Виктор Балабанов - Нанотехнологии. Правда и вымысел

• Название: Нанотехнологии. Правда и вымысел
• Автор: Виктор Балабанов
• Жанр: Прочая научная литература

Авторы книги знакомят читателей с относительно новым научно-практическим направлением знаний – нанонаукой – и уделяют большое внимание популяризаци и достижений нанотехнологий. В книге рассматриваются по большей части не какие-то фантастические проекты, а разработки, уже реально применяемые или находящиеся на этапе исследований. При чтении книги каждый сможет получить для себя некоторые неожиданные знания о взаимодействии наночастиц, имеющих размеры атомов и молекул, и сделать неожиданные открытия из удивительного мира нанотехнологий.

В книге разрушаются многочисленные мифы и стереотипы, связанные с нанотехнологиями.

---

В ходе эксперимента молекулам ДНК была обеспечена среда для обычной работы по «производству» деталей наноконструкций. Формирование такой химической среды, молекулярный дизайн и соответствующую «механику» – светочувствительные белки или вирусные «моторы» – можно применять для создания сверхминиатюрных приборов и материалов. При этом впервые в мировой практике группа Лазарека использовала ДНК в качестве «инструкции» для систем «самосборки» наноэлементов.

На основе одинаковых по размерам нанотрубок были произведены унифицированные структуры, состоящие из миллиардов подобных элементов, равномерно распределенных на поверхности пленки из окиси алюминия. На концах нанотрубок поместили фрагменты ДНК, несущие информацию в виде последовательности 15 «букв» генетического кода. Эти фрагменты специфически комплементарны ленте из других 15 кодонов (триплетов), соединенных с наночастицами золота и играющих роль «сборочных устройств». Создание нановолокон завершилось после введения в химическую среду арсенида цинка и ее последующего нагревания до 600 °C. В результате образовались волокна из окиси цинка длиной порядка 100–200 нм.

В настоящее время установлено, что наночастицы из золота или полупроводников можно прикрепить практически к любым биологическим молекулам, чтобы затем с помощью электронных приборов контролировать их поведение. «Такую процедуру можно проводить на расстоянии, обратимо и точно, – заявляет Шугуан Чжан (Shuguang Zhang), заместитель директора Центра биомедицинской инженерии Массачусетского технологического института, один из авторов исследования. – Это пригодится, чтобы как следует разобраться в тонкостях взаимодействия между молекулами».

Инициатором подобных работ был квантовый физик Джеймс Якобсон (James Jacobson). Он начал заниматься биологией, чтобы создавать машины нанометрового размера, оперирующие отдельными атомами и молекулами. Ученый поставил сложную цель, поскольку до сих пор инженеры с большим трудом делают компьютерные чипы меньше 30 нм. Вместе с тем в живом организме очень много более компактных систем: любая живая клетка – это своего рода биозавод с источниками энергии, чертежами клеточного хозяйства, средствами производства и утилизации.

Дж. Якобсон и его коллеги из Центра биомедицинской инженерии прикрепили к молекуле ДНК особую радиоантенну, собранную примерно из сотни атомов металла. При облучении радиоволнами определенной длины молекула переходила в новое состояние.

Управление биомолекулами с помощью радиосигналов – самое современное направление исследований, способное произвести революцию и в методах исследования живого мира, и в биотехнологиях. Можно будет во всех деталях изучать поведение отдельных живых молекул, не травмируя близлежащие клетки. Ш. Чжан привел такое сравнение: «Можно разговаривать с человеком из толпы через громкоговоритель, а можно – по мобильному телефону».

Однако чудеса нанотехнологий не заканчиваются вирусами и бактериями. Например, ящерица геккон может удерживать вес своего тела на вертикальной плоскости, касаясь ее только одной лапой. Щетинки на лапах геккона притягиваются к поверхности благодаря силам межмолекулярного взаимодействия Вандер-Ваальса. Каждая щетинка в нижней части расщеплена на тысячи тончайших волосков с лопаткообразными кончиками, которые взаимодействуют с ровной поверхностью на молекулярном уровне. Создание аналога лапке геккона на базе нанотехнологий позволит решить проблему безопасности высотных работ, изготовить сверхнадежные тормозные системы, удобную бесшовную одежду и многое другое.

Главной идеей, к которой пришел Р. Фейнман, размышляя о возможности создания микронных механизмов, было то, что человек должен учиться у природы, подражая ей при создании механизмов «снизу вверх». Так, в своей книге [7] ученый пишет, что его видение красоты цветка сильно отличается от видения художника. Фейнман представляет себе цветок не только в сантиметровом масштабе, но может также увидеть все его клетки и вообразить сложные процессы, которые в них происходят, и в этом тоже есть своеобразная красота. Джеймс Глейк полагал, что интерес Фейнмана к молекулярным и атомным структурам был связан с тем, что тот много размышлял над вторым началом термодинамики и связью между энтропией и информацией. По мнению Глейка, Фейнману казалась удивительной способность живых организмов хранить и воспроизводить генетическую информацию для создания подобных себе сложных механизмов, которые обусловливали их существование [8] .

Задача современной науки – заметить, правильно оценить и успешно применить на практике уникальные явления природы, основанные на нанотехнологиях (да и не только), которые природа смогла создать за миллиарды лет эволюции.

Об одном таком открытии, нашедшем в последующем широкое применение в строительстве и технике, мы расскажем подробнее.

В середине 70-х годов XX века ученые-ботаники Боннского университета (ФРГ) В. Бартлотт и К. Найнуйс обнаружили, что листья и цветки некоторых растений почти не загрязняются. Этот феномен был замечен в наноструктурированных поверхностных областях изучаемых растений. Впоследствии данное явление было запатентовано и названо «лотос-эффектом» (Lotus-effect®) в честь наиболее яркого представителя таких растений.

Издревле цветок лотоса считается в буддизме символом незапятнанной чистоты: как известно, листья и нежно-розовые цветки лотоса распускаются в грязной тине водоемов безупречно чистыми (рис. 9).

Рис. 9. Долина лотосов и капля влаги на поверхности листа

После детального исследования этого феномена самоочистки открылись удивительные возможности природы защищаться не только от грязи, но и от различных микроорганизмов. Данный эффект наблюдается и у других растений (листья капусты, люпина (рис. 10), камыша, водосбора, тюльпана), а также у животных (крылья стрекоз и бабочек). Они наделены природным свойством защиты от различных загрязнений, в большей степени неорганического (пыль, сажа), а также биологического (споры грибков, микробов, водоросли и т. д.) происхождения.

Рис. 10. Капли дождя на несмачиваемом листе люпина

С помощью электронных микроскопов учеными было обнаружено, что поверхности листьев, цветков и побегов покрыты тонкой внеклеточной мембраной – поверхностным слоем (эпидермисом, кожицей). Эпидермис некоторых растений выделяет воскоподобное вещество кутин, представляющее собой смесь высших жирных кислот и их эфиров. Жиры и жироподобные вещества, входящие в состав липидов (природных органических соединений), – одни из основных компонентов биологических мембран. Липиды участвуют в обмене между растениями и окружающей средой (рис. 11).

Рис. 11. Поверхность листа лотоса под электронным микроскопом

Взаимодействие между твердыми телами и окружающей средой происходит почти исключительно в поверхностных (пограничных) слоях (межфазовой зоне), что справедливо и для этих биологических систем. Биологические поверхности, созданные за миллионы лет в результате эволюции, являются максимально оптимизированными мультифункциональными системами. Они обеспечивают механическую стабильность, терморегулирование, контроль водно-солевого обмена, газовое регулирование и т. д. Постоянное загрязнение листьев растений нарушает в них многие биологические процессы.

Лотос-эффект не является случайным феноменом, он возник в результате эволюции и вызван необходимостью выживания растений. На живую ткань отрицательно воздействуют (более высокий нагрев под солнечным облучением, действие кислоты и др.) органические формы в виде спор грибков, бактерий или водорослей. Лотос-эффект предотвращает появление патогенных субстанций на таких поверхностях: споры легко смываются при каждом дожде, а в отсутствии дождя нет и влаги как условия для жизнедеятельности, размножения и паразитирования спор.

На оптимизированных поверхностях (например цветке лотоса) проявляются супергидрофобные качества, благодаря которым мед и даже клей на водной основе не прилипают, а полностью стекают с поверхности.

Степень увлажнения твердого тела описывается с помощью контактного угла а, входящего в формулу с поверхностной энергией а на различных межфазных границах в соответствии с законом Кассье [9] :

cos α = (σт – г —σт – ж)/σж – г,

где σт – г – напряжение на межфазной границе «твердое тело – газ», МПа;

σт – ж – напряжение в межфазной границе «твердое тело – жидкость», МПа;

σж – гг – напряжение в межфазной границе «жидкость – газ», МПа.

Нулевой контактный угол обеспечивает полное увлажнение. Это значит, что капля воды стремится растянуться к состоянию моно-молекулярной пленки на поверхности твердого тела. Контактный угол 180° указывает на совершенную несмачиваемость, так как капля касается поверхности только в одной точке. Материалы с высоким напряжением граничных поверхностей увлажняются лучше, чем даже, например, тефлон – материал с одним из самых низких напряжений граничных поверхностей. Поведение воды зависит от состояния поверхности. Если относительно гладкая поверхность увлажняется достаточно, самоочистка улучшается (рис. 12).