Упорядочение наносистем самосборка и самоорганизация. Футуролог александр чулок о нано-, био-, инфо- и когнитивных технологиях будущего

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.

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

Рис 1. Расшифрованная рентгено-кристаллографией молекулярная структура многогранника, полученного самосборкой из 144 молекул" border="0">

Группе химиков из Японии удалось побить установленный ею же рекорд самосборки молекулярных геометрических фигур. Ученые смогли так подобрать условия и компоненты, чтобы в растворе прошла реакция самосборки молекулярного многогранника, подобного вирусным капсидам (белковым оболочкам). Новый рекордсмен состоял из 144 молекул. Это открытие имеет огромный прикладной потенциал, поскольку меньшие структуры уже давно используются для катализа, гиперчувствительных сенсоров, хранения энергоносителей, стабилизации взрывчатых веществ и многого другого.

Если смотреть на экспериментальную химию философски, вся она по сути - самосборка . Химик только добавляет одни реагенты к другим, а взаимодействуют в растворе они уже сами по себе: как правило, ничто, кроме диффузии и электростатики , их друг к другу не подталкивает. Так же растут кристаллы: одна молекула «приклеивается» к другой, «выбирая» наиболее энергетически выгодную конформацию.

В принципе, так происходит и в живой клетке. Молекулы, плавая в цитоплазме , сами собираются в структуры, потом эти структуры катализируют самосборку других структур, вплоть до многоклеточного организма. Всё это выглядит как огромный работающий завод без единого рабочего, начальника цеха, директора или уборщицы. Всё работает по (био)химическим законам без чьего-либо сознательного надзора или управления - это результат эволюции, постепенного усложнения, выживания работающих систем и отмирания неработающих.

Исследования законов самосборки молекул начинались с попыток копировать природные процессы. Однако биологические объекты таковы, что человеческому мозгу порой тяжело представить даже их форму. Это педставляет срьезную проблему для биохимических исследований. Так постепенно, в начале 90-х, возникла идея: а почему, собственно, надо исследовать только природную самосборку? Нельзя ли подойти с другой стороны? Выбрать модели, легче поддающиеся исследованиям, и попытаться понять природу на их основе. То есть собрать сначала знания, разбросанные под горящим фонарем, а уж потом идти к фонарям погасшим. Ну а что может быть проще, чем геометрические фигуры? Идея эта, как это часто бывает, возникла независимо в разных научных коллективах - группе Петера Стэнга (Peter J. Stang) из США и группе Макото Фудзиты (Makoto Fujita) из Японии.

Почти сразу стало понятно, что на двумерных структурах можно не останавливаться и попробовать собрать подобным образом трехмерные структуры - молекулярные «клетки» (cages); рис. 3. Для получения трехмерных фигур нужны доноры и/или акцепторы с тремя и более активными окончаниями.

У реакций оказалось несколько неожиданное, и даже контринтуитивное, свойство: если смешать несколько разных «синих» молекул с «красными», то всё равно они «выбирают» из раствора те, которые дают наиболее упорядоченные структуры, не перемешиваясь между собой. Таким образом, фактически осуществляется не только самосборка, но и самосортировка (рис. 4). Объясняется это тем, что наиболее упорядоченные структуры по совместительству оказались и наиболее энергетически выгодными.

На первый взгляд, область исследований самосборки молекулярных геометрических фигур может показаться очень узкой, представляющий не более чем академический интерес. Таких областей, которые когда-нибудь для чего-нибудь пригодятся (или не пригодятся), действительно хватает, но в обсуждаемом случае дело обстоит совершенно не так. И структуры, и методы их получения (а также открытые закономерности) очень быстро нашли огромное количество немедленных и отдаленных применений. Как и предполагалось, благодаря этим исследованиям стало понятнее, как работает самосборка биологических структур (например, вирусных капсидов).

Методы самосборки легли в основу огромной области исследований металлорганическиx координационныx полимерoв (Metal-organic frameworks , MOFs). Структуры, полученные такими методами, используют как гиперчувствительные сенсоры, так как при взаимодействии с определенными веществами они меняют свои физические свойства. C помощью молекулярных «клеток» ускоряют органические реакции, используя внутренние полости, чтобы приблизить реагенты друг к другу (как в природе делают ферменты). Также с их помощью стабилизируют взрывчатые или самовоспламеняющиеся вещества, например белый фосфор . В некоторые типы молекулярных «клеток» вставляют лекарства и доводят их до целевых органов, минуя здоровые. И это далеко не полный список.

Конечно же, и академические исследования в такой полезной области не остановились. В частности, один из любопытных вопросов, которыми задаются исследователи самосборки, - какое наибольшее число молекул может «самособраться» в упорядоченную структуру без какой-либо посторонней помощи? В природе такой фокус могут проделывать сотни компонентов (например, те же вирусные капсиды). Смогут ли химики потягаться с природой?

Предпоследний рекорд был поставлен в группе Фудзиты. B начале 2016 года с помощью тщательного расчета топологии желаемой структуры и планирования геометрии молекулярных «деталек конструктора», им удалось (само)собрать структуру, принадлежащую к классу архимедовых тел , из 90 частиц: 30 четырехвалентных палладиевых акцепторов и 60 бипиридиновых доноров (вторая справа на рис. 5).

Барьер в сто компонентов на тот момент еще не был преодолен, и некоторые считали, что он непреодолим. Не обращая внимания на предсказания скептиков, в новом исследовании ученые замахнулись на следующий архимедов многогранник, из 180 частиц: 60 палладиевых акцепторов и 120 пиридиновых доноров (крайняя справа структура на рис. 5).

Произведя соответствующие расчеты, химики синтезировали для него молекулярные кирпичики, сделали раствор ингредиентов в отношении один акцептор к двум донорам и проследили за реакцией с помощью ЯМР-спектроскопии . Когда все исходные реагенты прореагировали, из раствора удалось выделить кристаллы и охарактеризовать их молекулярную структуру методом рентгеноструктурного анализа . К удивлению экспериментаторов, перед ними предстал многогранник cо структурой, далекой от ожидаемой (рис. 6, слева).

Так же как и предыдущий рекордсмен, он состоял из 30 акцепторов и 60 доноров («ага!» - воскликнули скептики), только относился не к архимедовым многогранникам, a был близок к другому классу фигур - многогранникам Гольдберга (см. Goldberg polyhedron).

Многогранники Гольдберга - геометрические фигуры, открытые математиком Майклом Гольдбергом (Michael Goldberg) в 1937 году. Классические многогранники Голдберга состоят из пяти- и шестиугольников, соединенных друг с другом по определенным правилам (кстати, усеченный икосаэдр , знакомый многим по форме футбольного мяча, - это пример многогранника Гольдберга). Несмотря на то, что в обсуждаемой работе многогранники состоят из треугольников и квадратов, они родственны многогранникам Гольдберга, что доказывается с использованием теории графов .

Ученые произвели дополнительные расчеты, из которых следовало, что данная структура метастабильна и что существует более энергетически стабильный многогранник из 48 акцепторов и 96 доноров, который может получиться из тех же исходных молекул. Оставалось «только» найти подходящие условия для его получения, выделения и характеристики. После многочисленных попыток, при разной температуре и с использованием разных растворителей, были получены кристаллы, которые под микроскопом визуально отличались от предыдущих. Пинцетом их отобрали от ранее охарактеризованных, и рентгеноструктурный анализ подтвердил: самосборкой был получен новый рекордсмен, состоящий из 144 молекул (рис. 6, справа).

Учитывая историю успешных поисков применений для аналогов меньших размеров, авторы надеются, что и вновь открытым молекулам, а также методам, которые были для них разработаны, найдутся интересные применения. На достигнутом они останавливаться не собираются и намерены получить еще более крупные структуры из большего количества компонентов.

Источники:
1) Rajesh Chakrabarty, Partha S. Mukherjee, Peter J. Stang. Supramolecular Coordination: Self-Assembly of Finite Two- and Three-Dimensional Ensembles // Chemical Reviews . 2011. V. 111, P. 6810–6918. DOI: 10.1021/cr200077m.
2) Daishi Fujita, Yoshihiro Ueda, Sota Sato, Nobuhiro Mizuno, Takashi Kumasaka, Makoto Fujita. Self-assembly of tetravalent Goldberg polyhedral from 144 small components // Nature . 2016. V. 510, P. 563–567. DOI: 10.1038/nature20771.

Григорий Молев

В качестве ликбеза привожу материал Н.В. Реброва — студента национального Донецкого технического университата, который кстати в настоящее время "нацгвардия" Украины расстреливает из тяжёлых орудий по указанию еврейского Киева:

САМОСБОРКА В НАНОТЕХНОЛОГИЯХ

Среди различных перспективных подходов формирования наноструктур все большее значение приобретают нанотехнологии, использующие самоорганизацию. Предполагается, что самоорганизация позволит создавать наноструктуры из отдельных атомов как технология «снизу-вверх». Молекулярная самосборка в отличие от «нисходящего» подхода нанотехнологий, например, литографии, где желаемая наноструктура появляется из большей по размеру заготовки, является важной составляющей "восходящего" подхода, где желаемая наноструктура является результатом своеобразного программирования формы и функциональных групп молекул.

Какие наноструктуры можно строить, используя данные технологии? Говорится о разных материалах, так как эти технологии позволяют создавать устройства, формируя их из атомов и молекул, используя процессы самоорганизации так, как их использует природа. В природе действительно существуют подобные системы и осуществляются подобные процессы. Самым ярким примером является пример сборки сложнейших биологических объектов на основе информации, записанной в ДНК (см. рис. 1).

Рисунок 1 — Пример самосборки биологической структуры

Как было раньше? Мы брали, скажем, кусок железа и делали из него молоток, просто убирая все лишнее (технология «сверху-вниз»). Нанотехнология же в ближайшем будущем позволит делать изделия из материалов с нуля, причем не всегда будет нужно складывать атом к атому «вручную», мы сможем использовать явление самоорганизации, самосборки наноструктур и наноустройств. При этом достаточно трудно ожидать, что на наноуровне возможна искусственная манипуляция отдельными нанообъектами с целью «ручной» сборки материала. Это пока что нецелесообразно (медленно и требует выполнения большого объема работы). Поэтому естественным способом получения наноматералов может являться самоорганизация.

Самосборка (англ. self-assembly) — это термин для описания процессов, в результате которых неорганизованные системы благодаря специфическому, местному взаимодействию компонентов систем приходят к упорядоченному состоянию.

Самосборка бывает как статической, так и динамической. В случае статической самосборки организующаяся система приближается к состоянию равновесия, уменьшая свою свободную энергию. В случае же динамической самосборки более корректным является использование термина самоорганизация .

Самоорганизация в классических терминах может быть описана как спонтанная и обратимая организация молекулярных единиц в упорядоченную структуру с помощью нековалентных взаимодействий. Спонтанность означает, что взаимодействия, ответственные за образование самособранной системы, проявляются в локальных масштабах, другими словами, наноструктура строит саму себя.

При определённых условиях микро- или нанообъекты сами начинают выстраиваться в виде упорядоченных структур. Противоречия с фундаментальными законами природы здесь нет — система в данном случае неизолированная, и на нанообъекты оказывается какое-то внешнее воздействие. Однако данное воздействие направлено не на конкретную частицу, как происходит при сборке «сверху вниз», а на все сразу. Вам не нужно выстраивать требуемую структуру вручную, помещая нанообъекты в требуемые точки пространства один за другим — создаваемые условия таковы, что нанообъекты делают это сами и одновременно. Процессы, использующие создание таких особых условий, называются процессами самосборки, и уже сейчас они играют важнейшую роль во многих областях науки и техники.

Для самособирающихся компонентов все, что требуется от человека — это поместить достаточное их количество в пробирку и позволять им автоматически собраться в нужные конфигурации согласно их естественным свойствам.

На сегодняшний день синтезированы двумерные и трехмерные организованные массивы нанокристаллов Pt, Pd, Ag, Au, Fe, Co, сплавов Fe-Pt, Au-Ag, наноструктур CdS/CdSe, CdSe/CdTe, Pt/Fe, Pd/Ni и т.д. Кроме того, для анизотропных наночастиц удалось добиться формирования ориентационно-упорядоченных массивов. Однородные по размеру наночастицы можно «собрать» в пространственно-упорядоченные структуры, представляющие собой одномерные «нитки», двумерные плотно упакованные слои, трехмерные массивы или «малые» кластеры. Тип организации наночастиц и структура образующегося массива зависят от условий синтеза, диаметра частиц, природы внешнего воздействия на структуру.

Сегодня известны различные методы самосборки, позволяющие получать полезные упорядоченные структуры из микрочастиц. Для создания особых условий, при которых в конкретной системе происходит самосборка, могут быть использованы гравитационное, электрическое или магнитное поле, капиллярные силы, игра на смачиваемости-несмачиваемости компонентов системы и другие приемы. В настоящее время процессы самосборки начинают активно использоваться и в производстве.

Суть явления самосборки

В современной науке имеется огромный фактический материал экспериментальных наблюдений явления самосборки. Особенно впечатляющими являются наблюдения самосборки биологических объектов, в частности работы Клуга по сборке растительных вирусов, отмеченные нобелевской премией 1982 года. Экспериментальные исследования самосборки носят преимущественно констатирующий характер и дают обширные знания о том, как это происходит. Вопрос о том, почему это происходит именно так, а не иначе - является вызовом современному естествознанию.

Рассмотрим хорошо изученный сценарий сборки вируса бактериофага Т4, описанный во всех учебниках и являющийся классическим объектом изучения самосборки. Упрощённый вариант сценария изображён на Рис. 2. В сборке участвуют 54 типа белков, которые строго в определённой последовательности агрегируются в субагрегаты различных уровней и далее субагрегаты собираются в завершённую вирусную частицу, включающую более тысячи белковых молекул. Бессмысленно моделировать этот тонко согласованный, разветвлённый иерархический процесс средствами стохастических представлений о случайно сталкивающихся молекулах.

Рисунок 2 — Сценарий сборки бактериофага Т4

Несомненно, что процесс сборки вируса детерминирован и управляем и для полного понимания этого процесса необходимо определить средства детерминации и механизмы управления. Научное мышление второй половины ХХ века было очаровано созданием компьютера и открытием системы управления синтезом белков. Обе системы идеологически идентичны и являются воплощением принципа сосредоточенного управления. Носителем сосредоточенного управления является знаковая система - линейный императивный управляющий язык. Совершенно естественно, что первые попытки математического моделирования процессов самосборки и самовоспроизведения были предприняты в рамках теории автоматов, например фон Нейман. Однако данные экспериментальных наблюдений не подтверждают состоятельность таких моделей. Процессы самосборки не укладываются в схему сосредоточенного управления.

Данные экспериментов позволяют утверждать, что в процессе самосборки отсутствует управляющий элемент и ни в какой форме не обнаруживается знаковая система, описывающая порядок следования монтажных актов или порядок расположения элементов в структуре продуктов самосборки. Специфика феномена самосборки заключается в том, что процесс несомненно детерминирован, но механизм детерминации не вписывается в простой и понятный метод сосредоточенного управления.

Самосборка есть реализация метода распределённого управления, при котором управляющие функции реализованы во внутренней структуре элементов участвующих в процессе, а управляющая информация, детерминирующая процесс, распределена по всем элементам. Следовательно, носителем детерминации при распределённом управлении являются специфические знаковые системы кардинально отличающиеся от простейших императивных линейных языков, подобных компьютерным или системе ДНК-белок. Главная задача исследования самосборки это определение логики взаимоотношений элементов и поиск знаковых систем, носителей распределённого управления.

Рассмотрим гипотетический сценарий самосборки, отвечающий требованиям реализации распределённого управления. Некоторые шаги сценария изображены на Рис.3.

Рисунок 3 — Гипотетический сценарий взаимодействия элементов

Допустим, что в сборке простейшей конструкции, трубки, участвуют молекулы двух типов шар и амфора. Мы рассматриваем только логический аспект самосборки и пока не вовлекаем в описание физико-химические основы взаимодействия. Шар и амфора &mdash это абстракции, наделённые способностью к некоторой постулированной монтажной активности. В состав элемента вводится абстракция «кодовый замок». Монтажный акт возможен только при совпадении кодов замков. Амфора и шар имеют разные кодовые замки К1 и К2, поэтому на первом шаге сборки сцепляются два шара. В результате образуется субагрегат с новым кодовым замком К2. Далее к субагрегату пристыковывается амфора, имеющая кодовый замок К2 и образуется субагрегат «зуб» с кодовым замком К3. Далее из зубов как из секторов строятся диски, а диски собираются в трубку. Для того чтобы выстроить такой сценарий необходимо постулировать процедуру элементарного акта сборки.

Определим элементарный акт сборки как процедуру, состоящую из четырёх шагов:

.активирование кодового замка;

.поиск и сближение двух элементов с совпадающими кодами замков;

.срабатывание замков

.погашение их активности, образование нового кодового замка для продолжения процесса.

Таким образом, на каждом шаге сборки монтажные акты определяются состояниями кодовых замков, а выполнение монтажного акта завершается порождением нового кода и нового замка.

К настоящему моменту имеются математические инструменты, способные описывать логический аспект процессов самосборки. Потоковые продукционные системы соответствуют требованиям к знаковым системам, поддерживающим распределённое управление и могут на логическом уровне выполнять роль детерминантов процесса самосборки. Ближайшая следующая задача - это совместная работа с физхимиками и биологами по построению потоковых продукционных систем, моделирующих на логическом уровне реальные сценарии самосборки конкретных объектов. Далее последует поиск элементов потоковых продукционных систем в физико-химическом строении элементов участников самосборки. Наибольшая готовность для таких программ имеется в области исследования растительных вирусов. .

Если кто-то думает, что студент Донецкого университета Н.В. Ребров тут бред написал, привожу материал, который я читал ещё 20 лет назад и который я привёл в своей книге "Геометрия жизни" .

Об «автосборке» органических структур есть очень важное наблюдение советского академика В.А. Энгельгардта (1894-1984).

Вот что он пишет об этом явлении в статье «О некоторых атрибутах жизни: иерархия, интеграция, «узнавание». (Статья опубликована в сборнике: «Философия, естествознание, современность», Москва, «Мысль», 1981).

«Явления «узнавания» и вместе с тем интеграции в особенно отчётливой, почти зрительно воспринимаемой форме (если прибегнуть к помощи электронного микроскопа), выражаются в процессах так называемой самосборки супрамолекулярных структур, таких, как вирусы и фаги, рибосомы или обладающие сложным строением ферментные частицы. Уже детально изучено большое число процессов такого рода. Они по существу сводятся к тому, что если сложный, многокомпонентный объект теми или иными щадящими приёмами искусственно разложить на составные части, изолировать их друг от друга, а затем смешать в надлежащих соотношениях и создать благоприятные условия, то они самопроизвольно вновь соберутся в исходную целостность. Её полноценность легко и с предельной убедительностью доказывается тем, что восстанавливается не только её исходная морфологическая структура, но и её специфические биологические свойства, например каталитическая активность у ферментов, инфекционные свойства у вирусов и т.д.»

Как Вы все, друзья, понимаете, протекание описанных процессов «узнавания» и самосборки молекулярных структур в нечто «целое» и при том оживающее, одушевлённое (!), нельзя представлять без процессов информационно-энергетического взаимодействия микромира с макромиром . Как протекает такой процесс информационно-энергетического взаимодействия между макро — и микромиром, достаточно чётко описал советский учёный, профессор Александр Леонидович Чижевский (1897-1964), содатель новой науки — " Гелиобиологии" .

«Процесс развития органического мира не является процессом самостоятельным, автохтонным, замкнутым в самом себе, а представляет собой результат действия земных и космических факторов, из которых вторые являются главнейшими, так как они обуславливают состояние земной среды. В каждый данный момент органический мир находится под влиянием космической среды и самым чутким образом отражает в себе, в своих функциях перемены или колебания, имеющие место в космической среде. Мы легко можем представить эту зависимость, если вспомним, что даже небольшое изменение температуры нашего Солнца должно было бы повлечь самые сказочные, невероятные изменения во всём органическом мире. А таких важных факторов, как температурный, очень много: космическая среда несёт к нам сотни различных, постоянно изменяющихся и колеблющихся время от времени сил. Одни электромагнитные радиации, идущие от Солнца и звёзд, могут быть разделены на очень большое число категорий, отличающихся одна от другой длиною волны, количеством энергии, степенью проницаемости и многими другими свойствами..."

Мне остаётся лишь добавить: аналогично тому, как рождаются в Природе по принципу "самосборки" различные вирусы и фаги, точно также по принципу "самосборки" в океане мирового эфира , который древние мудрецы справедливо считали колыбелью жизни и средой распространения тепла и света, родилась вся жизнь вообще. При осмыслении этой информации я бы порекомендовал взять в расчёт то обстоятельство, что самозарождение сложных форм жизни на земле происходит время от времени и эти эволюционные процессы, судя по всему, связаны с катаклизмами глобального масштаба, например, такими, как смена полюсов Земли или падение на Землю гиганских астероидов. В природе ничего случайного не бывает, всё закономерно, следовательно, любой глобальный процесс обязательно связан с каким-то другим глобальным процессом . И когда что-то гибнет в планетарном или даже в Космическом масштабе, что-то другое рождается в это же время.

Самосборка и самоорганизация

Рисунок 1 — Пример самосборки биологической структуры

Самосборка (англ. self-assembly) — это термин для описания процессов, в результате которых неорганизованные системы благодаря специфическому, местному взаимодействию компонентов систем приходят к упорядоченному состоянию.

Самоорганизация в классических терминах может быть описана как спонтанная и обратимая организация молекулярных единиц в упорядоченную структуру с помощью нековалентных взаимодействий. Спонтанность означает, что взаимодействия, ответственные за образование самособранной системы, проявляются в локальных масштабах, другими словами, наноструктура строит саму себя.

При определенных условиях микро- или нанообъекты сами начинают выстраиваться в виде упорядоченных структур. Противоречия с фундаментальными законами природы здесь нет — система в данном случае неизолированная, и на нанообъекты оказывается какое-то внешнее воздействие. Однако данное воздействие направлено не на конкретную частицу, как происходит при сборке «сверху вниз», а на все сразу. Вам не нужно выстраивать требуемую структуру вручную, помещая нанообъекты в требуемые точки пространства один за другим — создаваемые условия таковы, что нанообъекты делают это сами и одновременно. Процессы, использующие создание таких особых условий, называются процессами самосборки, и уже сейчас они играют важнейшую роль во многих областях науки и техники.

Суть явления самосборки

Рисунок 2 — Сценарий сборки бактериофага Т4

Рисунок 3 — Гипотетический сценарий взаимодействия элементов

активирование кодового замка;
поиск и сближение двух элементов с совпадающими кодами замков;
срабатывание замков
погашение их активности, образование нового кодового замка для продолжения процесса.

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.

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