4. Интересные места: большое путешествие

Нанонаука и нанотехнология стали основной темой во многих исследовательских институтах по всему миру. Работы в США и некоторых других странах привели к развитию нанонауки, которые в основном расположены в крупнейших университетах. В данной главе мы “посетим” некоторые из основных центров нанонауки и нанотехнологии. “Большое путешествие” можно было бы провести по любым из множества мировых центров, но мы остановим внимание на исследованиях, которыми занимаются в Центре нанопроизводства и молекулярной самосборки в Нортвестернском университете, являющемся первым в США центром нанотехнологии и нанонауки с национальным финансированием. Поскольку нанотехнологические и нанонаучные исследования выполняются в государственных, промышленных и академических лабораториях по всему миру, в данном путешествии мы будем делать остановки в больших промышленных лабораториях и одной загадочной лаборатории в Европе.

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Михаэль Василевский (MichaelWasielewski) является гла­вой химического факультета в Нортвестернском университе­те. Он родом из Чикаго, восхищается командой "ChicagoCubs" и перед переходом в Нортвестернский университет в течение нескольких лет работал в Аргонской национальной лаборато­рии. Одна из сфер научного внимания Василевского - слож­ный набор полимерных материалов, обычно называемыхфоторефрактивными полимерами. Данные весьма необычные структуры содержат (почти как металлы) подвижные элек­трические заряды. Подвижные заряды могут перемещаться в новое положение либо при воздействии света на полимер, либо при помещении полимера в электрическое поле. Поло­жение таких заряженных частиц подобно коду, который можно считать, освещая различными цветами кодированный полимер, что очень похоже на то, как в супермаркетах считывается информация со штрих-кода.

Фоторефрактивные полимеры являются очень сложной и захватывающей формой наноскопических интеллектуаль­ных материалов. В нанонауке термином интеллектуальный материал называется любой материал с наноскопическими размерами, произведенный для выполнения определенной за­дачи. Иногда интеллектуальные материалы также являются динамическими, это означает, что материал может менять свои базовые свойства или структуру, основываясь на внешнем ключе. Простой пример динамического интеллектуального материала — самонастраивающееся автомобильное стекло, прозрачное большую часть времени, но затемняющееся при ярком свете, чтобы предотвратить ослепление водителя. Что касается фоторефрактивных полимеров, то способность пере­мещать заряды при воздействии светом или электрическим полем вводится в материал на самом низком уровне. Без нанотехнологий и работы в наноскопическом масштабе ни один та­кой материал создать нельзя.

В главе 6 в более общем контексте рассмотрена тема интел­лектуальных материалов, то, как они проектируются и произво­дятся, а также некоторые предполагаемые сферы их применения.

СЕНСОРЫ

Джо Хапп (JoeHupp) преподает химию в Нортвестернском университете и за свою недолгую научную карьеру работал во многих различных областях химии и материаловедения. Он спортивный, спокойный, настойчивый, выдающийся и юный. Одной из интересующих Джо отраслей является разработка сенсорных материалов, особенно тех, что предназначены для наномира.Сенсоры (илидатчики)- это структуры которые будут заданным образом отвечать на наличие чего-то, что требуется обнаружить. Существуют датчики температуры, воды, света, звука, электричества, определенных молекул и заданных биологических целей, таких как бактерии, токсины, взрывчатые вещества или ДНК.

Один из способов, которым Джо Хапп пытается разрабатывать сенсоры, является использование молекулярного распо­знавания. Он синтезировал несколько довольно сложных эле­гантных молекул, которые назвал молекулярными металличе­скими квадратами, один из которых показан на рис. 5.1. Данные квадраты предназначены для распознавания определенных це­левых молекул. Разрабатывая молекулярные квадраты с опре­деленными геометриями и схемами молекулярной плотности электронов, Хапп и его группа смогли воплотить в жизнь фраг­мент сказки о Золушке - искомая ножка подходит туфельке — молекулярному квадрату, а другие молекулы с другими разме­рами и формами не подходят. Как только молекулярный квад­рат распознал и захватил анализируемую молекулу, мы должны узнать, что захват действительно произошел, для чего обычно квадрат облучается светом. Комбинация "квадрат плюс искомое вещество" поглощает энергию из света в другом диапазоне цве­тов (частот или длин волн), чем квадрат без искомого вещества или само искомое вещество. Это означает, что если наблюдать за сенсором, он будет менять цвет при наличии искомого вещества. Подобные сенсоры достаточно чувствительны, чтобы обнару­живать меньше 10 молекул искомого вещества, так что для вы­сокоточных тестов изменение можно не увидеть невооруженным глазом, впрочем, не так сложно построить лабораторное оборудование, которое его увидит. Это позволяет квадратам быть одними из самых чувствительных сенсоров в мире. Сенсорная технология необходима для управления средой и наблюдения за ней. Концепция сенсоров не нова - Хамфри Дэви разработал шахтерскую лампу, детектирующую наличие газа в угольной шахте в началеXIXстолетия, - но нанотехнология сделала возможными целые новые классы ультрачувствительных сенсоров. В главе 7 будут рассмотрены некоторые созданные наноразмерные сенсоры, их общие свойства и то, почему это может стать одним из первых коммерческих приложений нанотехнологий.

Рис. 5. 1. Синтетическая нанохимия — захватывающие ме­талл молекулярные квадраты. Перепечатано с разрешения группы Хаппа, Нортвестернский университет

НАНОРАЗМЕРНЫЕ БИОСТРУКТУРЫ

Сэм Стапп (SamStupp) преподает химию, материаловедение и медицину в Нортвестернском университете. Стапп вырос в Коста-Рике и в начале своей карьеры изучал материаловедение и зубопротезные материалы. Он владеет несколькими языками, серьезно относится к литературе, гурман, увлекается научной фантастикой. В Нортвестерне он возглавляет институт, занимающийся "ремонтом человека".

Это означает, что одним из основных исследовательских направлений является исполь­зование самособирающихся структур и наноструктур для вос­становления, а не удаления или замены частей человеческого тела, когда с ними случаются неприятности. Основное внима­ние в исследованиях Стаппа и в нанотехнологиях вообще при­влекают так называемые наноразмерные биоструктуры. Данные структуры, спроектированные в наноскопическом масштабе, могут имитировать биологические процессы или влиять на них, а также взаимодействовать с биологическими организмами.

Одним примером наноразмерной биоструктуры является са­мособирающаяся "искусственная кость", совсем недавно разрабо­танная группой Стаппа. На рис. 5.2 показан общий принцип: мо­лекулы, составляющие кость, удерживаются благодаря химиче­ским связям. Данные молекулы, в свою очередь, имеют внутрен­ние взаимодействия, более слабые, чем истинные связи (больше похожи на те, что создают поверхностное натяжение в воде), но которые держат все молекулы вместе с образованием определен­ной формы, в данном случае - цилиндра. Молекулы кости спро­ектированы так, чтобы самопроизвольно занимать пространство с образованием желаемой формы, причем после сборки молекулы должны быть упакованы настолько плотно, чтобы кость была очень крепкой. Структуру упакованных молекул можно сделать совместимой с иммунной системой человека, надлежащим образом выбрав головные группы молекулы - группы атомов, которые, в конечном счете, формируют внешнюю оболочку искусственной кости.

Внешняя оболочка также спроектирована так, что вокруг нее начинает формироваться естественная кость, как коралл на рифе или золотое напыление на кусочке металла. Это ключ к "починке человека" - позволить телу естественно исправить сломанные или поврежденные ткани вместо того, чтобы заменять их стальными или керамическими имплантантами.

Поскольку в биологической природе полным-полно наноструктур, биомедицинские приложения и исследования сoставляют большую часть сферы нанонауки. Глава 8 целиком посвящена краткому обзору некоторых из множества областей биомедицинской нанотехнологии.

Рис. 5.2. Самособирающийся молекулярный шаблон искусствен­ной кости. Длинная палочка самособирается из небольших моле­кулярных компонентов, а естественная костная ткань формиру­ет внешний край. Перепечатано с разрешения группы Стаппа, Нортвестернский университет

ЗАХВАТ, ПРЕОБРАЗОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ ЭНЕРГИИ

Мишель Гретцель (MichaelGraetzel) - химик Лозанского университета в Швейцарии. У него вьющиеся волосы, сияю­щая и привлекательная улыбка, а также неисчерпаемый энту­зиазм по отношению ко всему, чем он занимается. Большую часть своей карьеры Гретцель посвятил изучению, изобретению и развитию нанотехнологий для решения энергетических задач – накопления, преобразования, хранения и распределения. Поскольку промышленное общество требует значительных объемов энергии, сфера управления энергией является одним из доминирующих направлений в нанонауке.

Первым существенным достижением Гретцеля был вклад в развитие того, что сейчас называется элементом Гретцеля. В элементе Гретцеля солнечную энергию захватывает окрашенная молекула, которая, поглощая свет, переходит на более высокий энергетический уровень. В этом состоянии молекула разделяет заряд, передавая электрон от окрашенной молекулы наночастице белого кристалла, называемого диоксидом титана (возможно вы его знаете как пигмент белой краски). Разделенным зарядам (положительный заряд, оставшийся на молекуле, и отрицательный заряд, смещенный на наночастицу – диоксид титана) затем разрешается рекомбинировать, используя ряд электрохимических реакций. При этой рекомбинации некоторая энергия, изначально захваченная молекулой из солнечного света, высвобождается в форме электрического тока, проходящего по внешней схеме. Изначально элементы Гретцеля использовались для освещения швейцарских часов, но они также служат примером значительной работы по использованию солнечного света для создания эффективных, не загрязняющих среду, безопасных и недорогих источников энергии. Эффективность современных элементов Гретцеля превышает 7% и их можно производить с помощью методов трафаретной печати, что делает их наиболее распространенными фотоэлементами.

В главе 9 рассмотрена оптика наночастиц – поглощение, управление, излучение, передача и манипулирование светом. Поскольку свет является одним из важнейших источников энергии, данная область нанонауки и технологии очень важна.

ОПТИКА

Чин Танг – химик в EastmanKodakCompanyв Рочестере. Название “Kodak” долгое время было синонимом определенного типа оптики, позволяющего переносить память на пленку. Танг – обаятельный человек с мягким голосом, но за скромными манерами прячется гигантская творческая сила, которую он демонстрирует на протяжении всей своей научной карьеры. В 1987 году группа Танга вKodakвпервые продемонстрировала, что органические молекулы можно использовать для непосредственного и эффективного получения света из электричества. Устройства, открытые Тангом в этом году, получили названиеорганических светодиодов, и все соглашаются, что в будущем они позволят освещать приборные панели автомобилей и экраны компьютеров, а также давать комнатное освещение.

Первоначальные работы Танга основывались на молекулярных соображениях, а не на наноразмерных структурах. Более поздние работы авторов со всего мира показали достаточно отчетливо, что использование данных светодиодов в наномасштабе позволяет сильно выиграть в эффективности, управлении, стоимости и времени жизни.

Использование электричества для получения света, как это происходит в органических светодиодах, является, по сути, процессом, обратным природному фотосинтезу или процессу, протекающему в элементе Гретцеля. Электричество используется для получения света в светоизлучающих структурах, а в фотоэлементах свет поглощается для получения электричества. Обе области являются весьма важными, широко исследуются в нанонауке и коротко рассмотрены в гл. 9.

Эксперимент на ладони: лаборатория на чипе

Рис. 5.3. Лаборатория на чипе. Перепечатано с разрешения Agilent Technologies, Inc.

Если почитать отчеты научного мира, можно поразиться суммам, требуемым для оплаты двух простых, но базовых потребностей — людей и места. Научные инструменты занимают довольно много места, это правда, но большая часть пространства лаборатории — это проходы, столы, открытые поверхности, клавиатуры, мониторы, аварийное оборудование и другие необходимые вещи для рабо­тающих в лаборатории людей. Если бы можно было автоматизиро­вать все человеческие действия в лаборатории и сжать все это про­странство, всю лабораторию можно было бы сделать потрясающе компактной и эффективной. В некоторых случаях все можно сделать настолько компактным и эффективным, что вся лаборатория уме­стится на микрочипе. Сокращая расходы и служебные издержки, можно не только сделать исследование проще, быстрее и дешевле, но и получить возможность одновременного проведения сотен и даже тысяч исследований.

Данная идея легла в основу развивающейся технологии, уместно названной "лаборатория на чипе" (lab-on-a-chip) (рис. 5.3). На первый взгляд данные миниатюрные автоматизированные лабо­ратории выглядят, как их электронные собратья, и обычно создаются на кремниевых поверхностях, а крошечные ячейки связываются микроскопическими или наноскопическими связями. Отличие заключается в том, что в лаборатории на чипе связи не всегда проводят электричество. По многим из них течет жидкость из крохотных резервуаров, имплантированных в чип при произ­водстве. Функциональные ячейки также отличаются. На микрочи­пе это могут быть ячейки памяти и логические элементы, но в ла­боратории на чипе это часто смешивающие элементы, резервуа­ры и биологические или химические реакторы. Производство лаборатории на чипе происходит с использованием накатанных кремниевых технологий, включая литографию и трав­ление. Однако лаборатория на чипе отличается от электронных чипов, поскольку элементы необходимо проектировать в трех из­мерениях, а не в двух. Причина использования трехмерного про­ектирования состоит в том, что, хотя электричество может идти по плоскому проводу, вода не может течь по сплюснутому шлангу. Трехмерное кремниевое производство не настолько хорошо по­нятно, как двухмерное, и некоторые пластики и другие материалы, требуемые для работы с жидкостями, отличаются от материалов, необходимых для работы с электричеством. Данные вопросы де­лают производство лабораторий на чипе активной областью ин­женерных разработок. Другими ключевыми концепциями создания лабораторий на чипе являются микрожидкости и наножидкости — подходы к управле­нию движением жидкости по каналам, имеющим микроскопиче­ские или наноскопические размеры. Когда объемы жидкости на­столько малы, жидкость нельзя просто протолкнуть, используя на­сосы или вентили, поскольку так нельзя добиться требуемой точ­ности и такие маленькие движущиеся части будет очень сложно спроектировать и ввести в чип. Вместо этого, когда требуются очень маленькие объемы жидкости, в современных лабораториях на чипе используются две техники: электрофорез и электроосмос.

Оба подхода работают при приложении разности потенциалов вдоль канала в направлении, в котором должна течь жидкость. При электрофорезе данное напряжение взаимодействует с иона ми, распределенными в жидкости, толкая их с кулоновскими си лами. При использовании этого подхода ионы в жидкости движут- . ся со скоростями, обратно пропорциональными их массе, разде­ляясь, поскольку более легкие частицы движутся быстрое, а более тяжелые — медленнее. Данное разделение по массе объясняет, почему электрофорез полезен при анализе составов и анализе ДНК. С другой стороны, электроосмос — это наличие зарядов на стенках канала, которые взаимодействуют с тонким слоем ионов и местом перехода стенка-жидкость. При этом вся масса жидкости движется с одинаковой скоростью, как пробка по трубе. Используя описанные подходы для перемещения жидкости по смешивающим элементам и реакторам, можно точно контролировать взаимодействие, и лаборатория на чипе становится реальностью. Компании, подобныеAffymetrix(с продуктомGeneChip) иAgilent(с продуктомLabChip), производят лаборатории на чипе для генетического анализа. Есть надежда, что данные чипы удастся довести до такого уровня, где они смогут использоваться в жизненно важных приложениях, так что доктор сможет сделать пациенту немедленный анализ крови или любого другого предоставленного образца. Данные лаборатории могут также использоваться для доставки лекарств, особенно если лекарство нужно вводить в течение длительного промежутка времени в ответ на меняющуюся химию организма (например, как при диабете). В более отдаленном будущем, возможно, лаборатории на чипе будут служить основой ДНК-компьютеров, поскольку в ранних экспериментах в этой области требовались всего лишь микролитры (миллионная часть литра) раствора, но, чтобы получаемые результаты были полезными, необходим полномасштабный анализ результатов. Лаборатория на чипе может также использоваться в экспериментах на орбитальных станциях, где вопрос экономии пространства действительно критичен.

Другой переворот понятий - квантовые компьютеры

Уменьшение характерных элементов до наноразмеров позволяет отодвинуть проблемы, предсказанные законом Мура, еще на несколько поколений чипов, но нанотехнология также предлагает несколько соблазнительных возможностей добиться даже еще более значимых результатов. Одна из таких возможностей - квантовые вычисления с использованием квантовых свойств час­тиц. Но что на самом деле скрывается за этим понятием? Один из подходов к квантовым вычислениям связан со старым другом — универсальным электроном.

Помимо таких привычных свойств, как масса и заряд, электрон имеет несколько квантовых свойств, одно из которых называется спином. Для наших целей не важно, что такое спин на самом деле. Важно то, что он может иметь значение +1/2 или -1/2, и что им можно манипулировать определенным образом. При нашем об­суждении квантовых вычислений удобнее будет считать, что спин принимает значения не +1/2 и -1/2, а двоичные значения: сопос­тавим с +1/2 двоичную единицу, а с -1/2 — двоичный нуль. Пред­полагая, что значение спина можно контролировать, допустим, что электрон представляет наименьшую единицу цифровой информа­ции — 1 бит. Поскольку поведение квантовых компьютеров не­сколько отличается от поведения обычных, строго называть эту единицу битом нельзя, поэтому введем специальный терминК-бит (от "квантовый бит").

Хотя возможность представления бита информации одним элек­троном уже можно считать достижением, законы квантовой меха­ники открывают другие возможности для К-битов. Никакие вычис­ления не могут предсказать значение, пока его не измерить, а из­меренное значение фиксируется. До этого момента К-бит ведет себя частично как 0 и частично как 1, и правильнее будет пред­ставлять его как 0 и 1 вместе (что в квантовой механике называ­ется суперпозицией состоянии 0 и 1).

Почему это интересно? Хотя спин не определен, пока его не измерить, его можно изменить, используя свет специальных частот. Этот свет, а также то, как он приложен и поляризован, является аналогом программы для квантового компьютера. Однако состояние К-бита (1 или 0) не определено в процессе выполнения программы, поскольку пока еще оно не измерено. Следовательно, данная программа эффективно выполняется так, как будто К-бит имеет оба значения, т.е параллельно выполняются две цепочки вычислений. К-биты также могут связываться друг с другом, так что состояние одного влияет на состояние другого. Данный процесс называется связыванием и является ключом к получению компьютеров, имеющих более одного К-бита.

Описанная возможность параллельного выполнения программ со всеми возможными ответами представлена как ключ ко множе­ству интересных задач в информатике. Большинство криптогра­фических технологий, включая RSAиDES(две наиболее распро­страненные системы шифрования вInternet), основаны на идее, что большие числа очень сложно разложить на простые множите­ли. Обычному компьютеру, все равно насколько большому и быст­рому, может потребоваться больше времени, чем прошло с мо­мента Большого взрыва, чтобы взломать коды, которые легко создаются на домашнем ПК. Квантовые вычисления могут это все изменить — выполняя разложение параллельно, данные коды можно будет ломать легко и просто. Данный пример иллюстрирует операции, которые не просто выполняются быстрее с помощью квантового компьютера, — они становятся возможными. Данный пример также объясняет, почему квантовые вычисления считают­ся такими важными, ведь криптография — это ключ ко всей цифровой безопасности. Другой пример сферы, в которой выгодно применение квантовых компьютеров, — поиск в базе данных. Однако существует и множество сложных задач в построении квантовых компьютеров, причем большинство из них касаются связывания. Чем больше электронов связаны, тем больше вероятность, что какой-то проходящий космический луч или другое внешнее явление коснется одного из них и сделает ложными все вычисления. Данный процесс называется декогерентностью. В настоящее время созданы квантовые компьютеры с несколькими К-битами, но маловероятно, что, используя известные методы, удастся построить компьютеры с более чем 10 К-битами. Один из подходов, который может помочь значительно увеличить это число, - добавление бита четности, что используется в электронных компьютерах для коррек­ции ошибок при передаче через ненадежную среду. Поскольку пробные "компьютеры в пробирках" также склонны к декогерентности после примерно 1 000 операций, очевидно, предстоит еще много работы. Отметим все же, что демонстрация описанных принципов и доказательство их жизнеспособности очень впечатляет. Один из подходов к решению проблем заключается в использова­нии и качестве К-битов электронов в наноточках вместо электронов на отдельных атомах. При таком подходе для соединения наноточек и обеспечения связанности используются нанопровода. Это метод предлагает интригующее решение проблемы контроля за связанно­стью через введение физического соединения — чего-то, что можно легко организовать для двух атомов. Также это прекрасная иллюстрация мощи наномасштаба — способность массивных материалов формировать физические устройства встречается с квантовыми свойствами отдельного электрона, и в результате получается другой тип компьютеров.

Использование компьютеров внутри нас: ДНК-компьютеры

Человеческое тело является по многим показателям крайне эф­фективным компьютером. Для переноса и обработки данных оно использует ДНК и ее сложную биохимию. Попытки использовать те же подходы и принципы для выполнения универсальных вычисле­ний в настоящее время составляют одну из наиболее перспективных областей в нанонауке.

ДНК имеет несколько преимуществ при использовании в качестве компонента компьютера. Так, в ДНК потрясающая плотность дан­ных. "Биты" ДНК, или комплементарные пары оснований (см. об­суждение ДНК в главе 4), пакуются в цепочки ДНК с расстоянием между парами порядка одной третьей нанометра. Это равносиль­но примерно 100 мегабит (миллион цифровых единиц и нулей) на дюйм или порядка терабита (триллион битов) на квадратный дюйм. Одной этой плотности было бы достаточно, чтобы привлечь внимание производителей жестких дисков (современные плотности жестких дисков гораздо меньше), но ДНК можно эффективно уплотнить в трех измерениях, что делает ее емкость еще более поразительной. Использование ДНК может никогда не стать эффективным для высокоскоростных приложений со случайным доступом, характерных в современной технологии жестких дисков, но ее потенциал с точки зрения архивирования данных (в настоящее время для этого обычно используются устройства записи на магнитной ленте) огромен. Двойная спираль ДНК также естественно избыточна. Отдельные цепочки ДНК связывают естественные для них компоненты (цепочка, имеющая противоположное упорядочение пар основа­ний) в процессе, называемом скрещиванием. Скрещенные ДНК формируют знакомую двойную спираль, в виде которой ее обычно и изображают. Скрещивание означает, что ДНК имеет встроенную защиту от сбоев, поскольку данный бит данных в действительно­сти записан в двух цепочках. Производители жестких дисков на­зывают аналогичную возможность в своей сферезеркальным отражением. Несмотря на очевидные преимущества плотности и избыточности, большинство естественных процессов считывания и копирования ДНК имеют частоту ошибок более чем в 1 000 раз превышающую ошибку современных магнитных запоминающих устройств. К счастью, данные проблемы можно обойти, так что ДНК наверняка займет свое место среди запоминающих уст­ройств следующего поколения.

Применяя естественные процессы, которые тело использует для считывания и записи генетической информации, исследователи смогли выполнять вычисления с помощью ДНК. В частности, уже демонстрировался специальный компьютер (в информатике ис­пользуется термин "конечный автомат"), построенный на ДНК. Возможно, простейшим примером конечного автомата является лифт в двухэтажном здании. Он имеет два состояния: "на первом этаже" и "на втором этаже". Лифт всегда находится в одном из двух состоянии или движется (выполняет переход) между ними. Для понимания принципа проще всего представить лифт в двухэтажном здании, но задачу легко обобщить на любое число этажей.

Итак, лифт может принимать два вероятных входа: запрос перехода на первый этаж и запрос перехода на второй этаж. Лифт "знает", что нужно делать в любой момент времени, основываясь на текущем состоянии и текущем входе. Например, рассмотрим правила перехода, показанные в табл. 5.1.

Таблица 5.1. Правила перехода

Состояние Вход Что делать

На первом этаже Запрос первого этажа Ничего

На первом этаже Запрос второго этажа Перейти на второй этаж

На втором этаже Запрос первого этажа Перейти на первый этаж

На втором этаже Запрос второго этажа Ничего

Это называется правилами перехода, управляющими переходом из состояния в состояние. Закодировав состояния, правила пере­хода и входы, можно построить компьютеры такого типа. Кроме того, если описанный принцип достаточно расширить, данные компьютеры можно будет использовать для грамматического разбора текста и сопоставления с шаблоном — а это применяется везде, от криптографии до распознавания речи. Некоторые существующие ДНК-компьютеры работают, используя ферменты (ограниченная нуклеаза и лигаза) в качестве аппаратного обеспечения, двойную спираль ДНК как входные данные и несколько коротких молекул ДНК как правила перехода или программное обес­печение. Входная ДНК кодирует исходное состояние (с какого этажа начинать) как последовательность пар оснований, а затем входные данные (запросы этажей) как упорядоченные дополнительные после­довательности пар оснований. После декодирования исходного со­стояния (например, "на первом этаже") машина расщепляет ДНК дальше. Расщепив ДНК, машина доходит до конца цепочки, состав ко­торой зависит от следующей последовательности пар оснований по­сле места обрезания, и определяет следующую введенную команду (запрос второго этажа). В описанном устройстве только одна из воз­можных молекул (программное обеспечение) может прилипать к клейкому концу (в приведенном примере эта молекула представляет правило перехода — "перейти на второй этаж"), причем все "программные молекулы" имеют разную длину. При следующем расщеплении ДНК длина программной молекулы контролирует положе­ние места рассечения, а, следовательно, клейкого конца. Подобным образом регулируется состояние, и цикл “отрезать последнюю введенную информацию и связать с программной молекулой” продолжается, пока не закончится ввод или пока не будет приклеена специаль­ная последовательность остановки, что приведет к генерации специальной, легко обнаруживаемой выходной молекулы. Выходная молекула представляет конечное состояние автомата.

Данные экспериментальные устройства с использованием ДНК имеют скорости порядка одного миллиарда переходов за секунду с частотой ошибки менее 0,2 %. Данная скорость впечатляет (наравне с некоторыми компьютерами), но частота ошибок все же гораздо больше, чем у электронных компьютеров. Впрочем, ДНК-компьютер имеет перед электронным собратом несколько преимуществ. Так, процесс использует только одну миллиардную ватта мощности по сравнению с десятками ватт, потребляемыми электронным микропроцессорами. Тот факт, что электронные процессоры используют такую большую мощность, является помехой их развитию, поскольку мощность рассеивается как тепло, и процессоры могут нагреваться настолько, что это приведет к их самоуничтожению. Похоже, что для ДНК-компьютеров такая проблема неактуальна. Низкое потребление мощности — это хорошо, но основной привле­кательной особенностью наноскопической обработки (квантовые компьютеры, аморфные компьютеры) является возможность па­раллельной обработки. В созданную в ДНК-формате программу можно ввести сколь угодно много входов, и все они обработаются за одно и то же время. Уже проведены первые эксперименты по одновременному выполнению миллиарда процессов — сравните это с наибольшими суперкомпьютерами, имеющими всего несколько сот процессоров и однозначно не помещающимися в пробирке. Возможно, как и квантовые компьютеры, ДНК-компьютеры смогут найти применение лишь в узких сферах, но эра ДНК-компьютеров может наступить быстрее. Технологии синтеза ДНК для получения произвольных последовательностей становятся проще, и уже можно за разумную сумму получить заказные ДНК. Когда этот процесс станет еще быстрее и дешевле, освобождение мощи па­раллельной обработки может оказаться очень кстати.

МАГНИТЫ

Крис Мюррей (ChrisMurray) - молодой, изобретательный и воспитанный наноученый, работающий вIBMWatsonLaboratoriesв Нью-Йорке. Поскольку корпорацияIBMдолгое время была лидером сферы вычислений и хранения данных, не удивляет, что Крис стал одним из мировых лидеров в об­ласти разработки магнитных накопителей сверхвысокой плотности. Появление технологии магнитных дисков, осно­ванной на важном свойстве определенных магнитных мате­риалов, названномгигантским магнетосопротивлением, зна­чительно снизило цену компьютерной памяти и невероятно увеличило эффективность компьютеров. Мюррей работает над доведением данных магнитных запоминающих устройств до их наноскопического предела.

В своей лаборатории Мюррей подготавливает отдельные квантовые точки магнитных материалов. Когда эти точки ста­новятся слишком маленькими, они не могут поддерживать свои магнитные свойства. По этой причине Мюррей занялся подготовкой точек, которые еще достаточно велики (технически это называется "больше суперпарамагнитного предела"), чтобы поддерживать свой магнетизм, а, следова­тельно, сохранять память записавшего их магнитного ноля. Работа Мюррея по подготовке, стабилизации, измерению и пониманию подобных квантовых точек является примером разработки наноскопических магнитных структур. Более под­робно магнитные наноструктуры рассмотрены в главе 9.

ПРОИЗВОДСТВО

Марк Рид (MarkReed) живет в Коннектикуте, имеет маг­нетическую улыбку, всегда готов посмеяться и является пио­нером нанонауки в нескольких направлениях. Работая вTexasInstruments, он был одним из основателей схем с квантовыми точками. В настоящее время он преподает электротехнику в Йельском университете, где является лидером в построении схем молекулярной электроники. Рид использует несколько технологий, включая электронно-лучевую литографию, моле­кулярную самосборку и зондовое сканирование для построе­ния наноструктур с последующим измерением их свойств. Постоянное совершенствование методов нанопроизводства явля­ется важнейшим направлением в нанонауке и нанотехнологии - в конце концов, структура, которую нельзя построить, не слишком полезна. Работы Рида занимают центральное ме­сто во всей области молекулярной электроники и имеют массу других сфер применения. Выше уже приводились примеры структур, созданных с использованием перьевой нанолитографии (нанограффити) и методов зондового сканирования (счеты). Нанопроизводители работают над созданием еще бо­лее сложных структур и над тем, чтобы производство было быстрым и эффективным.

Поскольку нанопроизводство так важно, большая часть нанонаучных центров заполнена исследователями, занимающи­мися нанопроизводством. Например, в Нортвестернском цен­тре работают Джо Хапп, Рик ван Дайн, Сэм Стапп, Чад Миркин, Майк Василевски (мы уже "побывали у них в гостях") и Тери Одом (TeriOdom), самый молодой преподаватель дан­ного учебного заведения. Тери работает с пионерами нанонауки Чарльзом Либером и Джорджем Уайтсайдесом и ее работа (как и работа Рида) состоит в изучении нанопроизводства с использованием твердых (металлы, нанотрубки, полупро­водники) и мягких (молекулы) материалов.

Производство является всеобъемлющей темой, касающей­ся наноструктур, и оно будет упоминаться во всех последую­щих главах данной книги.

ЭЛЕКТРОНИКА

Марк Херсам (MarkHersam) работает на факультете материа­ловедения Нортвестернского университета. Херсам - молодой преподаватель, независимая карьера которого началась всего два года назад, но он уже создал себе имя. Начиная с докторской дис­сертации в Иллинойском университете под руководством Джо Лайдинга, Херсам стал основным разработчиком но­вых методов подготовки и измерения наноструктур с важными, необычными и обещающими электронными свойствами.

Работа Херсама посвящена вопросу молекулярной электро­ники и электронным свойствам отдельных молекул. В обычных схемах измерения можно проводить с помощью вольтметра, ам­перметра или осциллографа, но на молекулу нельзя нацепить два зажима-"крокодильчика". Это означает, что измерения, три­виальные в макромире, в наномире могут быть очень сложными. Херсам подошел к проблеме следующим образом: подготовил один кристалл кремния, одна грань которого покрыта атомами водорода. Затем он использовал туннельный микроскоп для то­го, чтобы с поверхности стартовал отдельный атом водорода, а на его место пришла молекула из окружающего пара. Новая молекула связывается с поверхностью там, откуда стартовал атом. Получившаяся структура выглядит как плоскость атомов водорода с одинокой молекулой, торчащей посредине. Данное точное размещение отдельных молекул называется управляемой литографией с обратной связью. Разместив отдельную молеку­лу на кремнии, Херсам затем может использовать методы зондового сканирования для измерения тока, проходящего через эту молекулу, а также движения, совершаемого этой молекулой, и того, как ток, проходящий по молекуле, влияет на это движе­ние. Отметим, что пока он выполняет эти измерения, кремний не изменяет положения молекулы.

Понятие тока, проходящего по одной молекуле, является одной из важнейших тем наноскопической электроники, к которой мы вернемся в главе 9. В более общем случае примене­ние наноструктур в электронике является одним из самых перспективных аспектов нанонауки. Перенос заряда на моле­кулярном или наноскопическом уровне порождает целый на­бор новых концепции, требующих понимания электроники.

И СНОВА ЭЛЕКТРОНИКА

BellLaboratories/LucentTechnologiesбыла наиболее успеш­ной промышленной лабораторией в истории. Ее персонал изо­брел лазер и транзистор, ее разработки применяются практиче­ски во всех достойных упоминания направлениях современной физики и технологии. Одной из сотрудницBellLabsявляется Женан Бао (ZhenanВао), защитившая свою дипломную работу в Чикагском университете. Эта молодая женщина обладает многими достоинствами, она обаятельная и творческая натура.

Женан — химик-органик по образованию, и ее работа в BellLabsсфокусирована на применении органических молекул в нанонауке и нанотехнологии. Она являлась ключевой фигу­рой нескольких успешных проектовBellLabs. Работая с таки­ми людьми, как Говард Кац (HowardKatz), Бертрам Баттлогг (BertramBattlogg) и Хендрик Шон (HendrikSchon), она соз­дала ряд устройств, использующих органические молекулы для выполнения функций, обычно ассоциируемых с кремние­выми технологиями. Основные результаты — недорогие чипы на органических транзисторах, которые можно использовать как метки для идентификации продуктов, партий товара и почты. Данная работа сделала молекулярную электронику не просто уменьшенной версией обычной электроники, а об­ластью, в которой возможны совершенно новые вещи.

МОДЕЛИРОВАНИЕ

Профессор Джордж Шац (GeorgeSchatz) преподает химию в Нортвестернском университете. Он вырос вблизи Нью-Йорка и завоевал несколько спортивных наград, учась в средней школе. Джордж - химик-теоретик; большую часть своих исследований он посвятил поведению молекул, взаимодейст­вующих либо с другими молекулами, либо с поверхностями.

Одна из наиболее серьезных исследовательских работ Шаца была проведена в области наноскопической оптики. В част­ности, он занимался предсказанием того, как размер, форма и окружение наночастиц меняет их оптические свойства - это явление лежит в основе изменения цвета цветного стекла в за­висимости от размера содержащихся в нем наночастиц золота. Джордж обобщил модель оптических свойств наночастиц, предложенную столетие назад немецким физиком Ми (Mie), и разработал очень мощные компьютерные программы, точно показывающие, как размер, форма, состав наночастиц и рас­творяющая среда определяют цвет раствора. Данные модели позволяют так настраивать наноструктуры, чтобы они отвеча­ли определенным цветам света. Эта разработка имела большое значение для проектирования и применения наноструктур в таких областях, как поглощение солнечной энергии, разра­ботка средств сигнализации и терапевтических средств.

Моделирование и теория являются сердцем понимания и проектирования наноструктур и, в более общем случае, всей научной вселенной. Если можно создать общие модели, пред­ставляющие определенное явление наномира, можно опреде­лить, в каких наноструктурах те или иные характеристики мо­гут проявляться ярче или эффективнее. Моделирование показывает что нанотрубки - это не только наиболее прочный из синтезированных на сегодня материалов, но и наиболее проч­ный материал из вообще возможных. Несмотря на то, что в дан­ной книге нет отдельной главы, посвященной моделированию, этот вопрос является критичным для всей нанонауки, посколь­ку он обеспечивает основу для понимания и проектирования, а при современном уровне развития технологий производства получить можно практически любую стабильную структуру.

Нанотехнологии и нанонаука развиваются потрясающими темпами. На рис. 5.4 показано число научных статей за год, в которых фигурирует слово "нанотехнология", - обратите внимание, что, начавшись с нуля 10 лет назад, оно к 2001 году превысило две с половиной тысячи и продолжает расти при­мерно по той же кривой, что представляет закон Мура. Проде­ланное (очень короткое) "большое путешествие" по темам на­нонауки возбуждает интерес и дает обещания. Теперь самое время углубиться в некоторые детали.

Рис. 5.4. Показатель вхождения в обиход слона "нанотехнологии". Перепечатано с разрешения Lux Capital

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Предположим, что процессы коррозии можно эффективно остановить, чтобы поддержка мостов и железных дорог обхо­дилась и малую долю сегодняшних расходов. Допустим, что пятновыводители можно изначально нанести на одежду так, чтобы пролившийся суп не заставлял идти в химчистку. До­пустим, что ветровые стекла автомобиля не увлажняются, по­этому лед на них не образуется, а дождь не препятствует обзо­ру. Предположим, что кафель в ванной и простыни в больнице можно спроектировать так, чтобы они самоочищались и уби­вали попавшие на них бактерии или вирусы. Предположим, что окна автомобиля могут автоматически регулировать отра­жающую способность согласно падающему свету, так что ма­шина, припаркованная в адскую жару, сохранит нормальную температуру. Допустим, что порванная ткань или проколотая шина могут немедленно и автоматически чиниться. Все эти вещи возможны, а некоторые уже реальны. Все они являются следствием использования интеллектуальных материалов.

Что делает материал "интеллектуальным"? Встроенная воз­можность выполнять некоторые специфические задачи — в нанотехнологии "интеллект" проектируется на молекулярном уровне. Интеллектуальные материалы могут функционировать статически или динамически, что означает, что некоторые из них всегда ведут себя одинаково, а некоторые реагируют на внешние раздражители и активно меняют свои свойства. На­пример, тефлон - это интеллектуальный материал, поскольку он спроектирован так, чтобы практически не вызывать налипа­ния, и это статический интеллектуальный материал, поскольку он не реагирует на внешние силы. А вот самолеты "Стеллс" по­крыты динамическим интеллектуальным полимерным мате­риалом, меняющим свой цвет и электромагнитные свойства в ответ на внешние условия и команды пилота, обеспечивая максимальную маскировку. Проектирование интеллектуальных материалов является важнейшей технической задачей и главной экономической возможностью нанотехнологии.

Практически все биологические структуры являются ин­теллектуальными материалами. Показательный пример человеческая кожа. Кожа пропускает такие определенные суб­станции, как вода и растворенные ионы. Она действует как датчик тепла, прикосновения и звука. Она самовосстанавливается. Она также действует как барьер для воздуха извне и био­логических жидкостей изнутри. Кожа - это многокомпонент­ный динамический интеллектуальный материал, демонстри­рующий некоторые свойства, которые в сфере нанотехнологии пытаются внедрить в синтетические структуры.

Интеллектуальные материалы не обязательно имеют наномасштаб — посуда с тефлоновым покрытием проектируется в макромасштабе, то же относится и к краске для необрастающих покрытий, которой красят суда. В то же время, возможность наноскопического проектирования дает более богатые и интеллек­туальные материалы, которые могут выпускаться с макромасштабными компонентами. Способность работать в наномире ("предельном уровне изящества") позволяет создавать материа­лы, которые выступают рычагом молекулярных свойств, макро­скопических свойств массивных материалов и даже биологиче­ских процессов при построении интеллектуальных материалов. Очевидно, что интеллектуальные материалы составляют очень большой диапазон структур и видов деятельности, а многие при­влекают особое внимание. Рассмотрим некоторые из них.

САМОВОССТАНАВЛИВАЮЩИЕСЯ СТРУКТУРЫ

Если говорить о восстановлении, то первое, что приходит на ум, - самовосстановление тела после порезов и синяков. Когда кровеносный сосуд рвется, тромбоциты собираются вместе и формируют сгусток крови (тромб), который останавливает кровотечение. Процесс может продолжаться, пока кро­веносный сосуд не будет полностью восстановлен. Это очень сложная операция, в которой задействованы несколько ком­понентов крови и рост клеток, но ее можно упростить и при­менить к искусственным структурам.

Простейшая самовосстанавливающаяся структура отвеча­ет на локальные разрывы непрерывной ткани полотна, чиня его. Самовосстанавливающиеся автомобильные шины явля­ются классическим примером, где для наведения мостов через проколы в первоначальной структуре шины формируется но­вый полимер. Очевидно, что данные шины восстанавливают макроскопические, а не наноскопические разрывы, но данный пример хорошо иллюстрирует принцип самовосстановления.

Еще более распространенный пример простой самовосстанав­ливающейся структуры — масло на сковородке. Если провести по дну сковородки лопаткой, масло временно удалится с линии, про­веденной лопаткой. Однако чистой полоска будет недолго, по­скольку связность молекул пленки между собой приведет к тому, что масло потечет обратно, гладко заполняя расчищенный след.

Один действительно наноскопический пример самовосста­новления можно найти в типичных биологических мембранах. В простейшем случае данные мембраны держатся вместе мо­лекулами, форма которых напоминает шарики на длинной ножке. Толстая наноскопическая шарообразная часть молеку­лы является либо заряженной, либо сильно поляризованной, поэтому она диссоциируется в воде. Длинная наноскопическая ножка незаряженная и неполярная, поэтому она не хочет дис­социироваться в воде. Схема подобной структуры показана на рис. 6.1. Поскольку группы полярных головок (шарики) рас­творимы в воде, они стремятся сгруппироваться вместе. По­добным образом, неполярные шнурки также образуют кла­стер, поскольку они имеют более сильное химическое притя­жение друг к другу, чем к воде. В результате на простейшем изображении биологической мембраны видны группы поляр­ных гидрофильных головок, обращенных к воде, и группы не­полярных гидрофобных углеводородных хвостиков в середине мембраны. Толщина мембраны обычно порядка 1-20 нм.

Рис. 6.1. Компьютерная модель участка мембраны клетки. Светлые шарики - гидрофильные, темные тонкие нити -гидрофобные, цилиндры -каналы для движения ионов сквозь мембрану. Перепечатано из книги General Chemistry, 8/e, Petrucci/Howard, © Person Education, Inc. с разрешения Person Education, Inc., Upper Saddle River, New York

Если проколоть в мембране дырку, шарообразные молеку­лы немедленно переместятся, чтобы ее заполнить. Биологиче­ская мембрана будет восстанавливать себя, даже когда дыра очень велика, если в ней нет другого объекта (иногда другие наноструктуры располагаются на поверхности мембраны и блокируют восстановление — в число таких структур входят ионные каналы, позволяющие ионам входить в ячейки, и ап­параты для фотосинтеза). Часть секрета потрясающей устой­чивости мембран биологических клеток состоит в том, что они самовосстанавливаются в наномасштабе. Данное свойство можно встроить во многие материалы, сейчас, например, самовосстановление используется в конструкционном пластике.

РАСПОЗНАВАНИЕ

Один способ создания интеллектуального материала - за­ставить его реагировать только на определенные условия. Другой путь материала к интеллекту - это разрешить разде­ление субстанций, из которых составлен материал. Материалы также могут быть интеллектуальными на основе возможно­стей молекулярного распознавания, позволяющих им реаги­ровать на определенные химические или электромагнитные возмущения или раздражители.

В главе 4 упоминалось выращивание нанотрубок и нанопроводов из одного кристалла. Этот вопрос также связан с рас­познаванием — различные компоненты нанопровода вначале распознают кристалл-зародыш, расположенный в их середине, а затем распознают друг друга. Таким образом, твердый нанопровод развивается в растворе точно так же, как сосулька рас­ширяется, вымораживая воду извне, кристаллы соли растут в насыщенном растворе соли или леденцы выделяются из раствора сахара. Особенно остроумная идея, использованная в нескольких лабораториях (например, Чарльза Либера (CharlesLieber) в Гарварде или Пеидонга Янга (PeidongYang) в Беркли), заключается в применении зародышевых кристаллов, которые заставляют растущие структуры выби­рать конкретную морфологию (форму) (см. рис. 4.7), а не бо­лее характерные морфологии блочного кристалла. Это пример молекулярного распознавания, используемого для создания определенных наноструктур, а также пример классического роста кристалла или волокна, перенесенного на предельный уровень изящества.

Другой пример — биологические клетки. Выше рассматри­вались двухуровневые мембраны, где гидрофильные участки "смотрят" наружу, гидрофобные - внутрь, а все вместе они образуют биологическую клетку. Чтобы провести что-либо сквозь мембрану, в биологии используются так называемые каналы, по сути, обычные заполненные водой трубки. Данные трубки имеют наноскопические сечения и разрешают пита­тельным веществам, отходам и другим важным ингредиентам путешествовать между клеткой и окружающей средой. Реза Гхадири (RezaGhadiri) и его группа в Институте Скриппса использовали самособирающиеся структуры кольцеобразных молекул, называющиесяциклическими малыми пептидами, для построения искусственных каналов. Данные малые пептиды строятся поверх друг друга в искусственный канал, похожий на наноскопический стеллаж покрышек. Подобные каналы можно ввести в мембрану клетки, что позволит затекать веще­ствам внутрь и вытекать наружу клетки с высокой скоростью. Отметим, что данная технология может найти применение в сфере медицины, вызывая смерть раковых клеток и форми­руя самособирающиеся интеллектуальные материалы.

Естественные каналы и создаваемые учеными искусствен­ные каналы работают по принципу молекулярного распозна­вания на двух различных уровнях: компоненты канала распо­знают друг друга, а собранный канал распознает среду, внеш­нюю по отношению к его двухуровневой мембране, так что от­туда могут вводиться молекулы. Комбинация молекулярного распознавания и сборки может дать материалы, интеллекту­альные на многих уровнях, и их построение возможно только в наномире.

РАЗДЕЛЕНИЕ

Разделение смеси молекул или материалов на компоненты является важным процессом как в биологических системах, так и в химической, пищевой, фармацевтической областях и сфере переработки отходов. В природе очень распространен­ной формой разделения является избирательная реакция: ко­гда человек переваривает пищу, пищеварительная система вы­деляет сахар, имеющий пищевую ценность, из пищи, которая этой ценности не имеет. В промышленности разделение обычно выполняется с помощью физического процесса, позволяю­щего одному компоненту обособляться от других, как в пере­гонных кубах на нефтеперегонных заводах.

Применение наноструктур в разделении может быть таким же простым, как использование целлофана для упаковки, по­зволяющего небольшим молекулам проходить через наноскопические поры и блокирующего путь большим объектам. Точ­но тот же принцип применяется в диализе, важной, но очень трудоемкой процедуре, с помощью которой облегчаются стра­дания людей с болезнями почек. Кровь этих людей буквально имеет примеси грязи. В современном диализе кровь откачива­ется из тела, фильтруется пропусканием через диализную ма­шину, а затем закачивается обратно в тело. Технологии диа­лизных мембран постоянно улучшаются, но сама задача диа­лиза в химической промышленности остается очень сложной.

Ткань Gore-Texявляется интеллектуальным материалом с двумя функциями: он позволяет выходить водяному пару (так что человек, одевший одежду из этой ткани, не потеет) и не впускает жидкую воду (так что человек не промокает). В этом материале полимерное полотно усеяно крошечными дырками. Полотно— это схожий с тефлоном фторированный углерод. Дырки имеют примерно наноскопический размер, что позволяет проходить молекулам пара или небольшим кластерам молекул, но не дает проходить жидкости.

Наноструктуры используются в технологии разделения по-разному. Одна очевидная схема включает молекулярное рас­познавание, разработку определенного молекулярного ради­кала, который можно связать с заданной молекулярной целью из смеси. Например, большая молекула, называемая этилен-диаминтетрауксусной кислотой (ЭДТУК), имеет четыре спе­циальных кислородных радикала на концах гибких связей. ЭДТУК можно использовать для захвата различных ионов металла из раствора. Обобщение концепции ЭДТУК включает так называемыесидерофоры, молекулы, специально спроекти­рованные так, чтобы использовать их гибкие "ручки", усеян­ные определенными заряженными частицами, содержащими атомы азота, серы и кислорода для захвата желаемых ионов металла. Сидерофоры выглядят и действуют как наноскопические осьминоги: их молекулярные "ручки" подобны щу­пальцам, а их заряженные радикалы действуют как присоски при захвате ионов металла. Группа Кена Раймонда (KenRaymond) в Калифорнийском университете в Беркли разрабо­тала сидерофоры для захвата определенных ионов металла, которые могут быть токсичными. Данный подход можно ис­пользовать для захвата и удаления из тела таких токсинов, как мышьяк или даже свинец, следовательно, он может иметь ог­ромное значение в сфере техники безопасности на рабочем месте и очистки воды, также это прекрасный пример спроек­тированных молекулярных наноструктур.

Наиболее распространенным способом разделения компонен­тов является пропускание сквозь поры, как порошка сквозь сито. В разделении широко используются и полимеры, и кристаллы с небольшими порами. Данная тема в общем случае называется ультрафильтрацией илинанофилътрацией и может иметь огром­ное экономическое значение. Например,AirProductsCorporationнаправляет большую часть доходов от использования химических трасс на выделение кислорода и азота из воздуха, а затем продает данные чистые газы промышленным, химическим и медицинским учреждениям. Нанофильтрация имеет и другие сферы примене­ния - от очистки воды до удаления токсинов из сточных вод. Все эти области могут выиграть от построения наноскопических по­ристых структур, и разработка подобных структур такими про­мышленными лидерами, какDowChemicalCompany, является очень значимым коммерческим применением нанотехнологии.

КАТАЛИЗАТОРЫ

Катализатор— это ускоритель химических реакций. В чело­веческом теле наиболее распространенными катализаторами яв­ляются ферменты: это белковые молекулы, ускоряющие опреде­ленные химические реакции. Например, птиалин в слюне облег­чает расщепление крахмала на простые сахариды, поэтому хлеб кажется сладким, если его подержать во рту некоторое время. В сфере препаративного химического синтеза и химического ма­шиностроения катализ является одним из основных экономиче­ских источников прибыли, поскольку его можно применять в та­ких сферах, как переработка нефти. При этом катализаторы ис­пользуются для получения бензина и ракетного топлива, а также различных углеводородных молекул, которые в свою очередь мо­гут применяться для получения пластика и нефтепродуктов.

Один из подходов к увеличению химической активности за­ключается в использовании того факта, что активность связана с площадью поверхности. Чем больше поверхность объекта, тем больше места получают химические агенты, чтобы связываться, взаимодействовать и реагировать. При уменьшении размера час­тиц площадь поверхности увеличивается (предполагается, что общая масса материала не меняется, как в примере с делением зо­лотого куба в главе 2). Следовательно, когда размер частицы до­ходит до нанометров, материалы имеют наибольшую возможную площадь поверхности, а, следовательно, максимальную возмож­ную химическую активность, что и является целью катализа. Данный подход используется такими компаниями, как Nanomat, которые создают для нужд промышленности материалы с наноскопическими зернами.

Наночастицы могут иногда использоваться как наноскопические катализаторы, но это всего лишь логическое продолже­ние существующей технологии использования в качестве ка­тализаторов мелко раздробленных порошков. В то же время, нанотехнология предлагает несколько совершенно новых воз­можностей, особенно если ее объединить с технологиями деления. В частности, начиная с работ MobilCorporation, возник огромный интерес к применению для направленного катализа структур, названных цеолитами,поскольку эти структуры по­зволяют обрабатывать нефть более эффективно, и их можно использовать для выбора определенных желаемых молеку­лярных продуктов из широкого спектра нефтепродуктов.

Цеолиты часто называют молекулярными ситами,посколь­ку их физические формы позволяют им просеивать материа­лы. По структуре они похожи на наноскопические галереи или залы, связанные наноскопическими туннелями или порами, сделанными в твердом оксиде (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Химическая модель сложной цеолитевой структуры.

Обратите внимание на дыры разного размера, представляющие каналы и галереи. Изображение представлено Джеффи Прайсом, Университет Талсы.

В кристаллах цеолита частицы катализатора находятся в га­лереях цеолита. Комбинация локально контролируемой химической активности данными частицами-катализаторами с физи­ческими ограничениями галереи и размера пор благоприятству­ет выделению углеводородов определенной формы и состава. Данный процесс катализа по проектированию(в противопо­ложность случайному катализу, распространенному в преды­дущих поколениях каталитических технологий) позволяет эф­фективнее использовать исходное сырье, давать меньше отхо­дов, причем за меньшую цену.

В действительности цеолиты довольно распространены; они часто используются для смягчения пресной воды для бы­товых нужд, способствуя замене ионов кальция ионами на­трия и уменьшая жесткость воды. Существуют сотни различ­ных цеолитовых структур. Секрет их каталитических возмож­ностей заключается в специальной нанопористой структуре цеолита, и они представляют одно из первых масштабных, очень прибыльных применений нанотехнологии.

ГЕТЕРОГЕННЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ И КОМПОЗИТЫ

Некоторые наноструктуры однородны — например, золотые наноточки в цветном стекле или наноточки диоксида титана в батарейках. Существует также множество неоднородных (гетерогенных) структур и смесей. Неоднородность в данном случае означает, что массивный материал не имеет равномерной физической структуры.

Один простой, но распространенный пример — наночастицы с ядром и оболочкой. Обычно это наноскопические шарики, в которых сердцевина — это один материал, а тонкая внешняя оболочка — другой. Многие группы по всему миру создают та­кие структуры для нескольких целей. Группа Чада Миркина ис­пользует покрытые золотом серебряные наноточки при детек­тировании ДНК, а группа Маунги Боуэнди (MoungiBawendi) в Массачусетсом технологическом институте является пионе­ром в сфере изучения полупроводниковых наночастиц с сердце­виной (оболочкой).

Очень похожий класс неоднородных наноструктур включает уплотненные (армированные) структурные материалы. Пред­ставьте железобетон — обычный бетон, залитый в каркас из ме­таллических прутьев, называемых арматурой.Если бетон заме­нить пластиком, а арматуру — прочными, устойчивыми, жест­кими нанотрубками, получится наноструктурный композит с большим усилием на разрыв. Структура подобных интеллек­туальных материалов спроектирована под конкретное прило­жение, и очевидно, что нанотехнология может дать множество таких материалов с небывалой прочностью и универсальностью.

Перед данными инновациями открыт огромный рынок. В настоящее время компаниям BoeingиAirBusсамолет нового поколения, такой как 550-местный А380 или почти сверхзвуко­войSonicCruiser, обходится в 50 миллиардов долларов. В обеих моделях широко используются материалы из углеродного во­локна, чтобы самолет был одновременно и легким и достаточно прочным. Углеродное волокно — это хороший материал, но он не обладает многими свойствами нанокомпозитов.Нанокомпозиты прочнее, надежнее и требуют меньше материалов. Они также легче, что позволяет быстрее летать и более эффективно использовать топливо, снижая цену перевозок.

Когда мы узнаем больше о наноструктурах и нанопроизводстве, станет возможной подготовка сложных материалов с несколькими свойствами. В сфере самолетостроения можно объединить самовосстановление с физическими свойствами на­нокомпозитов. Данная конфигурация может позволить самоле­там восстанавливаться после повреждений топливного бака, по­добных тем, что привели к крушению рейса 4590 самолета "Concorde" компанииAirFranceили космического корабля "Challenger". По личному мнению авторов, обещающим является одновременное использование разделения, распознавания и кон­троля за электронными структурами для производства ткани из смешанных интеллектуальных волокон. Данная ткань может ме­нять цвет при активации от батарейки и пористость после обна­ружения определенных молекул или определенного уровня жары и/или влажности. Рубашка, сделанная из такой ткани, может трансформироваться из желтой открытой и свободной в жаркий поддень до темно-синей, теплой и облегающей прохладным вече­ром. Данная способность может быть очень удобной, но, наверное, неплохо было бы иметь и брюки из того же материала, иначе бу­дет почти невозможно соблюсти соответствие в одежде.

ИНКАПСУЛЯЦИ

Поскольку можно создавать полые структуры наноскопического размера (как цеолиты), можно произвести и инкапсулиро­ванные материалы. В биологии соответствующих примеров до­вольно много. Например, ионы такого металла, как цинк или медь, обычно не изолированы в клетках тела. Вместо этого они окружены небольшими белками, некоторые из которых называ­ются шаперонами.Группа Тома О'Халлорана (TomO'Halloran) в Нортвестернском университете показала достаточно отчетливо, что медь перемещается по клетке, окруженная небольшим белком-шапероном. Эти структуры являются интеллектуальными в том, что они распознают присутствие иона меди, инкапсулиру­ют его, перемещают в другое место и отпускают. Данный процесс аналогичен тому, что обсуждался выше для сидерофоров, наших наноскопических осьминогов.

Кроме того, можно построить стеклянные дома вокруг не­больших структур (брошенный камень — не проблема в наномире). Некоторые такие структуры — инкапсулированные ферменты, в которых для инкапсуляции ферментов исполь­зуются стеклянные наносферы с дырами. Фермент может иметь такие функции, как связывание кислорода или переме­щение электронов на некоторую молекулярную цель. По­скольку фермент частично инкапсулируется на стекле, он за­щищается от определенных химических или физических атак.

Частично незащищенный (открытый) фермент может про­должать выполнять свою работу. Одной из групп, интенсивно работающих с этими инкапсулированными ферментами, явля­ется группа Джо Хаппа.

Более практическое приложение рассматривает Дэвид Эвнир (DavidAvnir) и его группа в Еврейском университете в Иеруса­лиме, а также основанное им предприятиеSolGelTechnologies. Они используют описанные наноскопические стеклянные сферы, полученные в ходе золь-гелевого стеклообразовния, для инкапсу­ляции масла для загара. Если намазать себя перед походом на пляж, возникают неприятные ощущения, которые Эвнир устра­нил, нанося кремы на наноскопическую стеклянную структуру. Более того, органические молекулы в стекле не могут химически взаимодействовать с телом. Данное разделение может быть важ­ным, поскольку некоторые молекулы, присутствующие в обыч­ном масле для загара, не только вызывают дубление кожи, но также могут химически взаимодействовать с кожей, вызывая зуд и сыпь. Масло для загара также является возможным канцероге­ном. Инкапсулированные лосьоны для загара не имеют указан­ных проблем и являются "пляжным" примером интеллектуаль­ных материалов.

ТОВАРЫ НАРОДНОГО ПОТРЕБЛЕНИЯ

Обычно, аргументируя важность наноструктур и нанонауки, используют термины электроники, и именно в таком клю­че были написаны первые две главы этой книги. Однако со­временное общество также зависит от товаров народного по­требления, делающих жизнь легче и приятнее. Мы уже вспо­минали материал Gore-Tex, который определенно улучшает жизнь любого туриста, и тефлон, которые делает то же самое для каждого повара. Существуют десятки других примеров спроектированных на наноскопическом уровне интеллекту­альных материалов, улучшающих жизнь потребителя.

Мы уже начали обсуждение потенциального влияния нанотехнологии на наши гардеробы, и первые продукты данного типа уже поступили в продажу. Некоторые из них произведены компанией Nano-Tex, которая использует наноструктуры для изменения физических свойств одежды. ПродуктыNano-Dryпытаются объединить для устранения пота и влаги пре­имущества синтетического материала, такого как нейлон, и удобства естественной ткани. Для этого прочные, надежные, синтетические центральные волокна сплетаются со специаль­ными адсорбирующими волокнами, в результате чего получа­ется то, что можно назвать интеллектуальным гетерогенным композитным наноматериалом, хотя проще, пожалуй, исполь­зовать название "Nano-Dry" (рис. 6.3).

Рис. 6.3 Продукт Nano-Dry. Изображение представлено Nano-Tex.

В данной главе были рассмотрены некоторые из множества примеров того, как проектирование в наномасштабе позволяет улучшить поведение медицинских, физических, коммерческих и потребительских продуктов. Проектирование на наноуровне может дать материалы, имеющие выдающиеся физические и химические свойства, материалы, которые могут динамиче­ски реагировать на внешнее воздействие, и материалы, кото­рые могут защищать нас и структуры вокруг нас. Число осо­бенностей, которые можно ввести в материал, растет с каждым днем с развитием наших знаний о наноструктурах.