Полдень, XXI век. Журнал Бориса Стругацкого. 2010. № 4

Собакин Андрей

Современная технология позволяет манипулировать отдельными атомами, но при этом выглядит довольно неуклюже: огромный прибор хватает отдельный атом и транспортирует его. Куда более продуктивным представляется путь, предложенный «крестным отцом нанотехнологий» Эриком Дрекслером в книге «Машины создания: Грядущая эра нанотехнологий» (Engines of Creatien: 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 самоорганизовываться 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, которые позволяют 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.

«Умная пыль» и «квантовые точки»

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 различных 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 штрихкодом, 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 достигнете масштаба нанометров, полученные части будут отличными по вкусу и обладать разными свойствами, — объясняет профессор Шумин Не, 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 определённой частотой».

Именно её 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 Раиса создали 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, внешне напоминающие 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.