Молекулярные нанотехнологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Введение в молекулярную технологию

2. Нанотехнологии в биологических системах

3. Особая роль углерода

4. Перспективы развития молекулярной нанотехнологии

Заключение

Список литературы

Введение

Идею о том, что возможно создавать нужные нам устройства и другие объекты, собирая их «молекула за молекулой» и, даже, «атом за атомом» обычно возводят к знаменитой лекции одного из крупнейших физиков ХХ века Ричарда Фейнмана «Там внизу - много места». Эта лекция была прочитана им в 1959 г.; большинство современников восприняли ее как фантастику или шутку. Современный вид идеи молекулярной нанотехнологии начали приобретать в 80-е годы XX века в результате работ К.Э. Дрекслера, которые также сначала воспринимались как научная фантастика. Развитие молекулярные нанотехнологий в первую очередь направлена на благо людей, чтобы улучшить качество жизни человека и вывести на совершенно новый уровень.

1. Введение в молекулярную технологию

Молекулярная нанотехнология занимается дизайном, моделированием и производством молекулярных машин и молекулярных устройств. Пионером этого направления можно по праву считать Эрика Дрекслера. По своим потенциальным возможностям молекулярная нанотехнология находится на значительно более высоком технологическом уровне по сравнению со всем тем, что было до сих пор достигнуто человечеством, поскольку только в ней декларируется возможность специфицировать производимое изделие с точностью до одного атома. Любая новая технология должна быть, прежде всего, экономически выгодной, а производство деталей молекулярных машин традиционными методами органического синтеза требует гигантских капиталовложений и далеко не всегда вообще возможно. Именно поэтому одним из основных требований к молекулярным машинам является их способность воспроизводить самих себя: как только будут получены первые такие машины, они сразу же начнут производить как свои копии, так и другие молекулярные машины, в результате чего микромир машин заживет своей автономной жизнью, требуя от нашего макромира лишь исходное сырье, энергию.

Фактически, развивая молекулярную нанотехнологию, человечество, не успев разобраться со своей собственной биологией с ее многочисленными болезнями, дерзнуло на создание новой небелковой (хотя и углеродной) формы жизни, которая должна быть полностью понятна и подконтрольна человеческому разуму. [1].

Основным стратегическим направлением современных работ в области молекулярной нанотехнологии является создание так называемого молекулярного ассемблера ? молекулярной машины, способной собирать другие молекулярные машины. Модели простейшего ассемблера очевидна чрезвычайно сложны в конструкции. Достаточно сказать, что его полная молекулярная модель насчитывает много миллионов атомов, что полностью исключает возможность его синтезировать традиционными методами органической химии. В качестве реального механизма для получения молекулярных машин до того, как будет запущен процесс их самовоспроизводства, предложен «конвергентный» подход, при котором сначала будут синтезированы лишь самые простейшие детали, которые в дальнейшем будут использованы для производства более сложных и так последовательно до тех пор, пока на некоторой стадии молекулярные машины не станут способны производить другие машины. Отсюда очевидна необходимость тщательно спланировать молекулярную машину, поскольку любая ошибка в конструкции может стоить многих лет работы больших научных коллективов. Поэтому в настоящее время основная работа в области молекулярной нанотехнологии ведется над теоретическим обоснованием работоспособности предлагаемых молекулярных устройств при помощи методов компьютерного моделирования. [1].

Задача компьютерного моделирования молекулярных устройств чрезвычайно сложна и трудоемка, поскольку на молекулярном уровне уже перестают действовать макроскопические законы механики, используемые для расчета узлов обычных машин. Законы сопротивления материалов и гидравлики уже неприменимы ? вместо этого вступают в действие законы квантовой механики, которые приводят к совершенно неожиданным с точки зрения классической механики последствиям, поэтому единственно приемлемым для молекулярной нанотехнологии вычислительным подходом являются методы молекулярного моделирования, которые ранее успешно использовались в вычислительной химии и молекулярной биологии.

Наиболее активно используемыми в молекулярной нанотехнологии мето-дами молекулярного моделирования являются молекулярная механика, молекулярная динамика, а также пришедший недавно из статистической физики метод Монте-Карло. Одной из главных проблем является то, что нанотехнология оперирует такими величинами, на которые законы классической физики уже не распространяются.

Активное внедрение вычислительных подходов в молекулярную нанотех-нологию потребовало развития специализированного программного обеспечения. Во-первых, были созданы молекулярные компиляторы ? программы, переводящие описание детали молекулярной машины с языка высокого уровня на атомно-молекулярный язык, воспринимаемый программами молекулярного моделирования из богатого арсенала вычислительной химии. Использование молекулярных компиляторов дает возможность быстро строить молекулярные модели деталей, пригодные для обработки программами молекулярного моделирования с целью оценки их целевых свойств, что позволяет путем варьирования параметров конструировать молекулярные детали, обладающие оптимальными характеристиками. В качестве примера можно привести молекулярный компилятор для углеродных нанотрубок. Следующим этапом явилось создание специализированных программных систем для молекулярной нанотехнологии, аналогичных CAD-системам в макроскопическом машиностроении. В качестве примера можно привести создаваемую в NASA Ames Research Center компьюерную систему разработки молекулярных машин NanoDesign. . [1].

2. Нанотехнологии в биологических системах

Прежде, чем обсуждать возможность реализации молекулярной нанотехнологии в том варианте, в котором её видят Э. Дрекслер и его последователи будет полезно получить представление о том, как работают "устройства" аналогичного масштаба в живых организмах. В рамках данного обзора приведём лишь один из наиболее ярких примеров. [4].

АТФ-синтаза является ферментом, преобразующим разность концентраций протонов по разные стороны мембраны в энергию, запасённую в молекулах аденозинтрифосфата (АТФ). Последния используется практически всеми механизмами клетки в качестве универсального носителя энергии.

АТФ-синтаза присутствует в "энергетических станциях" растительных и животных клеток - хлоропластах и митохондриях и представляет собой довольно сложную конструкцию из нескольких типов единиц - белковых молекул. Одна из этих единиц - а-единица - прочно закреплена в мембране хлоропласта или митохондрии. Из неё выступает двойной "кронштейн" - пара b-единиц. С помощью ґ-единицы на кронштейне крепится блок из чередующихся ±- и І-единиц.

Рядом с а-единицей в толще мембраны свободно вращается цилиндрический блок с-единиц. Очередная с-единица может захватывать протон из пространства под мембраной, где их концентрация высока. При этом она начинает притягиваться к отрицательно заряженной а-единице. С-блок проворачивается до тех пор, пока заряженная с-единица не сблизится с а-единицей. При этом протон через имеющийся в а-единице канал переходит в пространство над мембраной, где их концентрация низка. Выделяющаяся при переходе из нижнего пространства в верхнее энергия и приводит с-блок во вращение. На этом блоке закреплена очередная молекула - і-единица. Она играет роль коленчатого вала. По мере вращения она давит на очередную І-единицу, заставляя её переходить из одной конформации - закрытой - в другую - открытую. В открытой конформации І-единица захватывает пару молекул - аденозиндифосфат (АДФ) и неорганический фосфат. При закрытии она с силой прижимает их друг к другу; это приводит к механосинтезу АТФ. При очередном открытии готовая молекула АТФ выходит в окружающую среду и І-единица готова к очередному циклу. [1].

Таким образом можно сказать, что АТФ-синтаза представляет собой довольно сложную молекулярную машину, состоящую из электромотора (ротор - с-блок; статор - а-единица), коленчатого вала (і-единица) и блока рабочих инструментов (І-единиц), осуществляющих механосинтез молекул АТФ из двух исходных компонент.

Интересно, что АТФ-синтаза может работать и "в обратную сторону". Если над мембраной исходная концентрация АТФ высока, то уже І-единицы будут вращать с-блок через і-единицу, закачивая протоны под мембрану. Таким образом, "электромотор" может работать и как "электрогенератор".[1].

Это только один из примеров расшифрованных природных наноустройств. К сожалению здесь невозможно подробно рассмотреть ряд других - таких, как "электромотор", двигающий флагеллы бактерий, "сборочный конвейер" - рибосому, ферменты-"нанороботы", находящие ошибки в информации, записанной на ДНК и исправляющие их. С каждым годом мы обнаруживаем новые молекулярные механизмы, выполняющие самые разнообразные функции. Это позволяет предположить, что устройства, аналогичные по масштабам могут быть изготовлены и искусственно - то, что было сделано, может быть повторено.

3. Особая роль углерода

Всё живое на Земле состоит из соединений углерода. Значение этого элемента трудно переоценить. Оно определяется огромным разнообразием его форм в соединениях. Углеродные цепочки могут образовывать линейный скелет молекул, циклические и сложные объёмные скелетные структуры; углерод представляет огромный интерес и в чистом виде, принимая различные формы от алмаза до молекулярных волокон и нанотрубок. Ковалентная связь углерод-углерод является наиболее прочной из известных. [1].

До сравнительно недавнего времени известны были только две разновидности упорядоченного чистого углерода - алмаз и графит. Потом были обнаружены и другие - сначала были синтезированы молекулярные волокна, затем открыты полые сферические молекулы -фуллерены; при поиске эффективных методов синтеза последних были обнаружены углеродные нанотрубки.

Именно материалы на основе углерода Дрекслер рассматривает в качестве основных кандидатов для изготовления конструкций наномеханизмов (хотя, разумеется, свои места находят и другие элементы - водород, азот, кислород, фосфор, кремний, германий и т. д.)

4. Перспективы развития молекулярной нанотехнологии

Нанофабрикам отводится ведущая роль в грядущей научно-технической революции. Простота проектирования и изготовления сложных конструкций позволит создавать сверхмощные компьютеры, превосходящие современные по быстродействию и объемам обрабатываемой информации в миллионы раз. Суперкомпьютеры в сочетании с нанороботами позволят подробно проанализировать структуру человеческого мозга и понять механизмы его работы. Это, в свою очередь, поможет ученым создать искусственный интеллект, превосходящий человеческий. Любую работу по обслуживанию людей и обеспечению их материальными благами можно будет передать машинам.[5].

Люди получат возможность модернизировать свои тела, заменяя органы и ткани более совершенными. Будет возможно даже по собственному усмотрению изменить свой внешний облик, преобразившись до неузнаваемости. Виртуальные миры, поддерживаемые сверхмощными компьютерами, откроют для людей колоссальные возможности для творчества и самореализации. Постройка сверхскоростных космических кораблей и гигантских жилищ в космическом пространстве приведут к быстрой экспансии человечества в космосе и непрерывному освоению пространства вокруг звезд и других источников энергии.

В то же время, развитие нанотехнологий таит в себе и опасности. Наиболее неблагоприятный сценарий - появление «серой слизи» ( grey goo ): непрерывно размножающихся нанороботов (репликаторов), целенаправленно уничтожающих людей, животных, растения, всю органическую жизнь на планете. Такой сценарий вполне возможен при использовании нанороботов в качестве оружия. Чтобы предотвратить развитие подобных сценариев, необходимы эффективные механизмы общественного контроля над развитием высоких технологий и, особенно, за прогрессом в области вооружений. [5]. Одна из концепций защиты, предложенная Дрекслером, состоит в создании активных щитов, которые будут сами обнаруживать вышедшие из-под контроля эксперименты и используемое оружие и самостоятельно уничтожать возникающие опасности. Однако для своего создания активные щиты сами требуют технологий молекулярного производства. Предложены и иные методы контроля потенциально опасных направлений нанотехнологий. [5].

молекулярный нанотехнология компьютерный биологический

Заключение

Работающие в области нанотехнологии люди уверены, что скоро мы их будем иметь. Мы уже умеем собирать и помещать в необходимую позицию отдельные атомы c помощью атомных микроскопов (AFM) и сканирующих туннельных микроскопов (STM). У нас есть машины, способные производить молекулы ДНК любой заданной конфигурации. Экспериментальная компьютерная схема находится уже на молекулярном уровне. Зрелая молекулярная нанотехнология является конечной точкой в длинной истории миниатюризации механических и электрических систем. Мы в результате долгой истории процесса миниатюризации движемся гарантированно к победе зрелой молекулярной нанотехнологии к 2020 году.

Нанотехнологии является сердцем любого передового фронта исследований и разработок. Экономические и военные выгоды привлекают инвестиции и усилия исследователей в область нанотехнологии в большей степени, чем в остальные направления разработок. Включаются все виды промышленности.

Список литературы

1 А.Н.Игнатов / Наноэлектроника состояния и перспективы развития.

2 Г.Е. Кричевский / Нано-, био-, химические технологии и производства нового поколения волокон текстиля и одежды.

3 Кобаяси Н./ Введения в нанотехнологию.

4 Википедия. Свободная энциклопедия. (https://ru.wikipedia.org/wiki)

5 Майкл Диринг. Рассвет Сингулярности. (http://www.transhumanism.org/languages/russian/dawnofsingularity/Deering.htm#_Toc838172820)

Размещено на Allbest.ru