Ученые из института имени Макса Планка и Технологического института Карлсруэ Клаус Керн и Марио Рубен впервые смогли воочию наблюдать процесс самоорганизации и упорядочения молекулярных объектов на поверхности. Как говорят сами исследователи, им удалось реализовать «инструкции по сборке», заложенные в конфигурации используемых молекул.
Самосборка молекулярных структур и их упорядочение, наблюдавшееся в ходе опыта, может пролить свет на процесс возникновения и эволюции жизни на нашей планете. Кроме того, процесс самостоятельной сборки наноструктур открывает большие перспективы для применения в катализе, микро- и наномеханике, химии и физике поверхности.
Создавать наноструктуры традиционными механическими методами, применяемыми в производстве автомобилей невозможно, и вовсе не потому, что тяжело пальцами крутить наноответку и наноискрить сварочным наноаппаратом. Размеры наночастиц всего на порядок превышают размеры отдельных атомов. Эти размеры определяют легкость, с которой нанобъекты преобразуют тепловую энергию в кинетическую, участвуя в броуновском движении. Уследить за огромной массой частиц, беспорядочно движущихся с большими скоростями, практически невозможно, не говоря уже о манипулировании отдельными нанообъектами.
Самосборка, подобная самоорганизации в биологических системах – единственный известный способ создания макроскопических объектов с тонко организованной молекулярной структурой. Контролируя макроскопические параметры, такие как температура, давление, концентрация, применяя воздействие различного электромагнитного излучения и другие типы воздействий на среду как целое, люди смогут управлять «нанозаводами» - средой, в которой маленькими наномашинами будут создаваться большие нанороботы, новые материалы и прочее.
Современные наномашины – довольно убогие конструкции, далеки от практического применения и уж тем более от объектов живой природы. Человечество непрестанно восхищается изяществом процессов, происходящих в живых системах, однако когда оно научится и научится ли вовсе самостоятельно их воспроизводить и создавать свои – не понятно.
Этот процесс, по словам ученых, может прояснить, как небольшие и простые молекулы могут формировать сложные биологические объекты, обладающие специфической структурой и свойствами. К ним относятся мембраны, живые клетки, ткани, которые они образуют, и так далее. Способность молекул к самодифференциации и самоорганизации является основой существования живых организмов.
Не исключено поэтому, что несколько миллиардов лет назад именно таким образом появилась жизнь.
Модельный эксперимент, проведенный международной группой ученых, подразумевал нанесение двух сортов молекул на подложку из сверхчистой меди. При повышении температуры хаотическое движение молекул позволяло им «перепрыгивать» друг через друга, меняясь местами. Несмотря на то, что движение молекул было ограничено двумя степенями свободы, этого было достаточно, чтобы в итоге привести к образованию упорядоченной структуры.
Собственно, синтезировать молекулы, конфигурация которых могла служить своего рода «руководством для сборки» упорядоченной конструкции из случайным образом разбросанных элементов, удалось специалистам из Технологического института Карлсруэ. Все такие руководства, по словам Марио Рубена, должны содержать достаточно точные инструкции, а также сильные «аргументы» для их применения. Иначе самоорганизация молекул не произойдет.
Роль учёных из планковского института заключалась лишь в том, чтобы отследить, что процесс идёт, как запланировано. Однако эта задача вряд ли проще. Элементы подложки имеют размеры порядка одной тысячной доли микрона (нанометра), так что живая трансляция процесса на мониторы потребовала создания уникальной сканирующей установки.
Учёные увидели ровно то, что и было предсказано: на первой стадии самоорганизации смеси молекулы образовывали на медной подложке в соответствии со своими размерами, стройные ряды на подложке из меди.
По мнению экспертов, создать механическую установку, пригодную для создания полученных немецкими учеными структур, скорее всего, не удастся никогда. Поэтому создание элементарных ячеек конечного объекта, обладающих встроенными предпосылками для самосборки, является единственным верным направлением.
Идея создания наномашин будоражит головы ученых уже давно. Функционализация нанопространства позволит человеку создавать структуры столь же эффективные, как и органеллы живых клеток. Эти наномашины смогут выполнять энергетическую функцию, снабжая энергией другие, например, транспортные наномеханизмы, перемещающие строительные блоки ещё более сложных систем, или синтетические – создающие нанообъекты из отдельных молекул.
Такие наносистемы в свое время определят принципиально новый этап технического развития человечества, которое сможет на равных конкурировать с природой в деле создания новых объектов.
Возможно, это даже будет не конкуренция, а совместное творчество, результатом которого станут кибернетические организмы. Главное, не допустить восстания подобных нанокиборгов, ибо подобные машины вполне смогут существовать и развиваться без участия человека.
