Журнал «Компьютерра» № 30 от 21 августа 2007 года - Компьютерра Журнал 619 8 стр.

Мир «нано» сулит нам массу неожиданностей. Одна из них – оказывается, поупражняться в доморощенном нанотехе может каждый. Ну, почти каждый. И для этого не всегда нужны большие деньги. Евгений Гудилин рассказывает об одном из возможных нанопроектов:

– …Многие зарубежные компании, в том числе Samsung и Degussa (крупнейшая химическая и нанотехнологическая компания Германии), развивают направление, связанное с микропечатью всевозможных устройств – гибких дисплеев, сенсоров, радиочастотных антенн-идентификаторов, солнечных батарей, пленочных химических источников тока (трехмерная печать дополняет этот список мембранами и другими керамическими изделиями сложной формы, медицинскими имплантатами и т. д.). Струйный способ печати, другие модификации микропечати универсальны – разработка прототипов и выпуск готовых устройств полностью автоматизированы, – и очень привлекательны по соотношению цена/качество. В России эта технология вполне реализуема: важнейшие компоненты расходных материалов – это нанопорошки и полимеры, а их мы хорошо умеем делать. Фундаментальных и технических проблем здесь много, но понять принцип нетрудно. На днях (разговор был в начале июля. – Л.Л.-М.) наши студенты взяли дешевый струйный принтер, купили пустой картридж, залили туда суспензию, содержащую наночастицы, и теперь пытаются напечатать что-нибудь содержательное. Для начала – хотя бы сделать проводящие дорожки из наночастиц (см. рис. справа). Обычный струйник для этого вполне пригоден, ведь чернила – это особая взвесь частиц размером менее 50 нм. В планах – купить спецпринтер (хотя он стоит уже не полторы тысячи, а полтора-три миллиона рублей, в зависимости от насадок и прочего), чтобы дальше развивать это направление.

Но ведь очень интересно посмотреть, что полезного можно напечатать наночастицами и на простом струйнике! Предлагая эту тему ребятам, я не исключал, что работа над ней может привести даже к созданию компании-стартапа. Вокруг нанотехнологий напущено много тумана, но на самом деле сделать наночастицы сравнительно легко (по крайней мере химикам). Если в автоклаве сильно нагреть воду, она станет хорошим растворителем, пригодным для так называемого гидротермального синтеза, и с его помощью уже делают десятки видов наночастиц. Поэтому можно развивать очень любопытные и недорогие проекты, причем отчасти на "подручных материалах".

Есть и еще более простые способы – вот школьный опыт, который показывает, что наночастицы может получить каждый (правда, далеко не каждый может получить наночастицы с заданными свойствами и детально их исследовать). Есть такое удобрение – парамолибдат аммония. Если вы растворите его в воде, добавите уксуса и бросите туда цинк, то раствор моментально посинеет – образуется молибденова синь, состоящая из наночастиц довольно простого состава на основе гидратированного оксида молибдена. Это пример электрохромного материала: если не добавлять цинк, а прикладывать напряжение, цвет тоже изменится. Поэтому, если наночастицы такого материала нанести на бумагу в виде сеточки, к которой напряжение в несколько вольт подводится дорожками из прозрачного проводника (такие чернила уже делаются, скажем, в Японии и могут быть сделаны и у нас), то при включении тока на бумаге появится нужный текст или картинка, а при выключении поверхность обесцветится от контакта с воздухом. В потенциале это дешевая электронная бумага. Вот вам один вариант развития опытов с "разломанным струйником".

Есть и совсем простой путь – делать чернила для струйника с такими наночастицами, которые бы позволяли "юному нанотехнологу" печатать не очень маленькие, но настоящие работающие электронные схемы по собственным спецификациям. В образовательных целях это было бы очень полезно.

А в Science уже были сообщения о микропечати люминесцентных структур квантовыми точками. Что дальше?..

Дальше, видимо, начинается инновационная экономика – но на эту малоизученную территорию мы сегодня не зайдем. Прежде чем приступить к инвентаризации наноотраслей, нам с читателями нужно сориентироваться в базовых понятиях. "Нанотехнологии, – говорит Евгений Гудилин, – это новый взгляд на давно известные вещи. Любые объекты и материалы можно изучать на разных пространственных масштабах. Кроме макроуровня (объект в целом) и атомарного уровня (определяющие, фундаментальные характеристики вещества), обычно выделяют масштабный уровень «микро» (характерный размер – микроны, то есть тысячные доли миллиметра), который задает так называемые "структурно-чувствительные" свойства материала, зависящие, например, от размера зерен керамики. Большую роль часто играет и субмикронный масштаб «мезо». Что касается «нано», IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry, Международный союз чистой и прикладной химии) постановил, что если хотя бы по одному измерению размер объекта меньше 100 нм (0,1 мкм), то мы говорим о наносистеме – это и есть уровень наномасштабов.

Логичнее было бы определить, что "настоящее нано" начинается с момента появления наноэффектов – изменений физических свойств веществ, связанных с переходом к этим масштабам. Принципиальная важность наносистем заключается именно в том, что на этом кусочке пространственной шкалы реализуется большинство самых интересных для химии и физики взаимодействий".

Евгений предлагает такое сравнение. В эпоху путешествий, великих географических открытий люди изучали двухмерную поверхность Земли. Когда поднялись в космос – это был выход в третье измерение. Когда стали изучать быстротекущие, фемтосекундные процессы и одновременно динамику на астрономических интервалах времени – взялись за четвертое измерение, шкалу времени. Сейчас в нашем поле зрения пятое измерение – мы движемся по шкале пространственных масштабов. Отсюда и мысли, что эти работы могут создать новую парадигму исследований, привести к научно-технологической революции.

Однако, по мнению Гудилина, речь может идти только о революции в понимании сути различных процессов и улучшении технологий производства: вряд ли в этих исследованиях будет обнаружено нечто эпохально новое.

Любопытно, что вейвлет-анализ – математический аппарат для расцепления структуры объектов (процессов) на разных пространственных (временных) масштабах – возник почти одновременно с пионерскими лозунгами «нано». В 1986 году вышла книга Эрика Дрекслера "Машины созидания", сделавшая нанотех фактом "общественного сознания". В 1984 году появилась первая работа, где был введен термин «вейвлет». Вскоре заговорили о «вейвлет-революции», а в 2000 году авторитетные комментаторы уже включили вейвлет-анализ в топ-десятку математических успехов ХХ века. В 1998 году «КТ» посвятила вейвлет-анализу целый номер (см."КТ" № 236). Многие ожидания, связанные с этим аппаратом, с тех пор вполне оправдались. В частности, новые, экономичные форматы представления изображений на основе вейвлетов включены в стандарт JPEG-2000. Сейчас идет интенсивное развитие обобщений вейвлет-анализа, нацеленных на детальный анализ трехмерной геометрической структуры сложных объектов.

Как выяснилось, Евгений – большой ценитель творчества издавна почитаемого в «КТ» Станислава Лема, особенно – знаменитого технологическими прогнозами романа "Осмотр на месте". Ответы Евгения на мои настойчивые расспросы ("а это тоже нанотехнологии? а это? а вот это?..") ниже скомпонованы в нечто, напоминающее по форме тот самый отчет Ийона Тихого об ошустренном мире.

Давайте начнем с главного – с нанороботов?

– Мы, знаете ли, из-за нанороботов чуть не подрались с коллегами, когда писали "Нанотехнологии. Азбука для всех" (сборник статей, который выходит в свет в конце года в издательстве «Наука»; по замыслу, это объективный рассказ о нанотехнологиях, интересный и школьнику, и академику. – Л.Л.-М.). Точнее, не из-за самих роботов, а из-за статьи про них в «Азбуке». Потому что в нанороботов, которые содержат шестеренки, ручки, ножки, глазки и процессор класса «Пентиум», я не верю абсолютно. Это чушь. Нанороботы – это и главная приманка, и главное пугало нанотеха. Все боятся "серой слизи" (grey goo, термин придумали первые нанофутуристы) – орд нанороботов, которые бесконтрольно размножаются и все вокруг убивают. Но ведь серая слизь существует уже миллиарды лет – это вирусы. Вирусы – объекты нанометрового размера, которые проникают в клетку и размножаются, больше ничего они делать не могут. Может быть, серая слизь – это искусственный вирус? Да, такие проекты, видимо, сегодня на повестке дня – но это не нанотех, это совсем другая область.

Почему же ничего, кроме вирусов, не годится на эту роль?

Почему же ничего, кроме вирусов, не годится на эту роль?

– Сколь-нибудь полезный наноробот должен оперировать большими объемами информации. Самое эффективное наноустройство для записи информации – биополимер, длинная биологическая молекула вроде ДНК или РНК. А если использовать биополимер, то ничего лучшего, чем вирусы, не придумаешь. Потому что это продукт очень длительной эволюции. Может быть, с них даже жизнь началась (хотя не все согласны с тем, что вирус вообще форма жизни). Можно и такой постулат выдвинуть: материя со сложным поведением не может обладать тривиальной структурой. Согласившись с этим, приходим к выводу, что структурные элементы такой материи не должны быть однородны. А в этом случае самый эффективный вариант – биополимеры, и мы опять приходим к вирусам. На мой взгляд, это правильная логика, хотя я понимаю, что и ее можно попытаться обойти…

Наверное, и количественно не получается втиснуть в нанообъем все эти механизмы, процессоры?

– Нет, главная проблема в другом. Важнее, что все физические процессы, которые сегодня используются для обработки информации, основаны на определенной статистике поведения частиц (в частности, на законе больших чисел), гарантирующей правильное взаимодействие элементов, скажем, в микроэлектронике. Но на наномасштабах, когда функциональные элементы состоят из небольшого количества атомов или молекул, эта статистика перестает действовать. Больше того, никто не отменял теплового движения атомов. Любая информация в таком маленьком элементе имеет немалый шанс пропасть. Отсюда вопрос: как сделать для наноробота мозг с процессором в сто мегагерц? Он сможет работать разве что при абсолютном нуле, если очень повезет… И это лишь одна из принципиальных трудностей, есть и другие. Поэтому я считаю, что любые попытки сделать наноробота закончатся созданием примитивного объекта, который будет уметь что-то одно. Ему не нужны лапки и глазки, поскольку нечем будет ими управлять.

Что, по-вашему, самое перспективное в сегодняшнем нанотехе?

– На мой взгляд – нанобиотехнологии. На Западе это направление развивается наиболее активно. Например, возьмем наночастичку, состоящую из полимера. Оказывается, что к ней можно пришить две вещи: во-первых, лекарство, а во-вторых – белок, который будет целенаправленно связываться именно с тем участком организма, куда нужно это лекарство доставить, – сосудом, нервной тканью и пр. Дело в том, что непосредственно сшить этот белок и это лекарство нельзя. Но их можно вместе посадить на наночастицу, которая играет роль "мула"!.. Другое направление в нанобиотехе – ввести наночастицы в клетку так, чтобы клетка немного изменила свои функции: например, начала продуцировать некие белки.

На пластинке из пьезокварца, как известно, можно «взвешивать» молекулы. Пластинку покрывают слоем белка, который повышает селективность к тем или иным биомолекулам, и получается необыкновенно чувствительный биосенсор – это тоже из области нанобиотеха.

Усиленно разрабатывается очень важная для медицины технология нано– и микрокапсул (размером от микрон до 20 нм). Они представляют собой кусочки вещества, которое может обладать магнитными или другими функциональными свойствами и имеет большую площадь поверхности. Его можно одеть в «шубу» из белка, из полимера, полисахаридов, гидроксильных радикалов, потом, как говорят, «векторно» доставить в нужное место организма, а если надо – еще и разогреть, чтобы стимулировать действие лекарства. Чем это хуже наноробота? Ничем. Только здесь нет футуристических фантазий про глазки и лапки.

Еще один сюжет на стыке «нано» и медицины – визуализация. Например, наши коллеги с физфака МГУ, сотрудничающие с Онкоцентром имени Н. Н. Блохина, создают магнитные наночастицы, содержащие гадолиний. Частицы рассеиваются по организму, но их можно целенаправленно собирать в исследуемом органе – и благодаря гадолинию этот орган очень хорошо виден с помощью МРТ-томографии. А с помощью магнитного поля можно проводить и гипертермию – разогревать раковую опухоль. Причем здесь очень важно, чтобы использовались именно наночастицы – частицы большого размера будут вызывать тромбы.

Все это замечательно, но нанокапсулы уже существуют? Продаются в аптеках?

– В аптеках, как известно, много чего продают. Вот замечательная история: знаете, как проще всего получить магнитную наножидкость? Берем два очень доступных вещества: железный купорос и хлорное железо, которое используется для травления печатных плат. Сливаем их в водный раствор аммиака – и моментально получаем магнитную жидкость – взвесь частиц Fe3O4 вполне нанометрового размера. Благодаря этой простоте появляется огромное количество статей в стиле "мы пришили к этим частицам белок и доставили туда-то магнитным полем". К сожалению, для медицинской практики именно эти частицы непригодны – они слишком слабо взаимодействуют с магнитным полем. Приходится получать металлические частицы, содержащие платину, железо, кобальт и др. элементы, обеспечивать биосовместимость – и вот тогда их можно «таскать» магнитным полем в нужном направлении, следить за их потоком в теле человека в реальном времени, если надо – разогревать с помощью магнитного поля или ультразвука (такие работы, кстати, проводили наши шестикурсники в РОНЦ РАМН).

Но как я хохотал, наткнувшись на рекламу фирмы, которая продает именно такие частицы оксида железа, как я только что рассказывал, – полученные простым смешиванием содержимого двух банок! Продают под лозунгом: нанодисперсный оксид железа излечит все ваши болезни (включая депрессивные состояния у женщин и даже простатит)! Это к тому, что продавать, конечно, можно – вопрос в том, какой эффект даст такой препарат. В данном случае – никакого. Настоящая проблема – в том, чтобы подобрать наночастицы с определенными свойствами (магнитными или другими), которые могли бы решить нужную вам задачу.

Что касается серьезных проектов лечения с помощью нанокапсул и магнитных жидкостей – они пока находятся в экспериментальной стадии. Научных (и очень интересных!) статей множество, однако на практике речь идет в лучшем случае об испытаниях ключевых принципов на животных и растениях. Из недавних популистских сообщений: группа немецких ученых осуществила магнитную доставку лекарств в легкие мыши с помощью магнитных наночастиц в микрокаплях воды из ингалятора (июль 2007 г.); корейские медики испытали (в пробирке) доставку лекарства, убивающего раковые клетки человека, с помощью магнитных наночастиц (июнь 2007 г.) и пр. На нашем сайте www.nanometer.ru мы частично отслеживаем сообщения по этой тематике, а «форумисты» дают очень компетентные и часто острые комментарии – по ним легко понять истинное положение дел.

Что же в нанотехе связано с нашей любимой информатикой? За исключением, конечно, нанометровых технологических процессов изготовления интегральных схем – об этом мы и так пишем достаточно.

– Вот хороший пример, связанный с ИТ, который, кстати, иллюстрирует некоторые общие принципы нанотеха. Возьмем магнитную нить – нечто, состоящее из оксида или металла в несколько нанометров толщиной. Круглая частичка такого размера была бы суперпарамагнитной – непригодной для магнитной записи. Как только мы начинаем круглую частицу «растягивать» (менять форм-фактор или «размерность» при одном и том же диаметре), у нее появляется доменная структура, и на эту нить уже можно записать информацию. Но практически значимую среду для записи информации мы получим, только если добьемся корректной взаимной ориентации большого массива нитей. Такая работа ведется, например, аспирантами и сотрудниками академика Ю. Д. Третьякова на факультете наук о материалах и химическом факультете МГУ. Делается своеобразная «матрица» из жидкого кристалла, потом она превращается в мезопористый диоксид кремния (SiO2), и в поры с помощью химических процессов вводятся ферромагнитные нити. Получается пленка, на которую потенциально можно записывать терабиты информации на дюйм. Проблема – в ненужном магнитном взаимодействии между отдельными элементами, но есть пути к ее преодолению.

Как видите, для создания наноматериалов оказывается важным не только их состав (определяющий основные свойства), размер ("модифицирующий" свойства), но и «размерность» (делающая частицы неоднородными) и упорядочение в системе (усиление, «интеграция» свойств в ансамбле нанообъектов). Это характерно для нанотехнологий – новое качество обычно получается только при правильно организованной структуре на более крупных масштабах, чем нано. Поэтому, занимаясь нанотехнологиями, мы не можем ограничиться только химией или только физикой. Нанотех – междисциплинарная область исследований.