Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности - Линн Фостер

Существуют и более сложные структуры этого типа, например, ротаксан может включать в себя два кольца и четыре центра распознавания. Химически связав кольца жесткой связью или структурой (ее можно назвать кронштейном или балкой), мы получаем систему, напоминающую молекулярный «мускул», так как при наличии окислителя оба кольца будут смещаться к центру оси, что приведет к изгибу «кронштейна». Объединив эти структуры на микроскопических кантилеверах (рычагах), авторам работы [126] удалось создать реальное механохимическое наноустройство, показанное на рис. 17.6. «Балка» искривляется или возвращается в исходное состояние при воздействии окислителя и восстановителя соответственно, причем эти смещения легко и надежно регистрируются лазерным датчиком. Отметим еще, что механическая часть устройства (система кронштейнов) создается методами микромеханики, так что описываемый эксперимент наглядно демонстрирует богатые возможности, возникающие при одновременном использовании подходов «снизу вверх» и «сверху вниз». Объединение механических, химических и других технологий для создания интегральных устройств является одним из перспективных направлений нанотехнологии.

Рис. 17.6. Наномасштабный молекулярный двигатель, в котором смещение кронштейна активируется воздействием окислителя или восстановителя. По данным работы Т. Дж. Хуанга и др. [127]

17.5. Возникающие и самоорганизующиеся структуры

В некотором смысле можно считать, что клетки человеческого организма представляют собой кульминацию развития природы. Действительно, в результате эволюции за миллионы лет природа создала совершенно уникальную, автономную и реагирующую систему из датчиков и актуаторов (приводных механизмов), которая способна действовать в соответствии с программами и командами. Часть этих программ закладывается в систему при рождении, а часть – вырабатывается некоторой структурой управления, которую можно назвать распределенным по системе интеллектом. Клетка является саморегулируемой и самоуправляемой системой, или устройством, а ее ядро можно уподобить центральному процессору, который способен воспринимать и перерабатывать разнообразную поступающую информацию. В клетке выявлены разнообразные механизмы передачи и обработки информации, приводящие к выработке соответствующих реакций. Например, биологи подробно изучили так называемый хемотаксис (клеточное движение, инициируемое химическими агентами), при котором поступление химического сигнала порождает механическое движение так называемой цитоскелетной сети.

В качестве сложной системы биологическая клетка может служить символом концепции «возникающего поведения», когда реакция системы на входные сигналы определяется сложной обратной связью. В качестве примера можно привести поведение клеток нейтрофильных лейкоцитов (нейтрофилов), способных обволакивать и пожирать бактерии типа Staphylococcus aureus, как показано на рис. 17.7. Процесс захвата и уничтожения бактерий, называемый фагоцитозом, демонстрирует достаточно сложное, согласованное и целенаправленное поведение клеток нейтрофила, которые оказываются способными не только чувствовать химические градиенты, создаваемые бактериями, но и двигаться по сложным траекториям (определяемым этими градиентами) по направлению к бактерии, окружая ее с разных сторон. Процесс фагоцитоза обеспечивается регистрацией химических сигналов сенсорами клетки нейтрофила и внутриклеточной системой обработки этих сигналов, позволяющей менять траектории движения клетки и осуществлять требуемые маневры.

Рис. 17.7. Процесс фагоцитоза, то есть «погони» нейтрофила за бактерией типа Staphylococcus aureus. Нейтрофил регистрирует химические градиенты, создаваемые бактерией, и осуществляет сложные маневры по ее окружению и захвату. По данным работы Д. Роджерса [128]

Основной задачей в создании крупномасштабных и сложных молекулярных систем является обеспечение именно такого согласованного, «возникающего» из оценки ситуации поведения (биологи называют это подражание естественным клеточным процессам мимикрией), что позволило бы создать аналоги существующих в природе механизмов преобразования энергии, биохимического воздействия и т. п. Непрерывный прогресс в развитии нанотехнологий позволяет надеяться на создание в близком будущем систем описываемого типа, в которых внешние стимулы или сигналы (свет, наличие химических веществ и т. п.) будут приводить к воспроизводимому и согласованному «возникающему» поведению.

В качестве наглядного примера можно привести фотонные кристаллы из пористого кремния, изготовленные по новому методу, предложенному Линком и Сейлором [129] . Нестандартный способ получения этих частиц позволяет формировать кристаллы необычного строения с непривычными физическими свойствами, из-за которых некоторые исследователи называют такие микрочастицы «умными пылинками». Характерной особенностью частиц «умной пыли» выступает то, что они как бы составлены из двух разных пластинок, в результате чего их противоположные поверхности обладают разными свойствами: одна сторона (условно зеленая) является гидрофобной, то есть водоотталкивающей, а другая (условно красная) – гидрофильной. Химики, которые иногда сталкиваются с подобными молекулами (в которых одна часть структуры является гидрофобной, а другая гидрофильной), называют их амфифильными и используют для структурирования различных растворов. Микропылинки пористого кремния описываемого типа сохраняют способность к структурированию, в частности, на водной поверхности они самопроизвольно ориентируются в определенной позиции, формируя монослой, в котором частицы обращены гидрофильными (красными) сторонами к воде, а гидрофобными (зелеными) – к воздуху.

Очень интересным выглядит поведение частиц пористого кремния при добавлении в воду капли гидрофобного растворителя дихлорметана, так как пылинки самоорганизуются на поверхности этой капли, как бы «прилипая» к ней своими гидрофобными участками. В результате такой самосборки в растворе, содержащем никак не связанные друг с другом индивидуальные пылинки, неожиданно возникает макроскопический объект, обладающий собственными оптическими, физическими и другими особенностями (рис. 17.8). Это необычное явление и позволяет говорить об «умной пыли», так как опыты показали, что такие частицы могут достаточно эффективно применяться для детектирования разнообразных химических веществ. Более того, при введении в такие частицы дополнительных распознающих центров, они могут использоваться для детектирования или обеззараживания патогенных микроорганизмов в воде и пище.

Такие вещества могут найти много возможностей практического применения, однако с чисто научной точки зрения в описанном поведении частиц нас должна заинтересовать в первую очередь их способность к самоорганизации, то есть проявлению внутренних закономерностей, управляющих развитием характеристик поведения системы. В рассматриваемом конкретном случае очень важно, что поведение системы на микроскопическом уровне неожиданно меняется при добавлении капли постороннего вещества (дихлорметана), после чего в системе возникают новые макроскопические объекты, то есть проявляется «скрытое» свойство системы.

В настоящее время теория и экспериментальные исследования проявления потенциальных (их можно также назвать скрытыми, внутренними, проявляющимися и т. п.) свойств различных систем переживают период накопления фактов и представлений. Представляется очевидным, что эта проблема является исключительно важной, а ее значение будет непрерывно возрастать по мере создания все более сложных искусственных систем, особенно когда эти системы приобретают новые функциональные способности (сравнимые с функциями биологической клетки), относящиеся, например, к переработке энергии, принятию самостоятельных решений и т. д. Дальнейшее развитие науки и техники (безусловно, связанное с нанотехнологиями) автоматически должно приводить нас к «слиянию» различных научных дисциплин, одним из последствий чего станет доведение «мимикрии» до полного подобия поведения систем. Иными словами, совершенствуя наши знания и технологические приемы, мы будем приближаться к пределу, когда перестанем воспринимать разницу между искусственными и природными системами. Возможно, преодоление этого интеллектуального барьера и позволит нам реально использовать нанотехнологии для улучшения параметров человеческого существования.

Выводы

Авторы этой главы ставили целью самое общее описание процессов малозаметного, но очевидного слияния нанотехнологий с другими науками, а также оценку возможностей использования процессов такого слияния для повышения качества жизни. Фундаментальные исследования в области нанонауки уже сейчас позволяют нам создавать «кирпичики» для построения совершенно новых устройств, которые обещают существенным образом преобразовать важнейшие условия социальной жизни. Мы стоим на пороге революционных изменений в промышленности и науке, включая энергетику, материаловедение, медицину и т. д. Принципиальное отличие проектируемых нанотехнологических систем от существующих заключается не столько в том, что новые системы будут синтезироваться в основном по принципу «снизу вверх», сколько в возможности придавать этим системам способность реагировать на внешние условия. Именно поэтому многие новые материалы часто называют умными или интеллектуальными. Новые качества материалов и устройств достигаются за счет использования возникающих в них новых свойств, а также нанометрических датчиков и приводных устройств. Например, выше описывалось координированное поведение частиц «умной пыли», проявляющей неожиданные коллективные особенности и порождающей даже новые макроскопические объекты, чему нет аналогов в привычных технологиях. Почти наверняка ученым следует готовиться к тому, что создаваемые ими наноустройства и наноматериалы будут все чаще обладать странными, то есть незапланированными свойствами, что может даже приводить к драматическим последствиям. Иными словами, создавая все более сложные устройства, мы должны быть готовы к тому, что они начнут самостоятельно перерабатывать поступающую информацию, то есть реагировать неожиданным образом на различные внешние импульсы. Целью исследователей должно стать использование таких новых характеристик, например, создание материала, который способен автоматически (реакция пептидов, входящих в состав материалов и т. п.) преобразовывать падающий свет в электричество.