Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2007 № 05
Сама идея не нова. Вспомним, например, как братья Стругацкие в повести «Попытка к бегству» описывают Яйцо, из которого за несколько часов «вылупился» глайдер-антиграв «Кузнечик» — «надежная шестиместная машина, очень популярная у десантников и следопытов». «Он стоял на краю громадной ямы-проталины, откуда поднимался густой пар, и гладкие борта его были еще теплыми, а в кабине было даже жарко».
Недавно даже такой серьезный научный журнал, как Nature, опубликовал статью, где красочно расписывается распространение нанороботов к 2100 году. Даже дома перестанут строить. Подъедет грузовик, из его кузова выгрузят «механозародыш». А дальше как бы сам собой вырастет коттедж, электростанция или даже целый завод. Все зависит от программы, заложенной в этот самый «зародыш».
Более того, в США уже зарегистрированы десятки фирм и исследовательских групп, которые пытаются найти ключ к давней мечте человечества, хорошо знакомой всем нам по сказке о Емеле и щучьем велении.
Об успехах многих из них пока не слышно. Но Intel публично продемонстрировала прототипы элементарных «кирпичиков» программируемой материи. Назвали это направление почему-то клэйтроникой (clay по-английски — глина).
Идея, лежащая в основе концепции, заключается в следующем. Специалисты Intel пытаются создать специальные искусственные «клатомы» — крошечные наноавтоматы. Они должны каким-то образом произвольно прицепляться и отсоединяться, перемещать себя друг относительно друга и — что немаловажно — обмениваться информацией о том, что им предстоит сделать.
Специалисты из Университета Карнеги-Меллона, с которыми сотрудничает Intel, показали с десяток разных опытных моделей клатомов, выполненных пока еще в достаточно большом масштабе. На них идет отработка первых этапов этой технологии. Пока что модельки, оснащенные электромагнитами, которые служат и для соединения, и для перемещения клатомов, ползают по столу и неким образом взаимодействуют между собой в очень примитивных вариантах — не больше 2–3 клатомов в одной «бригаде».
Прототипы будущих моделей наномеханизмов. Как видите, все они еще довольно внушительных размеров.
Правда, сами создатели этих микромашин полны оптимизма и показали ролик, иллюстрирующий поведение большой системы, на которой отрабатывается технология управления миллионами клатомов.
Сложность ведь не только в том, чтобы создать отдельные элементы и миниатюризировать их, нужно еще заставить их по сигналу извне совершать осмысленные действия в условиях, когда даже координаты отдельных клатомов толком неизвестны.
Специалисты надеются решить эту проблему, разработав принципиально новые управляющие системы, которые будут работать по псевдослучайному принципу, когда в массиве атомов случайным образом перемещаются незаполненные «дырки», коррекция движений которых осуществляется по вероятностному принципу. Показано было и то, как создатели клатомов намерены их производить в массовом количестве. Сначала с помощью более или менее стандартного литографического процесса «вытравливается» плоский рисунок — своеобразная «развертка» робота, а затем из нее «склеивается» особыми способами его объемный прототип.
Все это довольно любопытно, но многие специалисты справедливо указывают, что от первых экспериментов до создания настоящего, реально работающего Яйца еще далеко. Не случайно журнал Nature отводит на внедрение этой технологии без малого сто лет. Возможно, специалистам снова — в который уже раз?! — способна помочь природа.
Есть идеи получать клатомы аналогично тому, как природа строит вирусы и микробы. При помощи последних достижений генной инженерии можно создать некие псевдоорганизмы, которые будут не только выполнять определенные действия, но и окажутся способны к размножению. Но и здесь пока еще исследователи в самом начале пути.
Публикацию подготовил А. ПЕТРОВ
* * *ПРИМЕТЫ БУДУЩЕГО
Вирусы-монтажники?
В Массачусетском технологическом институте проведена серия экспериментов с вирусами, которые, возможно, приведут к глобальному перевороту в… микроэлектронике, сообщает журнал Scientific American.
Началось все с того, что специалист по материаловедению Анджела Белчер и ее коллеги попытались понять, как моллюск «морское ушко» строит свою поразительно прочную раковину. Ученые провели серию экспериментов и выяснили: «морское ушко» вырабатывает особые белки, которые заставляют молекулы карбоната кальция выстраиваться в две совершенно различные, но легко сочетаемые кристаллические структуры: одну прочную, а другую быстрорастущую.
По результатам своих исследований Белчер защитила диссертацию в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре и вскоре стала профессором Массачусетского технологического института (МТИ). Вот тогда она и решила заняться поиском или даже созданием биологических организмов, которые, подобно «морскому ушку», были бы способны строить из молекул, словно из кирпичиков, сложные структуры.
Анджела Белчер в лаборатории.
«В современной нанотехнологии такая стратегия называется самосборкой, — поясняет профессор Белчер. — Однако неповоротливое и медленно растущее «морское ушко» нас уже не устраивало. Нужен был маленький, гибкий и подвижный организм».
Испробовав немало вариантов, Белчер в конце концов остановила свой выбор на бактериофаге М13 — безвредном для человека вирусе, паразитирующем на бактериях. Его нитевидное тело состоит из единственной цепочки ДНК, окруженной 2700 молекулами одного белка по бокам и несколькими молекулами других белков на концах. Немалое значение для выбора играл и тот факт, что фаг можно конструировать из различных видов белков методами современной генной инженерии, получая миллиарды сочетаний. «Это был редкий случай, когда физики позаимствовали достижения биологов, — вспоминает А. Белчер. — Мне удалось всего за 300 долларов купить всю базу данных о разновидностях М13».
Биологи давно используют химическую избирательность фага М13 и его способность связываться с определенными органическими соединениями для идентификации проб неизвестных веществ. Белчер же показала, что вирус способен соединяться и с неорганическими молекулами, такими как металлы и полупроводники.
Чтобы заставить фаг связываться с нужными молекулами, исследователи обычно используют процесс так называемой направленной эволюции. Образец материала помещают в пробирку с миллиардами различных вирусов, потом промывают его и помещают в агрессивную среду (например, с повышенной кислотностью), чтобы удалить плохо прилипшие фаги. Оставшиеся на образце экземпляры М13 размножают, инфицируя ими бактерию-хозяина. В результате размножения появляются триллионы перспективных разновидностей фагов, которые используют на следующем этапе эволюции. Затем химический состав раствора изменяют, чтобы еще затруднить связывание фага с нужным веществом.
Ослабевшие вирусы снова смывают, а оставшиеся — размножаются. Затем процесс повторяется еще и еще раз во все более жестких условиях. Так после двух-трех недель дарвиновской эволюции из многих вариантов фага остается лишь самый цепкий — тот, который лучше всех сцепляется с данным материалом.
Вирусы М13 образуют золотые связи между органическими кристаллами.
Если в раствор, содержащий, например, ионы золота, поместить фаг с высокой избирательностью к этому металлу, то он вскоре покроет себя пленкой драгоценного металла и превратится в проволочку длиной 1 мкм, пригодную для соединения элементов микросхемы. Более того, такой вирус, соединяясь с себе подобными, образует сеть золотых микропроводников.
Впрочем, вирусы М13 способны самоорганизовываться в сложные структуры, покрывая себя не только золотом, но и иными веществами. Так, например, недавно А.Белчер смогла заставить фаги сформировать металлическую пленку площадью 10 кв. см и толщиной менее 1 мкм.
Сейчас А.Белчер и ее коллеги из МТИ Ет Мин Чианг, Паула Хэммонд и Ки Тэ Нам изготавливают из таких пленок электроды для сверхлегких литий-ионных аккумуляторов.
Схема получения литий-ионных аккумуляторов по новой технологии.
Катод можно сделать из листа специально выведенных фагов, покрывающих себя золотом для увеличения электропроводности и оксидом кобальта для обеспечения ионного обмена с электролитом батареи. Двухслойный электрод формируется самостоятельно на предварительно подготовленном полимерном электролите.
