Кристиан Жоаким - Нанонауки. Невидимая революция

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.