Авторы книги приглашают читателя погрузиться в бесконечно малое, чтобы, донырнув до самого «дна», развлечься игрой с одиночными атомами или отдельными молекулами. У всех нас нет никакого опыта обращения с такими объектами, как с разрозненными единицами: уж слишком они малы, чтобы перебирать их поодиночке. В самом деле, каковы размеры атома? Их приходится измерять в десятимиллиардных долях метра, то есть в десятимиллионных долях миллиметра. А как должен вырасти атом, чтобы мы, скажем, или вы, наш читатель, стали величиной с планету? Так вот, тогда атом был бы шариком с диаметром в миллиметр. А если бы он стал величиной с комнату, то мы или вы доставали бы головой до Солнца. Атом столь мал, что его нельзя увидеть не только невооруженным глазом, но и в любой самый мощный оптический микроскоп.

Однако в 1981 году ученые изобрели микроскоп нового типа, работавший на основе туннельного эффекта. Этот новый прибор позволял выводить изображения одиночных молекул и атомов на экран компьютерного монитора. Справедливости ради стоит упомянуть, что первые изображения атомов на люминесцентных экранах электронно-лучевых трубок были получены много раньше, еще в 1950-е годы, на так называемых «электронных» микроскопах. Однако туннельный микроскоп отличался тем, что с его помощью можно было не только увидеть атом, но и «дотронуться» до него — и даже, надавив на атом малюсенькой иголочкой, переместить его туда, куда вам заблагорассудится. Обыкновенно, когда вы трогаете какую-то вещь, миллиарды атомов ваших пальцев входят «в соприкосновение» с миллиардами ее атомов. Но игла туннельного микроскопа настолько тонка, что способна прикоснуться только к одному атому. Значит, если дотронуться сначала до одного атома, потом той же иглой придвинуть к этому атому еще один, потом еще один и так далее, то за некоторое время и через некоторое количество шагов можно получить небывалые сочетания атомов, в том числе и сильно непохожие своей «архитектурой» на те атомные скопления, которые встречаются в «обычной», нетронутой человеком, природе. Иначе говоря, эта игла оказывается продолжением пальцев ученого или инженера.

Так что туннельный микроскоп вносит существенные перемены — или некоторую сумятицу — в наши взаимоотношения с веществом, с материей. Он превращается в рабочий инструмент, «орудие физического труда», и тогда становится возможным совершенно новый технологический подход: обращение с атомами как с кирпичами и созидание из атомов все более величественных сооружений, только не по камешку или кирпичику, а атом за атомом. Вплоть до построения крошечной машины, которая, однако, будет способна работать примерно так же, как и механизмы привычных нам размеров. Причем этот новый подход к конструированию аппаратуры по праву можно назвать восходящим — по направлению он уж точно противоположен давно привычной миниатюризации.

Представим себе, например, что мы построили куб в миллион раз меньший песчинки, с ребром длиной примерно в один нанометр, то есть в миллиардную долю метра. Чтобы соорудить такой нанокуб, понадобится примерно шестьдесят атомов. И это возможно при помощи туннельного микроскопа и «нанотехнологии» — так называют «восходящее» созидание из отдельных атомов: атом приставляется к атому, потом на них ставится еще один и так далее, пока не будет получен желанный результат. Прибегнув к более привычному «нисходящему» созиданию, то есть миниатюризации, можно получить тот же нанокуб — достаточно убрать из кубика с ребром в один сантиметр сто миллиардов миллиардов атомов. Всего-то.

Следовательно, нанотехнология, по сути дела, есть способ (еще один) сбережения материальных ресурсов. Со временем, однако, определение нанотехнологии стало более гибким или, лучше сказать, расплывчатым: теперь уже чаще говорят не о нанотехнологии, но о нанотехнологиях, и это множественное число объемлет не только умение манипулировать материей, передвигая атом за атомом, но и все прочие приемы, позволяющие создавать объекты с точностью, измеряемой нанометрами, пусть даже в производственном процессе задействованы не считаные единицы, а многие миллионы и миллиарды атомов.

Но как же это нас угораздило, начав с нанотехнологии как таковой, то есть с разработки все новых и новых приемов манипуляции одиночными атомами, оказаться перед такой грудой или кучей нанотехнологий, сыплющихся в наши дни как из рога изобилия или мешка Деда Мороза? Об этом пойдет речь в первой главе, где будет рассказано о невероятной, невообразимо запутанной политической операции, которая представляла собой беспорядочную череду стычек, боев и затяжных сражений за влияние, деньги и победу над соперниками. Однако эта небезболезненная суета за несколько лет вернула все к исходной точке, на круги своя, обратившись к нанотехнологии в ее первичном значении или скорее наброске такового. Нынешние нанотехнологии основываются на тех же технологических принципах, которые существовали и до изобретения туннельного микроскопа, но доводят миниатюризацию до предела, когда волей-неволей приходится измерять допуски и посадки в нанометрах. Уже вполне обычными кажутся устройства с габаритами в десятки нанометров, а это значит, что речь идет о немногих тысячах атомов. О таких малюсеньких чудесах рассказывает глава 2, в которой прослеживается захватывающая история миниатюризации, изобиловавшая многими драматичными приключениями; особое внимание будет уделено путеводным вехам процесса, который часто путают, напрасно и ошибочно, с нанотехнологией.

Изложение истории собственно нанотехнологии начнется с главы 3. Физики издавна мечтали о возможности подобраться как можно ближе к отдельному атому или к одиночной молекуле. Изобретение туннельного микроскопа превратило эти грезы в явь. Отныне и впредь ученые вольны добираться до молекулы и изучать ее, словно дотрагиваясь до нее пальцем. Пока можно говорить лишь о первых плодах, сорванных первопроходцами этого материального мира «на самом дне». Теперь физики пытаются выяснить, подчиняются ли явления, наблюдаемые при использовании нанометрической измерительной шкалы, уже известным законам природы или же они ставят под вопрос прежние представления о физике.

Располагая туннельным микроскопом, можно — заведомо! — построить, укладывая атом за атомом, любые молекулы любой структуры, как существующие в природе, так и воображаемые! Правда, синтез новых молекул давно уже никакая не невидаль. Этим занимаются изо дня в день сотни лабораторий, разрабатывающих красители или лекарства… Однако эти новые молекулы производятся миллиардами и миллиардами единиц за раз (в одной капле воды содержится более 1500 миллиардов миллиардов молекул!). А вот молекула, построенная с помощью иглы туннельного микроскопа, всего одна.

Вооружившись туннельным микроскопом, физики и химики при случае тоже создают новые молекулы, если это, например, помогает создать новые наномашины, новые механические двигатели или новые вычислительные устройства, еще меньшие по размерам, чем существующие. И этот восходящий подход — весьма многообещающ: уже исследуется возможность функционирования удивительнейших сверхкрошечных машин, состоящих, в сущности, из одной-единственной молекулы, и мы поговорим в главе 4 о том, какими будут следующие поколения механизмов этого рода и на каких сборочных линиях их будут собирать.

В 1980-е годы нанотехнологии, казалось бы, предлагали выход мечтателям, озабоченным будущим планеты. Тогда стало очевидно, что с расточительностью пора покончить или она покончит с нами: слишком уж много энергии и вещества тратится на производство всех наших машин. В самом деле сейчас, для того чтобы изготовить один микропроцессор, необходимо сжечь 240 кг ископаемых энергоносителей, истратить 22 кг различных химических соединений и 1500 л воды. На производство одного маленького ключа шины USB (такая шина есть в любом компьютере) расходуется 250 л воды и множество химических веществ, преимущественно синтетических и, как правило, загрязняющих среду обитания[1].

От нанотехнологии, бывшей еще в колыбели и только начинавшей что-то лепетать, ожидали, что она избавит промышленность от алчного поглощения природного сырья и других материалов и введет нашу цивилизацию в эру устойчивого развития[2]. Так думал тогда не только один из авторов этой книги, о том же грезили и другие исследователи. Подобно тому, как Французская революция затевалась ради третьего сословия, я надеялся, что примерно то же произойдет с, так сказать, «сословием мелким», причем на всей планете, и эта перспектива виделась мне осуществлением юношеских мечтаний. Меня увлекало нахождение все новых и новых технологий, не причинявших ущерба окружающей среде и применимых в любой и каждой отрасли промышленности. К примеру, я обратил внимание на работы Кевина Алмера, директора исследовательского отдела фирмы Genex. Он предвидел возможность производства ультраминиатюрных электронных микросхем на основе белков, синтезируемых генетически запрограммированными бактериями. Этот ученый, в сущности, предсказал появление съедобных микропроцессоров! В тот же мой список попали и работы американского химика Ари Авирама, сотрудника принадлежащих компании IBM и расположенных близ Нью-Йорка исследовательских лабораторий Т. Дж. Уотсона. Авирам предложил так уменьшить размер электронного компонента (например, транзистора), чтобы он помещался в молекуле. Он даже попытался создать электронный переключатель на одной молекуле, прерывающей электрический ток, — иначе говоря, электронный молекулярный выпрямитель, пропускающий ток только в одном направлении.

Рассуждая в том же направлении, Форрест Картер, американский химик, работавший в военно-морской исследовательской лаборатории NRL, решил, что просто уменьшать отдельные электронные компоненты — недостаточно: хорошо бы загнать весь электронный узел в несколько молекул. Или заставить скопление из нескольких молекул вести себя как усилитель или микропроцессор. Если бы это удалось, то микроэлектроника превратилась бы в «наноэлектронику», и воздействие электронной промышленности на окружающую среду стало бы более щадящим.

Кроме меня поисками альтернативных и не столь пагубных для окружающей среды технологий занимались и другие исследователи. Эрик Дрекслер, молодой инженер, трудившийся в Бостоне, в Массачусетском технологическом институте, знаменитом MIT, смог вообразить и иные варианты электронных схем молекулярного размера. В своей книге «Движители творения»[3], опубликованной в 1986 году, Дрекслер описал молекулярные машины будущего, правда, довольно отдаленного: они будут перерабатывать отходы, производить энергию и очищать воду. Эти механизмы, ужавшиеся донельзя, то есть до самых минимальных объемов, занимаемых считаными молекулами, переведут нашу цивилизацию в эру молекулярной технологии.

Но эти красивые мечтания уповали на нанотехнологию в широком смысле; иначе говоря, имелись в виду те же привычные приемы изготовления маленьких и все сильнее уменьшающихся устройств, разве что масштаб миниатюризации доводился до естественного предела: меньше молекул только отдельные атомы, ну и элементарные частицы. Дальше дороги нет — развитие упрется в неодолимую преграду и, значит, оборвется. Приходится признать, что дела пошли скорее в этом направлении, и сегодня упоминание нанотехнологии уже не будит надежд на появление промышленности, которая бы бережнее расходовала планетарные ресурсы. Напротив, обостряются опасения: а не отравит ли нас нанотехнология? А что, если она выйдет из-под нашего контроля? Мы еще вернемся к этим вопросам в главе 6. Но как же это мы дошли до жизни такой? Почему, начав со столь радужных экологических грез, мы пришли к разочарованию и недоверию? Попытаемся же разобраться, откуда взялось это явление, которое уместнее всего назвать «нанопузырем». Тогда мы, может быть, поймем, почему так менялись оценки нанотехнологий.

Казалось, что все должно пойти гладко, покатиться как сыр по маслу. Итак, в 1980-е годы мы оказались на пороге приключения по имени «Нанотехнология». Нашлись ученые и исследователи, к числу которых принадлежал и я, решившие, что молекулы могут выполнять работу электронных схем, и тем самым начавшие возделывать ту ниву молекулярной электроники, на которую первым вторгся Ари Авирам. И тут как раз, очень кстати, появился совершенно невероятный по своим возможностям инструмент: изобретенный в 1981 году туннельный микроскоп не только «видел» атомы и молекулы, но и, что куда поразительнее и много нужнее, умел «передвигать» их, то есть позволял манипулировать отдельными атомами и по одному приставлять их друг к другу; эта способность нового прибора была обнаружена в 1989 году. Тогда уже имелись результаты первых экспериментов с одиночными молекулами. Большого шума опыты эти, однако, не наделали, и лучшие ученые зачастую поглядывали на туннельный микроскоп свысока и с недоверием. Особенно этот скептицизм был силен в Европе. Сама же нанотехнология оставалась занятием потайным, а то и засекреченным. В 1995 году манипуляциями на атомном уровне занимались только пять коллективов: три в США, один в Европе и один в Японии. Мне повезло: я успел поработать с Ари Авирамом, а потом попал в команду первопроходцев, одну из самых первых. Вожаком там был Джим Гимжевски, из лаборатории IBM в Цюрихе, заставлявший наш туннельный микроскоп манипулировать со все более и более громоздкими молекулами. Время шло, народу как-то почти не прибывало, и все же мы шли вперед и совершали, зачастую нечаянно, важные открытия; о кое-каких любопытных находках нашего коллектива будет рассказано в главах 3 и 4. Вроде бы эти работы должны были идти своим чередом, но не тут-то было.

Вместо этого в середине 1990-х годов развернулся совсем другой процесс. И скорее политический, чем научно-исследовательский. Все началось с Соединенных Штатов, где лоббисты разного толка убедили конгресс и администрацию Клинтона запустить программу, известную как «Даблэн-Ай», то есть «Национальная нанотехнологическая инициатива» (NNI). Если приглядеться к тому, как зарождалась эта программа, станет ясно, как и почему нанотехнология, дойдя до некоторой развилки, отказалась от следования первоначальным курсом и, свернув в сторону, отбросила и первоначальный предмет исследований (манипуляции с одиночными атомами), а также те мечты, ради осуществления которых она была рождена (экотехнология). Встав на дорогу, указанную программой NNI, нанотехнология превратилась в нанотехнологии, сразу же нацелившиеся на захват техносферы, сначала в США, а потом и во всем мире.

В июне 1992 года задули ветры, благоприятствовавшие экотехнологии. Сенатор от штата Теннесси Альберт Гор побывал на Втором мировом саммите, состоявшемся в Рио-де-Жанейро. Мероприятие задело и без того экологически настроенного политика за живое, и, вернувшись в Вашингтон, сенатор организовал слушания в сенате на тему «Новые технологии для устойчивого развития». Выступали лучшие американские специалисты, в том числе Эрик Дрекслер. Его книга пользовалась бешеным успехом. В самом деле: если в отправной точке — в 1986 году — сама возможность манипуляции одиночными атомами, требующаяся для создания нанопроцессоров и других наномашин, представлялась чистой фантазией, и многие сведущие люди сомневались в том, что нечто подобное в принципе возможно, то в 1989 году уже было известно, что туннельный микроскоп позволяет экспериментатору произвольно менять местоположение атома. И этим достижением мы обязаны Эрику Дрекслеру. 26 июня 1992 года его пригласили выступить перед комиссией американских сенаторов, собранной Алом Гором. Речь его поразила слушателей трезвостью и даже сухостью. Законодатели узнали, что, передвигая молекулу за молекулой, можно построить машину и что подобные приемы молекулярного машиностроения обещают со временем превратиться в такую технологию, которая окажется и надежнее и действеннее всех нынешних технологий. Чтобы сенаторы поняли, что его утверждения не голословны, но опираются на солидные научные основания, докладчик ловко вставил в речь имя Роберта Фейнмана, лауреата Нобелевской премии по физике. Процитировав прославленного физика, который в одном из своих выступлений обмолвился о промышленном производстве нанометрического масштаба, Дрекслер заодно придал своему проекту историческое измерение: вот, сам Фейнман говорил о наномеханизмах еще в 1959 году! А чтобы задеть национальную гордость и воззвать к духу соперничества, Дрекслер, как бы походя, сообщил, что японцы уже ассигновали солидные суммы на исследования манипуляций с одиночными атомами.

Обдумав услышанное, Ал Гор поддержал Эрика Дрекслера, благо что достаточно полное представление о том, что Дрекслер задумал, можно было составить из ответов ученого на заданные ему вопросы. Дрекслер объяснял, что речь идет не просто о дальнейшей миниатюризации в духе того развития, который наблюдается в микроэлектронике. За несколько минут коротко и ясно он нарисовал перспективы производства «молекуломашин»: подбираясь к отдельным атомам и молекулам, нанотехнология будет создавать такие устройства, которые сумеют перемещать их поодиночке и затем строить из них какие угодно агрегаты, в том числе и работоспособные. Вслед за описанным эпизодом была создана группа давления: эти лоббисты отстаивали идею устойчивого развития технологии, а Эрик Дрекслер выступал в роли этакого проповедника или скорее современного Жюля Верна, охотно делившегося своими технологическими предвидениями. Он даже основал общество прорицателей, назвав его Институтом предвидения (Foresight Institute); организация эта обосновалась в Калифорнии.

Тем временем — Эрик Дрекслер правду говорил — японское правительство реализовывало программу исследований, в ходе которой японцы должны были научиться манипулировать атомами и тем самым обеспечить будущее своей микроэлектронной промышленности. Не то американцы уйдут вперед! И японцы добились невероятных успехов! Масакура Аоно, который работал в исследовательской лаборатории, финансировавшейся из государственного бюджета и занимавшейся миниатюризацией микросхем, изучал возможности создания электронных устройств атомарного размера. При этом он сумел сказать новое слово в искусстве гравюры: удаляя при помощи туннельного микроскопа атом за атомом с поверхности кремниевого кристалла, Аоно превзошел всех мастеров книжной миниатюры. С тех пор японцы и американцы шли — и продолжают продвигаться — голова в голову и ноздря в ноздрю.

Вернемся к политике. Билл Клинтон, избранный президентом в 1992 году, возложил заботы о новых технологиях на своего вице-президента Ала Гора. Соединенным Штатам в то время пришлось отвечать на множество вызовов. Завершение «холодной войны» поменяло приоритеты американской научно-исследовательской деятельности: страна должна была справляться с новым соперничеством, оживившимся во всем мире. Надо было не только удержать превосходство в военной науке, но и печься о научно-исследовательских программах, долженствующих повышать благосостояние и уровень потребления гражданского населения. Электронные отрасли промышленности Японии и Южной Кореи чувствовали себя как нельзя лучше, и зрелище чужой удачи не давало спокойно спать их американским конкурентам. Чтобы поддержать американскую науку, надо было подкормить университеты: оборудование, на котором работали исследователи, потихоньку ветшало. Прорабом на стройку, которая должна была перепахать всю организацию научно-исследовательских работ в США, назначили Ала Гора, и его проекту нужны были деньги, все больше денег. Вдохновляясь величественной научной программой, принятой президентом Рузвельтом в конце Второй мировой войны, Ал Гор к августу 1994 года обнародовал доклад со своими выводами, снабдив документ звучным названием «Наука на службе страны» (Science in the National Interest).

Защищал ли Ал Гор экотехнологический проект, породивший столько восторгов в его окружении? Увы, в его отчете не обнаруживается никаких упоминаний об устойчивом развитии, не считая пары-другой туманных намеков… Увлеченность экологией, которой любил щегольнуть вице-президент, куда-то и как-то походя испарилась[4]. Вместо поддержки изучения манипуляций с атомами и молекулами, дабы в будущем, на основе этих исследований, создать промышленность, бережнее относящуюся к окружающей среде, доклад Гора провозглашал стратегическую важность нанотехнологий для текущего промышленного развития США! То есть нынешней американской промышленности! Да, нанотехнологиям приписывалась ключевая важность, но не в деле устойчивого развития планеты, а для ближайшего будущего микроэлектронной, химической и фармацевтической промышленности. Ну и чем это обернулось в последующие годы?

Уж слишком многое было поставлено на кон в затее с реорганизацией научно-исследовательских работ в США и слишком уж много средств предполагалось отпустить из государственного бюджета, чтобы предприимчивые люди остались безучастными к новому делу. И в бойницах показались лоббисты промышленников, давая знать, что своего-то они не упустят и, следовательно, в докладе должны быть учтены интересы существующей индустрии. Тяготевшая к Алу Гору группа давления «за устойчивое развитие», в которой право выбора резервировалось за Эриком Дрекслером, вынуждена была уступить могучим соперникам. За два года ореол, окружавший Эрика Дрекслера, сильно поблек. На него нападали многие ученые, упрекавшие его — небезосновательно — в том, что его работы не опираются на серьезную научную базу. А некоторые американские журналисты начали сравнивать его с гуру, возглавляющим секту, считая таковой его Институт предвидения. Мало-помалу и влияние Дрекслера, и доверие к нему сходило на нет.

Промышленное лобби нашло своего глашатая и стойкого приверженца в лице Майкла Роко. Этого бывшего преподавателя механики в 1990 году назначали руководителем отдела проектирования и разработок американского научного ведомства (официальное название — Национальный фонд науки — NSF). В 1995 году по его почину было принято решение начать исследования наночастиц, а также наноматериалов, которые, быть может, удастся получить по ходу этих работ. Указывая на эту программу, он потребовал зажечь перед ним зеленый свет, и директор NSF Нил Лейн, профессор из Университета Райса в штате Техас, пошел Роко навстречу. Сам Лейн в 1998 году стал советником по науке при президенте Билле Клинтоне. Майкл Роко, рассудительный и цепкий университетский профессор, упорно воевал долгих пять лет за право определять облик американских нанотехнологий. На его взгляд, молекулярные заводы Эрика Дрекслера — пустые россказни, а нанотехнология, если под таковой понимать некую молекулярную технологию, неосуществима. Тем самым он встал на сторону тех ученых, которые выступали за нисходящую логику, то есть за дальнейшее продолжение миниатюризации, и отказывали прочим подходам в праве на существование. Нанотехнологии, считал Роко, объемлют все технологии миниатюризации, более или менее приближающиеся к шкале, измеряющей расстояния в нанометрах.

В начале 1997 года на связь с Майклом Роко вышел советник президента Клинтона по экономическим вопросам Том Калил. Советник прочел доклад Ала Гора и смог оценить экономические выгоды, которые сулили будущие нанотехнологии. С помощью Тома Калила Майкл Роко сколотил рабочую группу, и та, за два года потуг, зачала проект, превратившийся позднее в Национальную нанотехнологическую инициативу (NNI). Кроме того, он поработал с дюжиной агентств, что должны были финансировать нанотехнологии в США. В итоге получившийся проект устраивал всех и, самое главное, не давал повода для нападок сенаторам, которым наверняка хотелось потратить деньги налогоплательщиков на какие-то иные программы.

В сущности, охочих широко распахнуть свои кошельки в ответ на призыв субсидировать нанотехнологии нашлось немного, даже среди тех, кто признавал стратегическую важность новшества. Чтобы переубедить несговорчивых сенаторов, Нил Лейн решил было соблазнить их мечтаниями о молекулярной технологии, самым коренным образом отличающейся от всего, что существовало до сих пор, и ради этого даже ссылался на книгу Эрика Дрекслера. Но Майкл Роко бдительно следил, чтобы в программу NNI не попало ни слова о каких-нибудь молекулярных машинах в духе Дрекслера. Промышленное лобби свое дело знало и потрудилось на славу, так что 11 марта 1999 года на собрании, в котором участвовали Майкл Роко, Нил Лейн и Том Калил, было наконец объявлено о начале осуществления программы NNI.

Первоначальный бюджет NNI, объявленный на 2000 год, составил 300 млн долларов США, однако некоторые сенаторы не успокоились. Сумма казалась им слишком незначительной, чтобы уберечь американские научные открытия в области технологии от зарящихся на чужое японцев, которые, отталкиваясь еще и не от своих достижений, чего доброго, так разовьют новые технологии, что обгонят Соединенные Штаты. Соперничество жесткое: чего там, бюджет следует хотя бы удвоить! В конце концов, увеличиваясь с каждым годом, бюджет NNI дорос в 2005 году до 970 млн долларов. Программа устояла и перед всеми политическими переменами в Вашингтоне. В проекте бюджета на 2008 год, который внес в конгресс президент Джордж Буш, в строке NNI значится уже 1,447 млрд долларов. И так ли уж важно, останется тема устойчивого развития в программе Национальной нанотехнологической инициативы или же нет, ведь к ней проявил интерес сам президент Буш…

22 июня 1999 года, вскоре после запуска NNI, финансами программы заинтересовалась палата представителей. Конгрессмены устроили новые слушания, пригласив к участию в них, в частности, Ричарда Смолли, профессора химии Университета Райса, штат Техас. В 1996 году Смолли получил Нобелевскую премию по химии за открытие фуллеренов, и воспоследовавшая за этим поощрением слава помогла ему так себя поставить, что вокруг него сформировалась уже третья группа лоббистов. Ради дела NNI премия по химии превратилась в Нобелевскую премию по нанотехнологиям и стала острым штыком в руках некоторых представителей химического сообщества. В смекалке этому Смолли не откажешь. Во всех своих выступлениях в палате представителей, за время с июня 1999-го по апрель 2002 года, он обыгрывал проблемы важные и задачи трудные, но в то же время хорошо известные широкой общественности, и, начав рассуждение, например с энергетических ресурсов или борьбы против рака, плавно переходил к наноматериалам, а затем и к нанотехнологиям. Нимб нобелевского лауреата, светившийся вокруг его умной головы, помогал Смолли усиливать ту тенденцию, которую в качестве приманки начал использовать еще Майкл Роко, а именно, перевод доброй доли материаловедения под эгиду нанотехнологии. Выдерживая эту линию, он преуспел в финансировании работ всех американских исследователей, занимавшихся химией и материаловедением.

Члены комитета, ответственные за программу NNI, и ученые, присутствовавшие на заседании, где определялась ее судьба, решительно обкорнали красивый замысел устойчивого развития, так увлекавший некогда Ала Гора. Отныне NNI сводилась к весьма неопределенной и широкой программе исследований самых разных материалов (включая те, что пригодятся в микроэлектронике) и новых видов топлива и даже включала биотехнологические разработки. Само понятие нанотехнологии подверглось переопределению: вместо единственного числа появилось множественное, и такое размашистое, что теперь совокупность нанотехнологий объяла весьма непохожие технологические приемы и очень удаленные друг от друга области. Эрик Дрекслер остался вне игры, а в 2003 году Ричард Смолли потребовал от него, публикуя статьи в газетах, прекратить бредовую болтовню насчет всяких молекулярных выдумок.

Президент Билл Клинтон официально объявил о создании программы NNI 21 января 2000 года в Калифорнийском технологическом университете. Как символично! В этом университете Ричард Фейнман в 1959-м произнес те самые слова, что много позже так пригодились Эрику Дрекслеру, когда тот выступал перед комиссией сенаторов, собравшихся под надзором Ала Гора. Эта фраза Ричарда Фейнмана прослыла, много лет спустя и совершенно незаслуженно, отправной точкой становления нанотехнологий. Но раз уж Ричард Фейнман — знаменитый ученый, то надо же было извлечь из его славы хоть какую-то политическую выгоду; словом, защелка щелкнула и так и осталась в замкнутом положении.

В заглавных строках перечня научных тем, за которые бралась NNI, числились теперь предметы весомые, даже тяжеловесные: микроэлектроника, материаловедение, биотехнологии (их, правда, перекрестили по этому случаю в нанобиотехнологии). Манипулирование атомами, молекулярная электроника и опытные образцы молекуломашин были сброшены в самые нижние строки, в подвал списка, и, в сущности, остались за бортом.

Ни одна другая страна не устояла перед этим американским определением нанотехнологий. Программа NNI воспринималась как символ вновь победоносно шествующей Америки, и мир охватила тревога: «Раз уж эти американцы смогли ошарашить всех своей „прогулкой по Луне“, то не вздумали ли они накрыть знаменем технологии бесконечно малое?» Европейская комиссия[5] в Брюсселе и все европейские страны кинулись в свои архивы: а вдруг там, в куче документов, скопившихся за 1990-е годы, отыщется что-либо, укладывающееся в рамки определения, провозглашенного NNI? И евробюрократы от науки сохранят лицо. Разумеется, нашлось немало бумаг и про материалы, и про микроэлектронику, и про миниатюризацию электронных мошек и блошек. Честь Европы удалось спасти. А спасительные направления научных исследований выдвинулись, точнее, были выдвинуты на передовую.

Самые проворные из европейских исследователей — и их собратья в других частях света — воспользовались случаем и успешно выбивали дополнительное финансирование. Нельзя же отставать от программы NNI, а задавать вопросы вроде: «А что же это такое — нанотехнологии?» — кому оно надо? Если какая-то европейская лаборатория микроэлектроники или микротехнологии опасалась за свое будущее, понимая, что источники финансирования могут иссякнуть, она объявляла себя Европейским центром нанотехнологии, и этого оказывалось достаточно, чтобы все устраивалось самым лучшим образом. Отстававшей от жизни химической лаборатории в Германии, Швейцарии или Франции довольно было прибавить к своему названию приставку «нано», чтобы вернуть себе былое благодушие. А если лаборатории, изучавшей или создававшей новые материалы, требовалось новое оборудование, она получала кредиты и гранты под проект, в названии которого упоминались «наноисследования».

Во Франции группа экспертов, объединившихся под руководством Французского комитета по надзору за передовыми технологиями (OFTA), попыталась в 1999–2002 годах разобраться в том, что же такое эти нанотехнологии. Французские ученые попробовали переопределить основания нанотехнологического проекта, не оглядываясь на лоббистов от микроэлектроники и материаловедения. Но было уже слишком поздно. Все пошло так, как в Соединенных Штатах. Возникло целое сообщество ученых (дабы получать кредиты и гранты, желательно, чтобы просителей денег было побольше), которые объявили себя представителями «нанонауки» и которые, в сущности, закрепили импортированное из США определение новой научной области. Глупее, чем этот способ формулировать определения, и придумать нельзя! Успешные — прежде всего как способ выбивания денег — общенациональные французские нанотехнологические программы под копирку переписывали громоздкую американскую тематику: ярлык «миниатюризация» для микроэлектронной промышленности, ярлык «наноматериалы» для сообщества французских химиков, ну и ярлык «биотехнология». Эти темы стали всемирными и общемировыми.

Европейская комиссия даже обзавелась собственной обширной программой, осуществление которой, под названием «Нанотехнологии, материалы и процессы» (NMP), началось в 2002 году. Эта программа покрыла все поле материаловедения, но не удостоила хотя бы строчкой манипуляции с атомами и молекулами. Правда, в программе упоминалось устойчивое развитие и признавалась возможность превращения со временем нанотехнологий в экотехнологию. У микроэлектроники уже была, принятая еще в начале 1990-х годов, обширная программа «Технологии информационного общества» (IST). Она захватила добрую долю работ, нацеленных на «миниатюризацию» в электронной промышленности, оставив, однако, немножко места для исследователей, занимающихся долгосрочными проектами, в духе этакой «монументализации». В конце 2006 года на смену программе IST пришла новая программа «Информационно-коммуникативных технологий» (ICT), в которой впервые из всех программ, сформулированных Еврокомиссией, говорилось о манипулировании атомами и использовании одиночной молекулы для реализации некоторой электронной функции.

Что же следует из этой истории? А то, что экономическая конкуренция и интересы отдельных групп зачастую пересиливают любое научное первопроходчество, и ученым приходится сдерживать свои устремления и довольствоваться проектами, кажущимися со стороны менее утопичными, чем первоначальный замысел. Академии наук в разных странах соглашаются на очень уж растяжимое определение нанотехнологий, чтобы защитить и оправдать политические выгоды, извлекаемые из науки кругами, от науки далекими, но зато влиятельными. «Нанотехнологией называется производство и применение структур, устройств и систем, формы и размеры которых измеряются в нанометрическом масштабе», — сообщают, например, Королевское общество[6] и Королевская академия инженерного дела Великобритании. Другие определения утверждают, что о нанотехнологии можно говорить, если заходит речь о новых физических явлениях, наблюдаемых на участках пространства размерами менее 100 нанометров, — что, в сущности, совпадает с дефинициями британских академиков: то же русло и то же направление. Научного прогресса, надо думать. Чтобы увеличить запасы знаний, нужны средства, прежде всего денежные, а вот окупятся ли капиталовложения в новые исследования, будут ли хоть какие-то прибыли, будь то технические или культурные (скажем, увеличение объема научных знаний), заранее знать нельзя. Отсюда это впечатление какого-то непостижимого, нерационального, почти алхимического продвижения, которое производит научно-технический проект, в частности, и на тех, кто его должен одобрить и принять. То есть на все заинтересованные стороны.

Все будто бы началось 29 декабря 1959 года. Вечером, после ужина, Ричард Фейнман, которому еще только суждено получить Нобелевскую премию — это случится в 1965 году, за труды в области теоретической физики, — выступил перед лучшими американскими физиками, собравшимися на конгресс. Докладчику шел сорок второй год, и он уже снискал громкую славу. Все признавали за ним незаурядный, творческий и не склонный к соглашательству ум. И в этот раз он сумел удивить своих слушателей. Поднявшись на кафедру, он показался присутствующим проповедником, если не пророком: доклад, предложенный им почтеннейшей публике, назывался «На дне места много» (There’s plenty room at the bottom)[7].

Сегодня эта коротенькая речь слывет проповедью, этаким евангелием, а сам Фейнман считается — напрасно, конечно, — пророком, апостолом и отцом основателем нанотехнологий. Мол, физики вняли благой вести, преподанной учителем, и принялись изучать «нижние миры» — вот так и родились нанотехнологии. На самом деле все было не так, и если даже Фейнман произнес свою речь, прежде чем нанотехнологии как-то преуспели, не он их рожал и не он на них влиял. Несмотря на известность, которой тогда уже пользовался Фейнман, произнесенные им в тот вечер слова восторга не вызвали. Американский физик Пол Шликта, бывший на том обеде, вспоминает: «Реакцию зала в общем и целом можно назвать веселой. Народ по большей части подумал, что докладчик валяет дурака»[8]. В последующие годы слова Фейнмана ни к чему не подтолкнули и ни на что не повлияли, а потом и вовсе забылись. Европейские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер изобрели туннельный микроскоп, а американский физик Дон Эйглер первым начал писать слова, располагая отдельные атомы на поверхности кристалла, — и у всех троих спрашивали: как повлияла эта речь на их работы? И все трое без обиняков отвечали — никак. И по очень простой причине: они о ней ничего не знали.

Скончавшийся в 1988 году Фейнман содействовал появлению туннельного микроскопа, как и успехам миниатюризации в микроэлектронике и микромеханике. Но он никогда не притязал на отцовство хоть какого-то из этих достижений. Более того, он ни разу не пытался увязать речь, которую он произнес в 1959 году, со всем этим прогрессом. Читая лекции в Калифорнийском технологическом институте, он нередко обращался к теме приложения физики к вычислительной технике, но сам электроникой никогда не занимался и в смежных с нею областях тоже не работал, а уж от нанотехнологий его научные интересы были и вовсе далеки. Лишь раз он вновь затронул темы речи «На дне места много» — в статье 1983 года.

Никакой славы у этой речи Фейнмана не было, вплоть до начала 1990-х годов, когда Эрик Дрекслер вспомнил о ней, чтобы придать большую убедительность собственным идеям. Но давайте припомним, что же сказал Фейнман в тот знаменательный вечер.

«Хочу поговорить об области почти нетронутой — там еще пахать и пахать. <…> Там будет уйма технических приложений. <…> Я — о манипуляции и должном управлении вещами совсем маленького масштаба. <…> Есть такой мир, невероятно маленький, он — внизу, на дне».

Отдадим должное его проницательности: Фейнман справедливо оценил, сколь высоки ставки в миниатюризации, и призвал исследователей заинтересоваться мирами «внизу», дожидавшимися в его время своих первопроходцев. Считать ли его прозорливцем? Да, он задался вопросом: «Что будет, если удастся произвольно и по одному расставлять атом за атомом?» Но он не предложил никакого ответа на свой вопрос и не придумал — и даже не вообразил, — как и с помощью какого прибора нечто такое стало бы возможным. Он говорил о крайней точности производства, но не о размерах и других характеристиках требующегося оборудования. Его речь была упражнением в прогнозировании. Он хотел показать, каким образом продвижение физики, преодолевающей преграды и выходящей за прежние границы, может оказаться плодотворным. И привел пример с двумя физиками: один добивался все более низких температур, второй — все более высоких. Действия обоих открывали новые области для изучения. Так почему бы, вопрошал Фейнман, не довести до предела миниатюризацию оборудования и механизмов? И предсказал, что записывать и хранить информацию удастся в памяти из какой-нибудь сотни атомов. А сегодня известно, что сотни много — хватит и одного атома.

Фейнман не предсказывал пришествия нанотехнологии, как это ему часто приписывают. Да и не он первым поставил вопрос о пределах миниатюризации и об исследовании «мира внизу». Стоит бросить самый беглый взгляд на минувшее, и станет ясно, что уж никак не за Фейнманом первенство в выказывании интереса к миру очень малых величин… «В юности я думал, что стану изобретателем, этаким Ньютоном <…> мира тех подробностей, которые еще предстоит изучить; вот этот мир иной, и он куда важнее всего, что я, льстя себе, считал своими открытиями», — еще в 1799 году признавался математик Гаспар Монж Наполеону. Случился этот разговор на борту фрегата La Muiron, возвращавшегося из похода в Египет. Фейнман, кто спорит — физик незаурядный и даже несравненный, может быть, великий, но он был наследником многих поколений физиков — и нефизиков, — которые задавались вопросами о мире внизу или о миниатюризации, при этом отнюдь не претендуя на то, чтобы стать провозвестниками или отцами нанотехнологий.

Когда же началась миниатюризация? С какой временной отметки отсчитывать ее историю? Греческие мудрецы, например, мастерили великолепные астрономические часы с механизмами из крошечных зубчатых колес — в то время эти миниатюрные модели Солнечной системы считались чудесами техники и технологии. Позднее прогресс в конструировании часовых механизмов сыграл существенную роль в миниатюризации механических двигателей, которыми оснащались автоматы, а еще позднее — роботы. Но миниатюризация машин проходит не только по ведомству техники. Она неотторжима от научного прогресса вообще.

Однажды в 1764 году профессор физики Университета Глазго Джон Андерсон решил показать студентам, как работает «огненный насос» или «атмосферная машина» — так в Англии именовались механизмы, выкачивавшие воду из угольных шахт. Машины эти были слишком громоздкими и тяжелыми и занимали слишком много места, чтобы поместиться в университетской аудитории. Поэтому построили уменьшенный вариант в метр высотой. Но профессора ждало неприятное разочарование: миниатюрная машина отказывалась работать! Пришлось везти ее в мастерскую, где чинили научные приборы, — ту самую, в которой работал Джеймс Уатт. Тот быстро понял, в чем дело: уменьшение объема рабочей камеры привело к тому, что атмосферного давления стало не хватать для преодоления трения поршня о стенки камеры. И тогда сообразительный Уатт предложил использовать вместо давления воздуха давление водяных паров. Так он изобрел паровую машину, что дало возможность перемещаться в пространстве с помощью двигателя — когда паровой двигатель стал еще меньше, он легко поместился на тележке с колесами. Начиналась новая эра в науке, рождалась термодинамика.

По ходу своих исследований физики часто сталкивались с задачей измерения. И всегда нуждались во все более точных измерительных приборах. Бывало, что помогала миниатюризация. Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889), к примеру, хотел замерять крайне ничтожные повышения температуры в чане с водой. Он был пивоваром, как и его отец, и потому занимался увлекавшим его вопросом о соотношении работы и тепла только на досуге. Он знал, что работу можно превратить в тепло — довольно потереть один предмет о другой — и, наоборот, тепло превращается в работу (как в паровой машине Уатта). Задавшись целью определить точное количество тепла, получаемое при совершении некоторой заданной работы, Джоуль поставил такой опыт: он опустил мешалку с лопастями в емкость с водой, и лопасти, вращаясь, нагревали жидкость. За полчаса лопасти совершили 20 оборотов, а вода нагрелась только на половину градуса. Чтобы замерить столь ничтожное повышение температуры, Джоулю понадобился куда более точный термометр, чем те, что у него были, и он смастерил миниатюрный термометр, оказавшийся необычайно точным. По принципу действия новый термометр не отличался от других термометров того времени: и там и там использовалось расширение спирта (или ртути), пропорциональное повышению температуры. Значит, если наполнить спиртом трубку с делениями, то уровень жидкости в трубке будет указывать температуру. Чтобы повысить точность, Джоуль изготовил очень тонкую трубочку и заполнил ее спиртом. К несчастью, диаметр трубки не был постоянным по всей длине и, следовательно, уровень жидкости в трубке не поднимался строго пропорционально вслед за повышением температуры — нужной точности измерения добиться не удавалось. Тогда Джоуль отметил неровности трубки, рассмотрев ее по всей длине в оптический микроскоп, и, чтобы все-таки использовать незадавшуюся трубочку, решил скомпенсировать ее неровности градуировкой, подстраивая (слегка меняя) расстояние между соседними делениями.

Деления на трубку он нанес, применив весьма остроумный способ: покрыл стеклянную трубочку пчелиным воском, а затем сделал на воске поперечные риски очень острым ножом. Затем он погрузил трубочку в разведенную кислоту. Кислота пощадила воск и разъела стекло, обнаженное надрезами, — и на стекле появились тоненькие рисочки: погрешность промежутка между делениями не превышала 6 микрон. Так Джоуль превратил тоненькую трубочку в сверхточный термометр. Его метод гравировки с предварительным нанесением маскирующего слоя применяется до сих пор, в частности, в микроэлектронике. Это изобретение, а также невероятное упорство, помогло Джоулю в 1850 году первым в мире определить соответствие между работой и теплом, выделяемой при ее совершении.

Изучать природные явления непросто. И так было всегда. Порой они кажутся слишком беспорядочными и потому легко вводят в заблуждение. Или же слишком отдалены от повседневности. Чтобы обойти подобные затруднения, ученый пытается воспроизвести естественные условия в лаборатории — чтобы все было под рукой. Подчас это достигается посредством «миниатюризации» изучаемого явления: оно воспроизводится в уменьшенном масштабе. Показательный пример — те эпизоды в истории науки, которые вызвали пришествие физики элементарных частиц, которая в свою очередь породила электронику, а затем и микроэлектронику.

В XVIII в. физики, в том числе аббат Ноле во Франции и Бенджамин Франклин в США, изучали молнию, то есть электрические разряды в атмосфере. Вскоре они обнаружили, что неплохо бы заиметь «коробочку» для воспроизведения подобных явлений в лаборатории, где можно было чувствовать себя столь же непринужденно, как в салоне небедного буржуазного дома. Конечно, изучать молнию в природе и на природе вроде бы предпочтительнее — большая точность, и все такое. Но уж очень это небезопасно: к тому времени от удара молнией погибло уже несколько физиков, пытавшихся исследовать грозы. Немецкий промышленник Генрих Гейслер, торговавший научными приборами, выпускаемыми его предприятиями, в 1857 году воспроизвел самые настоящие малюсенькие молнии между двумя электродами в стеклянном сосуде, наполненном газом. В 1874 году английский физик Уильям Крукс откачал газ из стеклянного баллона в надежде, что изучать искусственные молнии станет проще. И тогда же другие физики задались вопросом о сущности молний, рождавшихся в баллоне Крукса. Что это: электромагнитное излучение, как полагали немецкие ученые, или частицы, как думали английские физики? И британец Джозеф Джон Томсон дал убедительный ответ: слегка изменив вакуумный сосуд Крукса, он в 1898 году открыл электрон.

Открытие электрона на пороге XX в. дало начало эре электроники. Последовало неслыханное прежде ускорение миниатюризации, и электроника естественным образом сократилась до микроэлектроники. В который уж раз все начиналось с повседневных затруднений. Поначалу телефонная связь опиралась на ручной труд: телефонистка должна была вставлять штепсели и штекеры в соединительные гнезда и выдергивать эти вилки из розеток всякий раз, когда требовалось соединить двух влюбленных, жаждавших услышать голоса друг друга, или партнеров по бизнесу. Но во всех столицах мира, вроде Нью-Йорка или Парижа, число абонентов росло взрывообразно. Справиться с этой волной могла только автоматизация: телефонисток должны были заменить какие-то электронно-механические устройства. И тогда инженеры сначала придумали электромагнитные реле, становившиеся со временем все более миниатюрными, потом догадались приспособить электронные лампы, те самые диоды, триоды и пентоды, которые трудились в радиоприемниках наших бабушек. Лампы были отдаленными потомками вакуумных баллонов Крукса и действовали как прерыватели — иначе говоря, переключатели — электрического тока. Со временем, однако, жалобы на лампы — они и хрупки, и слишком громоздки, и очень уж нагреваются — становились все громче. Хорошо, давайте поставим вместо лампы что-нибудь твердое и, по возможности маленькое. В начале 1940-х годов решить эту задачу подрядились Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли, работавшие в лабораториях Bell Telephone Company в США. В декабре 1947 года они изобрели устройство, рабочим элементом которого был крошечный полупроводниковый кристалл, и назвали его транзистором. Транзистор, подобно ламповому (вакуумному) триоду, мог усиливать электрический сигнал или действовать в качестве переключателя, при этом транзистор был куда меньше самой маленькой лампы и, что еще важнее, выделял меньше тепла, а это сокращало затраты на системы охлаждения.

Именно транзисторы стали основой всей электроники. Из них собирали схемы, выполнявшие логические операции и запоминавшие информацию. Поначалу это была работа кропотливая, ручная, наподобие вышивания, часто производимая под микроскопом, с помощью паяльника, и все равно, сколько же случалось ошибок! Первым делом нужно было изготовить достаточно много транзисторов, затем вставить каждый в корпус, и потом уже подключать их к другим электронным деталям, соединяя элементы проводниками. Но в 1958 году появилась новинка, избавлявшая от многих операций, производимых вручную: инженер Texas Instruments Джак Килби изобрел интегральную схему (сейчас мы называем это устройство микросхемой, или чипом). Определение «интегральная» означало, что множество электронных компонентов (транзисторы, резисторы, диоды и т. п.) вместе с соединительными проводниками размещались на поверхности одного полупроводникового кристалла — так называемой подложки. Очень скоро другие инженеры догадались, что транзисторы можно располагать вертикально, устанавливая их друг на друге, — у Килби все компоненты были плоскостными и из одного и того же материала (кристаллического полупроводника). На крошечных — разных! — германиевых пластинках Килби сначала создавал транзистор, потом формировал три резистора и конденсатор, а затем соединял получившиеся детали тоненькими золотыми проводками, припаивая их вручную. Прошло несколько месяцев, и Роберт Нойс из компании Fairchild Semiconductors сумел сформировать все компоненты на поверхности одной-единственной кремниевой пластинки. При этом он обошелся без соединительных проводников, сформировав и все соединения из того же кремния. Вот тогда и родилась первая «настоящая» интегральная схема. А еще через несколько месяцев началось массовое промышленное производство интегральных схем.

Чтобы производить интегральные схемы в больших количествах, нужна была технология, обеспечивавшая автоматизацию сборки электронных компонентов на подложке. Поначалу вопрос о миниатюризации даже не поднимался — всем казалось очевидным, что новинка будет внедрена незамедлительно, например в электронике, устанавливаемой на военных реактивных снарядах и ракетах. Электроника следит за устойчивостью полета, и потому такая управляющая система включает в себя гироскоп, замеряющий отклонение от курса, и систему управления подачей топлива в реактивный двигатель. Инженеры-электронщики в союзе с армией физиков извлекли немалые выгоды из космической программы «Аполлон», обеспечивающей постоянный запрос на все более миниатюрную микроэлектронику. В реактивном снаряде или ракете тесно, а каждый лишний грамм груза — это дополнительный расход топлива, поэтому соображения места и массы имеют первостепенное значение. К тому же чем мельче транзистор, тем выше его быстродействие. А если транзисторов в интегральной схеме (в том же объеме) становится больше, то и возможностей у микросхемы прибавляется. Так что плотность расположения транзисторов начиная с 1960-х годов неуклонно возрастала, подчиняясь эмпирической закономерности, замеченной в 1965 году Гордоном Муром.

Защитив диплом в Калифорнийском университете, где он какое-то время сотрудничал с одним из изобретателей транзистора Уильямом Шокли, Гордон Мур вскоре начал работать в фирме Fairchild Semiconductors. В апреле 1965 года главный редактор американского журнала Electronics попросил Мура написать статью о перспективах электроники[9]. На момент написания статьи в самых сложных интегральных схемах содержалось десятка три электронных элементов, в том числе несколько транзисторов. Не так уж много, но Гордон Мур верил в эту технологию. Приглядевшись к темпам ее развития, он заметил: после изобретения интегральной схемы число компонентов за год выросло с четырех до восьми, а еще через год — до 16. Получалось, что примерно за год количество компонентов удваивается. Вовсе не думая об открытии или тем более навязывании какого-то закона собственного имени, Мур просто высказал надежду на появление все более миниатюрных электронных схем и тех деталей, из которых они строятся, предсказывая, что при этом схемы будут усложняться и дешеветь.

О том, что случится в будущем, Мур, конечно, мог только догадываться, но он был уверен: невероятный курс на немыслимую миниатюризацию взят. А назвал это его простенькое опытное — эмпирическое — наблюдение «законом Мура» вовсе не сам Мур, а преподаватель Калифорнийского технологического института Карвер Мид. Мур же в 1975 году подправил «свой» закон: плотность размещения компонентов на подложке интегральной схемы удваивается каждые два года. Между тем Мур познакомился с Робертом Нойсом, одним из изобретателей интегральной схемы, и в июле 1968 года Мур и Нойс зарегистрировали фирму Intel Corporation, которая в 1971 году выпустила первый микропроцессор[10] — микросхему, среди компонентов которой насчитывалось 2250 транзисторов. После этого закон Мура точно предсказывал рост плотности транзисторов в объеме микросхемы — в 2007 году их стало более 250 миллионов! Что и говорить — рост молниеносный.

Причем транзисторы не только становились меньше: они и работали все лучше и лучше. В грубом приближении уполовинивание объема равносильно удвоению быстродействия, поскольку электронам приходится преодолевать вдвое меньшее расстояние. И мощность, рассеиваемая на транзисторе, тоже уменьшается. Но поскольку плотность размещения транзисторов учетверилась, то общее количество рассеиваемого тепла осталось тем же самым. Зато способности к счету возросли в восемь раз. А ведь за сорок лет размеры уменьшились не вдвое, как в нашем примере, а в сто раз с лишним! Следствия налицо: если первая электронно-вычислительная машина весила 50 т и потребляла 25 кВт, выполняя лишь какую-то сотню команд в секунду, то любой нынешний микропроцессор весит считаные граммы, выполняет за секунду сотни миллионов команд и потребляет ничтожную энергию — во многие тысячи раз меньше, чем первые ЭВМ!

Времени-то прошло всего ничего, а какое продвижение! И сколько новшеств! И каких! Правда, если честно, то ни единое из этих новшеств не поменяло ни принципов функционирования транзистора, ни способов производства интегральных схем. И сегодняшние микросхемы изготавливаются теми же методами маскировки и гравировки — их окрестили литографией, — которыми по большому счету воспользовался Джоуль, когда ему понадобилось проградуировать свой сверхточный термометр. Только Джоуль резал воск острым ножом, а теперь гравируют лучом света. Оптическая литография (она же — фотолитография) состоит в том, что свет проходит через маску и освещает светочувствительную смолу, нанесенную тонким слоем на кремниевую пластинку. Маска — это трафарет, непрозрачные участки которого оберегают те места на кремниевой пластинке, которые не должны освещаться; так что свет воспроизводит на смоле узор маски — рисунок электронной схемы с ее транзисторами и другими деталями, включая металлические дорожки, служащие соединительными проводниками.

Поскольку маска прилегает к смоле не слишком плотно, а находится на каком-то удалении от нее, воспроизводимый на слое смолы узор получается несколько размытым — дорожки, например, выходят более широкими, чем на самой маске. А транзисторы нужны маленькие — чем меньше, тем лучше. Чтобы сфокусировать луч света (и получить дорожку поуже), применяют оптические линзы — вроде известных увеличительных или зажигательных стекол, фокусирующих солнечные лучи. Благодаря линзам, узор на маске можно делать большим по размеру и, значит, более точным и с большими подробностями (линзы все равно сделают его маленьким, таким, как потребуется — или удастся). После облучения смолу удаляют, и облученные участки кремния становятся задуманной микросхемой, со всеми ее транзисторами и прочими компонентами. Для удаления смолы кремний промывают кислотой — так же как Джоуль удалял со стекла пчелиный воск. Но точность операций теперь много выше. Если Джоуль своим ножом наносил риски длиной 50 мкм (то есть 50 тыс. нанометров), то в конце 1960-х фотолитография обеспечивала стократно лучшую точность, позволяя «нарисовать» транзистор в квадрате со стороной в 10 000 нм. В 2006 году промежуток между входом и выходом транзистора составляло всего 90 нм: иначе говоря, на пятнышке размером с ноготь теперь умещается более 80 миллионов транзисторов! В 2007 году появились интегральные схемы с расстоянием между входным и выходным выводами транзистора 65 нм, а в 2008 году этот показатель обещают сократить до 45 нм. Эти транзисторы уже в сто раз меньше красного кровяного тельца!

Ключевая роль в этой головокружительной миниатюризации принадлежит фотолитографии. Эта технология похожа на рисование тонюсенькой кисточкой, которой можно вычерчивать самые меленькие узоры. А чем тоньше линии этих узоров, тем тоньше гравировка на поверхности полупроводника, и добиваться «утонченности» можно, уменьшая длину волны используемого света. Разрешение — так называется наименьшее расстояние между двумя соседними (разными и потому различимыми) точками на схеме — определяется как раз этой длиной волны. Чем она короче, тем тоньше могут быть воспроизводимые узоры и тем лучше будет разрешение. Сначала полупроводник освещали видимым светом (длина волны от 400 до 800 нм), затем ультрафиолетовыми лучами (350–450 нм), потом жестким ультрафиолетом (220–310 нм), а теперь применяют лучи с длиной волны в 193 нм. Сегодня (с транзисторами величиной порядка 45 нм) предполагается применить иммерсионную фотолитографию. «Иммерсия» значит погружение — в этом случае кремний покрывается жидкостью; с поверхности кремния маска покажется увеличенной — жидкость действует как дополнительная линза, и поэтому можно использовать ту же длину волны для формирования транзисторов меньшего размера.

Но что делать уже на следующем этапе (транзисторы величиной 32 нм), инженеры не знают. Можно бы опять уменьшить длину волны, но это потребует фотолитографии, способной работать в диапазоне крайнего ультрафиолета (длина волны 13,5 нм). Иначе говоря, понадобится сверхмудреная и соответственно очень дорогая оптика, чтобы фокусировать такие лучи и освещать ими поверхность полупроводника. Волны еще короче — это уже рентгеновское излучение: казалось бы, здорово — волны длиной порядка 1 нм. Но для таких коротких волн все прозрачно — из чего тогда делать маску? А оптику? Что это за линзы должны быть, чтобы управляться со столь коротковолновым — и жестким, то есть разрушающим вещество, особенно живое, — излучением?

Вместо рентгеновских лучей можно бы использовать пучки электронов: если электроны как следует разогнать, то длины волн тоже могут быть сколь угодно малыми. Электронная литография известна с 1960 года, тогда Готфрид Молленштедт в Тюбингенском университете в Германии воспользовался потоком электронов вроде тех, что применяются в электронных микроскопах, чтобы нанести на поверхность смолы тоненькие риски: он сумел нарисовать логотип своего университета штрихами длиной порядка 100 нм. Происходит, в сущности, то же самое, что и в оптической литографии: на полимерную пленку обрушивается поток электронов, и в пленке происходят химические изменения. Чтобы обнаружить эту перемену, достаточно обработать пленку растворителем — облученные участки смоются, те же, что не подвергались облучению, уцелеют, и, значит, появится задуманный узор. Пока что электронная литография применяется в производстве масок для фотолитографии, а в продвинутых исследовательских лабораториях и для изготовления самых маленьких транзисторов в мире — с расстояниями между входом и выходом в 20, 15 и даже 9 нм! Словом, пресловутая иголка в стоге сена! Причем сами эти транзисторы не остаются на поверхности полупроводника, а норовят вырасти над нею — получается что-то вроде россыпи грибов. Кучка таких новых транзисторов похожа (под микроскопом) на скопление лисичек или шампиньонов.

Но и этого мало — ученые просто жаждут изготавливать все меньшие и меньшие транзисторы. Хорошо бы, чтобы эти малюсенькие штучки еще и работали, сразу и надежно. Но чем больше транзисторов получалось за раз на одной пластинке, тем большая доля из их выводка оказывалась заведомо негодной — как говорится, вероятность дефектности возрастала. Инженерам не оставалось ничего другого, как пустить в дело сокровища ноу-хау и изобрести множество хитроумных технических уловок, чтобы обойти или перескочить препоны, мешавшие дальнейшей миниатюризации.

Среди прочих затруднений сильно докучала необходимость соединять транзисторы друг с другом. Если применять металлические проводники, то уже сегодня на 1 см² полупроводниковой поверхности надо было бы как-то разместить 6 км медных или золотых «проводков», точнее, дорожек. По мере продвижения миниатюризации соединительные дорожки, формировавшиеся из алюминия, стали такими тонкими, что электронная волна (а электрический ток — это поток электронов) просто сносила атомы алюминия с насиженных мест и уносила их с собой. Атомы проводника становились блуждающими — и потому это явление называется электромиграцией. К тому же получать сверхчистый металл, например алюминий, трудно: в нити диаметром в нанометры и длиной в километры обязательно встретятся какие-то загрязненные участки, да и сама нить будет не сплошным кристаллом, а цепочкой металлических зерен. Значит, сопротивление электрическому току будет на разных участках нити неодинаковым — словно на границах между зернами и там, где есть включения иных химических элементов, кто-то установил резисторы. Электрическое поле будет особенно агрессивным на таких неоднородных участках, а если вымытых атомов станет слишком много, то в металлической дорожке появится не просто неоднородность, но пробел и ток не сможет течь. Иначе говоря, дорожка порвется. Справиться с электромиграцией удалось в 2001 году: алюминий заменили медью[11], которая не так подвержена электромиграции и вдобавок лучше проводит электрический ток. Иначе говоря, эта замена (для которой потребовалось 15 лет исследований и экспериментов) еще и сильно ускорила перемещение электронов внутри интегральных схем.

Задача производства 65-нанометровых транзисторов натолкнулась еще на одно затруднение. При таких размерах слой изоляции, накладываемый поверх транзистора и отделяющий управляющий электрод от полупроводникового «канала» (он соединяет вход транзистора с его выходом), становится не толще 1,2 нм. Следовательно, это всего пять-шесть слоев атомов. Значит, изоляция становится ненадежной, и электроны вполне могут просочиться с управляющего электрода в канал: транзистор «даст течь». А чем больше такая утечка, тем меньше сопротивление изолирующего слоя и попутно напряженность электрического поля между управляющим электродом и каналом. А это поле управляет транзистором: по мере его усиления или ослабления канал транзистора открывается или запирается. Если поле ненадежно, то и управлять потоком электронов внутри транзистора невозможно.

Обычно для изоляции используют оксид кремния (кремнезем). Это очень хороший изолятор — если нанести его достаточно толстым слоем. В нашем случае это невозможно, поэтому хорошо бы найти изолятор получше. Меньшая электропроводность у оксидов редкоземельных элементов, например у оксида гафния. Его применение уменьшило утечки в 10 раз. Однако любая перемена влечет за собой целую вереницу последствий. Оказалось, среди прочего, что оксид гафния плохо уживается с металлом, из которого изготовлены электроды транзистора, так что пришлось искать подходящий металлический сплав.

Само явление тока утечки имеет квантовую природу и объясняется квантовыми свойствами электрона. Эти свойства начинают проявляться как раз на расстояниях, меньших 65 нм. Пока инженеры, разрабатывавшие новые транзисторы, не дошли до этого предела, им не было нужды думать о квантах и квантовых эффектах. Но теперь без раздумий о подобных предметах обойтись было нельзя. Зато, научившись как-то справляться с квантовыми эффектами, инженеры смогли создать новые приборы и инструменты, работающие на расстояниях в 10-100 нм и имеющие размеры того же порядка. Это уже были не транзисторы — в новинках были задействованы иные квантовые явления. Но давайте сначала поглядим, как методы, выработанные в производстве микроэлектроники, вышли за границы электроники и начали распространяться совсем в иных технологических областях.

Итак, неуемная миниатюризация оторвалась от электроники и вторглась в другие уделы. Ее нашествие всегда и повсюду сопровождалось немалой сумятицей: много волнений, например, вызвала ее атака на механику. Станки и машины, предназначенные для производства деталей посредством точения, фрезерования и сверления, дошли до предела точности. Еще удавалось изготавливать прекрасные детали с допуском порядка одного микрометра, но двигаться дальше, казалось, уже некуда. В 1980-е годы в Калифорнийском университете оптимизацией обработки оксида кремния занимался Рихард С. Мюллер — он искал способы введения изоляторов в интегральные схемы. Знакомство с фотолитографией подсказало ему мысль о новом методе формирования микродорожки: пластинка кремния покрывается слоем оксида кремния и на поверхности этого оксидного слоя рисуется дорожка, которая потом гравированием врезается в собственно кремниевую пластинку. Из этой разработки родилась вся кремниевая микромеханика: процедуры, освоенные микроэлектроникой, вытеснили все привычные процессы, и детали, производимые методами микромеханики, стали совсем крошечными, и, главное, резко повысилась точность допусков и посадок. Размеры деталек съежились с величин порядка 100 мкм до считаных микрометров, а допуск точности уменьшился До нескольких нанометров. Потом из кремниевой микромеханики родились так называемые «микроэлектромеханические системы» (МЭМС — MEMS), под которыми подразумевались механические элементы (датчики, исполнительные механизмы и пр.) собственно электроники: эти устройства или принимают какой-то (не электрический) сигнал, или подают (электрическую) команду механическим элементам. И микроэлектронная промышленность начала производить МЭМС в количествах, сравнимых с количествами произведенных транзисторов, и при этом с малыми издержками.

МЭМС образовали маленькую — и не очень вместительную — иерархию самых мелких деталей и механизмов пока еще микронного масштаба: производились дорожки, насосы, клапаны, пружины, зажимы, зубчатые передачи с микрометровыми шестернями — речь шла уже о десятых долях микрометра (1 мкм = 1000 нм; 100 нм = 0,1 мкм). Подобные механизмы порой приводятся в движение электрическими моторчиками размером с красное кровяное тельце. МЭМС применяются в печатающих устройствах — в тех узлах, которые разбрызгивают красители, наносимые на бумагу; для управления миниатюрными зеркалами в видеопроекторах или для повышения быстродействия джойстиков, применяемых в видеоиграх. Сегодня МЭМС трудятся в фотоаппаратах, видеокамерах, часах, кардиостимуляторах и на них приходится 20–40 % стоимости современного автомобиля. Желающим примеров можно указать на датчики давления в кондиционерах и системах обеспечения внутреннего климата в конторских помещениях, на измерители силы торможения, на индикаторы уровня топлива в бензобаке и на сенсоры надувных подушек в автомобилях (в самых «навороченных» моделях устанавливается до шести различных измерителей ускорения).

Высокие достоинства МЭМС очевидны. Они благоденствуют, продолжая извлекать выгоды из прогресса литографии, о котором печется могучая старшая сестра — микроэлектроника, располагающая и исследовательскими лабораториями, и ресурсом для освоения лабораторных новинок. К примеру, кремний производится в виде брусков толщиной в 100 нм, то есть в тысячную долю толщины волоса, но длина бруска — 100 мкм. Увеличим эту мелкоту до привычного нам масштаба: пусть длина бруска равна метру. В таком случае его толщина будет равна миллиметру — понятно, что в нашем мире это невозможно (брусок сломается под собственной тяжестью).

Но в мире расстояний, измеряемых микрометрами, такие бревна или прутья (или микрорычаги) существуют и при этом не только не ломаются, но даже не гнутся. Правда, они колеблются, и частоты этих колебаний весьма высоки. Эти вибрации вызываются тяжелыми молекулами: когда некая молекула усаживается на микробрусок, частота его колебаний меняется, и нетрудно догадаться, что изменение частоты определяется массой чужой молекулы. Важно не замерить эту массу (массы молекул давно известны), но заметить ее присутствие. А колебания микробруска (точнее, изменение этих колебаний) помогают опознать именно вот эту молекулу среди миллиона других молекул.

Производственные методики, освоенные микроэлектроникой и породившие МЭМС, взбудоражили и биологию. Заговорили о невиданных приборах для невозможного прежде биохимического анализа, нацеленного на крохотки, именуемые молекулами ДНК, и пользующегося подобными же молекулами. Для производства такого оборудования применяли фотолитографию по кремнию и прикрепление нитей ДНК к кремниевой поверхности. Сегодня уже есть кремниевые приборчики с 300 тысячами спиралек ДНК. Эти устройства способны обнаруживать в геноме поломки, вызывающие наследственные болезни, и распознавать вирусы. Однако пока что требуется большая предварительная работа: нужна кропотливая подготовка тех участков ДНК, которые предполагается изучать. Представляется выгодным объединить все этапы исследования в одном месте, на одной и той же молекуле или группе молекул, чтобы сразу же получить все данные о цепочке атомов (о капле крови или воды, скажем). Речь, иначе говоря, не о том, чтобы принести какие-то крохотки в лаборатории, а о том, чтобы создать малюсенькие, но самые настоящие лаборатории.

И ученые принялись придумывать такие крохотные лаборатории, в которых можно было бы анализировать мельчайшие частицы, например капельку крови. А это означало, что нужно было строить крошечные сепараторы, химические реакторы, ферментёры, датчики и как-то увязывать всю эту мелкоту с построением электрических схем из проводников много тоньше волоса. Дополнительное затруднение налицо: надо еще как-то доставить упомянутую капельку к этим самым проводникам. В таком масштабе расстояний уже очень ощутимы поверхностные явления, и взаимодействие капельки со стенками сведется к тому, что капелька просто не сможет пройти через промежуток в стенках — она «приклеится» к ним. Знатокам микрогидравлики пришлось мучиться с микроклапанами — устройствами, в которых электрическое поле помогает капле просочиться через микроканал.

Вернемся пока к электронике с ее интегральными схемами и транзисторами. Мы уже говорили о токах утечки, превращающихся в транзисторах размером 65 нм в досадную неприятность. А если размер уменьшается до 20 нм и более того — а именно такие сейчас разрабатываются в лабораториях, — то все становится еще хуже! Транзисторы отказываются работать. И не потому, что неправильно сделаны, — дело в архитектуре самого транзистора. Уж слишком малы расстояния, электроны неминуемо отрываются от управляющего электрода — и попадают в канал транзистора. Чтобы предупредить такие утечки, инженерам приходится пускаться во все тяжкие, выдумывая цирковые трюки и с пониманием (теоретической моделью) транзистора, и с его производством. Сегодня уже можно наладить крупносерийное производство транзисторов размером в 45 нм, правда, требуется не менее четырех этапов технологического процесса. А дальше что? Электроны станут разбегаться как крысы с тонущего корабля при малейшем признаке опасности: словом, так или иначе, дальнейшая миниатюризация транзисторов надолго затормозится. На таких расстояниях в любой электрической реакции появляется квантовая составляющая, и, значит, поведение маленьких электрических проводников становится непредсказуемым, поскольку квантовые явления имеют вероятностную природу. Иначе говоря, вся микроэлектроника, та, что была до недавнего времени, приобретает неузнаваемый облик.

Но что это за квант такой, без которого почему-то человечество сегодня не в силах обойтись? В 1900 году немецкий физик Макс Планк предположил, что в мире «внизу», то есть на очень малых расстояниях, изменение энергии происходит не непрерывно, как в макроскопическом мире, а скачками или порциями. Вот этот кусочек энергии, на который уменьшается или увеличивается ее текущее значение, он и назвал квантом. Приращение или падение энергии обязательно кратно некоему числу — кванту (или количеству действия); это число — универсальная, одна и та же для всей Вселенной константа, и называется она постоянной Планка. Поэтому, если электрон, например, входит в некоторый атом, его энергия не может быть какой угодно, она квантована, то есть какие-то значения энергии для него запрещены — их просто не может быть, потому что не может быть никогда. Чтобы как-то объяснить эту ступенчатость или прерывистость энергии, ученые начала XX века не нашли ничего лучшего, кроме сопоставления электрона с волной. Атом удерживает свой электрон — и электрон сидит себе в атоме, как в ловушке. Или как гвоздь в ящике. Только это не гвоздь, а волна. Не всякая волна поместится в ящике: она же будет отражаться от его стенок, и потому длина волны не может быть какой угодно: вот, гитара, например, — это же ящик со струнами, правда? Каждая струна издает одну и ту же ноту (звуковое колебание одной и той же частоты). Меняя натяжение струны, прижимая ее к грифу, можно изменить звук, но непроизвольно — и у разных струн при одном и том же зажиме изменение длины волны будет разным (в ящике — акустическом резонаторе — не всякая волна «поместится»). Вот так и электрон: его энергия в малюсенькой коробочке атома не может быть какой угодно. Другое следствие волновой природы электрона еще удивительнее: нельзя точно указать место, где внутри атома находится этот самый электрон. Существует только вероятностная локализация, то есть мы способны узнать лишь вероятность нахождения электрона в том или ином месте.

Итак, электрон — одновременно и волна и частица. Эта идея вызвала настоящую бурю в физике твердого тела: оказалось, что с приближением одного из трех размеров объема твердого тела (длины, ширины или высоты) к длине волны, ассоциируемой с электроном, начинают проявляться квантовые эффекты. Они заметны уже в крупных транзисторах, но там подобные феномены смазывались большим количеством атомов: квантово-волновые явления, производимые отдельным атомом, складывались с такими же явлениями, генерируемыми другими атомами, и часто гасили друг друга, так что на суммарный эффект можно было не обращать внимания. Это похоже на большой оркестр, в котором каждый инструмент выводит свою ноту независимо от других инструментов; в результате получается не мелодия, а какой-то беспорядочный шум, даже не обязательно громкий.

В очень маленьких устройствах не так: квантовые явления уже не компенсируют друг друга. Из их изучения родилось новое направление — мезоскопическая физика. Размеры подобных приборчиков находятся в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров. Значит, они где-то в промежутке между атомными и макроскопическими расстояниями, отсюда приставка мезо-, посредине, а счет атомов идет на миллионы. Следовательно, в мезофизике квантовые волны электронов (или ассоциированные с электронами) еще путаются, то есть гасят («маскируют») друг друга. Однако здесь, в отличие от макроскопического оборудования, один из факторов путаницы уже не действует. В итоге, когда величина прибора становится меньше свободного пробега электронов (так называется среднее расстояние, преодолеваемое электроном за время между двумя столкновениями), вероятность столкновения с вибрациями атомов падает, словно бы у электронов не остается времени на взаимодействие с себе подобными. И эти колебания атомов уже не компенсируют друг друга, а выступают единым фронтом: словно бы есть одна-единственная волна, колебание, соответствующее большому количеству электронов, — как будто бы из душераздирающей какофонии расстроенного оркестра родился некий аккорд, силы которого хватило, чтобы заставить все инструменты оркестра звучать в унисон.

Углеродные нанотрубки обозначили границу между этой мезоскопической физикой и нанофизикой, до которой мы еще не добрались, а сделаем мы это в следующей главе.

В 1991 году были открыты трубочки из углерода диаметром от нескольких нанометров до десятков нанометров. Длина нанотрубки может доходить до нескольких микрон. Формируются они из листочков графита, которые скручиваются сами, примерно так, как скручиваются блинчики на сковородке. Как только их обнаружили, так сразу же многие стали облизываться на этакое чудо: трубочки оказались очень прочными, имели свойства проводников или полупроводников, как уж получится, и отличались повышенной теплопроводностью. Исследователи спешили проверить, а не получится ли из нанотрубки проводник в микросхеме или канал транзистора нового типа. Электронов в трубке много, а длина ее намного (в тысячи раз) превышает ее диаметр, и потому электрический ток циркулирует по всем классическим правилам: выполняется закон Ома! Вовсе не так обстоят дела в сечении трубки, ведь в ее диаметр уложится всего лишь несколько длин электронных волн. Значит, чтобы понять электронные качества углеродной нанотрубки, надо в одно и то же время учитывать как классические свойства, так и квантовые выходки электронов проводимости, то есть тех электронов, которые есть в трубке.

Устройства иного рода, механические, так называемые протеиновые двигатели, тоже оказались на границе между мезо- и нанофизикой. Протеиновый двигатель — это такое нагромождение белков, которое в клетках превращает химическую энергию в работу. В любом белке белкового двигателя тысячи атомов. Местонахождением этих атомов в пространстве ведают законы квантовой физики. Любой химической связи в белке соответствует колебание некоторого рода и, значит, некая квантовая волна. Поскольку белок — это множество химических связей, по-разному вибрирующих, то все квантовые волны, соответствующие каждому из колебаний каждой химической связи, никак не проявляются в суммарном движении белка. Как и в твердом теле, квантовые волны колебаний накладываются друг на друга — и гасятся, «смазываются». Механические свойства деформируемого белка выглядят почти классическими: белковая молекула может вращаться или перемещаться, совершая движения в пространстве. Нагромождение белков, образующих протеиновый двигатель, будет совершать вращательное движение, выглядящее классическим, что уже наблюдалось в предварительных экспериментах, в которых подобные двигатели испытывались «в пробирке» (in vitro).

Итак, нельзя путать мезоскопическую физику с нанофизикой. Нанофизика имеет дело с приборами, построенными из десятков атомов, причем гашение, компенсация квантовых волн, или отсутствует, или контролируется (то есть может быть учтено), а то и вносится извне — из окружающей среды. Об этом пойдет речь в следующей главе. Однако, как это почти всегда бывает с разграничением научных уделов, и в этом случае возникли раздоры между исследователями (см. Приложение II). Для приверженцев нисходящего подхода, опускавшихся к мезофизике дорогой микроминиатюризации, в частности в электронике, нанофизика начиналась там, где обнаруживались квантовые свойства вещества. Для тех, кто предпочитал восходящий подход, стартовавший с поодиночной манипуляции атомов, нанофизика начиналась там, где можно отличать один атом прибора от другого атома того же устройства, и заканчивалась там, где атомов становилось так много, что их волны, накладывающиеся друг на друга, превращались в трудноразличимый беспорядок, в котором уже невозможно опознавать «отдельные» квантовые явления.

В совсем крошечном транзисторе ток утечки укладывается в рамки квантового явления, известного как туннельный эффект (упоминавшийся выше туннельный микроскоп работает на этом же эффекте): электронов так много, что все они описываются одной-единственной квантовой волной. В квантовом мире волну, связываемую с некоторой частицей, нельзя резко остановить на границе между двумя средами: сохраняется некоторая непрерывность волн (волна переходит, пусть с искажением, из одной среды в другую). То есть электроны, находящиеся в одной среде, могут оказаться по другую сторону границы между средами — иначе говоря, вероятность их обнаружения там отлична от нуля. Например, мы знаем, что эти вот электроны должны быть, скажем, по левую сторону границы, но они вполне могут оказаться на правой стороне — и это нормально, нечего тут удивляться! Это похоже на то, как если бы кто-то из ваших знакомых научился проходить сквозь стены, минуя запоры и замки (и двери с окнами). Правда, умение проходить сквозь стены не выходит за пределы расстояний, измеряемых считаными нанометрами (да и научиться этому трюку может лишь электрон — или еще более мелкая элементарная частица). Если в том же нашем транзисторе слой, изолирующий управляющий электрод от активной части транзистора (канала), будет тоньше нанометра, то какие-то электроны с достаточно большой вероятностью будут перенесены благодаря туннельному эффекту через слой изоляции, а это значит, что между электродами транзистора и между электродами и каналом потечет ток утечки. И это «своеволие» электронов, выражающееся в беспорядочном «бегстве врассыпную», крайне неприятно. Для всякого нового поколения транзисторов приходится придумывать новый изолирующий материал, достаточно непрозрачный для квантовых электронных волн. К тому же транзистор работает тем лучше, чем больше площадь соприкосновения управляющего электрода с каналом. Но сила тока утечки также пропорциональна площади токопроводящих поверхностей. Налицо противоречие: чтобы увеличить действенность транзистора, следует увеличивать площадь соприкосновения (управляющего электрода с каналом), а для снижения тока утечки это соприкосновение следует свести к минимуму. Инженеры оказались в безвыходном тупике!

В приборах, созданных методами микроэлектроники, наблюдаются и иные квантовые явления. В мире наших масштабов если уж по проводнику течет ток, то он подчиняется закону Ома: значит, сила тока обратно пропорциональна электрическому сопротивлению проводника (чем больше сопротивление, тем меньше ток — при том же приложенном напряжении); иначе говоря, если сопротивление проводника велико, то электронам по этому проводнику перемещаться труднее. А ведь чем тоньше проводок, тем его сопротивление больше. Электронам труднее проталкиваться через узкое место — вспомните о зрителях, покидающих театр через узкий коридор.

Однако, когда диаметр проводника уменьшается до нескольких десятков нанометров, наблюдается нечто странное: сопротивление перестает непрерывно возрастать по мере уменьшения сечения проводника, как это было раньше. Нет, оно по-прежнему растет, но — «скачками»: вот мы понемногу делаем провод тоньше, но сопротивление долго не меняется, а потом вдруг возрастает на квант сопротивления. Это примерно так, как если бы в нашем театре зрители не застревали бы на выходе, когда людей, теснящихся в выходном коридоре, становится все больше, а взбирались бы на колесницы, движущиеся с постоянной скоростью, но через несколько метров — когда выходной коридор стал уже — скорость колесниц вдруг падала бы. А еще через несколько метров их скорость становилась бы еще меньше.

Эти скачки объясняются явлением дифракции. Положим, что проводник утоньшается. Тогда раньше или позже, но в какой-то момент сечение его станет таким, что в его диаметре уложится считаное число электронных волн. Тогда при совпадении диаметра проводника с числом, кратным длине полуволны, возникает резонанс и прибавляется квант сопротивления. А когда диаметр проводника становится меньше самой малой полуволны, то проводок делается непрозрачным для электронов. Это выглядит так, словно бы волне (то есть электрону) тесно в слишком тонком проводе — ей просто негде колебаться (так свет не может проникнуть в совсем уж тоненькую дырочку): значит, и потока электронов — а это электрический ток! — не будет. Впервые это квантовое явление обнаружили в самом конце 1980-х годов.

А что будет, если на таких тонюсеньких проводках собрать целую электронную схему? Вот обычная — классическая — электрическая цепь: пусть два сопротивления (например, резисторы — или проводники) соединены параллельно. Тогда электрическая проводимость — так называется мера «легкости», с которой ток преодолевает цепь, — будет равна сумме электропроводимостей обеих запараллеленных ветвей, согласно законам Кирхгофа (они открыты в XIX веке). А теперь переведем схему в мезоскопическую шкалу (это среди прочего значит, что проводки стали совсем тоненькими). Диаметры резистора и провода, который к нему подключен, меньше 100 нм, и никакие законы Кирхгофа схеме не указ. Правда, общая проводимость схемы по-прежнему равна сумме параллельных сопротивлений, но с учетом эффектов квантовой интерференции, а чтобы учесть интерференцию, надо вводить в сумму — или (это удобнее) в ее слагаемые — поправки на квантовые эффекты. Так что никуда законы электротехники не деваются — заряд электрона, одна из фундаментальных физических постоянных, остается тем же. Просто еще и проявляются (на маленьких расстояниях) квантовые явления.

Электрон — это элементарная частица, у которой есть электрический заряд, именуемый элементарным. Элементарен этот заряд потому, что он — неделим. Меньше не бывает. Его приравнивают к -1. Все иные заряженные частицы, то есть те, которые образуют электрически заряженное вещество, имеют заряд, кратный заряду электрона. У атома, захватившего электрон, заряд отрицательный — ведь у него лишний электрон с зарядом -1. К примеру, ион хлора в молекуле поваренной соли (хлорированного натрия) — это атом хлора с лишним, захваченным электроном, а потому он имеет отрицательный заряд, равный -1. Наоборот, атом, потерявший электрон или несколько электронов, будет заряжен положительно, потому что у него недостает электронов. Ион натрия в молекуле той же поваренной соли обозначается символом Na+ — это тот же атом натрия, только без одного электрона.

Возьмем теперь проводящий брусок, по которому протекает ток утечки, и поместим его в магнитное поле, перпендикулярное бруску; между оконечностями бруска возникнет электрическое напряжение. Усилим напряженность магнитного поля — и напряжение между кончиками бруска увеличится; это так называемый эффект Холла. Холлово сопротивление определяется как отношение напряжения к силе тока, оно увеличивается линейно по мере усиления магнитного поля. В 1988 году физики поместили в магнитное поле не проводящий брусок, а пластинку толщиной в десяток нанометров. И увидели, что по мере увеличения магнитного поля сопротивление Холла по-прежнему растет, но не линейно, а скачками, точнее, прирастает строго определенными порциями, — это квантовый эффект Холла.

Первая порция приращения — это элементарный квант Холлова сопротивления, последующие порции кратны этой первой порции. Обнаружилось, однако, что по мере возрастания магнитного поля появляются какие-то промежуточные — некратные первой порции — приращения. Откуда они берутся? Было над чем ломать голову. В самом деле, получалось, что должны быть еще какие-то носители заряда, с зарядом меньше элементарного! Заряд меньше единицы! То есть дробный. Однако никаких «кусочков электрона» так и не нашли. Электрон так и остался неделимым, и его заряд тоже. Носителями же дробного заряда оказались частицы неведомого прежде рода: их назвали квазичастицами, или виртуальными частицами. А «возникают» квазичастицы в результате суммарного, совместного поведения тысяч «нормальных» электронов в сверхтонкой пластинке. В такой пластинке под воздействием магнитного поля все происходит так, словно электрический ток — поток не электронов, а квазичастиц с зарядом в 1/3. В позднейших экспериментах удалось подтвердить существование квазичастиц с зарядами в 1/5 или 1/7 заряда электрона. Вот в какой новый мир привела нас миниатюризация.

Вещие птицы принесли было скверную весть о непреодолимых препонах, якобы мешающих создавать транзисторы при использовании микронной технологии, тем более на расстояниях в четверть микрона или порядка 100 нм (= 0,1 мкм). Через все эти преграды, однако, ухари-физики перемахнули, пускаясь во все тяжкие и выдумывая все более хитроумные трюки. Но вот с поколением транзисторов, меньших 20 нм, ничего не получалось: квантовые явления не позволяли. Надо было пересматривать само понимание транзистора — тот транзистор, какой мы знали со времени его возникновения, уже не годился. Можно было продолжать миниатюризацию и дальше, но новинки не обещали ничего существенно лучшего по сравнению с тем, что уже и так было. Где же выход? Наверное, искать его надо было не на путях преодоления квантовых явлений, а там, где эти явления поддавались бы какому-то использованию. Значит, в лабораториях должна была родиться новая электроника — квантовая. Эту самую квантовую электронику иногда называют — неправильно! — наноэлектроникой. В самом деле, размеры приборов, создаваемых методами квантовой электроники, таковы, что в приборе еще содержатся тысячи атомов. Только допуски — нанометровые, все остальное, можно сказать, «как обычно». Давайте лучше присмотримся к кое-каким дорожкам, сулящим вывести нас к электронике будущего.

Если классический транзистор сделать меньше 20 нм, то в нем останется совсем мало «деятельных» электронов (тех, которые работают в транзисторе). Ну и что? А почему бы не сделать прерыватель (ключ) на одном-единственном электроне? Как только электрон проникает в классический транзистор, суммарная энергия внутри транзистора увеличивается. Электрон черпает эту энергию из тепловых флуктуаций в своей точке «отправления», и, поскольку приращение энергии ничтожно, оно теряется — «тонет» — в тепловых флуктуациях в точке «прибытия». Так что электроном больше или электроном меньше — транзистору («классическому»), в общем, все равно. А вот если транзистор занимает площадку в десяток нанометров и меньше, то такой микроскопической прибавкой энергии пренебречь не удастся. И никаких тепловых микроколебаний не хватит, чтобы замаскировать эту прибавку. Более того, попав в транзистор, электрон загородит дорогу другим электронам. Это явление называют «блокадой Кулона»: ни одному лишнему электрону просочиться не удастся, потому что энергии не хватит — уж очень она дорогая. Происходит так, как в шлюзе: как только он наполнен водой, новая вода прекращает в него поступать — просто места больше нет. «Блокаду Кулона» описали в 1951 году, но о том, что на этом эффекте можно построить транзистор с одиночным электроном, догадались только в 1985 году, а опробовали эту идею в эксперименте лишь двумя годами позже, применив очень изощренные методики электронной литографии.

Еще одна совсем иная электроника может родиться не из использования заряда электрона, а из работы с его элементарным магнитным моментом, который называется спином и истолковывается как вращательный момент, — так, словно бы электрон вращается вокруг своей оси (spin по-английски значит «крутиться», «вращаться»). И, как маленький магнитик, этот спин производит магнитное поле, направленное вверх или вниз — соответственно направленности вращения электрона. Если вещество — не магнит, то ориентации спина (вращательного момента) будут случайными. Значит, в классическом транзисторе ориентация спина любого электрона может быть какой угодно и потому не влияет на свойства транзистора (разные спины компенсируют друг друга). Но если взять материал с выраженными магнитными свойствами (магнетик), то, напротив, количество электронов со спином, обращенным вверх, будет сильно отличаться от числа электронов со спином, ориентированным вниз, что и приводит к намагничиванию материала. Спины электронов, попадающих в магнитный материал, по необходимости взаимодействуют с магнитным моментом этого материала. Положим, что через ферромагнетик (это обычные магниты из железа, никеля или кобальта) течет электрический ток — поток электронов со спинами произвольной ориентации. В таком случае у тех электронов, спины которых ориентированы в одном направлении, больше шансов пройти свой путь, чем у прочих электронов (с разнонаправленными спинами). Получается, что ферромагнетик действует как фильтр, пропускающий электроны с некоторой — «предпочтительной» — ориентацией спина и сильно мешающий продвижению остальных электронов. Еще одно наблюдение: электрическому току (потоку электронов) по силам изменить магнитные моменты на тех участках магнитного материала, которые оказались по соседству с потоком электронов — иначе говоря, если сила тока достаточно велика, то есть движется множество электронов, то их поток поменяет ориентацию магнитного момента самого материала. Исследования подобных явлений стали называть «спинтроникой»[12]. На переворачивание спинов уходит куда меньше времени и энергии, чем на переключение транзистора (из закрытого состояния в открытое или наоборот), уже потому, что электрону проще и быстрее опрокинуться, чем преодолеть некоторое расстояние. Вот почему спинтронная электроника в такой чести у многих исследователей.

Как бы то ни было, похоже, что полупроводниковый транзистор, уже уменьшившийся за годы миниатюризации донельзя, придется заменить каким-то другим устройством. И пока представляется, что в качестве возможных заменителей наиболее предпочтительны транзистор с одним электроном и спинтронный транзистор — потому что такие приборы могут изготавливаться посредством технологий, уже освоенных по ходу миниатюризации классических транзисторов. Во всяком случае, ясно одно: физики в новых приборах должны как-то использовать квантовые эффекты, а не пытаться обходить или как-то нивелировать эти неизбежные явления.

Нанотехнологическое предание повествует о прозорливости Фейнмана: мол, именно его якобы пророчества воплотились в отказе от сверхминиатюрных транзисторов в пользу волокон ДНК и микромеханики. На самом деле становление этих нанотехнологий происходило в ходе непрерывного развития обычных приемов, разработанных еще в конце 1950-х годов; достаточно назвать фотолитографию — правда, в приложении к формированию компонентов микроэлектроники и микромеханики, или электронную литографию — в приложении к мезоскопической физике. Такие нанотехнологии подчас имеют дело с предметами, размеры которых измеряются десятками и сотнями нанометров и лишь допуск точности исчисляется единицами нанометров. Тем не менее именно они вышли на передний план и сумели связать свои наименования с ярлыком «бесконечно малые»… тогда как совсем иная технология осталась в тени или скорее была задвинута в тень: речь о технологии действительно нанометрического масштаба, манипулирующей отдельными атомами и позволяющей создавать устройства с размерами в считаные нанометры при допуске точности порядка 0,1 нм. Об этой технологии мы поговорим в следующей главе.

Технологическая алчность побуждает втискивать как можно больше транзисторов в как можно меньшую полупроводниковую пластиночку — в этом и состоит экономический и практический интерес миниатюризации, однако в нашей жизни миниатюризация выводит еще и на некий путь, ведущий к вопросу метафизическому: а не удастся ли однажды смастерить такую машину, которая сможет думать? И этот вопрос красной нитью проходит во многих работах сегодняшних ученых.

Когда Паскаль воплощал в неживом веществе свою вычислительную машину, его «паскалина» не думала. Когда Джеймс Уатт изобретал маленькую паровую машину для своей лаборатории, он придумал для нее управляющую программу в виде трех дырочек, пробитых в жестяной пластинке. И эта пластинка с дырочками определяла очередность, в которой открывались и закрывались вентили и клапаны его машины. Паровая машина тоже не думала, кто спорит. Когда в 1820 году Чарльз Бэббидж задумал построить первую механическую вычислительную машину, она могла выполнять множество различных действий, но, конечно, при этом ни о чем не думала. В наши дни, когда инженеры втискивают в малюсенькую коробочку 100 млн транзисторов, такая шкатулочка, очевидно, тоже не мыслит. Да и вообще возможно ли собрать из шестеренок, трубок, вакуумных ламп или транзисторов мыслящую машину? В 1957 году Джон фон Нейман объявил, что для этого потребуется 100 000 транзисторов. Миниатюризация помогла преодолеть и этот рубеж, причем уже давно, а машины все еще так и не научились думать.

В конце концов, как бы ни хотелось миниатюризировать и миниатюризировать, приходит день, когда кусочек вещества становится слишком уж маленьким, чтобы втиснуть в него приборчик и тем более машину… В 1960-х годах думали, что миниатюризация наткнется на естественный предел тогда, когда выйдет на размеры молекул живого вещества — а это белки или ДНК, молекулы из тысяч атомов. Как раз в то время узнали о способности макромолекул накапливать информацию, транспортировать другие молекулы, вырабатывать энергию и общаться между собой. Так, есть энзимы[13] с несколькими активными участками, и активность этих участков управляется другими молекулами — иначе говоря, такой энзим «срабатывает» по команде, которой может служить молекулярный или электрический сигнал — что немного похоже на срабатывание электронного реле. В 1970 году Жан Моно в своей работе о «Случайности и необходимости» [Le Hasard et la Nécessité] писал, что вызов, брошенный физикам, состоит в том, что минимальная масса электронного реле примерно равна 10^-2 г, а масса энзима, способного выполнять те же действия, что и реле, порядка 10^-17 г, то есть в миллион миллиардов раз меньше! Тем самым подчеркивались возможности тогдашних сверхминиатюрных устройств, а им было далеко до тех чудес, которыми мы располагаем сегодня. В то время и думать никто не смел о машинах, по размеру меньших, чем макромолекулы. Да и сами макромолекулы казались чересчур крошечными, чтобы на их основе создавать какие-то работающие устройства. Моно бросил ученым вызов: он говорил, что вот есть молекула, она вполне материальна, устойчива во времени (существует достаточно долго) и имеет определенную протяженность в пространстве — перечисленных качеств довольно, чтобы эту молекулу превратить в машину. Но как? Идеи Моно казались абсолютно безосновательными. Но в 1990-е годы родилась иная мысль — почему бы не перевернуть порядок создания машины? То есть начинать не с большого объема вещества, из которого понемногу удаляют все лишнее, в итоге получая миниатюрную машину, а наоборот — взять несколько атомов и строить из них машину, добавляя по мере необходимости новые атомы. Вот на этой идее и строится некая новая технология — нанотехнология. Иначе этот перевернутый порядок формирования машины можно назвать «восходящим», и настоящая глава посвящена рассмотрению первого этапа создания двигателей и механизмов из молекулярных комплексов: мы с самого начала «остаемся на дне» шкалы величин, чтобы понять, как обращаться с одним-единственным атомом или молекулой, в которой не более считаных десятков атомов. Мы будем учиться манипулировать частицами много меньше биологических объектов.

Благо, что у нас есть орудие, открывающее врата в этот рай, да еще и предлагающее технические способы обычного технологического порядка, — это изобретенный в 1981 году туннельный микроскоп. Впервые изображение одиночной молекулы было получено в 1957 году, на электронном микроскопе (см. Приложение I). Но туннельный микроскоп позволит не только вывести на экран изображение одной молекулы, но и прикоснуться к этой молекуле иглой микроскопа. Независимость молекулы, то есть ее существование в качестве самостоятельной материальной сущности, превратилась из умозрительного представления в факт, который можно использовать. С тех пор, собственно, и началось приключение по имени нанотехнология. Это она позволяет создавать устройства много меньших размеров, чем все то, что изготавливалось до сих пор: речь о приборах величиной порядка нанометра и допусках точности в десятые доли нанометра.

Нанотехнология, следовательно, — новый этап многовековой эпопеи, именуемой познанием материи или наукой о веществе, а не просто еще одна фаза развития материаловедения.

Прикосновение иглы туннельного микроскопа к молекуле превращает ее в самую малюсенькую машину из всех, какие только возможны. Однако с самого начала понятие молекулы предлагалось как ответ на задачу определения веществ. По определению, молекула есть самая маленькая частица соответствующего вещества. О том, что такое молекула, ученые всегда много и горячо спорили. Джованни Альфонсо Борелли (1608–1679) мыслил вещество — тот или иной его вид (металл, газ, жидкость) — как нагромождение «маленьких машин» (machinulae), причем эти «машинки» то сближаются, то убегают друг от друга. Ученых XVII века мучили неудобства господствовавшего в то время учения Аристотеля, который учил, что все вещество состоит из четырех стихий (лат. «элементы»): земли, воды, огня и воздуха. Среди тех, кого не устраивали идеи Аристотеля, был и нидерландский врач и математик Исаак Бекман, переписывавшийся со многими своими учеными современниками. А еще он регулярно вел научный дневник, который прилежно заполнял размышлениями и описаниями своих экспериментов. 14 сентября 1620 г. он записал, что после деления дозы лекарства пополам обе полудозы сохранили целебные свойства. Последующие деления показали то же, но, рассуждал Бекман, если делить дозу надвое вновь и вновь, наверное, настанет такое время, когда крошечный осколок утратит свои свойства. Бекман назвал эту мельчайшую частичку, сохраняющую целительные свойства, «минимумом». Этот «минимум» означал то же, что и нынешний термин «молекула». Бекман думал, что «минимум» состоит из атомов, которые сделаны из «первичного вещества», хотя и отличаются друг от друга своими «формами». Он при этом уточнил, что можно различить по крайней мере четыре типа атомов (что соответствует четырем стихиям), хотя их может быть и больше (сегодня мы знаем о ста восемнадцати элементах).

В 1621 году Себастьен Бассон пришел к сходным представлениям. Он был богословом, регентом коллегии в Дофине. Интересуясь происхождением и строением вещества, он поначалу изучал древние источники, предшествующие Аристотелю, стало быть, более близкие ко времени сотворения мира и, значит, заведомо более достоверные. Бассон изучил доводы атомистов, доказывавших, что материя непрерывна и состоит из атомов, и решил проверить эти утверждения на опыте, для чего влил тонкой струей немного вина в воду. Вино растворялось и постепенно расходилось по большому объему воды, что, по мнению атомистов, доказывало — вещество делится на частицы. Решив, что вещество состоит из первичных частиц, Бассон тоже заговорил о минимумах. Его минимумы, однако, состояли из тех же четырех стихий, и один минимум отличался от другого долей в его составе тех или иных стихий. Еще он решил, что минимумы собираются в частицы второго порядка, а те — в частицы третьего порядка, и т. д., и эти скопления частиц мало-помалу приобретают вид и размеры тех предметов, которые мы видим вокруг себя. Так родилось представление о молекуле — то есть о мельчайшей частице некоторого вещества, которая, однако, построена из других частиц (стихий или элементов). Правда, само слово «молекула» (molecula) появилось много позже, в 1636 году, из-под пера Пьера Гассенди: этот французский священник присоединил суффикс — кула к слову «моль», означавшего тогда то, что теперь обозначается словом «масса», чтобы перевести слово «частица» в писаниях Диогена Лаэртского — того места, где Диоген рассказывает о философе-атомисте Эпикуре (но древнегреческая молекула совсем не похожа на молекулу, которую мы знаем сегодня).

Молекулы, пусть тогда и бывшие чистым предположением, сильно разволновали ученых, занимавшихся наукой о материи. Антуан Лавуазье (1743–1794) показал, что вещество сохраняет свои свойства — он говорил о тождественности — в любом состоянии: парообразном, жидком или твердом. Водяной пар, вода и лед состоят из одного и того же вещества, только молекулы, которые его образуют, выстраиваются по-разному, в зависимости от конкретного физического состояния. Лавуазье был большим мастером «молекулизации мира»:[14] концепция молекулы еще только развивалась и развертывалась, и лишь к концу XVIII века она утвердилась настолько, что ученые понемногу начали объяснять наблюдаемые явления, прибегая к понятию «молекула».

В XIX веке наука о материи продвигалась вперед так успешно, как никогда ранее. Англичанин Джон Дальтон догадался, что вещество состоит из атомов с разными массами и атомы объединяются в молекулы — так в первый раз прозвучало правильное описание материи. Итальянский химик Амедео Авогадро вскоре показал, что в двух герметичных сосудах одинаковой величины, если в них поддерживаются одно и то же давление и одинаковая температура, содержится одно и то же количество молекул (приблизительно 27 тысяч миллиардов миллиардов, 27 X 10²³, молекул на литр), какой бы газ ни содержался в сосуде: молекула приобрела телесность, вещественность, можно сказать, стала осязаемой. Но ученые по-прежнему говорили на разных языках. Так, Авогадро обсуждал свойства не атомов, а «элементарных молекул», зато Джон Дальтон называл молекулы «сложными атомами». В 1860 году в Карлсруэ собрался большой конгресс, чтобы прояснить ситуацию и договориться о терминологии. После ожесточенных споров химики все же согласились принять ряд основополагающих определений, которые почти в неизменном виде в ходу и поныне. Среди прочего было утверждено и различение между атомом и молекулой (группой атомов).

С этого времени умножились попытки определить физические размеры молекулы, само существование каковой, честно говоря, все еще оставалось чистой гипотезой. Австрийский ученый Йозеф Лошмидт (1821–1895) вычислил диаметр «молекулы воздуха»: получилось 9,69 x 10^-7 мм, то есть 0,969 наших нынешних нанометров, что, конечно, совершенно замечательно… вот только нет никаких таких молекул воздуха[15]. Английский физик лорд Кельвин (1824–1895), воспользовавшись иным методом, оценил размеры атомов цинка и меди в 0,1 нм. Порядок величины верен. Задолго до этого Бенджамин Франклин (1706–1790) предложил эксперимент, позволивший, пусть на сто с лишним лет позже, рассчитать размеры молекулы. Франклин, как и многие другие, заметил, что растительное масло не смешивается с водой, а образует на ее поверхности тонкую пленку. Положим, что толщина пленки — одна молекула, тогда разделив объем разлитого масла на площадь образовавшегося пятна пленки, получим размер молекулы масла — порядка нанометра (этот опыт и теперь показывают школьникам и студентам).

Однако на протяжении всего XIX века химиков сильно смущала одна загадка, с которой они то и дело сталкивались: некоторые вещества, состоявшие из, казалось бы, одинаковых молекул, выказывали совершенно разные свойства. Почему это? Что же это такое получается? Шведский химик Йенс Якоб Берцелиус предположил: «Быть может, в будущем эту [тайну] прояснит изучение пространственной формы [молекул]». И назвал эти ставящие в тупик химические соединения «изомерами». Его гипотеза оказалась верной: в 1875 году химики Якоб Ван Гофф и Жозеф Ле Бель обнаружили, что связи атома углерода направлены из центра атома к вершинам некоторого тетраэдра. Молекула оказалась трехмерной, то есть занимающей в пространстве определенный объем. Следовательно, две молекулы, составленные из одинаковых атомов, способны по-разному располагаться относительно друг друга, и, если конфигурации молекул различны, то и их свойства будут разными. Немецкий физик Рудольф Клаузиус показал, что архитектура молекулярных конфигураций не слишком жестка: атомы совершают небольшие колебания, даже в твердом теле. В 1890 году молодой немецкий химик Герман Заксе пошел дальше, обнаружив, что архитектура молекул еще и не так уж постоянна, она может искажаться, словно обладая «гибкостью» или пластичностью. В конце концов, на исходе XIX века, молекула обрела примерно тот облик, который мы приписываем ей и теперь: этакий скелетик из атомов, ответвления от которого, да и он сам, могут менять свое положение в пространстве, принимая те или иные формы.

Ученые наконец смогли понять множество наблюдаемых макроскопических явлений, объясняя происходящее поведением молекул. Но вот незадача: никто никогда не видел ни единой молекулы — уж слишком они малы, настолько, что ни в один микроскоп не углядишь. Так что по большому счету молекула оставалась гипотезой, и немало ученых людей, в том числе и самых прославленных, отказывались признавать саму концепцию молекулы. Например, несгибаемый Марселен Бертло, сильный человек, и не только выдающийся ученый, но еще и государственный муж, один из самых влиятельных деятелей своего времени (профессор Коллеж де Франс, член Академии наук, занимал посты министра просвещения и министра иностранных дел), считал само представление о молекуле вздорным измышлением и приклеил к нему ярлык «мистической концепции». Но после 1908 года отрицать молекулы стало неприлично, так как в том году французский физик Жан Перрен представил неоспоримые экспериментальные доказательства их существования.

В 1871 году британский физик Джеймс Клерк Максвелл вызвал настоящую культурную революцию, которая, правда, поначалу осталась незамеченной. Ученый придумал — или вообразил — некую сущность, или существо, или невесть что еще, но это что-то — или кто-то — умел измерять скорость каждой молекулы газа, заключенного в некотором сосуде. Значит, этот демон Максвелла, как его окрестили позднее, действительно должен быть очень маленьким. И ему по силам не только «следить» за молекулами, разбегающимися во все стороны, но и еще как-то сортировать их — по скорости: вялых в одну сторону, резвых — в другую. И если запустить этого чертенка в объем вещества, температура которого — комнатная, то он затолкает половину молекул, медленных, на одну сторону (там получится холодная сторона), а вторую половину молекул, горячих, — на другую (там будет раскаленный угол). Получается, что температура напрямую зависит от скорости молекул. Построения Максвелла — всего лишь мысленный эксперимент, грубо говоря, игра воображения, но, придумав своего «демона», ученый тем самым предложил новое понимание того, что творится на молекулярном уровне. В 1870-е годы молекула, можно сказать, обрела некий уже различимый облик. Понятно, что о каких-то молекулярных устройствах тогда и думать было нечего, и никто даже не заикался о проектировании, тем более производстве подобных приборов. Демон Максвелла никуда не делся, с ним охотно забавлялись творцы термодинамики, но естественно вытекающая из представления о демоне идея молекулярного двигателя была забыта — на добрые сто лет.

В течение XX века демоном Максвелла интересовались и биологи, в частности, Жак Моно. Они пробовали вывести Максвеллова чертика на чистую воду. Ученые, в поисках объяснения элементарных процессов, происходящих в живой природе, решили приглядеться к макромолекулам: одни большие молекулы обеспечивали незыблемость строения клетки, другие брались за иную работу. И вот в 1947 году американский биохимик Альберт Сент-Дьёрдьи — он еще открыл витамин С — предположил, что белки заставляют электрон двигаться вдоль своего атомного каркаса, примерно так, как это происходит в электрическом проводе. Молекула еще не сравнялась по сложности с двигателем, не уступающим в сложности демону Максвелла, но Сент-Дьёрдьи уже приписал ей способность проводить электрический ток и, значит, признал, что вовсе не обязательно сначала производить некоторый материал, а уже потом поручать ему проводить ток. Молекула, всего одна, способна исполнять очень точно конкретные обязанности в сложном процессе сборки. Молекуле в одиночку, как и предполагал Максвелл, по силам творить физику. Демон же продолжал бродить по естественно-научным пажитям и попал в конце концов в руки химиков.

Американский физикохимик Генри Таубе вспомнил идею Сент-Дьёрдьи и, чтобы ее проверить, поставил ряд экспериментов. К концу 1950-х годов он придумал и синтезировал продолговатые молекулы (около 1 нм в длину и диаметром 0,2 нм). Затем он исследовал их методами спектроскопии: пропустив луч света через объем раствора, содержащий миллиарды таких молекул, он обнаружил такое поглощение инфракрасного излучения, которое можно было объяснить только какими-то межмолекулярными взаимодействиями. Таубе показал, что энергия поглощенного излучения связана с перемещением — или передачей — электрона из одного места молекулы в другое. Тем самым он получил доказательства того, что электроны способны двигаться по молекуле по одному и один за другим — почти так же, как по электрическому проводу. Впервые удалось придумать — и создать — молекулу, в которой электроны могли перемещаться с одного ее края до противоположного.

В начале 1970-х годов под Нью-Йорком в исследовательских лабораториях Т. Дж. Уотсона, принадлежащих компании IBM, работал американский химик Ари Авирам. Как-то он встретился с Марком Ратнером из Университета штата Нью-Йорк, и после бурных обсуждений эти двое выдвинули идеи, которые было трудно воспринять любому физику того времени, даже весьма увлеченному электроникой и знакомому с новейшими достижениями в этой области. А дело в том, что Ратнер с Авирамом решили: вместо крошечного проводника куда разумнее приспособить к выпрямлению электрического тока молекулу, нужно только заставить ее проводить ток лишь в одном направлении. Для этого они придумали небольшую молекулу длиной 1,2 нм, состоявшую из двух разных частей: одна часть обогащена электронами, а другая — напротив, обеднена ими. Молекула, подключенная к двум электродам, по электроду на каждый край, работала как выпрямитель: электроны с электрода не могли пробиться через область, богатую электронами (те не пускали своих товарищей), но зато легко проскакивали через область, бедную электронами. Значит, электроны переносились через молекулу, то есть можно сказать, что через эту молекулу протекает электрический ток — но только в одну сторону.

Итак, столетием спустя после того, как Максвелл изобрел своего демона, Авирам и Ратнер описали молекулу, которая способна делать то же, что и максвелловский демон, но без всякой бесовщины. Такая молекула — сама по себе прибор. Сверхминиатюризованный. И ведет себя как демон Максвелла: в самом деле, молекула, как и чертик, сортирует частицы, но только не молекулы, а электроны, пропуская их лишь в одном направлении. Более того, эта молекула не смешивается с миллиардами миллиардов других молекул, потому что она может выполнять свое задание, а они — нет. Мысль о превращении одной, непохожей на другие, молекулы в электронный прибор ознаменовала рождение молекулярной электроники. Вот только тут возникла одна непростая задача: как к этой молекуле подсоединить макроскопические электрические провода?

В середине 1980-х годов способов пропустить электрический ток через одну-единственную молекулу не существовало. И Авирам с Ратнером никак не могли доказать, что их молекула умеет выпрямлять ток. От них все только отмахивались: уж очень мала молекула, да и как к ней подвести провода? Других молекулярная электроника просто не интересовала: а зачем все это? Микроминиатюризация и без того движется вперед на всех парах. Мало-помалу сама идея молекулярной электроники выдыхалась.

В 1985 году, будучи молодым ученым, каковым я мог себя считать, поскольку уже написал диссертацию, я пришел к директору находящейся в Тулузе лаборатории оптики Национального научно-исследовательского центра (CNRS), чтобы ознакомить его с решением задачи подключения, которое долго вынашивалось в моей голове. Мысль — проще некуда: сфокусировать пучок электронов электронного микроскопа на одной молекуле — а вдруг эта молекула пропустит несколько электронов? А потом их — эти проскользнувшие через молекулу электроны — попытаться собрать на электроде, подсоединенном к другому концу той же молекулы. Идея была очень уж наивная, и директор на пальцах растолковал мне, что молекула сразу же сгорит в высокоэнергетическом электронном пучке, так и не успев впустить в себя хоть парочку электронов.

Сам Авирам вел долгие разговоры по тому же поводу со знатоками электронной литографии из IBM. Он домогался от них ответа на такой вопрос: раз уж мы дожили до того, что методами электронной литографии удается формировать на поверхности кремния металлические проводки размером порядка 20 нм, то нельзя ли расщепить такой проводок, чтобы вставить в расщелину парочку-другую молекул? Специалисты, увы, его разочаровали: и проводок не разрезать — нечем и никак, а если бы это даже и удалось, то как добиться такой точности, которая нужна, чтобы щель получилась молекуле по размеру? Чтобы ей в щели было не тесно, но и не слишком просторно?

А между тем появилась совсем новая техника — туннельный микроскоп, изобретение европейских сотрудников IBM, которые работали в Цюрихе. Из Швейцарии новинка попала в другие исследовательские лаборатории IBM и даже в некоторые университетские лаборатории. В 1983 году туннельным микроскопом обзавелась и та лаборатория, в которой трудился Ари Авирам. Физики сразу же приспособили новый прибор к изучению полупроводниковых поверхностей: атомное разрешение (на изображении были различимы детали величиной с атом) позволяло не только лучше увидеть и понять структуру полупроводника, но и заметить ее дефекты. Авирама же эта задача оставила равнодушным — он возился с синтезом очередной новой молекулы.

А потом его осенило, как поменять форму молекулы таким образом, чтобы она работала выключателем — прерывателем электрического тока. Идея была такая: посадить молекулу на точку спайки, соединяющей два металлических электрода, а затем создать вокруг этой молекулы электрическое поле, которое заставит два атома водорода переместиться вдоль нее. Этот перенос атомов изменит ее электронную структуру, то есть распределение электронов внутри молекулы, и соответственно ее электропроводимость. Поскольку молекула теперь куда лучше проводит ток, чем в прежнем виде, то и ток во внешней электрической цепи должен увеличиться. А если гонять атомы водорода то в одну сторону, то в другую, молекула станет прерывателем электрического тока.

Но молекула-выключатель оставалась слишком уж крошечной, чтобы Авираму удалось убедить своих товарищей из IBM в том, что из его хлопот когда-то выйдет что-то путное, практичное.

Прошло время, и Авирам как-то все-таки обратил внимание на туннельный микроскоп, который уже три года работал в его лаборатории. Ари очень заинтересовала игла этого прибора — надо же, такая тонкая, кончик острия — всего несколько атомов! Вот он, тот самый ультраминиатюризованный электрод для подключения к одной-единственной молекуле, решил Авирам, и поспешил сплотить вокруг себя команду исследователей, сосредоточенных на одной цели: установить контакт между иглой и молекулой. Начали мы с подложки из золота. Потом рассыпали на золотой поверхности молекулы-выключатели, синтезированные Авирамом. Такая поверхность должна быть совершенно ровной, иначе любой заусенец можно принять за молекулу — нашу молекулу. Дело оказалось весьма непростым: иголка дергалась и из-за этого не задерживалась возле молекулы даже на секунду. Времени явно не хватало: даже если электроны и переберутся с иглы на молекулу, электронные схемы, управляющие туннельным микроскопом, просто не успеют засечь сигнал. Тогда мы перенастроили электронику микроскопа на самые скоротечные сигналы. И вспомнили все молитвы и все суеверия: надежда на успех, несмотря ни на что, жила в наших сердцах.

На этот раз и дрейф иглы удалось уменьшить — как бы то ни было, ее кончик продержался над молекулой достаточно долго, чтобы мы успели замерить ее электрические характеристики! Увы, ничего особенного мы не обнаружили — молекула как молекула, а мы-то хотели, чтобы она работала как выключатель. Мы принялись вновь и вновь подводить к ней иглу, менять расположение молекул, но ток не менялся — во всяком случае, совсем не так сильно, как его меняет любой выключатель, даже плохой. Наконец, после самой кропотливой подготовки иглы и медленного повышения напряженности электрического поля между иглой и поверхностью подложки, сила тока вдруг резко возросла! Ток пошел! Выключатель замкнулся. Итак, мы сумели пропустить электрический ток через наш молекулярный выключатель.

Но счастье оказалось мимолетным. То, что мы приняли за замыкание нашего молекулярного прерывателя, было на самом деле атомным коротким замыканием! Понадобилось еще десять лет освоения навыков работы с туннельным микроскопом, да и совершенствования самого микроскопа, чтобы научиться устанавливать электрический контакт между его иглой и одиночной молекулой. Пока что по-иному подключаться к молекуле не получается. И все же в том, хоть и не совсем удачном, опыте мы показали, что туннельный микроскоп может соединить несколько атомов в электрическую цепь. Наш эксперимент вводил молекулярную электронику в эру нанотехнологии и повышал интерес к этой области исследований.

Столько ученых так долго не верили в возможность подключения одной, и единственной, молекулы! Иначе говоря, они сомневались в том, что можно наладить обмен электронами с молекулой, обосновывая свои сомнения квантовыми свойствами электронов. Электроны подчиняются квантовым законам, следовательно, поведение электронов хоть внутри молекулы, хоть где еще, заведомо случайно (вероятностно). А можно ли управлять случаем? Так что все разговоры об управлении электронами — пустая трата времени. Выходило так, что отцы квантовой механики зло подшутили над экспериментаторами. В самом деле, физические свойства атома, по Шрёдингеру, квантовые, значит, никак нельзя установить местоположение или локализовать волну, ассоциируемую с этим атомом. То есть манипулировать им так, как если бы он был просто частицей твердого тела, невозможно.

Но в 1950-е годы Эрвин Мюллер на автоионном микроскопе (см. Приложение I) впервые получил изображения атома вольфрама, и это достижение сразу же породило раздоры в стане ученых. Иные из них заходили так далеко, что позволяли себе сомневаться в квантовой теории вещества! Другие, напротив, заявляли, что изображения Мюллера — какое-то недоразумение; наверное, его фотокамеры зафиксировали некие паразитные погрешности, а скорее всего это вообще эффекты интерференции.

В начале 1970-х годов ученики Мюллера заставили атом прыгать на игле автоионного микроскопа, для чего они меняли напряженность электрического поля и температуру иглы. И проследили, почти напрямую, на экране траекторию этого атома, который блуждал на поверхности вольфрамовой иглы. Опыт, казалось бы, подводил черту под спорами: итак, вопреки Шрёдингеру удалось локализовать атом. Более того, удалось не только точно указать на место, где этот атом находится, но и увидеть его перемещения! Но не тут-то было.

Споры приутихли только зимой 1989 года, после того как свои труды обнародовал — и сделал это весьма темпераментно — Дональд Эйглер, работавший в исследовательских лабораториях компании IBM в Альмадене, штат Калифорния. До Альмадена Эйглер два года провел в лабораториях компании Bell на восточном побережье США, тех самых лабораториях, где родился транзистор, один из важнейших компонентов — и символов — электроники. А теперь Эйглер захотел построить микроскоп, работающий на основе туннельного эффекта, чтобы поглядеть, как такой редкий газ, как ксенон, взаимодействует с металлической поверхностью. Эйглер уже имел раньше дело с благородными газами: когда ему надо было защитить диссертацию в Калифорнийском университете в Сан-Диего, он воспользовался расхожей методикой обработки металлической поверхности пучками газов — так определяли магнитные свойства металла, но Эйглер попутно собирал сведения об электронах на поверхности металла. В Альмадене Эйглер начал сооружать такой туннельный микроскоп, который и работал бы очень устойчиво, и сохранял бы работоспособность при самых низких температурах. На это у него ушло три года. Когда же микроскоп был готов, Эйглер, вместо того чтобы проецировать на поверхность металла пучок атомов ксенона, разместил эти атомы на поверхности и стал наблюдать за ними и за их взаимодействием с металлической подложкой. Такие редкие газы, как ксенон, называются благородными потому, что они очень устойчивы и при этом практически не вступают в химические реакции с атомами иных элементов. Чтобы атомы ксенона не сбежали с подложки, Дон Эйглер охладил ее до очень низкой температуры.

И вот однажды ночью (когда вибрации здания минимальны — и сотрудники ушли домой, и машины за окном уже не ездят) он увидел изображения — сначала одних атомов, а потом и других и на одном и том же участке металлической поверхности. И хоть иголка микроскопа все равно болталась, всякий раз магнитоскоп после очередного колебания иглы регистрировал новый образ. Затем Эйглер, изучая зарегистрированные изображения, придал потоку изображений большую скорость (это примерно так, как если смотреть кино на повышенной скорости смены кадров) и заметил, что одно изображение атомов «перетекает» в другое и что направление перетекания совпадает с направлением отклонения иглы. Он повторил опыт и увидел, что в зависимости от напряжения, приложенного к игле, и тока, через нее протекающего, изображение получается или тривиальным, не обнаруживающим ничего особенного, или измененным — с шевелящимися атомами. Итак, налицо доказательства того, что не бессонная ночь повинна в смещении атомов. Их движение — не игра случая, но результат усилий экспериментатора. Получается, что атомами можно манипулировать — вопреки всякому ожиданию и наперекор всем квантовым предписаниям. Чтобы доказать свою правоту, Дон Эйглер написал слово «IBM», выложив буквы 35 атомами ксенона. Эта картинка облетела весь мир и ознаменовала рождение нанотехнологии: человек заставил атомы «ходить строем».

Что же случилось под иглой? Уподобим атом ксенона футбольному мячу на поле стадиона. На траве, которая растет на этом поле, мяч неподвижен — его не пускает трава. А когда футболист ставит ногу на мяч, он давит — слегка — на мяч, то есть мяч теперь не пускает бутсу футболиста. Но если футболист уберет ногу, мяч совершит несколько оборотов вокруг своей оси — ногу футболист убрал, но давление внутри мяча осталось. На этом основан прием, который называется «крученый мяч». Если же футболист не уберет ногу, а надавит ею на мяч чуть сильнее, мяч выскользнет из-под ноги и покатится. Вот примерно то же случилось и с атомом ксенона под иглой туннельного микроскопа. Чтобы получить хорошее изображение атома ксенона, не смещая его, иголку надо подвести на расстояние, большее 0,2 нм (нога футболиста над мячом). Если же промежуток между кончиком иглы и атомом меньше 0,2 нм, игла вступает во взаимодействие с атомом и меняет взаимодействие атома с поверхностью подложки. Атом — «в западне», и эта «западня» сдвигается вслед за перемещением иглы туннельного микроскопа.

Дон Эйглер придумал несколько объяснений для поведения атомов металлов и малых молекул: его «молекулярный человечек» ростом в 5 нм состоял из молекул моноксида углерода (угарного газа). Весть про успехи Эйглера дошла до Японии и вызвала у тамошних ученых острую зависть. Директор Hitachi потребовал от своих научных сотрудников научиться писать атомами. Но остроумные японцы, вместо того чтобы выводить буквы на поверхности металла, выставляя на ней атом за атомом, решили снимать атомы, тоже по одному, с поверхности полупроводниковой подложки — буквы выкладывались не из атомов, а из дырок, оставшихся после удаления атомов. На надпись «IBM» японцы ответили целым лозунгом «РЕАСЕ’91 HCRL» — «МИР в 1991-м году — Центральная исследовательская лаборатория фирмы Hitachi».

Умение Дона Эйглера манипулировать атомами помогло проворным политикам в США, а затем и Японии развернуть за счет бюджета большие научно-исследовательские программы. За ними последовали и иные не слишком застенчивые правительства по всему миру; впрочем, об этом уже рассказано — в главе 1. И все же до середины 1990-х годов ни в одной лаборатории за городской чертой Альмадена не смогли воспроизвести эксперимент Дона Эйглера — уже потому, что нигде в мире ни у кого не было такого хорошего туннельного микроскопа, как в Альмадене. Только потом Герхард Мейер из Берлинского свободного университета сумел придумать усовершенствования, позволившие поставить производство туннельных микроскопов, пригодных для манипуляции атомами, на поток (причем каждый такой прибор стоил немало — примерно 0,4 млн евро!).

Дон Эйглер, что и говорить, первопроходец, но его удача породила новые вопросы. Например: а нельзя ли перемещать одиночные большие молекулы? Иголка может «наступить» не только на атом, но и на молекулу, и та схватится за кончик иглы. Но в молекуле, особенно огромной, и атомов много, и энергия захвата рассеется на многочисленных химических связях между атомами внутри молекулы. В итоге молекула не сдвинется, а то и слетит с иглы — если экспериментатор надавит на молекулу чуть посильнее.

Мы — то есть физик из лаборатории IBM в Цюрихе Джим Гимжевски и я — предложили свое решение этой задачи. Джим был из тех начинающих физиков, которые, как считало руководство IBM, должны были освоить работу с туннельным микроскопом и научиться применять этот прибор во всех областях физики и химии для изучения поверхностей. Прибор, совсем новый, позволял наблюдать явления, разворачивающиеся на поверхностях металлов и полупроводников, — можно было, к примеру, «увидеть», как атом бора (бор используется в качестве примеси, усиливающей нужные свойства полупроводника) влезает в атомную решетку полупроводника и как искажается эта решетка после появления энергичного пришельца. Микроскоп одарял нас прекрасными и весьма поучительными изображениями, но главное — очень уж не хотелось, чтобы весь приоритет заграбастали ловкачи из IBM. Еще в 1988 году, когда я пропускал электрический ток через молекулу, работая вместе с Авирамом в Нью-Йорке, Джим в Цюрихе получил первые изображения большой молекулы — фталоцианина (это такой краситель) — на поверхности серебряной подложки (см. Приложение I).

Джим продолжал возиться с макромолекулами, а я помогал ему объяснять и получаемые картинки, и то, как они возникают. В самом деле туннельный микроскоп формирует изображение, пользуясь облачками электронов, окружающих атомы, а не непосредственно самими атомами. Сигнал микроскопа столь силен, что это электронное облако становится совсем прозрачным для «туннельных» электронов, испускаемых микроскопом. Можно составить карту этой прозрачности, которая пропорциональна электропроводимости туннельного соединения «игла — молекула — поверхность». Нельзя сказать, чтобы такая карта разом становилась бы полноценным изображением — этакой «фотокарточкой молекулы». Нередко карта получалась трудночитаемой, и было непросто понять, что же изображено на картинке, и догадаться, какова форма молекулы; да и сообразить, молекула ли это или какие-то помехи, удавалось не всегда.

В 1995 году мы изучали большую молекулу соединения, называющегося порфирин, и смогли построить карту ее электропроводности, однако так и не поняли некоторые детали этой карты. Джим вместе с молодым физиком по имени Томас Юнг, который входил тогда в нашу группу, занимался изображениями, а я — расчетами, истолковывающими эти картинки. И вот в апреле приходит сообщение от Томаса: «Она движется!»

Вскоре мы с Джимом решили ввести в эксперимент еще один параметр и слегка приподнять тело молекулы над поверхностью, чтобы изменить взаимодействие между молекулой и поверхностью. Мы задались вопросом, как это повлияет на карту проводимости, и поставили несколько новых опытов с молекулой порфирина, оснащенной четырьмя маленькими молекулярными ножками, приподнимавшими молекулу над поверхностью на 0,4 нм. Томасу было поручено получить серию изображений этой молекулы о четырех лапках. Ему, как и Дону Эйглеру, было невмоготу сидеть у экрана компьютера и дожидаться, пока высветится одна картинка, потом другая, и он решил получать изображения на магнитоскопе. С утра он просматривал череду изображений на повышенной скорости и заметил, что несколько четвероногих молекул сместились в сторону наклона. Он тут же отправил мне мейл. Вот когда до нас дошло, как игла микроскопа двигает макромолекулой: надо приделать к молекуле лапки и как следует толкнуть ее иглой. Вроде бы очевидно — во всяком случае, мысль не поражает ни новизной, ни глубиной. Но тогда, в начале 1990-х годов, никто и не думал, что в обращении с объектом меньше нанометра применимы понятия механики — те же, что и в макроскопическом мире. Мы до того были пропитаны квантовой механикой, что не смели и думать о приложении классической механики к нанометрическим масштабам, к одной-единственной молекуле.

Тем не менее эта самая молекула превосходно знала законы механики Ньютона и охотно им подчинялась. Мы показали методами численного моделирования, что если ножки молекулы достаточно высоки, а кончик иглы находится над молекулой на такой высоте, что игла взаимодействует преимущественно с «серединкой», то какая-то доля энергии, движущей иглой, не рассеивается внутри молекулы, а сдвигает ее. Значит, надо учиться располагать иглу над молекулой на правильной высоте. И незачем замораживать металлическую поверхность, как это было в опытах с атомами ксенона. А четырех лапок хватало, чтобы молекула достаточно прочно сцеплялась с поверхностью на новом месте в четырех точках и, значит, не пыталась убежать, даже при комнатной температуре.

Потом было много других молекул, которые мы сдвигали и перемещали по металлическим и полупроводниковым поверхностям. А искусство манипулирования молекулами с тех пор только совершенствовалось. Но возникли новые вопросы, например: а нельзя ли манипулировать атомами и молекулами на поверхности диэлектрика? В самом деле, если поверхность — проводящая, то есть металлическая или полупроводниковая, то игла, молекула и сама поверхность взаимодействуют между собой — электрически. Поверхность похожа на ловушку — или часть ловушки, — в которую попадает атом или или молекула; вторая сторона ловушки — сама игла. А если поверхность не проводит ток (диэлектрик), то взаимодействия нет и о захвате или ловушке говорить не приходится. Нашлось немало исследовательских коллективов, пытавшихся ответить на этот вопрос, и они обнаружили что-то похожее на очень слабое взаимодействие (его назвали ван-дер-ваальсовым). А вот еще вопрос, больше на будущее; пусть атомные и молекулярные манипуляции происходят в двух измерениях на некоторой поверхности; так нельзя ли будет в один прекрасный день выковырять одну молекулу из этой поверхности и потом протащить ее в любом произвольном — по желанию экспериментатора — направлении? А пока умеющая манипулировать атомом в пространстве — и выполняющая желания экспериментатора — игла туннельного микроскопа уже действует как волшебный ключик и открывает тайны законов, правящих миром внизу. Манипулирование атомами позволит ставить неслыханные и невообразимые прежде физические опыты: например, исследовать механические или электрические свойства одиночной молекулы.

В макроскопическом масштабе выключатель — то есть прерыватель тока — выглядит как металлическая пластинка с пружиной. Опрокидываясь, как коромысло, эта железка замыкает два электрических контакта. В «мире внизу» на роль такого замыкателя годится одиночный атом. В 1987 году Авирам уже предлагал молекулу-выключатель, и мы даже ставили эксперимент, пробуя использовать молекулу в качестве выключателя. В 1993 году. Дон Эйглер предложил вместо молекулы, которая, для того чтобы переключать ток, должна менять свою форму, взять какой-нибудь атом и заставить его работать «коромыслом», замыкающим или размыкающим электрические контакты. Смещением атома можно было бы управлять, прикладывая напряжение в несколько вольт между иглой и поверхностью подложки: меняя напряжение, заставить атом двигаться туда, куда захочется экспериментатору. Нет напряжения, и ток ничтожно мал; стало быть, выключатель — в положении «выключено». Когда же атом, опрокинувшись, прикоснется к кончику иглы, ток вырастет в полсотни раз — и положение выключателя переменится на «включено». Итак, состояние атома-переключателя можно менять, то есть переводить из положения «включено» в положение «выключено», и наоборот. Вот и пришло время на весь мир объявить о создании первого атомного выключателя. Десятью годами спустя Франческа Мореско из Берлинского университета построила выключатель на молекуле, которая у нее работала коромыслом-замыкателем. Использовать в переключателе молекулы, а не атомы, кажется очень заманчивым: у молекулы есть известные химические свойства, которые можно менять, меняя тем самым ее взаимодействие с поверхностью и, значит, опрокидывая эту молекулу, причем очень быстро.

Следующий нанофизический эксперимент имел дело с электрическим подключением одиночной молекулы. В 1987 году мы с Ари Авирамом уже ставили опыт с подключением молекулы-выключателя. Молекулы были рассеяны на металлической поверхности, в которой был установлен первый контактный электрод (то есть поверхность и была одним из электродов). Экспериментатор подводил иглу туннельного микроскопа к какой-нибудь из этих молекул — игла служила вторым электродом. Надо было медленно опустить иглу на молекулу, чтобы установить с ней электрический контакт. Но откуда мы знаем, когда именно — в какой момент — устанавливается контакт между иглой и молекулой?

Чем ближе игла опускается к молекуле, тем сильнее она ее деформирует. При этом ток через молекулу тем больше, чем сильнее она изуродована. Однако если игла опустится совсем низко, то она просто раздавит молекулу. Так что надо искать тонкий компромисс, добиваясь возможно большего значения тока при возможно меньшем искажении формы молекулы. Чтобы лучше подбирать высоту иглы, чего в середине 1990-х мы не умели, Джим Гимжевски и я решили попробовать вновь подключить иглу к молекуле. На этот раз мы взяли молекулу фуллерена (в ней 60 атомов углерода, а по виду она похожа на футбольный мяч). Эксперимент состоял в следующем. Мы поместили несколько молекул фуллерена на поверхности кристалла золота и стали опускать иглу на одну из этих молекул, измеряя ток в цепи, состоящей из поверхности золотого кристалла, молекулы фуллерена и иглы. Нам хотелось понять, как зависит ток от расстояния между острием иглы и молекулой. Поначалу сила тока росла плавно, но затем мы отметили резкий скачок — когда расстояние между иглой и поверхностью уменьшилось до 1,1 нм. Слегка меняя положение иглы, чтобы как можно точнее определить переломную точку, мы ее нашли, при этом контакт иглы и молекулы фуллерена установился, а форма ее была не искажена; впервые мы установили электрический контакт с одной-единственной молекулой!

Подключив таким образом молекулу, мы замерили ее электрическое сопротивление. Это «электрическое сопротивление» не имело отношения к электродам, то есть поверхности кристалла и игле, но существовало внутри молекулы. Годом спустя Дон Эйглер таким же образом замерил электрическое сопротивление самого тонкого проводка в мире — проводника из двух атомов ксенона. Так начинались эксперименты с электрическими свойствами считаных атомов или одной-единственной молекулы.

Теперь вспомним о первых механических опытах с одиночной молекулой. Мы уже рассказывали про иглу туннельного микроскопа, толкавшую одну молекулу. В 1998 году началась — и совершенно случайно! — эра «наномеханики». Но для начала лучше вспомнить о том, что случилось немножко раньше.

На исходе 1960-х годов американский биохимик Пол Бойер предположил, что белковые молекулы могут менять форму — из-за вращения какой-то из их частей. Иначе говоря, «в мире внизу» макромолекула способна вывернуться наизнанку. Нельзя ли как-то приспособить это явление к механике? В 1997 году японец Кадзухико Киносита с сотрудниками смогли увидеть это вращение на экране, сумев прикрепить флуоресцирующий маркер к поворачивающейся части молекулы белка. Предположение Бойера и наблюдение Киноситы макромолекул, состоящих из тысяч атомов, подсказали вопрос: а нельзя ли пронаблюдать подобные же вращательные движения у одиночной маленькой молекулы?

В это самое время мы с Джимом Гимжевски изучали, как сравнительно плоские молекулы декациклена собираются в «кучки» на поверхности кристалла меди. Молекула декациклена состоит из центрального бензольного ядра (это такой плоский шестиугольник), к которому прицеплено шесть «лапок». Мы собирались начать исследования с дальнейшего изучения условий, связанных с получением и формированием изображения одиночной молекулы, чтобы выяснить, как оно зависит от расстояния от иглы микроскопа до тела молекулы, лежащей на некоторой поверхности. Ножки декациклена много короче лапок нашей первой молекулы — порфирина. В своем опыте мы старательно испаряли молекулы с поверхности, чтобы оставить только плотный тонкий слой из упорядоченно расположенных молекул. Но молекулы отказывались становиться в четкий строй: то здесь, то там замечались изъяны. В одном месте, например, молекулы не было, а в другом она хоть и была, но сильно выбивалась из строя. И пробелы в молекулярных рядах порой еще и сливались в большие пятна, сравнимые по величине с размером одиночной молекулы. А что будет с молекулой в этом самом слое, если она окажется на краю такой «щели» или, точнее, «ямы»? Наверное, она иногда будет смещаться — словно бы напрашиваясь на исследование.

Удача нам улыбнулась: обследовав несколько таких пробелов, мы заметили одну молекулу, сильно отошедшую от первоначального положения, — по сравнению с другими молекулами это бросалось в глаза. И она поворачивалась — как малюсенькая юла диаметром 1,2 нм. Для вращения нужна энергия — скорее всего, хватало тепловой энергии поверхности, температура которой равнялась комнатной. В этом опыте мы впервые получили изображение вращения одиночной молекулы. Восторг скоро прошел, и мы принялись терпеливо выяснять параметры вращения и определять факторы, влияющие на этот процесс.

После нескольких недель экспериментов Джим Гимжевски и его товарищ Рето Шлиттлер показали, что можно по своей воле и раскручивать молекулу, и останавливать ее вращение, — манипулируя иглой микроскопа, конечно. И мы даже подобрали объяснение физики этого явления. В сущности, такая молекула-колесико ведет себя как шестеренка в коробке передач. Если молекула — на самом краю щели (или ямы), то четыре из ее шести лапок сцеплены с такими же лапками соседних молекул, и наша молекула крутиться не станет. Но, если ее подтолкнуть, сдвинув на 0,25 нм, то она окажется посередине щели, и соседок у нее не останется. Значит, четыре прежде занятые лапки теперь освободятся и она повернется сама — надо только, чтобы было куда повернуться. Но если слишком просторно, на вращение может наложиться процесс боковой диффузии — и он, скорее всего, затормозит молекулу.

Чтобы разобраться в режиме вращения такой молекулы, мы регистрировали вариации туннельного тока, устанавливая иглу в том месте, через которое проходит одна из лапок вращающейся молекулы. И мы заметили, что импульсы тока, отображаемые на экране осциллографа, пляшут в том же ритме, в котором крутится наша молекула. К несчастью, при комнатной температуре она очень уж разгонялась, и толком разобрать, что с нею творится, было почти невозможно. Вместе с коллегами из Берлинского университета мы синтезировали другую молекулу, на этот раз с шестью длинными зубчиками, — получилась настоящая молекула-шестеренка величиной в 1,2 нм. Пометив химически один зуб шестерни и слегка изменив ее строение, мы стали наблюдать за вращением молекулы: она поворачивалась рывками, шаг за шагом, всякий раз описывая дугу в 60° и продвигаясь вдоль своего рода кремальеры — длинной рейки с зубчиками, тоже состоящей из молекул, только других.

В 2001 году мы с Франческой Мореско и Герхардом Мейером повторили эксперимент с фталоцианином — молекулой с четырьмя лапками, которая, если ее подталкивали иглой, смещалась — и фиксировали в режиме реального времени колебания тока в цепи между иглой и поверхностью. Теперь на экране осциллографа размах колебаний был больше. Мы легко определили период этих колебаний — он оказался равен 0,25 нм, а означало это то, что молекула передвигается по медной поверхности от площадки к площадке. Большое колебание не было сплошным: внутри большого импульса заметны были флуктуации меньшей амплитуды. Эти меньшие колебания удалось увязать с попеременным движением «передних» лапок — тех, что были направлены в сторону перемещения молекулы («задние» лапки удерживала игла)! Если молекулу толкнуть, она сдвигается на манер насекомого, ползущего по гладкой поверхности: сначала деформируется одна из ее передних лапок, потом — вторая. Эти деформации слегка искажают электронную структуру молекулы, а потому ток, текущий в цепи, образованной поверхностью, молекулой и иглой, меняется в том же ритме, в котором молекула «перебирает передними лапками». Чтобы занять соседнюю площадку, молекула сначала вытягивает одну лапку, потом тянет за ней другую, а не деформирует обе передние лапки сразу — иначе говоря, молекула как бы ходит.

Все до сих пор описанные опыты объяснялись при посредстве хорошо известных законов физики. Но как объяснить то, что мы открыли, изучая вращение и смещение молекул? Дон Эйглер повторил наши эксперименты с атомами ксенона на металлической поверхности. И пропускал «большой» электрический ток через свой одиночный атом. Да мыслимо ли это? В нашем масштабе величин ток, проходящий через некую материальную электрическую цепь, нагревает эту цепь (точнее, вещество, из которого она состоит). Когда же сильный ток проходил через атом ксенона, то, как увидел Дон Эйглер, это приводило к тому, что атом подскакивал к игле, находившейся на довольно большом расстоянии от поверхности. Вероятность скачка зависела от силы тока. Но если в нашем макромире действует эффект Джоуля, согласно которому мощность, рассеиваемая в веществе (через которое течет электрический ток), пропорциональна квадрату силы тока, то вероятность скачка, совершаемого атомом, оказалась пропорциональной не второй, но пятой степени силы тока. Никто еще так и не объяснил ни эту разницу между макро-и наномирами, ни то, откуда берется эта пятая степень. Уилсон Хо из Университета в Ирвине, штат Калифорния, споткнулся на подобном же вопросе. Он изучал вероятность приведения малюсенькой молекулы во вращение на металлической поверхности в зависимости от силы тока. Увеличивая силу тока, он заставлял молекулу вращаться и прыгать с места на место, и вероятность этих смещений тоже, как оказалось, зависела от силы приложенного туннельного тока. Итак, Дон Эйглер и Уилсон Хо показали, что молекулы подчиняются таким физическим законам, которые не известны ни в макроскопическом мире, ни в мире мезоскопической шкалы…

Нанофизические эксперименты с одиночными атомами и молекулами стали с начала 1990-х годов разнообразнее и многочисленнее. Они позволяли изучать «нижний мир» напрямую, непосредственно исследуя физические явления, наблюдаемые при помощи тех материальных средств, которые имелись в распоряжении ученых и которые оказывались подходящими для условий конкретного эксперимента. Главное, чтобы был один атом или одиночная молекула и этого хватало. К любой трудности приходилось приспосабливаться, то есть находить — а то и изобретать — подходящий измерительный прибор. В нашем случае каждый раз искать или придумывать такой прибор, который смог бы дать нужные сведения об интересующем нас объекте. А раз объект чрезвычайно мал, то напрашивалось решение встраивать в большой прибор приборчик поменьше, потом еще меньше — на манер русских матрешек. До тех пор, пока не получится прибор, способный работать с молекулой.

Все эти эксперименты открыли перед наукой новое поле познания и положили начало новому научно-исследовательскому проекту. Первая цель проекта — поощрение разработок, нацеленных на создание экспериментальных установок, строящихся из считаных атомов — атом за атомом — или состоящих из одной-единственной молекулы. Что важно: речь не о потугах сделать примерно то же, что мы умеем и к чему мы привыкли на макроуровне, то есть то, что мы видим и делаем в нашем мире, но только совсем уж в микроскопическом масштабе. Нет, новизна нанопроекта заключается в том, что иные из наноустановок могут иметь гносеологический смысл: иначе говоря, есть шанс, что они заставят нас пересмотреть известные ныне законы физики или как-то их переформулировать — просто потому, что «нашим физическим законам» они не всегда подчиняются. Примеры тому будут рассмотрены в следующей главе.

Вторая цель более фундаментальна. Изготавливая приборы на квантовом уровне, физики имеют все основания полагать, что смогут увидеть квантовый мир под таким углом зрения, под которым он еще не рассматривался. Выходит, что мы в начале XXI века должны будем неким новым образом испытать все здание квантовой механики. Не означает ли это рождение некой новой научной дисциплины — нанонауки? С новыми законами, вытекающими из манипуляций с веществом атом за атомом? За многие века выработано множество новаторских экспериментальных приемов, но вот новых наук родилось куда меньше. Но, если по ходу исследования «мира внизу» наблюдается какое-то новое явление, которое квантовые законы объяснить не могут, что это, если не рождение новой науки — науки нанометрических масштабов, то есть нанонауки? Ну а если это не так, то ни к чему и изобретать новые ярлыки для области, пусть новой, но вполне поддающейся изучению привычными техническими методами, пускай и предлагаемыми некоторой технологией, тоже новой. Вот ее пусть и называют нанотехнологией. Но не нанонаукой.

Стремясь к конструированию таких приборов и установок, в которых работают лишь одиночные молекулы или считаные атомы, нанотехнология затевает самый настоящий переворот в технологии. В самом деле весь унаследованный порядок миниатюризации опрокидывается с ног на голову. Не удивительно, что такие крошечные установки вызвали острое любопытство у ученых, желавших разобраться в нанофизике. Что, если зайти достаточно далеко по этому новому пути и, скажем, увеличивать молекулу, умножая число входящих в нее атомов? Не удастся ли превратить такую огромную молекулу в вычислительную машину? Или механическую? Это же сняло бы все препоны, мешающие дальнейшей миниатюризации в микроэлектронике и микромеханике: все запихиваем внутрь одной-единственной молекулы, и молекула становится целой машиной. Отсюда и название для подобных молекул-машин — монументальные молекулы. Не потому, что они похожи на памятники, а потому, что они — огромны, монументальны. И тем монументальнее, чем сложнее становится машина, в которую такая молекула превращается.

Прежде чем начинать подобную «монументализацию», следовало бы выяснить: а сколько атомов понадобится, чтобы молекула смогла работать как двигатель, или как приемо-передатчик, или как вычислительная машина? А потом понять, какие «части» понадобятся этой молекуле-машине — чтобы не разваливалась и работала, то есть выполняла порученные ей задачи. И наконец придумать для нее такие технические средства, чтобы она могла получать приказы и/или сообщать о своем состоянии, принимать или передавать энергию, словом, чтобы наладить обмен информацией с машиной-молекулой.

Мысль о монументализации возникла в начале 1980-х годов — именно тогда эту идею высказал Форрест Картер, химик из NRL (Исследовательской лаборатории военно-морского флота). Он работал с токопроводящими полимерами, выстраивая внутри объема полимера длинные молекулы и в таком порядке, чтобы получались пластмассы, проводящие электричество. Изучая подобные длинные молекулы, Форрест Картер вспоминал про ту молекулярную электронику, о которой мечтал Ари Авирам. Идеи о сведении любого компонента электронной схемы к одной-единственной молекуле казались необыкновенно заманчивыми — это помогло бы пробить стену вроде той, в которую уткнулась транзисторная электроника со всеми ее технологиями в конце 1950-х годов. В те времена электронные схемы собирались покомпонентно, деталь за деталью, и вообразить, что в один прекрасный день удастся единым махом соединить миллионы деталей, необходимых для создания процессора вычислительной машины, было просто невозможно. Тем не менее Джек Килби решил эту задачу — в 1958 году он изобрел интегральную схему.

Задача, за которую взялся Картер, тоже на первый взгляд не решалась: как собрать воедино миллионы молекул-компонентов, если в такой схеме соединения будут обычными — то есть металлическими проводами, пускай и очень тонкими? И ведь между молекулами должен оставаться какой-то промежуток, ну, хотя бы в десяток нанометров. И как избавиться при таких масштабах и таком построении без квантовых эффектов? А эти явления наверняка осложнят функционирование любой схемы. И соединения-провода займут столько места, а там проблемы теплоотвода, наводок и т. п. Не лучше ли втиснуть все нужные компоненты в одну огромную молекулу — и дело с концом?

И вот подобно тому, как Джек Килби избавился от затруднений с подключениями и соединениями, придумав электронную микросхему, Форрест Картер предложил решить задачу подключения молекул-компонентов, придумав в 1984 году «молекулярную интегральную схему». Чтобы не ломать голову над тем, как свести каждый компонент (диод, транзистор и т. п.) к одной-единственной молекуле, а потом мучиться с их подключением друг к другу, он предложил воплотить всю схему в одной-единственной молекуле, затолкав в нее все компоненты и все соединения между ними. Физики, разумеется, возмутились, а химики впали в оцепенение! Дожили, ничего не скажешь: мало того, что надо соглашаться с тем, что молекула годится на роль детали в электронных устройствах, так еще нужно признать молекулу, в которой умещается вся электронная схема и, значит, кроме нее, этой молекулы, больше-то ничего и не нужно!

Зато Форреста Картера поддержали отдельные калифорнийские биотехнологи, в том числе Кевин Алмер из компании Genex: эти специалисты взялись так запрограммировать генетически бактерии, чтобы те производили не просто белки, но — сразу же и без необходимости каких-то переделок — требующиеся молекулярные электронные структуры. Французские предприятия Roussel-Uclaf и Elf Aquitaine, а с ними и Институт Пастера, поспешили поставить на эту же лошадь. Бойкие французы направили своих посланцев на организованный Форрестом Картером первый Конгресс по молекулярной электронике, куда в числе эмиссаров французской науки попал и Жоэль де Роне, бывший тогда директором по прикладным исследованиям в Институте Пастера[17]. Собравшиеся, однако, обнаружили, что дело, за которое они вроде бы не прочь взяться, какое-то непонятное и ненадежное. Ну да, хорошо бы молекулу подключать через провода, которые свяжут ее с макроскопическим миром и по которым будет осуществляться информационный обмен, но непонятно, как это сделать, — задачка кажется нерешаемой. А вот Ари Авирам в конце 1980-х ухватился за эту мысль о молекуле-схеме и попытался двинуться в этом новом направлении, открывшемся в молекулярной электронике.

Тогда в том же направлении заработала и мысль Эрика Дрекслера, задумавшегося о построении сложных механических машин-молекул, которые использовали бы, скажем, межмолекулярные или внутримолекулярные сцепления. Он придумал несколько вариантов вычислительного процессора, объединяющего в себе достижения молекулярного моделирования. Но на этом этапе монументализация происходила без участия химиков, а машины-молекулы оставались виртуальными, то есть нематериальными. Лишь много позже, с изобретением туннельного микроскопа (а он, напомним, умеет манипулировать молекулами), химики получили возможность так обрабатывать молекулы, чтобы они превращались в процессоры. И, дабы найти пути к чаемому синтезу и наделить его плотью, оставалось лишь упрощать и избавляться от сложностей.

Раз уж появились идеи о монументальных молекулах и о молекулах-машинах, а затем и теоретические разработки «виртуальных» молекул-приборов и молекул-установок, то, надо думать, вскоре должны были появиться и первые молекулы-установки «во плоти». Пока что речь не шла о процессоре для компьютера, но эти молекулы-приборы уже умели выполнять кое-какие измерения в «мире внизу». Давайте для начала откроем учебник по физике середины XX века. Там мы найдем немало приборов, придуманных для изучения еще недостаточно исследованных физических явлений. Вот, к примеру, прибор, замеряющий, как меняется проводимость полупроводника или его способность усиливать электрический сигнал в зависимости от температуры, а сам этот прибор сделан из вживленного в поверхность полупроводника кусочка оргстекла с металлизированной поверхностью — то есть, в сущности, это транзистор. А раз уж нанотехнология переворачивает вверх ногами весь порядок производства, то, значит, есть шанс создать нечто новое, где все монтажные точки и узелки будут заменены одиночными молекулами и каждая такая молекула станет и оборудованием, которое используется в эксперименте, и объектом, изучаемым в этом эксперименте.

Первой молекулой-установкой, созданной для физического опыта, стал молекулярный провод — цепочка молекул с четырьмя молекулярными лапками. Придумали этот проводник в 1997 году я и Андре Гурдон из Центра структурных исследований и разработки материалов (CEMES). Своему детищу мы дали имя Lander, Приземляющийся, — потому что думали о маленьком роботе Sojourner, которого как раз в то лето НАСА отправило на космическом зонде Mars Pathfinder на Марс. Андре занялся синтезированием молекул чуть позже посадки зонда на Марс.

В своем эксперименте мы хотели измерить электропроводность молекулярного проводника. А четыре ножки, которые мы приделали к этому проводку, приподнимали его над металлической поверхностью, чтобы не возникали токи утечки. Да и игле туннельного микроскопа легче перемещать этот проводок на лапках по ровной металлической поверхности. Зато стало куда труднее установить электрический контакт с обоими кончиками проводка. Ничего не поделаешь, трудности бывают всегда — не одно, так другое. Чтобы обойти это препятствие, мы решили воспользоваться неким свойством процесса обработки металлических поверхностей: дело в том, что по ходу подготовки металлической поверхности фазы прокаливания чередуются с фазами протравливания, и в итоге получаются большие и ровные, но ступенчатые плоскости. Если подобрать температуру обработки, то можно получить площадку, кончающуюся уступом высотой в один слой атомов (то есть высотой в один атом). Обнаружение такой ступеньки с помощью туннельного микроскопа труда не составит. А если мы отыщем такую тонюсенькую ступеньку, то, наверное, удастся, манипулируя иглой микроскопа, расположить молекулярный проводок поперек этой ступеньки, а потом, понемногу толкая проводок, добиться, чтобы его кончик оказался над ступенькой. Напомним, что проводник — на лапках и потому не прикасается к поверхности. Но кончик над ступенькой изгибается и, следовательно, взаимодействует с нею. То есть один электрический контакт — проводника с металлической поверхностью — есть. Второй контакт возникает между вторым концом проводка и иглой туннельного микроскопа — если ее кончик установить точно над кончиком провода.

В этом опыте металлическая поверхность служила лабораторным столиком, а молекула — экспериментальной установкой, позволяющей так расположить молекулярный проводок, чтобы можно было замерить его сопротивление, тогда как игла микроскопа продолжала руку физика-экспериментатора. Первым сумел переместить наш Lander Джим Гимжевски в 1998 году, в своей лаборатории IBM под Цюрихом. Он смог передвинуть проводник, как и предлагалось, на ступеньку и замерить электрическое сопротивление контакта между ступенькой и кончиком молекулярного проводка. Сопротивление оказалось слишком высоким, чтобы ток надежно протекал по проводку. Иначе говоря — контакт скверный, и это из-за ножек: уж очень они высокие, и потому проводок оказывается излишне приподнятым над поверхностью. И из-за этого близ кончика провода происходят ненужные химические реакции, затрудняющие надежный обмен электронами. Изменив химический состав контакта, мы смогли уменьшить его сопротивление раз в десять. Еще сильнее оно уменьшилось, когда мы укоротили ножки проводка, а затем мы постарались получше наладить контакт со вторым концом провода — чтобы измерить сопротивление как можно точнее.

А потом мы придумали молекулу-прибор посложнее. Речь идет о молекуле, которая стала амперметром, то есть прибором, способным замерить силу тока, протекающего, для примера, через молекулярный проводок. Молекулу эту надо подключить к металлическому электроду — для каждой из двух концов молекулы, следовательно, понадобится свой электрод. Принцип таков: электрический ток протекает по главной ветви, достаточно длинной, чтобы в нее можно было вставить маленькое химическое соединение, способное вращаться, — ротор. Когда электрон проходит через молекулу, перемещаясь от электрода на одном конце молекулы к электроду второго ее конца, то внутри молекулярного проводника рассеивается некоторое, пусть очень малое, количество энергии. Этой энергии, однако, хватает на нагрев химического ротора, который под воздействием тепла поворачивается. Угол поворота удается замерить, если поместить еще один — третий — электрод сбоку от ротора. А зная угол, на который повернулся ротор, экспериментатор может оценить силу тока, протекающего через главную ветвь цепи, то есть через молекулу-провод.

У молекулы-амперметра тоже должны быть ножки или лапки — чтобы она немного приподнималась над поверхностью: ведь если амперметр «ляжет брюхом» на металлическую плоскость, то химический ротор просто не сможет поворачиваться. А еще нужны три электрода, три электрических контакта. Лучше всего было бы изготовить с атомной точностью пару металлических контактов на твердой поверхности и сбросить на них молекулу, которая замкнула бы эти контакты (третий контакт можно было бы организовать через иглу микроскопа); однако такой технологии пока нет. Ее, конечно, пытаются разработать и, понятно, раньше или позже она появится, и скорее раньше, чем позже, — хотя бы потому, что без нее невозможно создать «вычисляющую молекулу», то есть молекулу, умеющую складывать два числа или вычитать одно число из другого; впрочем, об этом — чуть позже.

Первый транзистор, изобретенный в конце 1940-х годов, убедительно показал, что твердотельный прибор способен усиливать электрический ток. Пятьдесят лет спустя труды таких первопроходцев, как Ари Авирам и Марк Ратнер, поставили вопрос о возможности такого явления, как молекулярная электроника. Ответ представлялся очевидным: если окажется, что одиночная молекула тоже может усиливать ток, есть смысл работать над созданием молекулярной электроники. Поэтому заинтересованные исследователи принялись изучать возможности молекулярных структур, которые вроде бы обещали какое-то решение возникшей задачи. В 1997 году мы с Джимом Гимжевски показали одиночную молекулу, усиливающую электрический сигнал. Это, конечно, не привело к свержению микроэлектроники с ее престола, но стало, по крайней мере для нас, заметным и значительным шагом вперед.

Собственно, мы собрали электрическую схему, в которой молекула фуллерена находится под иглой туннельного микроскопа. Мы знали, что, если слегка надавить иглой на молекулу, ее сопротивление резко снизится. Небольшое изменение одного параметра (здесь — расстояния между иглой и поверхностью) оборачивается большим изменением другого параметра (в нашем случае — сопротивления молекулы). Воспользовавшись этим эффектом, мы построили усилитель, в котором приращение напряжения на выходе в четыре раза превышает приращение напряжения на входе.

Мы думали о том, чтобы выстроить несколько таких молекул-усилителей в линейку, соединив их последовательно или параллельно, чтобы возникла настоящая электронная схема, способная, к примеру, вычислять. Жалко, но значения электрических сопротивлений, при которых молекула-усилитель оказывается работоспособной, таковы, что соединительные проводники просто не могут быть молекулами. Это значит, что соединительные провода будут макроскопическими, то есть их размеры заставят вынести все провода «за ограду», расположив их вне той площадки, которую занимает туннельный микроскоп. Мы попробовали сделать провода помельче, чтобы они поместились в ограде, но вся наша миниатюризация ни к чему не привела. Тогда, вместо того чтобы мучиться с миниатюризацией оборудования, окружающего молекулу, мы решили поменять само оружие и отказались от идеи гибридизации — не хотелось нам совмещать в одной схеме молекулярные компоненты с какими-то микроскопическими деталями. И задались вопросом: а нельзя ли так «раздуть» молекулу, чтобы она вместила в себя все необходимые сопротивления и провода, их соединяющие? И чтобы получилась полная электрическая схема. Вот как мы вступили на дорожку «монументализации».

И этот разрыв с исторической идеей гибридной молекулярной электроники вывел нас на колею, проложенную Форрестом Картером. Не то чтобы я просто и безболезненно расстался с молекулярной электроникой — как-никак, я отдал ей добрых двадцать лет жизни, начав еще в конце 1970-х. Я изучил немало меленьких молекул, которые, если их разместить на поверхности металла или полупроводника, демонстрируют самые разные ориентации (хотя значения энергии почти одинаковы). И оказываются «естественными» выключателями (прерывателями тока). В самом деле нетрудно, перемещая иглу микроскопа, переходить от одной ориентации к другой, получая, таким образом, переключатель на одиночной молекуле. Но попытка собрать из таких молекул-переключателей серьезную схему наталкивается на то же препятствие, которое мешало нашему усилителю на молекуле. Отныне главным для нас стал новый вопрос: а какова вычислительная мощность одиночной молекулы — по сравнению с аналогичным показателем цепи, объединившей мириады подобных молекул?

Мысль — или мечта — о новой молекулярной электронике, которая бы позволяла объединять все нужные функции в одной-единственной молекуле, должна была избавить ученых от предрассудка, мешавшего признать за единичной молекулой способность выступать в качестве чего-то более сложного, чем простейший прибор. Освобождение от шор расширяет поле зрения, так что, при желании, можно увидеть, что одиночной молекуле по плечу и куда более сложные обязанности. Мы убедимся, еще в этой главе, что за этим прорывом прячется иной, более глубокий, прорыв, и природа его — количественная, точнее, квантовая. Как бы то ни было, я продолжал в том же духе, хватаясь за все более громоздкие молекулы и превращая их во все более сложные установки и приборы. Пример тому — «молекула-морзянка».

Про азбуку Морзе и радистов, «работающих на ключе», знает всякий поклонник фильмов о Диком Западе: оператор в высокой кепке козырьком назад с бешеной скоростью выстукивает на телеграфном ключе сообщение, передающееся из здания вокзала по телеграфным проводам куда-то в синюю даль. Сам телеграфный ключ — это такое коромысло, качающееся туда-сюда: оператор давит на рукоятку этого рычага-коромысла, под которым установлена пружина, и рычаг замыкает электрические контакты, а когда давление на рукоятку ослабнет, пружина вернет рычаг в исходное положение, и контакты разомкнутся. Таким образом, возникает вереница электрических импульсов, длинных и коротких, они и передаются по проводам.

Не так давно придумали молекулу, которая годится на роль телеграфного ключа. Коромыслом служит веточка молекулы, удерживаемая в положении, параллельном поверхности. Конец этой ветви закреплен с помощью химической связи (вот вам и пружина) на молекуле с четырьмя ножками, поддерживающими саму молекулу на центральной площадке. Второй конец коромысла висит в воздухе — и, касаясь его иглой микроскопа, оператор превращается в телеграфиста позапрошлого века.

Сама молекула длиной менее 1,5 нм — из ряда самых сложных на сегодня молекул-приборов, а ее химический синтез занял несколько лет. Работоспособна она только на металлической поверхности: когда крошечное химическое соединение на свободном конце коромысла приближается к поверхности, то электронное состояние какого-то участка соединения меняется, и это вызывает модуляцию электронной плотности в коромысле, что обнаруживается и на поверхности, даже на немного большем удалении от того участка, который находится непосредственно под концом коромысла.

Выходит, мало сказать, что молекула — это лаборатория, в которой ставится эксперимент: на самом деле опыт производится с атомами, с группами атомов, находящимися на некоторой поверхности. Число этих атомов можно увеличить, но если оно и возрастет, то не намного превысит то количество, которое требуется для создания экспериментальной установки. Так, Дон Эйглер поставил эксперимент с атомным магнетизмом внутри эллиптической ограды, построенной на поверхности медного кристалла из 36 атомов кобальта: игла туннельного микроскопа передвигала по этой поверхности атом за атомом, пока не возник замкнутый овал. Атомы кобальта были выбраны на роль штакетин в заборе, потому что они отражают квантовые волны, возникающие из-за беспорядочного передвижения несвязанных электронов, блуждающих по медной поверхности. Длина такой волны 1,5 нм, и это удобно для наблюдения волновой интерференции внутри загородки размером в несколько нанометров, огражденной атомами кобальта. И Дон Эйглер получил изображения этой интерференции электронных волн на своем туннельном микроскопе — вроде кругов, расходящихся по воде: концентрические окружности разного диаметра. Картинки победоносно облетели всю планету. Еще бы — более чем убедительное доказательство волнового характера тех состояний, в которых пребывают электроны на поверхности металла. А потом Дон Эйглер слегка изменил условия опыта, поместив, с помощью той же иглы микроскопа, в фокус эллипса намагниченный атом. И обнаружил магнитное эхо… в другом фокусе, где никакого атома не было. Налицо магнитный мираж — это эффектное явление возникает благодаря переносу магнетизма из одного фокуса эллипса в другой через электронное облако, висящее над металлической поверхностью. Разумеется, подобное явление можно воспроизвести в любых масштабах и с любыми длинами волн, хоть световых, хоть звуковых. Достаточно подобрать эллиптический резонатор подходящего размера: желательно, чтобы величина резонатора была соизмерима с длинами интерферирующих волн (и чтобы вдоль резонатора укладывалось целое число четвертей волны).

Обратимся теперь к механике. Чтобы молекула смогла стать механической установкой, ее следует оснастить всеми деталями, необходимыми для выполнения стоящих перед нею задач. Это означает, что такие молекулы будут сложнее тех, что уже описаны нами, потому что понадобятся различные механические узлы (и для их закрепления сильные химические связи). В 2001 году мы придумали молекулу-тележку с ручкой и назвали ее «молекулярной тачкой». Длина этого агрегата — 1,2 нм. У нее спереди два молекулярных колеса диаметром 0,7 нм, и крепятся они, как положено, на оси; сзади же — ножки, такие же, как у макроскопической тачки. И наконец, два рукава сзади — вместо рукояток. Вот что удается смастерить с помощью всего лишь одной иглы туннельного микроскопа. Первым такую тележку соорудил Гвеналь Рапенн в CEMES в Тулузе, потом Леонгард Гриль и Франческа Мореско из Берлинского университета, начавшие «предпусковые и пусковые испытания», по ходу которых испытывались качества тележек. Предвыпускная фаза состояла в выпаривании молекул — чаще всего это выглядело как прокаливание порошка в небольшом тигле. Тигель обычно разогревали до 150–250 °C, размещая его так, чтобы часть молекул попадала на поверхность. Но чтобы прокаливать молекулы побольше и получать молекулярные тачки, нужны температуры порядка 350–450 °C. В таких условиях, однако, 95 % молекул-тележек ломается или на выходе из тигля, или уже на поверхности. А из тех молекул, которые все-таки целыми добираются до поверхности, есть такие, которые выглядят тележками с двумя, тремя, а то и четырьмя колесами. Многие, хоть и целы, но все равно не годятся, из-за слишком короткой оси, например. Словом, все это — сломанные или полуразобранные «тачки», с теми или иными дефектами. А поскольку эти осколки и обломки тележек оставляют тигель сильно раскаленным, то, попадая на поверхность, они не только образуют беспорядочные нагромождения атомов, но и взаимодействуют между собой, в том числе химически, в результате чего возникают все новые и новые — и совсем малые — молекулы.

К счастью, довольно много тележек все-таки благополучно добирается до поверхности. И мы попробовали подтолкнуть одну такую тачку сзади — иголкой туннельного микроскопа. Надеялись, что колеса станут вращаться, а тележка продвинется вперед. Куда там! После нескольких попыток — мы очень старались, чтобы ножки были наклонены и не мешали движению — стало ясно, что передние колеса никак не хотят поворачиваться. Потом, но много позже, мы поняли, что, наверное, колеса слишком сильно сцепляются с металлической поверхностью. Эта неудача — красноречивое свидетельство трудностей, с которыми сопряжены попытки воспроизвести в «мире внизу» строение машин, работающих в нашем макроскопическом мире, то есть строить механические молекулы-машины такими же, как известные нам механизмы, только в наномасштабе, очень непросто.

Тем временем профессор химии в Университете Райса в Техасе Джеймс Тур занялся изучением молекулы-коляски. Он синтезировал нанокарету — молекулу длиной 1,5 нм. И снабдил экипаж четырьмя колесами — каждое колесо представляло собой молекулу фуллерена. Колесико крутилось на молекулярной оси — такой же, что у молекулярных тачек. И карета двигалась! Можно было ее подтолкнуть иглой туннельного микроскопа, но, оказалось, что есть способ куда проще: профессор нагревал золотую поверхность, на которой стояла молекулярная карета: тепловой энергии вполне хватало для самопроизвольного перемещения кареты. Выглядело это так, что карета беспорядочно передвигается по поверхности — в общем, слоняется, как попало. Хорошо, конечно, что хоть как-то движется, но вот колеса-то у нее не крутятся! О вращении колес можно судить по силе тока, протекающего через иглу туннельного микроскопа: если внутренняя структура молекулы меняется, то будет меняться и ток, и по характеру этих изменений видно, крутятся колеса или же тепло просто тащит карету невесть куда, а колеса так и остаются неподвижными. Просто скользят по поверхности — наверное, для фуллереновых колес золотая гладь оказалась слишком скользкой.

Трудности трудностями, но, как известно, прогресс неудержим, и потому можно не сомневаться: рано или поздно, но наноколеса наноэкипажей завертятся. И наверняка сразу же на повестку дня встанут другие требования: большей автономности молекулярных повозок, например. В смысле: а давайте поставим на тележку двигатель. Джеймс Тур уже поставил на свою молекулу-карету маленькую защелку — посередине рамы. Если на эту защелку попадет луч света, она опустится на поверхность и станет опорой, отталкиваясь от которой карете будет легче начать движение. Пока что эта молекула не совсем готова — работы над ее синтезированием продолжаются. А в лаборатории в Тулузе Гвеналь Рапенн и Жан-Пьер Лоне придумали и синтезировали молекулу-моторчик — диаметр ротора этого двигателя меньше 2 нм. Теперь они рассчитывают мощность своего движка и придумывают для него коробку передач — чтобы можно было встроить его в молекулу-карету.

Тем временем, точнее, в 1997 году, Джим Гимзуски построил маленькие молекулярные счеты, собирая их из присоединяемых одна за одной молекул фуллерена. Джим располагал фуллереновый ряд вдоль ступеньки высотой в один атом — этот слой естественным образом возник на поверхности золотого кристалла. В 2002 году Дон Эйглер построил из сотни молекул моноксида углерода, которые он перемещал иглой туннельного микроскопа, логические вентили, выполнявшие функции «ИЛИ» и «И». У каждого вентиля было два входа, на которые поступали сигналы со значениями 0 или 1, и один выход. Если на одном из входов появится единица (1), то и на выходе схемы «ИЛИ» будет единица, а вот на выходе схемы «И» единица появится только тогда, когда на оба ее входа поступят единичные сигналы. Дон Эйглер построил из своих молекул два ряда, соприкасающиеся в одной точке поверхности. Эти два ряда служат двумя входами молекулярного логического вентиля, а каждая молекула похожа на косточку домино, которая или стоит, или упала (1 или 0). Если опрокинуть первую с краю молекулу, то возникает хорошо известный «эффект домино»: опрокидывание распространяется вдоль линейки (опрокинутая косточка обрушивает свою соседку). Так что состояние всего ряда может быть только одинаковым: или нулевым, или единичным, и соответственно и последняя косточка ряда — это выход вентиля — тоже опрокидывается или остается в исходном положении, чем и моделируется двоичность состояний (0 или 1). Вот как работает логическая схема, собранная из молекул. Однако схема может выполнить логическое сложение (ИЛИ) или логическое умножение (И) только один раз. Чтобы повторить логическую операцию, необходимо вернуть вентиль в исходное состояние, а это означает, что снова приходится выстраивать ряд из молекул «вручную» (пусть и с помощью иглы микроскопа): все косточки домино упали, и теперь надо их поднять. Поэтому Дон Эйглер и называет свое устройство не процессором, а счетами — операция выполняется механически.

Выходит, что молекулы можно собирать в группы, выполняющие вычисления, или механическим образом, или пользуясь электронами. Возможность синтеза молекулы-вентиля уже показана, но пока что невозможно гарантировать надежное функционирование такого логического вентиля — потому что нет технологии подключения вентилей к контактным площадкам.

В 1990-е годы верили в электронную литографию: мол, ее методами удастся сформировать нужные металлические электроды, которые будут настолько малы, что к ним без особых хлопот подключится одиночная молекула. Но ничего подобного не получилось. С одной стороны, электронная литография, опробованная в мезоскопической физике, недостаточно точна, чтобы формировать крайне миниатюрные электроды, размеры которых сопоставимы с размерами атомов. Кроме того, эта методика строится на использовании смолы (она служит для нанесения рисунка — например, металлических контактов, вживляемых в поверхность), и смолу после формирования схемы удаляют до последней молекулы. А соскребая смолу, очень даже можно удалить и нужные молекулы-приборы. Так что вся надежда на туннельный микроскоп: орудуя его иголкой, быть может, удастся так обработать маленькие, в несколько десятков нанометров, металлические площадки, сформированные методом осаждения, что из них получатся нужные наноконтакты.

Так как эта новая технология пока что только на подходе, исследователи тем временем придумывают новые молекулы, умеющие вычислять. В сущности, такие молекулы, судя хотя бы по тому, что предлагал Форрест Картер, должны быть огромными, чтобы вместить в свой объем всю ту сложность, без которой ни о каких вычислениях не может быть и речи.

Но это порождает множество проблем. Во-первых, синтез таких молекул — дело нелегкое. Да и манипулировать исполинскими молекулами, передвигая их поштучно, одну за одной, очень непросто: надо же так подвинуть громадную молекулу, чтобы ее отросток — и именно тот, что нужно — точно лег на малюсенькую площадку металлического контакта. И еще, сила тока, протекающего через очень уж длинную молекулу, не может быть слишком большой — не то молекуле несдобровать. Речь, видимо, идет о величинах менее аттоампера, a 1 аА = 10^-18 А, то есть аттоампер в миллиард миллиардов раз меньше ампера. Электроника, особенно быстродействующая, такой слаботочной быть не может. Значит, нужны новые вычислительные молекулы с новыми структурами, и родиться они должны как плод союза молекулярной электроники с квантовыми калькуляторами.

Первыми о квантовых вычислительных устройствах заговорили еще в 1980-х годах Ричард Фейнман и Дэвид Дейч из Центра квантовых вычислений Оксфордского университета. Принцип квантового калькулятора основывается на спонтанной реакции квантовой — атомной или молекулярной — системы, находящейся в некотором нестационарном состоянии; предложено использовать для вычислений самопроизвольный отклик этой системы на какой-то стимул. Система делится на маленькие маленькие вычислительные единицы — «квантовые биты». Линейка квантовых битов может быть приведена к квантовой суперпозиции двух основных состояний (0 или 1), и оба состояния будут взаимодействовать между собой, но без обмена электронами. Само вычисление сводится к предоставлению ансамблю квантовых бит возможности самопроизвольно развиваться во времени. Квантовое вычислительное устройство считает примерно так, как считает время часовой механизм на шариках или на подшипниках, катающихся вдоль реек разной длины. Такие часы отсчитывают время ничуть не хуже, чем часы на зубчатых колесиках. Сначала систему квантовых битов готовят, вводя в нее два складываемых числа. Потом система развивается во времени самотеком: состояния отдельных бит меняются, пока не установится новое стационарное состояние всей линейки бит, которое и будет искомой суммой.

Эта концепция квантового калькулятора показывает, что вычислительные устройства не обязательно строить из электронных схем. Более того, специалисты по молекулярной электронике показывали, что незачем «заставлять» молекулу уподобляться электронной схеме — молекула может считать, но совсем не так, как приборы макро- или даже микроэлектроники. Оказывается, для того, чтобы научить молекулу считать, достаточно воспользоваться квантовой динамикой, которая присуща любой молекуле. При этом квантовые молекулы-калькуляторы способны выполнять все мыслимые арифметические и логические операции и, при равной сложности, совсем не обязаны быть такими же громадными и громоздкими, как те молекулы-схемы, которые пригрезились Форресту Картеру. Ученые даже сумели показать, что для квантовых расчетов вовсе незачем дробить молекулу на квантовые биты. Управлять внутренними квантовыми состояниями молекулы можно и манипулируя ее электронной структурой. Сами эти молекулы уже синтезируются и, надо думать, скоро мы узнаем о первых экспериментах с ними. Среди прочего они избавляют нас от пресловутого закона Мура. В самом деле показано, что для увеличения вычислительной мощности не обязательно нагромождать все больше и больше транзисторов на все сильнее уменьшающейся подложке, так как есть возможность управлять развитием квантовой системы во времени, а сама эта система может становиться все сложнее и сложнее и каждое новое поколение подобных систем будет богаче возможностями, чем системы предыдущего поколения.

Первые механические молекулы и первые молекулярные вычислители уже описаны. Напрашивается мысль о соединении молекул обоих типов: если поставить молекулу-калькулятор на молекулу-карету, то получится… молекулярный робот. В самом деле в нашем — макроскопическом — мире роботом называется устройство, выполняющее различные механические задачи и управляющееся вычислительной машиной, установленной в корпусе робота. Сегодня молекула-робот — лишь идея или, лучше сказать, мечта. И никто не скажет, сбудется ли когда-нибудь эта мечта. Химическому синтезу подобных нанороботов и телеуправлению таким синтезом мешают препятствия, кажущиеся пока непреодолимыми.

Но если уж синтез нанороботов столь сложен, то почему бы не попытаться его обойти? Скажем, возложив эту задачу на машины. Ну и пусть сами эти машины тоже будут молекулярными. И пусть они, перебирая атом за атомом (или присоединяя одно химическое соединение к другому), собирают из них все нужные молекулы-машины. Не очень пока понятно, какими они, эти молекулярные сборщики, будут. Ясно лишь, что речь идет о самых настоящих сборочных цехах, даже заводах по производству молекул вычислительных и механических, а также нанороботов. Понятно, конечно, что на нынешнем уровне знаний что-либо в этом роде немыслимо и неосуществимо.

Судя по тому, что нам рассказывают, эти молекулярные сборщики молекул-машин должны выглядеть ультраминиатюризованными копиями роботов, уже трудящихся на наших заводах. К примеру, такому сборщику нужны клещи или пинцет и телескопическая механическая рука — чтобы захватывать маленькие молекулы и по одной подсоединять их, друг за другом, выстраивая нужные агрегаты. Ричард Смолли, большой мастер по обхождению с молекулами фуллерена, не согласен: если молекулярные щипцы схватят молекулу, то выпустить ее они просто не смогут, так как для захвата понадобится химическая реакция, а что делать для того, чтобы щипцы ослабили хватку? Химическую реакцию так просто не «выключишь» — это же не электрический ток. И остановить ее, если она происходит, непросто. Но кто сказал, что сборщику непременно нужны щипцы на конце телескопической руки-схвата — неужели передвинуть один атом или одиночную молекулу нельзя как-то по-другому? Наши коллеги в Свободном университете Берлина иглой туннельного микроскопа передвигали молекулу с шестью ножками в надежде, что она «проглотит» атомы меди, предварительно выложенные на поверхности. Эти атомы постепенно, по одному, оказались под молекулой, в кучке, после чего как-то сортировать или перебирать их стало невозможно — мешали ножки молекулы. Так что экспериментатор может отпустить захваченные было атомы — если только ему удастся поднять иголкой ту молекулу, которая собрала их в кучку.

Другие ученые, в том числе Уилсон Хо, Дон Эйглер, Герхард Мейер или Жеральд Дюжарден из парижского университета Пари-Сюд в Орсе, пробовали на роль сборщика туннельный микроскоп. Они пытались, пользуясь этим прибором, синтезировать молекулу, соединяя, по одному, атом за атомом или фрагмент молекулы за молекулярным фрагментом. Оказалось, что подтолкнуть иглой микроскопа две молекулы навстречу друг другу, чтобы они вступили в химическую реакцию, — предприятие очень утомительное. Надо ухитриться так подвести иглу, чтобы молекула заняла нужное положение: вступит молекула в реакцию или же останется безучастной, зависит от ориентации этой молекулы; точнее, от ориентаций обеих молекул. Правда, похоже на то, что эту задачку и решать незачем: тепло приводит молекулу в движение, исследуемые молекулы самопроизвольно принимают множество самых разных ориентаций, и какие-то из них наверняка вступят в нужные исследователям реакции.

Монументализировать так монументализировать — почему бы и нет? Но неужто до бесконечности? Или все-таки до какого-то предела? Так до какого же размера нам придется строить молекулу? А до нужного — позволяющего в один присест синтезировать одну молекулу-машину. Так, в 2002 году японские химики сумели сформировать молекулярную цепочку длиной в 100 нм. Раньше или позже, но по достижении некоторого (но какого?) размера или определенной сложности (какой?) вновь синтезировать за один раз очередную молекулу, состоящую из все более усложняющихся механизмов, не удастся. Напрашивается возвращение к обычной производственной практике — сборке из готовых частей. А это приводит нас в область супрамолекулярной химии: есть химики, которые уже возделывают эту ниву, например Фрейзер Стоддарт из университета в Лос-Анджелесе, Жан-Пьер Соваж в научном центре CNRS, лауреат Нобелевской премии Жан-Мари Лен в университете в Страсбурге.

Но как собрать множество молекулярных частей вместе — и так, чтобы получалась сложная машина? Одни ученые, скажем, Жан-Мари Лен, изучают самопроизвольную сборку раздельных деталей: такая «самосборка» или «автосборка» напоминает детские головоломки и пазлы. Необходимые части помечают какими-то химическими соединениями. Каждая такая химическая метка опознает свою пару, то есть соединение-метку на другом кусочке пазла, и затем два кусочка головоломки сцепляются между собой. И так до завершения сборки. Этот метод самопроизвольной сборки в ходу у вирусов и у некоторых живых существ, включая многие виды бактерий. Вот почему столь важны исследования таких наипростейших «машин» или еще меньших самособирающихся «автоматов», как вирусы.

Группе ученых под руководством профессора Эккарда Виммера в Университете Стони Брук под Нью-Йорком в 2002 году впервые удалось синтезировать вирус — это был вирус полиомиелита. В природе он выглядит как шарик диаметром 28 нм. Его генетическую и белковую структуры расшифровывал в 2000 году Джеймс Хогл из Гарвардского университета, а позднее, в 2001 году, и Эккард Виммер с сотрудниками. Вирус этот состоит из собственно вируса — виральной компоненты — и оболочки, более или менее сферической. Виральная часть — это макромолекула РНК, содержащая 7411 нуклеотидов, и каждый из них, если его развернуть, вытянется на несколько микрометров. Шарообразная оболочка (капсид), внутри которой прячется виральная часть (вирион), составлена из 60 подъединиц, в каждой — по четыре белка. А каждый белок содержит в среднем 250 аминокислот. В 2002 году команда Эккарда Виммера сначала синтезировала РНК виральной части с ее 7411 нуклеотидами: в большинстве своем это цепочки атомов, которые уже умеет получать биотехнология и которые потому можно просто купить в магазине. Потом ученые химически синтезировали недостающее. По сравнению с химическим синтезом молекулы-машины в несколько этапов задача чрезвычайно упростилась — хотя бы потому, что многократно приходится синтезировать одно и то же или же вносить в синтез незначительные и очень понятные перемены. Получив виральную составляющую, исследователи не стали спешить с синтезом четырех протеинов, из которых состоит оболочка вируса. Вместо этого, чтобы получить белки и, главное, построить их в правильном порядке, сотрудники Эккарда Виммера состряпали «суп» из живых клеток, и синтезированная РНК полиомиелита использовалась уже существующими и работающими клеточными механизмами для построения оболочки — словом, был запущен механизм автосборки (ученые подсунули клеткам чужую РНК, и клетки, по своей рабской привычке, послушно выполнили совершенно ненужную им работу: собрали капсид (оболочку) вируса). Значит, не всегда необходимо строить новые молекулярные заводы — можно просто заказать нужный продукт предприятиям, уже существующим в природе. Например, бактериям.

Мы уже рассказали о первых молекулах-машинах и показали те дорожки, которые, похоже, могут вывести нас к молекулярному производству, то есть изготовлению молекул достаточного размера, примерно в десяток нанометров, которым будут по силам те же сложные дела, что и привычным для нас машинам нашего — макроскопического — мира. И мы обозначили эту задачу термином «монументализация», хотя занимаются монументализацией считаные исследователи — куда больше ученых заинтересованы в новых материалах, которые они называют «наноматериалами». Наноматериалы вроде бы могут иметь отношение к бетону, облицовке, керамике… словом, к вещам заведомо полезным и очень осязаемым. И будто бы как нельзя более далеким от той области, в которой орудуют молекулы-машины. Да и масштабы — бетона! — как-то трудно увязываются с нанометрическими. И как тогда прикажете понимать это самое «нано»? Собственно, термин «наноматериал» был вычеканен потому, что очень уже неудобно выговаривать: «материал, структурированный в нанометрическом масштабе». Речь идет о материалах, построенных из элементов, которые представляют собой молекулы, макромолекулы или маленькие атомные агрегаты (более или менее упорядоченные нагромождения атомов), причем размеры этих элементов, этих составных частичек материала, несомненно, измеряются в нанометрах. Возьмем, например, поваренную соль (или, если угодно, хлорид натрия). Ее основной мотив — повторяющийся узор, в узлах которого расположены атом хлора и атом натрия (расстояние между ними менее 0,3 нм). Этот узор повторяется пространственно — в трех измерениях, и в итоге получается кристаллик соли, маленький кубик, который очень просто подцепить пинцетом, чтобы потом разглядывать через лупу. Стало быть, структура поваренной соли — вполне атомная. А теперь обратимся к какому-нибудь наноматериалу: его повторяющийся мотив — это одна молекула, быть может, сложная, но, главное, она придает материалу какую-то нужную характеристику (устойчивость к деформациям, способность запоминать информацию и т. п.). Но сие драгоценное качество появляется только тогда, когда миллионы таких — одинаковых — молекул собираются вместе. И это же верно и тогда, когда элементарные кирпичики материала — не молекулы, а наночастицы размером лишь в несколько нанометров в диаметре, но собранные в нагромождения из тысяч и тысяч атомов.

Особенное структурирование вещества ради получения материала с желательными свойствами известно давно да и применяется с незапамятных времен. Еще в античные времена умели вплавлять наночастицы меди в стекло, чтобы стекло стало красноватым. Растворяемые краски тоже содержали наночастицы в эмульсии. Угольная или ламповая — она же голландская — сажа тоже состоит из частиц углерода диаметром от 10 до 1000 нм. Об этом писали еще в учебниках в XIX веке. И такие же наночастицы служат — и всегда служили — красителями в чернилах и туши. Те же наночастицы сажи в 1917 году стали добавлять в надувные шины, чтобы служили подольше. Наночастицы платины, родия, палладия работают в автомобильных каталитических конвертерах: они сидят в крошечных порах керамического блока — поры в керамике увеличивают площадь ее соприкосновения с выхлопным газом. Наночастицы ускоряют химические реакции, в результате которых содержащиеся в выхлопных газах оксид углерода (угарный газ) и оксиды азота превращаются в воду и диоксид углерода (углекислый газ).

Новизна наноматериалов по сравнению с материалами традиционными состоит в химической структуре повторяющегося основного мотива, который становится много сложнее. Возделывающие ниву наноматериалов и не заглядывают на поля монументализации, где молекула становится машиной, — они полагают, что ей уготована участь элементарного кирпичика для построения наноматериала. Наноматериалы — это такая необъятная область исследований, что ей следовало бы посвятить отдельную книгу. И не одну. Но никакого отношения к нанотехнологии наноматериалы не имеют.

Немало ученых, как и встарь, видят в молекуле всего лишь маленький «кусочек» вещества. А разговоры последних лет о молекулах-машинах научная среда нередко встречала насмешками, хотя это давно уже не просто разговоры, речь идет о реальных экспериментах. Молекула коренным образом изменила свой статус и, утратив анонимность, вышла из толпы множества себе подобных и равно безликих, чтобы обрести индивидуальность, — и как только у молекулы появилось «лицо», так она выказала неслыханную доступность по отношению к измерительным приборам и процедурам. Откликаясь на вызов, брошенный монументализацией, мы должны отыскать новаторские способы и приемы изготовления подобных молекул-приборов и молекул-машин, добиваясь, чтобы такая огромная молекула содержала ровно столько атомов, сколько требуется для выполнения ее работы, и не больше. И понятно, никто не скажет, до каких размеров и до какой сложности дорастут эти машины.

Из элементарного кирпичика, затерянного среди миллиардов миллиардов многих иных таких же кирпичиков, молекула за какие-то пятнадцать лет превратилась в нечто вполне самостоятельное. Теперь она может воплотиться в научный прибор или в сложную установку, а то и машину, и эти новые роли молекулы становятся все сложнее и многочисленнее, ей под силу все более трудные дела, и со дня на день должна прилететь весточка об успешной монументальной сборке молекулы-машины. Раз уж нам удалось понять, как собираются белки, мембраны и рибосомы в живой клетке, то неужели мы не сумеем воспроизвести структуру и организацию хотя бы самых простейших, но и самых крошечных форм жизни? А вдруг, когда мы соберем все составляющие вместе, получится искусственная клетка и эта клетка окажется живой?

Насколько нам известно сегодня, самые маленькие из всех живых организмов, населяющих нашу планету, — бактерии. А самые маленькие бактерии — меньше 200 нм. Вот это малютки! Для сравнения: обычные бактерии часто разрастаются до 1000 нм, а средний размер клеток человеческого тела — около 20 000 нм. Вирусы, правда, еще меньше (200–300 нм), но их не считают живыми организмами, потому что они не умеют ни жить самостоятельно, ни репродуцировать себя (то есть сами по себе вирусы не способны размножаться).

Предполагается, что могут быть открыты бактерии еще меньшие, чем все известные малютки: они должны быть не длиннее 100 нм, а то и 20 нм! Если эти крошечные «нанобактерии» и в самом деле будут обнаружены, то они окажутся куда меньше всего того, что мы привыкли называть жизнью. В самом деле, они настолько малы, что их, кажется, и быть не может. Ведь для того, чтобы питаться и размножаться, то есть, иначе говоря, быть живым и, следовательно, жить, организм заведомо должен содержать в себе всё, что необходимо для выживания: непременно ДНК, рибосомы — чтобы вырабатывать белки, митохондрии, ну и цитоплазму — кисель, где все это плавает, упакованное в плазматическую мембрану, которую защищает жесткая стенка (без нее, правда, как-то обходится микоплазма — мельчайший из известных живых организмов). Теоретики подсчитали, что живой организм никак не может быть меньше 180 нм.

А вот новые бактерии должны быть еще меньше. Они состоят, согласно общепринятым воззрениям, или из самых маленьких сборщиков макромолекул, еще способных жить (это нисходящий подход, то есть миниатюризация), или из одной монументальной макромолекулярной машины — машины естественной, то есть созданной самой природой, но научившейся жить (тут: восходящий подход, монументализация). Само существование таких организмов оспаривается. Люк Монтанье, открывший вирус СПИДа, окрестил их аббревиатурой НБО — «неопознанные бактериальные объекты». Следы этих пока неопознанных бактериальных объектов обнаружены во многих и разных местах планеты: на скалах и в осадочных породах морского дна, а также в организмах млекопитающих (коров и людей).

До 1996 года были известны только такие бактерии, величина которых намного превышала теоретический предел. Ничто ничему не противоречило, все шло как надо. Все шло как надо и в жизни некоего геолога из университета Миссисипи: его звали Роберт Фоук, и он, работая в 1990 году, близ горячих ключей в окрестностях Витербо, недалеко от Рима, наткнулся на какие-то непонятные объекты. Они представляли собой совсем крошечные (25-500 нм) кружки и овалы, выстраивавшиеся в цепочки или группировавшиеся как попало. Геолог понял, что это не минералы, и окрестил непонятные следы «наннобактериями» — с двумя «н», потому что в начале XX века эту приставку писали с двумя «н», и так до сих пор делают биологи и палеонтологи (см. Приложение II). Тогда на Роберта Фоука просто не обратили внимания: какой-то геолог — да что он может понимать в биологии? Кто же не знает, что такой крошечной жизни нет и не может быть! Подумаешь — открытие… Этот Роберт Фоук, если он и в самом деле что-то углядел, так то наверняка остатки заурядных бактерий. Ну, может быть, какие-то конкреции, вкрапления минералов, а что они такие чудные… Ну так они всякими бывают.

Но Роберт Фоук упорно стоял на своем. Он был тверд как сталь. В 1992 году Фоук устроил конференцию в Американском обществе геологии. На этот раз кое-кто к нему прислушался. В зале сидел Крис Романек, геохимик, работавший в НАСА, и он что-то быстро записывал вслед за докладчиком. Похоже, рассказ геолога заворожил геохимика, и тот, решив лично заняться изучением диковинных следов непонятных организмов, захотел проверить на наличие таковых имеющиеся у него образцы породы. Он переговорил с Дэвидом Маккеем, тоже работавшим в НАСА, но в Хьюстоне, в Космическом центре Джонсона, и, вооружившись электронным микроскопом высокого разрешения, — внимание! — обнаружил структуры такие же или очень похожие на то, о чем рассказывал Роберт Фоук!

Весть об этом открытии наделала в мире много шуму — очень уж необычными казались исследованные образцы, точнее, их происхождение. Они были отобраны с метеорита, прилетевшего с Марса. Само падение этого метеорита, окрещенного аббревиатурой ALH84001 (открыт в 1984 году, в Антарктиде, у горного хребта Аллан-Хиллз), прошло незамеченным, как, впрочем, и его обнаружение. Но, когда двенадцать лет спустя Дэвид Маккей и Крис Романек нашли в нем структуры, «похожие размерами и формой» на наннобактерии, обнаруженные Робертом Фоуком, незамедлительно вспыхнули жаркие споры. Мало того, что как будто бы подтверждалось существование наннобактерий (уже дело громадной важности), но, более того, эти организмы, похоже, попали на Землю с Марса: выходило, что на Марсе есть — или была — жизнь!

Весь мир затаил дыхание. Нашествие зелененьких человечков? Как сказать.

Внеземные существа оказались крошечными бактериями, куда меньшими, чем все то, что под силу нашему воображению. Правда, кое-кто орал во все горло: «Ну да, открытие! Как же это открыватели умудрились подгадать со своим открытием к голосованию в конгрессе?» Законодатели тогда как раз решали, какую долю бюджета стоит потратить на корабли, отправлявшиеся к Марсу. И пошло-поехало: да в самом ли деле эти продолговатые бороздки оставила после себя некая жизнь? Да и с Марса ли камушки-то? Мало ли чего сыщется в той Антарктиде.

Во Франции между тем нашлись исследователи, вознамерившиеся приглядеться поближе к метеориту, который упал в 1936 году в пустыню в Тунисе, близ Татавина; затем его доставили в Национальный музей естественной истории в Париже, куда в 1990-х попали и другие обломки этого же и иных пришельцев из космоса. Татавинский метеорит уж точно был не с Марса, однако его химический состав оказался почти таким же, как у ALH84001. И тут ученых ожидал сюрприз: в осколках метеорита нашлись продолговатые палочки длиной в несколько десятков нанометров, но — второй сюрприз — они были не на том кусочке метеорита, который был подобран через несколько часов после его падения. Получалось, что «наннобактерии» завелись на тех фрагментах метеорита, которые лежали в пустыне и после 1936 года, а на обломке, который почти сразу же попал в музей и хранился там в герметичном контейнере, охраняющем неземной камень от земных загрязнений, их не было! Стало быть, происхождение «наннобактерий» — вполне земное, да и то, что увидали на ALH84001, тоже, скорее всего, возникло на Земле, и, значит, вряд ли тут наследила внеземная жизнь.

И все же остается одно возражение: продолговатые следы на метеоритах как-то несовместимы с жизнью и жизнедеятельностью — какими мы их сегодня знаем. Чуть позже похожие формы размерами от 50 до 500 нм нашли в Австралии, когда обследовали образцы, извлеченные со дна морского, где они лежали на трехкилометровой глубине. Геолог Филиппа Юинз, стоявшая у истоков этого открытия, окрестила их «нанобами» («нано» — биологические организмы; «бы» — от «микробы», биологические микроорганизмы). Занявшись их изучением, она сумела показать, что нанобы состоят из углерода, кислорода и азота, а эти химические элементы неотделимы от жизни. Более того, Юинс доказала, что нанобы самопроизвольно развиваются как культура при комнатной температуре. И еще у них есть мембраны и к тому же они… позитивно прореагировали в трех тестах на присутствие ДНК. «Если нанобы — не биологические организмы, то трудно предложить вместо них что-то другое, что бы не противоречило нашим результатам», — сделала заключение Филиппа Юинз. Больше она ничего не сообщила мировому научному сообществу — что весьма странно, поскольку открытие ее действительно очень важно.

Работающий в Университете Куопио, в Финляндии, микробиолог Олави Каяндер в своей работе часто сталкивался с необходимостью готовить всякие бульоны из клеточных культур. Однажды вся его стряпня пошла насмарку: клетки погибли. Чтобы понять, что произошло, ученый проанализировал сыворотку плода теленка, которая была добавлена в культуру в качестве питательной среды. Загрязнений в сыворотке он не нашел, зато обнаружил какие-то неведомые организмы, размер которых был не меньше 50 и не больше 200 нм. Микробиолог решил, что это — наннобактерии, которые, как оказалось, встречались не только в геологических породах, но и присутствовали в живых организмах. Но маловеры не унимались и твердо стояли на своем. Мол, образцы еще раньше, до попадания в бульон, были заражены другими бактериями из-за изъянов в органическом материале или просто потому, что уже кишели самыми заурядными бактериями. А что такие маленькие, так это — стресс. Человек, если его напугать, съеживается, вот и эти тоже ужались и сократились.

Карим Бензерара из Института минералогии и физики плотных сред (CNRS) решил покончить с этими дрязгами, разгадав тайну наннобактерий. Присоединившись к команде исследователей Татавинского метеорита, Бензерара начал изучать его обломки с помощью самых совершенных приборов — мощного просвечивающего электронного микроскопа и синхротрона (ускорителя элементарных частиц). И выяснил, что каждая палочка, обнаруженная в Татавинском метеорите, на самом деле всего лишь кристалл кальцита (известкового шпата). И уж конечно не живой микроорганизм! Значит, есть чисто минеральный процесс, приводящий к образованию именно таких форм. И этот процесс даже удалось воспроизвести в лаборатории. Так что, похоже, нанесен роковой удар по наннобактериям геологического происхождения (то есть тем, что были найдены в метеоритах, скалах и в осадочных породах морского дна).

Затем Карим Бензерара решил применить свои приемы к «наннобактериям человеческого происхождения», которые нашли в сосудистых тканях. Изучение образцов на синхротроне выявило наличие таких нагромождений атомов углерода, которые свойственны белкам, но в данном случае они оказались сопряженными с нанокристаллами фосфата кальция. Следует ли считать эти данные доказательством некой новой формы жизни, обнаруживающейся в сосудистых тканях через углеродистые конкреции? В самом деле, белки ведь могли попасть в эти конкреции и случайно. В своих исследованиях Карим Бензерара держится гипотезы, согласно которой «наннобактерии человеческого происхождения» тоже могут иметь чисто кристаллическое происхождение. Подразумевается, что эти «организмы» способны возникать из образования ядер и роста кристаллов фосфата кальция — а эти процессы управляются белками. Так что Карим Бензерара уверен: несмотря на то что механизм синтеза «человеческих наннобактерий» пока что не очень понятен и неизвестна даже его природа, которая может быть как неорганической, так и органической, однако ничего похожего на жизнь тут нет и быть не может.

Но, если бы, наоборот, удалось показать, что эти минерало-органические объекты — последствие жизнедеятельности живых существ, случилась бы настоящая революция. Тогда на новые — в смысле пока неизвестные — бактерии можно было бы свалить вину за недуги, которые (пока) неведомо откуда берутся: артериосклероз, камни в почках, псаммомы — опухоли, часто встречающиеся при раке яичников, и т. д. Кроме того, те же бактерии могут быть причастны к образованию костей, зубов, зубной эмали и зубного камня. В общем и целом они могут быть связаны с механизмами отложения и осаждения минералов — веществ, органическими не считающимися. Более того, если эти «наннобактерии» и в самом деле существуют, то они представляют собой новую, неведомую прежде форму жизни, во многом непохожую на те живые существа, которые нам известны сегодня. Вполне возможно, что это уцелевшие архаические бактерии или протобактерии — то есть примерно такие же организмы, с которых начиналась жизнь на нашей планете. Словом, нечто вроде «недостающего звена», этакого связующего промежутка между молекулами и теми живыми бактериями, которые нам известны сегодня.

Согласно наиболее вероятной гипотезе, жизнь появилась в процессе перехода от вещества косного, инертного к веществу живому. Якобы молекулы становились все сложнее и сложнее и организационно — все совершеннее. Напрашивается вопрос: после чего — после какого уровня сложности и организации — начинается жизнь? Этот вопрос терзает ученых еще с античных времен. В V веке до н. э. греческие философы считали все вещества живыми. Лукреций думал, что жизнь возникает из смеси частиц, «зерен» души с «зернами» телесными. В XVIII веке молекулы считались живыми существами — только самыми маленькими из всех существующих. Бюффон (1707–1788) назвал первые обнаруженные после изобретения микроскопа живые клетки «органическими молекулами». А чего ради считать их живыми? Но вдруг это не так? Сплошной туман — ничего не ясно. Когда в 1827 году ботаник Роберт Броун наблюдал под микроскопом непрерывное и беспорядочное движение зернышек пыльцы на поверхности воды (знаменитое броуновское движение), он решил, что ему посчастливилось открыть те «первобытные молекулы», которые отвечают за жизнь.

Жизнь, похоже, казалась тогда не менее таинственной, чем теперь, когда непонятностей ничуть не меньше. «Есть такое дерево, <…> часто наблюдаемое в Шотландии. С этого дерева опадают листья: падая в воду, листья превращаются в рыб, те же, что упали на землю, становятся птицами»[18], читаем мы в трактате по ботанике, написанном в XVII веке. Эта теория самопроизвольного зарождения жизни бытовала в самых разнообразных вариантах и дожила до Пастера, который в 1858–1874 годах успел досыта наслушаться всякого разного от злобных приверженцев «разумных классических воззрений». Пастер сумел положить конец всем спорам, когда на конференции в Сорбонне убедительно показал, что так называемое самозарождение жизни на самом деле возникает из-за заражения микробами и в конечном счете из-за некачественной — или никакой — стерилизации.

Но и это выступление Пастера не покончило с витализмом — так называют веру в некую особенную силу, которая то ли порождает жизнь, то ли порождается жизнью, причем главная особенность этой силы в том, что она непохожа на силы, действующие в физических и химических явлениях. Первый ощутимый удар по витализму датируется 1828 годом, когда в лаборатории было синтезировано вещество, как нельзя более тесно связанное с жизнью: немецкий химик Фридрих Вёлер получил мочевину, используя только классические методы физики и химии и не испытывая нужды ни в какой «жизненной силе». По мере того как химические реакции, идущие внутри клетки, становились все более понятными, ученые постепенно убеждались в том, что в живой и неживой природе правят одни и те же законы. «Жизнь есть продукт организации молекул» — к такому выводу пришел французский биолог Франсуа Жакоб, удостоенный в 1965 году Нобелевской премии. После Пастера все уяснили, что живое происходит из живого, а после Дарвина — что одни виды произошли от других видов. Так что все мы — люди, овощи, улитки — происходим от какой-то первобытной протобактерии… а то и, если, конечно, что-то этакое существует или когда-то существовало, от наннобактерии! Важно, что сия мысль все-таки сумела пробить себе дорогу, а именно: возникновение жизни есть результат некой химической эволюции. Сумеем ли мы воспроизвести нечто подобное в лаборатории? Одно несомненно: ученые не смогут оставить в покое тайну жизни, которая будоражит человечество уже многие века.

XX век был веком «поделок» из атомов и всяческих манипуляций с ними. Век XXI обещает стать столетием «поделок» из живого и махинаций с жизнью. Сегодня так называемая «синтетическая» биология, едва научившись по-младенчески лепетать, замахивается на воспроизводство жизни — на творение живого в лаборатории. И ученые, работающие над этим, своих намерений не скрывают. Но что такое жизнь? Определение очень даже пригодится: когда придет день и в какой-то лаборатории в пробирке что-то этакое зашевелится, придется проверять соответствие нового творения ученых некой четкой дефиниции. Но определения — материя деликатная. Большинство знающих людей сходятся на такой дефиниции: жизнь есть способность организованных структур к самовоспроизведению.

Словосочетание «синтетическая биология» появилось в 1912 году на обложке научного сочинения, автором которого был французский врач Стефан Ледюк. Он интересовался проявлениями жизни и задумал воспроизвести их в своей лаборатории. Воспользовавшись солями металлов в растворах на основе углеродных, фосфорных или кремниевых соединений натрия, медик умудрился вырастить великолепные структуры, похожие на водоросли, колышущиеся на морской волне, — и его создания казались живыми.

Прошли годы, и этот термин вновь появился — он воскрес в 1978 году под пером автора редакционной статьи в журнале Gene («Ген»), провозглашавшего пришествие «эры биологии синтеза, когда биологи не станут довольствоваться описанием существующих генов, но постараются построить новые»[19].

Считая, что жизнь сводится к расстановке сложных молекул, которые (заняв верное положение) и образуют биологические системы, поборники синтетической биологии не сомневаются, что в один прекрасный день им удастся создать живое. А пока они стараются изучить механизмы, действующие в клетке: выяснить, как внутри нее циркулирует информация, как работают внутриклеточные регуляторы, как взаимодействуют между собой гены и белки, как клетка общается с соседями и окружением и т. п., чтобы потом воспроизвести познанные механизмы. Они думают и об изобретении неведомых самой природе функций, и о «программировании» клетки на выполнение новых, то есть прежде не выполнявшихся ею, задач. Так, одну бактерию видоизменили так, что она, обнаружив какие-то — вполне определенные — молекулы близ себя, начала светиться, фосфоресцируя зеленым светом; ни о чем подобном эта бактерия конечно же и не помышляла, пока исследователь не подтолкнул ее на эту дорожку[20].

Не бывает жизни без информации — передаваемой, принимаемой или передающейся. Информация записывается в цепочках молекул ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) почти во всех живых организмах. Но все-таки не во всех. Да и было так, похоже, не всегда. Есть биологи, считающие, что сначала информация хранилась в молекулах РНК (рибонуклеиновой кислоты) — почти у всех вирусов РНК есть, и без ДНК они по большей части легко обходятся. Вообще-то между ДНК и РНК разница невелика, но РНК может еще и миллионнократно ускорять химические реакции — словно какой-то фермент. Раз уж РНК — и носитель, и хранитель информации, и катализатор, то естественно думать, что сначала появилась РНК, а уж потом ДНК, более устойчивая и более специализированная, — в сущности, ДНК занимается только информацией.

А как же в ней записываются те или иные сведения? Грубо говоря, ДНК содержит полное описание клетки. Цепочки ДНК — это своего рода приказы или команды, получаемые макромолекулами, присоединяющимися к ДНК. Они передают полученные команды «производственным машинам», вырабатывающим белки, необходимые для выживания клетки. Алфавит для записи информации состоит всего из четырех букв — нуклеотидов А, Ц, Г и Т, именуемых основаниями. Учредители синтетической биологии умеют синтезировать эти основания и приводить их в порядок. Итак, сначала они изготавливают искусственные ветви ДНК. Потом исследуют то, что получилось, проверяя, действительно ли искусственная ДНК функционирует так же, как естественная. Они вводят эти искусственные участки ДНК в бактерии и наблюдают за тем, что после этого происходит, надеясь понять жизнь через подражание ей, а потом, быть может, эту самую жизнь удастся воссоздать или сотворить заново. Таким образом уже были получены более 10 000 искусственных участков, а затем более 32 000 тех оснований, которые кодируют некоторые белки в бактерии Escherichia Coli. Кроме того, предпринимаются попытки синтезировать искусственные основания, непохожие на те (А, Ц, Г и Т), которыми пользуется известный нам мир живого. Так, в 2002 году японцы создали ДНК с шестью основаниями: к четырем естественным (А, Ц, Г и Т) они добавили два рукотворных — S и Y. Эксперименты показали, что бактерии способны включать в себя эти незнакомые им основания. А нельзя ли ожидать также и появления неведомых природе генетических кодов, новых белков или каких-то прежде неизвестных функций? Иными словами, а вдруг ученые, эти энтузиасты, создадут иные формы жизни? Пока что, однако, ни один диковинный кролик из колпака волшебника не выскочил.

Не так давно исследователи синтезировали вирус полиомиелита. Ну вот, вирус уже есть — значит, пора бы синтезировать бактерию, правда? «Технология производства» могла бы оставаться той же. Однако в геноме Escherichia Coli, бактерии из зауряднейших и самых распространенных, 4,7 млн оснований! Размах несколько иной, чем в случае вируса полиомиелита, для изготовления которого потребовалось синтезировать «лишь» 7200 оснований. Не диво, что биологи заинтересовались бактериями попроще и поменьше, чем Е. Coli. К примеру, американский биолог Крейг Вентер, участвовавший в расшифровке генома человека, работает с крошечной бактерией Mycoplasma genutalium: у малютки — 517 генов, что означает наличие каких-то 500 000 оснований! Некоторые гены кажутся бесполезными, или, точнее, неиспользуемыми. Весь вопрос в том, как бы поточнее определить, какие именно «гены» не нужны, да и угадать, сколько все-таки их нужно для жизни — речь о минимуме, понятно. По оценкам биологов, он примерно равен 250, что не кажется чем-то совсем уж недостижимым. Но никто не посмеет утверждать, что стоит подогнать друг к другу нужные основания, и возникнет жизнь.

Жизнь, она не так проста. Положим, удалось выстроить генетическую программу — но ведь нужна еще и «коробочка» (вместилище). Приверженцы синтетической биологии уже кое-что придумали и даже опробовали. Например, они научились делать искусственные мешочки, делящиеся самостоятельно, под воздействием механического давления извне. Еще они синтезировали белки, способные проникать в мембрану и создавать канал, соединяющий то, что внутри мембраны, с внешним миром — по этому каналу могут перемещаться питательные вещества или отходы метаболизма. Как и с оболочками (вместилищами), так и с их содержимым дела продвигаются, и довольно быстро, но на сегодняшний день ничего похожего на самовоспроизводящуюся жизнь не создано. Не помогут ли нанотехнологии решению и этой задачи?

Синтетическая биология не пользуется нанотехнологиями, но применяет генетические методы. А ведь новаторский нанотехнологический инструментарий как нельзя лучше пригоден для изучения сокровенных тайн клетки. Совершенствование туннельного микроскопа привело к созданию микроскопа ближнего поля, пользуясь которым исследователь может как бы «сорвать» мембрану и заглянуть внутрь клетки. Из наноматериалов мастерят нанозонды, и эти крошечные приборчики приклеивают затем к белкам или к маленьким вирусам, что позволяет проследить их перемещения внутри клетки. Если такие маркеры еще и светятся, флюоресцируют, то за движениями белковых молекул или вирусов можно наблюдать с помощью конфокального оптического микроскопа, in vivo.

Но верно и обратное: биология иной раз способна принести большую пользу нанотехнологиям: творения Владычицы Природы научают определенным приемам и наводят на интересные мысли, подсказывая, например, как создать тот или иной нанообъект, или наталкивая на изобретение чего-то неведомого и самой природе. Например, изучение макромолекулярных конфигураций на поверхности мембраны, выступающих в роли «запоров» или «замков», открывающихся только для определенных протеинов (стало быть, эти белки — «ключи» к замкам), помогает создавать молекулярные установки типа «ключ — замок». Наночастицы можно будет оснастить «ключами», а сами они смогут приклеиваться к заданным участкам больных клеток, доставляя в эти места лекарства. В том же духе изучение обнаруживаемых в природе режимов и механизмов самосборки, заживления или регенерации помогает создавать наноматериалы, способные самостоятельно (без вмешательства человека) собирать (строить) и ремонтировать себя.

Более полные знания биологии клетки могут оказаться полезными и разработчикам все более и более усложняющихся молекул-машин. Вспомним грезы 1980-х об использовании естественного биохимического завода — а это любая бактерия — для производства (синтеза) тех или иных частей или деталей молекулы-машины. В сущности, это монументализация, только доведенная до предела и осуществляющаяся в лоне бактерии. Правда, ничего похожего на поиски искусственной жизни здесь нет, так как планы сборки будут отличаться от тех, по которым собираются макромолекулы и органические вещества самой бактерии, пусть даже молекулярные веса или иные параметры окажутся равными или близкими.

Но если удастся строить все более и более сложные молекулы-машины, то не окажутся ли вдруг какие-то из них живыми и не выяснится ли это в каком-нибудь опыте, не обязательно преднамеренном? Положим, что молекула-машина наделена теми же функциями, что и бактерия (умеет то же, что и микроорганизм), — должны ли мы счесть такую искусственную молекулу живой? Где именно в том скоплении миллионов макромолекул, которое называется клеткой, прячется дыхание жизни? Ответ на этот вопрос ускользает от естественнонаучного подхода, несмотря на многовековые усилия. Самые последние по времени гипотезы толкуют про механизмы познания и самоорганизации молекул, но они ничуть не объясняют природу той искорки или крупицы жизни, делающей самую ничтожную бактерию такой непохожей на самое замысловатое нагромождение атомов и молекул, которое только удается создать человеку.

В марте 2007 года французский Национальный консультативный комитет по этике (CCNE) обнародовал свои умозаключения касательно нанотехнологий: комитет тревожился насчет «опасных свойств молекулярных наносистем, создаваемых человеком посредством преодоления биологических барьеров». Несколькими днями позже газета Liberation истерически вопрошала: «Опасны ли для здоровья атомномодифицированные объекты?» Тревога по поводу нанотехнологий вызвала небывалую волну споров, докладов и всяческих рекомендаций. Всеобщее недоверие порождало многочисленные расследования, а порой и неприкрытое сопротивление. Взбудораженное гражданское общество принялось создавать антинанотехнологические ассоциации и организации: известнее прочих «Орудия и рабочие руки» в Гренобле, «Обломофф» в парижском регионе и «Синий, как апельсин» (по названию стихотворения П. Элюара «Земля синяя, как апельсин») в Тулузе.

Неужто и в самом деле «чем мельче, тем вреднее»[22]? Неужто и в самом деле нанотехнологии такие страшные? Вопрос непростой, коль скоро нанотехнологии занимаются объектами и производственными процедурами как нельзя более далекими от повседневности. Однако, выслушивая нападки на нанотехнологии, особенно самые резкие и неистовые, мы понимаем, что каждый из нас — нанотехнологов то есть — превратился в глазах общества в самое настоящее пугало. В 2006 году гренобльская ассоциация «Орудия и рабочие руки» составила, а затем распространила список французских ученых, разрабатывающих нанотехнологии и тем самым, в сущности, несущих человечеству погибель. Когда я увидал в списке и свое имя, мне, признаться, стало не по себе. Если верить ассоциации, то я мастерю молекулярных роботов, которые, того и гляди, сумеют проникать в клетки человеческого тела и менять в них ДНК. А потом эти опасные твари научатся еще и размножаться! Со временем они ускользнут из-под власти людей и потратят все запасы угля, которые только отыщутся на планете Земля, чтобы плодиться и всячески процветать. Они превратят планету в ничто, а точнее, покроют всю Землю толстым слоем серого студня. Именно этот вариант будущего объявил угрозой номер один среди иных опасностей, которые несут нам нанотехнологии, научный директор информационной компании Sun Microsystems Билл Джой, в 2000 году поведавший о своих опасениях всему миру[23]. Но нанотехнологиям приписывают и другие опасные черты.

В докладе Национального консультативного комитета по этике, посвященном нанотехнологиям и опубликованном в марте 2007 года, среди прочего отмечалось: «Нанонауки и нанотехнологии имеют своей целью предоставление человеку возможностей манипулирования с элементарными и универсальными составляющими материи, атом за атомом…» Такое определение нанотехнологий вовсе не беспристрастно. Слово «универсальный» подразумевает постоянство, незыблемость, а не только всемирность и вездесущность. Употребляя этот термин, комитет обиняком напоминает или внушает мысль о неприкосновенности вещества или каких-то его составляющих, которые не мытьем так катаньем ныне подвергаются или рискуют подвергнуться каким-то манипуляциям, надо думать, далеко не безобидным. Рассуждая о нанотехнологиях и «атомномодифицированных объектах», газета Liberation берет ту же ноту заботы о чем-то святом, неприкосновенном, о самой основе всей западной культуры и ее ценнейших сокровищах. В самом деле, разве не решил Тридентский собор[24] (1545–1563 гг.), что нельзя безнаказанно затрагивать материю?

Этот же Собор подтвердил и утвердил такое понятие, как трансубстанциация (пресуществление), — превращение хлеба и вина в плоть и кровь Христовы. С тех пор атомистическая теория материи, не совместимая с этим постулатом, подлежала анафеме. Атомизм считал атомы «зернышками» вещества, полагая, что крошка хлеба так крошкой хлеба и останется — с чего бы ей превращаться в кусочек мяса? Собор вошел в историю и предопределил участь Галилея. Официально его осудили за отстаивание утверждений Коперника, но вполне возможно, что не осталась незамеченной и склонность Галилея к атомизму. Во времена святого Фомы Аквинского боялись мышей: если зловредные грызуны заведутся в доме священника, они запросто могут покуситься на Святые Дары — на гостию — и сгрызть облатки, приготовленные для причастия. Сегодня страшит могущество науки: надо же, эти ученые способны манипулировать веществом, терзать его и строить новое вещество, по атому, атом за атомом! В каком-то смысле нанотехнологии попирают христианские запреты. А всякие игры с атомами — да что там эти физики собираются открыть? Тайны творения? Да они уж такого натворят! И разве это не состязание с Богом, не оскорбление порядка вещей, установленного Им во Вселенной? А что прикажете думать о намерении пересотворить жизнь? Игла туннельного микроскопа неминуемо затрагивает вопросы столь же древние, ибо унаследованы от пращуров, сколь и бездонно глубокие.

Вопросы о манипуляции материей неизбежно приводят к вопросам о жизни, и наоборот. Так что не приходится удивляться тому, что гипотетические «атомномодифицированные организмы» (АМО) изображаются сегодня как едва ли не самая жуткая угроза, которую несут с собой нанотехнологии. В воображении напуганных этой опасностью АМО видятся живыми организмами, модифицированными атом за атомом: вот же времена настали — вслед манипуляциям с генами начинаются махинации с атомами! Разумеется, модификация живого организма — по атомам — немыслима. Для этого надо бы сначала точно знать строение атома, потом выяснить план его сборки, да и игла у туннельного микроскопа понадобилась бы сверхсверхминиатюрная! А ведь иначе как только с помощью такой иглы манипулировать веществом, точнее, отдельными атомами, мы не умеем — по крайней мере пока. Поэтому для возникновения этих самых АМО нет ни научных предпосылок, ни технических возможностей. Однако появление понятия АМО внушает мысль о существовании связи между манипулированием одиночными атомами и созданием генно-модифицированных организмов, создавая в умах трудноразличимую мешанину из АМО и ГМО.

Сегодня ученые если и оперируют одиночными молекулами, то только на поверхности твердого тела (подложки). Предполагается, что завтра или послезавтра удастся повторять похожие манипуляции на поверхности клетки, а потом и управлять перемещением одиночной молекулы внутри клетки. В ближайшие двадцать, пятьдесят или сто лет должны появиться какие-то новые инструменты и приборы — и пока они не изобретены, отрыв от подложки невозможен. А насчет намерения построить робот из одной молекулы и, управляя им, менять живой организм, да еще с атомной точностью… Никто сегодня всерьез ни о чем подобном и думать не смеет. Неужто необходимо запрещать научные исследования из опасений, что когда-то в будущем некие ученые вздумают заняться такими опытами, которые сегодня представляются опасными? Поатомная манипуляция материей — могучее орудие в области фундаментальных исследований, в частности в изучении явлений квантовой механики и границ самой жизни, о которой науке еще предстоит узнать очень многое.

11 января 2007 года власти калифорнийского города Беркли решили, что научно-исследовательские лаборатории и промышленные предприятия, обосновавшиеся на подведомственной территории, должны описать получаемые продукты и опасности, связанные с их производством. Действуя в том же духе, ЕРА (ведомство, защищающее окружающую среду США) занялось регламентацией поставок на рынок потребительских товаров, содержащих наночастицы серебра, требуя от фирм-поставщиков доказательств безвредности их продукции для окружающей среды. Вопрос возник в связи с моющим средством, в которое для дезинфекции белья добавляли эти наночастицы. То, что серебро убивает бактерии, известно уже очень давно, но как подействуют его наночастицы на того, кто наденет обработанную ими одежду? Да и что случится с микроорганизмами, тоже не мешало бы знать.

Запрос на регламентацию производства и использования наноматериалов, особенно тех, в которых содержатся наночастицы, становится в странах Запада все громче, ведь люди помнят дело об асбесте, который, судя по всему, может быть виновен как минимум в 100 000 смертей, что случатся в течение ближайших двадцати лет![25]

Наночастицы пугают народ уже потому, что они так малы и способны проникать в самые глубинные альвеолы в легких, преодолевая любую биологическую защиту (хоть мозга, хоть кишечника) и просачиваясь в кровь с легкостью, недоступной для частиц покрупнее.

На самом деле наночастицы использовались человеком по крайней мере с бронзового века, правда, количество производимых наночастиц до сего дня оставалось очень скромным. Крупномасштабное производство материалов на основе наночастиц без санитарного и токсикологического контроля и использование таких материалов при выпуске потребительских товаров действительно чревато серьезными рисками для населения. Наночастицы, выбрасываемые вместе с выхлопными газами работающим дизельным двигателем (более десяти миллионов частичек на кубический сантиметр, диаметр каждой — менее 100 нм), как и те частицы, которые образуются, когда мясо жарят на шампуре, гриле или барбекю, уже привлекли к себе внимание защитников окружающей среды. Но сейчас появляются все новые и новые материалы. Вот, например, электронная бумага. Это «листок», на котором можно произвольно менять текст, «печатаемый» электричеством. Конструктивно это два сложенных вместе прозрачных листа, прослойка между которыми заполнена электронными чернилами, содержащими электрически заряженные черные и белые наночастицы. Под воздействием электрического поля частицы передвигаются в поле зрения, образуя буквы, складывающиеся в текст. Производство этих чернил с нанотехнологией и ее методами ничего общего не имеет, но как-никак наночастицы-то в чернилах есть. Прежде чем входить с такой новинкой на рынок, стоило бы изучить эти частички на вредность, принять должные меры безопасности на самом производстве и позаботиться о какой-то утилизации отработавшей электронной бумаги или хотя бы продумать, как сделать так, чтобы частицы бумаги, например поврежденной, не попадали в окружающую среду.

Стоило бы также повнимательнее приглядеться к материалам, содержащим наночастицы углерода. Они уже присутствуют во множестве химических и биохимических товаров, производимых не только автоматически, но и с использованием ручного труда. В настоящее время в индустриальных странах применяется 100 000 веществ, если не больше (это товары для дома, краски, пластмассы и т. д.). При этом о токсичности по крайней мере трети этих соединений толком ничего не известно[26]. И как-то незаметно, чтобы сие кого-то сильно волновало. Кстати, что мы знаем об огнеупорных керамических волокнах, которые заменили былые — и отвергнутые — асбестовые нити? Неужто они совсем безопасны? А между тем эти ниточки из огнеупорной глины — и в тормозах, и в каталитическом конверторе вашего автомобиля, и в любой топке и тигле для обжига. Правда, госчиновники все же зачислили их в категорию «Канцерогены категории 2» (вещества, заведомо способствующие раковым заболеваниям у животных и, возможно, у людей). Стекловолокно и волокна из скалистых пород — материалы более распространенные — отнесены к «Канцерогенам категории 3» (к этому классу причислены вещества, контакт которых с человеком нежелателен по причине возможного канцерогенного эффекта, хотя убедительные или исчерпывающие доказательства тому на данный момент отсутствуют). Зато данные насчет токсичности волокон углеродных — а они есть и в теннисных ракетках, и в корпусах лодок и суден побольше, и в велосипедах — или параамидных (включая кевлар) «еще недостаточны для попытки сформулировать полную и подробную оценку рисков эффектов»[27], вызывающихся названными материалами. Все эти и многие (почти все) иные волокна не имеют ничего общего с нанотехнологией (диаметр такой ниточки по крайней мере в тысячу раз больше диаметра нанотрубки из того же углерода). И хотя они очень распространены, их свойства, и прежде всего токсичность, изучены до сих пор плохо.

Словом, за деревьями леса не видать — иначе как объяснить такое обостренное внимание к углеродным наночастицам и нанотрубкам при полном небрежении всем прочим? Нужен был козел отпущения, подвернулись нанотехнологии, вот и давай валить на них все мыслимые и немыслимые вины. А промышленность, на которую следовало бы возложить всю полноту ответственности за ущерб, наносимый окружающей среде и здоровью людей, остается в стороне. «Производители [новых] материалов должны бы были давать абсолютную гарантию касательно должным и правильным образом определенной безопасности своей продукции как для рабочих, занятых на производстве [этих материалов], так и для народонаселения в целом. История показывает, что так бывает нечасто», — меланхолически замечает введение в программу Nanosafe-2 («Нанобезопасность-2»), принятую Европейским союзом.

Вообще-то нанотехнологии можно бы поставить в пример, достойный подражания, во всяком случае, если речь идет об изучении токсичности или воздействии на окружающую среду: испытания такого рода непременно предшествуют любому масштабному производству. В самом деле, подобные исследования множатся по всему свету. Европейский союз финансировал первую программу Nanosafe, чтобы подвести какую-то базу под суждения насчет опасности наночастиц. Во Франции Национальный институт промышленной среды и сопутствующих рисков инициировал программу исследований, нацеленную на выяснение опасностей, сопряженных с теми молекулами, которые синтезируются нанотехнологиями. Национальный институт безопасности пересмотрел свои исследования в области токсикологии наночастиц. Агентство санитарной безопасности в окружающей среде и на производстве тоже заинтересовалось угрозами окружающей среде и санитарии со стороны наноматериалов. Все эти исследования содержат немало такого, что, казалось бы, должно разжечь жаркие споры. Но что делать? В смысле — с наноматериалами? Неужели не ясно? Самые опасные — запретить, за другими установить жесткий контроль, а вполне безобидные не трогать — пусть промышленность выпускает их как обычные товары.

Как наноматериалы, так и наночастицы — совсем не синонимы угрозы и опасности. У перелетных голубей есть специализированные клетки с магнитными наночастицами, помогающие птицам ориентироваться в магнитном поле Земли. Вот вам и совершенно безвредные наночастицы! Наоборот, как нельзя более полезные. Шарик диаметром около 5 нм может содержать несколько тысяч атомов и потому способен транспортировать некую целебную субстанцию. Мы уже упоминали о способности наночастиц преодолевать гематоэнцефалический барьер, защищающий мозг (эта преграда отделяет кровеносные сосуды от мозговой жидкости). В этом их опасность, но по этой же причине они так сильно интересуют медиков. Соединив наночастицы с медикаментами, можно попытаться излечить, например, опухоль мозга — заболевание, которое сегодня с большим трудом поддается хоть какой-то терапии, поскольку большинство противораковых лекарств не способны преодолеть гематоэнцефалический барьер. Целебные наночастицы пока еще только разрабатываются, но уже известно, что они будут содержать растворяющиеся в биологической среде полимеры или циклодекстрины (это молекулы с внутренней полостью), но не иметь в своем составе липидов — так нанолекарство с большей непринужденностью пройдет сквозь гематоэнцефалический барьер.

Разрабатываются и другие наночастицы для работы с клетками. Известно, например, что существующие методы лечения рака, в частности химиотерапия и радиотерапия, одинаково воздействуют и на здоровые, и на раковые клетки, вызывая массу побочных, нежелательных последствий. А наночастицы помогут врачам находить именно раковые клетки. К примеру, если оснастить наночастицу средствами распознавания, то она превратится в «самонаводящуюся боеголовку», которая сама отыщет больную клетку, воткнется в нее и будет воздействовать именно на нее. Если в наночастице есть металлические включения, то их можно нагревать лучом лазера, и раскаленный металл разрушит злокачественную клетку. И что — запрещать производство наночастиц, умеющих исцелять? Ни в коем случае! Достаточно — и необходимо — установить жесткий санитарный и токсикологический контроль над предприятиями, производящими такие чудодейственные частицы — подобно тому, который действует в иных отраслях промышленности. За образец можно было бы взять фармакологическую или пищевую промышленность либо отрасли, связанные с переработкой сельскохозяйственной продукции.

Еще одна тревога, связываемая с нанотехнологиями, касается личных и гражданских свобод. Внимание общественности привлекли, например, стремительно распространяющиеся радиоидентификаторы (RFID — Radio Frequency Identification). Это электронные устройства, состоящие из микросхемы (чипа) и антенны; в сущности, это передатчик, посылающий сигналы на определенной радиоволне. Публике не нравится, что информацию, записанную в чипе, может прочитать некто, находящийся довольно далеко от чипа, а еще огорчительнее то, что этот читатель может попытаться дистанционно внести изменения в информацию, не ставя в известность хозяина радиоидентификатора. То есть чипы радиоидентификаторов не защищены от злого умысла — в отличие от тех чипов, что встроены в кредитные банковские карточки и иные подобные «электронные документы», для прочтения которых пользователь непременно должен вставить свою карточку в паз читающего устройства.

Выпускаются радиоидентификаторы в виде табличек, этикеток или капсул. Они уже используются в качестве пропусков в столовые при предприятиях, на общественном транспорте (система Navigo Парижского транспортного управления RATP), на горнолыжных курортах — облегчают расчеты за ремонт оснащения и помогают найти потерявшегося спортсмена. Они понемногу вытесняют те штрихкоды, которыми помечаются потребительские товары или произведения искусства. Появились первые супермаркеты без кассиров, в которых клиенты сами должны сканировать штрихкоды. Завтра на товарах в супермаркете появятся этикетки с радиоидентификаторами, и тогда не надо будет выкладывать покупки на ленту транспортера, подающую их к кассе: довольно провезти свою тележку между антеннами, настроенными на соответствующие радиоволны, и счет покупателя немедленно уменьшится на должную сумму.

Насчет товаров тревожиться, наверное, не стоило бы, но и мы сами в один прекрасный день можем обнаружить себя оснащенными такими радиоэтикетками. В Бельгии уже сегодня все коты и собаки обязаны иметь на себе радиоидентификаторы. Во Франции в апреле 2007 года радиоидентификаторами «пометили» младенцев: на ручки новорожденных в родильном доме в Ренси-Монфермей надели «электронные браслеты» с радиоидентификаторами, дабы помешать злоумышленникам, вздумавшим похитить ребенка. Такие же устройства могут оказаться полезными в присмотре за людьми в летах и не отличающимися завидным здоровьем и памятью — в случае чего чип браслета или таблички поднимет тревогу. Но как далеко можно зайти с этими идентификаторами? Многие опасаются, что дело идет к новой эре, когда найдутся пастухи для «человеческого стада»: «Чип, говорят нам, поможет медикам быстрее прийти на помощь, если что случится. <…> Потом (под различными предлогами) оправдают расширение „чипизации“ на еще более широкие круги населения. И однажды окажется, что жить без чипа нельзя. И тогда, надо думать, обяжут вживлять чип в тело каждого новорожденного сразу же после его рождения. И из дому без чипа не выйти, да и в доме его снимать запретят. „Дечипизация“ станет уголовным преступлением»[28].

При нынешних своих размерах радиоидентификаторы не кажутся особенно опасными для нашей свободы. Но микроэлектроника продолжает преуспевать в микроминиатюризации, и ее крошечные создания уже не намного больше молекул белка. Бракосочетание между биологией и микроэлектроникой становится вполне вероятным предприятием — размеры сходные; более того, их союз уже родил чипы на ДНК и молекулярные рецепторы, то есть микрорецепторы, чувствительные к определенным молекулам, например белкам или ДНК, — эти микрорецепторы служат датчиками. Правда, чувствительность такого датчика пока слабенькая: нередко нужны тысячи одинаковых молекул, чтобы он понял, что имеет дело с заданным химическим соединением. Этот союз живого с рукотворной техникой крепнет благодаря нанотехнологиям. Они, боятся некоторые, превратят, чего доброго, радиоидентификаторы в нанорадиоидентификаторы, а то и в молекулярные радиоидентификаторы. Нанорадиоидентификаторы будут не видны не только невооруженным глазом — их нельзя будет увидеть и в оптический микроскоп. Они станут часовыми на страже элементарных процессов жизни. Будучи введены в тело человека, они начнут следить за составом крови, за уровнем свободных радикалов в клетках, за выделением гормонов гипофизом… А если внедрить их в мозг, то они смогут регистрировать сигналы, передаваемые нейронами, чтобы расшифровывать — без нашего ведома! — поток информации, текущий по нервам, то есть читать наши мысли. «Многие миллиарды малюсеньких сканеров, именуемых нанороботами, можно будет направить внутрь мозга, чтобы выяснить все подробности изнутри», — писал американский публицист Рей Кёрзуэйл[29]. Молекула, превратившаяся в радиоидентификатор, становится самым изощренным шпиком и угрозой нашей свободе воли.

Нанотехнологии, выходит, готовят нам мир, в котором будет «много глаз на дне», выражаясь в духе знаменитого речения Фейнмана[30]. Незримые нанороботы станут внедряться в наши тела; видеокамеры в виде соринок будут плавать в наших головах и надзирать за нами; пылинки, прилипшие к стенам и потолкам, примутся собирать информацию и шпионить за нами… Помню, как мне позвонила одна особа, прося совета: недавно она подверглась операции и опасалась, что хирург внедрил в ее тело полчище нанороботов. Она сетовала на этих крошечных тварей — они же всегда и все слышат. Дама была готова приехать ко мне в Тулузу на «прием»; умоляла меня избавить ее от настырных невидимых лазутчиков!

Да мыслимо ли разместить столько «глаз», размером с молекулу каждый? Да и поместится ли такое «око» в молекуле? Как-никак подобной системе понадобится вычислительное устройство («бортовой компьютер»), передатчик и антенна — и все это в одной молекуле! Нет, места наверняка не хватит. Вспомним о масштабе: вот он, этот наноробот-шпион росточком в десяток нанометров. Нередко такой агрегат рисуют в виде хорошенькой гладенькой скорлупки, из которой торчат мини-клещи или крошечные щипцы — чтобы разделываться с молекулами, которые заботятся о сохранности своего атомного строения. Такая картинка показывает беспочвенность мечты о нанороботах: в самом деле, мы видим привычного нам макроскопического робота, и оснастка у него вполне макроскопическая, только воображение фантазера ужало его до размера молекулы — или пары-другой молекул. Ладно, пускай, но давайте представим себе, что наноробот с радиоидентификатором все-таки удалось построить. И внедрить в тело человека. На новом месте он не застрянет в какой-то одной точке, но станет перемещаться. Сигнал, передающийся таким устройством, затеряется и смажется — из-за многочисленных преломлений и отражений радиоволны от различных участков тела. А установить с ним прямую связь представляется делом еще более трудным, если не безнадежно невозможным. Кроме того, понадобится какой-то особенный канал связи, некоторая площадка для обмена наносигналами с этим нашим нанороботом. Но уж очень он мал для наших нынешних коммуникационных систем. Сегодня мы можем поддерживать связь с системами величиной во многие микрометры, то есть о коммуникации с нынешними радиоидентификаторами и, наверное, с теми, которые появятся в ближайшие годы, и речи не идет. Вряд ли есть смысл миниатюризировать эти электронные устройства до предела: микрометрический масштаб, очевидно, оправдан, но нанометрический — вряд ли. Просто потому, что возможное на первом уровне недостижимо на втором. Так что лишь путаница между названной парой масштабов объясняет мечтания о нанороботах, наделенных такими мудреными умениями и обремененных такими затейливыми обязанностями, которые совершенно не по силам и более «крупным» устройствам.

Но давайте отставим в сторону эти технические вопросы и представим себе, что вопреки ожидаемому ученые все-таки сумеют — через двадцать, пятьдесят или сто лет — смастерить молекулярный радиоидентификатор и даже научатся обмениваться информацией с одинокой молекулой, блуждающей по внутренним пространствам человеческого тела. Ну и что? Зачем эти нанокорабли? Никто не знает, что с ними делать, потому что никто не может предсказать, каковы будут нравы в обществе с такими возможностями, в чем оно будет нуждаться и чего хотеть.

Национальная комиссия по информатике и свободам (CNIL) уже ударила в колокола, выражая тревогу по поводу нынешних радиоидентификаторов. Эти устройства, полагает комиссия, могут содержать сведения, которые, хоть и кажутся несущественными, тем не менее касаются конкретного человека. По этой причине комиссия настояла на распространении закона об «Информатике и свободах» и на радиоидентификаторы, хотя он вообще-то разрабатывался для информационных картотек.

Вперед, к наномедицине?

Кому не хочется всегда хорошо себя чувствовать и никогда не иметь поводов жаловаться на здоровье? Однако стоило на горизонте замаячить призраку «молекулярной медицины», сулящему, что молекулы-машины будут на молекулярном уровне выявлять первые признаки грозных генетических мутаций, как общество заволновалось: а надо ли дозволять медицине такое? Куда она идет и как далеко зайдет? Допустимо ли «исправлять» генетическую предрасположенность к онкологическим заболеваниям, хотя заведомо неизвестно, будет ли рак или его не случится, или лучше довольствоваться лишь недолговечными и временными мерами при лечении не столь тяжких недугов? А многие люди вообще не стали задавать лишних вопросов, решив дожидаться этой самой грядущей «наномедицины», которая усовершенствует тело человека и даже дарует ему бессмертие.

В числе этих «надеющихся» — Том Морроу, Макс Мор и Наташа Вита-Мор, самозваные футурологи, возглавившие ассоциацию «трансгуманистов» WTA (World Transhumanist Association). «Трансгуманисты» превозносят прогресс и проповедуют «нравственное право служить технологии ради приращения наших физических, ментальных и репродуктивных способностей». «Мы надеемся на расцвет через преодоление наших нынешних биологических ограничений», — заявляют эти люди, рассчитывая на такое изменение хода эволюции человека, в результате которого появятся совсем иные, новые, люди, и «трансгуманисты» объявляют себя предтечами этого нового вида.

Ну а при чем здесь нанотехнологии? Макс Мор в ответ на этот вопрос ссылается на наноматериалы: «Можно внедрить в черепную кость человека молекулы алмаза, чтобы череп стал практически несокрушимым. Ныне наши мозги слишком уж уязвимы, а вот если в черепе будут алмазные нановолокна, то даже прокатись по вашей голове грузовик, вы почувствуете разве лишь незначительное неудобство»[31].

Сильнее всего трансгуманисты желают оставаться молодыми, и не просто как можно дольше, но… навсегда. Мечта эта стара как мир: во всяком случае, она обнаруживается уже у первых китайских алхимиков, еще за 4500 лет до нашей эры озаботившихся составлением рецептов бессмертия[32]. Но все их потуги оказались тщетными, им так и не удалось ничего найти, как, впрочем, и никому из тех, кто жил много позже. Трансгуманисты возлагают свои упования на генетику и с жадной нетерпеливостью следят за экспериментами и манипуляциями биологов, надеясь на скорое пришествие ГМБ, то есть генно-модифицированного бессмертия. Еще они надеются на искусственные органы, которые должны заменить те, что человек получил от природы: предполагается, что их можно будет менять, как запчасти у автомобиля. Еще одна греза: киборг — полумашина, получеловек: в мозг встроены чипы, в памяти которых хранятся все энциклопедии (лекарство от провалов в памяти), искусственные глаза умеют видеть с увеличением — как бинокль или микроскоп, да еще и в инфракрасном свете — как приборы ночного видения у десантников или спецназовцев. «Ведь мы уже носим контактные линзы и протезы. Почему бы не увеличить за счет чего-то в этом роде и другие наши способности?» — вопрошают мечтатели. А австралийский художник и трансгуманист Стеларк (stellarc — звездная дуга), уже вжививший в свое тело третье ухо из тефлона (правда, он пристроил этот искусственный орган на плече, что слегка затрудняет его функционирование), отвечает: «Однажды нам всем потребуются имплантации — чтобы увеличить свои знания и усилить свои умственные способности. Я лишь чуть-чуть опережаю вас»[33].

Трансгуманистам очень не нравится, что их тела непрерывно стареют и в конце концов — что совсем уж возмутительно! — обречены на смерть. Раз уж из-за тела возникают такие неприятности, то нельзя ли обойтись как-то без него? Но как это — без тела? А очень просто: «достаточно» просканировать содержимое мозга и передать полученную информацию в память компьютера — и вы сможете воскресать, когда захочется, либо в одном теле, либо в другом, либо, в самом крайнем случае, в абстрактной логической форме, бытующей в виртуальном пространстве, и пребывать в этаком «цифровом раю».

Что? Вас не прельщают столь заманчивые перспективы, и вы не пляшете от восторга, предвкушая подобное будущее? «У нас в Соединенных Штатах есть такие люди — амиши[34], это — религиозная группа, члены которой в повседневной жизни годами держатся определенных приемов ради сохранения социального равновесия. Чем-то на них похожи и те — назовем их „гуманиши“, — что решили остаться людьми в строгом смысле слова, а именно: не подвергаться генетическим манипуляциям, не расширять сознание, не усиливать способности мозга и не жить слишком уж долго[35]», — объясняет Макс Мор, выказывая некоторое снисхождение к заблудшим овцам.

На вопрос «Да будет ли этому предел?» трансгуманисты безмятежно отвечают, что никаких пределов нет и быть не может. И ссылаются на сочувствующих, а среди них вроде бы числятся такие знаменитости[36], как отец искусственного интеллекта Марвин Мински, «папаша» робототехники Ханс Моравец или Рей Кёрзуэйл — изобретатель синтезатора, выставляемого в качестве доказательства немалых научных заслуг. Этот самый Рей Кёрзуэйл предсказывает, что человек сподобится бессмертия лет через двадцать — потому что миллионы микророботов размером с шарик кровяного тельца будут днем и ночью чинить наши органы и восстанавливать, а то и творить новые ткани[37].

Удивительное дело, но самыми рьяными распространителями подобных измышлений оказываются… самые яростные противники трансгуманистов, причем представители обеих спорящих сторон изображают своих идеологических врагов сущими пугалами. «Вообразите себе мир, о котором мы мечтаем: мы просто хотим полной свободы для прогресса, нанотехнологий, генетики, информатики», — заявляют сторонники «преодоления человеческого». И утверждают, что их движение оказывает немалое влияние на человечество. В сентябре 2007 года в ассоциации трансгуманистов насчитывалось 4519 членов: половина — в Соединенных Штатах, треть — в Европе. Цифра, что и говорить, серьезная.

А КАК НАСЧЕТ ОБОРОНКИ?

В серии мультипликационных фильмов «Волшебник Мерлин» Уолта Диснея этот самый Мерлин отчаянно борется с Колдуньей, применяя весь свой волшебный арсенал. В последнем фильме чародей обращается к самому мощному оружию: он превращается в вирус и становится невидимым. Недруги нанотехнологий возмущаются тем, что за наноустройства могут ухватиться военные, у которых вечно одно на уме — как бы побольше истребить народу, а ведь речь идет о незримом оружии, которое, небось, пострашнее оружия видимого. Исследовательские лаборатории, существующие на государственные или общественные деньги, прибавляют к своим названиям или к названиям своих исследований приставку «нано», чтобы урвать толику тех финансовых благословений, которыми власти поощряют «совершенствование» вооружений. Однако если приглядеться, то окажется, что почти любое новое оружие создают, прибегая по большей части к классическим методам миниатюризации.

Ничего такого уж особенно подходящего для войны в нанотехнологиях нет. Ну да, Массачусетский технологический институт (MIT) в Соединенных Штатах получил от американской армии средства на создание Института наносолдата (Nano-Soldier Institute). Разумеется, MIT не мог упустить случая попасть под тот финансовый дождь, что так щедро орошает нанотехнологии. В институте начались работы по созданию наноматериалов, которые повысят боеспособность войск, — позволят разработать снаряжение, защищающее воина от ранений — и, стало быть, увеличат его шансы уцелеть в бою. Но никакого незримого оружия, так пугающего нынешних обличителей военщины, в Массачусетсе не изобретают, да и жутко секретную нанобомбу не мастерят. Кстати, на что она может быть похожа, эта сверхкрошечная — с большую молекулу — бомба? И на что она — такая — воякам?

Как бы то ни было, не важно, получится ли что-нибудь с этой нанобомбой или нет, превзойдет ли она своей смертоносностью мини- или макробомбы. Дело тут вовсе не в военной технике. Главное — догадается ли оборонная промышленность, как приспособить новые идеи и методы к человекоубийству. Этот спор не вчера начался, да и ответ или, точнее, вывод известен давно: пока весь мир не разоружится, не проведет полнейшую и окончательнейшую демилитаризацию, правительства государств будут продолжать извлекать все самое лучшее из научных достижений ради безопасности своих народов. Дело в обществе, в котором есть и милитаристы, и антимилитаристы. А какой величины будет орудие уничтожения… а какая разница…

За последние десятилетия появилось столько новых технологий. «Довольно! — кричат некоторые. — Сколько можно? Слишком много для нашей цивилизации, невыносимо много для нашей планеты». Немецкий социолог Ульрих Бек так объясняет происхождение подобных мнений: мы переходим от индустриального общества, в котором прогресс оборачивался все большими благодеяниями, а несчастья и огорчительные происшествия носили местный или ограниченный характер, к такому обществу, в котором риски приобретают планетарный масштаб, а возможный размах техногенного бедствия становится необозримым (например, загрязнение окружающей среды в результате аварии на АЭС). Риски не поддаются «приручению», и даже правительственные инстанции не могут их «одомашнить». Государство обвиняют в неспособности гарантировать безопасность своих граждан и даже подозревают в утаивании информации (скандал с заражением крови, удар Чернобыля по Франции…). И прогресс уже видится не как благодеяние, а так… — состояние, что ли.

Опасности, приписываемые нанотехнологиям, становятся ставкой в политической игре. В Великобритании принц Чарльз взволнован «огромными экологическими и социальными рисками», связанными с нанотехнологиями, и обеспокоенность престолонаследника побудила лорда Сейнсбери, министра, ответственного за науки, потребовать отчета у Королевского научного общества и Королевской инженерно-технической академии[38]. В ноябре 2006 года нанотехнологии стали предметом слушания о «потенциальных рисках этической природы» в Национальном собрании Франции. Депутат от департамента Изер предложил, чтобы «Франция выступила на международном уровне с инициативой создания инстанции по контролю и надзору за нанотехнологиями», тогда как избравшие его в парламент экологи из Гренобля потребовали, чтобы в их городе был объявлен мораторий на исследования, связанные с нанотехнологиями.

«Хватит!» — вопиют и те воинствующие противники нанотехнологий, что в своих воззваниях к осторожности доходят до требования запретить не только их использование, но и все исследования нанометрического мира. Запрет сомнительных плодов науки дополняется отказом от избыточного потребления. «Нам не нужны все эти мудреные электронные побрякушки! Не будем покупать бесполезные игрушки — подобные выдумки только пачкают природу: и когда их мастерят, и когда ими забавляются, и когда их выбрасывают! Долой электронный хлам! Долой моду на нано!» — восклицают бойцы гренобльского товарищества экологов. Яростные нападки на нанотехнологии увязываются с модным требованием остановить рост экономики. Новоявленные противники прогресса полагают, что для замедления экономического роста необходимо отказаться от научных исследований, и видят в науке неиссякаемый источник, из которого черпают производители товаров, потакающие самым прихотливым вкусам. Из этой нечистой утробы рождаются новые технологии, пакостящие природе, так что выход один: закрыть все научно-исследовательские лаборатории! «Нас с каждым часом становится все больше, а наш голос — все громче! Мы требуем отказа от экономического развития и научных исследований — это лишь пустые слова, означающие разве что нынешний порядок, то есть будущее без будущего»[39]. Но способна ли цивилизация, во всяком случае, такая, как наша, остановиться в своем развитии? Да и что такое вся наша планета, если не система, претерпевающая непрерывную эволюцию? Как помешать человечеству обновляться?

А что подумают восточные страны, услыхав призывы отвернуться от прогресса и еще в колыбели удушить нанотехнологии? Ибо громогласное недоверие к новшествам, в сущности, заметно лишь в Европе (где трудно услыхать доброе слово о нанотехнологиях, если вы не среди ученых) и в Северной Америке, где, надо сказать, к этим крикам не очень-то прислушиваются: населению по большей части любопытны успехи науки и техники. В Азии, в странах, вставших на путь развития, на нанотехнологии поглядывают благосклонно, надеясь, что очередное научное открытие будет сопряжено с экономическим прорывом, который, быть может, облагодетельствует и их. В Сингапуре, например, — а это государство практически лишено сырьевых ресурсов — развитие электронных технологий, почти не нуждающихся в сырье, рассматривается как огромная удача и счастливая находка, обещающая сокращение импорта и ускорение экономического роста. Такие страны, очевидно, будут всячески поддерживать нанотехнологические изыскания.

Большие государства, в частности Индия и Китай, пошли по западному пути, воспроизводя на свой манер Национальную нанотехнологическую инициативу (NNI) североамериканской державы. Однако отдельные молодые ученые из этих и других развивающихся стран стремятся миновать хоженые тропы и, обратившись от нанотехнологий к нанонауке, испытать иное научное приключение, а не то, что предлагает им NNI.

Ресурсы планеты небезграничны, а потому просто необходимо придумать какой-то иной образ развития вместо нынешнего нашего, непрестанно истребляющего невозобновляемые сырьевые и энергетические запасы и почти не ведающего хотя бы вторичного использования отходов. Хорошо бы вообще потреблять как можно меньше сырья и энергии. Как знать, может быть, кому-то из современных ученых и удастся показать, что мир способен развиваться, сохраняя при этом нашу планету.

Споры о нанотехнологии сопровождались вопросами, вполне серьезными, без хихиканья над бреднями научных фантастов, сулящих апокалиптический сценарий конца света, когда планету покроет серый кисель. Изобретались страшилки, выдававшиеся за осмысленные аббревиатуры, — вроде АМО (атомномодифицированные организмы), под которыми не кроется ничего осязаемого. Так чего бояться? Неужто нечего? Таковы уж разговоры на эти темы, что насущные вопросы не затрагиваются. Общество, привлеченное было горячностью спорщиков, очень скоро начинает скучать и поворачивается к иным, тоже неотложным предметам.

Прогресс науки порождает серьезные вопросы. Стоит ли упорствовать, настаивая на продолжении исследований, коль скоро закон Мёрфи, гласящий, что «все, что может испортиться, портится», никто не опроверг? Во имя принципа предосторожности, во имя неведомого будущего кое-кто — и это не один человек и даже не два — домогается моратория на нанотехнологии. «Достаточно ли мы контролируем себя, чтобы контролировать эти технологии?» — вопрошают обеспокоенные. Философ Поль Вирилио писал: «Обновление корабля — это уже и обновление мореплавания; изобретение паровой машины, локомотива, было еще и изобретением схождения поезда с рельсов, то есть железнодорожной катастрофы <…> всякий этап технического прогресса приносил не только свой набор инструментов и машин, но и специфические происшествия и несчастные случаи, а также разоблачителей „отрицательного“ в развитии научной мысли»[40].

Отказывающиеся от науки хотят остановить ее, не допустить, чтобы она шла дальше, к нанотехнологии, или требуют хотя бы, чтоб она сделала паузу. Но дело не в нанотехнологиях. Сегодня, как и в любое иное время, все сводится к вопросу о природе или сущности той искорки, которая подвигает некую личность на познание мира вокруг себя или мира внутри себя. Эта искра — то ли демон, то ли добрая фея — прячется в каждом из нас. И никто не имеет права затаптывать и гасить эти искорки.

Увидеть молекулу через увеличительное стекло невозможно, никакой лупе это не под силу. Размер молекулы воды — 0,3 нанометра, то есть 0,3 от миллионной доли миллиметра. Молекула бензола побольше — 0,5 нм. Состоящие из углерода, кислорода и водорода молекулы липидов и глицинов еще крупнее — до 1 нм. А состоящие из аминокислот молекулы белка вдесятеро больше — с десяток нанометров. ДНК — вообще молекула-великан, «макромолекула», длина которой доходит до многих микрон, а если такую скрученную в спираль молекулу расплести, она растянется на многие метры. Но даже эту воистину гигантскую молекулу в лупу увидеть невозможно.

Какой же прибор взять, чтобы все-таки углядеть молекулу? Оптический микроскоп позволяет благодаря лучам света увидеть в объектив увеличенное изображение малюсенького объекта. В наши дни микроскопы с увеличением в тысячу раз продаются в гипермаркетах. За какую-то сотню евро можно наслаждаться созерцанием волосков на лапках блохи и крошечной живности, кишащей в капле воды, или заняться разглядыванием фацетного глаза мухи. Словом, видеть то же, что и Роберт Гук, Антони ван Левенгук, Галилей — первые исследователи, заглянувшие в трубу микроскопа еще в XVII веке.

Глядя в такой микроскоп, вы увидите паутинку или волос диаметром около 50 мкм такими, словно бы диаметр вырос до 5 см. Так что? Если молекула воды «вырастет» в 1000 раз, то есть до 0,3 мкм, то, значит, ее можно будет увидеть? Увы! Что бы вам ни говорили знатоки микроскопов, знайте: изображение молекулы воды никогда никто в объективе микроскопа не видел — и никогда не увидит. Виноваты свойства света: волна света разлагается и преломляется (принято говорить о «дифракции»), проходя через любой объект, величина которого соизмерима с длиной волны. А видимый свет — это электромагнитные волны длиной около 0,1 мкм. Изображение в этом случае расплывается или вообще пропадает из объектива.

В других микроскопах вместо видимого света используются невидимые лучи (ультрафиолетовые, инфракрасные) или пучки элементарных частиц, а в туннельном микроскопе, многократно упоминавшемся в этой книге выше, работают квантовые явления.

Сегодня микроскопы принято делить на две категории. Если источник света или элементарных частиц располагается поодаль от наблюдаемого объекта, то такой микроскоп называют микроскопом дальнего поля, если же источник и объект рядом, прибор относят к классу ближнего поля (расстояние оценивается относительно длины волны используемого излучения). Чтобы уяснить различие, давайте получше присмотримся к тому увеличительному стеклу, которым в 1668 году воспользовался голландец ван Левенгук. Его увеличительное стекло представляло собой, в сущности, микроскоп с одной линзой почти сферической формы. Свет, например от Солнца или лампы, отражаясь от зеркал, освещает объект и отражается от него. Затем лучи света проходят через линзу и, попадая в объектив, выстраивают увеличенное изображение, наблюдаемое непосредственно. Источник света удален от объекта, и потому линза ван Левенгука входит в класс микроскопов дальнего поля.

Слепой «видит» предмет, ощупывая его: осязание подменяет зрение. Обводя объект пальцем, линия за линией, незрячий может составить в своем сознании некое ментальное изображение объекта. Поступая таким образом, слепец прибегает к приему «ближнего поля». А если вместо пальца тончайшая игла? Тогда, если точно отладить колебания иглы, можно с высоким разрешением получить, точнее, реконструировать (по перемещениям иглы), изображение наблюдаемого объекта. Микроскопия ближнего поля изобретена затем, чтобы заменить микроскопию дальнего поля в тех ситуациях, когда в дело вмешивается дифракция.

Чтобы читатель лучше представил себе основные этапы истории микроскопа, мы расскажем о приключениях одной молекулы, сильно поспособствовавшей прогрессу микроскопии (и других исследовательских методик) на протяжении почти столетия: это фталоцианин меди (рис. 1). Размеры этой молекулы — средние, а само соединение получают в виде раствора, кристаллов или осадка на твердой поверхности, для удобства наблюдения. Впервые фталоцианин меди был получен в 1927 году, а в наши дни он встречается на каждом шагу: если пластиковая сумка, в которую упаковали ваши покупки в супермаркете, синеватая или голубоватая, то в пластике наверняка есть фталоцианин.

ДИФРАКЦИЯ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ

Приключения фталоцианина меди начались в 1933 году, когда английский химик Патрик Линстед решил определить его атомную структуру. Для этого он воспользовался дифракцией рентгеновских лучей. Метод этот не относится к собственно микроскопии, потому что изображение молекулы получается «окольным путем». Само название приема говорит об использовании дифракции — явления, так мешавшего микроскопии. Просвечивая кристалл образца рентгеновскими лучами, получают геометрический образ, узлы которого расположены соответственно расстояниям между атомами, что и позволяет представить схему строения кристалла.

В молекулярном кристалле громоздятся миллиарды одинаковых молекул. Они почти недвижны просто потому, что двигаться некуда: соседние молекулы мешают. Эта их недвижность и позволяет получать изображения. Если кристалл тонкий, то видимый свет через него пройдет. Однако длины волн видимого света (400–800 нм) слишком уж велики, чтобы нести какую-то информацию: получается что-то вроде стрельбы из пушек по воробьям или раскалывания орехов бульдозером. Нужны волны много короче. Рентгеновские лучи годятся как нельзя лучше: длины волн соизмеримы с межатомными расстояниями внутри кристалла, то есть измеряются считаными нанометрами, если не меньше. Чтобы не вдаваться в историю, приведем лишь один пример. Рентгеновское излучение помогло выяснить структуру хлорида натрия (иначе поваренной соли): кристалл, оказывается, состоит из квадратных корзинок, а длина стороны квадрата — 0,4 нм. Собственно, это — расстояние между соседними атомами, точнее, ионами хлора и натрия.

Патрик Линстед привлек к своим исследованиям одного молодого ученого по имени Джон Робертсон, который после долгих вычислений выяснил, как устроен кристалл, состоящий из молекул фталоцианина меди, и понял, как построена сама молекула: это квадраты со стороной 1,3 нм.

ФТАЛОЦИАНИН МЕДИ НА ФОТОГРАФИИ

Работа всех нынешних электронных микроскопов основана на одном принципе. Металлическая, очень тонкая игла подводится к металлической пластинке. Если между иглой и пластинкой приложено электрическое напряжение достаточной величины, с иглы будут стекать электроны. И тогда то, что происходит в этом пространстве, будет зависеть от расстояния между иглой и пластинкой.

В 1930-е годы были изобретены «эмиссионно-полевой микроскоп» (или «автоэлектронный микроскоп») и «электронный микроскоп». И разгорелось ожесточенное и затяжное сражение между коллективами ученых, работающих с этими приборами. Воевали за первенство: кто кого опередит в соревновании за достижение атомного разрешения, то есть за выведение на экран изображения атома. В конце 1960-х годов один из отцов электронной микроскопии во Франции Гастон Дюпуи, выступая перед академическим собранием, заявлял: «Моя цель — увидеть сами атомы». Но впервые эту цель себе поставили — и гораздо раньше — два молодых немца, работавшие в лабораториях фирмы Telefunken (позднее — Siemens), звали их Эрвин Мюллер и Эрнст Руска.

Эрвин Мюллер всегда отличался любопытством и упрямством. И вот однажды он вознамерился доказать, да так, чтобы никто не посмел усомниться, что пучок электронов, излучаемых из некоторой точки, содержит информацию о расположении атомов в этой точке. Установив на достаточном удалении от этой самой точки люминесцентный экран, он надеялся получить увеличенную светящуюся проекцию расположения атомов — подобно тому, как высвечиваются силуэты в китайском театре теней. Чтобы проверить свою догадку, Мюллер придумал в 1936 году автоэлектронный микроскоп. Увы! Как он ни старался, получить изображение атомов не удавалось. Но однажды — это случилось уже в 1951 году — он пришел в лабораторию, и все у него с самого начала пошло наперекосяк: внутрь ограждения, где находилась установка, попало небольшое количество водорода. Загрязнение! А сам экспериментатор невзначай поменял полярность напряжения между иглой и пластинкой. И на кончике иглы появились ионы водорода. То есть пучок заряженных частиц теперь состоял не из электронов, а, пусть отчасти, из ионов водорода. И, попав на люминесцентный экран, они нарисовали… схему расположения атомов!

Мюллер продолжил свои эксперименты с более тяжелыми газами, выбирая те, что не так, как водород, охотно вступают в химические реакции, например гелий или неон, старательно подбирая при этом вольфрамовую иглу, и в конце концов добился того, что на экране появилось изображение тех атомов вольфрама, которые попали на кончик иглы. Таким образом Эрвин Мюллер первым получил изображение одиночного атома. Случилось это в 1955 году. А в 1991-м человек впервые сумел сдвинуть атом с места — иглой туннельного микроскопа. Это был Дон Эйглер, исследователь, работавший на IBM в Калифорнии. Но это уже совсем другая история, о которой рассказывалось в главе 3.

О том, что случилось после описанных опытов Мюллера, знают куда меньше. А ведь и он ввел, по своей воле или еще как — кто знает? — в эксперименты толику фталоцианина меди. На кончике иглы поместилось несколько молекул. На экране возникло знакомое изображение атомов вольфрама, но появились и какие-то странные пятнышки: каждое такое облачко делилось на четыре симметричные дольки. Расстояние между двумя атомами вольфрама на кончике иглы известно, значит, оно годится на роль эталона для определения размеров долек. Мюллер сравнил вычисленные значения с величинами расстояний, полученными Робертсоном с помощью дифракции рентгеновских лучей, — все сходилось! Так Эрвин Мюллер получил в 1957 году первое изображение одиночной молекулы (рис. 2). А фталоцианин меди еще раз выступил в качестве предмета и повода научной премьеры.

Рис. 2. Полученное на экране автоэлектронного микроскопа изображение нескольких молекул фталоцианина меди, расположившихся на вольфрамовой игле. Это изображение Э. Мюллер получил в 1957 году, работая в своей лаборатории при университете штата Пенсильвания. Каждая молекула выглядит как крестик с четырьмя четко различимыми дольками. Здесь воспроизводится фотография С люминесцентного экрана. использованного Э. Мюллером, на который проецировались электроны, излучаемые вольфрамовым острием и частично проходящие через молекулы

Затем Мюллер получил множество изображений иных молекул. В то время автоэлектронный микроскоп (эмиссионно-полевой микроскоп) лет на пятнадцать опережал своего соперника, которым был микроскоп электронный. Но эта техника — лишь вынужденная необходимость для некоторых предельных условий, складывающихся в определенных электрических полях и при определенных давлениях. Кроме того, автоэлектронный микроскоп не дает такого четкого представления об атомных структурах молекул, как установки с рентгеновскими лучами или электронный микроскоп. В наши дни используется автоионный (ионно-полевой) микроскоп для определения характеристик структуры игл на атомном уровне, что важно в работе с туннельным микроскопом.

РОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО МИКРОСКОПА

В начале 1930-х годов инженер Берлинского университета Эрнст Руска получил задание определить параметры, необходимые для контроля диаметра пятна, образованного пучком электронов, пропущенным через отверстие в металлической пластинке. Поначалу он решил воспользоваться соленоидом (тороидальной катушкой, которая, если по ее виткам течет электрический ток, действует как магнит), полагая, что соленоид сможет менять диаметр пучка электронов так, как линза фокусирует проходящие через нее лучи света. Затем он подумал, что аналогия между электронами и видимым светом сулит много больше, и построил просвечивающий микроскоп из источника электронов, соленоида и проекционного экрана (все это, понятно, было помещено в вакуум). Потом он поместил между соленоидом и экраном небольшой предмет — и соленоид повел себя на манер линзы в оптическом микроскопе. Так Руска получил увеличение в 14,4 раза и — изобрел электронный микроскоп.

Памятуя о теоретических ограничениях возможностей получения изображений с помощью света, Руска в глубине души надеялся, что электроны смогут обеспечить лучшее разрешение. Увы, в 1927 году Луи де Бройль опубликовал работу, ознакомившись с которой Руска приуныл: выходило, что с электроном, как и со всякой материальной частицей, связана некая волна. Руска так хотел обойти теоретические ограничения оптики — и на тебе: его микроскоп тоже подчиняется законам волновой физики, в частности, не свободен от явлений вроде дифракции. Но трудности его не остановили: в 1932 году Руска показал, что предел разрешения электронного микроскопа не хуже 0,22 нм. И воспрял духом: это обещало, в теории, возможность видеть атомы!

Так начинался тот спектакль. К концу 1930-х годов увеличение электронного микроскопа достигло 30 тыс. раз, а в 1950-е уже измерялось сотней тысяч раз. Чтобы увидеть атом, требовалось умножить эти цифры еще хотя бы на тысячу.

Колыбелью прогресса стала компания Telefunken: молодые ученые пытались решить сложнейшие технические задачи, параллельно развивая телевидение. И чего они только не пробовали: подбирали режим пропускания электронов через образец, преломление, сканирующие метания тонюсенькой электронной кисточки, сочетали все это… но увидеть атом не удавалось. Только в 1970 году на экране электронного микроскопа появились первые изображения атомов, но случилось это не в Германии, а в Соединенных Штатах, где создали электронный микроскоп в одно и то же время и просвечивающий, и сканирующий.

Рис. 3. Изображение сверхтонкого кристалла фталоцианина меди на экране просвечивающего электронного микроскопа, которое получил X. Хасимото в лаборатории токийского университета в 1974 году. На изображение, запечатленное на обычной фотографической пластинке пучком электронов, прошедшим через кристалл, наложена — в правой части снимка — структурная формула молекулы

В 1974 году на арену вновь вышла наша молекула фталоцианина меди. И вновь заставила заговорить о себе. X. Хасимото из Токийского университета избрал ее в качестве исследуемого образца, потому что в центре ее находится атом меди, который хорошо обнаруживается просвечивающим электронным микроскопом. Хотя тот же микроскоп не видел атомы углерода и азота, тоже присутствующие в молекуле, X. Хасимото рассчитывал, что ему удастся наблюдать правильную решетку, образованную атомами меди. Поместив кристаллик фталоцианина меди в свой микроскоп, он получил прекрасные изображения, к тому же уточнив подробности на автоионном микроскопе (рис. 3). У этой техники есть еще одно выгодное преимущество: она не требует создания каких-то особенных условий — высокого давления и т. п.; изображение наблюдается непосредственно, в отличие от метода, использующего дифракцию рентгеновских лучей.

ТУННЕЛЬНЫЙ МИКРОСКОП

Во всех только что описанных микроскопах источник излучения заметно удален от экрана, на котором и наблюдаются результирующие изображения. А что, если приблизить иглу к металлическому экрану? Игла и экран оказываются обкладками конденсатора, которые могут быть электрически заряжены и между которыми может возникнуть напряжение. К примеру, при напряжении порядка 1 В на обкладках конденсатора скапливается несколько электронов (если расстояние между иглой и поверхностью поддерживается в пределах нескольких нанометров). Поскольку напряжение поляризации (напряжение между обкладками конденсатора) мало, электроны не стекают с иглы — в отличие от электронного микроскопа.

Но этот малюсенький конденсатор страдает одним изъяном: он так мал, что обкладки электрически — точнее, «электронно» (посредством электронов) — взаимодействуют через промежуток между иглой и поверхностью. Это значит, что электрон «не знает», на какой он обкладке. «Неведение» это квантовой природы, и выражается оно в токе утечки ничтожной силы, а само явление называется туннельным эффектом. При напряжении поляризации в 1 В и расстоянии между иглой и поверхностью в 1 нм сила тока утечки имеет величину порядка 1 нА и уменьшается по мере удаления иглы от поверхности. Хотя ток силой в наноампер кажется ничтожно малым, сама эта величина означает, что за секунду между иглой и поверхностью перемещается порядка 10¹⁰ электронов. Однако нашлись люди, превратившие этот порок в добродетель, — ими были Генрих Рорер и Герд Бинниг, работавшие в исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе.

В конце 1970-х годов Рорер заинтересовался дефектами сверхтонких изолирующих пленок, нанесенных на поверхность металла или полупроводника. Размеры этих дефектов часто не превышали 10 нм, но они сильно вредили магнитной памяти и миниатюрным транзисторам. Однако в то время исследование строения этих изъянов с помощью любого микроскопа — во всяком случае, без разрушения самих дефектов — было невозможно.

Бинниг и Рорер решили как-то воспользоваться током утечки, возникающим из-за туннельного эффекта, который вполне мог сообщать и о качествах дефектов, и о расстоянии от кончика иглы до поверхности — речь, словом, шла об определении рельефа исследуемого образца. В работе к ним присоединился инженер-исследователь Кристоф Гербер, тоже трудившийся на IBM. Втроем они собрали из подвернувшихся под руку деталей прибор с очень тонкой и длинной иглой, которую можно было, по желанию, поднимать и опускать над поверхностью, и устройством для замера ничтожно малых токов — порядка наноампера. Они рассчитывали, что, сканируя поверхность иглой, то есть перемещая иглу над поверхностью так, чтобы покрыть всю ее площадь, и замеряя при этом силу туннельного тока, удастся построить, строка за строкой, все изображение обследуемой площадки, подобно тому как это происходит в сканирующем электронном микроскопе.

Рорер, Бинниг и Гербер строили пробный образец своего прибора три года. В 1981 году они экспериментально проверяли закон зависимости силы туннельного тока от расстояния между иглой и поверхностью. Оказалось, что сила тока уменьшается в 10 раз, если между иглой и поверхностью остается только 0,1 нм. Надо думать, для того чтобы уверенно называть такие цифры, требуется небывалая точность позиционирования иглы: нужно не только подвести иглу к поверхности, но и сохранять заданное расстояние по ходу сканирующих метаний — по горизонтали и по вертикали — иглы над поверхностью. Помогли три стерженька из материала, почти не деформирующегося под напряжением.

Сканирование производится при поддержании постоянной силы туннельного тока: игла поднимается над бугорками и опускается над впадинами сканируемой поверхности. Но если экспериментаторы рассчитывали обнаружить на обследуемой «гладкой» площадке своего образца правильную череду ступенек, то линии развертки, полученные осенью 1982 года, показали вереницу бугорков. Профиль, зарегистрированный прибором, отобразил точную атомную топографию просканированного кристалла! Так родился туннельный микроскоп, создатели которого в 1986 году получили Нобелевскую премию по физике.

Из вышесказанного ясно, что туннельный микроскоп относится к микроскопам ближнего поля: кончик иглы удерживается близ обследуемой поверхности. Если нечаянно или еще почему-то игла коснется поверхности, сила тока мгновенно увеличится до величин порядка 100 мкА, что в сто тысяч раз больше туннельного тока. Прибор оснащен специальной амортизацией, оберегающей иглу от внешних механических колебаний.

После изобретения туннельного микроскопа удалось получить множество изображений различных металлических и полупроводниковых поверхностей и разрешить большое количество проблем кристаллографии. А через некоторое время по ходу совершенствования туннельного микроскопа был создан микроскоп «на атомной силе»: для получения изображения используются силы, возникающие при взаимодействии иглы и сканируемой поверхности. Это силы притяжения — ван-дер-ваальсовы силы — и силы отталкивания, проистекающие из принципа непроницаемости атомов. Таким образом, в полку микроскопов ближнего поля — пополнение.

Вернемся к нашей молекуле фталоцианина меди. Игла туннельного микроскопа сканирует поверхности и создает изображения. А что будет, если на поверхность «выложить» какие-нибудь атомы или молекулы? А вдруг они окажутся настолько непрозрачными для электронов, замешанных в туннельном эффекте, что возникнет какой-никакой, но образ — этакие протуберанцы или сполохи на поверхности?

Джим Гимжевски, решив проверить это предположение, выбрал в качестве образца фталоцианин меди. Он поместил кучку молекул этого вещества на серебряную поверхность, зная, что серебро очень хорошо проводит электричество. Затем он окунул в скопление молекул иглу туннельного микроскопа и, убедившись, что несколько из них прилипло к игле, попытался перенести молекулы в другое место. И ему это удалось: он приблизил иглу к выбранному участку и стряхнул с нее несколько молекул, которые затем беспорядочно рассредоточились по поверхности. Потом он очистил иглу, слегка повысив приложенное к ней напряжение, и приступил к эксперименту: передвигая иглу близ того места, где он разбросал молекулы фталоцианина меди, Гимжевски смог получить изображение — первое изображение одиночной молекулы, полученное на туннельном микроскопе (рис. 4).

Рис. 4. Изображение молекулы фталоцианина меди на поверхности кристалла серебра, полученное в 1987 году Дж. К. Гимжевски на туннельном микроскопе в исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе. Четыре дольки соответствуют тем четырем долькам белых крестиков, что видны на изображении, полученном в 1957 году на автоэлектронном микроскопе (см. рис. 2). Размеры участка на фото: 5 нм x 5 нм

И оно удивительно напоминало картинку, полученную Эрвином Мюллером тридцатью годами ранее. Однако оба опыта как бы противоположны друг другу: у Мюллера молекула была на игле, у Гимжевски — на поверхности. Вот как начиналось новое приключение, открывавшее неслыханные возможности, совершенно недоступные как автоионному, так и электронному микроскопам. Подумать только: притронуться к молекуле кончиком иглы, которая, в сущности, продолжает палец исследователя…

Предание повествует о древнегреческом поэте Мимнерме, жившем лет за 600 до начала нашей эры в Колофоне. Стихотворец подпал под чары игравшей на флейте шаловливой красавицы по имени Нанно. Примерно в те же времена моряки из торгового порта Фокея добрались до южного берега Галлии. Там, на месте нынешнего Марселя, в эпоху греческой колонизации жило племя лигуров, а правил ими царь по имени Нанн. У царя была дочь на выданье. И вот царь устроил пир, на котором дочка должна была выбрать себе жениха — из приглашенных гостей. Вышло так, что княжна, отвергнув местных красавцев, предпочла одного из греческих моряков. Гостей на том пиру потчевали сладкими медовыми пряниками. Прошли века, а в марсельском порту моряки с удовольствием поедали нанно — медовые пряники, похожие на древние лигурийские сладости. Правда, потом это словечко «нанно» как-то забылось. И ни те греческие философы, которые «изобрели» атомы (кстати, греки называли карликов «нанос»), ни другие ученые мужи, жившие много позже, не вспомнили про «нанно», когда появилась оптическая микроскопия и понадобилось слово для обозначения предметов, невидимых для невооруженного глаза. Выбрали приставку «микро», от греческого «микрос» — малый. А поскольку прибор, помогавший видеть то, что не увидеть невооруженным глазом, назвали микроскопом, приставка «микро» скоро стала и общепринятой да и общепонятной. Все знали: «микро» — это что-то очень маленькое.

Блез Паскаль вообще обошелся без греческого языка, когда вопрошал об «анималкулах» (лат. анималкула — маленький зверь), то есть о тех крошечных существах, что обнаружили первые ученые-микроскописты. Позже Вольтер в своем сочинении «Микромегас» вывел самых разных героев — очень крупных и совсем мелких, размеры которых доходили или, вернее, нисходили до атомного масштаба. Главный персонаж по имени Микромегас (ростом в 8 льё, то есть примерно 30 км), уроженец планеты из системы Сириуса, знакомится с карликовым — рост всего 1000 туаз, около 1,8 км, — обитателем Сатурна, но затем оказывается, что «карлик» — лишь «промежуточное звено» между великим и малым. Эта парочка встречается с землянами, а это совсем уж «атомы», хотя именно они — главная приманка философской сказки Вольтера. Эти мелкие земляне умеют говорить и даже знают геометрию. Более того, Вольтер делает смелое предположение, что у крошечных землян может быть даже душа!

Впервые «нанно» как научный термин появился только в 1909 году, в Германии, когда на семинаре в Германском обществе зоологии выдающийся профессор зоологии университета в Киле Ханс Ломан предложил называть микроскопические водоросли, которые он наблюдал с помощью оптического микроскопа, «наннопланктоном», — на том основании, что греческое nannos — перевод немецкого слова Zwerg, означающего «карлик». То, что Ломан сохранил двойное «эн», существенно повлияло на участь приставки. До сего дня часть биологов сохраняет веру в то, что область науки, которой они занимаются, называется наннобиологией, и публикуют свои работы в «Журнале исследований наннопланктона» — Journal of Nannoplankton Research. В главе 5 упоминались и другие биологи — те, что в наши дни изучают наннобактерии — организмы, величина которых меньше 100 нм. Ломан придумывал свою приставку для обозначения объектов величиной меньше микрометра. В начале XX века единицей измерения, использовавшейся для описания величины молекул, служила миллионная доля миллиметра, именуемая «микромиллиметром», а по-французски и вовсе непроизносимое: «septième-centimètre», то есть «сантиметр в (отрицательной) седьмой степени». Изучение излучений, испускаемых газами или пропускаемых через газы, шло тогда вперед семимильными шагами. Примерно в то же время были открыты рентгеновские лучи — с длинами волн в тысячу раз меньше, чем у видимого света. И повестка дня властно потребовала изобретения новых обозначений для единиц измерения сверхмалых величин. Чтобы убедиться в этом, достаточно ознакомиться с отчетами о Нобелевских премиях по физике за 1900–1920 годы: сообщения о результатах пестрят нулями после запятой. В статьях, выходивших в те годы, длину волны рентгеновских лучей указывали в сантиметрах: например 0,000000001 см! И тогда было решено измерять длины волн в ангстремах — в честь шведского физика Андерса Юнаса Ангстрема, внесшего большой вклад в развитие спектроскопии. Среди прочего он составил подробную диаграмму солнечного излучения, найдя каждому оттенку этой многоцветной палитры свою длину волны и выражая их значения в десятимиллионных долях миллиметра (10^-10 м). Этот множитель был определен как ангстрем (А) и в 1905 году утвержден в качестве единицы измерения.

Та же потребность в создании новых наименований множителей для единиц измерения, кратных метру, во второй раз побудила ученых вспомнить о приставке «нано». В октябре 1958 года во время заседания Международного комитета мер и весов было принято решение согласиться с предложением, с которым еще в 1956 году выступал советский ученый Г. Бурдун, и впредь именовать миллиардную долю метра нанометром. Члены комитета решили также писать одно «н», исходя из правила, по которому множителям единиц, больших метра, присваиваются греческие приставки, а если единица меньше метра, то множитель обозначается латинской приставкой. Так, префикс для множителя 1000, «кило», происходит от греческого «хили» (тысяча), а для тысячной — 10^-3, «милли» — от латинского «миллесимус» (тысячная). В 1950-е годы были изобретены и другие приставки, произведенные от других корней: «гига» (10⁹) — от греческого «гигас» (великан), «тера» (10¹²) — от греческого «террас» (чудо, чудовище). Следуя той же логике, международные законодатели предпочли латинский корень «нанус» (карлик) греческому «наннос» для префикса-множителя одной миллиардной. Кроме того, в ходу также «микро» (10^-6) — производное от греческого «микрос» (маленький), а «пико» (10^-12) — и вовсе от итальянского «пикколо» (маленький).

Эта путаница между греческим карликом с двумя «н», о котором вспомнил Ломан, и латинским карликом с одним «н» Международного комитета мер и весов породила немало недоразумений. В 1950-е годы заседал как-то Консультативный комитет по научной терминологии при Французской академии наук. Жорж Дефландр, бывший тогда директором лаборатории микропалеонтологии Практической школы высших исследований* (L’École pratique des hautes études), захотел выяснить мнение комитета касательно двух «н» в своевольно введенном в 1959 году термине «наннофоссил» (ископаемые небольшого размера): словечко придумали, имея в виду уже существующий «наннопланктон» и подобные ему обозначения. Декану медицинского факультета в Монпелье Гастону Жирару поручили провести необходимые этимологические разыскания, и он, поразмыслив, сделал заключение, что оба написания корректны. В конечном счете Консультативный комитет постановил: удвоение буквы «н» в префиксе определяется научной областью, использующей термин с этой приставкой. Так, «палеонтология и микропалеонтология вправе писать приставку с двумя „н“, тогда как физика (в частности, метрология), медицина и физиология ограничиваются написанием одного „н“».

Но и это официально закрепленное разделение между «нано» и «нанно» не устранило двусмысленностей, возникающих из-за того, что «нано» понимается и просто как еще одно слово для чего-то немыслимо малого, и как точный научный термин со значением «одна миллиардная». Наоборот, неразберихи возникло еще больше. И она стала как бы узаконенной. Спору нет, откуда заседавшие тогда в Консультативном комитете знали, что прогресс физики, технологии и химии толкнет исследователей в направлении наномасштабов, а толки на этот счет привлекут внимание к злополучной приставке самой широкой публики. Сейчас не то, и даже вид красочных картинок конца 1950-х годов с атомами и молекулами теперь скорее удивляет. А надо бы не дивиться, а тревожиться: спрос на научно-фантастическое чтиво упал, не говоря о научной или хотя бы научно-популярной литературе. Но не так давно едва ли не все очень внимательно следили за успехами науки, нетерпеливо дожидаясь от нее новых чудес и радуясь покорению Луны, особенно полетам пилотируемых «Аполлонов». Парадоксально: полет «Аполлона» на Луну не состоялся бы, не будь миниатюризации электронных устройств и деталей, без знаменитых интегральных схем. Но время наномасштабов, миниатюризации до нанометра еще не пришло…

Однако уже в начале 1960-х физики научились чертить на поверхностях различных материалов царапины шириной в 100 нм. Этим достижениям, конечно, было далеко до высоких результатов метаболизма (обмена веществ) в живых организмах. Многих физиков завораживали молекулярные процессы, которые казались образцом, по которому стоило бы строить самые совершенные машины. Открытие структуры ДНК в 1953 году породило надежды на возможность накопления больших объемов информации, умещающихся в небольшом количестве атомов. Со своей стороны, биологи-молекулярщики тоже подражали «чужим манерам», заимствуя идеи у технологии и кибернетики, после чего пытались истолковать функционирование генетики, уподобляя ее какому-то машинному механизму. Макромолекула — объект, что и говорить, немыслимо маленький, невидимый не только невооруженным глазом, но и в оптический микроскоп, иначе говоря, нанообъект в своем роде. И эта же молекула содержит тысячи атомов — и она по размеру много больше, чем нанометр. Чересчур она велика для нашей крошки «нано» — той, что с одним «н». К концу 1970-х прижился новый термин — «мезоскопическая физика», подразумевавший изучение физики объектов величиной с макромолекулу, то есть укладывающихся в пределы 10-100 нм. В 1974 году химик Ави Авирам, работавший тогда в исследовательских лабораториях IBM под Нью-Йорком, вообразил молекулярный диод, то есть электронную деталь, проводящую ток только в одном направлении. И этот компонент должен был состоять только из одной молекулы, масса которой не превышала бы массу белка! Так что вслед за молекулярной биологией, мезоскопическая физика и молекулярная электроника тоже, и столь же неудержимо, устремились в мир «на дне». Между тем ни одну из соперничающих приставок — ни «нанно», ни «нано» — не вспоминали тогда на научных конференциях и семинарах. Возвращение приставки на публичную арену датируется 1974 годом, а произошло это в Японии. Так история «нано» началась в третий раз.

Специалист по материаловедению Норио Танигути задумался: как бы научиться изготавливать материалы с точностью до нанометра. Для обозначения подобного производственного процесса он придумал слово «нанотехнология». Лет пятнадцать на новинку почти никто не обращал внимания. Надо было дождаться 1981 года, года рождения туннельного микроскопа, чтобы нанотехнология, хотя и остававшаяся больше словом, чем реальным явлением, начала занимать все больше места в общественном сознании. Как-никак туннельный микроскоп позволял трогать атомы и перемещать их, что вполне оправдывало утверждение нового термина, хотя бы в научном словаре. Фирма Digital Instruments, со штаб-квартирой в Калифорнии, присвоила своему туннельному микроскопу — первому из приборов этого типа, поставлявшемуся как товар на коммерческий рынок, — имя «Наноскоп-1» (Nanoscope 1). Следом в Англии начал выходить новый научный журнал — Nanotechnology («Нанотехнология»). Он был создан по почину Дэвида Уайтхауса, профессора Университета в Уорике и специалиста по микроинженерии и высокоточной металлообработке: Уайтхаус сумел убедить английского издателя научных журналов в том, что стремление исследователей низвести миниатюризацию на уровень нанометра — не пустая болтовня и что это интересное начинание сулит превратиться в цветущий рынок. Первый номер вышел в июле 1990 года. Обращаясь к читателям нового издания, Д. Уайтхаус пророчил, что со временем его название изменится: вместо «Нанотехнологии» появится «Пикотехнология» иначе говоря, Уайтхаус пообещал умаление еще в тысячу раз. В этой книге рассказывалось о последовавших вскоре политических играх, обернувшихся для журнала немалой удачей: приставка «нано» в названии оказалась очень практичной. Благодаря приставке журнал мог обласкать любую научную дисциплину, даже самую почтенную: украсив себя яркими блестками новехонького бренда «нано», легче завлекать инвесторов. Эта забава, похоже, захватила всех, кроме, быть может, математиков. Приставка «нано» оттягивала на себя немалую долю отпускаемых на науку средств, и это происходило по всему миру. Не ограничившись нашей планетой, энтузиасты «нано» подняли шум вокруг так называемых «нанобактерий» с Марса — якобы обнаруженных внутри метеорита, прилетевшего с красной планеты. При этом «нано» решительно теснила «нанно» даже в биологии.

Но слишком велик был экспансионизм этого предприятия, и наша приставка «нано», не успев примелькаться, оказалась уже на пороге насыщения. Остается выискивать новые цели и мишени, особенно в биологии, химии, механике. И делать уступки общепринятым условностям, требующим вежливого обхождения с соседями и соперниками, — ради новых перспектив, конечно. Уже почти не говорят о «нанотехнологиях», предпочитая аббревиатуру НБИК, то есть «Нанотехнологии, биотехнологии, информационные и когнитивные технологии». Если вспомнить исходный смысл — «миллиардная доля метра», — то приставку можно подогнать под все что угодно, лишь бы это что-то было очень маленьким. Так что в общественном сознании «нано» все сильнее увязывается с микротехнологией. Изобретена даже гибридная приставка — micro & nano, которой охотно прикрываются лоббисты, создающие все новые и все большие группы давления, выбивающие средства как из казенных учреждений, отвечающих за науку, так и из капитанов частного бизнеса, подстрекая капиталистов тратиться на новые заводы. Многие ученые до того утомлены всей этой путаницей и суматохой, что спешно переходят на пикометр, который в 1000 раз меньше нанометра, тем самым точно и без обиняков обозначая масштаб своих исследовательских интересов. Те же из них, кому больше по вкусу образное мышление, говорят об «атомной шкале» или «атомном масштабе». А чтобы уж совсем и окончательно сбить с толку как можно больше народа, приставка «нанно» хоть и отступила, но не погибла, окопавшись в биологии и палеонтологии…

ФРАНЦУЗСКОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ПО НАБЛЮДЕНИЮ ЗА ТЕХНИЧЕСКИМ ПРОГРЕССОМ (ОФТА)

Благодарю Карима Бензерара, Филиппа Бертрана, Кристофа Боннена, Эрика Фино, Роберта Фоука, Хенка Куббингу, Люка Монтанье, службы архивов Академии наук и группу «Nanosciences» («Нанонауки») исследовательского Центра CEMES/CNRS (Центр структурных исследований и разработки материалов / Национальный научно-исследовательский центр) в Тулузе.

Kuehr R, Williams Е. Computers and the Environment. Understanding and Managing their Impacts. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 2003.

Термин изобретен членами знаменитого Римского клуба, призывавшими, для сохранения среды, к «нулевому развитию» — без роста экономики или хотя бы к устойчивому развитию — без кризисов и катаклизмов (отсюда контроль над рождаемостью, мечты о безотходных производствах и т. п.). (Прим. перев.).

Drexler Е. Engins de création: l'avènement des nanotechnologies. Paris, Vuilbert, Machinations, 2005.

Интерес к устойчивому развитию Гор выразил в 2006 г… выпустив на экраны свой фильм «Неудобная правда», а в 2007 г. участие в движении защитников природы и окружающей среды принесло ему Нобелевскую премию мира.

Высший орган исполнительной власти Европейского союза. Координирует политику стран Союза и следит за соблюдением общеевропейских стандартов. (Прим. перев.).

Считается в Великобритании аналогом Академии наук РФ, но не имеет аналогичной власти и не распоряжается аналогичной недвижимостью и прочим имуществом. (Прим. перев.).

Речь, произнесенная на ежегодном собрании Американского общества физики в Калтеке (Калифорнийском институте технологии) и опубликованная под заглавием «На дне места много: добро пожаловать в новую область физики» (There's plenty of room at the bottom: an invitation to enter a new field of physics)/ Engineering & Science. February, 22, 1960.

Toumey С. Apostolic succession. Engineering & Science. 2005. Vol. 69. № 1/2.

Moore G. Е. Cramming more components onto integrated circuits// Electronics, April, 19, 1965.

Микропроцессор — набор электронных схем, созданных — «интегрально» — на поверхности полупроводника. В микропроцессор входят память (запоминающее устройство), арифметическое устройство, счетчики, схемы синхронизации и соединительные проводники.

Медь тяжелее. Еще лучше золото — в четыре раза тяжелее алюминия и почти не подвержено коррозии. (Прим. перев.).

За работы в области спинтроники французский физик Альбер Фер получил в 2007 г. Нобелевскую премию по физике.

Энзимы (или ферменты) — макромолекулы, ускоряющие определенные химические реакции в живых системах в миллионы раз.

Kubbinga Н. L'Histoire du concept de molécule. Paris: Springer, 2002.

Воздух — это смесь молекул различных газов: азота, кислорода, водорода и др.

Слова, приписываемые Галилею («она» — это Земля), которые он будто бы пробормотал после того, как его заставили отречься от приверженности гелиоцентрической системе. (Прим. перев.).

Rosnay J. Les biotransistors: la microélectronique de XXIe siècle. La Recherche, 1981 Juillet — août.

Didier P. Une petite histoire des recherches scientifiques sur l'origine de la vie, INRP, http://www.inrp.fr/Access/biotic/evol/orivie/html/histoire.htm

Szybalski W., Gene. 1978. Vol. 4. № 3. P. 181.

Weiss, R. Princeton University.

Обыгрывается название нашумевшей пьесы Э. Олби «Кто боится Вирджинии Вулф?» (1962), экранизированной в 1966 г. (Прим. перев.)

Журнал Charlie Hebdo от 29 ноября 2006 г.

Joy В. Why the future doesn't need us. Wired. April 2000.

Собор Римско-католической церкви, принявший программу Контрреформации и значительно реформировавший саму РКЦ. (Прим. перев.)

Асбест, особенно асбестовая пыль, имеет канцерогенные свойства. В 1997 г. использование асбеста во Франции было запрещено.

Mohamed L В. Ignorance toxique // Le Monde diplomatique. Juin 2002.

Institut national de recherce et de sécurité. Dossier spécial sur les fibres. 2 janvier 2007.

См., напр.: Truong J.-M., в статье: L. Noualhat, Technologie: ип grand pas vers la traçabilité humaine//Libération, 11 mai 2002.

Kurzweil R. The Age of Spiritual Machines. New York; London: Texere Publishing, 2001.

«There’s plenty room at the bottom» («На дне места много» (англ.).

Вебсайт Transfert.net. 1 августа 2001 г.

Serge Hutin. L'Alchimie. Paris: PUF, coll. «Que sais-je?», 2005.

Веб-сайт <www.stelarc.com>

Амиши по происхождению — голландцы и немцы из Нижней Саксонии, по вероучению — меннониты, возникли как самостоятельная религиозная общность в 1620 г. и сохраняют в быту обиход XVII в.: не пользуются электричеством, вместо автомобилей у них лошади и телеги и даже одежда у них без пуговиц. (Примеч. перев.)

Transfert.net, 1 августа 2001 г.

Sussan R. Les Utopies posthumaines. Sophia; Antipolis: Omniscience, 2005, Coll. «Les Essais», diffusion PUF, 2005.

Kurzweil R. Fantastic Voyage: Live Long Enough to Live Forever. Emmaus (Pa.): Rodale, 2004.

Nanoscience and Nanotechnologies: Opportunities and Uncertainties. Доклад Королевского общества и Королевской инженерно-технической академии. 29 июля 2004 г.

Из брошюры комитета «Обломофф» [Oblomoff], датированной 20 марта 2007 г.

Un paysage d’événements, Paris: Galilée, Coll. «L’Espace critique», 1997.