Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности - Линн Фостер

Развитие технических и инструментальных методов позволяет нам уже сейчас гораздо эффективнее управлять процессами преобразования вещества на наноуровне и, соответственно, создавать новые, более ценные устройства контроля. Обобщая сказанное, основные закономерности развития нанотехнологии «сверху вниз» можно свести к двум следующим основополагающим положениям:

• Подход «сверху вниз» создает множество преимуществ и удобств из-за своего очевидного родства (или преемственности) с полупроводниковой техникой и промышленностью. Прогресс в этом случае часто выступает в виде преодоления недостатков планарной технологии, что (в сочетании с новыми возможностями) значительно облегчает коммерциализацию и проблемы рынка, поскольку позволяет пользоваться установившимися стандартами и условиями.

4.4.5.2. Биологический подход, или развитие технологии «снизу вверх»

В отличие от описанного выше развития технологии «сверху вниз», архетип биологического подхода «снизу вверх» характеризуется следующим набором особенностей:

• Образование и рост структур происходит по совершенно иным механизмам (репликация, эволюция и самоорганизация) в трехмерных и жидких средах.

• Основные ограничения взаимодействий обусловлены контактом с неорганическим окружением.

• Возможности теоретического исследования процессов ограничены и сводятся к использованию зачаточных представлений о биологии систем вообще, некоторых положений теории сложности и очень упрощенных данных о процессах возникновения структур.

• Все рассматриваемые в технологиях «снизу вверх» процессы характеризуются сильным влиянием иерархии масштабов исходных элементов и заложенным в эти элементы цифровым генетическим кодом.

Последний пункт имеет особую важность для биологических и медицинских исследований, поскольку практически все процессы, обеспечивающие жизнедеятельность человеческого организма, происходят за счет иерархически выстроенных процессов передачи информации. Биологам уже известно, что внутри клеток посредством рибосом постоянно осуществляется пересылка «оцифрованных инструкций» (в виде матричной или информационной РНК, мРНК), в соответствии с которыми и происходит формирование белков из аминокислот. Эти процессы имеют очень сложный характер и осуществляются через образование последовательности так называемых конкатенатов (комплексов из топологически связанных замкнутых молекул ДНК). Сама рибосома представляет собой поразительно эффективный и надежный образец «молекулярной машины», о которой так часто говорят в нанотехнологии. Эта структура с характерными размерами около 20 нм содержит всего 99 000 атомов, и с нее начинается процесс репликации и усложнения биологических систем. В соответствии с механизмом роста происходит непрерывное считывание генетического кода, заложенного в ДНК, который по очень многим каналам обратной связи вызывает последовательное укрупнение масштабов роста, вплоть до образования макроскопических живых организмов. В настоящее время биологи, образно говоря, поступают подобно компьютерным хакерам, взламывающим коды чужих систем и использующим содержащуюся в них информацию.

Можем ли мы использовать столь сложные процессы в молекулярной электронике и нанотехнологии вообще? В чем состоит их привлекательность для ученых и технологов? Прежде всего, использование биологических процессов дает нам возможность быстро находить новые технические решения, пользуясь уже созданными природой рецептами и компонентами. Биология предоставляет нам огромный выбор самых разнообразных «заготовок» в виде молекул и субсистем, которые уже сейчас используются для совершенно иных целей. Ниже приводятся удачные примеры инженернотехнического применения биологических систем.

Например, специалистам НАСА из Центра имени Эймса удалось выделить самоорганизующиеся белки из так называемых термофильных бактерий и, подвергнув их генетической модификации, создать на их основе абсолютно новое техническое устройство. Белки были осаждены на электродах таким образом, что из них образовалась регулярная решетка, или сетка (с промежутками в 17 нм), которая оказалась очень удобной средой для магнитной записи информации в дисководах или для производства солнечных батарей.

Сотрудники Массачусетского технологического института методом искусственной, ускоренной эволюции смогли не только быстро вывести новые штаммы бактериофага М13, но и инфицировать этими штаммами бактерии, в результате чего последние неожиданно оказались способны перерабатывать полупроводниковые материалы, изменяя их структуру с молекулярной точностью.

Крейг Вентер и Гамильтон Смит из Института альтернативной биологической энергетики (Institute for Biological Energy Alternatives, IBEA) в настоящее время осуществляют интересный проект под названием «минимальный геном» (Minimal Genome Project). Им удалось выделить из мочеполового тракта человек микроорганизм Mycoplasma genitalium и удалить из него 200 «бесполезных» генов, после чего в их распоряжении оказался как бы простейший организм, способный к саморепликации (заинтересовавшийся читатель может более подробно ознакомиться с этой работой по статье «Неестественный отбор» в газете «Время новостей» зот 03.07.2007. Прим. перев. ). Сейчас исследователи пытаются использовать созданный искусственный геном в технических целях, придавая ему новые функциональные способности, позволяющие, например, получать водород при фотолизе воды под воздействием солнечного света.

Основные трудности в разработках, связанных с процессами «снизу вверх», обусловлены тем, что мы плохо понимаем закономерности явлений в этих микроскопических, но очень сложных системах, и нас может утешать лишь наблюдаемое в последние годы стремительное накопление экспериментальных и теоретических данных о них. Бурное развитие нанонауки привело к тому, что за последнее десятилетие в некоторых разделах генетики и медицины было получено больше сведений, чем за всю предыдущую историю науки. Кстати, упомянутый выше проект изучения микробов с минимальным геномом имеет особую ценность для биологии, поскольку с его помощью ученые надеются понять принципиально важный для биологии в целом механизм функционирования целостной протеомы и ее метаболизма. Дело в том, что действие генетического кода человека является исключительно сложным и связано с очень запутанной системой обратных связей, вследствие чего ученые надеются разгадать некоторые его тайны, пользуясь такими простейшими организмами, построенными по принципу «один ген – один белок».

4.4.5.3. Поучительный пример – гибридная молекулярная электроника

В ближайшие годы сразу несколько фирм приступят к реализации проектов, нацеленных на объединение достоинств обоих описанных выше подходов. Речь идет о попытках практически организовать самосборку органических молекул по принципу «снизу вверх» на изготовленных методами «сверху вниз» кристаллических подложках. Заранее подготовив некоторые участки подложек для самосборки, технологи надеются получить коммерческую продукцию, большим преимуществом которой будет наличие уже сформированного рынка.

Например, фирма ZettaCore в Денвере приступает к производству молекулярных запоминающих устройств, принцип действия которых напоминает механизм усвоения энергии хлорофиллом. Фирма использует синтетические органические молекулы порфирина, которые на поверхности облучаемой кремниевой пластины способны к самоорганизации, или самосборке. При этом образуются мультипорфириновые наноструктуры, способные окисляться и восстанавливаться (теряя или присоединяя электроны соответственно). Процессы окисления-восстановления являются устойчивыми, воспроизводимыми и обратимыми, что позволяет использовать такие поверхности в качестве надежных сред записи информации в различных электронных устройствах. Более того, такая среда не только может хранить информацию достаточно долго, но и позволяет записать значительно больший объем информации, чем обычные диски, так как благодаря возможным пространственным конфигурациям каждая молекула имеет восемь разных устойчивых состояний.

В будущем технологи планируют создать на этой основе крупные трехмерные запоминающие устройства с ничтожным энергопотреблением, а сейчас им удается только довести характеристики новых сред до стандартного уровня существующих двухмерных дисков. Наиболее интересным и перспективным для коммерциализации обстоятельством выступает тот факт, что конечный продукт, то есть производимый фирмой ZettaCore чип для запоминающих устройств, внешне ничем не отличается от существующих кремниевых чипов, так что потребитель может даже не догадываться о его сложном внутреннем «нано-устройстве». Новый чип будет обеспечивать большую плотность записи всего устройства в целом, но при этом разъемы, контакты, декодеры, усилители и т. п. будут производиться обычными методами и соответствовать всем существующим стандартам полупроводниковой техники. Лишь на последней технологической стадии поверхность кремниевых кристаллов будет «заливаться» требуемыми молекулами, которые и начнут процессы самосборки на подготовленных участках.