Умные молекулы

Услышав о том, чем занимаются сейчас в Национальной лаборатории Сандия, можно подумать, что ученые впустую тратят время, вновь изобретая колесо. И в самом деле, кого могут удивить роботы, умеющие передвигаться, загружать и доставлять грузы? В то время, когда даже Марс исследуют полностью автоматизированные аппараты, такие устройства вряд ли могут кого-нибудь поразить. Но только в том случае, если не знать, что разрабатываемый в Сандии робот - это всего лишь молекула.
Названная моторным белком, она имеет две миниатюрные «ноги» на одном конце и «хвост», который может захватывать «грузы», - на другом. Как только в раствор, в котором она находится, добавляется специальный химикат, белок начинает двигаться вдоль прядей волокна толщиной в одну пятую диаметра человеческого волоса.
Руководитель этой работы Брюс Банкер утверждает, что его эксперимент знаменует приход новой технической эры, отличающейся от существующего производства так же, как отличаются сегодняшние сборочные конвейеры от технологий каменного века. «В этом новом мире атомы и молекулы будут притягиваться друг к другу и самостоятельно собираться в непростые компоненты, а затем, возможно, - в компьютеры или искусственные органы», - говорит исследователь Бенджамин Миллер из университета Рочестера в штате Нью-Йорк.
Пока создание столь сложных устройств таким способом представляется скорее научной фантастикой, чем современной реальностью. Но идея, стоящая за самосборкой специфичных молекул весьма и весьма перспективна.
Самосборка - это свойство некоторых молекул самоорганизовываться в повторяющиеся узоры. Это явление знакомо нам из генетики, когда при размножении живых организмов фрагменты ДНК репродуцируют друг друга. Только сейчас речь идет о самовоспроизведении не живой, а неодушевленной, мертвой материи.
В результате непрекращающегося роста финансирования исследований в этой области во всем мире люди уже используют процессы самосборки молекул в своих интересах. На их основе создаются немнущиеся ткани, искусственные ароматы, противокоррозийные покрытия, принципиально новые лекарственные препараты и различные устройства микроэлектроники. «Но все это только начало», - говорит Михаил Роко, председатель Подкомитета, который координирует усилия федерального правительства по научно-исследовательским работам в области нанотехнологии.
Эта новая наука занимается необычными свойствами, которые обнаруживают материалы при размерах, лишь в несколько раз превышающих размер атома. При таких расстояниях главную роль начинают играть квантовые эффекты, которые часто коренным образом изменяют основные свойства материалов. Умение манипулировать веществом на атомарном и молекулярном уровнях ставит человечество на порог новой научно-технической революции, может быть, даже более радикальной, чем все предыдущие.
Почти четверть из двух тысяч осуществляемых сейчас в Соединенных Штатах проектов в области нанотехнологии, включая самосборку, спонсирует Национальный научный фонд через программу, названную «Национальной нанотехнологической инициативой». При этом финансирование этого направления каждый год возрастает на двадцать процентов. Общая сумма, выделенная на эти цели администрацией президента Буша, должна достичь в следующем году почти миллиарда долларов. И это без учета финансирования, осуществляемого дополнительно частными фирмами.
Вообще возникновение нанотехнологии связано с попыткой создать устройства, которые смогли бы заменить традиционные транзисторы, ячейки памяти и другие микроструктуры, составляющие основу компьютеров. Новые свойства вещества, которые проявляются на нанометровых расстояниях, могут позволить создать принципиально новый тип вычислительных машин. Речь идет о так называемых квантовых компьютерах, в которых скорость вычислений возрастает в миллиарды и миллионы миллиардов раз. Быстродействие же качественно меняет всю электронную технику - и сложную, и бытовую.
Использование микроскопических нанороботов на принципе самосборки позволит создавать материалы с любыми свойствами, например, устройства, которые сами исправляют ошибки, или металл, в котором «самозалечиваются» трещины. Насколько это важно, показывает такой пример. Появление опасных микротрещин на крыльях самолетов практически невозможно предсказать, и это чревато серьезными авариями. Новые материалы позволят забыть об этой проблеме.
Такие крупные компании, как IBM и Hewlett Packard, вкладывают в исследование процессов самосборки молекул немалые капиталы. Их интерес легко понять: самосборка может заметно удешевить и ускорить производство микроэлектронных устройств. К тому же, как утверждает президент Института прогнозов - мозгового центра нанотехнологии в Калифорнии Кристина Петерсон, такое производство будет не только практически безотходным, но и позволит получать принципиально новые изделия, которые невозможно создать традиционными методами.
Разработанная IBM технология самосборки основана на свойстве самоорганизации некоторых молекул полимеров и образования из них устройств с заданными свойствами. Для производства транзисторов и электрических проводников, которые имеют размеры, в десять раз меньшие самых малых сегодняшних, компания использует молекулы специального полимера, полученного из пенополистирола и плексигласа.
Одно из главных преимуществ этого метода заключается в том, что он не требует перестройки основного оборудования. Полимеры широко используются в производстве полупроводников, поэтому занимающиеся этим фирмы уже имеют необходимое оборудование. IBM рассчитывает, что года через три технология самосборки уже будет использоваться в ряде пилотных проектов.
Недриан Симэн, профессор химии Нью-Йоркского университета, мечтает о нанороботах, таких крошечных, что их могла бы раздавить ногой маленькая букашка. Недавно он создал молекулярное устройство, которое поворачивается вокруг своей оси в растворе ДНК. В течение десятилетия, полагает Симэн, этот невидимый механизм может стать частью молекулярной сборочной линии на миниатюрной химической фабрике, умещающейся на обычном домашнем столе.
В Национальной лаборатории Oak Ridge Министерства энергетики Соединенных Штатов с помощью самосборки разработали молекулярный датчик, предназначенный для замены существующих в настоящее время трудоемких методов контроля хранилищ радиоактивных отходов. Сегодня такой контроль осуществляют с помощью автоматизированной «руки» с дистанционным управлением специально обученные люди в защитных костюмах. Извлеченные ими из хранилищ образцы переправляются затем в лабораторию для определения содержания в них радиоактивного цезия. Этот процесс обходится примерно в миллион долларов на резервуар и длится несколько дней.
Старший исследователь лаборатории Oak Ridge Гилберт Браун работает над датчиком, который будет анализировать образец за считанные минуты и всего за 10 тысяч долларов, а может быть, и еще меньше, поскольку устройство будет использоваться многократно. Оно будет содержать особые молекулы, способные самостоятельно объединяться с молекулами цезия. Стоит после этого измерить флюоресцентное свечение образовавшихся конгломератов, и проверка закончена. Года через два новый датчик должен быть уже готов к первым испытаниям.
Ну а самые впечатляющие перемены, обусловленные внедрением молекулярной самосборки, ожидаются в медицине. Эта техника способна, например, значительно улучшить ортопедические импланты. По данным Американской Академии ортопедической хирургии, средняя жизнь импланта составляет сегодня примерно 15 лет. Потом их приходится удалять и заменять на новые. При этом часто повреждаются кости, с которыми они были соединены.
Заставить кость расти на импланте, который обычно делается из титана или керамики, достаточно трудно. Поэтому Томас Вебстер, эксперт Университета Purdue в штате Индиана, разработал для имплантов специальное покрытие, включающее молекулы, которые «самособираются» в структуру, подобную строению натуральной кости. В результате клетки костной ткани признают эти структуры за собственные и прорастают в них. Такие импланты служат значительно дольше, что особенно важно для молодых пациентов, поскольку им больше других приходится сталкиваться с повторными реконструктивными операциями.
Самосборка открывает также пути к совершенно новым методам лечения. Исследователи Северо-Западного университета в Эванстоне, штат Иллинойс, разработали искусственные молекулы, которые могут заменять поврежденные части спинного мозга и таким образом помогать парализованным пациентам хотя бы частично восстанавливать подвижность.
Доктор Миллер из университета Рочестера в штате Нью-Йорк работает над молекулами, которые могут образовывать «самонаводящиеся» лекарства, чувствительные к нездоровым тканям и клеткам. Эти молекулы могут связываться с генами, обусловливающими определенные генетические заболевания, и блокировать их действие. Такие препараты могут появиться на рынке уже через пять-шесть лет.
Использующее процессы самосборки направление в фармацевтике, которым занимаются такие ведущие компании как, Merck и Pfizer, развивается очень интенсивно. Как рассказал доктор Симэн из NYU, всего лишь год назад он представлял своим студентам список из десяти главных проблем нанотехнологии, а сегодня три из них уже решены. При таких темпах, считает ученый, самосборка и молекулярное производство найдут коммерческое использование достаточно быстро. И тогда то, что сейчас кажется просто фантастикой, станет реальностью.