Как устроены наномашины и зачем они нужны

Ничто так не пугало Блеза Паскаля, как бесконечность. Бездны виделись ему повсюду. Но особенно часто он вспоминал о них, размышляя о, как ему казалось, фрактальной бездне масштабов над и под осязаемым миром людей.

Сегодня у нас есть причины считать, что эти две бесконечности не так уж и бескрайни.

Если идти по масштабу вверх, когда-нибудь мы обязательно наткнемся на раздувающиеся границы нашей Вселенной, а если вниз — то повстречаемся с кварками, а потом и вовсе — упремся в планковскую длину.

Бездна микромира совсем не бездонна и имеет четкие границы, за которыми само понятие размера теряет всякий смысл.

Если же говорить только о масштабах материальных объектов, то тут дно еще ближе. Закрыв глаза на недра нейтронных звезд и прочие неуютные места, скажем, что в привычных нам условиях вещество может стабильно существовать лишь в виде атомов и их заряженных производных, ионов.

Нет, они, конечно, состоят из элементарных частиц, но частицы эти подчиняются совсем уж труднопредставимым законам квантового мира, так что нам имеет смысл остановиться именно на атомах. Их форм-фактор начинается от 0,1 нм. Примерно такой диаметр имеет атом водорода.

Для этой длины даже придумали отдельное название — ангстрем. Связываясь друг с другом, атомы образуют молекулы, большинство которых умещаются в диапазон от долей до многих сотен нанометров.

Именно в этом диапазоне скрываются захватывающие возможности. Впервые о них заговорил неугомонный выдумщик Ричард Фейнман. Его лекция «There is plenty room in the bottom!» («Внизу полным-полно места!») 1959 года стала настоящим пророчеством наступающего века нанотехнологий. И пусть с высоты второго десятилетия XXI века некоторые тезисы выступления Фейнмана звучат наивно, в целом оно на редкость точно выражает преимущества и сложности работы в наномире.

Пожалуй, самое очевидное и интуитивно понятное преимущество миниатюризации технологий до наномасштабов — это рост их производительности и уменьшение количества потраченных ресурсов. Пусть наше гипотетическое устройство имеет форму куба. При уменьшении его линейных размеров в 10 раз его объем, а значит, и количество необходимого сырья уменьшится в 1000 раз! Даже если из-за уменьшения размера производительность прибора упадет — не страшно, ведь в тот же объем можно будет запихать в тысячу раз больше новых устройств.

Эта идея нашла свое воплощение во взрывном развитии микроэлектроники, так сильно поменявшем мир за последние десятилетия. В том же 1959 году, за несколько месяцев до исторического выступления Фейнмана, физик-электронщик Жан Эрми из калифорнийской Fairchild Semiconductor придумал технологию создания планарного транзистора.

Этот момент можно считать началом похода в наномир, темпы которого до недавнего времени описывались знаменитым «законом Мура».

Число транзисторов на кристаллах процессоров безудержно росло, удваиваясь приблизительно каждые два года. В 1971 году размер полупроводника интегральной микросхемы составлял 10 микрометров. Сегодня же микроэлектронщики вплотную подошли к внедрению 7-нанометровых полупроводников.

Естественно, спуск в бездну наномира не может продолжаться вечно. Упрямые законы квантовой механики ограничивают минимальный размер полупроводника 1,5−2 нанометрами, что всего лишь на порядок больше размеров большинства атомов.

Похоже, что этого нанодна микроэлектроника достигнет во второй половине следующего десятилетия, после чего для качественного роста производительности придется уже внедрять вычислительные устройства на абсолютно других физических принципах. Но это будет уже совсем другая история.

На нанометровых же масштабах законы квантовой механики периодически напоминают о себе, но еще не вступают в свои права. Хозяевами поля все еще остаются знакомые нам правила старой доброй механики. Однако и у них появляются свои особенности.

При уменьшении размеров соотношение массы и площади поверхности резко смещается в сторону последней, из-за чего нанообъект практически полностью лишается инерции, да и действие силы тяжести на его ничтожную массу ощущается крайне умеренно.

Поэтому нанообъекты, в сравнении со своими полноразмерными прототипами, будут иметь намного большую относительную прочность. Ведь прочность детали пропорциональна площади ее сечения, а масса — объему.

А вот тепловое движение, наоборот, выйдет на первый план. Из-за него все атомы или отдельные молекулы, составляющие нашу наномашину, будут постоянно колебаться и раскачиваться друг относительно друга. Так что о твердых механических деталях в таком масштабе можно забыть.

Молекулы среды, захваченные броуновским движением, будут постоянно наносить нашей машине удары в самых непредсказуемых направлениях, сбивая ее с курса, а то и просто отбрасывая в случайном направлении. В этом есть и свои плюсы, например, заброшенный в стратосферу нанозонд будет свободно парить там долгие месяцы и годы, пока не опустится до уровня облаков и не угодит в микрокаплю зарождающегося дождя.

В жидкой среде проблемы тепловых колебаний и броуновского движения встанут еще более серьезно. Как сказал в свой нобелевской лекции Бернард Феринга, в наномире перед нами не стоит вопрос, как достичь движения, но стоит вопрос, как его контролировать.

Существует как минимум два подхода к решению этой задачи. Первый — попытаться сократить тепловое движение. Именно этим путем пошли создатели молекулярных наноавтомобилей.

Помехи, создаваемые броуновским движением, можно преодолеть, попросту убрав подвижную среду — газ или жидкость.

Поместить машину в вакуумную камеру, еще и охладив ту до сверхнизкой температуры, чтобы снизить интенсивность колебаний атомов самой машины и подложки, на которой она стоит. Тогда шальные молекулы воздуха перестанут бросать нашу машину с места на место. Но как же нам создать двигатель для нашего молекулярного суперкара?

Ни о каком перенесении принципов теплового двигателя в наномир не может быть и речи: он слишком сложен, требует огромного количества механических элементов, и главное — наноструктуры не способны удерживать тепло нагретого рабочего тела, моментально отдавая его окружающему пространству или плотной среде. Тем более что нагрев нашей машины на хотя бы пару десятков градусов выше абсолютного нуля сделает ее полностью неуправляемой. Электродвигатели кажутся более реалистичной альтернативой.

За последние десять лет было предложено несколько концептов наноэлектродвигателей, основанных на туннельном эффекте. Конечно, их физические принципы значительно отличаются от электродвигателя какой-нибудь «Теслы».

И их стоит рассмотреть подробнее, на примере самого удачного мотора для наномашины, того самого, что принес своему создателю Бенджамину Феринге Нобелевскую премию по химии 2016 года.

Роль «колес» у машины Феринги играли молекулы углеводорода, связанные с «корпусом» двойной связью (С=С). Замкнуть эту связь можно двумя разными способами: либо так, чтобы цепи молекулы, отходящие от атомов углерода, смотрели в одну сторону — тогда мы получим цис-изомер вещества, либо так, чтобы они смотрели в разные стороны — тогда мы получим транс-изомер.

При определенных условиях некоторые цис-изомеры легко переходят в транс- и наоборот — нужно лишь передать им немного энергии, например посветить на них светом нужной длины волны (к слову, именно эта реакция лежит в основе нашего зрения).

Так вот, под действием тока (да, это не просто наномашина, а целый нанотроллейбус!), проходящего через наномашину, двойные связи между «колесами» и «кузовом» возбуждаются и в них случается этот самый цис-транс-переход, поворачивающий молекулярное колесо на 180 градусов. При этом оно не может завершить поворот и упирается в торчащую сбоку углеводородную цепь, изрядно напрягая всю конструкцию.

Как и мы с вами, молекулы не любят долго находиться в напряжении. Поэтому очень скоро молекула изгибается, перебрасывая углеводородную цепь через колесо, и релаксирует, сбрасывая потенциальную энергию.

Само же колесо при этом доворачивается до положенных 180°. Теперь все готово к следующему цис-транс-переходу. Углеводородная цепь выступает тут как стопор, позволяя колесу крутиться лишь в одну сторону. Два таких цикла цис-транс-изомеризации дают полный оборот наноколеса.

Конечно, тут вы спросите: а как вообще можно подводить электрический ток к машине размером с не самую крупную молекулу? Тут как нельзя кстати пришелся сам метод наблюдения за отдельными молекулами — сканирующая туннельная микроскопия.

Она основана на том, что молекулы и даже отдельные атомы на токопроводящей (в данном случае медной) подложке можно наблюдать по протеканию через них туннельного тока, поступающего по иглоподобному зонду микроскопа. В экспериментах с наномашинами именно такой микроскоп позволяет не только наблюдать за ними, но и приводит в движение их наномоторы.

Описание подобного «нанопривода» принесло Феринге треть Нобелевской премии и послужило для его коллег крайне заразительным примером — с этого момента появилось множество проектов электрических нанодвигателей. Ну и, конечно, от идеи соревнования было не уйти: ученые — они же как дети! Разве что игрушки у них дороже.

Уже несколько лет существует кубок гоночных молекулярных наномашин. Согласно его регламенту, за 38 часов команда гонщиков, вооружившись своими учеными степенями и сканирующим туннельным микроскопом, должна провести свой «болид» по 90-нанометровой дистанции с двумя сложнейшими поворотами, использовав всего лишь один зонд-наконечник для микроскопа.

Конечно, нанокары — это безумно круто! Но, положа руку на сердце, тяжело найти практическое применение машинке молекулярного размера, способной передвигаться лишь при температуре на несколько градусов выше абсолютного нуля в полном вакууме силой целой команды аспирантов во главе с усталым постдоком.

Но что если не бороться с тепловым движением, а поставить его себе на службу? Вдруг можно научиться его направлять?

Именно на этом принципе работают почти все биологические наномашины. У живых систем нет ни единого шанса устоять перед натиском теплового «шума», благодаря которому внутри них протекают миллионы различных химических реакций. Вместо этого эволюция научилась использовать тепловое движение, создав на его базе отдельный тип биологических моторов — броуновские храповики.

Вездесущий Ричард Фейнман и здесь умудрился оставить свой след. Впервые идея броуновского храповика прозвучала в его классическом курсе физики, за что периодически это устройство называют феймановским храповиком с собачкой.

Идея проста: есть зубчатое колесо, приводимое во вращение случайными ударами молекул. Хаотичные удары толкают его то вперед, то назад, но собачка дает ему поворачиваться лишь в одну сторону.

Естественно, этот механизм не может нарушить законы термодинамики, и без затраты дополнительной энергии работу с его помощью мы не получим. Здесь он сродни нашему старому знакомому — демону Максвелла. Однако при приложении дополнительной энергии для работы молекулярной собачки, такая конструкция может оказаться вполне работоспособным двигателем.

Именно таким путем и пошла эволюция. В клетках всех живых существ постоянно работают тысячи броуновских машин. По сравнению с синтетическими микроавтомобилями они гибки и подвижны. Ведь им не нужно сопротивляться тепловому движению, а достаточно лишь направить его в нужную сторону.

Самый очевидный пример: белок-синтезирующие фабрики наших клеток — рибосомы.

Эти огромные (по молекулярным меркам) биологические машины, состоящие из десятков белковых макромолекул, ползут по матричной РНК, синтезируя белок, закодированный в ее последовательности. Движущей силой одномерных блужданий рибосомы вперед-назад по цепи мРНК является исключительно тепловое движение. Но ее продвижение назад блокируется, а вперед — направляется и фиксируется на нужный срок целой системой энергозависимых молекулярных собачек.

Одна из них — фактор элонгации EF-G, расщепляющий топливо ГТФ до ГДФ.

Практически все биологические моторы, за небольшим исключением, представляют собой броуновские храповики. Природа отлично научилась использовать хаос в своих целях, извлекая из него максимальную выгоду.

Временами мы пытаемся скопировать ее решения, но до нее нам пока что очень далеко. Биологические наномашины неизмеримо сложнее и эффективнее наших.

Они спокойно работают в невообразимых для нашей нанотехники условиях живого организма и, самое главное, способны к практически неограниченному воспроизведению и самосборке.

С другой стороны, нанобиомашины, как и все биологические объекты, почти неконтролируемы извне, а большинство из них способно работать лишь в очень узком диапазоне условий, характерном для организма.

В то время как нам очень хочется научиться создавать послушные наномашины для самых разных задач. Например, нанозонды для космоса и верхних слоев атмосферы.

Или наноэлектроды для прямого подключения к нервным клеткам. Очевидно, что одно из самых перспективных направлений в нанотехнике будет лежать в месте пересечения естественного и искусственного. Но об этом мы поговорим уже в следующий раз.