В поп-культуре приставка «нано» часто ассоциируется с фантастикой. В «Мстителях: Войне бесконечности» Тони Старк касается устройства на груди, и на нём собирается броня. В фильме «Бросок кобры» ракета с нанороботами попадает в Эйфелеву башню, после чего крошечные машины пожирают металл и разрушают конструкцию. А в игре Metal Gear Rising: Revengeance Райден бьёт сенатора Армстронга, но удары не причиняют тому вреда. На вопрос, почему он никак не умирает, сенатор отвечает: «Nanomachines, son!»
В реальности нанотехнологии выглядят скромнее. Они позволяют инженерам и учёным менять свойства материалов под свои задачи: например, в компьютерных чипах и некоторых лекарствах. Из забавного — в лабораториях устраивают гонки крошечных наномашин, за которыми можно следить только через специальный микроскоп.
Ниже расскажу, что на самом деле означает «нано-», как работают эти технологии, где их применяют и что мешает массовому производству нанокостюмов Железного человека.
«Нано» означает одну миллиардную долю чего-либо
Расписал простым языком про термины и факты, которые помогут понять тему.
Нанометр — миллиардная доля метра. Для сравнения: один нанометр в миллион раз меньше промежутка между соседними миллиметровыми отметками на линейке.
Нанотехнологии — способы создавать и использовать структуры размером примерно от 1 до 100 нанометров. Это могут быть частицы, похожие на шарики, полые трубки или тонкие слои материала. Рассмотреть объекты такого размера помогают электронные микроскопы, которые строят изображение с помощью пучка электронов.
Размер наночастиц может влиять на свойства вещества. Например, золотой слиток жёлтый, а жидкость с частицами этого металла может быть красной. Эту особенность используют в некоторых экспресс-тестах на коронавирус: золото накапливается в определённом участке теста и образует красную полоску, по которой читают результат. Размер частиц подбирают так, чтобы её было легче заметить.
Наномашины — крошечные устройства, которые выполняют простые действия: перемещаются по поверхности или вращают отдельные части. Некоторые состоят всего из одной молекулы: группы связанных атомов. Например, нанокар, или молекулярный автомобиль. У некоторых таких конструкций одни группы атомов выполняют роль рамы, а другие — вращающихся колёс. Учёные подают энергию извне и наблюдают, как молекула движется в ответ.
Для молекулярных автомобилей устраивают международные гонки — Nanocar Race. Через сканирующий туннельный микроскоп учёные наблюдают за нанокарами и с помощью электрических импульсов направляют их по поверхности золота. Гонки помогают сравнивать конструкции и выяснять, какими проще управлять.
Нанотехнологии используют в процессорах, лекарствах, телевизорах и не только
В фантастике технологии с приставкой «нано» часто выглядят overpowered: за секунды могут что-то создать или разрушить. Пока это вымысел, но настоящие нанотехнологии тоже умеют много интересного.
В электронике нанотехнологии помогают уместить миллиарды транзисторов на одном чипе. Эти микроскопические переключатели тока образуют схемы, которые выполняют вычисления. Например, чип видеокарты NVIDIA GeForce RTX 5090 содержит 92,2 миллиарда транзисторов. Это помогает рассчитывать реалистичные свет, тени и отражения во время игры: например, как свет отражается от воды и стекла.
В телевизорах наночастицы помогают показывать больше насыщенных оттенков. Их используют в QLED-телевизорах: синий свет подсветки попадает на слой квантовых точек — наночастиц, которые под действием света сами начинают светиться. Одни излучают красный свет, другие зелёный. Вместе с оставшимся синим они дают три основных цвета, из которых экран формирует изображение.
В медицине наночастицы используют как упаковку для лекарств. Например, Doxil — препарат для химиотерапии, который применяют в том числе при раке яичников. Его действующее вещество, доксорубицин, подавляет деление клеток. В препарате оно заключено в липосомы: что-то вроде крошечных пузырьков с жировой оболочкой. Благодаря такой упаковке лекарство дольше остаётся в крови.
В России тоже разрабатывают способы доставлять лекарства в опухоль. В одной из разработок, к примеру, полимерные наночастицы с противоопухолевым препаратом покрыли оболочками клеток меланомы — злокачественной опухоли. В лабораторных опытах частицы с таким покрытием эффективнее проникали в опухолевые клетки.
В солнцезащитных кремах наночастицы делают средство менее заметным на коже. В некоторые составы добавляют диоксид титана или оксид цинка — вещества, которые защищают от ультрафиолета. Их крупные частицы оставляют белый след, а наночастицы слабее рассеивают видимый свет. Поэтому крем выглядит прозрачнее и при этом защищает кожу от солнца. Теперь будет о чём рассказать второй половинке, пока она намазывает вам спину кремом на пляже.
В промышленных покрытиях нанотрубки помогают отводить статическое электричество. Тонкие трубки из углерода образуют внутри материала сеть, по которой проходит электрический ток. Такой материал используют, например, для антистатических полов в цехах, где собирают электронику. При правильном заземлении покрытие помогает отводить заряд, который возникает при движении людей и оборудования. Это снижает риск электрического разряда, способного повредить микросхему.
В автомобилях наночастицы помогают очищать выхлопные газы. В выхлопной системе устанавливают каталитический нейтрализатор: устройство, внутри которого вредные вещества превращаются в менее опасные. Например, угарный газ превращается в углекислый. Реакции идут на поверхности частиц металла. У множества наночастиц общая поверхность больше, чем у крупного куска той же массы. Поэтому для очистки выхлопа можно расходовать меньше металла.
Вот ещё несколько примеров применения нанотехнологий:
В одежде — помогают ткани отталкивать воду и меньше пачкаться
В аккумуляторах — помогают материалам лучше проводить ток
В режущих инструментах — помогают поверхности медленнее изнашиваться
В пластиках — могут повышать прочность, почти не увеличивая массу материала
Что мешает массово создавать нанокостюм Железного человека
Нанотехнологии используют в серийных товарах: телевизоры, процессоры и кремы с наночастицами можно купить в магазине. Но костюм, который сам собирается на человеке и меняет форму по команде, требует других возможностей. И создать материал с полезным свойством это лишь одна из задач.
Для наноброни нужно научиться собирать частицы в нужную форму, а затем менять её. В опыте Университета Райса электрическое поле заставило нанотрубки соединиться в провода между двумя светодиодами. Они загорелись, получая энергию от того же поля. Этот опыт показал, как собрать провода, но для сборки костюма Железного человека материал должен ещё и многократно менять форму, оставаясь прочным. До такого технологии ещё не доросли.
Свойства лабораторного образца нужно проверить в готовом изделии. В исследовании 2026 года некоторые углеродные структуры выдерживали удары частиц диаметром 0,014 миллиметра на скорости больше километра в секунду. Но пуля гораздо тяжелее и при той же скорости несёт больше энергии. Поэтому такой опыт ещё не доказывает, что материал годится для бронежилета: полноразмерную защиту нужно испытать отдельно. Что уж говорить о костюме Железного человека.
На заводе нужно повторять результат от партии к партии. Размер и форма наночастиц зависят от температуры, состава смеси и других условий. Если увеличить объём, смесь может прогреваться и перемешиваться иначе — тогда изменятся и получившиеся частицы. Поэтому перенести лабораторный способ на производство не значит просто взять ёмкость побольше. Инженерам приходится заново подбирать режимы работы оборудования и проверять, сохраняет ли материал нужные свойства.
Наноматериал может работать хорошо, но обходиться слишком дорого. Возьмём сверло для станка с нанопокрытием: оно медленнее изнашивается, но стоит дороже обычного. Но нужно понять, окупится ли доплата: насколько реже придётся менять инструмент и останавливать станок. Поэтому разработчикам важно не только продлить срок службы сверла, но и найти способ наносить покрытие по приемлемой цене.
В итоге чтобы лабораторная разработка стала массовым товаром, нужно проверить её в работе, научиться выпускать с одинаковым качеством и сделать выгодной для покупателя. Опыты с самосборкой и прочными образцами показывают отдельные возможности, но пока не доказывают, что их получится совместить в броне Железного человека.
Напоследок — пару новостей из мира нанотехнологий
Пока мы обсуждаем, кого заменит ИИ и как он всех достал, учёные испытывают наноантенны для борьбы с опухолями. Исследователи Массачусетского технологического института рассказали об устройствах, которые активируют магнитным полем извне. Наноантенны создают вокруг себя электрические поля, повреждающие опухолевые клетки. В опытах на мышах метод замедлял рост опухоли мозга. Поможет ли он людям, ещё предстоит проверить.
Другая команда института представила элемент будущего чипа, который имитирует работу нервной клетки. Внутри него тончайший слой мягкого материала сжимается под напряжением и постепенно возвращается в исходное состояние. Это позволяет устройству «помнить» предыдущие сигналы и учитывать их при следующих. Авторы рассчитывают использовать такой подход в электронике, которая потребляет мало энергии, — например, в умных протезах и носимых датчиках здоровья.
Спасибо, что прочитали. А за какими исследованиями в нанотехнологиях следите вы? Поделитесь в комментариях интересными разработками, которые я пропустил.