http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=a3e583cd-3374-46f4-a8cf-df31b477667c&print=1© 2024 Российская академия наук
Технологическое отношение человека к окружающей его среде основано на утилитарном обращении с веществами и материалами – люди в процессе обработки делят их на части и придают этим частям ту форму, которая нужна человеку для той или иной цели. Вся до сих пор существовавшая технология опирается на «естественное» представление о том, что свойства части целого определяются природой целого, но ни в коей мере не размером этой части. Эта часть может быть больше или меньше, но она несет то же качество. Оказывается, что это «естественное» представление справедливо лишь до определенного предела, оно «не работает», если размер части меньше некоторого. Именно, если этот размер составляет несколько десятков нанометров или меньше (1 нанометр – одна миллионная доля метра, 10-9 м). Наноразмерные части вещества обладают радикально иными, непривычными нам свойствами. Скажем, вещество перестает быть делимым на части.
Действующими лицами наномира являются атомы и молекулы, которые представляют собой электронные волны определенной конфигурации и к которым неприменимы все привычки, наработанные при макроописаниях объектов. На масштабах наноразмеров действуют силы и поля, которые немыслимы для современного технического специалиста. Скажем, между двумя «соседними» электронами в металле действует сила отталкивания, сообщающая им ускорение разлета порядка 1020 ускорений свободного падения. Напряженность электрического поля в атоме примерно в миллион раз превышает напряженность электрического поля, при которой возникает молния в грозовой атмосфере. Само количество атомов, с которым приходится иметь дело, невообразимо велико – примерно 1022 в одном кубическом сантиметре вещества.
Эти числа или, точнее, порядки величин, характеризуют сложность задач, с которыми сталкивается технолог, строящий технологический процесс с участием таких квантовых объектов, как атомы и молекулы. Атомы и молекулы в качестве строительного материала наноструктур отличаются от кирпичей и бетонных блоков. Из кирпичей можно построить произвольные объекты, можно ставить кирпичи туда, куда мы хотим, единственным ограничением является сила тяжести и прочность самих кирпичей. В квантовом мире, каким является наномир, ограничений существенно больше: атомы лучше рассматривать не в качестве объектов манипуляций нанотехнологов, но относиться к ним как к существам, обладающим «квантовой волей», выраженной троичным образом: закон Кулона, принцип Паули, уравнение Шрёдингера. Даже с помощью зонда современного атомно-силового микроскопа не удастся поставить атом в произвольную позицию.
Квантовый мир. Однако слова о квантовых законах произносились и раньше, а термин «нанотехнология» возник сравнительно недавно. И он отнюдь не относится к новой области знаний. Напротив, это знак того, что наши знания в определенной области стали достаточно полны для того, чтобы перейти от описания объектов к манипуляциям над ними, к их преобразованию по воле человека. Области знаний, на которые базируются нанотехнологии, хорошо известны в ХХ веке – это квантовая механика, квантовая химия и молекулярная биология. Именно их развитие постепенно и незаметно превратило ранее фундаментальные сферы науки во вполне прикладную отрасль, которая занялась практическими задачами. Новое качество состоит ровно в том, что в какой-то момент накопленных знаний стало достаточно для того, чтобы ставить и решать практические задачи. Тем самым мы получаем очередной пример перехода «от науки к рублю».
Создание и применение наноструктур – это в настоящее время вопрос бизнеса, пусть наукоемкого бизнеса, но именно бизнеса. И те возможности, которые открываются в этом направлении, одна за другой будут радикально перекраивать экономическую карту мира. Совсем недавно в нашу жизнь вошли компьютеры и мобильные телефоны – и уже вряд ли кто-то сможет мыслить себе жизнь без них. На протяжении своей истории человечество полностью преобразовало сферу пищевых продуктов, наша еда – это культурные растения и животные, вернуться к их диким аналогам невозможно. Нанотехнологическая революция ведет к полной замене всех окружающих нас вещественных объектов, они все на атомном уровне будут перестроены и оптимизированы по свойствам к потребностям человека. Вполне возможно, что читатели знакомы с обзорами успехов звукозаписывающей индустрии. Каждый новый формат записи, появлявшийся в 20 веке, вызывал большой энтузиазм у функционеров этой индустрии. Музыкальные записи были проданы в миллионах экземплярах сначала на виниловых пластинках, затем на магнитофонных кассетах, затем на CD-дисках и так далее. А теперь представьте себе, что переформатированию подлежит вообще все, что нас окружает.
С точки зрения бизнеса нанотехнология в целом представляет собой уникальное явление, поскольку полем приложений является мировой рынок в целом. Конечно, каждый отдельный продукт, созданный нанотехнологическими методами, будет иметь свой рынок или нишу на рынке, однако прелесть ситуации состоит в том, что нанотехнология в целом изменит рынок в целом. И, в отличие от предшествующих промышленных революций – внедрения паровых двигателей, электричества, железных дорог и т.п. – это известно заранее!
Стоит привести наглядный пример нанотехнологического устройства. Таковым вполне можно назвать систему передачи генетической информации. Хотя эта система и не является продуктом сознательного творчества, но может быть образцом решения задач нанотехнологическими методами. И на ее примере можно увидеть нетрадиционные черты поведения нанообъекта. Одним из таких объектов является дезорибонуклеиновая кислота, молекулы ДНК, на которых записан генетический код всего живого на Земле. Сейчас известно, что молекула ДНК представляет собой весьма длинную квазилинейную молекулу в виде двойной спирали (Уотсон, Крик и Уилкинс, Нобелевская премия 1962 года по физиологии и медицине «за открытия в области молекулярной структуры нуклеиновых кислот и за определение их роли для передачи информации в живой материи»). Эта двойная спираль состоит из двух полинуклеотидных цепей, соединенных парами оснований аналогично ступенькам винтовой лестницы. Посредством водородных связей аденин соединяется с тимином, а гуанин – с цитозином. Эти две цепи отделяются друг от друга в местах водородных связей, что очень похоже на расстегивание застежки-молнии. Из каждой половины прежней молекулы синтезируется новая молекула ДНК. Последовательность оснований функционирует как матрица, или образец, для образования новых молекул ДНК и таким образом передается генетический код. Длина молекула ДНК может достигать двух метров – в том случае, если ее «распрямить». В естественном же состоянии молекула ДНК свернута в достаточно плотную глобулу, диаметр которой – десятки нанометров, иначе она вряд ли поместилась бы в хромосому клетки человека (Перуц и Кендрю, Нобелевская премия 1962 года по химии «за исследования структуры глобулярных белков»). Теперь попробуем увеличить масштаб и представить себе тончайшую шелковую нить длиной пару километров, скатанную в шарик размером меньше миллиметра. Это вполне представимо. Но попробуйте дальше представить себе, что к «шарику» приближается кусочек другой нити – транспортная РНК, которая должна реплицировать «нужный» кусок ДНК и перенести его в другой орган клетки, чтобы начать синтез нужного организму белка. Как вытянуть из плотной глобулы нужный кусочек нити? Как обеспечить, чтобы отдельные петли ДНК не завязывались и не перепутывались между собой? Попробуйте засунуть в карман обувной шнурок или провод наушников – затем их обязательно придется распутывать. А в нашем организме еженаносекундно и абсолютно точно происходит множество операций «распутывания» куда более сложных структур.
Вот это и есть пример работы на наноуровне, радикально отличающейся от того, что происходит с «аналогичными» структурами, только больших масштабов. Автору приятно упомянуть, что теоретическое объяснение описанного поведения было сделано коллегой, сотрудником Физического института им. П.Н.Лебедева РАН д.ф-.м.н. Сергеем Константиновичем Нечаевым (и уже нашло экспериментальное подтверждение). Речь идет о модели иерархичной фрактальной структуры укладки, которая позволяет и компактное существование молекулы ДНК в хромосоме, и быстрое «выпутывание» любого ее участка для считывания генетической информации.