Скрытая угроза нанотехнологий. Как лазер повысил эффективность обычной лампочки.
Ожидает приглашения
Скрытая угроза нанотехнологий
Как это часто случается, отрицательные свойства нанотчастиц являются продолжением положительных. Частицы с приставкой «нано» стали популярными благодаря нескольким своим характеристикам. Необычные свойства наночастиц объясняются их размером (чтобы подчеркнуть, насколько важна эта характеристика, ее даже вынесли в название частиц). Чтобы называться наночастицей, «претендентка» хотя бы в одном измерении должна быть размером от одного до ста нанометров (то есть, одной миллиардной метра).
Меньше значит лучше
Измельчение вещества до крупинок наноразмеров кардинально меняет его свойства. «Виновата» в этом геометрия: чем меньше частица, тем больше для нее соотношение поверхности к объему. Другими словами, при уменьшении размера частицы многократно возрастает ее удельная поверхность. Атомы вещества, находящиеся на поверхности наночастицы, имеют необычные свойства, и, кроме того, их много (речь опять идет об относительных понятиях). Именно поверхностные атомы делают наночастицы отличными от просто маленьких частиц, обеспечивая чрезвычайно высокую химическую активность нановещества.
«Задел», созданный учеными, разрабатывающими процессоры и микроэлектронику, позволил быстро создать «умные» наноустройства. Например, умные пылинки, несущие микропроцессоры и обладающими объемом памяти около 200 байт. Или жидкость, которая способна изменять вязкость по сигналу извне (как тут не вспомнить «жидкого» терминатора Джеймса Кэмерона). В перспективе ученые видят создание нанороботов — крошечных машин, которые смогут манипулировать отдельными атомами. Уже из этого краткого списка ясно, что микроскопические частицы открывают перед человечеством необозримые перспективы.
Или не значит?
И все эти чудесные свойства наночастиц грозят обернуться стихийным бедствием и уничтожить человечество. Начнем с размера. «Нанокрохи» обладают очень высокой проникающей способностью независимо от того, из какого вещества они сделаны. То есть, в организм человека и прочих живых существ могут попасть молекулы тяжелых металлов или других токсичных веществ. Недавние исследования показали, что наночастицы способны не только проникать в ткани, но и накапливаться в них. Пока ученым не удалось непосредственно показать, что такой «запас» является вредоносным, но механизмов пагубного воздействия собранного в одном месте большого числа атомов, скажем, золота, на живые системы можно придумать немало.
Химически активные наночастицы могут образовывать прочные связи с биомолекулами (например, белками или ДНК), повреждая их, «выключая» или, наоборот, способствуя их повышенной активности. Еще один вариант отрицательного воздействия — катализ вредных для организма химических реакций. Даже если «подозреваемые» наночастицы окажутся безвредными, оказывать пагубное влияние могут содержащиеся в них примеси, которые очень трудно обнаружить (примесные вещества также могут образовывать с наночастицами прочные связи).
В противоположность высокоактивным существуют химически инертные наночастицы. Они особенно интересуют медиков, которые с их помощью рассчитывают решить проблему доставки лекарств через гематоэнцефалический барьер (ГЭБ). ГЭБ представляет собой дополнительный слой клеток, называемых глиальными, в капиллярах большинства отделов головного мозга. ГЭБ защищает мозг от проникновения вредных веществ, и он же препятствует попаданию туда лекарств или веществ, необходимых для диагностических процедур. Недавно было показано, что если «упаковать» лекарства в оболочку из определенных материалов, то полученные наночастицы способны проникать через ГЭБ.
Противники внедрения нанотехнологий указывают, что если в такую оболочку поместить не полезные вещества, а яды, то наночастицы могут стать идеальным орудием убийства.
Кроме проникновения через ГЭБ, использование нанотехнологий может повысить биодоступность некоторых необходимых человеку веществ. Но и это благо, по мнению скептиков, может обернуться злом. Нанотехнологии несут большой потенциал по продлению и улучшению качества жизни, но использовать этот потенциал, очевидно, смогут не все жители Земли. У большинства просто не хватит средств на наноэликсир долголетия. Таким образом, наночастицы могут спровоцировать рост социальной напряженности. Кроме нанолекарств раскол в обществе могут вызвать, например, альтернативные источники энергии, полученные с применением нанотехнологий. В этом случае недовольны окажутся жители стран-поставщиков традиционных энергоресурсов.
Кроме описанных выше последствий применения нанотехнологий, которые представляют потенциальную опасность, наночастицы и наноустройства могут быть прямо использованы для уничтожения человечества. Удивительные возможности новых материалов не могут остаться без внимания военных. Микроскопические бомбы невозможно обнаружить и легко доставить в нужное место. Безжалостные нанороботы будут методично уничтожать заданную цель. В идеале такое оружие могло бы само собираться на вражеских территориях. Этакий наноапокалипсис.
Скрытая угроза
Вариантов уничтожения человечества с помощью нанотехнологий хватит на десяток фантастических фильмов. И именно поэтому стоит продолжать их изучение. Очевидно, что нанотехнологии несут огромные возможности, многие из которых, возможно еще даже не осознаны. Но пока мы слишком мало знаем о свойствах частиц вещества размером в миллиардные доли метра (отсюда и обилие возможных апокалиптических сценариев). И это незнание само по себе представляет не меньшую опасность, чем гипотетические нанобомбы.
Как лазер повысил эффективность обычной лампочки
Как делаются открытия? На этот счёт есть масса легенд вроде купания Архимеда или яблока, стукнувшего по макушке Ньютона. Впрочем, люди здравомыслящие понимают, что правды в этих историях не больше, чем в сказках про Золушку, а хороший экспромт должен быть тщательно подготовлен. Но в сказки хочется верить. Поэтому недавно — в который ра — мы услышали историю про удивительное и неожиданное открытие ученых из Рочестерского университета (США). Физики налаживали новый фемтосекундный лазер и фокусировали его на спирали обычной лампочки.
Когда её включили, то обнаружили, что в месте лазерного фокуса она светит гораздо ярче, хотя расход электроэнергии не увеличился. После обработки всей спирали яркость лампочки выросла почти вдвое. И авторы метода уверяют, что такая процедура в промышленных масштабах лишь немного увеличит стоимость конечного изделия.
Эффективность лампочек накаливания составляет ничтожные два-три процента, и её удвоение всё равно не позволит конкурировать с флуоресцентными лампами, имеющими эффективность 8-18%, и с белыми светодиодами, чей КПД ещё выше. Зато цена этих «ветеранов», по-видимому, долго будет оставаться вне конкуренции, несмотря на то что органические светодиоды и другие новые технологии обещают резкое удешевление производства. И там, где освещение требуется сравнительно редко, применение «новых старых» ламп будет экономически оправдано даже при постоянном росте цен на электроэнергию. Возможно, это остудит пыл американских законодателей, которые в ряде штатов хотят попросту запретить использование ламп накаливания уже в ближайшие годы. Эдак скоро обычная лампочка станет предметом вожделения коллекционеров.
Помимо энергетической эффективности есть ещё такая характеристика, как качество освещения. И тут с обычными лампочками тоже конкурировать трудно. Лучшие натриевые газоразрядные лампы низкого давления, которые светят желтым светом, сегодня применяются в уличных фонарях. Их эффективность достигает 29%, и даже белым светодиодам соперничать с ними не под силу. К сожалению, натриевые лампы сильно искажают цвет, поскольку их спектр сосредоточен в узкой полосе в районе 590 нанометров.
Эффективность источника света формально оценивают исходя из спектральной чувствительности наших глаз, которую можно представить как колокол с основанием от 400 до 700 нанометров с максимумом на желтовато-зеленой длине волны 555 нанометров (при низкой освещенности этот максимум «зеленеет», смещаясь к 507 нанометрам). Только чисто зеленый свет формально обладает стопроцентной эффективностью, но о цветопередаче в этом случае говорить не приходится. У естественного солнечного света эффективность всего 14%, поскольку большая часть солнечной энергии приходится на инфракрасную область спектра.
Но вернёмся к нашим героям. По предыдущим публикациям легко отследить, как учёные постепенно шли к своему «случайному» успеху. Три года назад с помощью серии фемтосекундных лазерных импульсов они научились делать поверхность металлов черной, хорошо поглощающей и излучающей свет с любой длиной волны. Фемтосекундные лазеры относительно компактны и могут питаться от обычной розетки, но в очень коротком импульсе они концентрируют колоссальную мощность. Попав на поверхность металла, импульс нагревает электроны, превращая их в богатую неустойчивостями плазму. Ионы остаются холодными, но бушующая плазма может «вырывать» их из металла самым причудливым образом. В результате даже на непрогретой поверхности образуются всевозможные ямки, выступы и другие замысловатые микро и наноструктуры.
Эти структуры резко меняют оптические свойства поверхности. Электромагнитные волны падающего света возбуждают в них сложные коллективные коле*бания электромагнитного поля и поверхностных электронов металла. В результате почти весь падающий свет поглощается, и поверхность становится черной. Позже учёные научились менять цвет металлических поверхностей. Алюминий и платину удалось сделать желтыми, а титан — синим или пурпурным. Однако для получения нужного цвета зачастую требуется не один, а целая серия фемтосекундных импульсов определенной формы, к тому же длительность обработки поверхности размером с монету может достигать получаса.
Пока не очень верится, что лазерная обработка спиралей лампочек будет дешёвой. И как поведут себя наноструктуры в процессе длительной эксплуатации, тоже неизвестно. Именно испарение вольфрама спирали ограничивает допустимую рабочую температуру и срок службы ламп накаливания. А развитая наноструктурами поверхность спирали скорее всего будет испаряться интенсивнее. Впрочем, есть надежда, что с помощью лазерных импульсов или какимто иным способом удастся изменять поверхность нити накаливания так, что она будет эффективно излучать только в заданном спектральном диапазоне. Тогда с качеством, надежностью и эффективностью подобного источника света любой другой технологии конкурировать будет непросто.
Как это часто случается, отрицательные свойства нанотчастиц являются продолжением положительных. Частицы с приставкой «нано» стали популярными благодаря нескольким своим характеристикам. Необычные свойства наночастиц объясняются их размером (чтобы подчеркнуть, насколько важна эта характеристика, ее даже вынесли в название частиц). Чтобы называться наночастицей, «претендентка» хотя бы в одном измерении должна быть размером от одного до ста нанометров (то есть, одной миллиардной метра).
Меньше значит лучше
Измельчение вещества до крупинок наноразмеров кардинально меняет его свойства. «Виновата» в этом геометрия: чем меньше частица, тем больше для нее соотношение поверхности к объему. Другими словами, при уменьшении размера частицы многократно возрастает ее удельная поверхность. Атомы вещества, находящиеся на поверхности наночастицы, имеют необычные свойства, и, кроме того, их много (речь опять идет об относительных понятиях). Именно поверхностные атомы делают наночастицы отличными от просто маленьких частиц, обеспечивая чрезвычайно высокую химическую активность нановещества.
«Задел», созданный учеными, разрабатывающими процессоры и микроэлектронику, позволил быстро создать «умные» наноустройства. Например, умные пылинки, несущие микропроцессоры и обладающими объемом памяти около 200 байт. Или жидкость, которая способна изменять вязкость по сигналу извне (как тут не вспомнить «жидкого» терминатора Джеймса Кэмерона). В перспективе ученые видят создание нанороботов — крошечных машин, которые смогут манипулировать отдельными атомами. Уже из этого краткого списка ясно, что микроскопические частицы открывают перед человечеством необозримые перспективы.
Или не значит?
И все эти чудесные свойства наночастиц грозят обернуться стихийным бедствием и уничтожить человечество. Начнем с размера. «Нанокрохи» обладают очень высокой проникающей способностью независимо от того, из какого вещества они сделаны. То есть, в организм человека и прочих живых существ могут попасть молекулы тяжелых металлов или других токсичных веществ. Недавние исследования показали, что наночастицы способны не только проникать в ткани, но и накапливаться в них. Пока ученым не удалось непосредственно показать, что такой «запас» является вредоносным, но механизмов пагубного воздействия собранного в одном месте большого числа атомов, скажем, золота, на живые системы можно придумать немало.
Химически активные наночастицы могут образовывать прочные связи с биомолекулами (например, белками или ДНК), повреждая их, «выключая» или, наоборот, способствуя их повышенной активности. Еще один вариант отрицательного воздействия — катализ вредных для организма химических реакций. Даже если «подозреваемые» наночастицы окажутся безвредными, оказывать пагубное влияние могут содержащиеся в них примеси, которые очень трудно обнаружить (примесные вещества также могут образовывать с наночастицами прочные связи).
В противоположность высокоактивным существуют химически инертные наночастицы. Они особенно интересуют медиков, которые с их помощью рассчитывают решить проблему доставки лекарств через гематоэнцефалический барьер (ГЭБ). ГЭБ представляет собой дополнительный слой клеток, называемых глиальными, в капиллярах большинства отделов головного мозга. ГЭБ защищает мозг от проникновения вредных веществ, и он же препятствует попаданию туда лекарств или веществ, необходимых для диагностических процедур. Недавно было показано, что если «упаковать» лекарства в оболочку из определенных материалов, то полученные наночастицы способны проникать через ГЭБ.
Противники внедрения нанотехнологий указывают, что если в такую оболочку поместить не полезные вещества, а яды, то наночастицы могут стать идеальным орудием убийства.
Кроме проникновения через ГЭБ, использование нанотехнологий может повысить биодоступность некоторых необходимых человеку веществ. Но и это благо, по мнению скептиков, может обернуться злом. Нанотехнологии несут большой потенциал по продлению и улучшению качества жизни, но использовать этот потенциал, очевидно, смогут не все жители Земли. У большинства просто не хватит средств на наноэликсир долголетия. Таким образом, наночастицы могут спровоцировать рост социальной напряженности. Кроме нанолекарств раскол в обществе могут вызвать, например, альтернативные источники энергии, полученные с применением нанотехнологий. В этом случае недовольны окажутся жители стран-поставщиков традиционных энергоресурсов.
Кроме описанных выше последствий применения нанотехнологий, которые представляют потенциальную опасность, наночастицы и наноустройства могут быть прямо использованы для уничтожения человечества. Удивительные возможности новых материалов не могут остаться без внимания военных. Микроскопические бомбы невозможно обнаружить и легко доставить в нужное место. Безжалостные нанороботы будут методично уничтожать заданную цель. В идеале такое оружие могло бы само собираться на вражеских территориях. Этакий наноапокалипсис.
Скрытая угроза
Вариантов уничтожения человечества с помощью нанотехнологий хватит на десяток фантастических фильмов. И именно поэтому стоит продолжать их изучение. Очевидно, что нанотехнологии несут огромные возможности, многие из которых, возможно еще даже не осознаны. Но пока мы слишком мало знаем о свойствах частиц вещества размером в миллиардные доли метра (отсюда и обилие возможных апокалиптических сценариев). И это незнание само по себе представляет не меньшую опасность, чем гипотетические нанобомбы.
Как лазер повысил эффективность обычной лампочки
Как делаются открытия? На этот счёт есть масса легенд вроде купания Архимеда или яблока, стукнувшего по макушке Ньютона. Впрочем, люди здравомыслящие понимают, что правды в этих историях не больше, чем в сказках про Золушку, а хороший экспромт должен быть тщательно подготовлен. Но в сказки хочется верить. Поэтому недавно — в который ра — мы услышали историю про удивительное и неожиданное открытие ученых из Рочестерского университета (США). Физики налаживали новый фемтосекундный лазер и фокусировали его на спирали обычной лампочки.
Когда её включили, то обнаружили, что в месте лазерного фокуса она светит гораздо ярче, хотя расход электроэнергии не увеличился. После обработки всей спирали яркость лампочки выросла почти вдвое. И авторы метода уверяют, что такая процедура в промышленных масштабах лишь немного увеличит стоимость конечного изделия.
Эффективность лампочек накаливания составляет ничтожные два-три процента, и её удвоение всё равно не позволит конкурировать с флуоресцентными лампами, имеющими эффективность 8-18%, и с белыми светодиодами, чей КПД ещё выше. Зато цена этих «ветеранов», по-видимому, долго будет оставаться вне конкуренции, несмотря на то что органические светодиоды и другие новые технологии обещают резкое удешевление производства. И там, где освещение требуется сравнительно редко, применение «новых старых» ламп будет экономически оправдано даже при постоянном росте цен на электроэнергию. Возможно, это остудит пыл американских законодателей, которые в ряде штатов хотят попросту запретить использование ламп накаливания уже в ближайшие годы. Эдак скоро обычная лампочка станет предметом вожделения коллекционеров.
Помимо энергетической эффективности есть ещё такая характеристика, как качество освещения. И тут с обычными лампочками тоже конкурировать трудно. Лучшие натриевые газоразрядные лампы низкого давления, которые светят желтым светом, сегодня применяются в уличных фонарях. Их эффективность достигает 29%, и даже белым светодиодам соперничать с ними не под силу. К сожалению, натриевые лампы сильно искажают цвет, поскольку их спектр сосредоточен в узкой полосе в районе 590 нанометров.
Эффективность источника света формально оценивают исходя из спектральной чувствительности наших глаз, которую можно представить как колокол с основанием от 400 до 700 нанометров с максимумом на желтовато-зеленой длине волны 555 нанометров (при низкой освещенности этот максимум «зеленеет», смещаясь к 507 нанометрам). Только чисто зеленый свет формально обладает стопроцентной эффективностью, но о цветопередаче в этом случае говорить не приходится. У естественного солнечного света эффективность всего 14%, поскольку большая часть солнечной энергии приходится на инфракрасную область спектра.
Но вернёмся к нашим героям. По предыдущим публикациям легко отследить, как учёные постепенно шли к своему «случайному» успеху. Три года назад с помощью серии фемтосекундных лазерных импульсов они научились делать поверхность металлов черной, хорошо поглощающей и излучающей свет с любой длиной волны. Фемтосекундные лазеры относительно компактны и могут питаться от обычной розетки, но в очень коротком импульсе они концентрируют колоссальную мощность. Попав на поверхность металла, импульс нагревает электроны, превращая их в богатую неустойчивостями плазму. Ионы остаются холодными, но бушующая плазма может «вырывать» их из металла самым причудливым образом. В результате даже на непрогретой поверхности образуются всевозможные ямки, выступы и другие замысловатые микро и наноструктуры.
Эти структуры резко меняют оптические свойства поверхности. Электромагнитные волны падающего света возбуждают в них сложные коллективные коле*бания электромагнитного поля и поверхностных электронов металла. В результате почти весь падающий свет поглощается, и поверхность становится черной. Позже учёные научились менять цвет металлических поверхностей. Алюминий и платину удалось сделать желтыми, а титан — синим или пурпурным. Однако для получения нужного цвета зачастую требуется не один, а целая серия фемтосекундных импульсов определенной формы, к тому же длительность обработки поверхности размером с монету может достигать получаса.
Пока не очень верится, что лазерная обработка спиралей лампочек будет дешёвой. И как поведут себя наноструктуры в процессе длительной эксплуатации, тоже неизвестно. Именно испарение вольфрама спирали ограничивает допустимую рабочую температуру и срок службы ламп накаливания. А развитая наноструктурами поверхность спирали скорее всего будет испаряться интенсивнее. Впрочем, есть надежда, что с помощью лазерных импульсов или какимто иным способом удастся изменять поверхность нити накаливания так, что она будет эффективно излучать только в заданном спектральном диапазоне. Тогда с качеством, надежностью и эффективностью подобного источника света любой другой технологии конкурировать будет непросто.