С тех пор, как слово «нанотехнологии» обрело всемирную популярность, огромное распространение получили истории о «нанороботах», захватывающих Вселенную. Фантасты состязаются в выдумывании самого жуткого сценария всемирной катастрофы, кинематографисты снимают многомиллиардные блокбастеры, а в блогосферу периодически просачиваются ужасные слухи о том, что «в Китае в результате секретного наногенного эксперимента родился трёхголовый щенок-мутант». Что правда, а что вымысел в футуристических «страшилках»? Чем в действительности занимаются учёные, создающие и исследующие наноструктуры? Как они это делают?
Кошмар Эрика Дрекслера 1
Идею «серой пыли» (в некоторых вариантах – «серой слизи») выдвинул один из идеологов современного нанотехнологического бума Эрик Дрекслер . Корни её содержатся во вполне позитивном стремлении людей к уменьшению размеров устройств и к улучшению свойств материалов, которыми они пользуются. И нанотехнологии обещают тут прорыв не меньшего масштаба, чем при появлении металлургии, пластмасс или композиционных материалов.
Важное обстоятельство: преимущества наноустройств и наноматериалов в масштабах мировой экономики станут заметны лишь тогда, когда наноструктурированные изделия достигнут макроразмеров. Для примера: если использовать при строительстве здания наноразмерные присадки, добавки, модификаторы и т.д., то можно улучшить характеристики конструкции на проценты, максимум – в разы. Если же всё здание целиком будет собрано из наноструктурированных строительных блоков, то оно может превосходить ныне существующие в десятки и сотни раз.
Но – чем меньше становится некая деталь или устройство, тем больше усилий нужно затратить на его изготовление, на контроль и обращение с ним. Т.е., чем меньше деталь, тем она дороже. Что же делать?
Оригинальное решение проблемы состоит в том, чтобы «научить» наноразмерные устройства собирать самих себя без участия человека. Каждый из нас видел, как образуются узоры на морозном стекле. Это пример самоорганизации на молекулярном уровне. Молекулы водяного пара из воздуха осаждаются на кристаллическую затравку, спонтанно возникшую на стекле. Осаждение происходит неравномерно, распределение поверхностной энергии по поверхности кристалла-затравки благоприятствует встраиванию новых молекул преимущественно в определённом месте и, как следствие, росту структуры строго в определённом направлении. В результате мы можем наблюдать глазом – т.е. на уровне макроструктуры – возникновение на стекле замысловатых двухмерных узоров.
Эрик Дрекслер предсказал, что магистральным путём развития нанотехнологий будет создание и совершенствование подходов молекулярной и атомарной самосборки. Логическим развитием этого направления должны стать микро- и на- ноконвейерные производства, в которых технологии самосборки будут использоваться наноразмерными машинами для воссоздания себя и подобных себе наноустройств. Именно такие (и только такие) фабрики, способные работать без участия человека в режиме нон-стоп 24 ч в сутки и 365 дней в году, смогут создавать десятки, сотни и тысячи тонн относительно недорогих, но, в то же время, наноструктурированных материалов, деталей и устройств. И только в этом случае станет возможной реализация всех тех фантастических возможностей, которые обещает умение контролировать структуру материалов и свойства деталей с атомарной точностью.
Именно здесь и кроется тот кошмар, который Дрекслер назвал «серой слизью». Что будет, если на одной из таких автономных нанофабрик сломается что-то в механизме контроля технологии, и наномашины перестанут делать полезные нанодетали, а вместо них начнут просто воссоздавать самих себя? Возникнет некое искусственное существо, столь крошечное, что его будет очень трудно заметить и уничтожить. Оно сможет легко распространяться, если сумеет попасть в окружающую среду, и единственное, что оно станет делать, – использовать весь материал планеты для производства наноструктурированной «пыли» или «слизи» (слизь страшнее, поэтому этот сценарий получил большее распространение). Постепенно вся живая и неживая природа будет «сожрана» и переработана в нанослизь.
Молекулярная самосборка, живая и неживая
Прежде всего нам нужно разделить искусственные технологии и живую природу. Потому что в живой природе именно процессы молекулярной самосборки лежат в основе самовоспроизводства макросистем. Способность белковых молекул специфически и избирательно связываться с другими молекулами – это фундаментальная особенность, лежащая в основе всех процессов, происходящих в живой клетке. В геноме человека закодированы десятки тысяч белковых структур. Этого достаточно, чтобы обеспечивать клетку строительными материалами, чтобы она могла извлекать энергию из высокоэнергетических соединений, обмениваться сложной системой сигналов с другими клетками в структуре организма и т.д.
Это значит, что примеры нанофабрик, способных существовать автономно и воспроизводить самих себя на основе молекулярной самосборки, – это все живые существа.
Мы знаем достаточно много, чтобы утверждать, что именно молекулярная самосборка лежит в основе роста и развития любого живого организма. Но мы знаем пока слишком мало, чтобы создать аналогичную систему из искусственных материалов и чтобы она работала.
Учёным сегодня известны тысячи реакций молекулярного взаимодействия по принципу самосборки. Многие из них промоделированы и детально изучены. Но в живой клетке происходят многие миллионы межмолекулярных реакций, и все они осуществляются направленно.
Сегодня невозможно себе представить, чтобы кто-то смог создать искусственный аналог живой клетки или хотя бы вируса – наиболее простой системы, способной к самовоспроизведению. Теоретически это возможно, но это перспектива многих десятилетий научных исследований.
А что можно сделать с помощью самосборки молекул сейчас?
Можно создавать единичные нанодетали и наноустройства. Они не будут способны воспроизводить себя, будут весьма дорогими в производстве, но их присутствие в макроустройстве может принципиально улучшить технические характеристики и потребительские свойства. Речь идёт о технологиях МЭМС и НЭМС (Микро- и НаноЭлектро- Механические Системы). Например, комплексы на платформе НаноФаб 100 позволяют в условиях высокого вакуума переносить пластины кристаллического кремния из одного технологического модуля в другой и последовательно создавать на кремнии самые разные наноразмерные структуры. При этом важную роль играют технологии на основе самосборки, например выращивание эпитаксиальных моноатомных слоев. Они позволяют формировать наноструктурированные заготовки – очень правильные, с точно заданными свойствами.
Однако для изготовления конечной детали или устройства принципиально важным оказывается комплексный подход: имея совершенную заготовку, нам необходимо иметь возможность прицельных нанолокальных воздействий на неё. И тут возникает вопрос: Как увидеть, чем измерить?
Итак, самосборка молекул – это один из способов создавать наноструктуры. Но для того чтобы созданные структуры можно было использовать в реальных изделиях, нужно иметь инструменты, которые позволяют видеть наноразмерные объекты, измерять их физико-химические свойства и вообще контролировать процесс их создания и встраивания в изделия МЭМС и НЭМС. Что это за инструменты?
Безусловно, самый информативный и перспективный метод анализа наноструктур на сегодня – сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ). Суть этого подхода в том, что к поверхности образца подводят очень острую иглу – зонд, – которую затем перемещают от точки к точке (сканируют) и измеряют силу взаимодействия между иглой и поверхностью образца. Иглы-зонды могут быть самыми разными, соответственно, разной будет природа сил взаимодействия, а значит, можно исследовать различные характеристики нанообъекта.
Например, если зонд токопроводящий, с его помощью можно измерять электрические свойства в каждой точке поверхности (электропроводность, ёмкость, заряженность и др.). С помощью зонда с магнитным покрытием можно определить намагниченность образца и построить карту распределения и ориентации магнитных доменов в поверхностном слое магнитных материалов. Алмазным зондом можно измерить твёрдость материала с нанометровым разрешением. Всего существует более 40 методик сканирующей зондовой микроскопии. Единственным принципиальным ограничением СЗМ является то, что вся информация собирается исключительно с поверхности.
Вторым важным инструментом исследования наноструктур является электронная микроскопия (ЭМ). Мощные трансмиссионные электронные микроскопы сегодня дают субангстремное пространственное разрешение. Ограничение данного подхода кроется в том, что электроны взаимодействуют с веществом, а значит, не могут проникать глубоко. Наиболее выгодные образцы для трансмиссионной микроскопии – тонкие и твёрдые структуры, например фольги, двумерные кристаллы и т.п.
Растровая электронная микроскопия так же, как и СЗМ, позволяет получить визуальное изображение поверхности образца. Принципиальных отличия два.
Во-первых, получаемое изображение имеет только две координаты, которые можно количественно измерить (X и Y). Высоту наблюдаемых структур можно оценить косвенно, но измерить количественно невозможно (СЗМ даёт точное значение высоты в каждой точке). Во-вторых, электроны, в отличие от твёрдотельного зонда, всё же проникают внутрь материи. Поэтому в ЭМ есть возможность получить информацию о приповерхностном слое. Пучок электронов, которым сканируют объект, обладает очень высокой энергией; сталкиваясь с атомами вещества, электроны отражаются, рассеиваются, а также вызывают серьёзные изменения в электронной оболочке атомов. Анализ энергии электронов, а также рентгеновских квантов, которые вылетают из области взаимодействия пучка с веществом, позволяет получить информацию об элементном составе в приповерхностном слое объекта.
Весьма полезную информацию о внутренней структуре материи в масштабе нанометров может дать поток рентгеновского излучения. На относительно крупных неоднородностях в структуре объекта (нанометры и десятки нанометров) рентгеновские лучи могут отклоняться, и это явление лежит в основе малоуглового рентгеновского рассеяния (МУРР). МУРР позволяет исследовать размеры и распределение наночастиц в составе взвесей, в структуре полимерных нанокомпозитов. Этот же метод помогает обнаружить и изучить наноразмерные полости, например в твёрдых пенах, а также весьма полезен при исследовании тонких плёнок. Если же неоднородности сравнимы с длиной волны рентгеновского излучения (а это ангстремы – характерные размеры атомов и атомарных решёток в кристаллах), то анализируют широкоугловое рассеяние (ШУРР). Этот метод даёт информацию о дефектах в кристаллической решётке, позволяет реконструировать пространственную организацию биологических или синтетических макромолекул.
Самым хорошим источником рентгена для подобных исследований является синхротрон, однако современное развитие компактных систем для рентгеновской дифрактометрии предоставляет в руки учёных эффективные настольные инструменты для многих прикладных задач ШУРР и МУРР.
Инструменты российского лидерства
В последние годы стало модным ругать отечественную индустрию, судачить о том, как всё плохо в нашей науке. Однако есть примеры того, как отечественные научно-производственные компании создают оборудование для самых передовых исследований даже в масштабе всей мировой науки.
Так, в подмосковном Зеленограде вот уже 20 лет работает компания «Нанотехнология МДТ» . Здесь разрабатываются и серийно производятся исследовательские приборы для нанотехнологий, которые охотно приобретают ведущие научные центры по всему миру.
Ключом к успеху оказался комплексный подход к изучению наноструктур.
В конце прошлого года мы оборудовали уникальный наноцентр в Курчатовском институте, – рассказывает Виктор Быков , генеральный директор и основатель НТ-МДТ. – Основу центра составил комплекс на платформе НаноФаб 100, интегрированный с каналом вывода синхротронного излучения. НаноФаб 100 – это множество технологических модулей для формирования, обработки и анализа наноразмерных структур, собранные в единую автоматизированную систему».
Теперь у исследователей есть возможность вырастить некую структуру одним из методов молекулярной самосборки (например, в камере для роста эпитаксиальных структур), модифицировать её методами нанолокального воздействия (например, придать необходимую форму с помощью фокусированного ионного пучка, причём проделывать это можно при одновременном наблюдении с использованием колонны электронного микроскопа), а затем изучить её характеристики в модуле сканирующей зондовой микроскопии.
Вместе с источником синхротронного излучения получается полный набор того, что вообще может понадобиться учёному. Важно, что образец всё время находится в условиях высокого или сверхвысокого вакуума, а специальные технические решения обеспечивают точное его репозиционирование при транспортировке из модуля в модуль – каждый новый инструмент попадает точно в то же место на образце, с которым работали в предыдущем модуле.
Принцип интеграции различных методических подходов в единой системе отлично работает и при создании относительно компактных исследовательских приборов. Например, в Минске работает совместное белорусско-японское научное предприятие «Солар ТИИ».
Минск – это не Россия, но научная школа всё та же, советская. В своё время японцы заинтересовались нашими технологиями и наработками в области спектроскопии комбинационного рассеяния (КР). С их инвестициями были разработаны спектрометры КР, недорогие, с отличными характеристиками, весьма конкурентные на мировом рынке.
Сегодня сочетание минских спектрометров и зеленоградских сканирующих зондовых микроскопов позволило создать совершенно уникальную исследовательскую систему. Этот прибор использует эффекты нелинейной оптики и, благодаря этому, обходит принципиальные физические ограничения, например предел дифракции, лимитирующий пространственное разрешение оптических методов спектроскопии. Интеграция двух подходов – спектроскопии КР и сканирующей зондовой микроскопии – дала возможность получать информацию о химическом составе поверхностного слоя с разрешением до 50 нанометров!
Другой пример. В московском Институте физической оптики с помощью патентованной технологии (так называемая «линза Кумахова») научились фокусировать рентгеновские лучи в очень узкое пятно – до сих пор никто в мире делать этого не умел. Так стало возможным проводить рентгенофлуоресцентный анализ микроскопических областей на образце. А в результате интеграции компактной микрорентгенофлуоресцентной установки с СЗМ появился ещё один уникальный прибор. Он позволяет исследовать рельеф поверхности и одновременно даёт информацию об элементном составе выбранного микроучастка образца.
Можно констатировать, что отечественное оборудование для нанотехнологических исследований занимает прочные позиции в ряду самых передовых в мире.
***Понятно, что толпы галактических нанороботов, уничтожающих всё на своём пути, или, если хотите, облака вредоносной «разумной» нанопыли, – это не более чем сюжеты для околонаучной фантастики. Однако самосборка наноразмерных структур существует, это важное и чрезвычайно перспективное направление развития нанотехнологий.
Пока что мы находимся на том уровне знаний и умений, когда каждый создаваемый нанообъект приходится тщательно исследовать, и при этом необходимо контролировать все внешние условия, чтобы полученный продукт можно было бы использовать в практических целях. Это только самое начало пути, и тем приятнее осознавать, что отечественная наука и отечественные технологии находятся в авангарде этого движения. Мы взяли хороший темп на старте и, будем надеяться, нам удастся сохранить лидерство и в дальнейшем.
1 Ким Эрик Дрекслер , род. в 1955 г., американский инженер. Работая в НАСА с 1975 г., уже тогда применял нанотехнологические подходы для повышения эффективности солнечных батарей. В 1986 г. основал «Форсайт Инститьют», главной целью которого является исследование перспектив расширения возможностей человека с помощью нанотехнологий и связанных с этим рисков. Покинув эту организацию в 2005 г., Дрекслер работает главным техническим консультантом в компании «Нанорекс», производящей программное обеспечение, используемое в проектировании наноструктур
Заместитель директора Форсайт-центра Института статистических исследований и экономики знаний НИУ ВШЭ Александр Чулок прочитал в ЦПКиО им. Горького лекцию, посвященную научно-техническому прогрессу и его влиянию на человечество. Помимо темы развития технологий, Чулок рассказал о возникновении новых рынков и смерти старых, а также о проблемах, связанных с этими процессами.
В ответ на вопрос «как сейчас угадать будущее?» вынужден вас огорчить: это практически невозможно. Однако будущее можно сформировать таким, каким мы хотим его видеть. Наступила экономика ожиданий, которая во многом обусловлена принципиально новыми потребностями, новыми подходами к работе с информацией. Теперь я кратко расскажу о том, какие ключевые изменения ждут нас в ближайшие 20 лет в основных секторах экономики.
Медицина и здравоохранение
Здоровье - это первое, что волнует человека. В России все более заметен тренд на заботу о своем физическом состоянии: все хотят быть подтянутыми, красивыми, спортивными и, конечно, здоровыми. В сфере здравоохранения сейчас наблюдается отчетливая тенденция к персонализации.
Покажу на таком примере. Медицинские разработки позволят адаптировать схему лечения под конкретного человека с опорой на расшифровку его генома (уже сейчас «базовый» набор стоит 100 евро, а что будет, когда стоимость упадет в десять раз?), анализ его окружения, того, как он живет, чем дышит. В перспективе вместо стандартных лекарств будут продаваться индивидуальные схемы лечения, согласно которым, скажем, вам нужно вставать в 6 утра, спать до 9, обязательно есть клубнику и ни в коем случае не находиться на солнце до 10 вечера в Турции, но если это будет солнце Египта - то тогда вопросов нет.
Александр Чулок
Фото: hse.ru
Отдельный вопрос - будут ли пациенты придерживаться необходимой схемы лечения? Большинство принимают таблетки, скажем, не пять дней, как положено, а три и бросают - помогло же, зачем дальше принимать? В случае с хроническими заболеваниями почти каждый второй игнорирует предписания врачей. Забыть о графике приема лекарств и оптимизировать их дозировку позволят имплантируемые микрочипы.
Надеюсь, мы увидим конец традиционной диспансеризации: не нужно будет идти в клинику сдавать анализы, за состоянием организма будет следить специальный наручный браслет. Уже существуют мобильные устройства, фиксирующие десятки разных биометрических показателей.
Готовы ли к таким изменениям большие фармакологические компании? Очевидно, им придется адаптироваться. Как и аптекам, которые в своем нынешнем виде тоже станут не нужны, ведь человек сможет напечатать любой препарат на домашнем 3D-принтере.
С развитием 3D-принтинга связан следующий тренд - замена органов. В прошлом году в Бельгии старушке заменили челюсть, напечатав ее на 3D-принтере. Новость тогда быстро облетела весь мир, однако в общей сложности операция обошлась под миллион евро. Через 20 лет у многих людей в организме появится какой-либо напечатанный орган. Сейчас уже печатают легкое, почку, глаз.
Уйдут в прошлое попытки «починить» то, что уже «сломалось», врачи не будут говорить, мол, вот заболеете, тогда и приходите. Медицина, которая сейчас развивается в США, Германии, Израиле, - это медицина профилактики. Ее базовая задача: предупреждать болезнь, а не лечить ее последствия.
Улучшение свойств человека - еще одна из бурно развивающихся тенденций в медицине. Сейчас происходит сращивание нано-, био-, инфо- и когнитивных технологий, позволяющих кардинальным образом усилить человека, оптимизировать его интеллектуальные и физические особенности буквально за гранью интуиции самого гениального конструктора. Несколько лет назад в швейцарском городе Люцерн состоялся съезд футурологов, которые говорили, что к 2045 году человек обретет бессмертие, а мысли будут передаваться от человека к человеку, что может привести к образованию новых сообществ.
Теперь представьте себе такую картину: 120-летний старичок, который ГТО сдает лучше тридцатилетнего, бегает кросс и у которого мозги работают в пять раз лучше, а опыта в десять раз больше. Работодатель возьмет его, а не молодого, которого еще многому надо обучать. Что же делать 30-летним «лоботрясам»? И это глобальный вызов. Многие страны об этом уже всерьез задумались.
Сейчас появилось много аналитики на основе анализа данных соцсетей, кто-то говорит об их контроле. Но как вы будете контролировать мысли? Например, если раньше в ряде европейских стран, когда вы попадали на запись, сделанную городской камерой, то могли требовать, чтобы вас оттуда вырезали, то сейчас что вы будете вырезать? Спутник? Интерфейс? Facebook или Mindbook?
Очевидно, что технологии будут все сильнее влиять на геополитическую обстановку: если страна не «впишется» в новую технологическую волну, не обеспечит своим гражданам высокое качество жизни, она рискует потерять наиболее активный, пульсирующий идеями креативный слой.
Информационно-телекоммуникационные системы
Мы наблюдаем стремительное тотальное проникновение информационно-телекоммуникационных технологий (ИКТ). Кто бы мог лет 70 назад представить, что мы будем разговаривать с помощью маленьких коробочек? Сейчас почти все ходят с мобильными телефонами, кто-то - со смартфонами в виде браслета. Расстояние между устройством и телом человека составляет 2-3 сантиметра. И оно сокращается, в будущем девайсы просто уйдут под кожу. А еще немного, и у нас появятся интерфейсы мозг-компьютер.
Фото: Jordi Boixareu / Zumapress / Global Look
Сейчас сложно представить, как поменяют наше мышление виртуальная реальность и дополненная реальность. Наш социум распадется - мы будем слушать лекцию, сидя в очках виртуальной реальности на даче, при этом находясь в виртуальной комнате или школе. Уже сейчас благодаря сервисам, таким как Coursera, можно смотреть отличные курсы практически по всем областям знаний. Причем пока вы просто слушаете вебинары, но в будущем появятся технологии, позволяющие быть внутри этой виртуальной комнаты.
Например, объем рынка технологий дополненной реальности в хирургии составляет около 5 миллиардов долларов, и это только одно их применение. Уже существуют прототипы шлемов, которые позволяют получать актуальную и полную информацию о строящемся объекте: кто его создал, сколько он стоит и какие у него могут быть проблемы. Это совсем другой уровень анализа, управления и контроля.
Приходит время полностью цифровых фабрик. Например, у компании Amazon.com на складах нет ни одного человека, практически за все процессы отвечают роботы. У нас лишь несколько редких примеров попыток создать такие производства. Очевидно, что эффект их распространения будет равносилен технологиям телеграфа для мира голубиной почты. Мир переходит на платформенные решения, это совсем иная парадигма производства, а мы, например, все пытаемся наладить в стране консолидированную дискуссию по 3D-принтерам, а за рубежом они уже давно продаются в специализированных магазинах, или дискутировать про солнечные батареи, а уже появились разработки прозрачной солнечной батареи. Следующий шаг - заменить ими окна и перейти к полностью энергонезависимому дому. А если он еще подключен к smart grid - умной распределенной энергетической системе, то еще и начнет отдавать энергию в сеть, благодаря чему достигается положительный баланс. Сколько вы платите за электроэнергию? А теперь представьте, что эти деньги будут платить вам.
Энергетика
Скорее всего, энергетика будущего будет автономна, умна, экологична и адаптивна под потребности человека. У многих есть внешние аккумуляторы, заряжающие мобильные устройства, но сейчас уже разработана пленка, позволяющая заряжать телефон за несколько минут. В будущем его батарейка будет служить не 3-4 дня, а месяц или два, годы.
Следующий тренд в энергетике - это все независимое. В Америке уже несколько десятилетий разрабатывается технология автономного солдата, заряжающего снаряжение просто при ходьбе. А теперь представьте, что вы находитесь в своеобразном «энергококоне», вы подключены через специальный костюм или устройство к общей распределительной энергосети. Можно будет обмениваться энергией напрямую. Представленный недавно домашний накопитель Tesla - это только первый ход. Он очень дорогой и пока не особо эффективный, но прорывы в энергетике ожидаются колоссальные.
В классических форсайтах принято изучать не только те тренды, которые, скорее всего, наступят, но и такие события, вероятность наступления которых минимальна, но если они произойдут, то от такого «джокера» мало никому не покажется. Одним из таких, увы, неприятных «джокеров» была авария на «Фукусиме», ее мало кто ожидал, а эффект был колоссальным. Сейчас многие анализируют эффекты от развития доступных технологий извлечения метана из газогидратов, сланцев, добычи нефти нетрадиционных месторождений. Но это все события в зоне нашего управленческого предвидения, а что если у нас будут созданы эффективные, дешевые, «зеленые», при этом миниатюрные источники энергии, например ядерные мини-реакторы? Их влияние на сложившиеся цепочки создания добавленной стоимости будут колоссальными.
Транспорт
Транспортные технологии обеспечат эффект сжатия пространства. К сожалению, российская инфраструктура пока выступает сильным барьером для развития этого тренда в нашей стране. А ведь так хотелось бы провести выходные на Камчатке или Байкале. Пока мы обдумываем планы по дорожному строительству, китайские скоростные поезда всерьез нацелились на преодоление барьера в 1000 километров в час, используя технологии магнитной левитации.
Современные транспортные средства, безусловно, будут функционировать не только на земле, но и в воздухе, причем некоторые могут выйти за пределы атмосферы. Многими странами уже ведутся разработки по созданию «космического лифта». Развитие тросовых систем, включая разработку «космического лифта», позволит изменять орбиты космических аппаратов, перемещать грузы между орбитальными станциями, осуществлять запуски малых космических аппаратов и доставку полезных грузов на орбиту. Ключевой барьер здесь - это сам трос, который должен выдерживать даже не лифт, а собственный вес. Волокно толщиной с волос должно выдерживать тонну (сейчас - 500-600 килограммов). Чтобы сделать такой трос, нужны нанотехнологии. Они произведут настоящую революцию во многих отраслях.
Производство, наука и образование
Сейчас мы пытаемся внедрять аддитивные технологии - 3D-печать, а на смену им придет молекулярная самосборка - это еще более продвинутая технология. На молекулярном уровне можно будет собирать все что угодно. Используя нанофабрики, можно будет создавать вещи, продукты, для производства молока в будущем корова будет не нужна. Эти технологии - «убийцы» 3D-принтеров.
Имплант челюсти, напечатанный на 3D-принтере
Фото: uhasselt.be
Ключевая проблема во всем умном (умных сетях, городах, домах, предприятиях и пр.) - это моделирование. И тут приходят на помощь наши математики. Здесь у нашей страны определенно есть шансы, чтобы добиться ведущей позиции на рынке. Однако мы наблюдаем интересную закономерность: как только исследователь наращивает уровень цитирования, зачастую меняется его аффилиация, принадлежность к тому или иному университету: если в его ранних работах указано, что человек из России, то в более поздних - бах! - уже какой-нибудь американский университет.
Таким путем шел и Китай. Китайцы выкупали профессоров по индексу цитирования вместе с их семьями, давали им зарплаты как в Америке. Они говорили им: «работайте, но права на созданную интеллектуальную собственность будут принадлежать КНР». Теперь есть китайские машины, китайские самолеты - все made in China.
Мы тратим на науку примерно 15 миллиардов долларов в год, а США - 450 миллиардов долларов. Если смотреть на распределение в мировой науке, то нас там совсем чуть-чуть. И такой момент. Есть метод, который называется «анализ исследовательских фронтов». Если другие ученые вдруг начинают активно цитировать исследователей, которые занимаются определенными областями, значит, именно в этих областях науки возможен прорыв. Но если за рубежом публикации, скажем, по медицине напрямую связаны с биохимией, химией, физикой, инжинирингом, то в публикациях российских ученых этих связей почти нет. У нас основная область науки - это астрономия.
) — процесс образования упорядоченной надмолекулярной структуры или среды, в котором в практически неизменном виде принимают участие только компоненты (элементы) исходной структуры, аддитивно составляющие или «собирающие», как части целого, результирующую сложную структуру.
Описание
Самосборка относится к типичным методам получения наноструктур (наноматериалов) «снизу–вверх». Основная задача, которая стоит при ее реализации - это необходимость таким образом повлиять на параметры системы и так задать свойства отдельных частиц, чтобы они организовывались с образованием желаемой структуры. Самосборка находится в основе многих процессов , где «инструкции», как собирать большие объекты, «закодированы» в структурных особенностях отдельных молекул. Следует отличать самосборку от , которая может быть использована как механизм создания сложных «шаблонов», процессов и структур на более высоком иерархическом уровне организации, чем тот, что наблюдался в исходной системе (см. рис.). Отличия состоят в многочисленных и многовариантных взаимодействий компонент на низких уровнях, на которых существуют свои, локальные, законы взаимодействия, отличные от коллективных законов поведения самой упорядочивающейся системы. Для процессов самоорганизации характерны различные по масштабу энергий взаимодействия, а также существование ограничений степеней свободы системы на нескольких различных уровнях ее организации. Таким образом, процесс самосборки - более простое явление. Тем не менее, не стоит опускаться до крайностей и считать, например, что процесс роста монокристалла - это самосборка атомов (что соответствует, в принципе, определению), хотя, например, самосборка более крупных объектов - микросфер одинакового размера, формирующих плотнейшую шаровую упаковку, что приводит к образованию так называемого (трехмерной дифракционной решетки из микросфер), - это типичный пример самосборки. К самосборке можно отнести формирование (например, молекул тиолов на гладкой золотой пленки), образование пленок , и пр.
Иллюстрации
Автор
- Гудилин Евгений Алексеевич
Источники
- Философия наносинтеза // Нанометр, 2007. -www.nanometer.ru/2007/12/15/samosborka_5415.html (дата обращения: 13.10.2009).
- Self-assembly // Wikipedia, the free Encyclopedia. - http://en.wikipedia.org/wiki/Self-assembly (дата обращения: 31.07.2010).
которые обещает умение контролировать структуру материалов и свойства деталей с атомарной точностью.
И мен но здесь и кроется тот koi имар, который Дрекслер назвал «серой слизью». Что будет, если на одной из таких автономных нанофабрик сломается что-то в механизме контроля технологии, и иа-номашины перестанут делать полезные нанолетали, а вместо них начнут просто воссоздавать самих себя? Возникнет некое искусственное существо, столь крошечное, что его будет очень трудно заметить и уничтожить. Оно сможет легко распространяться, если сумеет попасть в окружающую среду, и единственное, что оно станет делать, - использовать весь материал планеты для производства наноструктурированной «пыли» или «слизи» (слизь страшнее, поэтому этот сценарий получил большее распространение). Постепенно вея живая и неживая природа будет «сожрана» и переработана в напослизь.
Молекулярная самосборка, живая и неживая
Прежде всего нам нужно разделить искусственные технологии н живую природу. Потому что в живой природе именно пропессь! молекулярной самосборки лежат в основе самовоспроизводства макросистем. Способность белковых молекул специфически и избирательно связываться с другими молекулами - это фундаментальная особенность, лежащая в ос нове всех процессов, происходящих в живой клетке. В геноме человека закодированы десятки тысяч белковых структур. Этого достаточно, чтобы обеспечивать клетку строительными материалами, чтобы она могла извлекать энергию из высокоэнергетических соединений, обмениваться сложной системой сигналов с другими клетками в структуре организма и т.д.
Это значит, что примеры нанофабрик, способных существовать автономно и воспроизводить самих себя на основе молекулярной самосборки, - это все живые существа.
Мы знаем достаточно много, чтобы утверждать, что именно молекулярная самосборка лежит в основе роста и развития любого живого организма. Но мы знаем пока слишком мало, чтобы создать аналогичную систему из искусственных материалов и чтобы она работала
Примеры формирования поверхностных наноструктур путём самоорганизации:
а) Эти островки на кремниевой пластине имеют высоту 0,3-0,6 нм. Изображение и образец предоставлены Е.Е. Родякиной, С.С. Косолобовым, Д.В. Щегловым, А.В. Латышевым. Институт
физики полупроводников СО РАН, Россия;
б) Массив упорядоченных пирамидальных островков на германиево-кремниевой подложке. Изображение получено М.В. Шалевым, Институт физики микроструктур РАН, Нижний Новгород, Россия. Образец предоставлен А.В. Новиковым, Н.Ю. Шулешовым, М.В. Шалаевым, Институт
физики микроструктур РАН
Учёным сегодня известны тысячи реакций молекулярного взаимодействия по принципу самосборки. Многие из них промоделированы и детально изучены. Но в живой клетке происходят многие миллионы межмолекулярных реакций, и все они осуществляются направленно. Сегодня невозможно себе представить, чтобы кто-то с мог создать искусственный аналогживой клетки или хотя бы виру са -наиболее простой системы, способной к самовоспроизведению. Теоретически это возможно, НО Это перспектива многих десятилетий научных исследований.
А что можно сделать с помощью самосборки молекул сейчас?
Можно создавать единичные нанодста-ли и наноустройства. Они не будут способны воспроизводить себя, будут весьма дорогими в производстве, но их присутствие в макроустройстве может принципиально улучшить технические характеристики и потребительские свойства.
Речь идёт о технологиях МЭМС
Так выглядят элементы НЭМС, изготавливаемые уже сегодня
и НЭМС (Микро- и НаноЭлектро-Механические Системы), Например, комплексы на платформе НаноФаб 100 позволяют в условиях высокого вакуума переносить пластины кристаллического кремния из одного технологического модуля в другой и последовательно создавать на кремнии самые разные наноразмерные структуры. При этом важную роль играют технологии на основе самосборки, например выращивание эпитаксиальных моноатомных слоев. Они Позволяют формировать наноструктурироваппые заготовки -очень Правильные, с точно заданными свойствами.
Однако для изготовления конечной детали или устройства принципиально важным оказывается комплексный подход: имея совершенную заготовку, нам необходимо иметь возможность прицельных нанолокальных воздействий па неё. И тут возникает вопрос:
Как увидеть, нем измерить?
Итак, самосборка молекул - это один из способов создавать наноструктуры. 11о для того чтобы созданные структуры можно было использовать в реальных изделиях, нужно иметь инструменты, которые позволяют видеть наноразмерные объекты, измерять их физико-химические свойства и вообще контролировать процесс их создания it встраивания
В последние годы понятие «самоорганизация» широко используется для того, чтобы описать и объяснить сходные явления в физических, химических, биологических и даже экономических и социологических системах. Казалось бы, вопреки общепринятым термодинамическим закономерностям в распределенной динамической системе, состоящей из присущих ей простых элементов, возникает упорядоченность - сложные структуры, сложное поведение или же сложные пространственно-временные явления. При этом свойства возникающих структур принципиально отличаются от свойств исходных элементов системы. И наиболее удивительно то, что самоорганизация в системе появляется спонтанно из однородного состояния.
Самоорганизация - это явление самопроизвольного образования структуры в различных по своей физической природе системах. Под самопроизвольным возникновением структуры подразумевают появление упорядоченного состояния в изначально случайном распределении компонентов системы без видимого внешнего воздействия. Упорядоченными состояниями в общем случае могут быть сохраняющееся во времени пространственно-неравномерное распределение материальных компонентов системы; незатухающие колебания концентраций компонентов системы, когда они осциллируют между двумя или более значениями; более сложные формы упорядоченного коллективного поведения компонентов. Образование структуры одинаково присуще как физическим устройствам типа лазеров, так и химическим реакционным средам и биологическим тканям, сообществам живых организмов, геологическим и метеорологическим процессам, социальным феноменам человеческого общества. Механизмы самоорганизации оказываются различными для разных по своей природе систем, но тем не менее всем им присущи некоторые общие структурные и динамические характеристики.
Различным по своей природе системам могут соответствовать разные, нередко резко отличающиеся друг от друга уровни сложности самоорганизации. Эта сложность определяется характером самоорганизующейся системы - сложностью ее структуры и поведения, динамических механизмов взаимодействия компонентов. Так, намного более сложное поведение коллективных насекомых (пчел, термитов, муравьев) по сравнению с бактериями и вирусами лежит в основе намного более сложных процессов самоорганизации поведения в сообществе коллективных насекомых. При этом конкретные проявления процессов самоорганизации на сравнительно простых уровнях ее сложности могут выступать как составная часть явлений на более сложном уровне.
Яркие и непротиворечивые примеры самоорганизации были обнаружены среди физических систем. Понятие самоорганизации распространилось и на химические явления, где наряду с ним достаточно широко используется термин «самосборка». А в биологии самоорганизация на протяжении второй половины XX века сделалась центральным понятием при описании динамики биологических систем, начиная с внутриклеточных процессов и до эволюции экосистем. Таким образом, самоорганизация представляет собой явление междисциплинарного характера и принадлежит к области знаний, которую обычно называют кибернетикой или более узко - синергетикой.
Любой конкретный процесс самоорганизации основан на некотором дуализме. С одной стороны, самоорганизация системы осуществляется конкретными физическими, химическими или какими-то иными механизмами. С другой - для того чтобы система была самоорганизующейся, необходимо выполнение общих для всех самоорганизующихся систем кибернетических условий - общих принципов самоорганизации.
- 1. Процессы самоорганизации возникают в распределенных динамических системах. Распределенная система должна представлять собой совокупность большого числа отдельных компонентов, элементов, составляющих систему. К ним могут относиться отдельные молекулы в химических реакционно-диффузионных системах, особи в косяке рыб, отдельные люди в толпе, собравшейся на площади. Эти компоненты должны взаимодействовать друг с другом, т. е. система должна быть динамической, функционирующей на основе динамических механизмов.
- 2. Важная особенность процессов самоорганизации заключается в том, что они осуществляются в открытых системах. В термодинамически замкнутой системе эволюция во времени приводит к состоянию равновесия с максимальным значением энтропии системы. И, согласно Больцману, это состояние с максимальной степенью хаотичности.
- 3. В системе должны проявляться положительные и отрицательные обратные связи. Процессы, протекающие в динамической системе, стремятся изменить исходные соотношения между вовлеченными в эти процессы компонентами системы. Это условно можно назвать изменениями на выходе системы. В то же время эти компоненты являются исходными для протекающих в системе процессов, они являются и параметрами на входе в систему. Если изменения на выходе системы влияют на входные параметры так, что изменения на выходе усиливаются, это называется положительной обратной связью. Под отрицательной обратной связью подразумевается ситуация, когда динамические процессы в системе поддерживают постоянное состояние на выходе. В общем случае динамические системы с положительными и отрицательными обратными связями моделируются нелинейными дифференциальными уравнениями. Это является отражением нелинейного характера систем, способных к самоорганизации, - основного, по-видимому, свойства системы, определяющего ее способность к самоорганизации.
Понятие «самосборка» имеет химическое происхождение. Его ввел в 1987 году французский химик Ж.-М. Лен для того, чтобы выделить среди многочисленных явлений самоорганизации процессы самопроизвольного структуро- образования в системах, которые находятся в состоянии термодинамического равновесия. Действительно, известно большое число таких процессов структурообразования в равновесных, а точнее близких к равновесию условиях. Среди них, например, переходы «спираль-клубок» в полимерных молекулах, образование надмолекулярных структур амфифильных молекул (мицеллы, липосомы, бислои) и т. д., вплоть до кристаллизации. В основном термин «самосборка» используют по отношению к молекулярным системам. Тем не менее процессы, относимые к самосборке, были обнаружены и в случае других микро- метровых образований.
Самосборкой называют процесс, при котором из отдельных компонентов или составляющих смеси благодаря минимизации их общей энергии образуется самопроизвольно упорядоченное единое целое (агрегат). В природе конечная конформация огромного числа макромолекул (таких, как белки, мицеллы, липосомы и коллоиды) формируется посредством самосборки в процессе фолдинга. Имеется много примеров естественной самосборки, самопроизвольно происходящей под воздействием природных сил. Такие природные самосборки наблюдаются на всех уровнях (от молекулярного до макромолекулярного) и в различных системах живой материи.
Самосборка в нанотехнологии охватывает широкий круг понятий и способов усложнения структуры, начиная от выращивания кристаллов до создания совершенных биологических организмов. С помощью природных механизмов при таких самосборках можно формировать и создавать различные наноструктуры и далее более крупные системы и материалы с требуемыми физико-химическими свойствами. Укрупненные неоднородные агрегаты должны быть пригодны для выполнения различных сложных функций или создавать новые формы материалов с необычными свойствами.
Осуществление направляемой самосборки требуемых искусственных наноструктур из молекулярных «строительных» блоков - основная задача нанотехнологии. Разумеется, для ее решения необходимо использовать сведения о межмолекулярном взаимодействии между молекулярными «строительными» блоками, пространственном расположении наноструктур, результаты компьютерного молекулярного моделирования, а также данные бионики. Под бионикой подразумевают получение на основе структур и функций биологических субстанций искусственных объектов, имитирующих природные системы.
Самосборка является основным процессом (или движущей силой), который привел от неживой материи к эволюции биологического мира. Понимание, индуцирование и направление самосборки - это ключ для постепенного перехода на нанотехногию «снизу вверх». Если знать принципы самосборки, можно понять роль различных сил межмолекулярного взаимодействия, управляющих данной самосборкой. Для индуцирования процесса требуемой самосборки и управления ею также необходимо уметь моделировать и прогнозировать протекание процесса самосборки при различных условиях.
Успех самосборки предопределяют пять факторов:
- 1. Наличие молекулярных «строительных» блоков. Наибольший интерес для нанотехнологии представляют самосборки молекул больших размеров, в диапазоне от 1 до 100 нм. При этом чем более крупными и хорошо структурированными являются исходные молекулярные «строительные» блоки, тем более высок уровень технического контроля за остальными молекулами и их взаимодействиями, что значительно облегчает процесс самосборки. В качестве наиболее универсальных и перспективных категорий молекулярных «строительных» блоков могут рассматриваться алмазоиды - углеводороды, в которых атомы углерода образуют тетраэдральную пространственную решетку, точно такую же, как и в алмазе (адаманта- ны, диамантаны и триамантаны).
- 2. Межмолекулярные взаимодействия. Обычно силы, обеспечивающие самосборку, определяются слабыми нековалентными межмолекулярными связями: электростатическими и водородными связями, ван-дер-ваальсовыми, полярными, гидрофобными и гидрофильными взаимодействиями. Совместимость отдельных частей и стабильность всего комплекса самосборки обеспечивается большим числом таких слабых взаимодействий для конформации каждого молекулярного участка. Примером стабильной самосборки, построенной при слабых взаимодействиях, является структура белков.
- 3. Обратимость процесса. Существующие, а также предполагаемые самосборки в нанотехнологии являются управляемыми, но самопроизвольными процессами, в ходе которых молекулярные «строительные» блоки объединяются в требуемые упорядоченные сборки или комплексы. Чтобы такой процесс был самопроизвольным, он должен осуществляться обратимым путем.
- 4. Обеспечение подвижности молекул. Из-за динамической природы процесса самосборки для его осуществления необходима жидкая среда. Возможная для использования внешняя среда может включать: жидкости, газы, флюиды в сверхкритическом состоянии, межфазные границы между кристаллами и жидкостями со стороны жидкой фазы и т. п. Во всех этих случаях во время самосборки должны происходить динамические обменные процессы в направлении достижения минимального значения энергии системы.
- 5. Среда протекания процесса. На самосборку значительное влияние оказывает окружающая среда. Образующийся молекулярный агрегат представляет собой упорядоченное множество частиц, которое имеет термодинамически наиболее устойчивую конформацию. Самосборка происходит в жидкости и газообразной среде (включая среду «плотный газ - сверхкритический флюид»), вблизи межфазной границы между кристаллом и флюидом или на поверхности раздела между газом и жидкостью.
На каждой стадии сборки по крайней мере один компонент должен свободно диффундировать в растворителе, чтобы найти специфический, только ему предназначенный центр связывания после обследования всех возможных положений и ориентаций. Для этого необходимо, чтобы компонент был растворим, имел поверхность, комплементарную поверхности своего специфического центра связывания, и чтобы все остальные поверхности заготовки и компонента были некомплементарны для предотвращения их устойчивого связывания. Указанные параметры дополняют функциональные требования: для формирования сложных структур с помощью самосборки более всего подходят материалы и рабочие среды в естественных условиях. Этот процесс с успехом применяется в суп- рамолекулярной химии, он также широко используется для управления молекулярной кристаллизацией.
Рассмотрим методологию самосборки. Имеется два ее вида, которые основаны на двух процессах, происходящих, во-первых, на поверхности раздела между жидкой и твердой фазами и, во-вторых, внутри флюидной фазы. За флюидную фазу можно принимать жидкость, пар или плотный газ (в сверхкритическом состоянии).
Существует ряд лабораторных способов самосборки, использующих флюидную среду в качестве внешней для ассоциации молекул, а твердую поверхность в качестве основы для нуклеации и роста.
Фиксация молекул в качестве затравок для сборки на твердых подложках, применяемых для самосборки, может осуществляться при образовании ковалентных или нековалентных связей между молекулой и поверхностью. Первые обусловливают необратимую и, следовательно, устойчивую фиксацию на всех стадиях сборки. Фиксация с помощью вторых - обратимый процесс, в начале которого она нестабильна, однако становится устойчивой при соответствующем развитии процесса самосборки.
Ковалентной связью, чаще других используемой для фиксации, является связь сульфида с благородным металлом. Один из таких примеров - ковалентная связь между тиолсодержащими молекулами (такими, как алкантиоло- вые цепочки или белки, содержащие цистин в структуре) и золотом. Типичные нековалентные связи, используемые для фиксирования, включают следующие три вида связывания: 1)за счет энергии сродства к антителам; 2) за счет энергии сродства с помощью системы биотин-стреп- тавидин и ее модификации; 3) комплексообразование с фиксированными ионами металлов.
Большое практическое значение представляет самосборка монослоя. Согласно определению монослой, полученный в результате самосборки, - это двухмерная пленка толщиной в одну молекулу, которая образует ковалентные связи с твердой поверхностью. Самосборка монослоя широко используется в нанотехнологии, в том числе в нанолитографии, при модифицировании адгезионных свойств и характеристик смачивания поверхностей, в разработке химических и биологических сенсоров, изолирующих слоев в микроэлектронных схемах и изготовлении наноприборов и др.
Различные способы получения самособираю- щихся монослоев (ССМ) протеинов:
Рассмотрим различные способы самосборки монослоя белка (рис. 6.14).
- 1. Физическая адсорбция. Данная методика основывается на адсорбции белков на таких твердых поверхностях, как угольный электрод, оксид металла или кремния. Адсорбированные белки образуют самособирающийся монослой с беспорядочно ориентированными белками. Контроль ориентационных характеристик можно улучшить с помощью модификации белка и самой поверхности, что показано на рис. 6.14а.
- 2. Включение полиэлектролитов или проводящих полимеров, которые могут служить матрицей, поверхность которой захватывает, закрепляет и адсорбирует белки. Этот процесс показан на рис. 6.146.
- 3. Включение в самособирающийся монослой алкантиоловых цепочек создает похожий на мембрану монослой на благородном металле, при этом белки могут быть физическая адсорбция (а); вкрапление протеинов в полиэлектролиты или проводящие полимеры (б); вкрапление в ССМ (в); присоединение к ССМ с неориентированным расположением (г ); присоединение к ССМ с ориентированным расположением (б); прямое сайт-специфическое присоединение к поверхности золота (е).
расположены без какой-либо определенной ориентации. Если использовать цепочки разной длины (создание вмятин и ямок), то это обусловит определенную топографию самособирающегося монослоя, которая, в свою очередь, может ориентировать белки (рис. 6.14в).
- 4. Неориентированное присоединение к самособираю- щемуся монослою. В данном случае у цепочек, образующих самособирающийся монослой, на концах имеются функциональные группы, которые неспецифическим образом реагируют с разными участками белка. По этой причине ориентация белков носит случайный характер, что изображено на рис. 6.14г.
- 5. Ориентированное присоединение к самособирающе- муся монослою. Принципы сборки такие же, как и в предыдущем случае, но здесь функциональная группа специфически взаимодействует только с определенным доменом или участком данного домена, и, следовательно, осуществляется четко выраженная ориентация. С этой целью структура белков может быть химически или генетически модифицирована. Данный способ самосборки изображен на рис. 6.14д.
- 6. Прямое избирательное присоединение к золоту. Это происходит при связывании цистина, обладающего уникальными свойствами, с поверхностью золота. В данном случае ориентация полностью контролируется. Такой вариант присоединения показан на рис. 6.14е.
Самосборка, направляемая воздействием деформации, применяется при изготовлении и соединении проводов и переключателей. Поверхность с литографически заданным рельефом пропитывается осаждаемым веществом контролируемого состава в условиях возникновения деформации. В подложку можно ввести функциональную группу, которая обычно ассоциируется с функциональными возможностями поверхности. Этот способ самосборки может использоваться, например, при создании полупроводниковых устройств, где требуется фиксировать компоненты системы на твердой подложке, чтобы полностью контролировать протекание процесса самосборки и его завершение.
Схема ДНК-направляемой сборки
ДНК можно использовать как для избирательной по узлу фиксации, так и в качестве связующего вещества, в результате появляется решеточный каркас для самосборки наноструктур. Синтез конъюгата нуклеиновой кислоты и белка с использованием специфических взаимодействий между двумя комплементарными нитями ДНК, антигеном и антителом, между БИО и СТВ может обусловливать эффективные механизмы, определяющие направление присоединения наноструктурных модулей (рис. 6.15).
Недавние успехи генной инженерии, достигнутые в методах воздействия на последовательности ДНК, фиксируемые на поверхности золота, подобно легированию, еще больше увеличивают контроль над процессом самосборки. Подобный метод можно применять в случае молекул неорганических веществ, достигающих размеров нанокристаллов. ДНК также можно использовать для синтеза с участием темплетов. Примером такого синтеза является изготовление нанопроводов из серебра при использовании ДНК в качестве основы.
Эффективным способом открытия перспективных соединений и самосборок является применение достижений динамической комбинаторной химии, которая представляет собой эволюционный подход к нанотехнологии «снизу вверх». Для разработки структуры динамической комбинаторной химии необходимо собрать динамическую комбинаторную библиотеку промежуточных компонентов, которые при добавлении шаблонов образуют требуемую молекулярную сборку. В динамической комбинаторной химии важным компонентом является механизм распознавания молекул. Дополнением является знание особенностей создания комплексов «гость-хозяин».
В настоящее время комбинаторная химия используется как метод теоретического исследования при установлении структурных основ функции ферментов и идентификации новых ингибиторов энзимов. Полагают, что с ее помощью возможен потенциально быстрый выход на новые самосборки в нанотехнологии, а также на открытие новых лекарственных препаратов, супрамолекулярных ансамблей и катализаторов.
Существует два вида комбинаторной химии: традиционная и динамическая (рис. 6.16). Основное различие между ними состоит в том, что в динамической химии молекулярные «строительные» блоки соединяются вместе слабыми, но обратимыми нековалентными связями, в то время как в традиционной комбинаторной химии взаимодействия обусловлены в основном сильными и необратимыми ковалентными связями.
В традиционной комбинаторной химии формируется статическая смесь агрегатов фиксированного состава, и вводимый «темплет» (лиганд) отбирает самое лучшее связующее вещество без увеличения его содержания. В динамической комбинаторной химии исходят из динамической смеси, у которой после добавления «темплета» изменяется состав и распределение концентраций блоков, и самое лучшее связующее вещество по отношению к «темплету» будет единственным преобладающим продуктом.
В комбинаторной химии «темплетом» (или лигандом) принято считать молекулу, ион или макромолекулу, которые реагируют с другими компонентами и изменяют распределение концентраций продуктов системы при непрерывно протекающих реакциях образования требуемого агрегата, макромолекулы или промежуточного продукта. Примером «темплета» является молекула ДНК, выполняющая функцию модели для синтеза макромолекулы типа РНК.
Самосборка в динамической комбинаторной химии обеспечивает возможность новых подходов к молекулярной сборке. В течение последних лет в этой области осуществлено много интересных усовершенствований. В частности, большое развитие получил так называемый молекулярный докинг - процедура поиска оптимальных мест пристыковки малых молекул лиганда (биологически активного вещества) к белковой макромолекуле.
Динамическая комбинаторная библиотека (ДКБ) представляет собой набор промежуточных веществ, которые могут находиться в динамическом равновесии со «строительными» блоками. Для описания состава ДКБ обычно используют термин «химический набор», который состоит из двух или более компонентов библиотеки, « строительных» блоков или реагентов. Из динамической комбинаторной библиотеки отбираются «строительные» блоки со свойствами, пригодными для формирования самособираю- щихся объектов, и в присутствии «темплета» осуществляется самосборка.
Компоненты ДКБ взаимодействуют посредством образования слабых нековалентных связей. В принципе возможно создание любых обратимых сборок из этих компонентов. Поскольку все взаимодействия между компонентами являются обратимыми и равновесными, ДКБ имеет динамическую природу. Таким образом, ДКБ способна без труда реагировать на различные факторы внешнего воздействия. В частности, количество определенных агрегатов ДКБ может изменяться с изменением термодинамических условий и в зависимости от природы «темплета», добавляемого к системе. В равновесном состоянии перед добавлением «темплета» у компонентов ДКБ имеется много возможностей для взаимодействия друг с другом посредством слабых нековалентных связей с образованием разнообразных агрегатов. После того как добавляется «темплет» к системе ДКБ, происходит перераспределение содержания промежуточных веществ. В итоге увеличится и станет стабильной только концентрация тех агрегатов или сборок, которые лучше всего соответствуют «тем- плету».
Увеличение концентрации определенного промежуточного продукта может произойти только вследствие обратимого сдвига остальных реакций в направлении образования этого продукта, если только это диктуется равновесными условиями (достижением минимума энергии и максимума энтропии). Следовательно, система стремится обеспечить сборку наиболее стабильными связями с «тем- плетом», а концентрация нестабильных сборок при этом уменьшается. В то же время компоненты ДКБ могут взаимодействовать друг с другом спонтанно, производя большое количество разнообразных агрегатов с различной формой и свойствами.
Имеется много факторов, которые влияют на эффективность ДКБ. К ним относятся:
1. Природа компонентов и «темплетов» ДКБ. Необходимо, чтобы выбранные компоненты имели подходящие функциональные группы. Чем больше разнообразие этих групп в компонентах, тем большей вариативности можно достигнуть при разработке систем (см. рис. 6.17). Кроме того, свойства этих групп должны быть совместимыми со свойствами «темплета».
- 2. Типы межмолекулярных взаимодействий в ДКБ. Для того чтобы с помощью вычислительной химии можно было предсказать возможность образования молекулярных агрегатов, необходимо априори знать о межмолекулярных взаимодействиях между компонентами и механизме ассоциации компонента с «темплетом». В ДКБ межмолекулярные взаимодействия должны иметь нековалентный характер, что приводит к обратимости превращений, происходящих между компонентами ДКБ. Такие взаимодействия способствуют быстрому установлению равновесия, так что можно проверить все имеющиеся возможности образования молекулярных агрегатов.
- 3. Термодинамические условия. Растворимость компонентов, «темплетов» и получаемых молекулярных агрегатов в растворителе (среде ДКБ) может сильно зависеть от равновесных термодинамических условий. Для повышения эффективности ДКБ растворимость компонентов в среде не должна значительно отличаться от растворимости «темплета». В водной среде недостаточная растворимость «темплета» является проблемой главным образом при использовании белка в его качестве, аналогичную проблему могут создавать также и нуклеиновые кислоты. Образование нерастворимого молекулярного агрегата сдвигает равновесие в направлении образования этого агрегата как продукта реакции. Условия протекания реакций, представленных в ДКБ, должны быть по возможности мягкими, чтобы свести к минимуму вероятность появления несовместимости, неизбежной в процессах обмена и распознавания.
- 4. Методы анализа. В ДКБ при определенных обстоятельствах должна существовать возможность для прекращения проводимых реакций, чтобы можно было переместить систему из динамического в статическое состояние. Прекращение реакций позволяет «отключить» систему от синтеза после добавления «темплета» и образования лучшего из возможных сшивающих реагентов. В этом случае система приходит в равновесное состояние и распределение молекулярных агрегатов сохраняется постоянным для возможности проведения анализа.
Иногда упрощение процесса самосборки может быть достигнуто путем анализа на стадии распознавания. Молекулярное распознавание представляет собой специфическую идентификацию путем взаимодействия одной молекулы с другой.
Особенность распознавания молекул ДКБ заключается в выборе рецептора, наиболее подходящего для данного «темплета». Это способствует разработке эволюционного подхода для получения и селективного отбора наиболее подходящих рецепторов, подобного эволюционному развитию природы. Направленная эволюция высокоаффинных лигандов для биомолекул в недавно возникшей области комбинаторной химии, называемой динамической вариативностью, может широко применяться при самосборке.
Существуют два принципиальных подхода в процессе распознавания молекул: формообразование и формование (см. рис. 6.18).
При «формообразовании» создаваемый молекулярный агрегат из библиотеки соединений принимает форму
Иллюстрация формообразования и формования при распознавании молекул
пустоты, ограниченной «темплетом». Свободное пространство внутри «темплета» выполняет функцию слепка и места, где происходит соединение компонентов библиотеки и образуются агрегаты. При «формовании» происходит непосредственное соединение компонентов динамической библиотеки с помощью «темплетов».
Для самосборки, образования рецептора и распознавания молекул применяют огромное количество молекул. Такие «распознающие» молекулы могут содержать рецепторы для распознавания кислотных карбоксильных, пептидных, углеводных и других групп.
Молекулярные рецепторы - это концептуально простейшие объекты супрамолекулярной химии, хотя структура их далеко не всегда проста. Их функция - «находить» нужный субстрат среди подобных и селективно, т. е. избирательно связывать его. Селективность молекулярного распознавания достигается, если наряду с комплементарностыо рецептора и субстрата между ними есть сильное суммарное связывание, возникающее благодаря множественному взаимодействию нескольких центров связывания. Необходимое условие такого взаимодействия - большая площадь контакта рецептора и субстрата.
Имеются специальные методы и реагенты для конструирования циклических, контейнерных или линейных самособирающихся структур (или комплексов) в качестве рецепторов и для идентификации молекул. Например, стратегия построения циклической структуры заключается в использовании тройных и комплементарных водородных связей между донор-донор-акцепторной группой одной молекулы и акцептор-акцептор-донорной группой другой молекулы.
Методы «контейнерной» супрамолекулярной химии также можно использовать для конструирования макромолекул, восприимчивых к распознаванию молекул и образованию специфических связей. В этих методах внутренняя поверхность конструируемой молекулы (« хозяина » ил и рецептора) взаимодействует с поверхностью «гостя», или лиганда, а энергия слабых связей, образующихся между ними, определяет степень прочности специфического связывания и возможность распознавания молекул.
После завершения самосборки компонентов образующийся «хозяин» принимает индивидуальную пространственную конформацию, часто с пустотой или щелью для полного или частичного заключения в нее молекулы «гостя». Хотя контроль над разработкой технологии и специфичность распознавания в этих методах не столь существенны, как в динамической комбинаторной библиотеке, во многих случаях ограничений и затруднений при разработке меньше, чем в системах динамических комбинаторных библиотек.
IIIIIIIIIII» IIIIIIII» IIIIIIII» IIIIIIII» IIIIIIII» IIIIIIII» IIIIIIII» IIIIIIII» IIIIIIII» IIIII11111 №111111IIIIIIIII №11111IIIIIIIIIIIIIII №111IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII №11^
