Физика будущего - Мичио Каку

МЭМС и наночастицы

Хотя нанотехнологии на сегодняшний день находятся в младенческом состоянии, они уже породили стремительно развивающуюся коммерческую отрасль — химические покрытия. Если на изделие нанести путем распыления тончайший — в несколько молекул толщиной — слой нужного химического вещества, можно добиться множества полезных эффектов. С одной стороны, при помощи такого покрытия можно защитить изделие, к примеру, от ржавчины, а с другой — улучшить его, к примеру изменить в нужную сторону оптические свойства. Разработано множество различных покрытий: они оберегают нашу одежду от пятен, улучшают экраны компьютеров, усиливают режущие кромки металлообрабатывающих инструментов, защищают от царапин. В ближайшие годы на рынок поступит множество новых товаров с микропокрытиями, призванными улучшить их потребительские свойства.

Конечно, нанотехнология — еще очень молодая отрасль науки. Но одна из ее сторон начинает входить в жизнь практически каждого человека; на ее базе уже выросла глобальная индустрия с годовым оборотом 40 млрд долларов. Речь о микроэлектромеханических системах (МЭМС); в эту категорию попадает множество самых разных вещей, от струйных картриджей, сенсоров для автомобильных мешков безопасности и дисплеев до гироскопов для машин и самолетов. МЭМС — это крошечные машины, такие маленькие, что могут с легкостью уместиться на кончике иглы. Изготавливают их при помощи той же технологии травления, которая уже несколько десятилетий используется в производстве микросхем. Но вместо того, чтобы вытравливать транзисторы, инженеры здесь вытравливают крохотные механические компоненты, создавая столь крохотные детали машин, что без микроскопа вы их просто не увидите.

Ученые сделали атомную версию абака — древнего азиатского счетного приспособления, очень напоминающего обычные конторские счеты. В 2000 г. в Цюрихской исследовательской лаборатории IBM изготовили атомную версию этого несложного прибора; в процессе его изготовления отдельные атомы передвигали и устанавливали на место при помощи сканирующего микроскопа. Вместо деревянных костяшек, которые в счетах двигаются по жестким проволочкам, в атомном абаке были использованы фуллерены — углеродные структуры, по форме напоминающие футбольный мяч в 5000 раз тоньше человеческого волоса.

В Корнеллском университете ученые пошли еще дальше и создали атомную гитару. У этой гитары шесть струн, каждая толщиной в 100 атомов. На срез человеческого волоса можно уложить в ряд двадцать таких инструментов. При этом гитара настоящая, ее струны, как струны ее макроскопического прототипа, можно щипать (хотя звук, разумеется, будет слишком высоким и потому неслышимым для человеческого уха).

Но самое распространенное на сегодняшний день практическое применение этой технологии — автомобильные мешки безопасности, в которых установлены крохотные МЭМС-акселерометры, способные почувствовать резкое торможение машины. МЭМС-акселерометр представляет собой микроскопический шарик на пружинке или крохотном рычажке. Когда вы резко ударяете по тормозам, внезапное отрицательное ускорение заставляет шарик качнуться и порождает крохотный электрический заряд. Заряд служит детонатором для химического взрыва, при котором за V25 долю секунды высвобождается большое количество азота. Эта технология уже спасла множество жизней.

Ближайшее будущее

(с настоящего момента по 2030 г.)

Наномашины в наших телах

В ближайшем будущем следует ожидать появления новых разновидностей наноустройств, которые, возможно, совершат настоящий переворот в медицине; в качестве примера можно назвать наномашины, предназначенные для курсирования по кровотоку. В фильме «Фантастическое путешествие» команду ученых и специальный корабль вроде подводной лодки уменьшили до размеров красного кровяного тельца — эритроцита. Затем все они предприняли путешествие по кровеносным сосудам и мозгу пациента и пережили в его теле множество приключений. Одна из целей нанотехнологии — создание молекулярных охотников, которые будут целенаправленно искать раковые клетки и аккуратно уничтожать их, оставляя здоровые клетки нетронутыми. Авторы научной фантастики давно придумали такое устройство — молекулярное судно, курсирующее в кровяном потоке в непрерывном поиске раковых клеток. Когда-то критики считали подобное абсолютно невозможным, а высказанные фантастами идеи называли пустыми мечтаниями фантазеров.

Тем не менее отчасти эта мечта сегодня уже реализована. В 1992 г. Джером Шентаг (Jerome Schentag) из университета Буффало изобрел умную таблетку, о которой мы упоминали ранее, — крохотный инструмент размером с настоящую таблетку, которую надо глотать и за продвижением которой затем можно следить при помощи электронного прибора. В нужный момент — ив нужном месте — ей можно подать команду на выброс лекарств. Созданы также умные таблетки с телекамерами для фотографирования внутренностей на пути их прохождения через желудок и кишечник. Движением таких таблеток можно отчасти управлять при помощи специальных магнитов. Таким образом, это устройство можно точно подвести к опухоли или полипу. В будущем, возможно, ученые научатся проделывать при помощи подобных устройств небольшие хирургические операции, удалять «лишние детали» и брать пробы на биопсию изнутри, не разрезая кожи.

Еще более миниатюрны так называемые наночастицы — молекулы, способные доставить противораковые лекарства к конкретной мишени; если этого удастся добиться, новая технология произведет революцию в лечении рака. Наночастицы можно сравнить с молекулярными «умными бомбами», их назначение — доставлять химический груз в конкретное точно заданное место и активировать там, что, естественно, резко снизит побочные эффекты. Если простая «бомба» бьет по всему вокруг, включая и здоровые клетки, то умная действует избирательно и сбрасывает свой химический груз только на раковые клетки.

Каждый, кому довелось испытать чудовищные побочные эффекты химиотерапии, оценит громадный потенциал наночастиц в деле уменьшения человеческих страданий. Химиотерапия промывает все тело смертельно опасными ядами, убивая раковые клетки лишь чуть эффективнее, чем обычные. У человека во время химиотерапии возникает целый спектр побочных эффектов, включая тошноту, потерю волос, слабость и т. п. Они настолько серьезны и настолько тяжело переносятся, что некоторые раковые больные согласны скорее умереть от болезни, чем подвергнуться подобной пытке.

Наночастицы полностью изменят ситуацию. Лекарства, к примеру противораковые, будут помещать внутрь молекулы, имеющей форму капсулы. Затем наночастицы с лекарством запустят в кровоток, но высвободится их химическое содержимое только тогда, когда наночастица отыщет место назначения.

Главная особенность наночастиц — их размер: от 10 до 100 нм. Они слишком велики, чтобы проникать в клетки крови, поэтому от нормальных клеток крови, или кровяных телец, наночастицы будут просто отскакивать. А вот раковые клетки выглядят иначе: их стенки пронизаны большими порами неправильной формы. Соответственно, наночастицы могут свободно заходить внутрь и доставлять лекарство по назначению, оставляя здоровые ткани нетронутыми. Врачам не потребуется сложная система управления, которая могла бы привести наночастицы внутри человеческого тела к цели. Они сами естественным образом аккумулируются в определенных типах злокачественных опухолей.

Красота этого метода в том, что он не требует сложного и опасного лечения, которое чревато серьезными побочными эффектами. Просто сами наночастицы должны быть правильного размера: слишком большие, чтобы нападать на нормальные клетки, но в самый раз для проникновения в клетки раковые.

Еще один пример — наночастицы, созданные учеными компании BIND Bioscience в Кембридже, штат Массачусетс. Эти наночастицы сделаны из полимолочной кислоты и кополимолочной/гликолевой кислоты, которые способны удерживать лекарства внутри молекулярной сетки. Это лекарство является полезным грузом наночастицы. Проводниками наночастицам служат пептиды, покрывающие их и целенаправленно сцепляющиеся с целевыми клетками.

В этой работе особенно привлекает тот факт, что наночастицы формируются сами, без сложных заводов и химических комбинатов. Достаточно смешать различные химические вещества постепенно, в правильном порядке и точно соблюдаемых условиях, — и наночастицы «соберутся» сами.

«Поскольку самосборка не требует проведения множества сложных химических реакций, получается, что наночастицы очень просты в производстве… И мы можем производить их килограммами, чего прежде никто не делал», — говорит представитель BIND Омид Фарохзад, врач, преподающий в Медицинской школе Гарвардского университета. Эти наночастицы уже доказали свою эффективность в опытах на крысах — в борьбе против рака простаты, груди и легких. При помощи цветных красителей несложно убедиться, что наночастицы собираются в нужном органе и высвобождают свой полезный груз так, как нужно врачам. Через несколько лет начнутся клинические испытания на людях.