«Если», 2016 № 02 - Журнал «Если»
Гормоны и ферменты выборочно прилипают к другим молекулам. Фермент изменяет структуру цепи, затем идет дальше; гормон воздействует на поведение цепи только пока оба остаются связанными вместе. Их поведение лучше описывается в химических терминах, хотя и может быть переведено на язык механики.
Другие белки выполняют простые механические функции: тянут, толкают, действуют как стяжки или распорки. Механизм мышцы, например, имеет наборы белков, которые захватывают «веревку» (также сделанную из белка), тащат ее, потом отходят, чтобы захватить новую; вы используете эти машины каждый раз, когда двигаетесь.
Команда исследователей из университета МакГилла (McGill University) разработала технологию потокового упорядочивания золотых наночастиц с помощью синтетической ДНК, содержащей определенные «липкие» участки. Нужные фрагменты молекулы прикрепляются к наночастицам, а остальные смываются дистиллированной водой. Попадая в среду, наполненную короткими цепочками, отброшенные участки ДНК восстанавливают свою структуру и используются для «штамповки» следующей наночастицы. Нити ДНК запрограммированы на сопряжение с другими нитями, что используется для создания трехмерных структур, которые в дальнейшем могут найти применение в электронике, медицине и других сферах. Результаты исследования опубликованы в январе 2016 года в журнале Nature Chemistry.
Сегменты, подчиненные этим простым функциям, могут быть скомбинированы так, чтобы строить более сложные машины. Химические реакции могут связывать атомы различным образом, а молекулярные машины могут направлять химические реакции в соответствии с программными инструкциями, тем самым реализуя функцию классических ассемблеров.
Такие машины объединят расщепляющие и склеивающие способности ферментов с возможностью программирования рибосом, но в отличие от последних смогут строить не только неплотные складки белка, но и прочные объекты из металла, керамики или алмаза.
Искусственные репликаторы могут работать подобно воспроизводящимся клеткам, используя ассемблеры вместо рибосом, но есть вероятность, что инженеры придумают другие подходы к задаче. В итоге часть репликаторов вообще не будет похожа на клетки, скорее на фабрики, уменьшенные до соответствующего размера и содержащие установленные на молекулярном каркасе наномашины и конвейерные ремни. Снаружи у них будет набор манипуляторов, служащий для сборки копий по отдельному атому или по целой секции атомов за одну операцию. Связывая правильным образом нужные атомы, такие машины практически смогут собрать все что угодно.
Для строительства крупных объектов молекулярные ассемблеры и макроассемблеры будут работать в единой связке. Используя стратегию, позаимствованную у живых организмов с их сложной системой сосудов, снабжающих клетки необходимыми веществами, подобные сборочные комплексы смогут, возводя строительные леса и работая по всему объему, соединять материалы, принесенные по каналам извне. В результате большая часть выделившегося тепла будет рассеиваться достаточно далеко от основного места сборки.
Основные области применения нанотехнологий
Информационные технологии. Как правило, при производстве микросхем дефекты молекулярного масштаба неизбежны. С молекулярными ассемблерами появится возможность строить схемы с точностью до атома в трех измерениях.
Сейчас самые быстрые компьютеры — электронные, но для сверхплотных процессоров это совершенно не обязательно.
Может показаться странным, но сущность вычисления не имеет никакого отношения к электронике. Цифровой компьютер — сборище переключателей, способных включать и выключать друг друга: начинают работу в одной позиции, далее переключают друг друга в новое положение и т. д. Инженеры строят компьютеры из крошечных электронных переключателей, связанных проводами, просто потому, что механические переключатели, связанные палочками или ниточками, были бы сегодня большими, медленными, ненадежными и дорогими.
Эрик Фрэнк Рассел. «Коллекционер», 1947. Пройдя последний ряд штабелей, он наткнулся на какой-то странный механизм. Сложным и головоломным был этот агрегат, и производил он ту самую кристаллическую растительность. Рядом стояла другая, совершенно иным образом устроенная машинерия, выдававшая на-гора какую-то рогатую ящерицу. <…> Бесконечные машины — и все разные, производящие растения, жуков, птиц, грибы. Все было сделано электропоникой: словно кирпич за кирпичом, атом наращивался на атоме, чтобы в результате построить дом. Это не было синтезом, здесь проходил настоящий монтаж-конвейерная сборка, вроде той, что ведется на производствах точной электроники.
Но с компонентами с характерной длиной в несколько атомов, обычная механическая счетная машина поместилась бы в 1/100 кубического микрона, т. е. оказалась бы в миллиарды раз более компактным, чем сегодняшняя так называемая микроэлектроника. Наномеханический компьютер с гигабайтом памяти мог бы поместиться в коробок размером с бактерию. И он был бы невероятно быстр! Хотя механические сигналы движутся примерно в 100000 раз медленнее, чем электрические, им требовалось бы проходить лишь 1/1000000 расстояния, а потому задержка оказалась бы такой же.
Использование в ДНК в качестве каркаса для размещения проводящих элементов может стать шагом на пути к созданию миниатюрных, простых и дешевых компьютерных чипов. На национальной встрече-выставке Американского химического общества в Сан-Диего в 2016 году представлены результаты исследования, авторы которого создали из ДНК полый цилиндр, который затем вертикально прикрепили к кремниевой подложке, а к центру площадки, ограниченной цилиндром, с помощью коротких цепочек ДНК «пристегнули» наночастицы золота. Исследователи планируют собрать подобные цилиндры в цепь, соединив их полупроводниковыми нанопроводами.
Логичное следствие развития информационных технологий — появление искусственного интеллекта. Правительства и частные компании во всем мире поддерживают разработку ИскИнов, так как они сулят коммерческие и военные преимущества. И кажется маловероятным, что этот процесс остановится на сложности человеческого разума.
Ожидать появление ИскИна — ни оптимистично, ни пессимистично. Он будет, но, как всегда, оптимизм исследователя влечет за собой пессимизм технофоба.
Освоение космоса. Следующая область применения нанотехнологий — это космос и все, что с ним связано. Бороздить просторы вселенной мы могли бы, и используя традиционные технологии. Но не будем. В настоящее время для разработки новой космической системы обычно требуется от пяти до десяти лет, при этом тратится от десятков до миллиардов долларов. Объем затрат и эфемерность результатов делают прогресс болезненно медленным. Но в грядущие годы автоматизированные проектировочные системы разовьются в полностью автоматические. Как только это произойдет, затраты и необходимое время на разработку уменьшатся, а производственные системы, управляемые компьютерами, сократят общие затраты еще больше.
Самовоспроизводящиеся ассемблеры смогут построить целый космический флот из материалов, формирующихся на принципах алмазной кристаллической решетки, примерно в пятьдесят раз более прочных (и в четырнадцать раз более жестких), чем дюрали, используемые для подобных целей в наше время. Космические корабли из таких материалов можно сделать на 90 % легче любого современного аналога.
Выйдя в космос, такой корабль развернет солнечные коллекторы для сбора энергии, которой там более чем достаточно. Используя
