Прогресс
Нанотехнологии - уже среди нас
Многие интересующиеся нанотехнологиями люди могут задать вопрос: близки ли современные исследования к тому, что описывал Дрекслер в "Машинах Создания"? Создано уже хоть что-нибудь, или нанотехнологии - это только красивые картинки манипуляторов и редукторов из атомов, напоминающие наборы от Lego? Отвечаю: пока нет ни одного наноробота, но отдельные действующие его части уже существуют. Так, в 1999 году группа исследователей из Корнелльского университета, возглавляемая Карло Монтеманьо (Carlo Montemagno), построила интегрированную биоНЭМС (НЭМС - наноэлектромеханическая система) - биомотор вращательного действия на основе энзима АТФазы.
Многие проектировщики нанороботов тут же включили АТФазный мотор в свой инструментальный арсенал. Так, в рамках проекта BioNanorobot университет Рутгерса представил модель простого наноробота, состоящего из одной нанотрубки, на одном конце которой - биомотор, а на другом - набор протеиновых маркеров, связанных с лекарством, находящимся внутри нанотрубки.
Такая система сможет быстро перемещаться по кровеносным сосудам человека, доставляя лекарства только к больным клеткам. При этом "роботу" не нужно ни компьютера, ни средств связи, ни даже питания - биомотор находится в крови, где хватает "топлива" для его работы - молекул АТФ. Все компоненты для создания устройства уже имеются, теперь основная задача - соединить их вместе.
АТФаза - уникальный энзим, который можно найти практически в любом живом организме. Он состоит из двух частей:
1) F0, гидрофобной части, связанной с мембраной, отвечающей за транспорт протонов, и 2) F1, гидрофильной части, ответственной за синтез и гидролиз АТФ. По мере того как протоны протекают через F0, часть энзима, g-субъединица части F1-ATФазы, вращается по часовой стрелке и идет синтез АТФ. Гидролиз АТФ происходит при вращении g-субъединицы против часовой стрелки; при этом направление протекания протонов реверсируется. Присоединив флуоресцентную микросферу диаметром 1 мкм к g-субъединице АТФазы, ученые смогли измерить радиальное отклонение микросферы при вращении g-субъединицы.
Дальнейшие исследования будут направлены на изучение инженерных свойств мотора и его производительности. Это необходимо для разработки функционирующих наномеханических устройств, приводимых в движение F1-АТФазой. Следует, например, выявить зависимость производительности мотора в виде обобщенной функции от теплоотдачи, выхода протонов, рН и загрузки энзима АТФ. Более того, нужно изучить взаимодействие между субъединицами a3b3g, чтобы методами протеиновой инженерии улучшить производительность мотора, если это возможно.
Исследователи из университета Беркли во главе с Алексом Зеттлом (Alex Zettl) сконструировали действующий электростатический наномотор размером 500 нм.
Ротор наномотора изготовлен из золота и закреплен на многослойной нанотрубке. Подшипники образованы двумя нанотрубками, вставленными одна в другую. Толщина ротора - 5–10 нм. Два заряженных статора, тоже золотых, расположены на кремниевой поверхности. Одним из неприятных сюрпризов стала невозможность точно измерить скорость вращения наномотора (по данным электронной микроскопии - не менее 30 оборотов в секунду). Исследователи считают, что наномотор можно заставить вращаться быстрее, увеличив частоту напряжения, поданного на электроды статора. Ротор и электроды статора были нанесены с помощью электроннолучевой литографии (после этого, разумеется, слой кремния под ротором удалили).
Когда на электроды подавалось постоянное напряжение 50 В, ротор отклонялся на 20 градусов, а когда подавалось переменное напряжение, ротор производил маятникообразные движения, работая как осциллятор.
Для транспортирования молекул и отдельных атомов к месту сборки ученые могут использовать уже созданный наноконвейер на основе нанотрубок. Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли трансформировали углеродные нанотрубки таким образом, чтобы получить конвейеры, способные транспортировать молекулярные объекты к микроскопическим линиям сборки. Это поможет в будущем развить автоматизированное молекулярное производство.
Пропуская через нанотрубку слабый электрический ток, ученые добились перемещения отдельных частиц индия вдоль нанотрубки. Подобным образом работает автомобильный конвейер, перемещая сборочные части от одного рабочего места к другому. Результаты работы опубликованы в апрельском выпуске Nature. "Теперь мы не будем перемещать атомы один за другим, когда есть возможность использовать конвейер", - говорит Крис Реган (Chris Regan) из лаборатории материаловедения, соавтор исследования, в котором принимали участие также Ульрих Дамен (Ulrich Dahmen), Роберт Ричи (Robert Ritchie) и Алекс Зеттл.
"Работа конвейера больше похожа на перекачку воды с помощью насоса и прикрепленного к нему шланга - частицы индия прямо-таки перекачиваются из одного места в другое вдоль нанотрубки, - продолжает Крис Реган. - Наша система проста и реверсивна и требует всего одну нанотрубку, источник энергии и транспортируемый материал. Более простой метод нанотранспортировки придумать пока трудно".
Весной 2004 исследователям из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе удалось создать из органических молекул сложные молекулярные машины, которые были названы нанотехнологическими лифтами. Нанолифт состоит из молекулы-платформы, шахтой для которой является другая молекула. Плоская платформа соединена с тремя богатыми кислородом колечками. Шахта же имеет плоскую крышу и стоит на трех вертикальных прутиках, каждый из которых пронизывает одно из колец. Размеры конструкции - 2,5 нм в высоту и 3,5 нм в ширину. Кислотно-щелочная реакция используется, чтобы привести лифт в действие.
Исследователи считают, что нанолифты могут применяться для управления химическими реакциями или же в качестве систем доставки лекарств. Пригодятся нанолифты также и при автоматизированной молекулярной сборке.
Одновременно с этим исследователи из университета Нью-Йорка построили "шагающего" наноробота, использовав оригинальный принцип: робот поочередно то присоединяет свои "ноги", состоящие из фрагментов ДНК, к базовой молекуле ДНК, то отсоединяет их от нее, продвигаясь таким образом вперед.
Создание подобного двигающегося наноустройства - один из серьезных прорывов в построении наносистем. Надриан Симэн (Nadrian Seeman) и Уильям Шерман (William Sherman), построившие ДНК-робота, говорят, что многие ученые до них пробовали создать движущиеся "двуногие" наноструктуры, но это первый успешный результат. Ранее Симэн уже удивлял мировое научное общество различными "поделками" из молекул ДНК: это и микроскопические пинцеты, и разнообразные трехмерные ДНК-структуры.
Мобильные ДНК-роботы могут помочь в сборке более сложных наносистем: нанокомпьютеров, точных наноманипуляторов и нанороботов. Также ДНК-роботы, оснащенные наноманипуляторами, смогут оперировать отдельными молекулами и атомами, воплощая в жизнь главную задачу нанотехнологии.
Как видим, за последнее время произошло немало открытий, ускоряющих развитие нанотехнологий. На очередной конференции Института предвидения Дрекслер сказал, что нанотехнологии сейчас развиваются гораздо быстрее, чем он ожидал. Поэтому не будет ничего удивительного, если уже через два-три года нанотехнологии начнут пользоваться повышенным спросом на мировом рынке. Тем более что первые продукты, полученные с их помощью, уже есть в продаже.
Где уже применяются нанотехнологии?
Материаловедение
Компания NanoTex выпускает ряд самоочищающихся тканей, а также тканей, которые трудно испачкать и намочить. Фирма NanoSonic недавно представила одежду Metal Rubber, которая может менять форму в зависимости от желаний хозяина. Производители говорят, что она не содержит ни металлов, ни резины - лишь различные виды сложных полимеров, которые обеспечивают ей пластичность.
Не отстают и россияне. Так, концерн "Наноиндустрия" выпустил специальный восстанавливающий состав на основе адаптивных наночастиц, который может защитить от износа практически любые трущиеся металлические поверхности! Если залить такой состав в картер автомобиля, можно надолго забыть об износе двигателя. Дело в том, что при работе механические части нагреваются от трения, тем самым катализируя присоединение металлических наночастиц к поврежденным областям. А при сильном нагреве от избыточного наращивания наночастицами деталей они утрачивают свою способность к присоединению. Таким образом, в трущемся узле постоянно поддерживается тепловое равновесие, и детали практически не изнашиваются.
Для уменьшения расхода топлива группа GM Research использует нанокомпозиты, которые заменят традиционные автомобилестроительные материалы.
Новый Hummer H2 SUT будет легче, прочнее и экономичнее. Краска, состоящая из нескольких слоев наночастиц, будет более стойкой к царапинам и не потускнеет со временем. "Каждая часть машины может быть улучшена, так как вся машина состоит из молекул и атомов, а это и есть основной предмет нанотехнологии", - говорит г-н Тауб, глава исследователей GM Research.
Биотехнологии и медицина
Последние успехи нанотехнологий, по словам ученых, могут оказаться весьма полезными в борьбе с раковыми заболеваниями. Новинка компании pSivida под названием BrachySil способна доставлять противораковое лекарство непосредственно к цели - в клетки, пораженные злокачественной опухолью. Одна из главных проблем в борьбе с раком заключается как раз в том, что очень трудно истреблять больные клетки, не задевая здоровые. Известно, что радио- и химиотерапия приносит много вреда человеческому организму своими побочными действиями.
Новая система, основанная на материале, известном как биосиликон, испытывается в данный момент на двух раковых пациентах в сингапурской больнице, к которым в ближайшее время присоединятся еще десять.
Наносиликон обладает пористой структурой (десять атомов в диаметре), в которую удобно внедрять лекарства, протеины и радионуклиды. Достигнув цели, биосиликон начинает распадаться, а доставленные им лекарства берутся за работу. Причем, по словам разработчиков, новая система позволяет регулировать дозировку лекарства. Если испытания в Сингапуре пройдут успешно, BrachySil появится на рынке к 2006 году.
Уже сейчас компания QuantumDot выпускает квантовые точки, присоединенные к антителам. В дальнейшем она планирует создать систему картографирования квантовых точек для поиска внутри человеческого тела определенных молекул. Так, например, если сделать квантовую точку совместимой с маркерами раковых клеток, то можно будет картографировать метастазы и опухоли. К сожалению, разработка технологии QuantumDot пока не завершена, так что осязаемых результатов мы дождемся лишь через несколько лет.
И, конечно, всем известная косметическая фирма Л’Ореаль уже использует в своих продуктах наносомы (нанокапсулы с полезными веществами и витаминами) для лучшей доставки питательных веществ в клетки кожи.
Пока все размышляют о том, опасны ли фуллерены и другие наночастицы, Nucryst Pharmaceuticals делает деньги на производстве покрытий с серебряными наночастицами для лечения хронических воспалений и открытых ран. Сейчас проходит второй этап клинических испытаний нанокристаллического серебра в качестве противовоспалительного средства. Новое покрытие уже успешно лечит экзему.
Как известно, серебро убивает бактерии. Наночастицы, производимые компанией, убивают до 150 видов бактерий в течение 30 минут. Продолжительность антибактериального действия покрытия - несколько дней. Наночастицы также попадают в кровь и действуют как противовоспалительное средство. Частицы серебра имеют размеры от 10 до 30 нм в длину. Компания планирует ежегодно производить покрытие размерами 150 тысяч квадратных метров. Продукт будет общедоступен для всех желающих - нужно будет просто пойти в аптеку. Возможно, новое покрытие будет продаваться в виде бактерицидных пластырей.
А пока компания Nucryst прикидывает, российский Институт нанотехнологий МФК уже проводит испытания домашних антибактериальных фильтров на основе серебряных наночастиц отечественного производства, превосходящих по своим характеристикам частицы Nucryst.
На сегодняшний день не известно никаких физических законов, запрещающих манипулирование материей атом за атомом. Экспериментальные данные и прогресс в области нанотехнологий в последние годы полностью подтверждают это.
Юрий Свидиненко
11.01.2006, 21:03
