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» [1]. Эта лекция была прочитана им в 1959 году; большинство современников восприняли её как фантастику или шутку.

Современный вид идеи молекулярной нанотехнологии начали приобретать в 80-е годы XX века в результате работ К. Э. Дрекслера [2,3], которые также сначала воспринимались как научная фантастика. В данном курсе мы будем опираться на представления, сформировавшиеся в более поздних работах Дрекслера [4]и его последователей - таких, как Р. А. Фрейтас, Р. Меркле и др. При этом фундаментальная монография Наносистемы. Молекулярная техника, производство и вычисления [4] имеет, несомненно, основополагающее значение.

Терминология

Сам термин нанотехнология стал популярен именно после выхода в свет знаменитой книги Дрекслера Машины творения [3] и последовавшей за этим дискуссии. Оказалось, однако, что этот термин был ранее предложен Норио Танигучи [5], который понимал под этим любые субмикронные технологии (тогда - дело отдалённого будущего). В конечном счете, Дрекслер стал использовать термин молекулярная нанотехнология[1] (МНТ) для различения предлагаемых им решений с нанотехнологией в смысле Танигучи.

На сегодняшний день мы не знаем каких либо физических принципов, которые исключали бы возможность реализации идей Дрекслера. Это не означает, что такие запреты не будут открыты в будущем. Сегодня такая возможность остаётся под вопросом, однако постоянное использование оборотов типа если это окажется возможным сделало бы текст курса трудночитаемым. Поэтому принципы изготовления работы молекулярных наносистем излагаются так, как если бы они уже существовали. Следует понимать что сама возможность построения развитой молекулярной нанотехнологии в том виде, как это понимают Дрекслер и его последователи будет доказана только тогда, когда будут продемонстрированы первые наноустройства.

Оценки ожидаемых параметров наномеханических устройств (по Э. Дрекслеру)

В своих работах Э. Дрекслер и его последователи оценивали параметры в основном механических устройств, которые они могли бы иметь при приближении размера компонент к молекулярному масштабу. Это обусловлено не тем, что они недооценивают важность электрических, оптических и т. д. эффектов, а тем, что механические конструкции гораздо проще и достовернее масштабируются. При этом, разумеется, осознаётся что электрические и прочие эффекты могут дать значительные дополнительные возможности.

Произведя соответствующее масштабирование Дрекслер получил следующие численные оценки:

Нанотехнология 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.

АТФ-Синтаза

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 (Рис. 1. АТФ-синтаза). 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.

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 .

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.

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.

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.)

Простейшие конструкции на основе углерода

В нанотехнологических устройствах будущего, разумеется, могут быть использованы самые разнообразные явления - магнитное и электростатическое взаимодействия, перенос электронов, электромагнитной энергии (фотонов), различных квазичастиц. Однако в рамках дрекслерианского подхода обсуждаются в основном чисто механические конструкции. Делается это не потому, что остальные явления недооцениваются. Просто, такой подход позволяет наиболее наглядно продемонстрировать возможности молекулярной нанотехнологии, дать им как бы пессимистическую оценку . Использование же всех остальных явлений а также квантовомеханических свойств нанокомпонент должно позволить значительно эти возможности расширить.

На рисунках 2-4 приведены некоторые из множества конструкций нанокомпонентов, рассчитанных методами молекулярной динамики - от простейших до довольно сложных.

Наномеханические вычисления

Миниатюризация компонент вычислительной техники, увеличение частоты их функционирования представляют собой магистральное направление развития нанотехнологий. На сегодняшний день продемонстрирована работоспособность целого ряда активных компонент - транзисторов, диодов, ячеек памяти - состоящих из нанотрубок, нескольких молекул или даже из единственной молекулы. Передача сигнала может осуществляться одним единственным электроном. Пока не решены проблемы, связанные со сборкой таких компонент в единую систему, соединения их нанопроводами. Тем не менее, можно не сомневаться, что решение этих проблем - вопрос времени. Оценки показывают, что компьютер, собранный из наноэлектронных компонент и по своей сложности эквивалентный человеческому мозгу сможет иметь объём в 1 см3 - но будет работать в 107 раз быстрее[2] (быстродействие будет ограничено возможностью отвода тепла). Компьютер (точнее, процессор + память), эквивалентный современному Пентиуму будет, предположительно, иметь объём в 10-6 см3 - 0.1´0.1ґ0.1 мм3.

Вероятно, наиболее быстрые и производительные компьютеры будущего будут использовать именно наноэлектронную технологию, возможно они будут использовать спинотронику или фотонику. Однако не исключено, что самые маленькие компьютеры будут созданы на совершенно другой элементной базе. Дрекслер предполагает, что такой базой может стать наномеханика.

Дрекслер предложил механические конструкции для основных компонент нанокомпьютера - ячеек памяти, логических гейтов. Основными их элементами являются вдвигаемые и выдвигаемые стержни, взаимно запирающие движение друг друга. При ширине стержня в несколько атомных размеров (например, при использовании углеродных нанотрубок) компьютер эквивалентный современному, содержащему 1 млн. транзисторов может иметь объём в 0.01 мк3, компьютер с памятью в 1 терабайт - объём в 1 мк3. Как и в случае с наноэлектроникой, быстродействие наномеханического компьютера будет определяться возможностью отвода тепла. Расчёты Дрекслера ([4]) показывают, что при температуре окружающей среды ~300°К на один ватт рассеиваемой мощности такой компьютер будет осуществлять ~1016 операций в секунду. При мощности 100 нВт (предполагается, что такую мощность сможет без специального охлаждения рассеять упомянутый выше компьютер с объёмом 0.01 мк3) это даёт производительность 109 операций в секунду, что примерно эквивалентно мощному современному настольному компьютеру.

Если эти показатели будут достигнуты, то этого будет вполне достаточно для того, чтобы оснастить бортовым компьютером микронного размера наноустройство, например, медицинского назначения.

Возможные применения МНТ

Дрекслер (начиная с книги [3]) и сторонники его подхода наметили целый ряд возможных применений МНТ. Среди них:

Медицинские применения. Устройства микронного размера смогут перемещаться по организму человека, разрушая атеросклеротические бляшки в сосудах, уничтожая раковые клетки и возбудителей инфекционных заболеваний ([3, 6]).

Молекулярное производство макроскопических объектов. Оценки показывают, что устройство весом около 60 кг ( настольная нанофабрика ) сможет с молекулярной точностью изготовлять объект, объёмом около 1 л и весом около 4 кг примерно за 3 часа. Это позволило бы за 2 дня изготовить вторую такую же нанофабрику; удвоение их количеств каждые 2 дня позволило бы за 2 месяца обеспечить собственной нанофабрикой каждого жителя Земли ([8]).

И даже такие применения, как терраформирование планет с помощью саморазмножающихся нанороботов.

Стратегии реализации МНТ

Разрабатывается целый ряд подходов, которые могут позволить приблизится к развитой молекулярной нанотехнологии. Среди них:

Использование биологических молекул - белков, нуклеиновых кислот - и других макромолекул. Такие молекулы могут как послужить готовыми деталями для наносистем промежуточного уровня, так и молекулярными роботами для сборки нанокомпонент, изготовленных другим способом.

Механосинтез с использованием зондовой микроскопии. Предложен ряд подходов, которые могут позволить собирать углеродные конструкции буквально атом за атомом.

Метод молекулярных строительных блоков ([9]). Этот метод промежуточного уровня активно разрабатывается в последнее время; его суть состоит в том, что наноустройства собираются из заранее синтезированных химически молекул - строительных блоков, способных соединяться друг с другом. Предложен целый ряд возможных конструкций таких блоков (наноманипулятор на рис. 4 собирает конструкцию из блоков на основе молекул адамантана со включениями атомов азота и бора).