Эрик Дрекслер - Безграничное будущее: нанотехнологическая революция

Разработка молекулярного набора инструментов была самой сложной частью проекта; это заняло примерно столько же времени, сколько было потрачено на дублирование молекулы палитоксина еще в 1980-х гг. Ни одна из задач, рассматриваемых в проекте, не нуждалась в серьезном научном прорыве, и ни одна не требовала решения сверхсложной инженерной проблемы. Каждая из них имела множество возможных решений, работа состояла в том, чтобы найти совместимый набор решений и применить их на практике. Через несколько лет это им удалось, и исследовательская группа «U. Brob» начала создавать новые молекулы путем молекулярных манипуляций. Сейчас многие команды делают то же самое.

Чтобы построить что-то с помощью системы молекулярных манипуляторов на основе АСМ исследовательской группе «U. Brob», необходимо было выполнить следующие операции: во-первых, выбрать поверхность для сборки и поместить ее в резервуар с жидкостью. Затем опустить зажимное устройство АСМ в жидкость, коснувшись поверхности, после чего немного отодвинуть его. Теперь осталось переправить инструмент в зажимное устройство, и строительство молекул можно было начинать.

С помощью трубок и насосов над поверхностью возле зажимного устройства можно пропускать различные жидкости, доставляя нужные молекулярные инструменты. Если вы хотите что-то сделать с инструментом типа A, вы пускаете соответствующую жидкость, и молекула типа A быстро прилипает к зажиму, как показано на рисунке 6. После того, как он оказывается в зажиме, вы можете использовать механизм АСМ, чтобы переместить его по своему желанию. Оказавшись на поверхности в нужном месте, уже через несколько секунд, он вступит в реакцию, образуя связь и оставляя молекулярный фрагмент, прикрепленным к выбранному вами месту. Чтобы добавить другой фрагмент, вы можете использовать инструмент типа B: использовав другое зажимное устройство и пропустив необходимую жидкость, несущую новые инструменты, и через мгновение инструмент нового типа будет прикреплен либо к первому фрагменту, либо рядом с ним и готов к применению. Так, шаг за шагом, вы создадите точную молекулярную структуру.

Выполнение каждого шага занимает всего несколько секунд. Молекулярные инструменты попадают в зажимные устройства за доли секунды, и срабатывают с такой же скоростью. Как только зажим перемещает молекулу, она немедленно вступает в реакцию, примерно в миллион раз быстрее, чем нежелательные реакции в других местах. Таким образом, молекулярный манипулятор дает хороший контроль над тем, где будут происходить реакции (хотя он не так надежен, как будущий ассемблер). По стандартам химиков все происходит довольно быстро — за цикл — но все же это в миллион раз медленнее, чем сделал бы ассемблер. Он может выполнять различные операции, но не так разнообразно и умело как ассемблер. Короче говоря, едва ли это последнее слово в нанотехнологиях, но это большой прогресс по сравнению с тем, что было раньше.

Обладая способностью ускорять желаемые реакции примерно в миллион раз, молекулярный манипулятор исследовательской группы «U. Brob» может выполнять от 10000 до 100000 шагов с хорошей надежностью. Еще в 1980-х годах химики, создающие белковые молекулы, изо всех сил пытались выполнить всего сто шагов. Исследовательская группа «U. Brob» (и ее многочисленные подражатели) теперь могут создавать структуры, которые проектировать легче, чем белки: не разнообразные, свернувшиеся цепи, а устойчивые структуры, удерживаемые вместе прочной сетью связей. Хотя они не так прочны и плотны, как алмаз, они похожи на кусочки жесткого инженерного пластика. Специально адаптированная система автоматизированного проектирования позволяет легко разрабатывать молекулярные объекты, которые могут быть изготовлены из этих материалов.

Тем не менее, молекулярный манипулятор на основе АСМ имеет один серьезный недостаток: химическая реакция добавляет в структуру только одну молекулу. Чтобы изготовить одну большую структуру, он использует машину, по цене сравнимую со стоимостью автомобиля, в течение нескольких часов или дней. Однако, некоторые молекулы достаточно ценны, чтобы их стоило получать даже таким способом. На это следует обратить внимание.

Одна молекула не очень полезна в качестве красителя, лекарства или воска для пола, а вот информация о том, как она была произведена, может иметь большую ценность. Исследовательская группа «U. Brob» без промедления публикует множество научных работ, основанных на экспериментах с отдельными молекулами: они строят молекулу, исследуют ее, сообщают о результатах и строят другую. Некоторые из этих результатов подсказывают остальным химикам, занятым в многомиллиардной химической промышленности, как разрабатывать новые молекулы и катализаторы, которые могут помочь сделать другие молекулы более дешевыми, чистыми и эффективными. Эта информация стоит многого.

Три новых продукта, представляющих особый интерес, наверняка будут сделаны одними из первых.

Первый — молекулярная электроника — начинается с экспериментов, проводимых исследовательской группой в компании, изготавливающей компьютерные чипы. Они используют свой молекулярный манипулятор, чтобы построить отдельные молекулы и исследовать их, постепенно обучаясь строить детали, необходимые для создания молекулярных электронных компьютеров. Эти новые компьютеры не сразу станут практичными, потому что затраты для создания таких больших молекул с помощью технологии на основе АСМ слишком высоки. Тем не менее, некоторые компании уже сейчас начинают производить простые молекулярные электронные устройства для использования в датчиках и устройствах специализированной высокоскоростной обработки сигналов. Рождается и начинает развиваться новая отрасль.

Второй продукт — устройство для чтения генной информации (ридер), сложное молекулярное устройство, построенное на поверхности чипа. Биологи, создавшие ридер, объединили белки, заимствованные из клеток, с молекулярными машинами специального назначения, созданными с нуля. В результате получилась молекулярная система, которая связывает молекулы ДНК и протягивает их через считывающую головку как у магнитофона. Устройство работает так же быстро, как некоторые естественные молекулярные машины, которые читают ДНК, с одним ключевым преимуществом: мы получаем данные в электронном виде. При такой скорости одно устройство может считать геном человека примерно за год. Хотя все еще слишком дорого устанавливать ридеры во врачебных кабинетах, они быстро стали пользоваться большим спросом у исследовательских лабораторий. Рождается еще одна небольшая индустрия.