Сухі нанотехнології та мокрі нанотехнології

Главная » Каталог статей » Статьи на украинском » Нанотехнології » Сухі нанотехнології та мокрі нанотехнології

tes_nano

Нанотехнології, особливо наномедицина, розвиваються в двох принципово різних напрямках, умовно іменованих «сухою нанотехнологією» у механічній традиції і «мокрою нанотехнологією» у біологічній традиції.

«Сухі нанотехнології» найчастіше відштовхуються від уже наявних технологій — начебто сканувальних мікроскопів, які здатні переміщати окремі атоми і молекули. Поки що, як правило, це виражається у формі своєрідних «нанографіті», тобто складанні з атомів власних імен дослідників, назв їхніх інститутів або щедрих спонсорів. Але всі такі експерименти звичайно обмежені площиною. Укладення молекул одна на одну — наступна задача, що буде вирішена в найближчі роки.

Наприклад, дослідниками Гарвардського університету сконструйований перший «нанопінцет» загального призначення, який використовує пари електрично керованих вуглецевих нанотрубок. За допомогою цього механізму вдається маніпулювати 300-нанометровими кластерами полістиролових мікросфер або витягати єдиний 20-нанометровий напівпровідниковий провід з маси аналогічних переплутаних проводів. У найближчому майбутньому вчені сподіваються створити настільки малий нанопінцет, щоб захоплювати окремі великі молекули.

Може бути, «мокрій нанотехнології» варто сконцентруватися на конструюванні і модифікації білкових молекул, знаменитих своїми видатними здібностями до самоскладання. Багато вчених думають, що ключ до прогресу лежить саме тут. Живі системи використовують безліч молекулярних машин, таких як молекулярні мотори. Тому логічно спробувати пристосувати до наших потреб уже наявні в природі механізми, використовуючи їх для надавання руху малюсіньким насосам, важелям і затискачам. Концепцію «мокрих нанороботів» іноді іменують також мікробіороботами.

Дослідникам з Нью-Йоркського університету, що вибрали «підхід самоскладання», удалося навчитися генерувати комплементарні нитки ДНК, які поєднують себе в складні структури бажаної конфігурації. Так були вибудовані куби, восьмигранники й інші правильні фігури, що складаються усього з декількох тисяч нуклеотидів. Вибравши аналогічний підхід, учені генетично модифікували природний біомотор, який зустрічається у природних умовах у ферменті аденозинтрифосфатозі (ATPase). У результаті був виготовлений перший гібридний наномотор з небіологічними елементами, зі 100-нанометрових смуг азотистого кремнію. Подібно до мікроскопічного пропелера, він обертається зі швидкістю 200 оборотів у хвилину.

Як показують попередні оцінки, механічні системи в кінцевому рахунку зможуть забезпечити більш високі швидкості роботи і велику ефективність керування нанороботом, ніж системи біологічні. Однак важливою перевагою останніх є те, що найчастіше їхні функціональні компоненти можна частково або цілком брати з уже наявних природних живих систем, тим самим істотно скорочуючи час розробки [198-200].

Самореплікація

Виробництво нанороботів усе ще утруднене через дві причини, проблема «товстих пальців» — недостатня роздільна здатність сучасних приладів і складність проектування схемотехнічних рішень. Ці проблеми, як не дивно, можна вирішити тільки за допомогою самих нанотехнологій. Якщо для проектування схеми потрібний потужний процесор, що працює на високій частоті, то для масового складання нанороботів потрібні нанороботи, тому що тільки вони за своїм призначенням можуть надати необхідний інструментарій для складання механізму. Людині не під силу будь-якими пристроями зробити кількість нанороботів, яка відповідає сучасній концепції їх застосування. Для забезпечення найпростіших задач, поставлених перед нанороботом, їх потрібно сотні, якщо не тисячі. На сьогоднішній день розробка в цьому напрямку можлива лише в теоретичному вигляді. Однак вже існують макроскопічні роботи, здатні скласти собі подібного, а потім запрограмувати його. Також це питання досліджує філософія. Справа в тому, що при розмовах про реплікацію, самовідтворення роботів неминуче виникають думки про вихід їх з-під контролю. Аж до того, що нанотехнологія розглядається зараз як перший крок людства по слизькому краю апокаліптичної ями, заповненої «сірим слизом». Цей термін одержав досить широке поширення з подачі Білла Джоя, головного вченого Sun Microsystems, який опублікував у журналі Wired нашумілу статтю «Чи бідує в нас майбутнє?» Джой і його ідейні соратники наполегливо попереджають, що мікроскопічні роботи, які самовідтворюються, невидимі людському оці, у випадку виходу з-під контролю можуть призвести до навали безликої, липкої і пожираючої все навколо маси — «сірого слизу». Причому ідею цю зовсім не можна назвати висмоктаною з пальця, оскільки деякі завзяті поборники новітніх технологій уже висували пропозиції щодо розробки армії «синього слизу» — руйнівних мікромашин — як могутньої зброї.

У відповідь на подібні побоювання і тривогу авторитетні прихильники нанопрогресу (Ральф Меркль, зокрема) висувають свої аргументи. Хоча нанотехнологія дійсно пропонує використовувати реплікацію для зведення до мінімуму вартості виробництва, вона не пропонує копіювати живі системи. Живі системи адаптуються до середовища найкращим чином і здатні виживати в складних природних умовах. Нанотехнологія, навпаки, пропонує будувати молекулярні машинні системи, схожі на мікроскопічні версії устаткування сьогоднішніх фабрик і заводів. Рука-маніпулятор мікроробота, зменшена до субмікронного розміру, повинна вміти брати і складати молекулярні деталі, подібно тому, як маніпулятори заводських роботів орудують гайками і болтами. На жаль, говорить Меркль, дуже легко піти по помилковій стежці через простий факт: єдина реплікаційна система, з якою знайомі більшість з нас, — це біологічні системи, що самовідтворюються. Ми автоматично починаємо мати на увазі, що нанотехнологічні реплікаційні системи будуть подібні до біологічних. Але машини, що виготовляють люди, дуже мало схожі на живі системи, тому і молекулярні системи виробництва швидше за все будуть настільки ж несхожими.

Як ілюстрацію до своїх доводів Меркль приводить експериментальну систему «експонентного складання», створювану техаською корпорацією Zyvex. Тут розробляються механічні системи для складання пристроїв мікронного, субмікронного і молекулярного масштабів. На мікронному рівні, використовуючи вже наявні MEMS-технології, проектується проста роботизована рука «взяти-і-покласти», здатна маніпулювати складними планарними деталями мікронного масштабу, виготовленими за допомогою літографії. З цих деталей складається роботизована рука, здатна маніпулювати спеціально розробленими MEMS-деталями. Процес одержав назву «експонентне складання», оскільки це реплікаційна технологія, що починається з єдиної роботизованої руки на кремнієвій пластині, що сама складає інші роботизовані руки, беручи деталі, заздалегідь покладені на пластині в точно відомих місцях. Хоча кількість складених таким методом роботизованих рук може зростати експоненціально (до деяких меж, зрозуміло, що накладаються системою виробництва), цей процес потребує, серед іншого, літографічно виготовлених деталей, а також подачі електроенергії і керуючих сигналів для координації складних рухів рук-маніпуляторів. Досить відключити енергію, яка керує сигналами, або позбавити мікроробота деталей — і він буде діяти так само, як і його заводський побратим, вилучений зі складальної лінії і закинутий у глухий куток.

На жаль, далеко не усі вчені, що працюють в області нанотехнологій, дотримуються подібної логіки, і серед них один із провідних спеціалістів лабораторії Сандіа — Джеф Бринкер, що здобув міжнародну популярність завдяки роботам в області самоскладальних нанокомпозитних матеріалів. При його особистій участі досягнуті досить примітні успіхи в створенні матеріалів, здатних до спонтанної самоорганізації в складні тривимірні конструкції наномасштаба. Головний же інтерес досліджень Бринкера, за його власними словами, це навчитися додавати матеріалам «життєподібні» властивості – тобто, одержувати такі матеріали, які відчувають навколишнє середовище і відповідним чином реагують, можуть самозцілятися й уникати загрозливих їх існуванню обставин. Двома словами, ціль Бринкера — наноматеріали, які займають проміжне положення між живим і неживим. Зрозуміло, робот з таких матеріалів — це вже далеко не незграбний заводський маніпулятор у лісовій хащі.

Тверезомислячі вчені прекрасно розуміють, що нанотехнологія здатна породити серйозні проблеми. Будь-яка технологія може бути використана для нанесення збитку, а не тільки для загального блага. За масштабами майбутнього впливу на людство нанотехнології напевно не уступлять індустріальній революції.

У каліфорнійському Пало-Альто в 1989 році була створена спеціальна некомерційна організація «Завбачливий інститут» (Foresight Institute) і девізом «Готуючись до нанотехнологій» (засновник і голова інституту — Ерік Дрекслер) Тут був підготовлений набір правил «техніки безпеки» для розроблювачів і виготовлювачів молекулярних систем. Серед керівних принципів, наприклад, такі: штучні системи-реплікатори не повинні мати здатність до відтворення в природному, неконтрольованому навколишньому середовищі. Вони повинні бути абсолютно залежними від джерела штучного живлення або від штучних компонентів, які не зустрічаються в природі. Вони повинні використовувати коди виявлення помилок і шифрування, яке запобігає ненавмисним змінам в їхній конструкції.

Усі ці правила викристалізувалися з бурхливих дискусій про різні сценарії можливого розвитку нанотехнологій. Очевидно, що наше розуміння технології, що розвивається, еволюціонує, а виходить, перетерплюють зміни і рекомендації, відбиваючи ступінь осмислення вченими того, як забезпечувати безпечний розвиток нанотехнологій. Але в кінцевому рахунку диктувати реальний спектр нанотехнологічних застосувань будуть зовсім не вчені, а уряди й індустрія.

Оставьте комментарий к статье