Как великий художник природа умеет и с небольшими средствами достигать великих эффектов.
Генрих ГЕЙНЕ, немецкий поэт, публицист, критик

Окружающий нас мир наполнен разнообразными биологическими нанообъектами и наноэффектами, о нанометриче-ской сущности которых мы порой даже и не задумываемся. Например, если размеры бактерий исчисляются микрометрами, то большинство вирусов имеют размеры от 10 до 200 нм. Так, вирус гриппа H2 N2, вызвавший в 1957 году эпидемию, в результате которой умерли от 1 до 4 млн человек, представляет собой сферу диаметром от 80 до 120 нм (рис. 4).

Вирусы — это уникальное природное произведение на-нобиотехнологий. Сердцевина вируса содержит одну отрицательную цепь рибонуклеопротеинов (РНП), состоящую из восьми частей, которые кодируют десять вирусных белков. Фрагменты РНП имеют общую белковую оболочку, объединяющую их и образующую нуклеопротеид. На поверхности вируса находятся выступы (гликопротеины) — гемагглютинин (названный так из-за способности агглютинировать эритроциты) и нейраминидаза (фермент). Гемагглютинин обеспечивает способность вируса присоединяться к клетке.

Размеры аминокислот составляют около 1 нм, а сами белки занимают размерную нишу в диапазоне 4—50 нм (табл. 1).

Существуют предположения, что на базе вирусной частицы можно создать подвижную металлизированную частицу, которая будет электрическим проводником. Для подобных экспериментов наиболее подходит вирус табачной мозаики (длина 120 нм), содержащийся в соке пораженных им растений. При этом листья больных растений покрываются специфическими табачными пятнами. По мнению академика Иосифа Григорьевича Атабекова, озвученному в еженедельной газете научного сообщества «Поиск» от 23 мая 2008 года, этот вирус можно использовать как средство доставки внутрь клетки нового гена, несущего на себе специальную вакцину. Им предлагается осуществлять сборку вирусоподобных частиц из химерных субъединиц вирусного белка, а затем применять в лечебных целях в качестве наноконтейне-ров для доставки лекарственных средств к пораженным клеткам организма.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) имеет структуру двойной упакованной наноцепи, в которой две нуклеотид-ные наноцепи закручены одна вокруг другой с периодом 3,4 нм и диаметром 2 нм (рис. 5).

Важным достижением в области эволюционных нанотех-нологий являются работы ученых из университета Брауна и Бостонского колледжа с молекулами ДНК. По сообщению physorg. com, они сумели использовать возможности кодирования информации, которыми обладает молекула ДНК, для производства проводящих микроволокон из окиси цинка. -

Применение молекулы ДНК в качестве «сборочного устройства» и собственно строительного материала нанотехноло-гий также обусловлено тем, что фосфат в ее составе несет отрицательный заряд. Нановолокна из оксида цинка сформированы на поверхности углеродных нанотрубок. Таким образом, впервые уникальные свойства ДНК были использованы для создания наноматериала с заданными свойствами. Уникальность свойств полученных наноструктур состоит в том, что они генерируют и обнаруживают свет, а при приложении механического усилия производят электроэнергию. Оптические и электрические свойства нановолокон можно использовать во многих областях: от медицинской диагностики до сенсоров.

По мнению доктора Адама Лазарека ( Adam Lazareck) из университета Брауна, использование молекул ДНК для создания наноматериалов — первый шаг в применении биологических объектов в качестве средств производства.

В ходе эксперимента молекулам ДНК была обеспечена среда для обычной работы по «производству» деталей нано-конструкций. Формирование такой химической среды, молекулярный дизайн и использование соответствующей «механики» — светочувствительных белков или вирусных «моторов» — можно применять для создания сверхминиатюрных приборов и материалов. При этом впервые в мировой практике группа Лазарека использовала ДНК в качестве «инструкции» для систем «самосборки» наноэлементов.

На основе одинаковых по размерам нанотрубок были произведены унифицированные структуры, состоящие из миллиардов подобных элементов, равномерно распределенных на поверхности пленки из окиси алюминия. На концах нанотрубок поместили фрагменты ДНК, несущие информацию в виде последовательности 15 «букв» генетического кода. Эти фрагменты специфически комплементарны ленте из других 15 кодонов (триплетов), соединенных с наночастицами золота и играющих роль «сборочных устройств». Создание нановолокон завершилось после введения в химическую среду арсенида цинка и ее последующего нагревания до 600 °С. В результате образовались волокна из окиси цинка длиной порядка 100—200 нм.

В настоящее время установлено, что наночастицы из золота или полупроводников можно прикрепить практически к любым биологическим молекулам, чтобы затем с помощью электронных приборов контролировать их поведение. «Такую процедуру можно проводить на расстоянии, обратимо и точно, — заявляет Шугуан Чжан ( Shuguang Zhang), заместитель директора Центра биомедицинской инженерии Масса-чусетского технологического института, один из авторов исследования. — Это пригодится для того, чтобы как следует разобраться в тонкостях взаимодействия между молекулами».

Инициатором подобных работ был квантовый физик Джеймс Якобсон ( James Jacobson). Он начал заниматься биологией, чтобы создавать машины нанометрового размера, оперирующие отдельными атомами и молекулами. Ученый поставил сложную цель, поскольку до сих пор инженеры с большим трудом делают компьютерные чипы меньше 30 нм. Вместе с тем в живом организме очень много более компактных систем: любая живая клетка — это своего рода биозавод с источниками энергии, чертежами клеточного хозяйства, средствами производства и утилизации.

Дж. Якобсон и его коллеги из Центра биомедицинской инженерии прикрепили к молекуле ДНК особую радиоантенну, собранную из примерно сотни атомов металла. При облучении радиоволнами с определенной длиной молекула переходила в новое состояние.

Управление биомолекулами с помощью радиосигналов — самое современное направление исследований, способное произвести революцию и в методах исследования живого мира, и в биотехнологиях. Можно будет во всех деталях изучать поведение отдельных живых молекул, не травмируя близлежащие клетки. Ш. Чжан привел такое сравнение: «Можно разговаривать с человеком из толпы через громкоговоритель, а можно по мобильному телефону».

Однако чудеса нанотехнологий не заканчиваются вирусами и бактериями. Например, ящерица геккон может удерживать вес своего тела на вертикальной плоскости, касаясь ее только одной лапой. Щетинки на лапах геккона притягиваются к поверхности благодаря силам межмолекулярного взаимодействия Ван-дер-Ваальса ( J. D. van der Waals). Каждая щетинка в нижней части расщеплена на тысячи тончайших волосков с лопаткообразными кончиками, которые взаимодействуют с ровной поверхностью на молекулярном уровне. Создание аналога лапке геккона на базе нанотехнологий позволит решить проблему безопасности высотных работ, изготовить сверхнадежные тормозные системы, удобную бесшовную одежду и многое другое.

Главной идеей, к которой пришел Р. Фейнман, размышляя о возможности создания микронных механизмов, было то, что человек должен учиться у природы, подражая ей при создании механизмов «снизу вверх». Он пишет, что его видение красоты цветка сильно отличается от видения художника. Ученый представляет себе цветок не только в сантиметровом масштабе, но может также увидеть все его клетки и вообразить сложные процессы, которые в них происходят, и в этом тоже есть своеобразная красота. Джеймс Глейк ( James Gleick) полагал, что интерес Фейнмана к молекулярным и атомным структурам был связан с тем, что тот много размышлял над вторым началом термодинамики и связью между энтропией и информацией. По мнению Глейка, Фейнману казалась удивительной способность живых организмов хранить и воспроизводить генетическую информацию для создания подобных себе сложных механизмов, которые обусловливали их существование.

Задача современной науки — заметить, правильно оценить и успешно применить на практике уникальные явления природы, основанные на нанотехнологиях (да и не только), которые природа смогла создать за миллиарды лет эволюции.

Об одном таком открытии, нашедшем в последующем широкое применение в строительстве и технике, мы расскажем подробнее.

В середине 70-х годов XX века ученые-ботаники Боннского университета (ФРГ) В. Бартлотт и К. Найнуис обнаружили, что листья и цветки некоторых растений почти не загрязняются, а также убедились, что этот феномен протекает в их наноструктурированных поверхностных областях. Впоследствии данное явление было запатентовано ими и названо в честь наиболее яркого представителя таких растений «лотос-эффект» ( Lotus - effect®).

Издревле цветок лотоса считается в буддизме символом незапятнанной чистоты: как известно, листья и нежно-розовые цветки лотоса распускаются в грязной тине водоемов безупречно чистыми (рис. 6).

После детального исследования этого феномена самоочистки открылись удивительные возможности природы защищаться не только от грязи, но и от различных микроорганизмов. Данный эффект наблюдается и у других растений (листья капусты, камыша, водосбора, тюльпана), а также у Животных (крылья стрекоз и бабочек). Они наделены природным свойством защиты от различных загрязнений, в большей степени неорганического (пыль, сажа), а также биологического (споры грибков, микробов, водоросли и т.д.) происхождения.

Эпидермис некоторых растений выделяет воскоподобное вещество кутин, представляющее собой смесь высших жирных кислот и их эфиров. Жиры и жироподобные вещества, входящие в состав липидов (природных органических соединений), — одни из основных компонентов биологических мембран. Липиды участвуют в обмене между растениями и окружающей средой (рис. 7).

Взаимодействие между твердыми телами и окружающей средой происходит почти исключительно в поверхностных (пограничных) слоях (межфазовой зоне), что справедливо и для этих биологических систем. Биологические поверхности, созданные за миллионы лет в результате эволюции, являются максимально оптимизированными мультифункцио-нальными системами. Они обеспечивают механическую стабильность, терморегулирование, контроль водно-солевого обмена, газовое регулирование и т.д. Постоянное загрязнение листьев растений нарушает в них многие биологические процессы.

Лотос-эффект не является случайным феноменом, он возник в результате эволюции и вызван необходимостью выживания растений. Наряду с неорганическими загрязнениями отрицательно воздействуют на живую ткань (более высокий нагрев под солнечным облучением, действие кислоты и др.) органические формы в виде спор грибков, бактерий или водорослей. Лотос-эффект предотвращает появление патогенных субстанций на таких поверхностях: споры легко смываются при каждом дожде, а в отсутствии дождя нет и влаги как условия для жизнедеятельности, размножения и паразити-рования спор.

На оптимизированных поверхностях (например, цветке лотоса) проявляются супергидрофобные качества, благодаря которым мед и даже клей на водной основе не прилипают, а полностью стекают с поверхности.

Степень увлажнения твердого тела описывается с помощью контактного угла а, входящего в формулу:

где ат_г — напряжение на межфазной границе «твердое тело — газ», МПа; от_ж — напряжение в межфазной границе «твердое тело — жидкость», МПа; ож_г — напряжение в межфазной границе «жидкость — газ», МПа.

Нулевой контактный угол обеспечивает полное увлажнение. Это значит, что капля воды стремится растянуться к состоянию мономолекулярной пленки на поверхности твердо-о тела. Контактный угол 180° указывает на совершенную несмачиваемость, так как капля касается поверхности в только одной точке. Материалы с высоким напряжением граничных поверхностей увлажняются лучше, чем даже, например, тефлон — материал с одним из самых низких напряжений граничных поверхностей.

Поведение воды зависит от состояния поверхности. Если относительно гладкая поверхность достаточно увлажняется, то самоочистка улучшается (рис.8).

Попавшая на поверхность листа капля воды удаляет с него частицу загрязнений. При этом частицы загрязнений не проникают во внутреннюю часть капли, а равномерно распределяются по ее поверхности. Замечено, что гидрофобная субстанция удаляется каплей воды с гидрофобной поверхности. При рассмотрении условий протекания лотос-эффекта на наноскопическом уровне механизм этого явления становится более понятным.

Можно представить себе массажную щетку, на зубьях которой лежит клочок бумаги, изображающий частицу загрязнений. Пятно «грязи» соприкасается только с самыми вершинами зубьев, не достигая поверхности щетки (рис. 9, б). Сила прилипания грязи обусловлена площадью поверхности взаимного контакта. Если бы поверхность была гладкой, без микрорельефа (рис. 9, а), то площадь контакта оказалась бы значительной и грязь удерживалась бы достаточно прочно. Однако из-за острых концов зубьев площадь контакта минимальна, и грязь как бы «висит на ножке».

То же происходит и с каплей воды. Она не может «растечься» по остриям и поэтому стремится свернуться в шарик (см. рис. 9, б).

Аналогичное явление происходит и с грязью на восковых кристалликах, покрывающих листья лотоса. Площадь соприкосновения загрязнений с поверхностью листа крайне незначительна. При этом силы сцепления между каплей воды и частицей загрязнения оказываются значительно более высокими, чем между этой же частицей и восковым слоем листа.

У загрязнения есть две возможности: продолжать неустойчиво балансировать на шипах или «слиться» с гладкой ровной поверхностью движущейся водной капли, вследствие чего частицы загрязнений притягиваются к поверхности водной капли и легко смываются даже небольшим количеством воды. Капли воды, обволоченные повстречавшимися на пути хлопьями грязи, скатываются вниз, оставляя за собой чистую сухую поверхность.

Так как лотос-эффект основан исключительно на физико-химических явлениях и свойствах растений и не привязан только к живой системе, то самоочищающиеся поверхности можно технически воспроизвести для всевозможных материалов. Именно поэтому в последнее время проводятся интенсивные исследования по разработке и производству устойчивых к загрязнению и самоочищающихся поверхностей и покрытий.

О применении эффекта лотоса в строительстве и автохимии мы расскажем ниже.

Существуют и многие другие природные нанообъекты и наноэффекты, которые мы будем описывать в соответствующих разделах книги.

В то же время следует указать, что, пожалуй, не стоит так просто относить к нанотехнологиям все, что имеет наноско-пические (а тем более, микроскопические) размеры, — ведь тогда зубной порошок, муку, крахмал и многие другие материалы тоже следует называть нанотехнологиями. Трубочист только и имеет дело с нанообъектом, то^есть сажей, где к тому же может быть полно фуллеренов, но это же не значит, что он специалист по нанотехнологиям.