Текст уведомления здесь

Большая жизнь маленьких машин

Как устроены наномашины и зачем они нужны

В недавней статье мы обсуждали проблемы, стоящие перед исследователями, создающими микророботов. Сегодня мы попытаемся заглянуть еще глубже — в мир отдельных атомов — и разобраться, почему сейчас так модно создавать устройства молекулярного масштаба и с какими проблемами сталкиваются их конструкторы на самом дне материального мира.
Добавить в закладки
Комментарии

Ничто так не пугало Блеза Паскаля, как бесконечность. Бездны виделись ему повсюду. Но особенно часто он вспоминал о них, размышляя о, как ему казалось, фрактальной бездне масштабов над и под осязаемым миром людей. Сегодня у нас есть причины считать, что эти две бесконечности не так уж и бескрайни. Если идти по масштабу вверх, когда-нибудь мы обязательно наткнемся на раздувающиеся границы нашей Вселенной, а если вниз — то повстречаемся с кварками, а потом и вовсе — упремся в планковскую длину. Бездна микромира совсем не бездонна и имеет четкие границы, за которыми само понятие размера теряет всякий смысл.

Если же говорить только о масштабах материальных объектов, то тут дно еще ближе. Закрыв глаза на недра нейтронных звезд и прочие неуютные места, скажем, что в привычных нам условиях вещество может стабильно существовать лишь в виде атомов и их заряженных производных, ионов. Нет, они, конечно, состоят из элементарных частиц, но частицы эти подчиняются совсем уж труднопредставимым законам квантового мира, так что нам имеет смысл остановиться именно на атомах. Их форм-фактор начинается от 0,1 нм. Примерно такой диаметр имеет атом водорода. Для этой длины даже придумали отдельное название — ангстрем. Связываясь друг с другом, атомы образуют молекулы, большинство которых умещаются в диапазон от долей до многих сотен нанометров.

Иллюстрация: Анатолий Лапушко / Chrdk.

Иллюстрация: Анатолий Лапушко / Chrdk.

Именно в этом диапазоне скрываются захватывающие возможности. Впервые о них заговорил неугомонный выдумщик Ричард Фейнман. Его лекция «There is plenty room in the bottom!» («Внизу полным-полно места!») 1959 года стала настоящим пророчеством наступающего века нанотехнологий. И пусть с высоты второго десятилетия XXI века некоторые тезисы выступления Фейнмана звучат наивно, в целом оно на редкость точно выражает преимущества и сложности работы в наномире.

Пожалуй, самое очевидное и интуитивно понятное преимущество миниатюризации технологий до наномасштабов — это рост их производительности и уменьшение количества потраченных ресурсов. Пусть наше гипотетическое устройство имеет форму куба. При уменьшении его линейных размеров в 10 раз его объем, а значит, и количество необходимого сырья уменьшится в 1000 раз! Даже если из-за уменьшения размера производительность прибора упадет — не страшно, ведь в тот же объем можно будет запихать в тысячу раз больше новых устройств.

Эта идея нашла свое воплощение во взрывном развитии микроэлектроники, так сильно поменявшем мир за последние десятилетия. В том же 1959 году, за несколько месяцев до исторического выступления Фейнмана, физик-электронщик Жан Эрми из калифорнийской Fairchild Semiconductor придумал технологию создания планарного транзистора. Этот момент можно считать началом похода в наномир, темпы которого до недавнего времени описывались знаменитым «законом Мура». Число транзисторов на кристаллах процессоров безудержно росло, удваиваясь приблизительно каждые два года. В 1971 году размер полупроводника интегральной микросхемы составлял 10 микрометров. Сегодня же микроэлектронщики вплотную подошли к внедрению 7-нанометровых полупроводников.

Естественно, спуск в бездну наномира не может продолжаться вечно. Упрямые законы квантовой механики ограничивают минимальный размер полупроводника 1,5−2 нанометрами, что всего лишь на порядок больше размеров большинства атомов. Похоже, что этого нанодна микроэлектроника достигнет во второй половине следующего десятилетия, после чего для качественного роста производительности придется уже внедрять вычислительные устройства на абсолютно других физических принципах. Но это будет уже совсем другая история.

На нанометровых же масштабах законы квантовой механики периодически напоминают о себе, но еще не вступают в свои права. Хозяевами поля все еще остаются знакомые нам правила старой доброй механики. Однако и у них появляются свои особенности.

При уменьшении размеров соотношение массы и площади поверхности резко смещается в сторону последней, из-за чего нанообъект практически полностью лишается инерции, да и действие силы тяжести на его ничтожную массу ощущается крайне умеренно. Поэтому нанообъекты, в сравнении со своими полноразмерными прототипами, будут иметь намного большую относительную прочность. Ведь прочность детали пропорциональна площади ее сечения, а масса — объему.

А вот тепловое движение, наоборот, выйдет на первый план. Из-за него все атомы или отдельные молекулы, составляющие нашу наномашину, будут постоянно колебаться и раскачиваться друг относительно друга. Так что о твердых механических деталях в таком масштабе можно забыть. Молекулы среды, захваченные броуновским движением, будут постоянно наносить нашей машине удары в самых непредсказуемых направлениях, сбивая ее с курса, а то и просто отбрасывая в случайном направлении. В этом есть и свои плюсы, например, заброшенный в стратосферу нанозонд будет свободно парить там долгие месяцы и годы, пока не опустится до уровня облаков и не угодит в микрокаплю зарождающегося дождя.

В жидкой среде проблемы тепловых колебаний и броуновского движения встанут еще более серьезно. Как сказал в свой нобелевской лекции Бернард Феринга, в наномире перед нами не стоит вопрос, как достичь движения, но стоит вопрос, как его контролировать.

Существует как минимум два подхода к решению этой задачи. Первый — попытаться сократить тепловое движение. Именно этим путем пошли создатели молекулярных наноавтомобилей.

Наномашина Университета Райса (модель), принимавшая участие в «наногонках» / Rice University News and Media Relations / youtube.com

Помехи, создаваемые броуновским движением, можно преодолеть, попросту убрав подвижную среду — газ или жидкость. Поместить машину в вакуумную камеру, еще и охладив ту до сверхнизкой температуры, чтобы снизить интенсивность колебаний атомов самой машины и подложки, на которой она стоит. Тогда шальные молекулы воздуха перестанут бросать нашу машину с места на место. Но как же нам создать двигатель для нашего молекулярного суперкара?

Ни о каком перенесении принципов теплового двигателя в наномир не может быть и речи: он слишком сложен, требует огромного количества механических элементов, и главное — наноструктуры не способны удерживать тепло нагретого рабочего тела, моментально отдавая его окружающему пространству или плотной среде. Тем более что нагрев нашей машины на хотя бы пару десятков градусов выше абсолютного нуля сделает ее полностью неуправляемой. Электродвигатели кажутся более реалистичной альтернативой. За последние десять лет было предложено несколько концептов наноэлектродвигателей, основанных на туннельном эффекте. Конечно, их физические принципы значительно отличаются от электродвигателя какой-нибудь «Теслы». И их стоит рассмотреть подробнее, на примере самого удачного мотора для наномашины, того самого, что принес своему создателю Бенджамину Феринге Нобелевскую премию по химии 2016 года.

Роль «колес» у машины Феринги играли молекулы углеводорода, связанные с «корпусом» двойной связью (С=С). Замкнуть эту связь можно двумя разными способами: либо так, чтобы цепи молекулы, отходящие от атомов углерода, смотрели в одну сторону — тогда мы получим цис-изомер вещества, либо так, чтобы они смотрели в разные стороны — тогда мы получим транс-изомер. При определенных условиях некоторые цис-изомеры легко переходят в транс- и наоборот — нужно лишь передать им немного энергии, например посветить на них светом нужной длины волны (к слову, именно эта реакция лежит в основе нашего зрения).

Примеры цис- и транс-изомеров. Изображение: JaGa / wikimedia commons (1, 2) / CC BY-SA 3.0
Примеры цис- и транс-изомеров. Изображение: JaGa / wikimedia commons (1, 2) / CC BY-SA 3.0

Так вот, под действием тока (да, это не просто наномашина, а целый нанотроллейбус!), проходящего через наномашину, двойные связи между «колесами» и «кузовом» возбуждаются и в них случается этот самый цис-транс-переход, поворачивающий молекулярное колесо на 180 градусов. При этом оно не может завершить поворот и упирается в торчащую сбоку углеводородную цепь, изрядно напрягая всю конструкцию. Как и мы с вами, молекулы не любят долго находиться в напряжении. Поэтому очень скоро молекула изгибается, перебрасывая углеводородную цепь через колесо, и релаксирует, сбрасывая потенциальную энергию. Само же колесо при этом доворачивается до положенных 180°. Теперь все готово к следующему цис-транс-переходу. Углеводородная цепь выступает тут как стопор, позволяя колесу крутиться лишь в одну сторону. Два таких цикла цис-транс-изомеризации дают полный оборот наноколеса.

Конечно, тут вы спросите: а как вообще можно подводить электрический ток к машине размером с не самую крупную молекулу? Тут как нельзя кстати пришелся сам метод наблюдения за отдельными молекулами — сканирующая туннельная микроскопия. Она основана на том, что молекулы и даже отдельные атомы на токопроводящей (в данном случае медной) подложке можно наблюдать по протеканию через них туннельного тока, поступающего по иглоподобному зонду микроскопа. В экспериментах с наномашинами именно такой микроскоп позволяет не только наблюдать за ними, но и приводит в движение их наномоторы.

Описание подобного «нанопривода» принесло Феринге треть Нобелевской премии и послужило для его коллег крайне заразительным примером — с этого момента появилось множество проектов электрических нанодвигателей. Ну и, конечно, от идеи соревнования было не уйти: ученые — они же как дети! Разве что игрушки у них дороже. Уже несколько лет существует кубок гоночных молекулярных наномашин. Согласно его регламенту, за 38 часов команда гонщиков, вооружившись своими учеными степенями и сканирующим туннельным микроскопом, должна провести свой «болид» по 90-нанометровой дистанции с двумя сложнейшими поворотами, использовав всего лишь один зонд-наконечник для микроскопа.

Модель движения наномашины Феринги / Francis Villatoro / youtube.com

Конечно, нанокары — это безумно круто! Но, положа руку на сердце, тяжело найти практическое применение машинке молекулярного размера, способной передвигаться лишь при температуре на несколько градусов выше абсолютного нуля в полном вакууме силой целой команды аспирантов во главе с усталым постдоком.

Но что если не бороться с тепловым движением, а поставить его себе на службу? Вдруг можно научиться его направлять?

Именно на этом принципе работают почти все биологические наномашины. У живых систем нет ни единого шанса устоять перед натиском теплового «шума», благодаря которому внутри них протекают миллионы различных химических реакций. Вместо этого эволюция научилась использовать тепловое движение, создав на его базе отдельный тип биологических моторов — броуновские храповики.

Вездесущий Ричард Фейнман и здесь умудрился оставить свой след. Впервые идея броуновского храповика прозвучала в его классическом курсе физики, за что периодически это устройство называют феймановским храповиком с собачкой. Идея проста: есть зубчатое колесо, приводимое во вращение случайными ударами молекул. Хаотичные удары толкают его то вперед, то назад, но собачка дает ему поворачиваться лишь в одну сторону. Естественно, этот механизм не может нарушить законы термодинамики, и без затраты дополнительной энергии работу с его помощью мы не получим. Здесь он сродни нашему старому знакомому — демону Максвелла. Однако при приложении дополнительной энергии для работы молекулярной собачки, такая конструкция может оказаться вполне работоспособным двигателем.

Georg Wiora / wikimedia commons / CC BY-SA 2.0
Georg Wiora / wikimedia commons / CC BY-SA 2.0

Именно таким путем и пошла эволюция. В клетках всех живых существ постоянно работают тысячи броуновских машин. По сравнению с синтетическими микроавтомобилями они гибки и подвижны. Ведь им не нужно сопротивляться тепловому движению, а достаточно лишь направить его в нужную сторону. Самый очевидный пример: белок-синтезирующие фабрики наших клеток — рибосомы. Эти огромные (по молекулярным меркам) биологические машины, состоящие из десятков белковых макромолекул, ползут по матричной РНК, синтезируя белок, закодированный в ее последовательности. Движущей силой одномерных блужданий рибосомы вперед-назад по цепи мРНК является исключительно тепловое движение. Но ее продвижение назад блокируется, а вперед — направляется и фиксируется на нужный срок целой системой энергозависимых молекулярных собачек. Одна из них — фактор элонгации EF-G, расщепляющий топливо ГТФ до ГДФ.

Художественное изображение транскрипции / yourgenome / youtube.com

Практически все биологические моторы, за небольшим исключением, представляют собой броуновские храповики. Природа отлично научилась использовать хаос в своих целях, извлекая из него максимальную выгоду. Временами мы пытаемся скопировать ее решения, но до нее нам пока что очень далеко. Биологические наномашины неизмеримо сложнее и эффективнее наших. Они спокойно работают в невообразимых для нашей нанотехники условиях живого организма и, самое главное, способны к практически неограниченному воспроизведению и самосборке.

С другой стороны, нанобиомашины, как и все биологические объекты, почти неконтролируемы извне, а большинство из них способно работать лишь в очень узком диапазоне условий, характерном для организма. В то время как нам очень хочется научиться создавать послушные наномашины для самых разных задач. Например, нанозонды для космоса и верхних слоев атмосферы. Или наноэлектроды для прямого подключения к нервным клеткам. Очевидно, что одно из самых перспективных направлений в нанотехнике будет лежать в месте пересечения естественного и искусственного. Но об этом мы поговорим уже в следующий раз.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

Космическая лихорадка

Насколько реальны планы добывать полезные ископаемые в космосе

Если посмотреть промо-ролики «космошахтерских» компаний Planetary Resources или Deep Space Industries, создается впечатление, что это реклама компьютерной игры: красивая графика и фантастический сюжет про добычу в космосе полезных ископаемых. «Чердак» разбирается, что в проектах извлечения прибыли из разработки недр астероидов пока остается полной фантастикой, а что уже приобретает реальные черты.
Добавить в закладки
Комментарии

Почем астероид?

Рассуждать, сколько всего ценного можно добыть на астероидах, — задача приятная и увлекательная, поскольку цифры получаются астрономические, а подсчеты за нас уже провел Ян Уэбстер, создатель сайта Asterank (ныне принадлежит Planetary Resources). Он уже рассчитал приблизительную ценность недр тысяч астероидов и примерную стоимость их разработки с поправкой на то, насколько доступен тот или иной астероид для миссий с Земли. Самым экономически выгодным, по его расчетам, является астероид Рюгу — тот содержит никеля, кобальта, железа и воды на $ 83 миллиарда, а его разработка может принести до $ 30 миллиардов чистой прибыли. В этом году до него как раз должен долететь японский космический аппарат «Хаябуса-2».

Художественное изображение «Хаябусы-2» и астероида Рюгу / ISAS / JAXA
Художественное изображение «Хаябусы-2» и астероида Рюгу / ISAS / JAXA

Из чего состоят астероиды, с Земли можно установить по спектру света, который они отражают. Особенно интересны с точки зрения содержания воды, редкоземельных элементов и платиноидов астероиды, состоящие из углистых хондритов. Однако спектральный анализ, конечно, не абсолютно точен. [ ... ]

Читать полностью

Хондрит не проскочит

Ученые из МФТИ провели учебную ядерную атаку на астероиды

Благодаря серии экспериментов по разрушению искусственных хондритов с помощью лазеров в лабораторных условиях, российские ученые смогли лучше понять, как эффективнее всего разрушать астероиды атомным оружием.
Добавить в закладки
Комментарии

Исследователи из Росатома, Российского федерального ядерного центра и МФТИ создали в лаборатории небольшие копии хондритных астероидов, а затем с помощью лазеров разрушили их. Наносекундный лазерный импульс послужил экспериментальной заменой ядерному взрыву. Опыты показали высокую эффективность ядерной противоастероидной обороны, а также подсказали самые результативные пути ее реализации. Соответствующая статья опубликована в Журнале экспериментальной и теоретической физики.

Удар астероида — практически единственная из глобальных катастроф за последние 200 миллионов лет, которая вызвала массовое вымирание больших масштабов. 66 миллионов лет назад взрыв одного астероида был эквивалентен по мощности 100 миллионам мегатонн, что примерно в 20 000 раз мощнее всего имеющегося ядерного арсенала на Земле. В связи с этим, в отличие от собственно ядерной войны, падение крупного астероида действительно может вызвать вымирание человечества на планете, и вопрос о предупреждении подобного события весьма важен для будущего нашего вида.

В теории астероид можно разрушить ядерной боеголовкой еще в космосе, на подлете к Земле. Но процесс этот надо тщательно рассчитать, чтобы разбить небесное тело на осколки нужного (неопасного) размера. Иначе вместо ликвидации угрозы астероидной бомбардировки можно получить еще более широкое накрытие населенных частей планеты сразу множеством ударов. Но если фрагментация астероида будет тщательно рассчитанной, то на планету упадут осколки небольших размеров, порядка Челябинского метеорита. Благодаря фрагментации они либо сгорят, либо взорвутся высоко в атмосфере, что позволит избежать человеческих жертв.

Иллюстрация пресс-службы МФТИ

Иллюстрация пресс-службы МФТИ

[ ... ]
Читать полностью

Урожайности начальник и токсинов командир

Генно-модифицированная кукуруза оказалась безопаснее натуральной

За последние два десятилетия генетически модифицированная кукуруза стала на четверть более плодовитой, а содержание ядов плесневых грибов в ней значительно снизилось.
Добавить в закладки
Комментарии

Заметки про ГМО — это такой новый вид стихов про любовь. Все в этом жанре уже сказано давным-давно. Есть счастливые люди, убежденные, что любовь все победит и приведет человечество к светлому будущему, а есть угрюмые отрицатели этого чувства, сводящие его к низменным проделкам злобных нейромедиаторов и половых гормонов.

Так же и с генетически модифицированными организмами. Кто-то считает их панацеей от всех бед человечества, но еще большее число жителей Земли убеждены, будто биотехнологические компании внедряют ГМО только ради сокращения численности населения и прибыли на счетах. Пока противоборствующие стороны до мозолей на пальцах спорили в интернете, итальянские ученые ударно поработали и дали объективную оценку пользы и вреда генно-модифицированной кукурузы. Результаты своего труда они оформили в виде метаанализа и опубликовали его в научном журнале Scientific Reports.

Итальянцы проделали гигантскую работу, изучив результаты более 6000 научных публикаций о ГМ-кукурузе, вышедших с момента появления этого растения в 1996-м и по 2016-й включительно. Они оценили, как с годами менялась урожайность генно-модифицированной кукурузы, качество ее зерен, а также содержание в них токсинов, вырабатываемых паразитами растений. Эти параметры сравнили с аналогичными для кукурузы, чьи гены менялись не в результате человеческих действий, а при рекомбинации («перемешивании») во время полового размножения.

Плеснень Gibberella zeae на початке кукурузы. Фото: Scot Nelson / flickr / CC BY 2.0

Плеснень Gibberella zeae на початке кукурузы. Фото: Scot Nelson / flickr / CC BY 2.0

[ ... ]
Читать полностью