Kopš vārda "nanotehnoloģijas" popularitāte visā pasaulē ir kļuvusi plaši izplatīta stāsti par "nanorobotiem", kas pārņem Visumu. Zinātniskās fantastikas rakstnieki sacenšas, lai izgudrotu visbriesmīgāko globālās katastrofas scenāriju, filmu veidotāji uzņem vairākus miljardus dolāru vērtus grāvējus, un blogosfērā periodiski ieplūst šausmīgas baumas, ka “Ķīnā slepenas darbības rezultātā piedzima trīsgalvu mutants kucēns. nanogēns eksperiments. Kas ir fakts un kas ir daiļliteratūra futūristiskajos “šausmu stāstos”? Ko zinātnieki patiesībā dara, veidojot un pētot nanostruktūras? Kā viņi to dara?

Ērika Drekslera murgs 1

Ideju par “pelēkajiem putekļiem” (dažās versijās – “pelēko goo”) izvirzīja viens no mūsdienu nanotehnoloģiju uzplaukuma ideologiem. Ēriks Drekslers. Tās saknes meklējamas ļoti pozitīvajā cilvēku vēlmē samazināt ierīču izmērus un uzlabot izmantoto materiālu īpašības. Un nanotehnoloģijas šeit sola izrāvienu ne mazākā mērogā kā līdz ar metalurģijas, plastmasas vai kompozītmateriālu parādīšanos.

Svarīgs apstāklis: nanoierīču un nanomateriālu priekšrocības globālā ekonomikas mērogā kļūs pamanāmas tikai tad, kad nanostrukturēti produkti sasniegs makroizmērus. Piemēram: ja ēkas būvniecības laikā izmantojat nanoizmēra piedevas, piedevas, modifikatorus u.c., konstrukcijas raksturlielumus var uzlabot par procentiem, maksimums vairākas reizes. Ja visa ēka ir pilnībā salikta no nanostrukturētiem celtniecības blokiem, tad tā var būt desmitiem vai simtiem reižu lielāka par pašreiz esošajiem.

Bet jo mazāka kļūst noteikta detaļa vai ierīce, jo vairāk pūļu jāpieliek tās izgatavošanai, kontrolei un apstrādei. Tas ir, jo mazāka daļa, jo dārgāka tā ir. Ko darīt?

Sākotnējais problēmas risinājums ir “mācīt” nanomēroga ierīcēm salikt pašas bez cilvēka iejaukšanās. Katrs no mums ir redzējis, kā uz salna stikla veidojas raksti. Šis ir pašorganizācijas piemērs molekulārā līmenī. Ūdens tvaiku molekulas no gaisa tiek nogulsnētas uz kristāliskām sēklām, kas spontāni parādās uz stikla. Nogulsnēšanās notiek nevienmērīgi, virsmas enerģijas sadalījums pa sēklu kristāla virsmu veicina jaunu molekulu iekļaušanu pārsvarā noteiktā vietā un rezultātā struktūras augšanu stingri noteiktā virzienā. Rezultātā varam novērot ar aci – t.i. makrostruktūras līmenī – sarežģītu divdimensiju rakstu parādīšanās uz stikla.

Ēriks Drekslers prognozēja, ka galvenais nanotehnoloģiju attīstības ceļš būs molekulārās un atomu pašsavienošanās pieeju radīšana un uzlabošana. Loģiskai šī virziena attīstībai vajadzētu būt mikro- un nanokonveieru ražošanai, kurā pašmontāžas tehnoloģijas izmantos nanomēroga mašīnas, lai atjaunotu sevi un līdzīgas nanoierīces. Tieši šīs (un tikai tādas) rūpnīcas, kas bez cilvēka iejaukšanās spēj bez apstājas darboties 24 stundas diennaktī un 365 dienas gadā, spēs radīt desmitiem, simtiem un tūkstošiem tonnu salīdzinoši lētas, bet plkst. tajā pašā laikā nanostrukturēti materiāli, detaļas un ierīces. Un tikai šajā gadījumā būs iespējams realizēt visas tās fantastiskās iespējas, ko sola spēja kontrolēt materiālu uzbūvi un detaļu īpašības ar atomāru precizitāti.

Šeit slēpjas murgs Drekslers to sauca par "pelēkajām gļotām". Kas notiks, ja vienā no šīm autonomajām nanorūpnīcām kaut kas nojauks tehnoloģiju kontroles mehānismā un nanomašīnas pārtrauks ražot noderīgas nanodaļas un tā vietā sāks sevi vienkārši radīt no jauna? Parādīsies kāda mākslīga būtne, tik niecīga, ka to būs ļoti grūti pamanīt un iznīcināt. Tas var viegli izplatīties, ja izdosies nokļūt vidē, un vienīgais, ko tas darīs, ir izmantot visus planētas materiālus, lai ražotu nanostrukturētus "putekļus" vai "slāņus" (slimības ir biedējošākas, tāpēc šis scenārijs ir kļuvis izplatītāks ). Pamazām visa dzīvā un nedzīvā daba tiks “aprīta” un pārstrādāta nanoslāņos.

Molekulārā pašsavienošanās, dzīvā un nedzīvā

Pirmkārt, ir jānodala mākslīgās tehnoloģijas un dzīvā daba. Jo dzīvajā dabā makrosistēmu pašreprodukcijas pamatā ir molekulārās pašizkopšanās procesi. Olbaltumvielu molekulu spēja specifiski un selektīvi saistīties ar citām molekulām ir būtiska iezīme, kas ir visu dzīvā šūnā notiekošo procesu pamatā. Cilvēka genomā ir desmitiem tūkstošu olbaltumvielu struktūru. Tas ir pietiekami, lai nodrošinātu šūnu ar celtniecības materiāliem, lai tā varētu iegūt enerģiju no augstas enerģijas savienojumiem, apmainīties ar sarežģītu signālu sistēmu ar citām ķermeņa struktūras šūnām utt.

Tas nozīmē, ka nanorūpnīcu piemēri, kas var pastāvēt autonomi un vairoties, pamatojoties uz molekulāro pašsavienošanos, ir visas dzīvās būtnes.

Mēs zinām pietiekami daudz, lai teiktu, ka jebkura dzīva organisma augšanas un attīstības pamatā ir molekulārā pašsavienošanās. Bet mēs joprojām pārāk maz zinām, lai izveidotu līdzīgu sistēmu no mākslīgiem materiāliem un lai tā darbotos.

Mūsdienās zinātnieki zina tūkstošiem molekulārās mijiedarbības reakciju, kuru pamatā ir pašsavienošanās princips. Daudzi no tiem ir modelēti un detalizēti pētīti. Bet dzīvā šūnā notiek daudzi miljoni starpmolekulāru reakciju, un tās visas tiek veiktas virziena veidā.

Mūsdienās nav iespējams iedomāties, ka kāds varētu radīt mākslīgu dzīvas šūnas vai pat vīrusa analogu - visvienkāršāko sistēmu, kas spēj pašatvairot. Teorētiski tas ir iespējams, taču tas ir daudzu gadu desmitu zinātnisko pētījumu perspektīva.

Ko tagad var izdarīt, izmantojot molekulu pašsavienojumu?

Ir iespējams izveidot atsevišķas nanodaļas un nanoierīces. Tie nespēs sevi atražot, un to ražošana būs ļoti dārga, taču to klātbūtne makroierīcē var būtiski uzlabot tehniskos parametrus un patērētāja īpašības. Mēs runājam par MEMS un NEMS tehnoloģijām (mikro- un nanoelektromehāniskās sistēmas). Piemēram, NanoFab 100 platformas kompleksi ļauj augsta vakuuma apstākļos pārnest kristāliskā silīcija vafeles no viena tehnoloģiskā moduļa uz otru un secīgi izveidot dažādas nanoizmēra struktūras uz silīcija. Šajā gadījumā liela nozīme ir tehnoloģijām, kuru pamatā ir pašmontāža, piemēram, epitaksiālo monoatomisko slāņu augšana. Tie ļauj veidot nanostrukturētas sagataves – ļoti regulāras, ar precīzi noteiktām īpašībām.

Tomēr galīgās daļas vai ierīces ražošanā integrēta pieeja izrādās ļoti svarīga: ja ir perfekta sagatave, mums ir jāspēj uz to vērst nanolokālu ietekmi. Un te rodas jautājums: kā redzēt, kā izmērīt?

Tātad molekulu pašsavienošanās ir viens no veidiem, kā izveidot nanostruktūras. Bet, lai izveidotās struktūras varētu izmantot reālos produktos, ir nepieciešami rīki, kas ļauj redzēt nano izmēra objektus, izmērīt to fizikālās un ķīmiskās īpašības un kopumā kontrolēt to veidošanas un integrācijas procesu MEMS un NEMS. produktiem. Kādi ir šie rīki?

Protams, visinformatīvākā un daudzsološākā nanostruktūru analīzes metode mūsdienās ir skenējošās zondes mikroskopija (SPM). Šīs pieejas būtība ir tāda, ka uz parauga virsmas tiek nogādāta ļoti asa adata - zonde, kas pēc tam tiek pārvietota no punkta uz punktu (skenēta) un adatas un parauga virsmas mijiedarbības spēks tiek sasniegts. izmērīts. Zondes adatas var būt ļoti dažādas, attiecīgi mijiedarbības spēku raksturs būs atšķirīgs, kas nozīmē, ka var pētīt dažādas nanoobjekta īpašības.

Piemēram, ja zonde ir vadoša, to var izmantot, lai izmērītu elektriskās īpašības katrā virsmas punktā (elektrisko vadītspēju, kapacitāti, lādiņu utt.). Izmantojot magnētiski pārklātu zondi, varat noteikt parauga magnetizāciju un izveidot magnētisko domēnu sadalījuma un orientācijas karti magnētisko materiālu virsmas slānī. Dimanta zonde var izmērīt materiāla cietību ar nanometru izšķirtspēju. Kopumā ir vairāk nekā 40 skenēšanas zondes mikroskopijas metodes. Vienīgais būtiskais SPM ierobežojums ir tas, ka visa informācija tiek savākta tikai no virsmas.

Otrs svarīgais instruments nanostruktūru pētīšanai ir elektronu mikroskopija (EM). Jaudīgi transmisijas elektronu mikroskopi mūsdienās nodrošina subangstrom telpisko izšķirtspēju. Šīs pieejas ierobežojums ir saistīts ar faktu, ka elektroni mijiedarbojas ar vielu, kas nozīmē, ka tie nevar iekļūt dziļi. Transmisijas mikroskopijai izdevīgākie paraugi ir plānas un cietas struktūras, piemēram, folijas, divdimensiju kristāli u.c.

Skenējošā elektronu mikroskopija, tāpat kā SPM, ļauj iegūt vizuālu parauga virsmas attēlu. Ir divas būtiskas atšķirības.

Pirmkārt, iegūtajam attēlam ir tikai divas koordinātas, kuras var kvantitatīvi izmērīt (X un Y). Novēroto konstrukciju augstumu var novērtēt netieši, bet kvantitatīvi to nav iespējams izmērīt (SPM dod precīzu augstuma vērtību katrā punktā). Otrkārt, elektroni, atšķirībā no cietvielu zondes, joprojām iekļūst matērijā. Tāpēc EM ir iespējams iegūt informāciju par virsmas slāni. Objekta skenēšanai izmantotajam elektronu staram ir ļoti liela enerģija; Saduroties ar matērijas atomiem, elektroni tiek atspoguļoti, izkliedēti, kā arī izraisa nopietnas izmaiņas atomu elektronu apvalkā. Elektronu enerģijas, kā arī rentgena kvantu, kas izstaro no staru kūļa mijiedarbības ar vielu apgabala, analīze ļauj iegūt informāciju par elementu sastāvu objekta virsmas slānī.

Rentgena starojums var sniegt ļoti noderīgu informāciju par vielas iekšējo struktūru nanometru mērogā. Ja objekta struktūrā ir relatīvi liela neviendabība (nanometri un desmitiem nanometru), rentgena starus var novirzīt, un šī parādība ir maza leņķa rentgenstaru izkliedes (SAXS) pamatā. SAXS ļauj pētīt nanodaļiņu izmērus un sadalījumu suspensijā un polimēru nanokompozītu struktūrā. Tā pati metode palīdz atklāt un pētīt nanoizmēra dobumus, piemēram, cietās putās, kā arī ir ļoti noderīga plānu kārtiņu izpētē. Ja nehomogenitātes ir salīdzināmas ar rentgena starojuma viļņa garumu (un tie ir angstromi - raksturīgie atomu un atomu režģu izmēri kristālos), tad tiek analizēta platleņķa izkliede (WAS). Šī metode sniedz informāciju par kristāliskā režģa defektiem un ļauj rekonstruēt bioloģisko vai sintētisko makromolekulu telpisko organizāciju.

Labākais rentgenstaru avots šādiem pētījumiem ir sinhrotrons, taču mūsdienu kompakto sistēmu izstrāde rentgenstaru difraktometrijai nodrošina zinātniekiem efektīvus galda instrumentus daudzām SAXS un SAXS lietojumprogrammām.

Krievijas vadības instrumenti

Pēdējos gados ir kļuvis modē lamāt pašmāju rūpniecību un tenkot par to, cik mūsu zinātnē viss ir slikti. Taču ir piemēri, kā pašmāju pētniecības un ražošanas uzņēmumi rada iekārtas progresīvākajiem pētījumiem pat visas pasaules zinātnes mērogā.

Tādējādi uzņēmums Nanotechnology MDT Zelenogradā pie Maskavas darbojas jau 20 gadus. Šeit tiek izstrādāti un masveidā ražoti nanotehnoloģiju pētniecības instrumenti, kurus viegli iegādājas vadošie pētniecības centri visā pasaulē.

Panākumu atslēga izrādījās integrēta pieeja nanostruktūru izpētei.

Pagājušā gada beigās Kurčatova institūtā aprīkojām unikālu nanocentru,” stāsta Viktors Bikovs, NT-MDT izpilddirektors un dibinātājs. – Centra pamatā bija komplekss uz NanoFab 100 platformas, kas integrēts ar sinhrotrona starojuma izvades kanālu. NanoFab 100 ir tehnoloģisko moduļu komplekts nano izmēra konstrukciju veidošanai, apstrādei un analīzei, kas samontēts vienā automatizētā sistēmā.

Tagad pētniekiem ir iespēja izaudzēt noteiktu struktūru, izmantojot kādu no molekulārās pašsavienošanās metodēm (piemēram, kamerā epitaksiālo struktūru augšanai), modificēt to, izmantojot nanolokālās iedarbības metodes (piemēram, piešķirt nepieciešamo formu, izmantojot fokusēts jonu stars, un to var izdarīt ar vienlaicīgu novērošanu, izmantojot elektronu mikroskopa kolonnu), un pēc tam izpētīt tā raksturlielumus skenējošās zondes mikroskopijas modulī.

Kopā ar sinhrotrona starojuma avotu jūs iegūstat pilnu komplektu ar visu, kas zinātniekam varētu būt nepieciešams. Ir svarīgi, lai paraugs vienmēr atrastos augsta vai īpaši augsta vakuuma apstākļos, un īpaši tehniskie risinājumi nodrošina tā precīzu pārvietošanu transportēšanas laikā no moduļa uz moduli – katrs jauns instruments nonāk tieši tajā pašā parauga vietā, ar kuru tika strādāts. iepriekšējā modulī.

Dažādu metodisko pieeju integrēšanas princips vienotā sistēmā labi darbojas arī, veidojot salīdzinoši kompaktus pētniecības instrumentus. Piemēram, Minskā darbojas Baltkrievijas un Japānas kopīgais zinātniskais uzņēmums Solar TII.

Minska nav Krievija, bet zinātniskā skola joprojām ir tā pati, padomju. Savulaik japāņi sāka interesēties par mūsu tehnoloģijām un attīstību Ramana spektroskopijas (RS) jomā. Ar viņu ieguldījumiem tika izstrādāti Ramana spektrometri, lēti, ar izcilām īpašībām, ļoti konkurētspējīgi pasaules tirgū.

Mūsdienās Minskas spektrometru un Zelenogradas skenējošās zondes mikroskopu kombinācija ir ļāvusi izveidot pilnīgi unikālu pētniecības sistēmu. Šī ierīce izmanto nelineārās optikas efektus un tādējādi apiet fundamentālus fiziskos ierobežojumus, piemēram, difrakcijas robežu, kas ierobežo optiskās spektroskopijas metožu telpisko izšķirtspēju. Divu pieeju – Ramana spektroskopijas un skenējošās zondes mikroskopijas – integrācija ļāva iegūt informāciju par virsmas slāņa ķīmisko sastāvu ar izšķirtspēju līdz 50 nanometriem!

Vēl viens piemērs. Maskavas Fizikālās optikas institūtā, izmantojot patentētu tehnoloģiju (tā saukto "Kumakhova objektīvu"), viņi iemācījās fokusēt rentgena starus ļoti šaurā vietā - līdz šim neviens pasaulē to nav spējis izdarīt. Tas ļāva veikt parauga mikroskopisko apgabalu rentgena fluorescences analīzi. Un, integrējot kompakto mikro-rentgena fluorescences iestatījumu ar SPM, parādījās vēl viena unikāla ierīce. Tas ļauj izpētīt virsmas topogrāfiju un vienlaikus sniedz informāciju par elementāro sastāvu izvēlētajā parauga mikrogriezumā.

Var apgalvot, ka vietējās iekārtas nanotehnoloģiju pētniecībai ieņem spēcīgu pozīciju starp vismodernākajām pasaulē.

***

Ir skaidrs, ka galaktisko nanorobotu pūļi, kas iznīcina visu savā ceļā, vai, ja vēlaties, kaitīgo “inteliģento” nanoputekļu mākoņi, ir nekas vairāk kā pseidozinātniskās fantastikas sižeti. Tomēr nanomēroga struktūru pašmontāža pastāv; tas ir svarīgs un ārkārtīgi daudzsološs virziens nanotehnoloģiju attīstībā.

Pagaidām esam tajā zināšanu un prasmju līmenī, kad katrs izveidotais nanoobjekts ir rūpīgi jāizpēta, un tajā pašā laikā ir jākontrolē visi ārējie apstākļi, lai iegūto produktu varētu izmantot praktiskiem mērķiem. Šis ir tikai pats ceļojuma sākums, un vēl jo patīkamāk ir apzināties, ka pašmāju zinātne un pašmāju tehnoloģijas ir šīs kustības priekšgalā. Startā uzstādījām labu tempu un, cerams, arī turpmāk spēsim noturēt vadību.

1 Kims Ēriks Drekslers, ģints. 1955. gadā amerikāņu inženieris. Strādājot NASA kopš 1975. gada, viņš jau izmantoja nanotehnoloģiskās pieejas, lai uzlabotu saules paneļu efektivitāti. 1986. gadā viņš nodibināja Foresight Institute, kura galvenais mērķis ir pētīt cilvēka spēju paplašināšanas perspektīvas ar nanotehnoloģiju palīdzību un ar to saistītos riskus. Kopš aiziešanas no organizācijas 2005. gadā Drekslers ir strādājis par galveno tehnisko konsultantu uzņēmumā Nanorex, kas ražo programmatūru, ko izmanto nanostruktūru projektēšanā.

1. att. Daudzskaldņa molekulārā struktūra, kas iegūta, pašsavienojoties 144 molekulām, atšifrēta ar rentgena kristalogrāfiju" border="0">

Ķīmiķu grupai no Japānas izdevās pārspēt rekordu, ko viņi uzstādīja molekulāro ģeometrisko formu pašmontāžai. Zinātniekiem izdevās izvēlēties apstākļus un sastāvdaļas, lai šķīdumā notiktu molekulāra daudzskaldņa pašsavienošanās reakcija, kas līdzīga vīrusu kapsīdiem (olbaltumvielu čaumalām). Jaunais rekordists sastāvēja no 144 molekulām. Šim atklājumam ir milzīgs pielietojuma potenciāls, jo mazākas struktūras jau sen ir izmantotas katalīzei, paaugstinātas jutības sensoriem, enerģijas uzglabāšanai, sprāgstvielu stabilizēšanai un daudz ko citu.

Ja paskatās uz eksperimentālo ķīmiju filozofiski, tas viss būtībā ir pašsavienošanās. Ķīmiķis tikai pievieno dažus reaģentus citiem, bet tie mijiedarbojas šķīdumā paši: parasti nekas, izņemot difūziju un elektrostatiku, nespiež tos vienu pret otru. Kristāli aug tāpat: viena molekula “pielīp” pie otras, “izvēloties” enerģētiski vislabvēlīgāko konformāciju.

Principā tas notiek dzīvā šūnā. Molekulas, peldot citoplazmā, pašas saliekas struktūrās, tad šīs struktūras katalizē citu struktūru pašsavienošanos, līdz pat daudzšūnu organismam. Tas viss izskatās kā milzīga strādājoša rūpnīca, kurā nav neviena strādnieka, veikala vadītāja, direktora vai apkopējas. Viss darbojas saskaņā ar (bio)ķīmiskiem likumiem bez apzinātas uzraudzības vai kontroles – tas ir evolūcijas, pakāpeniskas sarežģītības, strādājošu sistēmu izdzīvošanas un nestrādājošo nāves rezultāts.

Molekulu pašsavienošanās likumu izpēte sākās ar mēģinājumiem kopēt dabiskos procesus. Taču bioloģiskie objekti ir tādi, ka cilvēka smadzenēm dažreiz ir grūti pat iedomāties to formu. Tas rada nopietnas problēmas bioķīmiskiem pētījumiem. Tā pamazām, 90. gadu sākumā, radās doma: kāpēc patiesībā ir nepieciešams pētīt tikai dabisko pašsavienošanos? Vai ir iespējams pieiet no otras puses? Izvēlieties modeļus, kurus ir vieglāk izpētīt, un mēģiniet izprast dabu, pamatojoties uz tiem. Tas ir, vispirms savāc zem degošās laternas izkaisītās zināšanas un tikai tad dodies pie nodzisušajām laternām. Nu, kas var būt vienkāršāks par ģeometriskām formām? Šī ideja, kā tas bieži notiek, radās neatkarīgi dažādās zinātnieku grupās - Pītera J. Stanga grupā no ASV un Makoto Fudžitas grupā no Japānas.

Gandrīz uzreiz kļuva skaidrs, ka mēs nevaram apstāties pie divdimensiju struktūrām un mēģināt salikt trīsdimensiju struktūras līdzīgā veidā - molekulāros “būros”; rīsi. 3. Lai iegūtu trīsdimensiju figūras, ir nepieciešami donori un/vai akceptori ar trīs vai vairāk aktīviem galiem.

Reakcijām izrādījās nedaudz negaidīta un pat pretintuitīva īpašība: ja sajauc vairākas dažādas “zilas” molekulas ar “sarkanajām”, tās vienalga “izvēlas” no šķīduma tās, kas dod sakārtotākās struktūras, nesajaucoties ar viens otru. Tādējādi faktiski tiek veikta ne tikai pašmontāža, bet arī paššķirošana (4. att.). Tas skaidrojams ar to, ka sakārtotākās būves izrādījās arī enerģētiski vislabvēlīgākās.

No pirmā acu uzmetiena molekulāro ģeometrisko formu pašsavienošanās izpētes lauks var šķist ļoti šaurs, pārstāvot tikai akadēmisko interesi. Patiešām ir daudz tādu jomu, kas kādreiz kaut kam noderēs (vai nederēs), bet apspriežamajā gadījumā tas tā nebūt nav. Gan struktūras, gan to iegūšanas metodes (kā arī atklātie modeļi) ļoti ātri atrada milzīgu skaitu tūlītēju un ilgtermiņa pielietojumu. Kā gaidīts, šie pētījumi ir radījuši labāku izpratni par to, kā darbojas bioloģisko struktūru (piemēram, vīrusu kapsīdu) pašsavienošanās.

Pašmontāžas metodes ir veidojušas pamatu milzīgam metāla-organisko koordinācijas polimēru (MOF) pētījumu laukam. Ar šādām metodēm iegūtās struktūras tiek izmantotas kā paaugstinātas jutības sensori, jo, mijiedarbojoties ar noteiktām vielām, tās maina to fizikālās īpašības. Molekulārie "būri" paātrina organiskās reakcijas, izmantojot iekšējos dobumus, lai tuvinātu reaģentus viens otram (kā to dara fermenti dabā). Tos izmanto arī, lai stabilizētu sprādzienbīstamas vai pašaizdegšanās vielas, piemēram, balto fosforu. Narkotikas tiek ievietotas noteikta veida molekulārajās “šūnās” un nogādātas mērķa orgānos, apejot veselos. Un tas nav pilnīgs saraksts.

Protams, akadēmiskie pētījumi tik noderīgā jomā nav apstājušies. Jo īpaši viens no interesantajiem jautājumiem, ko uzdod pašizveidošanas pētnieki, ir tas, kāds ir lielākais molekulu skaits, kas var “pašsalikt” sakārtotā struktūrā bez jebkādas ārējas palīdzības? Dabā simtiem komponentu var veikt šādu triku (piemēram, tie paši vīrusu kapsīdi). Vai ķīmiķi spēs konkurēt ar dabu?

Fudžitas grupā tika uzstādīts priekšpēdējais rekords. 2016. gada sākumā, rūpīgi aprēķinot vēlamās struktūras topoloģiju un plānojot molekulāro “konstruktora daļu” ģeometriju, izdevās (paš)samontēt Arhimēda cietvielu klasei piederošu struktūru no 90 daļiņām: 30 četrvērtīgiem palādija akceptoriem. un 60 bipiridīna donori (otrais no labās 5. attēlā).

Simts komponentu barjera tobrīd vēl nebija pārvarēta, un daži uzskatīja, ka tā ir nepārvarama. Ignorējot skeptiķu prognozes, jaunā pētījumā zinātnieki mērķēja uz nākamo Arhimēda daudzskaldni, kurā ir 180 daļiņas: 60 palādija akceptori un 120 piridīna donori (struktūra 5. att. labajā malā).

Veicot atbilstošus aprēķinus, ķīmiķi sintezēja tam molekulāros blokus, izgatavoja sastāvdaļu šķīdumu proporcijā viens akceptors pret diviem donoriem un novēroja reakciju, izmantojot KMR spektroskopiju. Kad visi sākuma reaģenti bija reaģējuši, no šķīduma tika izolēti kristāli un to molekulāro struktūru raksturoja ar rentgenstaru difrakciju. Eksperimenta veicējiem par pārsteigumu viņi ieraudzīja daudzskaldni, kura struktūra bija tālu no gaidītā (6. att. pa kreisi).

Tāpat kā iepriekšējais rekordists, tas sastāvēja no 30 akceptoriem un 60 donoriem (“aha!” iesaucās skeptiķi), tikai tas nepiederēja Arhimēda daudzskaldņiem, bet bija tuvu citai figūru klasei - Goldberga daudzskaldņiem (skat. Goldberga daudzskaldnis) .

Goldberga daudzskaldnis ir ģeometriskas figūras, ko 1937. gadā atklāja matemātiķis Maikls Goldbergs. Klasiskie Goldberga daudzskaldņi sastāv no piecstūriem un sešstūriem, kas savienoti viens ar otru saskaņā ar noteiktiem noteikumiem (starp citu, noīsinātais ikosaedrs, kas daudziem pazīstams no futbola bumbas formas, ir Goldberga daudzskaldņa piemērs). Lai gan aplūkotajā darbā daudzskaldņi sastāv no trijstūriem un kvadrātiem, tie ir saistīti ar Goldberga daudzskaldni, kā pierādīts, izmantojot grafu teoriju.

Zinātnieki veica papildu aprēķinus, no kuriem izrietēja, ka šī struktūra ir metastabila un ka pastāv enerģētiski stabilāks daudzskaldnis ar 48 akceptoriem un 96 donoriem, ko var iegūt no tām pašām sākotnējām molekulām. Atlika tikai atrast piemērotus apstākļus tā ražošanai, izolēšanai un raksturošanai. Pēc daudziem mēģinājumiem dažādās temperatūrās un izmantojot dažādus šķīdinātājus tika iegūti kristāli, kas mikroskopā vizuāli atšķīrās no iepriekšējiem. Izmantojot pinceti, tās tika atlasītas no iepriekš raksturotajām, un rentgenstaru difrakcijas analīze apstiprināja: pašmontējot tika iegūts jauns rekordists, kas sastāv no 144 molekulām (6. att. pa labi).

Ņemot vērā veiksmīgo mazāku analogu lietojumprogrammu meklējumu vēsturi, autori cer, ka jaunatklātās molekulas, kā arī tām izstrādātās metodes atradīs interesantus pielietojumus. Viņi negatavojas ar to apstāties un plāno iegūt vēl lielākas konstrukcijas no lielāka sastāvdaļu skaita.

Avoti:
1) Rajesh Chakrabarty, Partha S. Mukherjee, Peter J. Stang. Supramolekulārā koordinācija: ierobežotu divu un trīsdimensiju ansambļu pašsavienošanās // Ķīmiskās atsauksmes. 2011. V. 111., 6810.–6918.lpp. DOI: 10.1021/cr200077m.
2) Daiši Fudžita, Jošihiro Ueda, Sota Sato, Nobuhiro Mizuno, Takaši Kumasaka, Makoto Fudžita. Četravalenta Goldberga daudzskaldņa pašmontāža no 144 maziem komponentiem // Daba. 2016. V. 510, 563.–567. lpp. DOI: 10.1038/nature20771.

Grigorijs Moļevs

Kā izglītības programma Citēju materiālu no N.V. Rebrovs ir nacionālās Doņeckas Tehniskās universitātes students, kuru, starp citu, pašlaik pēc ebreju Kijevas norādījumiem nošauj Ukrainas “nacionālā gvarde” ar smagajiem ieročiem:

PAŠMONTĒŠANA NANOTEHNOLOĢIJĀ

Starp dažādām daudzsološām pieejām nanostruktūru veidošanā arvien lielāku nozīmi iegūst nanotehnoloģijas, kas izmanto pašorganizēšanos. Tiek pieņemts, ka pašorganizēšanās ļaus izveidot nanostruktūras no atsevišķiem atomiem kā “no apakšas uz augšu” tehnoloģiju. Molekulārā pašsavienošanās atšķirībā no nanotehnoloģiju “no augšas uz leju” pieejas, piemēram, litogrāfija, kur vēlamā nanostruktūra parādās no lielākas sagataves, ir svarīga “no apakšas uz augšu” pieejas sastāvdaļa, kur vēlamā nanostruktūra. ir molekulu formas un funkcionālo grupu sava veida programmēšanas rezultāts.

Kādas nanostruktūras var izveidot, izmantojot šīs tehnoloģijas? Runa ir par dažādiem materiāliem, jo ​​šīs tehnoloģijas ļauj izveidot ierīces, veidojot tās no atomiem un molekulām, izmantojot pašorganizēšanās procesus tā, kā tos izmanto daba. Dabā faktiski pastāv līdzīgas sistēmas un notiek līdzīgi procesi. Visspilgtākais piemērs ir sarežģītu bioloģisku objektu montāžas piemērs, pamatojoties uz DNS ierakstīto informāciju (sk. 1. att.).

1. attēls. Bioloģiskās struktūras pašsavienošanās piemērs

Kā tas bija agrāk? Mēs paņēmām, teiksim, dzelzs gabalu un izveidojām no tā āmuru, vienkārši noņemot visu nevajadzīgo (no augšas uz leju tehnoloģija). Nanotehnoloģijas tuvākajā nākotnē ļaus izgatavot produktus no materiāliem no nulles, un ne vienmēr atomam būs jāpievieno atoms “manuāli”, varēsim izmantot pašorganizēšanās fenomenu, pašsalikšanu. nanostruktūras un nanoierīces. Tajā pašā laikā ir diezgan grūti sagaidīt, ka nanolīmenī ir iespējama mākslīga manipulācija ar atsevišķiem nanoobjektiem materiāla “manuālas” montāžas nolūkos. Tas vēl nav praktiski (lēni un prasa daudz darba). Tāpēc pašorganizēšanās var būt dabisks veids, kā iegūt nanomateriālus.

Pašmontāža(eng. self-assembly) ir termins, kas apzīmē procesus, kuru rezultātā neorganizētas sistēmas, pateicoties specifiskai, lokālai sistēmas komponentu mijiedarbībai, nonāk sakārtotā stāvoklī.

Pašmontāža var būt gan statiska, gan dinamiska. Statiskas pašsavienošanās gadījumā organizējošā sistēma tuvojas līdzsvara stāvoklim, samazinot tās brīvo enerģiju. Dinamiskas pašmontāžas gadījumā pareizāk ir lietot terminu pašorganizācija.

Pašorganizāciju klasiskā izteiksmē var raksturot kā spontānu un atgriezenisku molekulāro vienību organizēšanu sakārtotā struktūrā, izmantojot nekovalentu mijiedarbību. Spontanitāte nozīmē, ka mijiedarbība, kas ir atbildīga par pašmontētas sistēmas veidošanos, notiek vietējā mērogā; citiem vārdiem sakot, nanostruktūra veidojas pati.

Noteiktos apstākļos paši mikro- vai nanoobjekti sāk sakārtoties sakārtotu struktūru veidā. Šeit nav nekādu pretrunu ar dabas pamatlikumiem - sistēma šajā gadījumā nav izolēta, un nanoobjekti ir pakļauti kādai ārējai ietekmei. Tomēr šī ietekme nav vērsta uz konkrētu daļiņu, kā tas notiek montāžas laikā no augšas uz leju, bet gan uz visu uzreiz. Nepieciešamā konstrukcija nav jābūvē manuāli, vienu pēc otra izvietojot nanoobjektus vajadzīgajos telpas punktos – radīti apstākļi ir tādi, ka nanoobjekti to dara paši un vienlaikus. Procesus, kuros izmanto šādu īpašu apstākļu radīšanu, sauc par pašsavienošanās procesiem, un tiem jau ir būtiska nozīme daudzās zinātnes un tehnoloģiju jomās.

Pašmontējamām detaļām ir nepieciešams tikai, lai cilvēks pietiekami daudz to ievietotu mēģenē un ļautu tām automātiski salikt vēlamās konfigurācijās atbilstoši to dabiskajām īpašībām.

Līdz šim ir izveidoti divdimensiju un trīsdimensiju organizēti Pt, Pd, Ag, Au, Fe, Co nanokristālu, Fe-Pt, Au-Ag sakausējumu, CdS/CdSe, CdSe/CdTe, Pt/Fe, Pd/Ni bloki. ir sintezētas nanostruktūras uc d. Turklāt anizotropām nanodaļiņām bija iespējams panākt orientējoši sakārtotu masīvu veidošanos. Vienāda izmēra nanodaļiņas var “salikt” telpiski sakārtotās struktūrās, kas ir viendimensionāli “pavedieni”, divdimensiju blīvi iesaiņoti slāņi, trīsdimensiju masīvi vai “mazi” klasteri. Nanodaļiņu organizācijas veids un iegūtā masīva struktūra ir atkarīga no sintēzes apstākļiem, daļiņu diametra un ārējās ietekmes uz struktūru rakstura.

Mūsdienās ir zināmas dažādas pašsavienošanās metodes, kas ļauj iegūt noderīgas sakārtotas struktūras no mikrodaļiņām. Lai radītu īpašus apstākļus, kādos konkrētā sistēmā notiek pašsavienošanās, var izmantot gravitācijas, elektriskos vai magnētiskos laukus, kapilāros spēkus, spēlēšanos uz sistēmas komponentu samitrināmību-nesamērcējamību un citus paņēmienus. Šobrīd ražošanā sāk aktīvi izmantot pašmontāžas procesus.

Pašsavienošanās fenomena būtība

Mūsdienu zinātnē ir milzīgs daudzums faktu materiālu no eksperimentāliem novērojumiem par pašsavienošanās fenomenu. Īpaši iespaidīgi ir novērojumi par bioloģisko objektu pašsavienošanos, jo īpaši Kluga darbs pie augu vīrusu montāžas, kam 1982. gadā tika piešķirta Nobela prēmija. Eksperimentālie pašsavienošanās pētījumi galvenokārt ir pētnieciski un sniedz plašas zināšanas par to, kā tas notiek. Jautājums, kāpēc tas notiek tā un ne citādi, ir izaicinājums mūsdienu dabaszinātnēm.

Apskatīsim labi izpētīto bakteriofāga T4 vīrusa montāžas scenāriju, kas aprakstīts visās mācību grāmatās un kas ir klasisks pašsavienošanās izpētes objekts. Scenārija vienkāršota versija ir parādīta attēlā. 2. Asamblejā ir iesaistīti 54 proteīnu veidi, kuri stingri noteiktā secībā tiek agregēti dažāda līmeņa subagregātos un pēc tam subagregāti tiek samontēti pabeigtā vīrusa daļiņā, kas ietver vairāk nekā tūkstoti olbaltumvielu molekulu. Nav jēgas modelēt šo smalki koordinēto, sazaroto hierarhisko procesu, izmantojot stohastiskas koncepcijas par nejauši saduras molekulām.

2. attēls — bakteriofāga T4 montāžas scenārijs

Nav šaubu, ka vīrusa montāžas process ir deterministisks un kontrolējams, un, lai pilnībā izprastu šo procesu, ir nepieciešams noteikt noteikšanas līdzekļus un kontroles mehānismus. Zinātniskā domāšana divdesmitā gadsimta otrajā pusē aizrāva ar datora izveidi un proteīnu sintēzes kontroles sistēmas atklāšanu. Abas sistēmas ir ideoloģiski identiskas un iemieso koncentrētas kontroles principu. Koncentrētas kontroles nesējs ir zīmju sistēma – lineāra imperatīva kontroles valoda. Gluži dabiski, ka pirmie mēģinājumi matemātiski modelēt pašizvešanas un pašreproducēšanas procesus tika veikti automātu teorijas ietvaros, piemēram, fon Neimans. Tomēr eksperimentālo novērojumu dati neapstiprina šādu modeļu derīgumu. Pašmontāžas procesi neietilpst koncentrētā vadības shēmā.

Eksperimentālie dati ļauj apgalvot, ka pašmontāžas procesā nav vadības elementa un nekādā veidā nav zīmju sistēmas, kas apraksta montāžas darbību secību vai elementu izvietojuma secību pašmontāžas izstrādājumu struktūrā. . Pašsavienošanās fenomena specifika ir tāda, ka process neapšaubāmi ir noteikts, bet noteikšanas mehānisms neiekļaujas vienkāršajā un saprotamajā koncentrētās kontroles metodē.

Pašmontāža ir sadalītās kontroles metodes realizācija, kurā vadības funkcijas tiek realizētas procesā iesaistīto elementu iekšējā struktūrā, un kontroles informācija, kas nosaka procesu, tiek sadalīta pa visiem elementiem. Līdz ar to determinācijas nesējs sadalītajā kontrolē ir specifiskas zīmju sistēmas, kas radikāli atšķiras no vienkāršākajām obligātajām lineārajām valodām, piemēram, datorvalodām vai DNS-olbaltumvielu sistēmas. Pašmontāžas izpētes galvenais uzdevums ir noteikt elementu attiecību loģiku un zīmju sistēmu, sadalītās kontroles nesēju meklēšanu.

Apskatīsim hipotētisku pašmontāžas scenāriju, kas atbilst dalītās vadības ieviešanas prasībām. Daži scenārija soļi ir parādīti 3. attēlā.

3. attēls. Hipotētiskais elementu mijiedarbības scenārijs

Pieņemsim, ka visvienkāršākās struktūras, caurules, montāža ietver divu veidu molekulas: sfēru un amforu. Mēs ņemam vērā tikai pašmontāžas loģisko aspektu un aprakstā vēl neiekļaujam mijiedarbības fizikāli ķīmisko pamatu. Sfēra un amfora ir abstrakcijas, kas apveltītas ar spēju veikt kādu postulētu montāžas darbību. Elementā tiek ieviesta abstrakcija "kombinācijas slēdzene". Uzstādīšanas akts ir iespējams tikai tad, ja bloķēšanas kodi sakrīt. Amforai un bumbiņai ir dažādas kombinētās slēdzenes K1 un K2, tāpēc pirmajā montāžas solī tiek sabloķētas divas bumbiņas. Rezultātā veidojas apakšvienība ar jaunu kombinēto slēdzeni K2. Tālāk pie apakšvienības tiek pieslēgta amfora ar kombinēto slēdzeni K2 un tiek veidota apakšvienība “zobs” ar kombinēto slēdzeni K3. Tālāk diski tiek veidoti no zobiem kā sektori, un diski tiek salikti caurulē. Lai izveidotu šādu scenāriju, ir nepieciešams postulēt elementāras montāžas darbības procedūru.

Definēsim elementāro montāžas darbību kā procedūru, kas sastāv no četriem soļiem:

.kombinētās atslēgas aktivizēšana;

.meklēšana un divu elementu konverģence ar atbilstošiem bloķēšanas kodiem;

.bloķēšanas aktivizēšana

.dzēšot savu darbību, veidojot jaunu kombinēto slēdzeni, lai turpinātu procesu.

Tādējādi katrā montāžas solī montāžas aktus nosaka kombinēto slēdzeņu stāvokļi, un montāžas akta izpilde beidzas ar jauna koda un jaunas slēdzenes ģenerēšanu.

Līdz šim ir matemātiski rīki, kas var aprakstīt pašsavienošanās procesu loģisko aspektu. Straumēšanas ražošanas sistēmas atbilst prasībām zīmju sistēmām, kas atbalsta sadalīto vadību, un loģiskā līmenī var darboties kā pašmontāžas procesa noteicošie faktori. Tuvākais nākamais uzdevums ir kopīgs darbs ar fizikāliem ķīmiķiem un biologiem, lai izveidotu plūsmas ražošanas sistēmas, kas loģiskā līmenī simulē reālus konkrētu objektu pašsavienošanās scenārijus. Tam sekos plūsmas ražošanas sistēmu elementu meklēšana pašmontēšanā iesaistīto elementu fizikālajā un ķīmiskajā struktūrā. Vislielākā gatavība šādām programmām ir augu vīrusu izpētes jomā. .

Ja kāds domā, ka Doņeckas universitātes students N.V. Rebrovs šeit rakstīja muļķības, es citēju materiālu, kuru izlasīju pirms 20 gadiem un ko es citēju savā grāmatā "Dzīves ģeometrija" .

No Padomju Savienības ir ļoti nozīmīgs novērojums par organisko konstrukciju “automātisko salikšanu”. Akadēmiķis V.A. Engelhards(1894-1984).

Lūk, ko viņš raksta par šo fenomenu rakstā "Par dažiem dzīves atribūtiem: hierarhija, integrācija, "atzīšana".(Raksts publicēts krājumā: “Filozofija, dabaszinātne, modernitāte”, Maskava, “Mysl”, 1981).

""Atpazīšanas" un vienlaikus integrācijas parādības īpaši izteiktā, gandrīz vizuāli uztveramā formā (ja ķeras pie elektronmikroskopa) izpaužas tā sauktajos supramolekulāro struktūru pašsavienošanās procesos, piemēram, vīrusi un fāgi, ribosomas vai enzīmu daļiņas ar sarežģītu struktūru. Liels skaits šāda veida procesu jau ir detalizēti izpētīti. Tie būtībā ir saistīti ar to, ka, ja sarežģīts, daudzkomponentu objekts tiek mākslīgi sadalīts tā sastāvdaļās ar vienu vai otru maigu paņēmienu, izolēts viens no otra un pēc tam sajaukts atbilstošās proporcijās un tiek radīti labvēlīgi apstākļi, tad tie spontāni tiks sadalīti. salikt to sākotnējā integritātē. Tās lietderību viegli un pārliecinoši pierāda fakts, ka tiek atjaunota ne tikai sākotnējā morfoloģiskā struktūra, bet arī specifiskās bioloģiskās īpašības, piemēram, katalītiskā aktivitāte fermentos, infekciozās īpašības vīrusos utt.

Kā jūs visi, draugi, saprotat aprakstīto procesu norisi? "atzinība" Un pašmontāža molekulārās struktūras par kaut ko "veselu" un tajā pašā laikā animēts, animēts(!), nav iedomājams bez procesiem mikropasaules informācijas un enerģijas mijiedarbība ar makrokosmosu. To, kā notiek šis informācijas un enerģijas mijiedarbības process starp makro un mikro pasauli, diezgan skaidri aprakstīja padomju zinātnieks, profesors Aleksandrs Leonidovičs Čiževskis (1897-1964), jaunas zinātnes radītājs. " heliobioloģija".

“Organiskās pasaules attīstības process nav patstāvīgs, autohtons process, kas noslēgts pats par sevi, bet gan ir sauszemes un kosmisko faktoru darbības rezultāts, no kuriem pēdējie ir vissvarīgākie, jo tie nosaka cilvēka ķermeņa stāvokli. zemes vide.Organiskā pasaule jebkurā brīdī atrodas kosmiskās vides ietekmē un visjutīgāk atspoguļo sevī, savās funkcijās izmaiņas vai svārstības, kas notiek kosmiskajā vidē. Mēs varam viegli iedomāties šo atkarību, ja atceramies, ka pat nelielai mūsu Saules temperatūras maiņai vajadzēja izraisīt pasakainākās, neticamākās izmaiņas visā organiskajā pasaulē. Un ir ļoti daudz tādu svarīgu faktoru kā temperatūra: kosmosa vide mums rada simtiem dažādu spēku, kas laiku pa laikam pastāvīgi mainās un svārstās. Tikai elektromagnētisko starojumu, kas nāk no Saules un zvaigznēm, var iedalīt ļoti daudzās kategorijās, kas atšķiras viena no otras pēc viļņa garuma, enerģijas daudzuma, caurlaidības pakāpes un daudzām citām īpašībām..."

Varu tikai piebilst: līdzīgi kā pēc principa cilvēki dzimst Dabā "pašmontāža" dažādi vīrusi un fāgi, arī pēc “pašsavienošanās” principa okeānā pasaules raidījums, ko senie gudrie pamatoti uzskatīja dzīvības šūpulis un siltuma un gaismas sadales vide, visa dzīvība kopumā dzima. Saprotot šo informāciju, es ieteiktu ņemt vērā faktu, ka spontāna paaudze uz Zemes rodas sarežģītas dzīvības formas reizēm un šie evolūcijas procesi acīmredzot ir saistīti ar globāla mēroga kataklizmām, piemēram, tādām kā Zemes polu maiņa vai milzu asteroīdu nokrišana uz Zemes. Dabā nekas nenotiek nejauši, viss ir dabiski, tāpēc jebkurš globālais process obligāti saistīts ar kaut ko citu globālais process. Un kad kaut kas mirst planetārā vai pat kosmiskā mērogā, kaut kas cits ir dzimis tajā pašā laikā.

Paškomplektēšanās un pašorganizēšanās

Starp dažādām daudzsološām pieejām nanostruktūru veidošanā arvien lielāku nozīmi iegūst nanotehnoloģijas, kas izmanto pašorganizēšanos. Tiek pieņemts, ka pašorganizēšanās ļaus izveidot nanostruktūras no atsevišķiem atomiem kā “no apakšas uz augšu” tehnoloģiju. Molekulārā pašsavienošanās atšķirībā no nanotehnoloģiju “no augšas uz leju” pieejas, piemēram, litogrāfija, kur vēlamā nanostruktūra parādās no lielākas sagataves, ir svarīga “no apakšas uz augšu” pieejas sastāvdaļa, kur vēlamā nanostruktūra. ir molekulu formas un funkcionālo grupu sava veida programmēšanas rezultāts.

Kādas nanostruktūras var izveidot, izmantojot šīs tehnoloģijas? Runa ir par dažādiem materiāliem, jo ​​šīs tehnoloģijas ļauj izveidot ierīces, veidojot tās no atomiem un molekulām, izmantojot pašorganizēšanās procesus tā, kā tos izmanto daba. Dabā faktiski pastāv līdzīgas sistēmas un notiek līdzīgi procesi. Visspilgtākais piemērs ir sarežģītu bioloģisku objektu montāžas piemērs, pamatojoties uz DNS ierakstīto informāciju (sk. 1. att.).

1. attēls. Bioloģiskās struktūras pašsavienošanās piemērs

Kā tas bija agrāk? Mēs paņēmām, teiksim, dzelzs gabalu un izveidojām no tā āmuru, vienkārši noņemot visu nevajadzīgo (no augšas uz leju tehnoloģija). Nanotehnoloģijas tuvākajā nākotnē ļaus izgatavot produktus no materiāliem no nulles, un ne vienmēr atomam būs jāpievieno atoms “manuāli”, varēsim izmantot pašorganizēšanās fenomenu, pašsalikšanu. nanostruktūras un nanoierīces. Tajā pašā laikā ir diezgan grūti sagaidīt, ka nanolīmenī ir iespējama mākslīga manipulācija ar atsevišķiem nanoobjektiem materiāla “manuālas” montāžas nolūkos. Tas vēl nav praktiski (lēni un prasa daudz darba). Tāpēc pašorganizēšanās var būt dabisks veids, kā iegūt nanomateriālus.

Pašmontāža(eng. self-assembly) ir termins, kas apzīmē procesus, kuru rezultātā neorganizētas sistēmas, pateicoties specifiskai, lokālai sistēmas komponentu mijiedarbībai, nonāk sakārtotā stāvoklī.

Pašmontāža var būt gan statiska, gan dinamiska. Statiskas pašsavienošanās gadījumā organizējošā sistēma tuvojas līdzsvara stāvoklim, samazinot tās brīvo enerģiju. Dinamiskas pašmontāžas gadījumā pareizāk ir lietot terminu pašorganizācija.

Pašorganizācija var raksturot klasiskā izteiksmē kā spontānu un atgriezenisku molekulāro vienību organizēšanu sakārtotā struktūrā, izmantojot nekovalentu mijiedarbību. Spontanitāte nozīmē, ka mijiedarbība, kas ir atbildīga par pašmontētas sistēmas veidošanos, notiek vietējā mērogā; citiem vārdiem sakot, nanostruktūra veidojas pati.

Noteiktos apstākļos paši mikro- vai nanoobjekti sāk sakārtoties sakārtotu struktūru veidā. Šeit nav nekādu pretrunu ar dabas pamatlikumiem - sistēma šajā gadījumā nav izolēta, un nanoobjekti ir pakļauti kādai ārējai ietekmei. Tomēr šī ietekme nav vērsta uz konkrētu daļiņu, kā tas notiek montāžas laikā no augšas uz leju, bet gan uz visu uzreiz. Nepieciešamā konstrukcija nav jābūvē manuāli, vienu pēc otra izvietojot nanoobjektus vajadzīgajos telpas punktos – radīti apstākļi ir tādi, ka nanoobjekti to dara paši un vienlaikus. Procesus, kuros izmanto šādu īpašu apstākļu radīšanu, sauc par pašsavienošanās procesiem, un tiem jau ir būtiska nozīme daudzās zinātnes un tehnoloģiju jomās.

Pašmontējamām detaļām ir nepieciešams tikai, lai cilvēks pietiekami daudz to ievietotu mēģenē un ļautu tām automātiski salikt vēlamās konfigurācijās atbilstoši to dabiskajām īpašībām.

Līdz šim ir izveidoti divdimensiju un trīsdimensiju organizēti Pt, Pd, Ag, Au, Fe, Co nanokristālu, Fe-Pt, Au-Ag sakausējumu, CdS/CdSe, CdSe/CdTe, Pt/Fe, Pd/Ni bloki. ir sintezētas nanostruktūras uc d. Turklāt anizotropām nanodaļiņām bija iespējams panākt orientējoši sakārtotu masīvu veidošanos. Vienāda izmēra nanodaļiņas var “salikt” telpiski sakārtotās struktūrās, kas ir viendimensionāli “pavedieni”, divdimensiju blīvi iesaiņoti slāņi, trīsdimensiju masīvi vai “mazi” klasteri. Nanodaļiņu organizācijas veids un iegūtā masīva struktūra ir atkarīga no sintēzes apstākļiem, daļiņu diametra un ārējās ietekmes uz struktūru rakstura.

Mūsdienās ir zināmas dažādas pašsavienošanās metodes, kas ļauj iegūt noderīgas sakārtotas struktūras no mikrodaļiņām. Lai radītu īpašus apstākļus, kādos konkrētā sistēmā notiek pašsavienošanās, var izmantot gravitācijas, elektriskos vai magnētiskos laukus, kapilāros spēkus, spēlēšanos uz sistēmas komponentu samitrināmību-nesamērcējamību un citus paņēmienus. Šobrīd ražošanā sāk aktīvi izmantot pašmontāžas procesus.

Pašsavienošanās fenomena būtība

Mūsdienu zinātnē ir milzīgs daudzums faktu materiālu no eksperimentāliem novērojumiem par pašsavienošanās fenomenu. Īpaši iespaidīgi ir novērojumi par bioloģisko objektu pašsavienošanos, jo īpaši Kluga darbs pie augu vīrusu montāžas, kam 1982. gadā tika piešķirta Nobela prēmija. Eksperimentālie pašsavienošanās pētījumi galvenokārt ir pētnieciski un sniedz plašas zināšanas par to, kā tas notiek. Jautājums, kāpēc tas notiek tā un ne citādi, ir izaicinājums mūsdienu dabaszinātnēm.

Apskatīsim labi izpētīto bakteriofāga T4 vīrusa montāžas scenāriju, kas aprakstīts visās mācību grāmatās un kas ir klasisks pašsavienošanās izpētes objekts. Scenārija vienkāršota versija ir parādīta attēlā. 2. Asamblejā ir iesaistīti 54 proteīnu veidi, kuri stingri noteiktā secībā tiek agregēti dažāda līmeņa subagregātos un pēc tam subagregāti tiek samontēti pabeigtā vīrusa daļiņā, kas ietver vairāk nekā tūkstoti olbaltumvielu molekulu. Nav jēgas modelēt šo smalki koordinēto, sazaroto hierarhisko procesu, izmantojot stohastiskas koncepcijas par nejauši saduras molekulām.

2. attēls — bakteriofāga T4 montāžas scenārijs

Nav šaubu, ka vīrusa montāžas process ir deterministisks un kontrolējams, un, lai pilnībā izprastu šo procesu, ir nepieciešams noteikt noteikšanas līdzekļus un kontroles mehānismus. Zinātniskā domāšana divdesmitā gadsimta otrajā pusē aizrāva ar datora izveidi un proteīnu sintēzes kontroles sistēmas atklāšanu. Abas sistēmas ir ideoloģiski identiskas un iemieso koncentrētas kontroles principu. Koncentrētas kontroles nesējs ir zīmju sistēma – lineāra imperatīva kontroles valoda. Gluži dabiski, ka pirmie mēģinājumi matemātiski modelēt pašizvešanas un pašreproducēšanas procesus tika veikti automātu teorijas ietvaros, piemēram, fon Neimans. Tomēr eksperimentālo novērojumu dati neapstiprina šādu modeļu derīgumu. Pašmontāžas procesi neietilpst koncentrētā vadības shēmā.

Eksperimentālie dati ļauj apgalvot, ka pašmontāžas procesā nav vadības elementa un nekādā veidā nav zīmju sistēmas, kas apraksta montāžas darbību secību vai elementu izvietojuma secību pašmontāžas izstrādājumu struktūrā. . Pašsavienošanās fenomena specifika ir tāda, ka process neapšaubāmi ir noteikts, bet noteikšanas mehānisms neiekļaujas vienkāršajā un saprotamajā koncentrētās kontroles metodē.

Pašmontāža ir sadalītās kontroles metodes realizācija, kurā vadības funkcijas tiek realizētas procesā iesaistīto elementu iekšējā struktūrā, un kontroles informācija, kas nosaka procesu, tiek sadalīta pa visiem elementiem. Līdz ar to determinācijas nesējs sadalītajā kontrolē ir specifiskas zīmju sistēmas, kas radikāli atšķiras no vienkāršākajām obligātajām lineārajām valodām, piemēram, datorvalodām vai DNS-olbaltumvielu sistēmas. Pašmontāžas izpētes galvenais uzdevums ir noteikt elementu attiecību loģiku un zīmju sistēmu, sadalītās kontroles nesēju meklēšanu.

Apskatīsim hipotētisku pašmontāžas scenāriju, kas atbilst dalītās vadības ieviešanas prasībām. Daži scenārija soļi ir parādīti 3. attēlā.

3. attēls. Hipotētiskais elementu mijiedarbības scenārijs

Pieņemsim, ka visvienkāršākās struktūras, caurules, montāža ietver divu veidu molekulas: sfēru un amforu. Mēs ņemam vērā tikai pašmontāžas loģisko aspektu un aprakstā vēl neiekļaujam mijiedarbības fizikāli ķīmisko pamatu. Sfēra un amfora ir abstrakcijas, kas apveltītas ar spēju veikt kādu postulētu montāžas darbību. Elementā tiek ieviesta abstrakcija "kombinācijas slēdzene". Uzstādīšanas akts ir iespējams tikai tad, ja bloķēšanas kodi sakrīt. Amforai un bumbiņai ir dažādas kombinētās slēdzenes K1 un K2, tāpēc pirmajā montāžas solī tiek sabloķētas divas bumbiņas. Rezultātā veidojas apakšvienība ar jaunu kombinēto slēdzeni K2. Tālāk pie apakšvienības tiek pieslēgta amfora ar kombinēto slēdzeni K2 un tiek veidota apakšvienība “zobs” ar kombinēto slēdzeni K3. Tālāk diski tiek veidoti no zobiem kā sektori, un diski tiek salikti caurulē. Lai izveidotu šādu scenāriju, ir nepieciešams postulēt elementāras montāžas darbības procedūru. Definēsim elementāro montāžas darbību kā procedūru, kas sastāv no četriem soļiem:

• aktivizējot kombinēto slēdzeni;
• divu elementu meklēšana un konverģence ar atbilstošiem bloķēšanas kodiem;
• slēdzenes aktivizēšana
• dzēšot savu darbību, veidojot jaunu kombinēto slēdzeni, lai turpinātu procesu.

Tādējādi katrā montāžas solī montāžas aktus nosaka kombinēto slēdzeņu stāvokļi, un montāžas akta izpilde beidzas ar jauna koda un jaunas slēdzenes ģenerēšanu.

Līdz šim ir matemātiski rīki, kas var aprakstīt pašsavienošanās procesu loģisko aspektu. Straumēšanas ražošanas sistēmas atbilst prasībām zīmju sistēmām, kas atbalsta sadalīto vadību, un loģiskā līmenī var darboties kā pašmontāžas procesa noteicošie faktori. Tuvākais nākamais uzdevums ir kopīgs darbs ar fizikāliem ķīmiķiem un biologiem, lai izveidotu plūsmas ražošanas sistēmas, kas loģiskā līmenī simulē reālus konkrētu objektu pašsavienošanās scenārijus. Tam sekos plūsmas ražošanas sistēmu elementu meklēšana pašmontēšanā iesaistīto elementu fizikālajā un ķīmiskajā struktūrā. Vislielākā gatavība šādām programmām ir augu vīrusu izpētes jomā.

kas sola spēju kontrolēt materiālu struktūru un detaļu īpašības ar atomu precizitāti.

Un šeit atrodas koi imārs, ko Drekslers sauca par "pelēko gļotu". Kas notiks, ja vienā no šīm autonomajām nanorūpnīcām kaut kas nojauks tehnoloģiju kontroles mehānismā un i-nomachines pārstās ražot noderīgas nanomušiņas un tā vietā sāks sevi vienkārši radīt no jauna? Parādīsies kāda mākslīga būtne, tik niecīga, ka to būs ļoti grūti pamanīt un iznīcināt. Tas var viegli izplatīties, ja izdosies nokļūt vidē, un vienīgais, ko tas darīs, ir izmantot visus planētas materiālus, lai ražotu nanostrukturētus "putekļus" vai "slāņus" (slimības ir biedējošākas, tāpēc šis scenārijs ir kļuvis plašāks ). Pamazām dzīvā un nedzīvā daba tiks “aprīta” un pārstrādāta gļotās.

Molekulārā pašsavienošanās, dzīvā un nedzīvā

Pirmkārt, mums ir jānodala mākslīgās tehnoloģijas no dzīvās dabas. Jo dzīvajā dabā tas ir process! Makrosistēmu pašreprodukcijas pamatā ir molekulārā pašsavienošanās. Olbaltumvielu molekulu spēja specifiski un selektīvi saistīties ar citām molekulām ir būtiska iezīme, kas ir visu dzīvā šūnā notiekošo procesu pamatā. Cilvēka genomā ir desmitiem tūkstošu olbaltumvielu struktūru. Tas ir pietiekami, lai nodrošinātu šūnu ar celtniecības materiāliem, lai tā varētu iegūt enerģiju no augstas enerģijas savienojumiem, apmainīties ar sarežģītu signālu sistēmu ar citām ķermeņa struktūras šūnām utt.

Tas nozīmē, ka nanorūpnīcu piemēri, kas var pastāvēt autonomi un vairoties, pamatojoties uz molekulāro pašsavienošanos, ir visas dzīvās būtnes.

Mēs zinām pietiekami daudz, lai teiktu, ka jebkura dzīva organisma augšanas un attīstības pamatā ir molekulārā pašsavienošanās. Bet mēs vēl pārāk maz zinām, lai izveidotu līdzīgu sistēmu no mākslīgiem materiāliem un lai tā darbotos

Virsmas nanostruktūru veidošanās piemēri pašorganizēšanās ceļā:

a) Šo salu uz silīcija plāksnītes augstums ir 0,3–0,6 nm. Attēlu un paraugu sniedza E.E. Rodjakina, S.S. Kosolobovs, D.V. Ščeglovs, A.V. Latiševs. institūts

Pusvadītāju fizika SB RAS, Krievija;

b) sakārtotu piramīdas salu masīvs uz germānija-silīcija substrāta. Attēlu ieguvis M.V. Shalev, Mikrostruktūru fizikas institūts RAS, Ņižņijnovgoroda, Krievija. Paraugu sniedza A.V. Novikovs, N.Ju. Šuļešovs, M.V. Šalajevs, institūts

mikrostruktūru fizika RAS

Mūsdienās zinātnieki zina tūkstošiem molekulārās mijiedarbības reakciju, kuru pamatā ir pašsavienošanās princips. Daudzi no tiem ir modelēti un detalizēti pētīti. Bet dzīvā šūnā notiek daudzi miljoni starpmolekulāru reakciju, un tās visas tiek veiktas virziena veidā. Mūsdienās nav iespējams iedomāties, ka kāds varētu radīt mākslīgu dzīvas šūnas vai pat vīrusa analogu - visvienkāršāko sistēmu, kas spēj pašatvairot. Teorētiski tas ir iespējams, BET tas ir daudzu gadu desmitu zinātnisko pētījumu perspektīva.

Ko tagad var izdarīt, izmantojot molekulu pašsavienojumu?

Ir iespējams izveidot atsevišķas nanostruktūras un nanoierīces. Tie nespēs sevi atražot, un to ražošana būs ļoti dārga, taču to klātbūtne makroierīcē var būtiski uzlabot tehniskos parametrus un patērētāja īpašības.

Mēs runājam par MEMS tehnoloģijām

Šādi izskatās mūsdienās ražotie NEMS elementi

un NEMS (mikro- un nanoelektromehāniskās sistēmas). Piemēram, NanoFab 100 platformas kompleksi ļauj augsta vakuuma apstākļos pārnest kristāliskā silīcija vafeles no viena tehnoloģiskā moduļa uz otru un secīgi izveidot dažādas nano izmēra struktūras. silīcijs. Šajā gadījumā liela nozīme ir tehnoloģijām, kuru pamatā ir pašmontāža, piemēram, epitaksiālo monoatomisko slāņu augšana. Tie ļauj veidot nanostrukturētus sagataves – ļoti pareizi, ar precīzi norādītām īpašībām.

Tomēr galīgās daļas vai ierīces ražošanā integrēta pieeja izrādās ļoti svarīga: ja ir perfekta sagatave, mums ir jāspēj uz to vērst nanolokālu ietekmi. Un šeit rodas jautājums:

Kā redzēt un izmērīt?

Tātad molekulu pašsavienošanās ir viens no veidiem, kā izveidot nanostruktūras. 11o, lai radītās struktūras varētu izmantot reālos produktos, ir nepieciešami instrumenti, kas ļauj redzēt nano izmēra objektus, izmērīt to fizikālās un ķīmiskās īpašības un kopumā kontrolēt to veidošanas un iegulšanas procesu