Б. Козловский. Роботы под микроскопом
Роботы наступают, но они очень маленькие. В этой фразе нет утешительного слова «ещё» - поскольку в будущем они станут ещё меньше. И ещё популярнее. Греческая приставка «нано» из физических словарей, где она обозначает просто одну миллиардную, постепенно переселяется в речь политиков и газетные заголовки. А там приобретает оттенок уверенности: нанометр – это совсем мало, но устройства таких размеров сумеют многое. Например, изменят до неузнаваемости и компьютеры, и лекарства, и автомобили.

СВЕЖАЯ ПРОТОПЛАЗМА
Размножение вирусов и синтез биомолекул - убедительные примеры «самовоспроизводящейся машины» кибернетиков. Это понятие ввел Джон фон Нейман - математик и физик, автор архитектуры современных компьютеров и один из отцов американской атомной бомбы. За несколько лет до открытия структуры Ж, позволившего толковать главные мимические механизмы, фон Нейман предложил использовать «саморепликацию» для освоения космоса: звездолеты, собирающие себе подобных из подручных материалов, могли бы заселить заметную часть Галактики. Как выяснилось совсем скоро, в науке о микромире идея самовоспроизводящихся устройств тоже востребована.
Разумеется, наномеханизмы интересны не только потому, что структурам из сотен или тысяч атомов размножаться проще, чем многотонным космическим кораблям. Во-первых, помимо собственных копий они могли бы производить все то, для чего привычные инструменты слишком крупны и слишком грубы. Например, микроскопические электронные детали или просто вещества, которые не получается синтезировать в колбе. Существенно, что подобное производство возможно и там, куда химик или инженер просто не проникнет, - в тканях живого организма или внутри космических зондов.
По сходным причинам нанороботы - идеальные сенсоры. В электронных устройствах они могли бы отслеживать микроскопические дефекты, в человеческом организме - яды и патогены. А затем специальным сигналом оповещать об этом исследователей. Впрочем, оба приема - поиски и синтез в труднодоступном месте - можно объединить. Медики надеются, что рано или поздно научатся именно таким способом обращаться с раковыми клетками - находить и сразу уничтожать свежеприготовленным веществом. Наномеханический прототип препарата уже известен - в конце 2005 года группа биохимиков из Ренселлеровского института и университета Иллинойса заявила, что синтезировала его из ДНК, фермента и углеродных нанотрубок. Нанотрубке отводится роль шприца - она пробивает клеточную мембрану и пропускает туда оставшиеся реагенты, а те расщепляют РНК клетки, лишая ее возможности производить новые белки. |
Джон фон Нейман - выдающийся американский математик. Родился 28 декабря 1903 года в Будапеште. C детства обладал феноменальными способностями. В возрасте шести лет перебрасывался с отцом остротами на древнегреческом, а в восемь уже освоил основы высшей математики.
В 1926 году окончил Будапештский университет. С 1927-го преподавал в Берлинском университете. 1930-33 годы - преподаватель в университете Пристона (США), с 1933-го – профессор Принстонского института перспективных исследований. С 1937-го - член Национальной Академии наук США, с 1940 года - консультант различных военных учреждений. С 1954-го - член комиссии по атомной энергии. Умер в возрасте 54 лет от саркомы.
|
Самая маленькая в мире повозка с колесами-фуллеренами, созданная в университете Райс (Нью-Йорк), способная перемещаться по поверхности кристалла за счет его собственной теплоты. В макромире это было бы нарушением второго закона термодинамики
|
![]() |
Фуллерен - полый жесткий многогранник из 60 атомов углерода. За открытие этой молекулы Ричард Смолли получил Нобелевскую премию 1996 года
|
В этом месте неизбежно возникает вопрос о «курице и яйце» - если наноструктуры так сложно получить, откуда возьмется первая нанофабрика? Ответ, как ни странно, есть у биологов: робота способны вырастить микроорганизмы. Будучи и так готовыми нанофабриками, бактерии довольно легко поддаются генетическому вмешательству. Это значит, что внутри примитивной модифицированной клетки можно создавать довольно сложные молекулы. Начало «эры синтетической биологии» первыми констатировали в университете Дюка: в 2004 году именно там была получена синтетическая трио-зофосфатизомераза, «прижившаяся» внутри бактерии кишечной палочки. Фермент с трудно выговариваемым названием умеет «выворачивать наизнанку» зеркальные изомеры - то есть вещества, отличающиеся друг от друга, как отражение в зеркале от оригинала. И в клетке бактерии, и в колбе «вывернуть» удается далеко не все, но даже такая процедура может на много шагов сократить многостадийный синтез.
Важно заметить, что одной органикой синтетические способности микроорганизмов не исчерпываются.
Два года назад в илистых отложениях Потомака обнаружили бактерию Geobacter, синтезирующую из растворенных в воде солей металлическую проволоку толщиной в несколько нанометров.
Не исключено, что именно она пригодится для создания микроскопических аппаратов, не имеющих с живым ничего общего.
ГАЙКИ, ШТЫРИ И БОЛТЫ
Если биологические системы сами подсказывают рецепты будущих наномашин, то существует и альтернативный - инженерный в строгом смысле слова - подход. Первым в этом направлении продвинулся Эрик Дрекслер, в 1986 году опубликовавший культовую для нанотехнологов работу «Машины создания», а шестью годами позже - монографию «Наносистемы», признанную ассоциацией издателей лучшей «околокомпьютерной» книгой года. |
![]() Зеленые червячки - бактерии Geobacter metallireducens, способ питания котоорых включает восстановление металлов (железа, марганца) из окислов и солей
|
Ученый начал с «переизобретения колеса», точнее - поршней и шестеренок, которые заставляют колеса двигаться. Перенесенная в микромир, обычная схема действовала разве что в исключительных случаях. Расчеты свидетельствовали, что из-за беспорядочных колебаний атомов (а они, согласно квантовой механике, происходят всегда с ненулевой амплитудой) детали слипаются и деформируются. Однако с помощью программ-симуляторов, воспроизводящих поведение частиц в молекулах, Дрекслер все-таки нашел конструкцию из атомов водорода, углерода, кремния, азота, фосфора, кислорода и серы, способную превращать поступательное движение во вращательное. Следующим изобретением стал «неоновый насос», пробрасывающий в заданном направлении атомы инертного газа.
Правда, до сих пор ни одной химической лаборатории синтезировать что-либо похожее не удавалось - но изобретателя не смутило и это. Вместо того чтобы дожидаться прорыва в химии, Дрекслер предпочел следовать рассуждениям Ричарда Фейнмана, озвученным им еще в 1959 году. Нобелевский лауреат-физик (и, к слову, коллега фон Неймана по Манхэттенскому проекту) предсказывал фантастические перспективы устройствам, полученным в обход традиционных химических процедур, а по поводу последних высказывался так: «Химики занимаются странными вещами: они смешивают одно с другим, встряхивают все это, ходят вокруг колбы и в конце мучительного процесса получают то, что им нужно». Разумной альтернативой Фейнман считал «поатомную» сборку, и уже 22 года спустя был изобретен сканирующий туннельный микроскоп - первый прибор, позволяющий наблюдать отдельные атомы и управлять ими. В истории нанотехнологий этот момент был, возможно, главным.
Вооруженные идеями Фейнмана Дрекслера и туннельным микроскопом, нанотехнологи стали стремительно наверстывать упущенное не игнорируя, однако, и химию. Тем более что почти одновременно с выходом книг Дрекслера химический «наноконструктор» обогатился двумя важными строительными блоками: фуллеренами и нанотрубками. Полые шары и цилиндры из чистого углерода пришлись весьма кстати - во-первых, они были существенно жестче больших органических молекул (что отчасти решало вопрос со «слипанием» и «деформацией»). Во-вторых, у них были полости, которые можно было заполнить по своему усмотрению. В-третьих, будучи сложенными из правильных пяти- и шестиугольников, они обладали достаточно высокой (и потому удобной для расчетов) симметрией. В-четвертых, каждую из новых молекул было легко модифицировать, прикрепляя к углеродному скелету нужные функциональные группы.
Так или иначе, в 2005 году химики переизобрели колесо еще раз, когда сконструировали первый наноавтомобиль. Колесами, как и следовало ожидать, были фуллерены, закрепленные на жестких осях. Но самое главное - наномашина могла перемещаться по плоской поверхности кристалла, если тот всего-навсего нагреть. В этом, собственно, и состояла научная ценность результата: разработчикам наноустройств редко удается найти удобный способ подпитывать их энергией. В биологических системах ее источником служат «дополнительные» молекулы аденозинт-рифосфата (АТФ), но они пригодны только для экспериментов в растворе. «Одиночный» нанообъект можно, например, облучать светом - и нанороботы с таким источником питания известны. Однако здесь физики могли наблюдать, как в направленное движение машины превращаются беспорядочные колебания атомов в кристалле. Именно на такие превращения энергии термодинамика (точнее, ее знаменитый второй закон) налагает самые жесткие ограничения - но, конечно, при детальном разборе оказывалось, что все термодинамические принципы соблюдены.
Впрочем, самой эффектной попыткой поспорить с термодинамикой можно назвать другой опыт с участием нанороботов, задуманный 140 лет назад и осуществленный только сейчас: химики из Эдинбургского университета просто развили идею Джеймса Максвелла, которая при его жизни не поддавалась проверке. В 1867 году автор знаменитых уравнений теории поля придумал специального «демона», способного опровергнуть второй закон, не нарушая остальных. В мысленном эксперименте Максвелла демон, сидящий в сосуде с газом, открывал специальную перегородку перед быстрыми молекулами, так что в конце концов все они оказались бы в одной части сосуда, а медленные - в другой. При этом, замечал ученый, суммарная энтропия системы должна была бы понизиться.
140 лет спустя Дэвид Лей и его соавторы решили заменить инфернальное существо наномашиной. Для простоты движение частиц в трехмерном пространстве свели к одномерному, когда молекулы-кольца движутся вдоль молекул-осей. Обычно в таких системах, известных химикам как ротаксаны, «кольца» распределены на «осях» случайным образом. Лей добился того, чтобы оси «заставляли» кольца скапливаться с одной стороны под воздействием света. Как только свет выключали, «равновесие» - то есть случайное распределение колец на осях - восстанавливалось.
Как заметил сам Лей, его исследование подтверждает правоту оппонентов Максвелла - чтобы «демон» работал, ему необходимо потреблять энергию извне. Свет, которым воздействовали на систему, нарушает требование к ее изолированности, и второй закон термодинамики не нарушается. Тем не менее, по словам Лея, его в большей степени интересовал не спор со знаменитым физиком позапрошлого века, а сама возможность сконструировать наномотор, умеющий превращать «беспорядок» в «порядок» на микроуровне.
Как и у всякой многообещающей технологии, у нанороботов нет недостатка в недоброжелателях. Интереснее всего, что идейную платформу для нанофобии подготовил все тот же Эрик Дрекслер. В его «Машинах создания» нашлось место и убедительному сценарию разрушения: «серая слизь», как Дрекслер обозначил растущую совокупность наноустройств, уничтожит цивилизацию безо всякого злого умысла.
Дело в том, что нанороботы, способные к саморепликации, должны использовать для этого материалы извне. Поскольку популяция роботов растет в геометрической прогрессии, «сырья» будет требоваться все больше и больше. В лучшем случае, утверждал Дрекслер, они начнут конкурировать за ресурсы с человечеством, в худшем - будут воспринимать в качестве «ресурсов» самих животных или людей. Мимо такого сюжета, разумеется, не могли пройти фантасты, и отчасти благодаря им гипотетическая «серая слизь» заинтересовала даже политиков. В 2004 году принц Чарльз попросил членов Королевского общества подготовить доклад о нанотехнологических «угрозах и рисках». В докладе опасения принца, впрочем, последовательно опровергались, а сам Эрик Дрекслер впоследствии заявлял в интервью, что автором «серой слизи» быть вовсе не рад.
Коль скоро места среди потенциально опасных технологий нанороботам не нашлось, эксперименты продолжаются. В списках уже значатся наноножницы для сосудов, лифты для бактерий, мельницы в одну десятитысячную миллиметра и другие. Не исключено, что через несколько десятилетий перечень окажется длиннее прейскуранта на гаджеты в самом прогрессивном компьютерном магазине. Но, возможно, в том же прейскуранте очередной Aibo и нанороботы будут просто соседствовать. В конце концов, робот тоже друг человека. Даже если он очень маленький.
|
|