Линн Фостер - Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности

В качестве наглядного примера можно привести фотонные кристаллы из пористого кремния, изготовленные по новому методу, предложенному Линком и Сейлором [129] . Нестандартный способ получения этих частиц позволяет формировать кристаллы необычного строения с непривычными физическими свойствами, из-за которых некоторые исследователи называют такие микрочастицы «умными пылинками». Характерной особенностью частиц «умной пыли» выступает то, что они как бы составлены из двух разных пластинок, в результате чего их противоположные поверхности обладают разными свойствами: одна сторона (условно зеленая) является гидрофобной, то есть водоотталкивающей, а другая (условно красная) – гидрофильной. Химики, которые иногда сталкиваются с подобными молекулами (в которых одна часть структуры является гидрофобной, а другая гидрофильной), называют их амфифильными и используют для структурирования различных растворов. Микропылинки пористого кремния описываемого типа сохраняют способность к структурированию, в частности, на водной поверхности они самопроизвольно ориентируются в определенной позиции, формируя монослой, в котором частицы обращены гидрофильными (красными) сторонами к воде, а гидрофобными (зелеными) – к воздуху.

Очень интересным выглядит поведение частиц пористого кремния при добавлении в воду капли гидрофобного растворителя дихлорметана, так как пылинки самоорганизуются на поверхности этой капли, как бы «прилипая» к ней своими гидрофобными участками. В результате такой самосборки в растворе, содержащем никак не связанные друг с другом индивидуальные пылинки, неожиданно возникает макроскопический объект, обладающий собственными оптическими, физическими и другими особенностями (рис. 17.8). Это необычное явление и позволяет говорить об «умной пыли», так как опыты показали, что такие частицы могут достаточно эффективно применяться для детектирования разнообразных химических веществ. Более того, при введении в такие частицы дополнительных распознающих центров, они могут использоваться для детектирования или обеззараживания патогенных микроорганизмов в воде и пище.

Такие вещества могут найти много возможностей практического применения, однако с чисто научной точки зрения в описанном поведении частиц нас должна заинтересовать в первую очередь их способность к самоорганизации, то есть проявлению внутренних закономерностей, управляющих развитием характеристик поведения системы. В рассматриваемом конкретном случае очень важно, что поведение системы на микроскопическом уровне неожиданно меняется при добавлении капли постороннего вещества (дихлорметана), после чего в системе возникают новые макроскопические объекты, то есть проявляется «скрытое» свойство системы.

В настоящее время теория и экспериментальные исследования проявления потенциальных (их можно также назвать скрытыми, внутренними, проявляющимися и т. п.) свойств различных систем переживают период накопления фактов и представлений. Представляется очевидным, что эта проблема является исключительно важной, а ее значение будет непрерывно возрастать по мере создания все более сложных искусственных систем, особенно когда эти системы приобретают новые функциональные способности (сравнимые с функциями биологической клетки), относящиеся, например, к переработке энергии, принятию самостоятельных решений и т. д. Дальнейшее развитие науки и техники (безусловно, связанное с нанотехнологиями) автоматически должно приводить нас к «слиянию» различных научных дисциплин, одним из последствий чего станет доведение «мимикрии» до полного подобия поведения систем. Иными словами, совершенствуя наши знания и технологические приемы, мы будем приближаться к пределу, когда перестанем воспринимать разницу между искусственными и природными системами. Возможно, преодоление этого интеллектуального барьера и позволит нам реально использовать нанотехнологии для улучшения параметров человеческого существования.

Выводы

Авторы этой главы ставили целью самое общее описание процессов малозаметного, но очевидного слияния нанотехнологий с другими науками, а также оценку возможностей использования процессов такого слияния для повышения качества жизни. Фундаментальные исследования в области нанонауки уже сейчас позволяют нам создавать «кирпичики» для построения совершенно новых устройств, которые обещают существенным образом преобразовать важнейшие условия социальной жизни. Мы стоим на пороге революционных изменений в промышленности и науке, включая энергетику, материаловедение, медицину и т. д. Принципиальное отличие проектируемых нанотехнологических систем от существующих заключается не столько в том, что новые системы будут синтезироваться в основном по принципу «снизу вверх», сколько в возможности придавать этим системам способность реагировать на внешние условия. Именно поэтому многие новые материалы часто называют умными или интеллектуальными. Новые качества материалов и устройств достигаются за счет использования возникающих в них новых свойств, а также нанометрических датчиков и приводных устройств. Например, выше описывалось координированное поведение частиц «умной пыли», проявляющей неожиданные коллективные особенности и порождающей даже новые макроскопические объекты, чему нет аналогов в привычных технологиях. Почти наверняка ученым следует готовиться к тому, что создаваемые ими наноустройства и наноматериалы будут все чаще обладать странными, то есть незапланированными свойствами, что может даже приводить к драматическим последствиям. Иными словами, создавая все более сложные устройства, мы должны быть готовы к тому, что они начнут самостоятельно перерабатывать поступающую информацию, то есть реагировать неожиданным образом на различные внешние импульсы. Целью исследователей должно стать использование таких новых характеристик, например, создание материала, который способен автоматически (реакция пептидов, входящих в состав материалов и т. п.) преобразовывать падающий свет в электричество.

Создание нанотехнологических «блоков» и устройств, способных к целенаправленному объединению в макроскопические системы, неотделимо от прогресса в области методологии и инструментальной техники. Прежде всего это подразумевает разработку новых устройств, позволяющих не только наблюдать за атомно-молекулярными процессами и описывать их количественно, но и руководить ими, то есть манипулировать нанообъектами. Понимание процессов изготовления новых объектов (из элементов типа атомов и молекул) должно включать в себя и какое-то представление о возрастании информационного содержания таких систем. Еще раз отметим, что слияние методов нанотехнологии, биологии и электроники в молекулярных системах может означать фактически «истинную мимикрию», то есть воссоздание точных атомарных копий некоторых природных биологических механизмов, обеспечивающих биологические реакции за счет комбинации определенных датчиков и приводных систем.

Читать дальше