Глава 1. Введение в нанотехнологии

“Нанотехнологии произведут такую же револю_

цию в манипулировании материей, какую про_

извели компьютеры в манипулировании ин_

формацией”.

Ральф Меркле

Основные понятия

 

Несмотря на то, что все явления природы тесно взаимосвязаны, человек привык изучать их с какой_либо одной стороны.Поэтому любая наука обладает собственной системой терминов и понятий, в которые вкладывает свой смысл. Один и тот же объект, скажем, школьник, будет вызывать совершенно разный профессиональный интерес у представителей различных профессий, таких, как, например, врач, психолог или учитель.

Для врача, вероятнее всего, школьник будет “определяться” такими характеристиками, как вес, рост, группа крови, наличие или отсутствие хронических заболеваний и т.д. Психолог примется выяснять тип его темперамента, вид мышления или самооценку. А вот учителя математики вряд ли будут заботить ваш темперамент или группа крови, когда вы плохо напишете контрольную скорее всего, вас будут оценивать с точки зрения владения материалом, глубины знаний и поведения на уроке.

И, несмотря на то, что школьник остается одним и тем же в кабинете врача, на приеме у психолога, на уроке математики, мы видим, что его можно “изучать” под совершенно разными углами зрения. То же справедливо и для всего остального. Так и природные явления будут выглядеть совершенно по_разному

для химика, физика или биолога.

Но “вернемся к нашим баранам” (то есть нанотехнологиям). В самом названии “нанотехнология” мы видим два существенных для нас термина – “нано” и “технология”. Определимся сначала со вторым понятием.

Энциклопедический словарь определяет технологию (от греч. “techne” – “искусство”, “мастерство”, “умение” + “logos” – “наука”) как совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния (свойств, формы) первоначального сырья в процессе производства конечной продукции.

Задача технологии _ использование законов природы на благочеловека. Существуют “технологии машиностроения”, “технологии химической очистки воды”, “информационные технологии” и т.д.Видно, что технологии в основе своей различаются природой исходного материала. Именно значительная разница между такими видами сырья, как металлические конструкции и информация, определяет и существенные различия в методах их обработки и преобразования.

Перечисляя технологии, нельзя не вспомнить такое выражение, как “высокие технологии”. Давайте подумаем, в чем же их суть? Мы привыкли к тому, что высокими называют эффективные технологии, появившиеся сравнительно недавно, но не получившие еще повсеместного распространения. Как правило, это технологии из области микроэлектроники, и связаны они с удивительно маленькими размерами устройств.

Тысячи лет назад наши предки брали камни, содержащие триллионы триллионов атомов, и удаляли слои, содержащие миллиарды триллионов атомов, чтобы сделать из них наконечники для стрел. Они делали прекрасную работу с трудновоспроизводимым мастерством. И тот, кто первый придумал эту

технологию обтесывания камня, в те далекие времена мог назвать её высокой технологией, и был бы абсолютно прав. Ведь еще лет 15_20 тому назад сотовые телефоны, например, считались устройствами типа “high_tech”. Однако сегодня “мобилой” уже никого не удивишь.

Поэтому мы полагаем, что уместно называть “высокими” все передовые технологии, характерные для того или иного этапа развития общества.

Теперь дадим определение собственно “нанотехнологии”.В начале главы мы уже упоминали о том, что приставка нано (от греч. “nannos” – “карлик”) означает одну миллиардную(10_9) долю какой_либо единицы (в нашем случае _ метра). Атомы и мельчайшие молекулы имеют размер порядка 1 нанометра.

Современные микросхемы с размерами компонентов в одну десятую толщины тончайшего волоса могут считаться маленькими в стандартах тесальщиков кремня, но каждый транзистор все еще содержит триллионы атомов, и микрочипы все еще видимы невооружённым глазом.

Технологии, которые можно проследить от ручной обработки камня до кремниевых чипов, оперируют сырьем, представляющим собой большие совокупности атомов и молекул. Этот стиль можно назвать балк*технологией (англ. “bulk” – “груда”, “кипа”).

Нанотехнология призвана прецизионно (сверхточно) манипулировать индивидуальными атомами и молекулами. Она изменит наш мир больше, чем мы можем себе представить.

Атом – (от греч. “atomos” – “неделимый”) – это мельчайшая частица химического элемента, носитель его свойств, способный образовывать с другими атомами более сложные конструкции – молекулы.

Обратите внимание на то, что “дословный перевод” слова “атом” неверен, и на самом деле атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Однако это слово придумал еще древнегреческий философ Демокрит, и все его используют по привычке.

Нанотехнология _ это совокупность методов производства продуктов с заданной атомарной структурой путем манипули_ рования атомами и молекулами.

В связи с данным определением нанотехнологий возникает естественный вопрос: каким же образом мы можем манипулировать веществом на уровне атомов и молекул? Ведь наши руки слишком громадны для наномасштаба. Этот вопрос является камнем преткновения современной нанонауки. Самое изящное решение этой проблемы, способное совершить новую технологическую революцию, предложил Эрик Дрекслер в книге “Машины созидания”. Для манипулирования атомами он изобрел специальные наномашины, или ассемблеры.

Рис1. Модель молекулы метана (СH4)

 

Чтобы их представить, нужно сначала наглядно представить, как выглядит молекула. Для этого мы изобразим атомы как бусинки, а молекулы как группы бусинок, соединённые между собой кусочками проволоки (несмотря на чрезвычайную простоту такого представления, химики часто использют именно его,строя модели из пластмассовых шаров, связанных спицами в нескольких направлениях). Атомы имеют круглую форму подобно шарам, и хотя молекулярные связи  не кусочки проволоки, наша визуальная модель, как минимум, даёт важное представление о том, что связи могут быть порваны и восстановлены.

Наномашины должны уметь захватывать атомы или молекулы и соединять их между собой, причем не хаотично, а в соответствии с заданным алгоритмом. Важно отметить, что такие машины уже тысячи лет превосходно функционируют в природе, и примером их работы может служить механизм синтеза белка рибосомами. Из курса биологии вы, должно быть, помните, как молекула рибосомы конструирует белок, “считывая” из молекул РНК  “инструкции” для его построения. Напомним вкратце читателям основные моменты этого процесса.

Итак, белки – это обязательная составная часть всех клеток, обеспечивающая их жизнедеятельность. Роль белков в организме чрезвычайно разнообразна. Различают белки_гормоны,участвующие в управлении всеми жизненными процессами организма, его ростом и размножением. На сетчатке нашего глаза возникает изображение благодаря особому светочувствительному белку – родопсину. Мы способны двигаться, потому что наши мышцы сокращаются и расслабляются благодаря белкам актину и миозину. Все химические процессы в организме протекают при участии специальных белков–ферментов. Без них невозможны пищеварение, дыхание, обмен веществ, свертывание крови и пр. Белки выполняют и защитные функции – при попадании в организм болезнетворных бактерий или ядов вырабатываются белки-иммуноглобулины, нейтрализующие их вредное воздействие.

При знакомстве с таким разнообразием белков и их функций весьма неожиданным оказывается тот факт, что все белки растительного и животного мира– от совершенно инертных до биологически активных  состоят из одних и тех же стандартных звеньев _ аминокислот,соединенных прочной химической связью, называемой пептидной. Внешне молекула белка подобна последовательности бусинок на нити, где роль бусинок выполняют молекулы аминокислот. В составе большинства белков находится в среднем 300_500 таких “бусинок”. Количество аминокислот в природе ограничено – всего 20 видов, и их можно уподобить двадцати “буквам” особого “химического алфавита”, из которых составлены белки – “слова” длиной в 300_500 букв.

Рис 3. Структура ДНК

С помощью двадцати букв можно написать огромное количество таких длинных слов. Если учесть, что замена или перестановка хотя бы одной буквы в слове придаст ему новый смысл, то число возможных комбинаций букв в слове длиной в 500 символов составит 20500!

Цепь каждого белка построена из свойственной только этому белку комбинации аминокислот: только определенное число и только в определенной последовательности. Уникальность характерной для того или иного белка комбинации аминокислот и определяет его химические и биологические свойства. Перестановка всего лишь одного аминокислотного звена на другое место, его замена или потеря приведет к очень значительному изменению свойств белковой молекулы. Значит, при синтезе (построении) отдельного белка необходимо владеть точной информацией о чередовании аминокислотных звеньев

в его структуре. В природе такая информация хранится на специальном носителе _ молекуле ДНК, в которой содержится информация о структуре всех существующих в организме белков.

Отрезок молекулы ДНК, в котором содержится информация о последовательности аминокислот в одном белке, называется ген, потому информацию в ДНК называют генетической, а ген является единицей наследственного материала. В ДНК содержится до нескольких сот генов.

Молекула ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) представляет собой две спирально закрученные одна вокруг другой нити. Ширина такой двойной спирали – около 2 нм. Длина же – в десятки тысяч раз больше – несколько сотен тысяч нанометров. За открытие двойной спирали ДНК, несущейнаследственную информацию, в 1962 году ученые Уотсон и Крик получили Нобелевскую премию.

Нити ДНК представляют собой цепи из нуклеотидов, а нуклеотиды – это органические вещества, состоящие из трех соединенных друг с другом молекул: азотистого основания, пятиуглеродного сахара (пентозы) и остатка фосфорной кислоты.Нуклеотиды назвали по именам 4_х типов азотистых оснований, входящих в их состав: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т). Порядок расположения четырех типов нуклеотидов в цепях ДНК очень важен _ он определяет порядок аминокислот в белках, то есть их структуру.

Чтобы понять, как в ДНК запрограммирована структура белка, стоит вспомнить азбуку Морзе, по которой все буквы алфавита, знаки препинания и цифры обозначаются комбинацией коротких (точка) и длинных (тире) сигналов. Оказывается,подобный шифр существует и в ДНК! Как в азбуке Морзе каждой букве соответствует определенное сочетание точек и тире,так в коде ДНК определенное последовательное сочетание нуклеотидов соответствует определенной аминокислоте в молекуле белка. Знать код ДНК – значит знать сочетание нуклеотидов, соответствующее каждой аминокислоте.

Чтобы закодировать все возможные цифры, буквы и знаки препинания, нам хватает всего двух символов (точка и тире).Чтобы закодировать одну аминокислоту, сочетания из трех нуклеотидов вполне достаточно (из 4 нуклеотидов можно создать 64 комбинации, по три нуклеотида в каждой: 43=64). Такое сочетание называется триплетом или кодоном.

Код ДНК обладает однозначностью (один триплет шифрует не более одной аминокислоты) и универсальностью (т.е. для всего живущего и растущего на Земле – бактерий, грибов, злаков, муравья, лягушки, лошади, человека – одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты). В настоящее время код ДНК расшифрован полностью, т.е. для каждой аминокислоты точно установлены кодирующие ее триплеты.

Еще раз напоминаем читателям, что замена или удаление хотя бы одного нуклеотида в последовательности ДНК приведет к нарушению структуры синтезируемых белков. Поскольку генетический код подобен языку, то наглядным примером этому может послужить следующая фраза, составленная из буквенных триплетов:

жил был кот тих был сер мил мне тот кот

Несмотря на отсутствие знаков препинания нам понятен и смысл и логика этого “предложения”. Если же мы уберем первую букву в этой фразе, но читать будем также триплетами, то получится бессмыслица:

 

илб ылк отт ихб ылс ерм илм нет отк от

 

Похожая генетическая бессмыслица возникает и при выпадении одного нуклеотида из гена. Белок, считываемый с такого испорченного гена, может привести к серьезным генетическим заболеваниям организма (болезнь Дауна, серповидноклеточная анемия, сахарный диабет, мышечная дистрофия и т.д.). Такая ошибка в информационной матрице ДНК будет повторяться всякий раз при синтезе конкретного белка, подобно тому, как ошибка на типографской матрице, с которой печатается книга или газета,будет повторяться во всех экземплярах данного тиража.

Являясь матрицей для синтеза всех белков, сама молекула ДНК, однако, в процессе синтеза не участвует. Она является лишь носителем генетической информации.

При синтезе белка информация о его структуре сначала доставляется из ДНК к молекуле рибосомы – своеобразной фабрике по производству белков. Этот перенос информации осуществляется с помощью молекулы информационной РНК (рибонуклеиновая кислота), которая является точной копией, зеркальным отражением структуры одного участка ДНК. И_РНК – это одноцепочная спираль, комплементарная одной нити молекулы ДНК

Процесс копирования генетической информации из ДНК в РНК называют транскрипцией (лат. “transcriptio” _ переписывание). В процессе переписывания специальный фермент – полимераза, двигаясь вдоль ДНК, последовательно считывает ее нуклеотиды и по принципу комплементарности образует цепочку и_РНК, как бы снимая с ДНК “чертеж” того или иного гена. С каждого гена можно снять любое число копий РНК.

Таким образом, можно сказать, что в процессе синтеза белка и РНК выполняет роль перфокарты2, на которую записана “программа” для построения конкретного белка.

Итак, молекула и_РНК с записанной на нее программой направляется к рибосоме, где происходит синтез белка. Туда же направляется поток материала, из которого строится белок аминокислот. Аминокислоты попадают в рибосому не самостоятельно, а с помощью подвижных транспортных РНК (т_РНК).

Эти молекулы способны различать среди всего многообразия аминокислот только “свою” аминокислоту, присоединять её к себе и подтаскивать к рибосоме.

Синтез белка на рибосомах называется трансляцией (от лат.“translatio” – “передача”).

По мере сборки белковой молекулы рибосома “ползет” по и_РНК и синтезирует белок, запрограммированный на данной и РНК. Чем дальше продвинулась рибосома по и_РНК, тем больший отрезок белковой молекулы “собран”. На ленте и РНК, как на конвейере, одновременно идет сборка одного и того же белка несколькими рибосомами (см. рисунок 4). Когда рибосома достигает конца и РНК, синтез окончен.

Рис 4. Процесс синтеза белка рибосомами

 

2 Перфокарта _ это кусок или лента из твердой бумаги с дырочками для светового луча, пробитыми

в определенных местах. В XIX веке перфокарты применялись в текстильном производстве _ с их

помощью ткацкий станок "программировали" на получение того или иного рисунка, а в середине

XX века на перфокартах и перфолентах записывались программы для первых ЭВМ).

 

Теперь остановимся подробнее на механизме работы рибосомы. Обратимся к рисунку. Рибосома движется по и_РНК не плавно, а прерывисто, “шажками”, триплет за триплетом. На каждом шаге к месту контакта рибосомы с и_РНК “подплывает” какая_нибудь молекула т_РНК с прицепленной к ней аминокислотой.

Как уже было сказано, каждая т_РНК способна различать только “свою” аминокислоту и присоединять её для транспортировки к месту построения белка. Это происходит благодаря содержащемуся в ней триплету, комплементарному (подходящему) конкретной аминокислоте.

Если кодовый триплет т_РНК окажется комплементарным к триплету и_РНК, находящемуся в данный момент в рибосоме, то аминокислота отделится от т_РНК и присоединится к строящейся цепочке белка (к белковой молекуле добавится еще одна “бусинка”).

 

Рис 5. Рибосома синтезирует белок

 

Свободная т_РНК затем выбрасывается из рибосомы в окружающую среду. Здесь она захватывает новую молекулу аминокислоты и несет ее в любую из работающих рибосом. А наша рибосома делает следующий “шаг” вперед по и_РНК на один триплет. Так постепенно, триплет за триплетом, движется по и_

РНК рибосома и растет звено за звеном цепь белка.

Пройдя по всей длине и_РНК, рибосома с готовым белком “сходит” с неё. Затем белковая молекула направляется к тому участку клетки, где требуется данный вид белка, а рибосома направляется к любой другой и_РНК (рибосома способна синтезировать любой белок; характер белка зависит исключительно от матрицы и_РНК).

Итак, рибосомы доказали, что наномашины, построенные из белка и РНК, могут быть запрограммированы на построение сложных молекул, то есть по сути являются природными ассемблерами (сборщиками атомов) для производства заданных молекулярных структур.Генные инженеры сегодня пытаются построить первые экспериментальные искусственные наномашины, используя биологический природный материал: аминокислоты, белки, молекулы ДНК и др. Однако биоподобные наномашины (и все, что они могут создать) это органика, а значит, их возможности ограничены. Они теряют стабильность или разрушаются при повышенных температурах и давлениях (происходит сворачивание белка), подвержены радиации, не могут обрабатывать твердый материал, действовать в химически агрессивных средах и т.п. Поэтому было бы неразумно отказаться от грандиозных наработок человечества в сфере балк_технологии. Это все то, до

чего “не додумалась” природа, от колеса до компьютера.

В то же время без биоподобных структур очень трудно манипулировать отдельными атомами и молекулами. Поэтому наномашины_ассемблеры должны представлять собой синтез живых и технических систем. Дрекслер дает ассемблеру следующее определение:

Ассемблер – это молекулярная машина, способная к самореп_ ликации, которая может быть запрограммирована строить практически любую молекулярную структуру или устройство из более простых химических строительных блоков.

Главная задача ассемблера _ соединение атомов и молекул в заданном порядке. Он должен уметь строить наносистемы любого назначения _ двигатели, станки, вычислительные устройства, средства связи и т.д. Это будет универсальный молекулярный робот со сменными программами на “перфолентах” типа цепочек РНК или ДНК.

Внешний вид сборщика можно представить себе как “ящик” нанометрового размера с “рукой” _ манипулятором длиной в сотню атомов. Исходным материалом для манипулятора могут служить атомы, молекулы и химически активные

 

Рис 6. Внешний вид ассемблера

 

молекулярные конструкции. Внутри сборщика размещены устройства, управляющие работой манипулятора и содержащие программу всех его действий. Поскольку составление больших молекул со сложной структурой потребует особой точности в позиционировании, ассемблер должен иметь несколько таких манипуляторов.

       Возможно, ассемблер будет чем_то похож на паука, при этом одними “лапами” он будет держаться за поверхность, а другими складывать сложные молекулярные структуры атом за атомом. Наиболее популярная схема наноассемблера представлена на рисунке.

Управлять сборщиками должны будут нанокомпьютеры,программируемые на каком_нибудь обычном языке управления промышленными роботами и имеющие связь с обычным компьютером, которым управляет человек. Представим, чточеловек_оператор моделирует на компьютере некоторую конструкцию, особым образом задавая её молекулярную структуру. “Нарисовав” нужный объект, он передает команду ассемблерам, которые начинают создавать его атом за атомом.И через некоторое время у конструктора появляется готовая вещь с заданными характеристиками при минимальном вмешательстве человека.

Ассемблеры могут работать в паре с дизассемблерами – наномашинами, способными разбирать объект на атомы с записью его структуры на молекулярном уровне. Например, для создания копии какого_то объекта необходимо, чтобы дизассемблер разобрал его атом за атомом и передал всю информацию о типе атомов, их положении и т.д. ассемблеру, который потом может создавать копии объекта сколько угодно раз. Теоретически такая копия ничем не будет уступать оригиналу _ она будет повторять его вплоть до отдельного атома! Дизассемблеры также помогут ученым лучше узнать вещи и их атомную структуру Как уже было сказано, ассемблеры будут обладать способностью к репликации (размножению). Когда речь идет об эволюции, то репликатор – это объект, который способен сам себя скопировать, включая любые изменения, которым он мог подвергнуться (подобно гену, миму или компьютерному вирусу). Реплицируется (размножается путём создания своей копии) ассемблер по команде макрокомпьютера или в зависимости от окружения.

Таким образом, создав один единственный универсальный ассемблер, способный создавать копию себя, мы через несколько часов получим целую армию этих крошек, которые в буквальном смысле слова изменят нашу жизнь. Самой большой проблемой ассемблеров является сложность их первоначального конструирования. Тем не менее, лаборатории всех мировых держав борются за право быть первыми в этом революционном прорыве.

Возможности использования нанотехнологий неисчерпаемы:

от “проживающих” в организме нанокомпьютеров, убивающих раковые клетки и ремонтирующих поврежденные ткани и органы, до автомобильных двигателей, не загрязняющих окружающую среду.

Сегодня Foresight Institute – базис всех мировых нанотехнологий – обещает $250.000 тому, кто построит нано_манипулятор – “руку”, которая сможет оперировать на молекулярном уровне, и тому, кто создаст 8_битный сумматор, умещающийся в кубике со стороной в 50 нанометров (так что у вас еще есть все шансы неплохо подзаработать!).

Ждать осталось не так уж долго. Оптимисты считают периодом расцвета практических нанотехнологий первую четверть наступившего века. Пессимисты отодвигают срок до середины века. Значит, тем, кто сегодня определяет свою будущую профессию, стоит задуматься: быть может, программист нанороботов и конструктор молекулярных компьютеров станут наиболее популярными специальностями уже через несколько лет.