Физика будущего - Мичио Каку

Сегодня проверка на рак — это долгий, дорогой и трудоемкий процесс, часто занимающий не одну неделю. Понятно, что количество пациентов, которых медики могут проверить, при таких условиях сильно ограничено. Однако компьютерные технологии меняют эту ситуацию. Ученые уже создают устройства, способные быстро и дешево распознать рак по определенным биомаркерам, выделяемым раковыми клетками.

Все та же технология травления, которая используется в производстве микросхем, позволяет вытравить на подложке такой микроскопический рельеф, при помощи которого можно будет распознавать специфичные для раковых клеток ДНК-последовательности.

Технология травления позволяет встроить в микросхему фрагменты ДНК. Эти фрагменты способны связываться с конкретными генными последовательностями, вылавливая их из текущей жидкости. Затем при помощи лазера можно быстро просканировать всю прилегающую область и найти соответствующие гены. Таким образом, гены не приходится считывать по одному, как раньше, а можно сканировать целыми тысячами за раз.

В 1997 г. компания Affymetrix выпустила на рынок первый коммерческий ДНК-чип, способный быстро проанализировать 50 000 ДНК-последовательностей. Уже в 2000 г. за несколько тысяч долларов можно было сделать 400 000 ДНК-проб. К 2002 г. цена упала до 200 долларов, при этом микросхемы-анализаторы стали еще более мощными. Цены, согласно закону Мура, продолжают падать и упадут до нескольких долларов.

Шейна Келли (Shana Kelley), профессор Медицинской школы при Университете Торонто, говорит: «Сегодня для оценки клинически значимого образца раковых биомаркеров вам потребуется целая комната компьютеров, и результата придется подождать. Мы научились измерять биомолекулы при помощи электронного чипа размером с кончик пальца». Она предвидит день, когда все оборудование, необходимое для анализа, уменьшится до размеров сотового телефона. Создание микросхемы-лаборатории будет означать, что каждый сможет использовать в собственной ванной химическую лабораторию, которую сегодня можно найти в хорошей больнице или в университете, только втиснутую в один-единственный чип.

Врачи Массачусетской больницы общей практики сконструировали собственный биочип, в 100 раз более мощный, чем все, что есть сегодня на рынке. Обычно, когда в крови появляются циркулирующие опухолевые клетки, их там очень немного — меньше чем одна на миллион, — но со временем они, получив возможность беспрепятственно размножаться, могут убить человека. Новый биочип достаточно чувствителен, чтобы обнаружить циркулирующие в крови опухолевые клетки, даже если их там всего одна на миллиард. В результате экспериментально доказано, что этот чип способен всего по нескольким миллилитрам крови распознать рак легких, простаты, поджелудочной железы, груди и кишечника.

При помощи стандартной технологии травления изготавливают чипы, на которых размещается 78 000 микроскопических стержней (высотой 100 микрон каждый). Под электронным микроскопом эта поверхность выглядит как вырубка с торчащими пеньками. Каждый выступ покрывают антителом к адгезивной молекуле эпителиальных клеток, которая присутствует во многих типах раковых клеток, но отсутствует в обычных клетках. Эта молекула необходима раковым клеткам для взаимодействия друг с другом при формировании опухоли. Если пропускать кровь по чипу, циркулирующие в крови опухолевые клетки прилипают к шпенькам. При клинических испытаниях этот чип успешно распознал рак у 115 из 116 пациентов.

Помимо всего прочего, широкое распространение таких чипов-лабораторий радикально изменит стоимость диагностики болезней. В настоящее время биопсия или химический анализ может стоить несколько сотен долларов и продолжаться несколько недель. В будущем она, скорее всего, будет обходиться буквально в копейки и занимать несколько минут. Скорость и доступность диагностики рака резко вырастут. Можно представить, к примеру, что каждый раз при чистке зубов мы будем проходить тщательную проверку на множество разных болезней, включая рак.

Лерой Худ (Leroy Hood) и его коллеги из Вашингтонского университета создали чип размером около 4 см, способный обнаруживать определенные белки по одной-единственной капле крови. Белки — строительный материал жизни. Все в нас — мышцы, кожа, волосы, гормоны и ферменты — состоит из белков. Разработка технологии поиска белков, характерных для различных болезней вроде рака, могла бы привести к созданию системы раннего предупреждения. В настоящее время такой чип стоит всего 10 центов и может определить какой-то конкретный белок в течение десяти минут; можно сказать, что он в несколько миллионов раз более эффективен, чем предыдущая система. Худ считает, что наступит день, когда чип-анализатор сможет быстро проверить сотни тысяч белков и предостеречь человека от множества болезней за несколько лет до того, как они приобретут сколько-нибудь серьезный характер.

Углеродные нанотрубки

Довольно наглядное представление о мощи нанотехнологий можно получить при взгляде на углеродные нанотрубки. В принципе известно, что они прочнее стали и к тому же проводят электричество, что сразу наводит на мысль об углеродных компьютерах. Но есть и проблема: для настоящей прочности такие трубки должны быть цельными, а самый длинный на сегодняшний день фрагмент чистого углеродного волокна составляет в длину всего несколько сантиметров. Но когда-нибудь из углеродных нанотрубок можно будет делать целые компьютеры и иные молекулярные структуры.

Углеродные нанотрубки состоят из отдельных атомов углерода, соединенных между собой в форме трубки. Представьте себе обычную садовую сетку, где каждое проволочное перекрестье представляет собой атом углерода. А теперь скатайте сетку в рулон — и получите геометрию углеродной нанотрубки. Такие нанотрубки возникают естественным образом всякий раз, когда образуется печная сажа, но ученым никогда не приходило в голову, что атомы углерода могут связываться еще и в такой неожиданной геометрии.

Поистине чудесными свойствами углеродные нанотрубки обязаны своей атомной структуре. Как правило, любой твердый кусок вещества, скажем камень или кусок дерева, представляет собой конгломерат из множества перекрывающихся структур. В такой смеси легко возникают трещины, а значит, такие предметы легко ломаются. Из этого следует, что прочность вещества определяется несовершенством его молекулярной структуры. Но не всегда это несовершенство заключается в нарушениях правильной структуры. К примеру, графит тоже представляет собой чистый углерод, но мы знаем, что это очень мягкий материал, поскольку он состоит из слоев углеродных атомов. Слои связаны между собой слабее, чем атомы внутри слоя, где каждый атом связан с тремя соседними, и могут легко скользить друг по другу.

Алмаз — это тоже чистый углерод, но одновременно это самый прочный природный минерал. Атомы углерода в алмазе организованы в плотную кристаллическую решетку с сильными связями, что и придает этому минералу его феноменальную прочность. Так же и углеродные нанотрубки обязаны своими поразительными свойствами правильной атомной структуре.

Углеродные нанотрубки постепенно прокладывают себе путь в промышленность. Благодаря хорошей проводимости из них можно делать кабели для мощных линий электропередач. Благодаря прочности их можно использовать для создания материалов более прочных, чем кевлар.

Однако самое важное, возможно, применение углеродные нанотрубки найдут в компьютерном деле. Углерод — один из нескольких кандидатов на замену кремния в качестве основы компьютерных технологий. Не исключено, что когда-нибудь будущее мировой экономики будет зависеть от ответа на вопрос: что заменит кремний?

Послекремниевая эпоха

Мы уже говорили, что закон Мура — фундамент информационной революции — не будет работать вечно. Не исключено, что страна, которой удастся первой найти подходящую замену кремнию, будет определять судьбы мира.

Когда рухнет закон Мура? Этот вопрос уже давно сотрясает мировую экономику. В 2007 г. самого Гордона Мура спросили, сможет ли знаменитый закон, названный его именем, работать всегда. «Разумеется, нет», — сказал Мур и предсказал, что его действие прекратится через десять-пятнадцать лет.

Примерно так же оценил перспективы компьютерной отрасли Паоло Гардини, сотрудник фирмы Intel, отвечающий за внешние исследования. Поскольку Intel Corporation задает тон всей полупроводниковой промышленности, слова Гардини подверглись тщательному анализу. В 2004 г. на ежегодной конференции Semicon West он сказал: «Мы понимаем, что можем продержаться на законе Мура еще по крайней мере лет пятнадцать-двадцать».

Движущей силой нынешней революции в мире кремниевых компьютеров является один принципиальный факт: способность УФ-излучения наносить на кремниевую подложку все более и более миниатюрные транзисторы, которые затем вытравливаются. Сегодня в процессоре Pentium на площади размером с ноготь может уместиться несколько сотен миллионов транзисторов. Поскольку длину волны УФ-излучения можно уменьшить до 10 нм, технология травления позволяет получать компоненты всего по 30 атомов в поперечнике. Но процесс миниатюризации не может продолжаться вечно. Рано или поздно он остановится по нескольким причинам.