Нанотехнологиисегодня
Автор: Юрий Свидиненко Многие думают, что нанотехнологии - дело далекого будущего. Конечно, такие устройства, как механокомпьютеры и нанороботы, еще не скоро появятся в нашей жизни. Более того, далеко не все уверены, что описанные в книгах Эрика Дрекслера наноустройства вообще могут быть созданы. Тем не менее, нанотехнологии - уже реальность. О дебатах Дрекслера и Смолли
Смолли отнюдь не отрицает, что нанотехнологии станут одним из ключевых факторов в развитии человечества, однако не верит в возможность управляемого механосинтеза и построения реплицирующихся нанороботов. Механосинтез - это формирование химических связей за счет механического приближения электронных оболочек атомов друг к другу. При этом возможно формирование как ковалентной, так и других связей. Если второй тезис Смолли еще можно принять, с некоторыми оговорками (такой репликатор будет представлять собой сложную систему взаимодействующих нанороботов), то с первым современные нанотехнологи (во главе с Дрекслером) не согласны. Механосинтез возможен, так как главные его положения не противоречат основным законам физики. По мнению же Смолли, наноконструкторы не имеют права на существование по нескольким причинам. Во-первых, ошибочно полагать, что можно манипулировать отдельным атомом без связи его с окружающими. "Идея наномашин не учитывает основ химии. Химия - это не просто установка одного атома на нужное место… Это, по меньшей мере, совместное движение десятка атомов", - пишет Смолли. Значит, для передвижения одного атома наноконструктор должен иметь как минимум десять манипуляторов нанометрических размеров. Что приводит нас к так называемой "проблеме толстых пальцев". Нанометр примерно равен восьми диаметрам атомов кислорода. Поэтому даже когда речь идет о постройке устройств длиной в сотни нанометров, то манипуляторам просто не хватит места. А если вы каким-то чудом сумели захватить атом, то его понадобится как-то отделить от соседей ("проблема липких пальцев"). Однако Смолли забывает, что принцип механосинтеза построен на основах классической химии. Дрекслер добавил только одно нововведение: молекулы реагируют друг с другом не в растворе, а путем искусственного механического сближения. При этом, в зависимости от реагентов, будет выполнено их позиционирование для успешной реакции. Смолли считает, что в химии необходимо очень точно позиционировать реагенты относительно друг друга. Броуновское движение работает в роли позиционного механизма, перебирая все возможные комбинации расположения реагентов, неоднократно сталкивая молекулы. В принципе так же может работать с веществами и манипулятор, но Смолли почему-то об этом не упоминает. Манипулирование отдельными атомами - задача очень трудная, и, скорее всего, для начала проще разработать молекулярную наносборку. Дрекслер, правда, некорректно доказывает Смолли возможность механосинтеза на примере энзимов и рибосом. Энзимы и рибосомы - природные наномашины, которые манипулируют молекулами в клеточной "фабрике", обрабатывая различные вещества и синтезируя необходимые белки. Все энзимы и рибосомы работают в жидкой среде, тогда как нанофабрики и наноманипуляторы должны оперировать молекулами в вакууме и, возможно, при сверхнизких температурах. Недавно Крис Феникс (Chris Phoenix), директор исследований Центра надежных нанотехнологий, обсуждал возможность механически проводимых химических реакций в рамках проекта "30 важнейших вопросов нанотехнологий". Вопрос о возможности механосинтеза стоял в списке первым. Феникс отметил, что уже сейчас можно создать ковалентные связи между определенными реагентами с помощью сканирующего зондового микроскопа. Ранее Эрик Дрекслер, Роберт Фрайтас (Robert Freitas) и Ральф Меркле (Ralph Merkle) построили модель механосинтеза алмазоида (вещества, в котором атомы углерода формируют кристаллическую решету алмаза) на математическом аппарате NANO-HIVE, довольно точно передающем физику наномира. Так что не исключено, что при наличии соответствующей инструментальной базы механосинтез реализовать можно. Компания Zyvex, мировой лидер в области нанотехнологий, с 1996 года разрабатывает серию наноманипуляторов и микроскопов. Ее главная цель - создание молекулярного ассемблера. Кто прав - Дрекслер или Смолли, - покажет время. Но и без механосинтеза нанотехнологии постепенно проникают в нашу жизнь. Производители компьютерных чипов уже освоили 90-нм техпроцесс и планируют "спуститься еще ниже". И это только один из примеров. Результаты современных исследований
Многие проектировщики нанороботов тут же включили АТФазный мотор в свой инструментальный арсенал. Так, в рамках проекта BioNanorobot университет Рутгерса представил модель простого наноробота, состоящего из одной нанотрубки, на одном конце которой - биомотор, а на другом - набор протеиновых маркеров, связанных с лекарством, находящимся внутри нанотрубки. Такая система сможет быстро перемещаться по кровеносным сосудам человека, доставляя лекарства только к больным клеткам. При этом "роботу" не нужно ни компьютера, ни средств связи, ни даже питания - биомотор находится в крови, где хватает "топлива" для его работы - молекул АТФ. Все компоненты для создания устройства уже имеются, теперь основная задача - соединить их вместе. АТФаза - уникальный энзим, который можно найти практически в любом живом организме. Он состоит из двух частей: 1) F0, гидрофобной части, связанной с мембраной, отвечающей за транспорт протонов, и 2) F1, гидрофильной части, ответственной за синтез и гидролиз АТФ. По мере того как протоны протекают через F0, часть энзима, g-субъединица части F1-ATФазы, вращается по часовой стрелке и идет синтез АТФ. Гидролиз АТФ происходит при вращении g-субъединицы против часовой стрелки; при этом направление протекания протонов реверсируется. Присоединив флуоресцентную микросферу диаметром 1 мкм к g-субъединице АТФазы, ученые смогли измерить радиальное отклонение микросферы при вращении g-субъединицы. Дальнейшие исследования будут направлены на изучение инженерных свойств мотора и его производительности. Это необходимо для разработки функционирующих наномеханических устройств, приводимых в движение F1-АТФазой. Следует, например, выявить зависимость производительности мотора в виде обобщенной функции от теплоотдачи, выхода протонов, рН и загрузки энзима АТФ. Более того, нужно изучить взаимодействие между субъединицами a3b3g, чтобы методами протеиновой инженерии улучшить производительность мотора, если это возможно.
|
Картина будущего, нарисованная в работах Дрекслера (Eric Drexler), многим кажется слишком фантастичной; в последние три-четыре года его выкладки стал оспаривать и очень авторитетный ученый, лауреат нобелевской премии по химии Ричард Смолли (Richard Smalley). Апогея конфликт достиг в последнем прошлогоднем номере журнала Chemical&Engineering News, где Смолли объясняет, почему он не может принять один из главных постулатов Дрекслера.
Многие интересующиеся нанотехнологиями люди могут задать вопрос: близки ли современные исследования к тому, что описывал Дрекслер в "Машинах Создания"? Создано уже хоть что-нибудь, или нанотехнологии - это только красивые картинки манипуляторов и редукторов из атомов, напоминающие наборы от Lego? Отвечаю: пока нет ни одного наноробота, но отдельные действующие его части уже существуют. Так, в 1999 году группа исследователей из