Инженеры из Массачусетского технологического института разработали нанометровое биологическое покрытие, которое может остановить кровотечение почти мгновенно. Это шаг вперед, который может резко повысить выживаемость среди солдат, раненных в бою.
Является ли военная нанотехнология научной фантастикой или фактом зависит от того, как вы смотрите на широкий спектр «наноприложений»: от синтетических материалов с нанометровой структурой и до самовоспроизводящихся вирусоподобных роботов-убийц. Первые теперь уже с нами, тогда как вторые остаются в воспаленном воображении энтузиастов и пророков конца света. А ведь еще по скольким ведутся НИОКР!
Термин нанотехнология можно применить к чему-либо, что подразумевает манипуляции с частицами, имеющими, по крайней мере, в одном измерении менее 100 нанометров (нм). Нанометр – это миллиардная часть метра. В конечном счете, нанотехнология включает в себя синтезирование материалов, структур и машин из отдельных атомов и молекул.
Американскому физику-ядерщику Ричарду П. Фейнману обычно приписывают идею проектирования на субатомном уровне, озвученную в его лекции 1959 года в американском физическом обществе. Профессор Норио Танигучи из Токийского университета, как говорят, создал термин «нанотехнология» в 1974 году для описания методик получения полупроводников, например осаждения тонкопленочных покрытий и дробления ионного пучка, способных создавать нанометровые элементы. Термин стал популярным благодаря книге Эрика Дрекслера «Движители созидания: Грядущая эра нанотехнологии», изданной в 1986 году. Неизбежно то, что нанотехнология присоединилась к ядерному оружию и генной инженерии в популярном списке научных понятий, которых все боятся.
Ричард Джоунс, профессор физики в университете Шеффилда, член Королевского научного общества и старший советник по нанотехнологиям в британском Совете по инженерным и физическим научным исследованиям, утверждает, что для того, чтобы синтезировать наномашины, ученые и инженеры должны понимать, как природа справляется с неизвестными силами, которые доминируют на молекулярном уровне. Продвинутые нанотехнологии могли бы задействовать очень небольших, размером с насекомого, военных роботов. «Они могли бы использоваться для точной локализации индивидуальных целей. спрятавшихся среди гражданских, даже в одном здании», говорится в докладе корпорации РЭНД (научно-исследовательский центр в шт. Калифорния), изданном в 2011 году, в котором также предупреждается о «грядущих неоднородностях» в военной стратегии и оборонном планировании США.
Тем временем, военные и оборонная промышленность вдохновляются более близким по срокам потенциалом других аспектов этой технологии, например наноструктурированных материалов. Они обещают нам более прочные и легкие наземные машины и летательные аппараты, крепкую броню, лучшую защитную одежду, более быстрые компьютеры с большей памятью, более эффективные и дешевые сенсоры, более мощные и более экономичные двигатели, батареи с большей зарядной емкостью и более эффективное преобразование солнечной энергии в электрическую и т.д.
Уже имеются углеродные нанотрубки, фуллерены и нанопены, но теперь исследователи открыли еще один новый тип углеродного материала: колоссальные углеродные трубки. Эти трубки в тысячи раз крупнее своих «наноаналогов», они имеют исключительные механические и электрические свойства и могли бы найти применение от микроэлектронных устройств до пуленепробиваемых нательных жилетов.
В 2008 году компания Northrop Grumman объявила о первой полнофункциональной радиостанции на углеродных нанотрубках. Она разработана в университете Иллинойса и на ее примере было продемонстрировано, что углеродные нанотрубки могут работать в качестве высокоскоростных транзисторов, потребляя одну тысячную энергии, которая необходима для современных транзисторов, сообщают в компании. Это могло бы увеличить срок работы батарей радиостанции от нескольких дней до нескольких недель.
Подразделение компании Lockheed Martin под названием Applied NanoStructured Solutions (ANS) разработало метод выращивания углеродных наноструктур (УНС) прямо в субстратах с помощью «непрерывного процесса, схожего с промышленным», что позволяет включать в композиционные материалы точно определенное процентное соотношение УНС. ANS также может выращивать УНС на других субстратах, например керамике или металлах.
Волокна и материалы с УНС позволяют получить композиционные материалы следующего поколения с улучшенными механическими свойствами, а также тепло- и электропроводимостью как у металлов. Применение таких материалов включает электромагнитное экранирование и защиту от электростатических разрядов для электроники и освещения, проводящие слоистые пластики для защиты от электромагнитных помех и молний, и проводящие термопласты, заливаемые под давлением.
Начальные целевые рынки включают коммерческую авиацию, вертолеты, морские суда и наземные транспортные средства. В августе 2011 года, например, ANS объявила, что ее УНС-волокно было использовано в опорах, которые предотвращают взаимное влияние теплового покрытия и опор батареей солнечных элементов на космическом аппарате JUNO, запущенном к Юпитеру 5 августа 2011 года.
В феврале компания Zyvex Technologies выпустила молекулярный каучук ZyMER, армированный углеродными нанотрубками для получения более прочных ремней и уплотнителей и более работоспособных шин. Zyvex также внедряет углеродные нанотрубки в смоляные матрицы пластичных материалов, усиленных углеводородными волокнами с применением своего патентованного связующего материала KENTERA. Zyvex Marine применяет такие материалы для корпусов беспилотных надводных катеров.
Ученые из сингапурского агентства по науке и технологиям объединились с сингапурским университетом, чтобы запатентовать полимерный композиционный материал, который в обычном состоянии мягкий и гибкий, но делается жестким при ударе, подобно раствору с кукурузным крахмалом. Как сообщили исследователи из этих организаций при объявлении о научном прорыве в июле 2010 года, он мог бы заменить стальные пластины, которые солдаты часто носят под кевларовой защитой.
Композиционный материал, способный рассеивать большую энергию соударения, говорят исследователи, состоит из полимера и сочетания других материалов, разработанных для поглощения энергии посредством механизма загустевания при сдвиге. Разработаны и другие материалы, работающие по этому принципу, но сингапурцы запатентовали метод, исключающий необходимость включения пены и повышающий эластичность.
Нанотехнология также является объектом углубляющегося международного сотрудничества, в октябре 2009 года французский национальный центр научных исследований, сингапурский технологический университет и компания Thales объявили о создании CINTRA, совместной исследовательской организации. CINTRA базируется в Сингапуре, где исследует нанотехнологии для электроники, фотоэлектроники и смежных областей.
В октябре прошлого года компания EADS объявила о планах по сотрудничеству с Роснано по НИОКР в сфере нанотехнологий, включая работы в области повышения эффективности использования энергии, новым материалам, биологической науке и безопасности.
В обширном докладе, представленном в парламентскую ассамблею НАТО в 2005 году перечислены многие потенциальные приложения нанотехнологии, но при этом озвучены озабоченности химическим и биологическим вооружением. В нем утверждается, что нанотехнологии могут значительно улучшить механизмы доставки: «Способность наночастиц проникать в человеческое тело и его клетки могло бы сделать биологическую и химическую войну гораздо более осуществимой, легче управляемой и направленной против отдельных групп или лиц». Но, с другой стороны, этому можно противопоставить способность чувствительных, избирательных и недорогих сенсоров и материалов обнаруживать и связывать компоненты химического, биологического, радиологического и ядерного (ХБРЯ) оружия.
В докладе высказывается сомнение в способности нанотехнологий улучшить ядерное оружие, поскольку это определяется необходимостью критической массы расщепляющихся материалов. Однако, предполагается, что они могли бы улучшить периферийные устройства, включая системы активации и запуска, тепловое и радиационное экранирование при дальнейшей миниатюризации.
Нанотехнология может также помочь создать «ядерную бомбу четвертого поколения», которая могла бы стать маломощным «чистым» термоядерным оружием с малым содержанием ядерного топлива или совсем без него, и это топливо могло бы найти применение в заглубляющихся ракетах.
В докладе также цитируется видный исследователь в области военных нанотехнологий доктор Юрген Альтман, который предупреждает о дестабилизирующем эффекте автоматического принятия решений: «Непредусмотренные циклы действие–противодействие могут возникать между противоположными системами предупреждения и атаки», сказал он, предостерегая, что нет очевидного оборонительного превосходства, следовательно, «контратаки и превентивные атаки, скорее всего, будут играть важную роль в вооруженных конфликтах».
Со времени опубликования доклада многие оборонные НИОКР в государственном секторе сосредоточены на защите солдат в асимметричных противоповстанческих действиях, которые стали преобладающими в последнее десятилетие.
В сфере нанотехнологий проводятся исследования с целью упрочнения материалов, включая их компоненты, структуры и системы, механическое тестирование и механизмы их разрушения, взаимодействие взрывной волны со сложными материалами, включая человеческие ткани, и сверхбыструю оптическую диагностику распространения ударной волны и разрушений вследствие ее воздействия в твердых телах. Солдаты получат выгоды от нового фундаментального понимания: возможность информировать легкие материалы и структуры с целью обеспечения превосходной защиты от взрыва; и выбирать средства предотвращения нанесения урона людям и сооружениям, вызванного взрывом.
В 2002 году американская армия объединила силы с Массачусетским технологическим институтом для создания Института Солдатских Технологий (ISN), который работает в пяти стратегических исследовательских областях (SRA). SRA 1 охватывает легкие наноструктурные волокна и материалы; в SRA 2 рассматриваются системы нанотехнологий для защиты солдата; в SRA 3 исследуется баллистическая взрывная защита; SRA 4 сосредоточена на веществах ХБРЯ и СВУ; тогда как SRA 5 связана с системной интеграцией.
В рамках SRA 01 ISN особенно заинтересован в нанопокрытиях, наноструктурах ядро-оболочка и стержень-стержень, углеродных нанотрубках, волокнах, тканях, слоистых и мембранных структурах с целью получения покрытий, которые могли бы защитить солдат от химического и биологического оружия. «Функционализация поверхностей тканых материалов с использованием слоев нанометровой толщины фактически не добавляет массы к одежде, но добавляет возможность выполнять контролируемые действия по отношению к специфическим угрозам,» сообщают в ISN. Эта организация разработала улучшенное химическое осаждение из паровой фазы и послойную пропитку, которые позволяют проводить самосборку или последующую обработку волокон с целью получения желаемой функциональности.
Также в соответствии с SRA 01 в ISN исследуются полупроводниковые нанокристаллические квантовые точки (QD) и их применение в оптоэлектронике и молекулярном зондировании. Потенциально, технология QD могла бы привести к большим, легким, нанометровой толщины, гибким фотодетекторам (в инфракрасном и видимом диапазоне), световым излучателям и устройствам памяти, которые можно объединить в сеть и встроить в солдатские инструменты ситуативной информированности.
Квантовые точки также могут использоваться в биомедицинском мониторинге или для обнаружения химико-биологических угроз, сообщают в ISN, здесь они могут служить в качестве «флуоресцентных репортеров» локального «нанопространства». Соединенные с соответствующим химическим составом, QD могут интегрироваться в качестве двусторонних сенсоров своего молекулярного окружения.
В одной трети научных тем в рамках SRA 01 институт ISN изучает недорогие, прочные, с малым энергопотреблением оптические и химические сенсоры на основе углеродных нанотрубок. Такие сенсоры могли бы значительно улучшить возможности солдата по идентификации потенциальных угроз за счет улучшенного ночного видения и систем «свой-чужой». Структура и геометрия углеродных нанотрубок идеальны для формирования изображений и детектирования, говорят в ISN, поскольку, по сути, они являются проводящей поверхностью раскатанной в активные проводники нанометрового размера.
Используя методы вертикального выращивания, заимствованные из микроэлектронной промышленности, исследователи из ISN изучают стратегии массовой обработки углеродных нанотрубок и их интеграцию в единую микросхему.
На фото - медная пластина, которая является исходным материалом для взрывчатых смесей, используемых в военных детонаторах. Медная структура может быть сформирована на кристаллах, и затем преобразована во взрывчатый материал. Подобное химическое соединение используется для улучшения устройств детонации в американских ВМС.
ISN также изучает возможность получения электронных и оптико-электронных устройств из нового семейства волокон, включающего проводники, изоляторы и полупроводники, которые могут вытягиваться в длину на километры.
Работы по этой тематике с самого начала были сосредоточены на однофункциональных устройствах, включающих: передающие волокна с полым сердечником с переменной длиной волны, резонаторы, излучающие волоконные лазеры, тепловые и оптические волоконные детекторы и пьезоэлектрические волокна. Как говорят в Институте, эта технология может привести к умным тканям, «усложненным до системного уровня».
Еще одно направление разработки умных материалов в рамках SRA 1 – это новые эластомеры, которые могут менять форму, расширяться, сжиматься или менять свою жесткость, упругие и поглощающие свойства под действием света, электрических полей, изменения температуры и химических веществ. Идея состоит в том, что они могли бы заполнить пробел в характеристиках между прочными, жесткими материалами и такими материалами, как, например, полимерные гели, которые могут реагировать на подобные воздействия, но не имеют прочности и жесткости. Потенциальное применение включает в себя мембраны для управления температурой и защиты от химических и биологических веществ, которые открываются или закрываются по необходимости. Критичные технологии включают в себя новые функциональные материалы с одной реагирующей стороной или основными цепями, а также нанокомпозитные смеси этих новых материалов с неорганическими наночастицами.
В рамках SRA 2 исследуются улучшения в медицинской помощи и обработка боевых повреждений в полевых условиях. К ним относятся наноматериалы и устройства, которые могут быть активированы на месте или удаленно квалифицированным медперсоналом, солдатом и даже сработать самостоятельно с помощью соответствующих дублирующих приспособлений. К примерам из этого исследовательского проекта можно отнести полимерные активаторы, создающие жесткость по требованию для сшивания ран или предотвращения нежелательных движений при повреждении головы или шеи.
В рамках SRA 3 проводятся исследования в области нанотехнологий, касающейся защиты солдат от взрывов и баллистических угроз. Сочетая технологии синтетической химии, расчетным путем информированную молекулярную структуру и производство полимеров, исследователи из ISN нацелены на создание нового поколения легких, мягких материалов, у которых потенциально значительно улучшены энергопоглощающие свойства. Эти материалы будут состоять из жестких полимерных цепочек с подвесными группами в стратегических местах вдоль полимерной оси, придающими им сходство с параллельными нитями молекулярной «колючей проволоки». Сочетание жесткости цепи и возможного взаимовлияния подвесных групп (шипов) позволяет без повреждения общей структуры поглощать механическую энергию при одновременной существенной деформации, сообщают в ISN.
Другая группа наноструктурных материалов, металлические сплавы с низкой плотностью, также являются одним из направлений SRA 3.3. Концепция состоит в том, что эти материалы могут быть сшиты в легкие и гибкие сборки, например структуры в форме пучков и плетеных сеток, которые могли бы служить эффективной и комфортной защитой для тела.
Исследователи направления SRA 4 ищут способы улучшения обнаружения опасных веществ и устройств и средства защиты от них солдат. В одной из тем изучаются различные способы получения наноразмерных полимерных покрытий, которые обеспечивают специфические защитные функции. Здесь ISN изучает способность нанометрических слоев контролировать свойства поверхности, позволяющие притягивать или отталкивать воду и ослаблять химические и биологические угрозы. Там также изучают функциональные и перенастраивающиеся нанопокрытия, которые могли бы интегрироваться в переносные биодатчики для обнаружения ядовитых веществ.
Еще одна тема SRA 4 («сверхчувствительные наноразмерные химические детекторы») сосредоточена на распознавании и описании субстанций с определенными химическими признаками. Сюда входит манипулирование наноразмерными элементами материалов с целью получения конкретных свойств, пространственной разрешающей способности, сниженного энергопотребления, многофункциональности, удобства пользования или сочетания всех этих качеств.
Одна из групп проектировщиков работает над флуоресцентным микроскопом, способным химически картировать поверхности до поперечного разрешения 5 нанометров. Другая находится в поисках наноразмерных кристаллов с нулевым энергопотреблением, которые реагируют на специфичные пары изменением цвета. Идея состоит в том, чтобы доставить кристаллы в подозрительную зону, предупредив солдат о химической угрозе без необходимости вхождения в зараженный район.
В рамках темы SRA 4.3 ведутся работы по так называемому наноструктурированному оригами; этот патентованный процесс производства и сборки уже успешно продемонстрирован при поддержке ISN. Метод производства многослойных трехмерных наносистем заключается в их сборке из двухмерных поверхностей. Процесс заключается в вытравливании наноразмерной области на функциональной двухмерной мембране и складывании ее секций в определенной последовательности.
Это решение позволяет формировать за один прием сложные геометрические и многослойные схемы; она хорошо подходит для интеграции в различные химические, электрические, оптические, механические и другие устройства. Эта ключевая технология находит свое применение в многочисленных легких и недорогих системах восприятия и обнаружения угроз.
Пятая сфера стратегических исследований в институте ISN – это создание и применение наноразмерных материалов и устройств и понимание их характеристик внутри интегрированных систем. Одна из групп исследователей, например, работает в области нерадиочастотных, на тканой основе, средств связи, включая встроенные в униформу лазерные коммуникационные системы. Ключевые вопросы включают характеристики мультиматериальных оптических волокон касательно времени реакции, чувствительности и управления шумом. Также изучается возможность включения волокон в тканые материалы наряду с аппаратными и программными средствами, необходимыми для соединения их с системой сбора данных; не обойден стороной и вопрос надежности передачи и получения информации.
Около года назад Организация ЕС по нанотехнологиям (далее Организация) выпустила табличную оценку уровней технологической готовности TRL (Technology Readiness Level) по самым разным нанотехнологиям для широкого спектра применений, многие из которых будут иметь очевидное оборонное значение. Классификация TRL этой Организации является упрощенной пятиуровневым вариантом девятиуровневой схемы используемой в оборонных кругах. В обеих схемах TRL 1 показывает, что идея находится на этапе базовых научных исследований; технологии TRL 2 являются объектом прикладных исследований с упрощенной классификацией, они включают в себя уровни от 2 до 5 военной схемы; TRL 3 предусматривает работу над прототипами, что соответствует уровням 6 и 7 для военных; тогда как TRL 4 и 5 на шкале Организации отражают выход на рынок и рыночную зрелость, соответствуя уровням 8 и 9 на шкале военных.
Создание нанокомпозитов и наноструктурированных металлов, могло бы, например, потенциально открыть путь к созданию легких и недорогих транспортных средств. Организация определила TRL нанокомпозитов между 2 и 5 в зависимости от специфических материалов, ссылаясь на ряд препятствий для коммерческого использования, включая стоимость, доступность больших элементов хорошего качества, эксплуатационную надежность новых материалов и пригодность для автоматизированного крупномасштабного производства. Позицию наноструктурированных металлов организация ранжирует просто, ставя небольшие компоненты, например, винты, на 4 и 5, а средние и крупные - на уровни 2 – 3. Понижение уровней определяется высокой стоимостью производства, техническими ограничениями на производство более крупных деталей и, как в случае с нанокомпозитами, отсутствием мощностей для крупносерийного производства.
Кремниевые нанопроводники в качестве замены графита в отрицательных электродах литиевых батарей обещают повысить плотность мощности и срок службы, но организация определила их уровень TRL как 1 - 2, ссылаясь на неполное понимание теории, отсутствие достаточных знаний о материалах и производственных процессах.
Нанопокрытия и смазки обещают повысить энергетическую эффективность и уменьшить выбросы от бензиновых двигателей, дизелей и газовых турбин для всех типов транспортных средств. В Организации отмечают, что до сих пор необходимы крупные инвестиции, особенно для приложений, требующих производства крупных компонентов, их готовность оценивается как TRL 3 - 4. Нанотехнологии, в которых используется графен, классифицируются на Уровни 1 и 2. Графен - это форма углерода, которая представляет собой листы толщиной в один атом; он имеет большой потенциал вне сферы «силиконовой (кремниевой)» электроники и найдет свое применение в дисплеях и фотогальванических элементах наряду с прочными и проводящими композиционными материалами.
Ясно, что некоторые нанотехнологии еще покажут себя в будущем «запредельно» новаторскими как в гражданской, так и в оборонной сферах, ведь эта область науки пока так молода.
Мерзляков Вячеслав
16.12.2012