Ленту из купрата висмута можно намотать на трубку, по которой течет жидкий азот, охлаждающий ее до нужной температуры. Фирма «Американ Суперкондактор» уже изготовила электродвигатель мощностью 1000 лошадиных сил, где в обмотках электромагнитов вместо медных проводов использованы керамические ленты. Мотор получился на треть легче обычного, да и заметно уменьшился в размерах; зато создается более мощное магнитное поле.
Испытания нового двигателя прошли успешно. Теперь та же самая фирма намерена разработать сверхпроводящие двигатели мощностью от 5000 до 33 500 лошадиных сил. Их испытания будут вестись как на заводах, так и на кораблях американского ВМФ.
Вспоминая традиционные способы передачи электричества, впору воскликнуть: «Прощай, медная проволока! Тебя уносит в прошлое, в ту страну забытых вещей, где еще ставят на стол чернильницу-непроливайку, достают гусиное перо, а по медным проводкам все так же бежит электрический ток, накаливая лампы бра и торшеров. Тебя не будет, паутина меди, покрывшая изнутри все механизмы. Сколько энергии поглощала ты, когда по тебе перекатывался ток электронов! Как принижала любой КПД! И вот планы изобретателей, что расправа с тобой. В XXI веке тебя потеснят керамические сверхпроводники. Ведь они могут передавать электричество без потерь, а значит, использовать электрическую энергию куда эффективнее, чем теперь».
Однако прежде чем желанные перемены свершатся, предстоит решить немало практических и теоретических проблем. Ученые по-прежнему не могут объяснить, почему твердые тела иногда утрачивают электрическое сопротивление. Когда электроны перестают замечать кристаллическую решетку и «ударяться» об ее атомы? Какие силы удерживают электроны в парах? Если же отсутствует теория, то нельзя предсказывать существование новых сверхпроводящих материалов. Мы не можем моделировать ту или иную комбинацию химических элементов, позволяющую создать идеальный сверхпроводник.
«Физика сверхпроводников переживает период бурного расцвета, — отмечает академик Юрий Третьяков. — Однако в физике до сих пор не существует теории, которая имела бы прогностическую ценность и могла предсказать, где искать сверхпроводники с нужными свойствами. Наука лишь объясняет свойства уже синтезированных материалов. Но универсальной теории сверхпроводников нет».
Прогноз погоды на атомарном уровне
Не поддаются объяснению и другие феномены, присущие твердым телам. Например, некоторые металлические сплавы могут запоминать свою форму. После деформирования предметы, изготовленные из металла, обладающего памятью, вновь принимают первоначальную форму, если их нагреть до определенной температуры или поместить в магнитное поле. Они как будто помнят о своей прежней форме. Однако объяснить поведение этих материалов ученые пока не могут, как и не знают, почему одни материалы обладают памятью, а другие — нет.
Физики затрудняются даже объяснить эффекты, возникающие при взаимодействии света и материи. А ведь подобные эффекты играют важную роль и в природе, и в технике. Как, например, возникает окраска у различных твердых тел? Или как полупроводниковый лазер генерирует световой луч?
Во всех этих феноменах частицы света — фотоны — поглощаются твердой материей, изменяются определенным образом и вновь излучаются. Подобные процессы можно достаточно хорошо описать, но истолковать происходящее трудно.
Причина заключается в том, что внутри твердого тела — громадное количество частиц. Например, в кристалле размером с кусочек сахара содержится больше атомов, чем звезд в Млечном Пути. У любого из атомов есть свои электроны, которые взаимодействуют друг с другом и с кристаллической решеткой. Это и обусловливает свойства твердого тела.
Попытка описать, как меняются эти свойства, равносильна решению любой другой задачи о поведении системы, состоящей из бесчисленного множества отдельных элементов. К таким задачам относятся, например, прогнозирование погоды или описание процессов, происходящих внутри живых организмов. Подобные задачи не решить даже с помощью самых мощных компьютеров. Приходится прибегать к упрощенным расчетным моделям, которые дают лишь приблизительные решения.
Прощание с нашими кремниевыми коллегами
Очевидно, какого-то прогресса поможет достичь нанотехнология. Ее методами можно из отдельных атомов конструировать миниатюрные транзисторы и машины размером в нанометры — миллионные доли миллиметров. Это чрезвычайно важно, поскольку возможности традиционных кремниевых компьютеров скоро будут исчерпаны.
Девиз «Меньше, быстрее, лучше» нигде не проявился так ярко, как в микроэлектронике. Когда в 1971 году был создан первый процессор «Intel-4004», наибольшее число транзисторов на одной микросхеме не превышало 2250. Теперь порядок цифр изменился. Процессор, выпущенный компанией «Intel» тридцать лет спустя, содержал более ста миллионов транзисторов, размещенных на одной микросхеме размером с человеческий ноготь. Толщина самой крохотной структуры — изолирующего слоя из оксида кремния — достигла 1,5 нанометра, то есть оказалась в 100 тысяч раз меньше толщины человеческого волоса.
По оценкам экспертов, объем микросхем ежегодно уменьшается примерно на треть. В минувшие десятилетия ученые не раз полагали, что предел миниатюризации скоро будет достигнут, однако прогнозы оказывались ошибочными. И все же в ближайшее время, действительно, опасения сбудутся, ведь дальнейшей миниатюризации помешают фундаментальные законы физики. Когда элементы микросхемы достигнут атомарных размеров, начнут проявляться эффекты квантовой механики, и работа микросхем станет непредсказуемой. Использовать их в компьютере будет нельзя. Случится это около 2020 года. В дальнейшем же нанотехнология изменит мир так же радикально, как изменила его компьютерная технология.
Новая промышленная революция
Итак, прозвучало одно из ключевых слов XXI века — «нанотехнология», то есть создание материалов и объектов размером в нанометры. Без нанотехнологии, зародившейся лишь в последней четверти века минувшего, невозможно развитие микроэлектроники, биотехнологии, энергетики, робототехники, оптики, фармацевтики. Европейский Союз выделяет на ее развитие больше денег, чем наши власти — на всю российскую науку: по данным на 2004 год, 2,1 миллиарда евро, или двенадцать процентов от общего финансирования научных работ. Нанопродукты — огромный технологический рынок будущего.
Возможно, уже лет через десять появятся работающие механизмы атомарных размеров. Лет через 50 — 100 начнется «новая промышленная революция»: тогда, может быть, войдут в обиход наномашины, изготавливающие различную продукцию.
Конечно, энтузиасты без запинок отвечают, что произойдет в скором будущем. Нанороботы примутся конструировать из отдельных атомов любые предметы — микросхемы, транзисторы «и даже сэндвич с сыром», говорит Пол Грин, директор калифорнийской фирмы «Nanothinc». Или, как отмечает директор Института нанотехнологий США Чэд Миркин: «Сейчас мы используем в промышленности только то, что нам дает природа. Нанотехнологический подход состоит в том, что мы будем перерабатывать практически любые природные ресурсы в так называемые «строительные блоки», которые составят основу будущей промышленности». Сперва ученые хотят научиться собирать объекты размером с молекулу, а потом и более крупные объекты.
По мнению Пола Грина, будущее принадлежит фабрикам, работающим по тому же принципу, что и живая клетка. Сперва нанороботы будут конструировать свои копии. Если допустить, что каждые полчаса робот будет сотворять себе подобного, то уже через тридцать часов их число достигнет триллиона. Несметные полчища роботов начнут мастерить все, что угодно.
С точки зрения законов физики, нет ничего странного в том, что мы будем соединять одни молекулы с другими. Но как мы сообщим каждой из молекул ее точное положение внутри будущего предмета? На практике это означает невообразимое: всего один грамм графита, то бишь углерода, состоит из 50 секстиллионов молекул. Сколько же мороки уйдет на то, чтобы методами нанотехнологов изготовить простой карандаш с грифелем? Как описать эту мегаконструкцию, возведенную из отдельных атомов?
Представьте себе, что вам нужно возвести многоэтажный кирпичный дом. Вы собираетесь строить его по-новому: без помощи каменщиков. В каждый кирпич вы вмонтируете моторчик и снабдите его блоком памяти. Вы введете туда точные координаты его будущего места: этот уляжется в шестом ряду западной стены (позиция 647), этот — в двадцать четвертом ряду южной стены (позиция 2415). Наконец, после многодневной подготовки вы командуете «Пуск»: груды стройматериала приходят в движение. «Атом за атомом», кирпич за кирпичом, все это скользит по ленте транспортера, занимая положенные места. Но сколько же времени потеряно из-за вашей «революции в строительстве»? Не проще ли было нанять каменщиков? Уровень развития нанотехнологий пока таков, что нет никакого смысла стремиться к осуществлению многих предлагаемых прожектов. Можно лишь мечтать о них, ведь они заведомо неэффективны.
Как и в случае с микросхемами, миниатюризация имеет свои пределы. Не все можно уменьшить до атомарных размеров. В микромире нас подстерегают неожиданные эффекты. Там зубчатые передачи будут выходить из строя только потому, что сила притяжения между колесами будет заметно больше силы тяжести. Там части механизмов будут слипаться под действием адгезии. Там взыграют квантовые эффекты. Там все иначе, чем в видимом мире.
Кроме того, дальнейшее развитие нанотехнологий вызывает опасение у многих специалистов, видящих в ней угрозу человечеству. Как емко выразился Александр Семенов на страницах журнала «Знание — сила», «даже от атомного оружия можно спрятаться под землю. От всепроникающих нанороботов спрятаться нельзя».