Нанотехнологии – чудо или гибель?
...Этот впечатляющий фрагмент я позаимствовал из романа известного американского писателя и режиссера Майкла Крайтона «Добыча» («Prey», 2002), публиковавшийся у нас под названием «Рой». В нем рассказывается, как рой «наночастиц» вышел из-под контроля создавших его инженеров и стал представлять серьезную опасность, нападая на людей и животных и удушая их. К счастью, пока всё описанное в романе остается фантастикой – ученым не удалось решить целый ворох проблем, вставший на пути создания программируемых нанороботов, а значит, до саморазвивающегося роя еще очень далеко. Тем не менее, выгоды, которые принесут нанотехнологии, столь велики, что раньше или позже такие роботы появятся. Ученые рассчитывают, что подобные крошечные машинки будут создавать всё, что угодно: от миниатюрных деталей для компьютеров и новых лекарств против рака до качественно нового оружия…
* * *Сам термин (а точнее – приставка «нано») происходит от греческого слова nannos – карлик (отсюда нанометр – одна миллиардная доля метра).
Концепция нанотехнологий впервые прозвучала 29 декабря 1959 года – в речи выдающегося американского физика Ричарда Фейнмана под названием «Внизу полно места» («Plenty of Room at the Bottom»). Сорок лет спустя это технологическое направление всё еще находилось в зародышевой стадии развития, несмотря на постоянную рекламу в прессе. Только теперь, уже в XXI веке, начали появляться первые практические результаты, и финансирование направления резко возросло.
Понятие «нанотехника» было введено в 1974 году японцем Норио Танигучи. Первые средства для нанотехники были изобретены в швейцарских лабораториях «IBM». В 1982 году был создан растровый туннельный микроскоп (его создатели четырьмя годами позже получили Нобелевскую премию), а в 1986 году – атомный силовой микроскоп.
Почему для развития нанотехнологий так важны эти приборы? Дело в том, что если в электронный микроскоп атомарные размеры можно рассмотреть лишь при определенных условиях, то новые зонды дают более точную картину. Причем слово «микроскоп» здесь вводит в заблуждение. Благодаря этому изобретению стало возможным манипулирование мельчайшими частицами материи. Исследователи переносили атомы из одного места в другое и составляли из них всякие неприличные слова. На этой основе в начале 1990 года компания «XEROX» создала молекулярного робота, который способен вылавливать молекулы, проводить их через особую мембрану, а затем использовать получившиеся атомы для «художественного конструирования».
Хотя современная технология позволяет манипулировать отдельными атомами, но при этом выглядит довольно неуклюже: огромный прибор хватает атом и транспортирует его. Куда более продуктивным представляется путь, предложенный «крестным отцом нанотехнологий» Эриком Дрекслером в книге «Машины создания: Грядущая эра нанотехнологий» («Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology», 1986). В ней этот американский инженер описал специальные наномашины, называемые «ассемблерами» и способные работать с атомами.
Дрекслер дает следующее определение: «Ассемблер – это молекулярная машина, которая может быть запрограммирована строить практически любую молекулярную структуру или устройство из более простых химических строительных блоков».
Итак, наномашины должны уметь захватывать атомы и соединять их между собой, причем не хаотично, а в соответствии с заданным алгоритмом.
О том, что такой проект может быть реализован со дня на день, сообщила группа исследователей из Нью-йоркского университета. Американский медицинский наноробот, введенный в организм человека, сможет самостоятельно передвигаться по кровеносной системе и очищать его от микробов или зарождающихся раковых клеток, а саму кровеносную систему – от отложений холестерина. Он сможет изучить, а затем и исправить характеристики тканей и клеток.
Профессор химии Надриан Симан, возглавляющий исследования, заявил, что пока удалось лишь ограничить движение наномашин в молекулярной среде, но в будущем его невидимые роботы станут полностью управляемыми. Ученые хотят запрограммировать молекулы так, чтобы те могли самоорганизоваться и объединяться с другими молекулами в более крупную структуру. При этом наномашина будет имеет две своеобразные «руки» – молекулы, которыми исследователи вроде бы научились управлять, но что-либо сделать (например, добавить в раствор определенный химикат) устройство пока не умеет: раствор воздействует одновременно на все молекулы.
Другой проект, нацеленный на создание первого наноробота – «NanoWalker» – разрабатывается на базе Лаборатории биотехнологий при Массачусетском технологическом институте под руководством Сильвина Мартеля.
Пока что механизмы, сконструированные в рамках этого проекта, нанороботами назвать нельзя – слишком уж они велики, размером с копеечную монету, – но ученые уверены, что в ближайшем будущем их размеры удастся уменьшить.
Управление роботами производится посредством инфракрасных датчиков, помещенных в их тела, – камера отслеживает местоположение роботов и направляет к месту выполнения задания. Некоторые крошечные машины оснащены микроскопами, позволяющими им получать и транслировать изображение атома, над которым предстоит потрудиться.
Управление роботами производится посредством инфракрасных датчиков, помещенных в их тела, – камера отслеживает местоположение роботов и направляет к месту выполнения задания. Некоторые крошечные машины оснащены микроскопами, позволяющими им получать и транслировать изображение атома, над которым предстоит потрудиться.
По словам Мартеля, нынешняя квалификация его подопечных только определяется. Уже созданы модели, которые теоретически могут использоваться в фармакологии и осуществлять синтез химических препаратов и лекарств.
Появились и более экзотические варианты наносистем. Так, прототипом роя наночастиц может стать «умная пыль» («Smart Dust»). Ее создала группа исследователей под руководством профессора химии и биохимии Майкла Сейлора из Университета Калифорнии в Сан-Диего.
«Эти пылинки – ключ к разработке роботов размером с песчинку, – говорит Сейлор. – В будущем можно будет создать миниатюрные устройства, передвигающиеся в крошечных средах, вроде вен или артерий, к определенным целям, обнаруживать там химические или биологические составы и передавать информацию о них во внешний мир… Такие устройства могли бы использоваться, чтобы контролировать чистоту питьевой или морской воды, обнаруживать опасных химических или биологических агентов в воздухе и даже находить и уничтожать поврежденные клетки в организме человека».
Создание «умной пыли» – это комбинирование электрохимического процесса механической обработки и химических модификаций. Берется кремниевый чип, из которого химикатами получается пористая фотонная структура. Затем эта структура модифицируется, чтобы получилось цветное двустороннее зеркало: красное с одной стороны, зеленое – с другой. Стороны пористой зеркальной поверхности ученые наделили практически противоположными свойствами. Одна – гидрофоб, то есть водоотталкивающая, но «любящая» маслянистые вещества, другая – гидрофил, привлекательная для воды. При появлении воды пылинки начинаются поворачиваться «гидрофилической» красной стороной к воде, а зеленой «гидрофобической» – к воздуху. Когда же появляется маслянистое (нерастворимое в воде) вещество, частички окружают каплю, прижимаясь к ней «гидрофобической» стороной. А поскольку стороны разноцветные, то по окраске можно определить, что творится в такой «пыльной» среде. И это лишь один из вариантов. Частицы могут быть запрограммированы на миллионы всевозможных реакций, что дает возможность обнаружить присутствие тысяч химикалий одновременно. Длины волн света, отраженного от поверхностей пылинок после того как поры отреагируют на химического или биологического агента, станут своего рода штрих-кодом, который можно считать с помощью специального сканера. В то время как каждая частичка слишком мала, чтобы по ее цвету определить изменения, коллектив из сотен или тысяч пылинок уже достаточно «заметен» для лазера.
На похожем принципе действуют «квантовые точки», которые разрабатываются учеными из Департамента биомедицинской инженерии, созданного совместно Американским университетом Эмори и Технологическим институтом Джорджии.
«Квантовые точки» – это кристаллы полупроводников нанометрового размера, которые имеют уникальные химические и физические свойства, не характерные для тех же веществ в макромасштабе.
«Если вы дробите леденец на две части, каждая часть будет всё еще сладкой. Но если вы продолжите дробление, пока не достигаете масштаба нанометров, полученные части будут отличными по вкусу и обладать разными свойствам, – объясняет Шумин Не, профессор, занимающийся этими исследованиями. – Например, крупинки золота нанометрового масштаба не желтые, а красные. Но нас интересует другое свойство, характерное именно для нанокристаллов полупроводников. Это интенсивная люминесценция в ответ на облучение с определенной частотой».
Именно ее ученые и используют для нахождения и визуализации различных опухолей. Дело в том, что опухоли выращивают дополнительные кровеносные сосуды, и система этих сосудов очень пористая и разветвленная, что позволяет микроскопическим кристалликам в ней накапливаться.
«Квантовые точки» могут быть химически связаны с биологическими молекулами типа антител, пептидов, белков или ДНК. И эти комплексы могут быть спроектированы так, чтобы обнаруживать другие молекулы, типичные для поверхности раковых клеток.
Пока коллеги занимаются созданием «умной пыли» и «квантовых точек», группа Джеймса Тура из Техасского университета имени Райса создала самый маленький в мире действующий автомобиль – он состоит из трех сотен атомов, собранных в одну сложную молекулу. Ширина автомобиля – 4 нанометра. Он имеет раму и оси, а каждое его колесо – это бакиболл, то есть сфера из 60 атомов углерода. Конкуренты уже представляли объекты нанометрового масштаба, напоминающие внешне автомобили, однако Тур первым добился того, чтобы его молекулярная конструкция действительно катилась по поверхности подобно тому, как катятся автомобили на своих колесах. При этом ученые использовали сканирующий туннельный микроскоп, чтобы увидеть свое творение и доказать, что оно действительно катится.
Джеймс Тур надеется, что в самое ближайшее время ему удастся создать наногрузовики, которые могли бы транспортировать на себе молекулы к конвейерам нанофабрик, где будут собираться объекты микроскопических размеров…
* * *Описанные выше достижения («умная пыль», «квантовые точки», наноавтомобиль) – лишь первый шаг на длинном и тернистом пути. Как же будут выглядеть нанотехнологии будущего? Перспективы впечатляют…
Десятки нанороботов под управлением нанокомпьютеров соберут нанозаводы, способные, следуя внешним или собственным программам, собирать из отдельных атомов другие наномашины. А отсюда вытекают интересные возможности: если один самовоспроизводящийся ассемблер способен сделать свою копию, то его можно запрограммировать так, чтобы он построил что-нибудь еще своего размера с той же скоростью. Значит, тонна ассемблеров сможет быстро построить тонну чего-нибудь еще.
Что это даст? Всё, что пожелаете! Эрик Дрекслер описывает производственный процесс так.
Представьте себе предприятие будущего по производству двигателей для ракет. В помещении мы видим огромный чан, в его центре размещена опорная плита, на которой находится «семя» – нанокомпьютер с хранящимися в нем планами будущей конструкции. На поверхности «семени» имеются места, к которым прикрепляются ассемблеры. После нажатия кнопки насосы наполняют чан густой молочной жидкостью. Жидкость состоит из ассемблеров, которых вырастили и перепрограммировали в другом чане. Ассемблер прилипает к «семени», которое передает инструкции компьютеру ассемблера. Подчиняясь инструкциям, в жидкости начинает расти нечто вроде кристалла. Поскольку каждый ассемблер «знает» свое место в плане, он зацепляет другие ассемблеры, только когда это необходимо. За несколько часов каркас из ассемблеров вырастает так, что уже соответствует планируемой конечной форме ракетного двигателя. Тогда насосы чана снова начинают работать, заменяя молочную жидкость одиночных ассемблеров чистой смесью органических растворителей и растворенных веществ, включая алюминиевые сплавы, компоненты, обогащенные кислородом, и компоненты, служащие в качестве топлива для ассемблеров. По мере их расходования жидкость становится всё более прозрачной, а двигатель всё больше обретает форму. Наконец чан пустеет, пульверизатор омывает изделие, крышка открывается – и внутри находится готовый двигатель…
На что похож этот двигатель? Это не массивный кусок сваренного и скрепленного болтами металла – он без швов, словно драгоценный камень. Его внутренняя структура немонолитна – она разделена на пустые внутренние ячейки, построенные в ряды и находящиеся примерно на расстоянии длины волны света друг от друга, что заметно облегчает структуру, уже сделанную из самых легких и прочных материалов. В сравнении с современными металлическими двигателями этот усовершенствованный двигатель будет иметь гораздо меньшую массу – на 90 процентов меньшую!
Ударьте слегка по нему, и он отзовется, как колокольчик, звоном высокого тона. Установленный в космическом корабле, сделанном тем же способом, он легко поднимет его со взлетно-посадочной полосы в космос и вернет назад. Он выдерживает длительное и интенсивное использование, потому что прочные материалы позволили разработчикам рассчитывать на большие запасы прочности. При всём своем превосходстве этот двигатель по сути вполне обычен – в нем просто заменили плотный металл тщательно устроенными структурами.
Подобным образом можно изготавливать не только двигатели. Например, полностью преобразится сельское хозяйство. Комплексы нанороботов заменят естественные «машины» для производства пищи – растения и животных. Вместо длинных цепочек «почва – углекислый газ – фотосинтез – трава – корова – молоко» останутся лишь «почва – нанороботы – молоко». Или сразу кефир. Или сразу творог. Или сразу масло. Или мясо – сразу жареное, но без холестерина… Потребуется только энергия.