Молекулярные нано-технологии

       Эмоциональные призывы Смолли, которые учёный и писатель Рей Курцвел охарактеризовал как «избегающие ключевых вопросов, лишённые конкретного научного содержания и полные неточных метафор» временно взяли верх.

     Большая часть стран в мире при создании национальных нанопрограмм брала США в качестве образца. В результате на данный момент почти во всём мире стратегии в области нанотехнологий основаны на предположении, что дрекслеровская концепция ошибочна, при том, что в США она выдержала всю критику, а в других странах этот вопрос даже не обсуждался.

       Риторика нанопроектов использует имя Дрекслера и некоторые его идеи, но финансовые решения неизменно консервативны, и средства идут на традиционные проекты.

     Есть  и исключения. Япония ещё с начала 1990-х годов развивает нанотехнологии самостоятельно, впрочем, и там, судя по прогнозам института научно-технической политики NISTEP, потенциалу молекулярных машин уделяется недостаточное внимание. Активно развивают самые передовые идеи в области нанотехнологий в исследовательских центрах Сингапура, поэтому возможно, что этой стране удастся в ближайшее время вырваться вперёд. Также есть основания полагать, что в Китае к этому направлению относятся весьма серьезно. Кроме того, вполне вероятно, что отдельные частные организации ведут работы по молекулярному производству и наномашинам, но надёжной информации об этом пока нет.

     Лишь  в 2006 г . сторонникам Дрекслера удалось добиться первой лоббистской победы. Отчет Национального исследовательского совета национальных академий США, оценивающий деятельность NNI , рекомендовал финансирование изучения технической возможности методов молекулярного производства. Не исключено, что в ближайшие несколько лет вопрос о финансировании этого направления будет в США решён положительно. Но даже в этом случае из-за инерции вряд ли это найдёт отражение в нанотехнологической стратегии других стран до 2012 – 2015 гг.

     В целом, хотелось бы отметить, что развитие нанопроизводства и создание нанороботов, без сомнения, в ближайшие годы начнет стремительно развиваться. Учитывая нарастающую конвергенцию технологий и ускорение прогресса, можно сказать, что последствия этого для цивилизации окажутся радикальными (Валерия Прайд 2008). В осмыслении этого процесса и его перспектив философия также должна сказать своё слово.

Оценки  ожидаемых параметров наномеханических устройств (по Э. Дрекслеру) 

     В своих работах Э. Дрекслер и его последователи оценивали параметры в основном механических устройств, которые они могли бы иметь при приближении размера компонент к молекулярному масштабу. Это обусловлено не тем, что они недооценивают важность электрических, оптических и т. д. эффектов, а тем, что механические конструкции гораздо проще и достовернее масштабируются. При этом разумеется, осознаётся что электрические и прочие эффекты могут дать значительные дополнительные возможности.

     Произведя соответствующее масштабирование  Дрекслер получил следующие численные оценки:

• Позиционирование реагирующих молекул с точностью ~0.1 нм
• Механосинтез с производительностью ~10⁶ опер/сек на устройство
• Молекулярная сборка объекта массой 1 кг за ~10⁴ сек
• Работа наномеханического устройства с частотой ~109 Гц
• Логический затвор объёмом ~10-26 м³ (~10^-8 ј3), с частотой переключения ~0.1 нсек и рассеиваемым теплом ~10^-21 Дж
• Компьютеры с производительностью ~10¹⁶ опер/сек/Вт; компактные вычислительные системы на10¹⁵ MIPS

"Нанотехнология" в биологических системах 

     Прежде, чем обсуждать возможность реализации молекулярной нанотехнологии в том варианте, в котором её видят Э. Дрекслер и его последователи будет полезно получить представление о том, как работают "устройства" аналогичного масштаба в живых организмах. В рамках данного обзора приведём лишь один из наиболее ярких примеров. 

АТФ-Синтаза 

     АТФ-синтаза является ферментом, преобразующим разность концентраций протонов по разные стороны мембраны в энергию, запасённую в молекулах аденозинтрифосфата (АТФ).Последния используется практически всеми механизмами клетки в качестве универсального носителя энергии.

     АТФ-синтаза присутствует в "энергетических станциях" растительных и животных клеток -хлоропластах и митохондриях и представляет собой довольно сложную конструкцию из нескольких типов единиц - белковых молекул (Рис. 1. АТФ-синтаза). Одна из этих единиц - а-единица - прочно закреплена в мембране хлоропласта или митохондрии. Из неё выступает двойной "кронштейн" - пара b-единиц. С помощью ґ-единицы на кронштейне крепится блок из чередующихся ±- и І-единиц.

 
Рис. 1. АТФ-синтаза

     Рядом с а-единицей в толще мембраны свободно вращается цилиндрический блок с-единиц.Очередная с-единица может захватывать протон из пространства под мембраной, где их концентрация высока. При этом она начинает притягиваться к отрицательно заряженной а-единице. С-блок проворачивается до тех пор, пока заряженная с-единица не сблизится с а-единицей. При этом протон через имеющийся в а-единице канал переходит в пространство над мембраной, где их концентрация низка. Выделяющаяся при переходе из нижнего пространства в верхнее энергия и приводит с-блок во вращение. На этом блоке закреплена очередная молекула -і-единица. Она играет роль коленчатого вала. По мере вращения она давит на очередную І-единицу, заставляя её переходить из одной конформации -закрытой - в другую - открытую. В открытой конформации І-единица захватывает пару молекул - аденозиндифосфат (АДФ) и неорганический фосфат. При закрытии она с силой прижимает их друг к другу; это приводит к механосинтезу АТФ. При очередном открытии готовая молекула АТФ выходит в окружающую среду и І-единица готова к очередному циклу.

     Таким образом можно сказать, что АТФ-синтаза представляет собой довольно сложную молекулярную машину, состоящую из электромотора (ротор - с-блок; статор - а-единица),коленчатого вала (і-единица) и блока рабочих инструментов (І-единиц),осуществляющих механосинтез молекул АТФ из двух исходных компонент.

     Интересно, что АТФ-синтаза может работать и "в обратную сторону". Если над мембраной исходная концентрация АТФ высока, то уже І-единицы будут вращать с-блок через і-единицу, закачивая протоны под мембрану. Таким образом, "электромотор" может работать и как "электрогенератор".

     Это только один из примеров расшифрованных природных наноустройств. К сожалению здесь невозможно подробно рассмотреть ряд других - таких, как "электромотор",двигающий флагеллы бактерий, "сборочный конвейер" - рибосому,ферменты-"нанороботы", находящие ошибки в информации, записанной на ДНК и исправляющие их. С каждым годом мы обнаруживаем новые молекулярные механизмы, выполняющие самые разнообразные функции. Это позволяет предположить, что устройства, аналогичные по масштабам могут быть изготовлены и искусственно -то, что было сделано, может быть повторено.

Особая  роль углерода 

     Всё живое на Земле состоит из соединений углерода. Значение этого элемента трудно переоценить. Оно определяется огромным разнообразием его форм в соединениях. Углеродные цепочки могут образовывать линейный скелет молекул, циклические и сложные объёмные скелетные структуры; углерод представляет огромный интерес и в чистом виде, принимая различные формы от алмаза до молекулярных волокон и нанотрубок. Ковалентная связь углерод-углерод является наиболее прочной из известных.

     До  сравнительно недавнего времени  известны были только две разновидности  упорядоченного чистого углерода - алмаз и графит. Потом были обнаружены и другие - сначала были синтезированы  молекулярные волокна, затем открыты  полые сферические молекулы -фуллерены; при поиске эффективных методов синтеза последних были обнаружены углеродные нанотрубки.

     Именно  материалы на основе углерода Дрекслер рассматривает в качестве основных кандидатов для изготовления конструкций наномеханизмов (хотя, разумеется, свои места находят и другие элементы - водород, азот, кислород, фосфор, кремний, германий и т. д.) 

Простейшие  конструкции на основе углерода 

     В нанотехнологических устройствах будущего, разумеется, могут быть использованы самые разнообразные явления - магнитное и электростатическое взаимодействия, перенос электронов, электромагнитной энергии (фотонов), различных квазичастиц. Однако в рамках "дрекслерианского" подхода обсуждаются в основном чисто механические конструкции. Делается это не потому, что остальные явления недооцениваются. Просто, такой подход позволяет наиболее наглядно продемонстрировать возможности молекулярной нанотехнологии, дать им как бы "пессимистическую оценку". Использование же всех остальных явлений а также квантовомеханических свойств нанокомпонент должно позволить значительно эти возможности расширить.

     На  рисунках 2-4приведены некоторые  из множества конструкций нанокомпонентов, рассчитанных методами молекулярной динамики - от простейших до довольно сложных.

 
Рис. 2.Простейшие шестерёнчатые передачи (разработка NASA)

 
Рис. 3. Различные варианты наноподшипников

 
Рис. 4. Вариант конструкции наноманипулятора 

Наномеханические вычисления 

     Миниатюризация  компонент вычислительной техники, увеличение частоты их функционирования представляют собой магистральное  направление развития нанотехнологий. На сегодняшний день продемонстрирована работоспособность целого ряда активных компонент - транзисторов, диодов, ячеек памяти - состоящих из нанотрубок, нескольких молекул или даже из единственной молекулы. Передача сигнала может осуществляться одним единственным электроном. Пока не решены проблемы, связанные со сборкой таких компонент в единую систему, соединения их нанопроводами. Тем не менее, можно не сомневаться, что решение этих проблем -вопрос времени. Оценки показывают, что компьютер, собранный из наноэлектронных компонент и по своей сложности эквивалентный человеческому мозгу сможет иметь объём в 1 см³ - но будет работать в 10⁷ раз быстрее[2](быстродействие будет ограничено возможностью отвода тепла). Компьютер (точнее, процессор + память), эквивалентный современному "Пентиуму" будет, предположительно, иметь объём в 10^-6 см³ - 0.1ґ0.1ґ0.1 мм³.

     Вероятно, наиболее быстрые и производительные компьютеры будущего будут использовать именно наноэлектронную технологию, возможно они будут использовать спинотронику или фотонику. Однако не исключено, что самые маленькие компьютеры будут созданы на совершенно другой элементной базе. Дрекслер предполагает, что такой базой может стать наномеханика.

     Дрекслер предложил механические конструкции для основных компонент нанокомпьютера -ячеек памяти, логических гейтов. Основными их элементами являются вдвигаемые и выдвигаемые стержни, взаимно запирающие движение друг друга. При ширине стержня в несколько атомных размеров (например, при использовании углеродных нанотрубок)компьютер эквивалентный современному, содержащему 1 млн. транзисторов может иметь объём в 0.01 мк³, компьютер с памятью в 1 терабайт - объём в 1 мк3. Как и в случае с наноэлектроникой, быстродействие наномеханического компьютера будет определяться возможностью отвода тепла. Расчёты Дрекслера ([4]) показывают, что при температуре окружающей среды ~300°К на один ватт рассеиваемой мощности такой компьютер будет осуществлять ~10¹⁶ операций в секунду. При мощности 100нВт (предполагается, что такую мощность сможет без специального охлаждения рассеять упомянутый выше компьютер с объёмом 0.01 мк³) это даёт производительность 109 операций в секунду, что примерно эквивалентно мощному современному настольному компьютеру.

     Если  эти показатели будут достигнуты, то этого будет вполне достаточно для того, чтобы оснастить бортовым компьютером микронного размера  наноустройство, например, медицинского назначения. 

Возможные применения МНТ 

     Дрекслер (начиная с книги [3]) и сторонники его подхода наметили целый ряд возможных применений МНТ. Среди них:

     Медицинские применения. Устройства микронного размера  смогут перемещаться по организму человека, разрушая атеросклеротические бляшки в сосудах, уничтожая раковые  клетки и возбудителей инфекционных заболеваний ([3, 6]).

     Молекулярное  производство макроскопических объектов. Оценки показывают, что устройство весом около 60 кг ("настольная нанофабрика") сможет с молекулярной точностью изготовлять объект, объёмом около 1 л и весом около 4 кг примерно за 3 часа. Это позволило бы за 2 дня изготовить вторую такую же нанофабрику; удвоение их количеств каждые 2 дня позволило бы за 2 месяца обеспечить собственной нанофабрикой каждого жителя Земли ([8]).

     И даже такие применения, как терраформирование планет с помощью саморазмножающихся нанороботов.