Рассматривая эволюцию материи, можно наблюдать процессы самоорганизации на всех уровнях от элементарных частиц до космических структур галактик. Эти процессы интересны не только эпистемологически, но и с точки зрения приложений к материаловедению и науке о жизни. В пограничной области между материаловедением и наукой о жизни колоссальную роль играют надмолекулярные системы. В этом случае молекулярная самоорганизация означает спонтанное объединение молекул в условиях равновесия в стабильные и структурно хорошо оформленные конструкции размерами 1—102 нм (1 нм (нанометр) = 10~9 м).

В зависимости от точки зрения в рассматриваемой области науки, наноструктуры можно рассматривать как малые, привычные по размерам или огромные. Для химиков наноструктуры — это молекулярные ансамбли атомов числом от 10Л до 109 и молекулярной массой от 104 до 1010 а. е. м. Таким образом, это химически большие надмолекулы. Для молекулярных биологов наноструктуры имеют размеры знакомых объектов — от белков до вирусов и клеточных органелл. Однако для специалистов по материаловедению, занимающихся микроэлектроникой, наноструктуры соответствуют современному пределу микроконструирования и, следовательно, являются очень малыми [2.53].

Начало науки о наноструктурах ознаменовалось предвидением выдающегося физика. В статье, озаглавленной «Там, внизу, еще много места», Ричард Фейнман утверждал:

Насколько я могу судить, законы физики не запрещают возможности манипулирования вещами атом за атомом. В принципе, физик мог бы... синтезировать любое химическое вещество, формулу которого запишет химик... Как? Поместите атомы туда, куда укажет химик, и вещество готово. Если в конце концов разовьется наша способность видеть то, что мы делаем, и делать вещи на атомном уровне, это необычайно поможет решению задач химии и биологии. Такое развитие представляется мне неизбежным [2.54].

Фейнман высказал свои физические идеи о наномире в конце 1950-х гг.

Вера в новый мир требует новых инструментов для наблюдения и измерений для подтверждения. С начала 1980-х гг. стало возможным исследование наномира с помощью сканирующего туннельного микроскопа. В конце 1980-х гг. Эрик Дрекслер описывал революционное предвидение технологических приложений:

Природа показывает, что молекулы могут служить в качестве машин, так как с помощью этого механизма живые существа совершают работу. Ферменты — это молекулярные машины, которые создают, разрушают и перестраивают связи, удерживающие вместе другие молекулы. Мускулы приводятся в движение молекулярными машинами, которые тянут одно за другим волокна. ДНК служит в качестве системы хранения данных, передающей цифровые инструкции молекулярным машинам — рибосомам, производящим белковые молекулы. Эти молекулы белка, в свою очередь, создают большинство только что описанных молекулярных механизмов [2.55].

С помощью нанотехнологий можно определенным образом разместить и связать между собой атомы на манер тех процессов, которые происходят в живых организмах. Сложные организмы, подобные растениям и животным, используют молекулярные механизмы для производства и починки на клеточном и субклеточном уровнях. Клетку можно рассматривать как завод наномашин, состоящий из молекулярных прототипов, таких как белок, нуклеиновая кислота, липид и полисахарид. Они используются для производства энергии, обработки информации, саморепликации,самовосстановления и движения. Например, рибосома является клеточной нано-машиной, которая считывает информацию с цепочки РНК, с тем чтобы построить входящие в состав белка аминокислоты. Это напоминает конвейерное производство автомобилей роботами в автомобильной промышленности.

Биологические микроорганизмы следует понимать как клеточные системы, приводящиеся в действие и контролируемые наномашинами. Например, бактерия вида Escherichia Coli для движения в жидкости использует хвосты, подобные крыльям ветряной мельницы. Хвосты, как пропеллеры, крутятся за счет поставляемого биохимическими наномашинами топлива. Эти наномашины состоят из белков в мембранах, генерирующих вращение хвостов — крыльев мельницы. При этом используются аналоги валов и роторов электромоторов. Конечно, сходство наномашин и электрических моторов всего лишь иллюстрация. Биохимические машины не используют электрический ток для генерации магнитного поля, а для того, чтобы крутить вал, изменяют форму молекул с помощью биохимических процессов, таких как разложение АТФ [2.56].

На создание новых материалов начали оказывать влияние генная инженерия и компьютерное моделирование. Используя специальные устройства для сборки объектов размером с бактерию, нанотехнология позволит осуществлять точный контроль и быстрое манипулирование молекулярными структурами. Быстрый фермент может обработать почти миллион молекул за одну секунду, даже без транспортеров и механизмов с механическим приводом забрасывая новую молекулу на место сразу же, как только его освобождает старая молекула. Дрекслер предположил, что манипулятор сборщика должен быть в пятьдесят миллионов раз короче, чем рука человека и, соответственно, должен быть способным двигаться туда-сюда примерно в пятьдесят миллионов раз быстрее. Согласно предвидению Фейнмана, такие машины должны захватывать отдельные атомы, используя выборочно липкие манипуляторы, затем собирать эти атомы вместе, как блоки в детском конструкторе Lego, до тех пор пока имеет место химическое связывание.

Используя нанотехнологию, с помощью компьютерного моделирования можно ожидать создания универсальных химических синтезаторов, действующих как универсальный компьютер. Желаемые молекулы будут моделироваться на мониторе компьютера, а соответствующий сборщик обеспечит массовое производство желаемых веществ. Возможно, что в один прекрасный день специально разработанные паноустройства размером с бактерию будут запрограммированы на разрушение холестериновых бляшек в артериях, или раковых клеток, или па восстановление поврежденных в результате старения клеток. Они могут быть внедрены в тело, имея инструкцию саморазрушиться или интегрироваться в клетки тела. Наконец, все еще кажется научной фантастикой, что распределенные по всему мозгу крохотные нано-устройства позволят копировать мысленные образы и загрузку памяти, так что копию личности человека и его воспоминания можно будет разместить в хранилище или даже заставит!, работать как форму естественно созданного искусственного интеллекта.

Наноструктуры — это сложные системы, очевидно, относящиеся к области на грани между физикой твердого тела, супрамолекулярной химией и молекулярной биологией. Отсюда следует, что исследование наноструктур может привести к догадкам о возникновении жизни и о производстве новых материалов. Однако конструированием наноструктур нельзя руководить традиционным способом, пригодным для конструирования механизмов. Не существует сделанных руками человека инструментов или машин для сборки наноструктур из стандартных блоков, похожих на элементы часов, мотора или компьютерного чипа. Следовательно, мы должны понять принципы самоорганизации, которые используются наноструктурами в природе. Затем нужно только систематизировать соответствующие ограничения, подчиняясь которым атомные элементы наноструктур связывают себя в процессе спонтанного самопостроения. Элементы подгоняют свои положения так, чтобы достичь термодинамического минимума без всяких манипуляций со стороны человека-инженера.

Исторически идея супрамолеку-лярных взаимодействий восходит к знаменитой метафоре Эмиля Фишера (1894), описавшего селективное взаимодействие молекул как принцип замка и ключа. В наши дни супрамолеку-лярная химия далеко ушла от своей исходной точки. Молекулярные самосборочные машины объединяют свойства ковалентного и нековалентного синтеза для создания больших и структурно хорошо оформленных упорядоченных структур из атомов. Интенсивности индивидуальных вандерва-альсовых взаимодействий и водородных связей малы, по сравнению с типичными ковалентными связями и сравнимы с тепловыми энергиями. Поэтому, чтобы достичь стабильности молекул в самособранных совокупностях, нужно много таких слабых нековалентных взаимодействий.

В биологии имеется много сложных систем, образованных из наноструктур путем самосборки, например белки и вирусы. В живых системах для производства больших структур суммируются многие слабые взаимодействия между химическими составными частями. Возникает вопрос, как построить структуры с размерами и сложностью биологических структур, не используя биологических катализаторов или информационных механизмов, закодированных в генах?

Многие небиологические системы также демонстрируют самоорганизующееся поведение и дают примеры полезных взаимодействий. Так, молекулярные кристаллы являются самоорганизующимися структурами. Жидкие кристаллы — самоорганизующиеся фазы, промежуточные по порядку между кристаллами и липида-ми. Мицеллы, эмульсии и липиды демонстрируют большое разнообразие самоорганизующегося поведения. Примером может служить генерация каскадных полимеров, приводящая к молекулярным бифуркационным суперструктурам фрактального типа [2.57]. Их синтез основан на архитектурной схеме деревьев. Поэтому такие супра-молекулы называют дендримерами (от греческого слова дендрон — дерево — и слова полимер). Генерация денд-римеров удовлетворяет двум основным правилам добавления мономеров. Расходящаяся конструкция начинается в сердцевине и строится наружу путем увеличения числа повторяющихся бифуркаций (ветвлений). Сходящаяся конструкция начинается на периферии и строится вовнутрь с помощью постоянного числа преобразований. Расходящаяся конструкция переносит центры химической реакции от центра к периферии, генерируя вокруг центра сеть бифуркационных ветвей. Бифуркации экспоненциально нарастают до критического состояния максимального размера. Они приводят к молекулярным структурам типа молекулярных губок, которые могут содержать молекулы меньшего размера, способные затем рассеиваться контролируемым образом в целях медицинских приложений.

Примерами супрамолекул являются фуллерены, образующие огромные, полые внутри, шары из углерода [2.58]. Стабильность этих сложных кластеров поддерживается их высокой геометрической симметрией. Фуллерены получили свое название от конструкций крыш залов, имеющих вид сфер, созданных американским архитектором Ричардом Бакминстером Фулле-ром (1895-1983). Кластер С,° из 60 атомов углерода обладает высокой симметрией, подобной той, которой обладает футбольный мяч.

Полые супрамолекулы можно упорядочить, используя химические шаблоны и матрицы, и получить сложные молекулярные структуры. Путем самосборки было получено несколько гигантских кластеров, сравнимых по величине с небольшими белками. На рис. 2.31 показана составленная из шариков и палочек модель самого большого дискретного кластера (700 тяжелых атомов) из всех, до сих пор выявленных с помощью рептгено-структурного анализа. Этот кластер, содержащий 154 атома молибдена, 532 ат ома кислорода и 14 атомов азота, имеет относительную молекулярную массу порядка 24 ООО. Ахим Мюллер с сотрудниками синтезировал «большое колесо», обладающее высокой симметрией. Гигантские кластеры могут обладать новыми необычными структурными и электронными свойствами. У них есть типичные для специальных твердотельных структур плоскости разной намагниченности, играющие важную роль в материаловедении. Примечательным структурным свойством является наличие внутри гигантского кластера полости на-нометрового размера. Использование в этом случае шаблонов и подбор подходящих молекулярных структур напоминает принцип замка и ключа Фишера.

Молекулярные полости можно использовать как контейнеры для других химических веществ и даже для медикаментов, которые нужно транспортировать внутрь организма человека. Во многих высших организмах встречается ферритин — сохраняющий железо белок. Это необычная система хозяин — гость, состоящая из органического хозяина (апротеин) и меняющегося гостя (железное ядро). В зависимости от внешних потребностей, железо может либо удаляться из этой системы, либо включаться в нее. Часто обнаруживается, что сложные химические соединения типа полиоксометалатов основаны на правильных выпуклых многогранниках, таких как платоновские тела. Однако коллективные электронные и/или магнитные свойства этих соединений не выводятся из известных свойств таких строительных блоков. Согласно популярному высказыванию «от молекул к веществам», химия супрамолекул применяет «чертежи» консервативной самоорганизации для построения сложных материалов манометровых размеров, обладающих новыми каталитическими, электронными, электрохимическими, оптическими, магнитными и фотохимическими свойствами. Материалы с большим числом таких свойств необычайно интересны.

Исследование наномира и приложения в нанотехнологии зависят от улучшения качества инструментов для наблюдения и измерения. Дальнейшим развитием сканирующих туннельных микроскопов стали сканирующие силовые микроскопы, которые можно использовать, как авторучку для «записи» наноразмерных молекулярных структур. В качестве «наночернил» используется тонкий слой тиомолекул. В крохотной капле воды тиомолекулы организуются в монослой. Нанокристаллы из нескольких сотен атомов могут организоваться вместе с ионами кадмия, селена и органическими молекулами в шаровидную структуру (рис. 2.32). В ультрафиолетовом свете эти структуры флуоресцируют определенным цветом. Следовательно, они могут- быть использованы как маркеры («квантовые точки») молекул, клеток и веществ, например, в медицине. Сложные системы углеродных молекул, благодаря определенным катализаторам и шаблонам, могут самоорганизоваться в тонкие трубки диаметром 1 нм. Симметричный порядок связывания этих структур приводит к их высокой жесткости и прочности. На-нотрубки из углерода можно использовать в качестве проводников для миниатюрных чипов, размеры которых выходят за пределы возможностей кремниевых технологий.

Супрамолекулярные транзисторы являются примером, который может стимулировать новые революционные шаги в развитии химических компьютеров. Действительно, существует стремление к использованию наноструктур в электронных системах, что может привести к созданию маленьких быстрых устройств и хранилищ информации высокой плотности. Но можно представить и не-электрониые применения наноструктур. Их можно использовать в качестве компонент в микродатчиках или как катализаторы и устройства для распознавания образов, по аналогии с ферментами и рецепторами в живых системах. В природной эволюции очень большие сложные молекулярные системы также создаются за счет скачкообразных, направляемых генами, процессов. Консервативные процессы самоорганизации в наномолекулярной химии — это реакции, не контролируемые генами. Только искусная комбинация консервативной и неконсервативной самоорганизации может инициировать добиологическую эволюцию, до того как возникнут гены. Но даже в процессе эволюции сложных организмов должна происходить консервативная самоорганизация. Открытые («диссипативные») физические и химические системы теряют свою структуру, если приостанавливается или изменяется подача энергии и вещества (например, лазер, реакция Белоусова— Жаботинского). Организменные системы (такие как клетки) способны в основном сохранять свою структуру, по крайней мере достаточно долгое время. С другой стороны, чтобы сохранять свою структуру более или менее далеко от теплового равновесия в течение определенного промежутка времени, им нужны энергия и вещество. В процессе технической эволюции человечества были еще раз установлены принципы консервативной и диссипативной самоорганизации, открывшие новые пути для технических приложений.

Основанный на теории сложных систем подход позволяет инженерам наделять материалы свойствами, все более и более близкими к свойствам живых организмов. Саморегуляция и самоадаптация к изменениям окружающей среды — хорошо известные возможности живых систем. Их можно рассматривать как особые формы самоорганизующихся открытых систем в меняющейся окружающей среде. Аналогично, инженеры стремятся создать сложные материалы, способные ощущать свое собственное состояние, состояние своего окружения и реагировать на них. Поразительные примеры — материалы для мостов, которые способны определять и противодействовать коррозии, преледе чем прогнутся опоры, строения, которые скрепляют сами себя, противодействуя сейсмическим волнам, или обшивка самолетов, способная спонтанно противостоять опасной усталости материала.

Акгпуаторы — материалы, способные изменять свои свойства в соответствии с изменяющимися состояниями системы [2.61]. Примерами являются пьезоэлектрические керамики и полимеры, действующие либо как датчики давления, либо как механические силовые приводы. Электрическая полярность их кристаллических или молекулярных структур позволяет трансформировать приложенные к ним механические силы в электрический ток или, наоборот, превращать электрические импульсы в механические колебания. Чтобы получить очень высокую чувствительность (например, для расшифровки брайлев-ского шрифта), пьезоэлектрические полимеры можно вмонтировать в оболочку искусственной руки.

Другими примерами веществ, которые можно использовать в качестве актуаторов, являются сплавы с так называемой памятью формы. Ниже определенного управляемого значения температуры перехода проволока с памятью формы примет любую форму, в которую ее согнут. Если проволока нагрета выше точки перехода, она возвращается к исходной форме. Инженеры предлагают включать металл с памятью формы в механическую систему в низкотемпературной фазе. При любом нагревании на систему начинает действовать сила. Порождающий силу переход происходит тогда, когда атомы в кристаллических гранулах сплава перебрасываются между разными геометрическими расположениями. Возможные приложения таких управляемых структур — стойкие к повреждениям мосты или крылья самолетов.

Существуют даже актуаторные вещества, способные обратимым образом переносить свои механические свойства от жидкого к твердому состоянию. Они состоят из мелких поляризуемых частиц керамики или полимера, взвешенных в жидкости, подобной силиконовому маслу. Под действием сильных электрических полей такие жидкости самоорганизуются, образуя нити и сети, укрепляющие вещество и превращающие его в геле-подобное твердое тело. При снятии электрического поля организованная структура разрушается и вещество снова превращается в жидкость. Из других приложений стоит упомянуть оптические волокна, действующие как вещества-датчики. На свойства этих волокон толщиной с человеческий волос оказывают влияние изменения температуры, давления или других физических или химических условий внутри вещества. Эти волокна можно рассматривать как «стеклянные нервы», подающие оптические сигналы о внутреннем «здоровье» вещества.

Иногда современные материаловеды называют созданные ими системы сообразительными или даже «умными» материалами. Цель исследований иногда описывается как «оживление неживого мира» [2.62]. С философской точки зрения, представляется, что такой девиз возвращает пас к традициям алхимии. Возможно, что кто-то из философов науки может критиковать словарь материаловедов как ненаучный анимизм. Но с точки зрения сложных систем, в нем есть твердое научное ядро. Свойства самоорганизации не обязательно соединяются с сознательным поведением па базе нервной системы. Они даже не обязательно зависят от биологических катализаторов или информационных устройств, закодированных в генах. Таким образом, между так называемыми неживой и живой природой нет разрыва. При эволюции материи мы наблюдаем системы с более или менее высокими степенями организации. Ясно, что мы сделали лишь самые первые шаги в понимании таящегося в них потенциала.

При рассмотрении технологии будущего возникает вопрос о том, насколько реалистичны мечты о самовоспроизводящихся нанороботах? Ведь они будут эквивалентны новой паразитической форме жизни. Опасными примерами самовоспроизводящихся биологических систем являются патогенные бактерии и раковые клетки. Компьютерные вирусы с самодублирующимися битовыми строками являются первыми, по крайней мере виртуальными, примерами искусственных самоорганизующихся систем. Билл Джой, главный научный сотрудник фирмы «Sun Microsystems», уже высказал озабоченность по поводу социальных последствий распространения нанороботов [2.63]. Как утверждает Джой, при искусственной эволюции враждебные агенты могут эволюционировать, превращаясь в популяции материализованных биохимических наноразмерных тел. Представляя собой автономные эгоистичные существа, они могут атаковать основы человеческой жизни.

Ричард Смелли, получивший Нобелевскую премию по химии за открытие фуллеренов (1996), отвергает представление о вышедших из под контроля нанороботах [2.64]. Следуя девизу Фейнмана: «Там, внизу, еще много места», Смелли доказывает, что для последовательного манипулирования отдельными атомами с помощью наноразмерных атомных инструментов не требуется так уж много места. Он называет эти ограничения проблемой толстых и липких пальцев: «пальцы»-манипуляторы наноро-бота не только слишком большие («толстые»), но и слишком липкие, так как их атомы будут прилипать к тому атому, который нужно перенести. Образ пальцев у Смелли подчеркивает тот факт, что в нанометро-вой области нет никаких эквивалентов современной технологии. В живых системах эволюция создала примеры биохимических наномашин, и нет причин утверждать, что не может быть других машин, построенных на иных материальных основах. Но технологическая стратегия будет следовать не устаревшей механической идее захвата и переноса атомов с помощью наноразмерных пинцетов, а естественной идее самоорганизации при соответствующих ограничениях. Нам следует искать не сборщиков, а самосборщиков. С точки зрения теории вычислительных систем, не является странной идея универсального изготовителя структур любого типа8\ включая самоизготовление. Универсальная машина Тьюринга, в некотором приближенном виде, уже реализована в наших домашних компьютерах, выполняющих все виды программ. Почему же это неосуществимо в наномасштабах?