Знание-сила, 2008 № 07 (973)

Итак, законы квантовой физики ставят предел использованию традиционных полупроводниковых элементов, да и изготавливать их традиционным способом будет уже нельзя. Выручить может феномен, хорошо известный в квантовом мире. Он называется «самоорганизацией». Молекулы и атомы могут сами образовывать различные структуры — достаточно подать им сигнал — например, поместить хаотическое скопление атомов в электрическое или магнитное поле. И тогда они быстро сгруппируются, превращаясь в миллиарды элементов, которые можно использовать как транзисторы или запоминающие устройства. Впрочем, пока еще ученые недостаточно понимают процессы, ведущие к самоорганизации, а потому не могут ими управлять.

Наночастицы оксида железа используют для «точечной бомбардировки» раковой опухоли

Переход к наноэлектронике требует появления новых идей и концепций, разработки новых промышленных методов и материалов. В различных лабораториях мира работают над созданием первых опытных образцов наноэлектронных элементов. Уже есть кандидат, готовый потеснить кремний или даже заменить его: те самые углеродные нанотрубки. Они очень компактно размещаются на микросхемах. Их сопротивление в двадцать раз меньше, чем кремниевых элементов, а потому во время работы они почти не нагреваются. Они могут выдержать даже силу тока в двести раз выше, чем современные транзисторы. Их теплопроводность также высока, а потому они будут не только выполнять вычислительные операции, но и отводить избыточное тепло.

В 2003 году сотрудники компании Infineon — их работой руководил Франц Кройпль — впервые сумели создать надежно работающий транзистор из нанотрубок. Его проводящий слой состоял из трехсот параллельно расположенных трубочек. Осенью следующего года сотрудникам той же компании удалось изготовить транзистор из нанотрубок, который оказался всего на четверть больше самого маленького из современных транзисторов.

Другое направление работ в микроэлектронике — создание новейших интегральных схем памяти. В лаборатории IBM, под Цюрихом, было придумано, например, устройство под названием Millipede («Тысяченожка»). Оно напоминает туннельный микроскоп и снабжено несколькими тысячами тончайших игл-перфораторов. При подаче электрического напряжения оно пробивает в пластмассовой плате отверстия диаметром всего несколько нанометров или заглаживает их. Таким образом, можно до ста тысяч раз стирать и заново записывать информацию на эту плату.

Разрабатывая новые методы борьбы с раком, ученые опять же делают ставку на наночастицы — на этот раз частицы сильнодействующих лекарств. Их доставят к очагу заболевания специально собранные капсулы. Передвигаясь по кровеносным сосудам, эти миниатюрные «подводные лодки», как их шутливо прозвали, будут выискивать клетки опухоли и, цепляясь за их рецепторы, причаливать к ним, чтобы проникнуть сквозь мембрану внутрь клетки. Там их оболочка распадется, и наночастицы, словно яд, начнут отравлять клетку изнутри.

Пока подобные медикаменты находятся еще в стадии разработки и исследований. Ведь рецепторы раковых клеток разнятся, и нужно придумать особые целебные молекулы для любой разновидности рака. К тому же их оснастка должна быть такой, чтобы они случаем не внедрились в здоровую ткань организма. И все же эксперты уверены в том, что уже в следующем десятилетии эти нанороботы — кареты или катера «скорой помощи» длиной всего в несколько нанометров — будут применяться для борьбы с опухолями головного мозга, которые невозможно удалить хирургическим путем.

Кстати, некоторые лекарственные средства, способные воздействовать на раковые опухоли, можно изготавливать только в виде наночастиц, поскольку в обычном виде они почти не растворимы в крови — остаются в ней инородным телом. На их основе нельзя приготовить лекарство. Однако если то же самое вещество будет состоять из частиц размером в сотню нанометров, то его растворимость заметно повысится. Причина опять же в том, что общая площадь поверхности этих частиц очень велика, а потому значительно возрастает и площадь их соприкосновения с молекулами крови.

Первые лекарственные препараты, использующие этот эффект, уже допущены к применению.

Еще один метод борьбы с раком тоже скоро войдет в обиход. Капсулы из биомолекул начиняются наночастицами оксида железа для «точечной бомбардировки» ими раковой опухоли. Эти металлические частицы оседают на злокачественном образовании, очерчивая его, словно железные опилки — спрятанный под бумагой магнит. Последний помянут здесь не случайно. Теперь пациент должен пройти курс магнитной терапии. Под действием переменного магнитного поля наночастицы начинают вибрировать, выделяя при этом столько тепла, что клетки опухоли гибнут. Ведь при нагревании они отмирают при более низких температурах, нежели здоровые клетки.

По оценкам специалистов, потенциал у нового метода борьбы с раком так же велик, как у лучевой терапии. Подобным способом можно лечить от злокачественных опухолей даже те органы тела, для которых была не применима традиционная химиотерапия. Побочные воздействия пока не выявлены. Кроме того, ведется разработка и специальных молекул, которые займутся поиском метастаз.

С помощью наночастиц можно обнаруживать и воспалительные бляшки, образовавшиеся в кровеносных сосудах. Эти отложения, напоминающие зубную пасту, которую выдавили из тюбика и оставили на воздухе на пару часов, могут вызвать у человека инфаркт или инсульт. Прежде их обнаруживали с помощью катетера. Однако в ближайшее время на помощь придет магнитно-резонансная томография — опять же благодаря крохотным частицам железа, которые в тысячу раз меньше красных кровяных телец. Врач будет вводить эти частицы, упрятанные в оболочку из лимонной кислоты, в организм пациента. Циркулируя вместе с кровью, они станут оседать на бляшках. Вот теперь томограф заметит их. Застрявшие наночастицы проступят на экране черными пятнами.

Итак, нанотехнология вполне применима для ранней диагностики и терапии многих заболеваний, прежде всего онкологических. По прогнозам специалистов, к 2015 году все виды раковых заболеваний можно будет лечить с помощью наночастиц, введенных путем инъекции. К 2025 году нанолекарства уже ничем не будут отличаться от обычных медикаментов: таблетки с ними можно будет глотать, как и другие препараты. К 2050 году появятся простейшие наномашины, собранные из биологических элементов. Они станут выискивать больные клетки — это значительно повысит диагностические возможности медицины.