Знание-сила, 2002 №05 (899)
Шрифт:
Группа Росс Келли в Бостоне уже синтезировала одно такое устройство. Как и надлежит «молекулярному» мотору, оно состоит из трех молекул бензена (трех сцепленных друг с другом колец), действующих одновременно и как пропеллер, и как зубчатка, и четырех дополнительных бензеновых молекул, которые входят между первыми как зубцы. В таком виде «пропеллер», как и положено, вращается в обе стороны. Но Келли пытается присоединить к кольцам «пропеллера» такие дополнительные атомы, которые провоцировали бы определенные химические реакции, способные вызвать освобождение «пропеллера» в нужные моменты цикла. Вторая группа под руководством Джеймса Гимжевского из Цюриха надеется добиться того же эффекта, используя
Во всех этих работах ученые пытаются «запрячь» в согласованную работу хаотически движущиеся атомы, но не нарушая, а используя второй закон термодинамики. И хотя технические трудности на пути создания молекулярных моторов, работающих за счет броуновского движения, пока еще весьма велики, ученые не унывают, поскольку им известно, что природа давно уже создала множество таких микроскопических двигателей. Подобные «броуновские моторы» работают, например, внутри живых клеток – в так называемых ионных насосах, перемещающих заряженные ионы сквозь клеточные мембраны. Такой «насос» представляет собой молекулу белка, отдельные части которой вращаются в определенную сторону благодаря изменениям его внутреннего электрического поля. С помощью таких же «броуновских моторов» перемещаются частицы вещества во внутриклеточных трубочках-тубулах, сокращаются мышечные волокна и движутся хвостики сперматозоидов. Даже «переписывание» с генетических молекул ДНК тех «инструкций», по которым в клетке создаются белки, тоже опирается на молекулярные моторы. (Кстати, компьютерная действующая модель такого мотора недавно опубликована в Интернете по адресу: monet.physik.unibas/ch/~elmer/bm.)
Одним из наиболее изящных примеров природных двигателей такого рода являются молекулярные моторы так называемых флагелл – тех длинных жгугообразных отростков, с помощью которых движутся бактерии. В основании каждого такого жгутика располагается микроскопический «броуновский мотор», состоящий из нескольких белковых молекул, к которым присоединен длинный гибкий хвостик, сложенный из нескольких молекул белка флагеллина. Недавно японский ученый Иокомура и его коллеги сумели вскрыть все основные детали работы броуновских моторов флагелл, и это позволяет надеяться в скором времени перенести принципы их устройства в микротехнику.
Но мысль исследователей, занимающихся «броуновскими моторами», уже идет и дальше. Как говорится в последних сообщениях, на недавней конференции по молекулярной нанотехнологии, прошедшей в Соединенных Штатах, группа инженеров из штата Юта доложила о проекте совершенно нового типа микродвигателя, основанного на… «бактериальной тяге». Этот мотор предлагается для создания миниатюрного биоробота, который был бы способен двигаться внутри человеческого организма, наподобие многократно уменьшенных героев из азимовского «Фантастического путешествия», и производить там все нужные медицинские действия и процедуры.
Инженеры из Юты планируют использовать бактериальные клетки для преобразования теплового движения атомов в механическую энергию поступательного движения микроробота. Благодаря малости бактериального источника энергии размеры такого плавучего устройства можно будет уменьшить всего до нескольких микронов. А на следующем этапе авторы намерены приспособить для движения своего робота одни лишь флагеллы с их броуновскими моторами, без бактерий. В таком случае, по предварительным расчетам, размеры биомотора можно будет снизить до 100 и менее нанометров. Продолжительность его работы
Будущие нанофабрики немыслимы без «ассемблеров». Что же это такое? Проще говоря, это – робот: крохотная рука, которая забирает атомы и молекулы с некоего склада, где они хранятся, а затем – согласно программе, в нее заложенной, – размещает эти элементы в заранее предназначенных местах. Защелками служат химические связи, транспортерами – сложные молекулярные цепи. В принципе, ассемблер конструирует громадную молекулу, состоящую из биллионов атомов. Эта молекула – в зависимости от своего состава – обретает вид то картофелины, то стола, то ракеты.
Ассемблеры способны и на большее: они могут множество раз копировать себя, и каждая копия может быть предназначена для решения каких-то новых задач.
Оптимисты перечисляют ряд аргументов в пользу идей Дрекслера:
* Еще Ричард Фейнман говорил, что подобные технологические новации в принципе осуществимы. Это – самый слабый из аргументов. Нобелевские лауреаты тоже могут ошибаться.
* С помощью растровых туннельных микроскопов уже сегодня можно манипулировать отдельными атомами и молекулами и, например, изготавливать аминокислоты, не существующие в природе.
* Химики постоянно синтезируют новые вещества из отдельных атомов и молекул, хотя процесс этот не всегда поддается контролю.
* Нанотехнология ни в коей мере не нарушает общие физические законы. Ученые уверены, что сумеют справиться и с квантовыми эффектами, и с погрешностями, вызываемыми тепловым движением атомов.
* Любая живая клетка в принципе является ассемблером. Она обладает встроенной программой (ДНК), получает энергию и сырье от внешних источников питания и беспрестанно копирует себя. Из множества отдельных клеток сложены деревья, животные, люди и так далее. Как видите, принцип один и тот же. Только сырье и готовые продукты будут отличаться от натуральных, сотворенных природой.
Пока никто не знает рецепт, по которому можно построить ассемблер. На многие вопросы еще нет ответов.
* Хорошо, мы допускаем, что ассемблер будет сортировать атомы и помещать их в нужное место. Но откуда он узнает о том, где какой атом находится?
* Как ассемблер поймет, в какой именно части наноконструкции он сам оказался?
* Откуда ассемблер будет черпать энергию, необходимую, чтобы разрывать молекулярные связи, перемещаться и производить расчеты на собственном, встроенном в него компьютере?