Знание-сила, 2008 № 07 (973)

Вообще говоря, наномир — это мир удивительных машин. Попробуем же заглянуть в этот необычный автомир, в незримый космос автоматов.

Длина этого «автомобиля» всего пять нанометров

Уже сейчас ряд исследователей — например, группа под руководством Алекса Зеттла из Берклийского университета — работают над созданием первых наномашин. Зеттл называет свои модели «наноэлектромеханическими системами» (НЭМС).

• Так, в 2003 году он придумал «наноротор». Тот представлял собой кремниевую пластинку, надетую на ось, — ею служила углеродная нанотрубка. Ось располагалась между двумя электродами. При подаче на них напряжения пластинка вращалась.

• В начале 2007 года Зеттл продемонстрировал резонатор, который состоял из нескольких нанотрубок, вставленных одна в другую и выдвигавшихся, как антенна, — от этого менялась частота колебаний. Со временем нанорезонаторы можно будет использовать в беспроводных приборах связи, ведь они позволяют добиться очень высокой частоты колебаний при минимальном потреблении тока. А чем выше частота сигнала, тем больше цифровой информации можно передать с его помощью.

Зеттл убежден в том, что из опытных образцов НЭМС можно конструировать и более сложные машины. Правда, пока их нельзя собирать «атом к атому», как мечтал Дрекслер. И все же его идеи вдохновляют таких изобретателей, как Зеттл.

• В американском университете Райса создали автомобиль длиной всего пять нанометров. Он состоит из атомов углерода, которые образуют одну-единственную молекулу. На сооружение шасси и осей ушло 82 атома, причем при комнатной температуре они могут свободно вращаться. Колесами служат фуллерены — сферические молекулы, состоящие из шестидесяти атомов углерода. Двигатель собран из еще одной углеродной структуры, которая вращается при попадании на нее лучей света. Усилие на колеса передают углеродные цепи. Подобные машины могут найти применение при строительстве более сложных наноагрегатов.

Разумеется, монтаж конструкций из отдельных атомов и молекул чрезвычайно труден, поэтому сообщение о всяком удачном эксперименте находит отклик в печати. Там прошли испытания первого миниатюрного мотора, собранного из отдельных молекул. Там из отдельных атомов углерода собран чуть ли не транспорт для «маленьких зеленых человечков»...

Еще один вариант проектирования молекулярных машин уже довольно близок к тому, о чем мечтал Дрекслер. Речь идет о совсем молодой научной дисциплине — о синтетической биологии (см. «З—С», 11/07). В основе ее лежит следующий принцип: любые микроорганизмы можно рассматривать как грандиозные комплексы наномашин. Эти машины доказывают свою эффективность на протяжении уже почти четырех миллиардов лет. Так почему бы не населить микромир искусственными объектами, созданными по образцам, которые запатентовала сама жизнь?

Специалисты по синтетической биологии меняют последовательность генов отдельных бактерий, благодаря чему те начинают синтезировать протеины, не предусмотренные в природе. Биологи в данном случае поступают, как радиолюбители, которые, купив в магазине какие-нибудь резисторы, транзисторы, тумблеры, собирают из них свои модели, более или менее отличающиеся от стандартных аппаратов. Вот так из отдельных биологических элементов можно конструировать уникальные микроорганизмы, которые будут заниматься обработкой информации, изготовлением наноматериалов или медицинской диагностикой, например, поиском злокачественных клеток.

Одна из лучших машин, созданных природой, — рибосома. Она занимается считыванием «инструкций» по сборке различных протеинов (они записаны в генетическом коде), а также самой сборкой. Можно запретить или, наоборот, разрешить рибосоме считывать тот или иной ген, а для этого ввести в клетку переключатель, составленный, например, из отдельных ветвей РНК. По идее, подобные тумблеры могли бы препятствовать развитию рака, автоматически переключаясь, как только будут замечены молекулы, характерные для злокачественных клеток. Тогда стихает всякая активность генов, и здоровая клетка не перерождается в опухолевую.

«Эволюции потребовались миллиарды лет, чтобы совершить путь от самых крохотных структур до таких макроскопических систем, как человек. Ученые всего за несколько десятков лет вернулись назад, к самым крохотным частицам вещества», — так выглядят последние тенденции в мировой науке. В конце этого пути нас ждут наномашины, которые примутся работать среди атомов и молекул, — машины, без которых нам отныне не обойтись. Все это возможно!

Успехи ученых и инженеров, проводящих опыты с наноструктурами, неоспоримы. Осваивая окружающее нас пространство, мы не только выбрались в космическую даль и заглянули за миллиарды световых лет от Земли, но и сумели проникнуть туда, где держат свой путь атомы, и с помощью наших приборов начали манипулировать ими. Предел пока не достигнут. «Как много места там внизу!» — все так же, как и полвека назад, восклицают ученые, приглашая нас проникнуть в загадочный наномир — туда, где даже микроны кажутся дистанциями огромного размера.

Рафаил Нудельман

Слово «нанотехнология» на устах у всех. И не случайно. Во-первых, оно поражает воображение: нано — это миллиардная доля метра, и тем не менее сегодняшняя наука уже в силах заглянуть в эти глубины и даже указать реальные пути к использованию открывающихся там возможностей. А возможности воистину фантастические — и это вторая причина популярности нанотехнологии. Достаточно сказать, что она в принципе делает возможным, например, создание метаматериалов, обеспечивающих полную невидимость любых предметов, или квантовых компьютеров, способных работать, как полагают специалисты, с неслыханной доселе скоростью и мощностью, или тех углеродных нанотрубок, из которых можно будет сплести, как уже сейчас стараются, сверхпрочный канат для космического лифта с Земли до Луны.

Я чувствую, однако, что некоторые нетерпеливые читатели сетуют: мол, чем громоздить кучу всех этих звонких и непонятных слов во славу нанотехнологии, лучше б на каком-нибудь, желательно простом, примере конкретно показать, каким образом упомянутое содружество науки и техники делает реальными все эти фантастические наночудеса. Так вот именно это я и намерен сделать на конкретном примере того открытия, за которое двум выдающимся ученым, Альберту Ферту из Франции и Петеру Грюнбергу из Германии, была присуждена Нобелевская премия по физике за 2007 год[* Краткое сообщение об этом появилось еще в «З-С» № 1 за этот год.].