Линн Фостер - Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности

Описанные методы использования АСМ могут служить наглядным примером связи наук и слияния в будущем науки или технологий.

17.4. Интеграция на атомарно-молекулярном уровне

Прогресс в области нанотехнологий означает, что люди не только научатся управлять поведением вещества на атомарном уровне, но и найдут возможности «преодолеть» чудовищную разницу в масштабах между микромиром частиц и окружающим нас макромиром, к которому должны относиться новые производства. В макромире мы привыкли изготовлять требуемые нам изделия методами нисходящего производства «сверху вниз», которое практически всегда означает уменьшение размеров исходного обрабатываемого объекта (например, из крупного бревна можно постепенно вырезать много мелких деревянных деталей и т. п.). Между тем стоит вспомнить, что природные процессы почти всегда связаны с восходящими производствами «снизу вверх», и все природные объекты, включая человека, создаются сборкой и самосборкой молекул, то есть в результате направленной интеграции и объединения атомов и молекул, постепенно приводящей к возникновению макрообъектов.

Возможности целенаправленного создания изделий по принципу «снизу вверх» довольно разнообразны, хотя пока они используются лишь очень ограниченно. Например, самые простые приводы (актуаторы) удается создать даже на основе хорошо известного химикам процесса самоорганизации мономолекулярных слоев [124] . Более сложные и интересные устройства могут быть созданы, например, на основе молекул необычного класса, называемых ротаксанами. В самой простой форме такая молекула представляет собой «ось» с двумя крупными и активными соединениями на концах (их называют центрами распознавания), которая как бы механически «продета» через циклическое соединение, как показано на рис. 17.5. Особо следует отметить, что такая структура образуется в процессе сложного синтеза, и кольцо не может «соскользнуть» с оси из-за пространственных и энергетических препятствий. При окислении одного из центров общее распределение потенциальной энергии вдоль этой молекулярной структуры изменяется таким образом, что кольцу энергетически выгоднее сместиться вдоль оси к другому центру [125] . Затем осуществляется реакция восстановления, энергетический профиль принимает прежний вид и кольцо возвращается к исходному положению. Простые реакции окисления и восстановления центров заставляют кольцо двигаться в противоположном направлении, что позволяет «переводить» химическую энергию молекулярных реакций в механическое движение кольца (строго говоря, мы имеем дело с простейшим молекулярным двигателем).

Существуют и более сложные структуры этого типа, например, ротаксан может включать в себя два кольца и четыре центра распознавания. Химически связав кольца жесткой связью или структурой (ее можно назвать кронштейном или балкой), мы получаем систему, напоминающую молекулярный «мускул», так как при наличии окислителя оба кольца будут смещаться к центру оси, что приведет к изгибу «кронштейна». Объединив эти структуры на микроскопических кантилеверах (рычагах), авторам работы [126] удалось создать реальное механохимическое наноустройство, показанное на рис. 17.6. «Балка» искривляется или возвращается в исходное состояние при воздействии окислителя и восстановителя соответственно, причем эти смещения легко и надежно регистрируются лазерным датчиком. Отметим еще, что механическая часть устройства (система кронштейнов) создается методами микромеханики, так что описываемый эксперимент наглядно демонстрирует богатые возможности, возникающие при одновременном использовании подходов «снизу вверх» и «сверху вниз». Объединение механических, химических и других технологий для создания интегральных устройств является одним из перспективных направлений нанотехнологии.

Рис. 17.6. Наномасштабный молекулярный двигатель, в котором смещение кронштейна активируется воздействием окислителя или восстановителя. По данным работы Т. Дж. Хуанга и др. [127]

17.5. Возникающие и самоорганизующиеся структуры

В некотором смысле можно считать, что клетки человеческого организма представляют собой кульминацию развития природы. Действительно, в результате эволюции за миллионы лет природа создала совершенно уникальную, автономную и реагирующую систему из датчиков и актуаторов (приводных механизмов), которая способна действовать в соответствии с программами и командами. Часть этих программ закладывается в систему при рождении, а часть – вырабатывается некоторой структурой управления, которую можно назвать распределенным по системе интеллектом. Клетка является саморегулируемой и самоуправляемой системой, или устройством, а ее ядро можно уподобить центральному процессору, который способен воспринимать и перерабатывать разнообразную поступающую информацию. В клетке выявлены разнообразные механизмы передачи и обработки информации, приводящие к выработке соответствующих реакций. Например, биологи подробно изучили так называемый хемотаксис (клеточное движение, инициируемое химическими агентами), при котором поступление химического сигнала порождает механическое движение так называемой цитоскелетной сети.

В качестве сложной системы биологическая клетка может служить символом концепции «возникающего поведения», когда реакция системы на входные сигналы определяется сложной обратной связью. В качестве примера можно привести поведение клеток нейтрофильных лейкоцитов (нейтрофилов), способных обволакивать и пожирать бактерии типа Staphylococcus aureus, как показано на рис. 17.7. Процесс захвата и уничтожения бактерий, называемый фагоцитозом, демонстрирует достаточно сложное, согласованное и целенаправленное поведение клеток нейтрофила, которые оказываются способными не только чувствовать химические градиенты, создаваемые бактериями, но и двигаться по сложным траекториям (определяемым этими градиентами) по направлению к бактерии, окружая ее с разных сторон. Процесс фагоцитоза обеспечивается регистрацией химических сигналов сенсорами клетки нейтрофила и внутриклеточной системой обработки этих сигналов, позволяющей менять траектории движения клетки и осуществлять требуемые маневры.

Основной задачей в создании крупномасштабных и сложных молекулярных систем является обеспечение именно такого согласованного, «возникающего» из оценки ситуации поведения (биологи называют это подражание естественным клеточным процессам мимикрией), что позволило бы создать аналоги существующих в природе механизмов преобразования энергии, биохимического воздействия и т. п. Непрерывный прогресс в развитии нанотехнологий позволяет надеяться на создание в близком будущем систем описываемого типа, в которых внешние стимулы или сигналы (свет, наличие химических веществ и т. п.) будут приводить к воспроизводимому и согласованному «возникающему» поведению.