Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности

Фостер Линн

Глава 17 Слияние био-нано-информационных технологий

Чин Мин Xo, Дин Xo, Дан Гарсия

Чин Мин Хо является профессором Калифорнийского университета (UCLA) и одновременно директором Института исследований миметики клеток (Institute for Cell Mimetic Space Exploration, CMISE). Он окончил Национальный университет Тайваня, после чего сделал блестящую научную карьеру в США, где стал одним из наиболее авторитетных специалистов в области МЭМС, наногидродинамики и био-нанотехнологий. Профессор Хо является автором более 200 публикаций и обладателем 7 патентов. Он имеет множество почетных званий и является членом самых авторитетных научных организаций, включая Американское физическое общество. Он известен также своей плодотворной деятельностью по координации научных усилий различных стран (Франция, Китай, Израиль, Тайвань, Япония) в области нанотехнологий и микротехники. Неоднократно организовывал различные международные конференции по указанной тематике.

Дин Хо работает в Калифорнийском университете (UCLA). Он является одним из наиболее известных специалистов в области био-нанотехнологий, обладающим огромным авторитетом в научных кругах, связанных с нанотехнологиями, и имеющим исключительно высокий коэффициент цитируемости работ. Кроме того, Дин Хо известен своей общественной активностью и выступлениями на тему о возможном влиянии нанотехнологий на социальные отношения.

Дан Гарсия сейчас работает над докторской диссертацией в Калифорнийском университете под руководством доктора Чин Мин Хо. Он изучает проблемы использования мышечных белков для создания наноструктур (по принципам снизу вверх и сверху вниз) и их дальнейшего объединения с микроэлектромеханическими устройствами (МЭМС), что должно позволить организовать направленную доставку лекарственных препаратов внутри организма. До этого Дан Гарсия занимался проблемами генной инженерии и иммунной реакции организма при различных заболеваниях и трансплантации тканей.

Микроэлектронная промышленность, возникшая на основе достижений физики твердого тела в конце 1940-х годов, в течение нескольких десятилетий была и остается одной из главных движущих сил экономики США. В 1980-х годах появились первые микроэлектромеханические системы (так называемые МЭМС), показавшие, что новые технологии могут изготавливать механические устройства и изделия с удивительной точностью, недоступной традиционным методам машинной обработки вещества. Например, в 1988 году Фан, Тай и Мюллер [113] сумели создать микроскопический электродвигатель размером около 100 мкм, пользуясь процессами производства МЭМС, основанными на методах изготовления интегральных схем в микроэлектронике. Появление МЭМС в некоторой степени стало знаком «размывания» границ между механикой и электроникой.

Дальнейшее уменьшение размеров устройств до нанометрических масштабов привело к «слиянию» нанотехнологий с биологическими процессами. В частности, когда детали устройств стали

близки по размерам к некоторым функциональным макромолекулам (типа ДНК или нуклеиновых кислот) возникла возможность создания совершенно удивительных гибридных механизмов. Например, в работе Сунга и др. [114] описан нанодвигатель, созданный на основе «объединения» митохондриальной АТФазы и металлического наностержня. В этом направлении исследований наблюдается замечательный прогресс, и мы постоянно узнаем о все более неожиданных устройствах исключительно малых размеров. Нанотехнология фактически уничтожает разницу между обычными технологиями и биологическими процессами, создавая новые направления и новую границу исследований и развития.

Целью любых технологический инноваций, включая нанонауку, было и остается улучшение или «обогащение» условий человеческого существования. Нанотехнологии кажутся нам странными лишь потому, что имеют дело с объектами и процессами фантастически малых масштабов (девять порядков разницы величин между метром и нанометром очень трудно представить). Однако, в конечном счете, нанотехнологии изобретаются и должны использоваться людьми, вследствие чего мы обязаны как-то связать эти крошечные масштабы с реалиями человеческой жизни и собственного поведения.

Прежде всего, можно вспомнить, что человеческий организм представляет собой чрезвычайно сложную, самоорганизующуюся, многофункциональную и адаптивную систему, которая развивается и управляется набором некоторых природных процессов, осуществляемых специальными видами молекул (типа ДНК и белков), имеющих именно нанометрические размеры. В изучении и понимании того множества процессов, которые протекают в человеческом организме и определяют его существование, мы очень часто сталкиваемся со сложными проблемами из-за того, что эти процессы имеют самые разные масштабы. Эту идею задолго до возникновения нанонауки, еще в 1972 году выразил П. В. Андерсон в статье, опубликованной в журнале Science: «На каждом уровне сложности системы возникают новые свойства, поведение системы приобретает новые особенности и требует нового исследования. Мне кажется, что изучение каждого уровня сложности имеет фундаментальное значение для понимания природы системы в целом». Строго говоря, нанонаука внесла лишь некоторые дополнительные уровни изучения человеческого организма. Например, нам предстоит еще понять, каким образом клетка может получать, перерабатывать и использовать содержащуюся в ДНК генетическую информацию, используя наномасштабные датчики и «приводы», представляющие собой микроскопические, но весьма сложные, эффективные и автономные «устройства», которые некоторые сравнивают по сложности с целыми заводами.

Человеческому сознанию трудно охватить и оценить все многообразие процессов, происходящих в разных масштабах, отделяющих наномир от привычного нам мира макрообъектов. Еще сложнее представить себе цепочку зависимостей, связывающих процессы на молекулярном уровне с теми конечными свойствами макросистем, которые определяют ценности человеческой жизни. Интеграция отдельных компонент на атомно-молекулярном масштабе, на более высоких уровнях сложности приводит к достаточно сложному поведению, то есть к появлению развивающихся свойств. Это заставляет нас задуматься о том, что в процессах на уровне наномасштабов оказываются объединенными или «слитыми» те характеристики и свойства, которые на более высоких уровнях изучения описываются отдельно биологией, физикой, химией (обобщенно, нанонаукой) и информационными технологиями. Проблема такого слияния наук на наноуровне представляется исключительно важной и может иметь революционное значение для дальнейшего развития науки вообще.

Приступая к коммерциализации нанотехнологий, мы должны значительно углубить наши познания во всех науках, связанных с процессами на атомарно-молекулярном уровне. В течение последних десятилетий мы накопили множество новой информации относительно физических, химических и биологических закономерностей, но нанонаука (как единая дисциплина, объединяющая все эти закономерности) пока находится в зачаточном состоянии. Хочется подчеркнуть, что именно создание такой объединенной науки могло бы стать ключевым моментом в новой «технической революции» и, возможно, осуществление Национальной нанотехнологической инициативы США станет одним из первых шагов в этом направлении.

Для достижения поставленной цели, то есть для установления закономерностей между процессами, происходящими в разных масштабах (от атомарных до тех, которые мы можем заставить непосредственно служить людям), необходимо решить три основные задачи. Во-первых, создать основные, фундаментальные методики, позволяющие наблюдать, описывать, перемещать и объединять наночастицы с высокой точностью. Во-вторых, разработать приемы, позволяющие уверенно и систематически объединять наночастицы, создавая композиционные объекты больших масштабов при условии, что мы можем оценивать степень возрастания сложности на новом уровне. Наконец, на последнем этапе мы можем создавать технологии, представляя себе, каким образом возникающие на наноуровне и способные к развитию свойства вещества будут позднее проявляться в функциональности создаваемых нами материалов и устройств.

Вместо подробных обзоров по отдельным темам мы закончим эту главу несколькими примерами, наглядно демонстрирующими (или иллюстрирующими) проблемы, связанные с возможным слиянием био-нано-информационных технологий, и потенциальные возможности их решения.

17.1. Наблюдение нанообъектов

Возможно, наиболее важной задачей в развитии потенциала нанотехнологий вообще является создание приборов и инструментов, позволяющих визуализировать молекулярные процессы в реальном масштабе времени. Такие приборы непрерывно совершенствуются, постоянно расширяя границы изучаемых и описываемых явлений, относящихся к наномиру.

В первую очередь следует отметить флуоресцентную микроскопию, которая существенно усилила возможность визуализации поведения микро– и наночастиц в биологических образцах. Например, использование конфокальной микроскопии для усиления сигналов от флуоресцентных меток позволяет получать изображение биообъекта в самых разных масштабах (от отдельного белка до клетки в целом). Прогресс достигнут за счет того, что в конфокальной микроскопии стали использовать новые фильтры, позволяющие снижать фоновый уровень флуоресценции за счет дополнительной защиты фокальной точки линзы. В конфокальной микроскопии используются источники с большим числом флуоресцентных меток, что позволяет одновременно визуализировать большое число деталей изучаемого объекта. В частности, становится возможной, например, визуализация процессов в сложных системах нейронных клеток мозга, как показано на рис. 17.1.

Рис. 17.1. Визуализация участка 10-дневной культуры мозговых клеток мыши с использованием меток, нейронных маркеров (типа бета-III-тубулин) и так называемых маркеров de novo для ДНК-метилтрансферазы по данным работы Фенга и др. [115]

В последние годы для изучения топографии поверхности различных структур на нанометрическом уровне все шире используются атомносиловые микроскопы (ACM), снабженные гибкими кантилеверами (консолями) и наноразмерными иглами-наконечниками. В одной из недавних работ с применением ACM удалось провести успешное исследование наноразмерных пор в клеточных мембранах, обеспечивающих обмен растворенными соединениями и питательными веществами между цитоплазмой клетки и ее окружением. Например, выяснилось, что внешняя мембрана известной бактерии кишечной палочки Escherichia coli пронизана сетью ионных каналов из особых белков (получивших название поринов), способных открываться и закрываться при изменении параметра pH среды и трансмембранного напряжения. Применив АСМ для изучения конформационных изменений поринов, Мюллер и Энглер [116] еще в 1999 году сумели получить достаточно точную картину поведения пориновых каналов при изменении внешних параметров и прямые изображения изменения структуры образующих эти каналы белков-поринов, как показано на рис. 17.2.

Рис. 17.2. Микрофотографии, полученные на атомно-силовом микроскопе высокого разрешения, позволяют визуализировать конформационные изменения белков-поринов, образующих трансмембранные каналы OmhF, при изменении ионного градиента и параметра pH среды. (А) каналы OmhF в закрытом состоянии; (В) каналы OmhF в открытом состоянии

В дальнейшем, используя материалы, позволяющие усиливать оптические сигналы ближней зоны, удалось получить изображения объектов с точностью, значительно превышающей так называемый дифракционный предел разрешения [117] [118] , что открыло (особенно перед биологами) обширное новое направление исследований. Непрерывный прогресс в нанотехнологических методах визуализации позволил обнаружить и изучить целый ряд интересных и сложных процессов, относящихся к взаимодействию лигандов и рецепторов, транслокации ДНК в клеточных мембранах и т. д. Дальнейшее развитие таких методик позволит нам в будущем непосредственно наблюдать реакции и процессы, обеспечивающие функциональность создаваемых нами наноустройств и нанообъектов.

17.2. Возможности манипуляции атомами и молекулами

Для разумного использования сложных макромолекул необходимо прежде всего тщательно изучить их характеристики и научиться целенаправленно манипулировать ими, например, изменяя положение и конформацию наночастиц и создаваемых из них объектов. Например, выше неоднократно говорилось о том, что биологические системы способны к самоорганизации и представляют собой типичный образец создания материалов и устройств по принципу «снизу вверх». Слияние методов биологии и нанотехнологии означает не только использование биологической самосборки для производства нанообъектов, но и возможность вмешательства в биологические процессы и их развития или оптимизации.

Современные технологии дают возможность механически воздействовать или деформировать некоторые виды молекул (например, белки и ДНК). В принципе, молекула ДНК (рассматриваемая на ноноуровне) представляет собой очень длинную макромолекулу, поведение которой напоминает привычные механические системы из шариков и пружинок. Например, закрепив один конец молекулы ДНК и поместив ее в вязкий поток (то есть, прилагая к молекуле продольные механические напряжения), можно постепенно вывести ее из равновесного состояния в виде «клубка» и растянуть в виде нити. Экспериментально такое растяжение молекулы ДНК осуществила группа П. К. Вонга7: им удалось спроектировать систему из двух микрофлюидных каналов буферных потоков, между которыми протекал раствор, содержащий ДНК. Описанная методика позволяла практически «растянуть» молекулу ДНК, а затем наблюдать процесс ее релаксации и возвращения в равновесное состояние, показанный на рис. 17.3. Метод позволяет проводить прямые измерения механических характеристик за счет варьирования скорости буферных обтекающих потоков, причем воздействие внешних факторов может быть минимизировано.

Рис. 17.3. Релаксация молекулы ДНК после «растяжения» в потоке, фиксируемая с интервалом времени 2,5 секунд по данным работы Вонга и др. [119]

17.2.1. Исследование и описание свойств ДНК/РНК

Любому практическому использованию нанообъектов должно предшествовать тщательное изучение и описание их свойств, а также исследование зависимости свойств от состава, структуры и т. д. Например, биомолекулярное описание белков естественно подразумевает установление их трехмерной структуры, а также измерение механических характеристик этих структур, в дальнейшем полученная информация может быть использована для создания наноустройств, способных выполнять именно описанные биомолекулярные функции. Примером использования такого подхода может служить работа Д. Хо и др. [120] Нанотехнологии создают новые возможности для повышения качества жизни человечества, однако их развитие и применение требует значительного повышения уровня наших знаний об окружающем мире (включая и гораздо более подробную информацию о функциях и возможностях ДНК).

Одним из важнейших событий конца прошлого века стала обширная международная программа под названием «Геном человека». Исследования велись более десяти лет и позволили осуществить общее, как говорят биологи, картирование наследственного кода человека. После этого одной из важнейших задач биологии стала разработка методов, позволяющих быстро и легко устанавливать последовательность нуклеотидов в ДНК отдельных людей, что позволит осуществлять лечение и профилактику с учетом индивидуальных особенностей пациента и приведет к революционным преобразованиям в медицине. В настоящее время этой проблемой занимаются многие ведущие ученые, и нанотехнологии представляют для таких исследований новые и неожиданные возможности. В частности, ценную информацию относительно состава и строения различных белков и ДНК можно получить, исследуя процессы в разнообразных нанопорах. Например, в работе Меллера и др. [121] изучалась электропроводность ионных каналов клеток Staphylococcus aureus. В экспериментах измерялась зависимость от температуры проводимости каналов из α-гемолизмина при трансмембранном переносе ДНК, а полученные данные позволяли оценивать состав и конфигурацию нуклеиновых кислот. На рис. 17.4 приводятся результаты Меллера, относящиеся к процессам переноса полимеров аденозина (poly dA100) и цитозина (poly dC100). Эта методика позволяет определять различные характеристики полимерных носителей, включая длину молекулярной цепочки, структуру и точный состав.

Рис. 17.4. Транслокация полимеров аденозина (poly dA100) и цитозина (poly dC100). Время трансмембранного переноса выступает характеристикой состава и строения. По данным Меллера и др.

Метод изучения и описания сложных молекул по характеристикам процессов их переноса через каналы или микропоры оказался очень перспективным и стал новым направлением классификации. Использование мембранных белков для изучения нитей ДНК ограничено, конечно, условиями существования и свойствами самих мембран и белков, образующих ионные каналы. Например, границы измерений в описанных выше экспериментах определяются оптимальными условиями функционирования каналов из α-гемолизмина, когда эти каналы обладают достаточной и регулируемой активностью.

Для создания общей и стандартной

экспериментальной основы описания белков и липидов, в работе Чена и др. [122] была предложена единая методика, основанная на использовании нанопор в неорганических материалах (в частности, на основе Si3N4), что, естественно, значительно расширяет диапазон исследований, поскольку активность и работа таких каналов перестают зависеть от температуры и биохимических условий. Метод можно назвать описанием и характеристикой по твердотельным нанопорам, он позволяет достаточно надежно определять особенности ДНК по процессам переноса (транслокации) через наборы пор в твердых материалах. Современные модификации метода твердотельных нанопор позволяют охватывать широкий диапазон изменения внешних условий, включая показатель pH среды, температуру и напряжение. Более того, использование пор из твердых неорганических материалов дает возможность проводить измерения при очень высоких потенциалах, которые в органических системах разрушили бы исследуемые белковые или липидные структуры. Нанотехнологии дают нам возможность изучать и описывать широкие классы молекул в самых различных условиях окружения.

17.3. Другие возможности описания

Атомно-силовая микроскопия, которая первоначально создавалась для изучения топографических особенностей кристаллических поверхностей, в дальнейшем нашла гораздо более широкие области применения. Прежде всего, исследователи оценили возможности АСМ для описания молекулярных структур и манипуляций атомами или наночастицами. Например, уже существуют методы атомно-силовой литографии, при которых АСМ используются для «переноса» наноразмерных паттернов на фоторезист, после чего изделия фабрикуются с применением УФ-излучения или химически активных полимеров. Разрешающая способность такого метода является исключительно высокой, поэтому АСМ-установки могут стать идеальным инструментом нанолитографии, то есть литографии на атомарно-молекулярном уровне.

Далее, АСМ стали широко применяться для прямого исследования поведения биомолекул и связанных с ними структур типа мембран и белков, обеспечивающих движение молекул. Например, используя АСМ, удалось провести измерения так называемого фолдинга (укладки в трехмерную структуру) белковых образований, содержащих иммуноглобулиновые домены [123] . Эта работа заслуживает особого внимания, поскольку понимание процессов образования трехмерных белковых конформаций имеет исключительную важность не только для так называемой белковой инженерии, но и для исследования индивидуальных особенностей организма, связанных с особенностями укладки белков в отдельных организмах.

Описанные методы использования АСМ могут служить наглядным примером связи наук и слияния в будущем науки или технологий.

17.4. Интеграция на атомарно-молекулярном уровне

Прогресс в области нанотехнологий означает, что люди не только научатся управлять поведением вещества на атомарном уровне, но и найдут возможности «преодолеть» чудовищную разницу в масштабах между микромиром частиц и окружающим нас макромиром, к которому должны относиться новые производства. В макромире мы привыкли изготовлять требуемые нам изделия методами нисходящего производства «сверху вниз», которое практически всегда означает уменьшение размеров исходного обрабатываемого объекта (например, из крупного бревна можно постепенно вырезать много мелких деревянных деталей и т. п.). Между тем стоит вспомнить, что природные процессы почти всегда связаны с восходящими производствами «снизу вверх», и все природные объекты, включая человека, создаются сборкой и самосборкой молекул, то есть в результате направленной интеграции и объединения атомов и молекул, постепенно приводящей к возникновению макрообъектов.

Возможности целенаправленного создания изделий по принципу «снизу вверх» довольно разнообразны, хотя пока они используются лишь очень ограниченно. Например, самые простые приводы (актуаторы) удается создать даже на основе хорошо известного химикам процесса самоорганизации мономолекулярных слоев [124] . Более сложные и интересные устройства могут быть созданы, например, на основе молекул необычного класса, называемых ротаксанами. В самой простой форме такая молекула представляет собой «ось» с двумя крупными и активными соединениями на концах (их называют центрами распознавания), которая как бы механически «продета» через циклическое соединение, как показано на рис. 17.5. Особо следует отметить, что такая структура образуется в процессе сложного синтеза, и кольцо не может «соскользнуть» с оси из-за пространственных и энергетических препятствий. При окислении одного из центров общее распределение потенциальной энергии вдоль этой молекулярной структуры изменяется таким образом, что кольцу энергетически выгоднее сместиться вдоль оси к другому центру [125] . Затем осуществляется реакция восстановления, энергетический профиль принимает прежний вид и кольцо возвращается к исходному положению. Простые реакции окисления и восстановления центров заставляют кольцо двигаться в противоположном направлении, что позволяет «переводить» химическую энергию молекулярных реакций в механическое движение кольца (строго говоря, мы имеем дело с простейшим молекулярным двигателем).

Рис. 17.5. Схематическое изображение молекулы ротаксана. Окисление и восстановление групп на концах молекулы заставляет кольцевую структуру двигаться вдоль оси молекулы

Существуют и более сложные структуры этого типа, например, ротаксан может включать в себя два кольца и четыре центра распознавания. Химически связав кольца жесткой связью или структурой (ее можно назвать кронштейном или балкой), мы получаем систему, напоминающую молекулярный «мускул», так как при наличии окислителя оба кольца будут смещаться к центру оси, что приведет к изгибу «кронштейна». Объединив эти структуры на микроскопических кантилеверах (рычагах), авторам работы [126] удалось создать реальное механохимическое наноустройство, показанное на рис. 17.6. «Балка» искривляется или возвращается в исходное состояние при воздействии окислителя и восстановителя соответственно, причем эти смещения легко и надежно регистрируются лазерным датчиком. Отметим еще, что механическая часть устройства (система кронштейнов) создается методами микромеханики, так что описываемый эксперимент наглядно демонстрирует богатые возможности, возникающие при одновременном использовании подходов «снизу вверх» и «сверху вниз». Объединение механических, химических и других технологий для создания интегральных устройств является одним из перспективных направлений нанотехнологии.

Рис. 17.6. Наномасштабный молекулярный двигатель, в котором смещение кронштейна активируется воздействием окислителя или восстановителя. По данным работы Т. Дж. Хуанга и др. [127]

17.5. Возникающие и самоорганизующиеся структуры

В некотором смысле можно считать, что клетки человеческого организма представляют собой кульминацию развития природы. Действительно, в результате эволюции за миллионы лет природа создала совершенно уникальную, автономную и реагирующую систему из датчиков и актуаторов (приводных механизмов), которая способна действовать в соответствии с программами и командами. Часть этих программ закладывается в систему при рождении, а часть – вырабатывается некоторой структурой управления, которую можно назвать распределенным по системе интеллектом. Клетка является саморегулируемой и самоуправляемой системой, или устройством, а ее ядро можно уподобить центральному процессору, который способен воспринимать и перерабатывать разнообразную поступающую информацию. В клетке выявлены разнообразные механизмы передачи и обработки информации, приводящие к выработке соответствующих реакций. Например, биологи подробно изучили так называемый хемотаксис (клеточное движение, инициируемое химическими агентами), при котором поступление химического сигнала порождает механическое движение так называемой цитоскелетной сети.

В качестве сложной системы биологическая клетка может служить символом концепции «возникающего поведения», когда реакция системы на входные сигналы определяется сложной обратной связью. В качестве примера можно привести поведение клеток нейтрофильных лейкоцитов (нейтрофилов), способных обволакивать и пожирать бактерии типа Staphylococcus aureus, как показано на рис. 17.7. Процесс захвата и уничтожения бактерий, называемый фагоцитозом, демонстрирует достаточно сложное, согласованное и целенаправленное поведение клеток нейтрофила, которые оказываются способными не только чувствовать химические градиенты, создаваемые бактериями, но и двигаться по сложным траекториям (определяемым этими градиентами) по направлению к бактерии, окружая ее с разных сторон. Процесс фагоцитоза обеспечивается регистрацией химических сигналов сенсорами клетки нейтрофила и внутриклеточной системой обработки этих сигналов, позволяющей менять траектории движения клетки и осуществлять требуемые маневры.

Рис. 17.7. Процесс фагоцитоза, то есть «погони» нейтрофила за бактерией типа Staphylococcus aureus. Нейтрофил регистрирует химические градиенты, создаваемые бактерией, и осуществляет сложные маневры по ее окружению и захвату. По данным работы Д. Роджерса [128]

Основной задачей в создании крупномасштабных и сложных молекулярных систем является обеспечение именно такого согласованного, «возникающего» из оценки ситуации поведения (биологи называют это подражание естественным клеточным процессам мимикрией), что позволило бы создать аналоги существующих в природе механизмов преобразования энергии, биохимического воздействия и т. п. Непрерывный прогресс в развитии нанотехнологий позволяет надеяться на создание в близком будущем систем описываемого типа, в которых внешние стимулы или сигналы (свет, наличие химических веществ и т. п.) будут приводить к воспроизводимому и согласованному «возникающему» поведению.

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.