Самой фундаментальной, честолюбивой и долгосрочной целью в этом направлении остается использование биологических принципов и стратегий для производства технических нано-систем. Биологические объекты в процессе эволюции добились замечательной эффективности и оптимальности функций, использование которых могло бы стать основой новой научной революции в технике. В качестве примера можно привести схематически представленный на рис. 5.5 процесс самосборки (самоорганизации) известного вируса табачной мозаики. В этом конкретном случае речь идет о биологическом синтезе наночас-тиц в форме сложного завитка (с характерными размерами 300 нм на 18 нм), составленных из 2130 одинаковых белковых элементов, каждый из которых содержит 158 аминокислотных остатков, а нить РНК состоит из 6400 нуклеотидов. Вирус возникает в сложном биохимическом окружении и в очень неравновесных термодинамических условиях, однако частота ошибок синтеза при этом очень мала, возможно, и по той причине, что процесс порождения включает в себя некоторые механизмы корректировки и «самолечения» структур. Затраты вещества в таком процессе оптимизировано малы, а процесс производства в целом максимально эффективен. Вообще говоря, процесс сборки основан на использовании иерархически дифференцированных и высокоспецифических межмолекулярных взаимодействий. Представляется очевидным, что аналогичный технологический процесс изготовления каких-то функциональных компонентов или целых наносистем на действующих по этому принципу «молекулярных фабриках» мог бы стать абсолютно новым, универсальным и исключительно важным принципом производства. Проблема заключается именно в том, что мы очень плохо представляем себе принципы действия описываемых фундаментальных процессов, то есть еще невероятно далеки от возможности использования процессов самоорганизации для изготовления наноструктур, сравнимых по своей сложности с самым простым вирусом.
Рис. 5.5. Процесс возникновения (самоорганизации) вируса табачной мозаики, состоящего из 2130 идентичных протеиновых единиц, содержащих по 158 аминокислотных остатков, вить РНК состоит из 6400 нуклеотидов. Общие размеры структуры — примерно 300 нм на 18 нм
Еще одним важным направлением в подходе от био к нано является использование биологических компонентов для оптимизации технических процессов и систем. Такие компоненты реально существуют, например, в функциональных молекулах типа белков, или даже в более крупных элементах, называемых биологическими моторами (Hartmann, 2003). Проблема заключается в том, что любое применение таких биокомпонентов предполагает их выделение из естественной биологической среды и перевод в техническую систему. На рис. 5.6 показаны молекулы ДНК на поверхности твердого тела в хаотическом, неупорядоченном состоянии (слева) и при высокой степени упорядоченности (справа). Легко заметить, что структурированное состояние предоставляет множество возможностей для решения технических задач (например, для создания электрических цепей и т. п.), особенно с учетом того, что молекулы обладают очень интересными геометрическими и физико-химическими особенностями. Они достаточно химически инертны, могут сохранять информацию в невероятно плотной форме и имеют целый ряд других важных характеристик и свойств (Ни и др., 2002). Биологические компоненты могут с успехом использоваться не только в технологиях, но и при производстве совершенно новых по составу материалов. Например, комбинации биополимеров с органическими или неорганическими наночастицами позволяют производить композиционные материалы нового типа, как показано на рис. 5.7. Многие биологические молекулы или функциональные соединения могут найти и другие потенциальные применения в разных наносистемах (Nimeyer и Mirkin, 2004; Goodsell. 2004; Kumar, 2005). В целом, подход или стратегия от био к нано имеет высокую ценность в следующих направлениях: — информационные и коммуникационные технологии; — изучение и использование микротекучести; — производство энергии; — наноматериаловеденне; — общая теория нанобиологических методов. В сфере будущих информационных и коммуникационных технологий вполне мыслимо создание и использование архитектуры систем на принципах самоорганизации биологических молекул. Фотоэлектрические комплексы вполне могут быть включены в системы молекулярной электроники, а сохранение информации (на основе ДНК или бактериородопсина) представляется вполне разумным и возможным. С другой стороны, математическое моделирование поведения ДНК позволяет говорить и о других применениях. Например, представляется возможным использование биологических систем для создания новых методов обеспечения безопасности, методик кодирования и защиты информации и т. п., а исследование нейронных сетей и их моделирование уже стало важной областью развития теории информационных и коммуникационных процессов.
Рис. 5.6. Микрофотографии нитей ДНК в их естественной форме (слева) на поверхности слюды, полученные на электронном сканирующем микроскопе, и нитей ДНК, упорядоченных в процессе так называемого • молекулярного причесывания* (справа). Из работы (Ни и др., 2002)
Рис. 5.7. Биокомпознты (например, из керамических наночастиц, соединенных биополимерной сетью) могут стать основой новых функциональных устройств
Исследователи заняты сейчас разработкой микроскопических линейных и роторных двигателей, приводов и переключателей, работающих на биологических принципах. Такие устройства очень важны для возможных массовых производств описанных выше биочипов, в которых важную роль играет текучесть жидких сред на микроскопическом уровне (ее называют микротекучестью или микрофлюидикой). Регулирование микроскопических потоков жидких материалов имеет особое значение для следующих целей практического применения: — направленный транспорт гормонов; — создание наноразмерных насосов и вентилей; — сортировка и распределение микропотоков; — контроль за протекающими в микросистемах реакциями; — идентификация и учет веществ; — сенсорные устройства (микродатчики). Для энергетики (в особенности, при создании систем децентрализованного производства энергии) могли бы представлять интерес молекулы в виде «собирающих свет антенн» для фотохимических процессов в микрокапсулах, а также молекулярные структуры на основе известного фоточувствительного соединения АТФ (аденозин-5-трифосфат). Очень перспективным направлением является и создание различных биомиметических устройств для фотоэлектроники и преобразования света, например, создание так называемых ячеек Гретцеля, уже нашедших конкретные области применения. В материаловедении особый интерес представляют функциональные гибридные структуры, биологические мембраны (в качестве молекулярных фильтров) и многие другие структуры. Бионаноматериалы разного типа уже сейчас начинают производиться текстильной промышленностью, например, для медицинских (биосовместимые изделия) или экологических целей (новейшие методики очистки) и т. п. Очень важную роль биологические материалы играют в развитии и широком внедрении новых типов биодатчиков для медицинской диагностики. Ведутся интенсивные исследования новых биомиметических материалов, например, на основе разнообразных блок-сополимеров. Для общей стратегии развития в этой области представляет большой интерес тщательное изучение биологических принципов, систем и механизмов развития, особенно самоорганизации, саморепликации и «саморемонта» развивающихся структур. Потенциально очень важными являются распространенные в природе процессы биоминерализации, которые до сих пор изучены очень слабо. Выводы: Общий подход (обозначенный выше термином от био к нано) охватывает целый ряд биологических методов и стратегий, которые потенциально представляют огромный интерес для производства технических наносистем. В будущем многочисленные и разнообразные биологические молекулы или компоненты смогут найти прямое применение в технических системах.
