Наверное, и количественно не получается втиснуть в нанообъем все эти механизмы, процессоры?
– Нет, главная проблема в другом. Важнее, что все физические процессы, которые сегодня используются для обработки информации, основаны на определенной статистике поведения частиц (в частности, на законе больших чисел), гарантирующей правильное взаимодействие элементов, скажем, в микроэлектронике. Но на наномасштабах, когда функциональные элементы состоят из небольшого количества атомов или молекул, эта статистика перестает действовать. Больше того, никто не отменял теплового движения атомов. Любая информация в таком маленьком элементе имеет немалый шанс пропасть. Отсюда вопрос: как сделать для наноробота мозг с процессором в сто мегагерц? Он сможет работать разве что при абсолютном нуле, если очень повезет… И это лишь одна из принципиальных трудностей, есть и другие. Поэтому я считаю, что любые попытки сделать наноробота закончатся созданием примитивного объекта, который будет уметь что-то одно. Ему не нужны лапки и глазки, поскольку нечем будет ими управлять.
Нанобиотех: капсулы вместо роботов
Что, по-вашему, самое перспективное в сегодняшнем нанотехе?
– На мой взгляд – нанобиотехнологии. На Западе это направление развивается наиболее активно. Например, возьмем наночастичку, состоящую из полимера. Оказывается, что к ней можно пришить две вещи: во-первых, лекарство, а во-вторых – белок, который будет целенаправленно связываться именно с тем участком организма, куда нужно это лекарство доставить, – сосудом, нервной тканью и пр. Дело в том, что непосредственно сшить этот белок и это лекарство нельзя. Но их можно вместе посадить на наночастицу, которая играет роль "мула"!.. Другое направление в нанобиотехе – ввести наночастицы в клетку так, чтобы клетка немного изменила свои функции: например, начала продуцировать некие белки.
На пластинке из пьезокварца, как известно, можно «взвешивать» молекулы. Пластинку покрывают слоем белка, который повышает селективность к тем или иным биомолекулам, и получается необыкновенно чувствительный биосенсор – это тоже из области нанобиотеха.
Усиленно разрабатывается очень важная для медицины технология нано– и микрокапсул (размером от микрон до 20 нм). Они представляют собой кусочки вещества, которое может обладать магнитными или другими функциональными свойствами и имеет большую площадь поверхности. Его можно одеть в «шубу» из белка, из полимера, полисахаридов, гидроксильных радикалов, потом, как говорят, «векторно» доставить в нужное место организма, а если надо – еще и разогреть, чтобы стимулировать действие лекарства. Чем это хуже наноробота? Ничем. Только здесь нет футуристических фантазий про глазки и лапки.
Еще один сюжет на стыке «нано» и медицины – визуализация. Например, наши коллеги с физфака МГУ, сотрудничающие с Онкоцентром имени Н. Н. Блохина, создают магнитные наночастицы, содержащие гадолиний. Частицы рассеиваются по организму, но их можно целенаправленно собирать в исследуемом органе – и благодаря гадолинию этот орган очень хорошо виден с помощью МРТ-томографии. А с помощью магнитного поля можно проводить и гипертермию – разогревать раковую опухоль. Причем здесь очень важно, чтобы использовались именно наночастицы – частицы большого размера будут вызывать тромбы.
Все это замечательно, но нанокапсулы уже существуют? Продаются в аптеках?
– В аптеках, как известно, много чего продают. Вот замечательная история: знаете, как проще всего получить магнитную наножидкость? Берем два очень доступных вещества: железный купорос и хлорное железо, которое используется для травления печатных плат. Сливаем их в водный раствор аммиака – и моментально получаем магнитную жидкость – взвесь частиц Fe3O4 вполне нанометрового размера. Благодаря этой простоте появляется огромное количество статей в стиле "мы пришили к этим частицам белок и доставили туда-то магнитным полем". К сожалению, для медицинской практики именно эти частицы непригодны – они слишком слабо взаимодействуют с магнитным полем. Приходится получать металлические частицы, содержащие платину, железо, кобальт и др. элементы, обеспечивать биосовместимость – и вот тогда их можно «таскать» магнитным полем в нужном направлении, следить за их потоком в теле человека в реальном времени, если надо – разогревать с помощью магнитного поля или ультразвука (такие работы, кстати, проводили наши шестикурсники в РОНЦ РАМН).
Но как я хохотал, наткнувшись на рекламу фирмы, которая продает именно такие частицы оксида железа, как я только что рассказывал, – полученные простым смешиванием содержимого двух банок! Продают под лозунгом: нанодисперсный оксид железа излечит все ваши болезни (включая депрессивные состояния у женщин и даже простатит)! Это к тому, что продавать, конечно, можно – вопрос в том, какой эффект даст такой препарат. В данном случае – никакого. Настоящая проблема – в том, чтобы подобрать наночастицы с определенными свойствами (магнитными или другими), которые могли бы решить нужную вам задачу.
Что касается серьезных проектов лечения с помощью нанокапсул и магнитных жидкостей – они пока находятся в экспериментальной стадии. Научных (и очень интересных!) статей множество, однако на практике речь идет в лучшем случае об испытаниях ключевых принципов на животных и растениях. Из недавних популистских сообщений: группа немецких ученых осуществила магнитную доставку лекарств в легкие мыши с помощью магнитных наночастиц в микрокаплях воды из ингалятора (июль 2007 г.); корейские медики испытали (в пробирке) доставку лекарства, убивающего раковые клетки человека, с помощью магнитных наночастиц (июнь 2007 г.) и пр. На нашем сайте www.nanometer.ru мы частично отслеживаем сообщения по этой тематике, а «форумисты» дают очень компетентные и часто острые комментарии – по ним легко понять истинное положение дел.
Информатика: магнитные нити и квантовые точки
Что же в нанотехе связано с нашей любимой информатикой? За исключением, конечно, нанометровых технологических процессов изготовления интегральных схем – об этом мы и так пишем достаточно.
– Вот хороший пример, связанный с ИТ, который, кстати, иллюстрирует некоторые общие принципы нанотеха. Возьмем магнитную нить – нечто, состоящее из оксида или металла в несколько нанометров толщиной. Круглая частичка такого размера была бы суперпарамагнитной – непригодной для магнитной записи. Как только мы начинаем круглую частицу «растягивать» (менять форм-фактор или «размерность» при одном и том же диаметре), у нее появляется доменная структура, и на эту нить уже можно записать информацию. Но практически значимую среду для записи информации мы получим, только если добьемся корректной взаимной ориентации большого массива нитей. Такая работа ведется, например, аспирантами и сотрудниками академика Ю. Д. Третьякова на факультете наук о материалах и химическом факультете МГУ. Делается своеобразная «матрица» из жидкого кристалла, потом она превращается в мезопористый диоксид кремния (SiO2), и в поры с помощью химических процессов вводятся ферромагнитные нити. Получается пленка, на которую потенциально можно записывать терабиты информации на дюйм. Проблема – в ненужном магнитном взаимодействии между отдельными элементами, но есть пути к ее преодолению.
Как видите, для создания наноматериалов оказывается важным не только их состав (определяющий основные свойства), размер ("модифицирующий" свойства), но и «размерность» (делающая частицы неоднородными) и упорядочение в системе (усиление, «интеграция» свойств в ансамбле нанообъектов). Это характерно для нанотехнологий – новое качество обычно получается только при правильно организованной структуре на более крупных масштабах, чем нано. Поэтому, занимаясь нанотехнологиями, мы не можем ограничиться только химией или только физикой. Нанотех – междисциплинарная область исследований.
Отметим еще полевые транзисторы на углеродных нанотрубках – важное для наноэлектроники направление. Углеродные нанотрубки легко получать, и им находятся все новые и новые применения. Но еще ближе к созданию промышленных устройств подошли разработки на квантовых точках – хотя это уже не столько информатика, сколько оптика.
Информатика тоже, ведь квантовые точки – один из кандидатов на элементную базу квантового компьютера.
– Да, но это, по-видимому, перспектива не менее чем десяти лет. А источники света на квантовых точках – ближайшая перспектива. Упрощенно говоря, квантовая точка – это светодиод, уменьшенный до наноразмера. Сейчас их научились делать очень устойчивыми и долгоживущими. Квантовые точки можно использовать в качестве генераторов лазерного излучения с очень узким спектром, в фотодинамической терапии рака, в качестве маркеров органелл в клетках, – а также для очень экономичных бытовых источников света. Они могут быть очень полезны и в фотонике. Если, скажем, сделать материал из одинаковых правильно упакованных микросфер полистирола или оксида кремния, промежутки заполнить нужными наночастицами, а потом убрать исходную матрицу из микросфер, то получим матрицу, состоящую из квантовых точек, воспроизводящую промежутки между исходными плотноупакованными микросферами. Это будет новый люминесцентный материал, его можно использовать для реализации различных архитектур фотонных компьютеров (фотонный кристалл со структурой обращенной опаловой матрицы).
