Когда-то человек приручил огонь, создал первое орудие труда, укротил электричество, изобрёл антибиотики… Список деяний человеческих может быть бесконечным. Каждое подобное открытие меняет привычный ход вещей, без сомнений, это шаг вперёд к лучшему будущему. Такого же прогресса ждут и от нанотехнологии — молодой науки, которая занимается изучением объектов атомной величины. А всё началось с одной лекции…
Открытие Фейнмана
В 1959 году Ричард Фейнман, тогда ещё только будущий лауреат Нобелевской премии по физике, прочитал в Калифорнийском институте лекцию «Там, внизу, полным-полно места».
«Внизу» — в мире атомных величин. Как вы знаете, вся Вселенная состоит из атомов, то есть атомы — частицы, из которых состоит вся Вселенная. Их размер удивительно мал: величина атома измеряется в нанометрах, миллиардных долях метра. Разница в размерах между нанометром и метром примерно такая как между монеткой и планетой Земля. Группы атомов составляют молекулы — наименьшие частицы вещества. Профессор предлагал создать молекулярные машины — миниатюрные устройства, выполняющие полезную работу. Эта идея вдохновила многие умы того времени.
Что такое машины?
Строго говоря, это любая система, которая способна изменять, передавать, направлять силы для достижения поставленной перед ней цели. Например, автомобиль едет, компьютер производит вычисления. Это привычные нам машины, их размеры соответствуют вещам, которыми мы себя окружаем. Но может ли работать механизм очень маленького размера? Может. Пока вы читаете этот текст, в вашем теле усердно трудятся тысячи самых разных наномашин: ДНК сохраняет и передаёт наследственную информацию, рибосомы участвуют в синтезе белка, желудочные ферменты переваривают пищу и так далее. Причём, все эти процессы совершаются с безошибочной атомной точностью. То есть, существование молекулярных машин возможно. Но можно ли просто взять и уменьшить привычные нам объекты, чтобы получить наномашины? К сожалению, нет. Законы наномира отличаются от нашего. Так, на нанообъекты почти не действует гравитация (да что там «нано»: вспомните, как подолгу висят в воздухе «огромные» пылинки); золотое обручальное кольцо, уменьшенное до наноразмеров, покраснеет, потому что свет от него станет отражаться иначе. Создавать молекулярные машины нужно с учётом совершенно других законов. Для объектов, имеющих наноразмеры, законы классической механики не работают, тут вступают в силу квантово-механические приближения. Поэтому, если и понесутся по нашим капиллярам миниатюрные мини-машинки, как по многополосной магистрали, вероятно, они лишь отдалённо будут напоминать автомобили, которые мы видим каждый день.
Что могут дать человечеству молекулярные машины?
Одна из самых перспективных областей применения молекулярных машин — адресная доставка медикаментов. Противораковые лекарства печально известны тем, что вместе с больными клетками повреждают и здоровые. Управляемую светом молекулярную машину, которая «нагружена» молекулами лекарства, можно будет направить прямиком к больным клеткам, не повреждая здоровые ткани. Перспективы применения молекулярных машин ограничены только нашим воображением. Однако многие выражают беспокойство: а вдруг врач, назначивший нанолечение, окажется некомпетентным? Вдруг молекулярная машина совершит непоправимую ошибку? Вдруг наше тело станет полем битвы «обезумевших» машин разного назначения? К сожалению или к счастью, молекулярные машины пока во многом существуют только теоретически. До создания реально работающих прототипов ещё достаточно времени. Так что о том, опасны они или нет, мы подумаем завтра.
Нанотрубка — это молекула из более миллиона атомов, представляющая собой трубку с диаметром около нанометра и длиной несколько десятков микрон
Пощупать атомы
Всё, что есть вокруг нас, в том числе мы сами — атомы, собранные определённым образом. Порядок атомов и отличает одно вещество от другого.
Например, из углерода, одного из самых распространённых на Земле элементов, состоят и графит, и алмаз. Графит нам известен по карандашному стержню, это одно из самых мягких веществ на планете. А вот алмаз, не похожий на графит даже внешне, считается самым твёрдым известным веществом. Сегодня учёные научились «тасовать» атомы углерода, чтобы получить вещества с желаемыми свойствами. Так им удалось синтезировать нанотрубки — самые прочные волокна в мире.
Вершиной этой технологии станет создание нужных объектов из окружающей среды: продуктов питания — из воздуха, микросхем — из песка. Всё, что нам может понадобиться — можно будет синтезировать из атомов и молекул окружающей среды.
Эту идею предложил американский учёный Эрик Дрекслер, которого считают «отцом нанотехнологий». Он же придумал два типа молекулярных машин — «ассемблеры» и «дизассемблеры». Ассемблеры — машины, которые атом за атомом будут собирать нужный нам объект, они будут формировать между атомами новые связи. Дизассемблеры будут разбирать ненужное, как для анализа объекта, так и для его утилизации, то есть разрушать, подобно тому, как эти процессы происходят во время химических реакций, но только прицельнее и быстрее. Если удастся построить ассемблер — можно будет собрать всё, что душе угодно. Вероятно, первый такой прибор будет стоит очень дорого. Зато второй окажется бесплатным, потому что его построит первый. Но пока это только фантастика.
Манипулировать атомами можно, но для этого нужно их рассмотреть и создать достаточно маленькие инструменты. Уж очень мы большие, чтобы подходить к атомам на равных. Развитие «наностроения» зависит от развития технологий, которые помогают работать с объектами «нижнего» мира. Начало этому положили учёные-физики Герд Бининг и Генрих Рорер, именно они в 1981 году изобрели сканирующий тоннельный микроскоп — устройство, позволяющее различить отдельные атомы. Согласитесь, это вам не кожицу лука на лабораторной по биологии рассматривать. Изобретателей наградили Нобелевской премией по физике, ведь это был настоящий прорыв! Чудо-микроскоп позволяет не только видеть атомы, но и передвигать их поштучно с помощью особой иглы, собирая, как по кирпичикам, предмет или изображение.
Самый маленький, а ещё точнее — микроскопический, в мире мультфильм, занесённый в Книгу рекордов Гиннеса, создан американской компанией International Business Machines (IBM) в 2013 году. Мультик «Мальчик и его атом» (A Boy and His Atom) рассказывает о дружбе мальчика и атома. Каждая точка в изображении — молекула монооксида углерода, закреплённая на подложке из меди. Конечно же, при просмотре мульта без мощного микроскопа не обойтись.
«Цепи» Жан-Пьера Соважа
Обычно в химических веществах атомы или молекулы соединены химической связью, поэтому не всегда удаётся достичь лёгкого движения частей относительно друг друга. Лёгкого — как в цепи велосипеда гибко соединены отдельные части. Но можно ли сделать такое же с молекулами? Можно, но для начала нужно научиться делать из разных молекул цепочки. Этим и занимался французский химик Соваж, создав в итоге катенаны. Катенаны — это механически (без химической связи) соединённые, как звенья цепи, молекулы. Нужно заметить, что Соваж не был пионером в этом деле: просто у других они получались случайно, а ему удалось синтезировать их намеренно. Сначала учёный и его коллеги синтезировали циклическую молекулу, затем — молекулу серповидной формы. Молекула-серп удерживалась от случайных взаимодействий ионом меди (показан на схеме зелёным цветом). Благодаря второму «серпу» цикл замыкался, и получалась цепочка из двух звеньев. После завершения синтеза ион меди удаляли из среды. Этим способом можно синтезировать сколь угодно длинные цепи.
«Лифт» Фрезера Стоддарта
Ротаксаны — класс соединений, состоящих из молекулы гантелевидной формы и надетой на эту «гантель» крупной химической группы. Фрагменты на концах «гантели» не дают циклу «соскочить». Стоддарт тоже не был первооткрывателем этих соединений, ему первому удалось «поставить на поток» процесс их синтеза. Кроме того, учёный с коллегами на основе ротаксанов получил молекулярные лифты. Оказалось, что, изменяя условия среды, можно приводить цикл в движение, свободно перемещать его по линейной части «гантельки», как по рельсам.
Цепи, лифты, автомобиль и «нобелевка»
Нанотехнология будущего будет похожа на инженерию. Молекулы — части молекулярной машины — будут собираться как пазл или детали конструктора.
«Молекулярные инструменты будут связывать молекулы так, чтобы образовывать крошечные двигатели, моторы, рычаги, обшивки, и собирать их в сложные машины», — пишет Эрик Дрекслер в своей книге «Машины создания: грядущая эра нанотехнологии». Разные части молекулярной машины будут выполнять разные функции. Но поверхность наномашины не будет гладкой, она будет бугорчатой, ведь атомы — те же шарики, склеенные вместе, чтобы стать машиной.
В 2016 году случилось революционное событие в мире молекулярных машин: учёные Жан-Пьер Соваж, Фрезер Стоддарт и Бернард Феринга «за дизайн и синтез молекулярных машин» получили Нобелевскую премию по физике (интуиция подсказывает, что ещё не раз «нобелевку» дадут человеку, занимающемуся нанотехнологиями). В своих работах химики-лауреаты пытались сделать компоненты машин, подобных человеческим (таких, которые мы видим вокруг нас), но состоящих из отдельных молекул. Как правило, премию вручают тем, кто внёс вклад в развитие прикладной задачи, но все понимают, что молекулярные машины — очень молодая технология, поэтому приз дали, скорее, за огромные перспективы направления.
«Молекулярный автомобиль» Бернарда Феринга
Бернард Феринга, самый молодой из лауреатов Нобелевской премии, создал способные вращаться части машины, до него долгое время никому не удавалось сделать это. Феринга и его исследовательская группа соорудили четырехколёсный молекулярный автомобиль. Крупные молекулы-«колёса», вращаясь относительно других частей конструкции, «катят» автомобиль по поверхности. Фактически Феринга создал роторы для будущих моторов и доказал, что молекулярная машина при поступлении энергии, в данном случае световой, может совершать полезную работу — «ездить» и даже перевозить грузы в несколько раз тяжелее себя! Как мы крутим педали велосипеда, так свет крутит «колёса» автомобиля Феринга.
Чтобы заставить машину совершать направленное движение, пришлось совершить ряд хитрых операций. Под действием света некоторые жёсткие двойные связи, вокруг которых вращение невозможно, переходят в одинарные, которые позволяют совершать движение. Если освещать автомобиль светом заданной длины волны, то, благодаря переходу двойных связей в одинарные, она будет совершать направленное движение. К сожалению, пока в микроскоп увидеть вращение колеса нельзя, но с помощью косвенных измерений удалось доказать, что колёса всё-таки вертятся.
Понятно, что шестерёнки да винтики — не механизм. Фактически изобретения Нобелевских лауреатов — своего рода детали конструктора. Комбинируя их, можно создать более сложный механизм. Как дальновидно заметили члены Нобелевского комитета:
«Молекулярный двигатель сейчас находится на той же стадии, на которой находился электродвигатель в 1830-х годах, когда учёные видели вращающиеся рукоятки и колёса, но не знали, что они станут основой электропоездов, стиральных машин, вентиляторов и кухонных комбайнов».
