neu erstellt, die neue Sammler produzieren. Dieser Mythos besagt, dass es möglich ist, dass eine Situation entsteht, in der das System nur auf einen Modus des ungehemmten Klonens umschaltet und die gesamte Aktivität von Replikatoren nur auf die Erhöhung der eigenen Population abzielt. Es wird wie eine Art Aufruhr von Nanomaschinen aussehen.Es scheint, dass Nanoroboter für ihre eigene Konstruktion nur Atome benötigen, die aus der Umwelt gewonnen werden können, sodass alles um sie herum in die zähen Manipulatoren der Demontagefirmen fällt, was zur Folge hat, dass alle Materie auf dem Planeten und damit zu "grauem Schleim" - einem Cluster von Nanorobotern - werden. Der Mythos vom Ende der Welt ist nicht neu, kein Wunder, dass er mit dieser neuen Technologie wieder aufgetaucht ist. Fantasien über graue Gänsehaut stehen in direktem Zusammenhang mit der Nanotechnologie. Dieses Szenario ist sehr beliebt bei Filmemachern und verstärkt nur das allgemeine Missverständnis. Ein solcher Ablauf ist jedoch nicht möglich. Auch wenn Sie immer noch an die Möglichkeit glauben, etwas Wesentliches aus Atomen zusammenzusetzen, denken Sie darüber nach. Erstens haben Drexler-Replikatoren nicht die Komplexität, ihre eigene Art zu erstellen. Selbst 100 Millionen Atome reichen nicht aus, um einen Computer zur Steuerung der Baugruppe und sogar einen Speicher zu erstellen. Selbst wenn wir davon ausgehen, dass 1 Atom 1 Bit Information enthält, beträgt die Gesamtspeichermenge 12,5 Megabyte, was für diese Aktivität zu klein ist. Außerdem können Replikatoren nicht die benötigten Rohstoffe erhalten. Schließlich unterscheidet sich ihre Elementzusammensetzung deutlich von der der Umwelt, einschließlich der Biomasse. Es braucht viel Zeit und Energie, um die notwendigen Elemente zu finden, zu liefern und zu extrahieren, und dies bestimmt die Reproduktionsrate. In Makrodimensionen ähnelt eine solche Baugruppe der Erstellung einer Werkzeugmaschine aus Elementen, die noch von verschiedenen Planeten des Sonnensystems gefunden, abgebaut und geliefert werden müssen. Der Mangel an Ressourcen begrenzt daher auch die ungehemmte Ausbreitung der Populationen anderer Kreaturen, die noch perfekter und angepasster sind als Nanoroboter.

Bis 2015 wird sich der Markt für Nanotechnologie auf Billionen Dollar belaufen. Der Grund für die Entstehung eines solchen Mythos war ein Bericht der National Science Foundation (NSF) aus dem Jahr 2001, wonach der Markt für Nanotechnologie bis 2015 einen Wert von Billionen Dollar haben wird. Später wurde diese Aussage noch mehr überschätzt, die Rekordschätzung liegt heute bei 3 Billionen Dollar. Solche auffälligen Zahlen sind jedoch eher Boulevard-Schlagzeilen als ernsthafte Marktforschung. Experten können heute nicht einmal klar definieren, was Nanotechnologie ist. Die Mikroelektronik ist also bereits auf dem Weg zur Nanoelektronik, da die Struktur elektronischer Schaltkreise bereits die 100-nm-Grenze überschritten hat. Dementsprechend wird die Zahl der Unternehmen, die "Nanoprodukte" herstellen, rasch zunehmen. Sie werden zwar sehr bekannte Namen haben - Toshiba, GE, Nokia, Bayer, Kraft usw. Ihre Produkte könnten als evolutionäre Nanotechnologie eingestuft werden. Es ist jedoch schwierig, den Markt für revolutionäre Nanotechnologie, die Geräte Atom für Atom zusammenbauen will, genau zu bewerten, und dementsprechend kann es keine verständlichen Schätzungen geben. Darüber hinaus schätzt die Marktforschung nicht den Wert eines echten nanotechnologischen Prozesses, Produkts oder Materials. Es werden nur die Gesamtkosten der Produkte berechnet, einschließlich der Nanotechnologie. Dies ist ein subtiler Unterschied und führt zu Milliarden von Dollar bei der Berichterstattung. Die Schätzung von Lux Research schätzt den Nettomarkt für Nanomaterialien bis 2010 auf 3,6 Milliarden US-Dollar, während das gesamte Volumen des Marktes für Nanotechnologie auf 1,5 Billionen US-Dollar geschätzt wird! Das heißt, es wird nicht der Markt für Nanotechnologie bewertet, sondern der Markt für Produkte, die Nanopartikel enthalten. Dieselbe NSF behauptete, dass mehr als 200 Millionen Menschen in der Nanoindustrie beschäftigt sein würden. Diese Zahlen erklangen in Berichten und in Zuschussanträgen. 8-10 Jahre nach dem Bericht stellte sich jedoch heraus, dass die Nanotechnologieindustrie trotz der großen Anzahl von Forschungsgruppen in verschiedenen Bereichen praktisch nicht existiert.

Schau das Video: Nanotechnology, Creation and God. Prof Russell Cowburn. TEDxStHelier (Oktober 2020).