Управленцы молекулярного масштаба

Тигран Оганесян
12 декабря 2005, 00:00

У нанотехнологий хорошие перспективы в области медицины, энергетики и новых материалов, но говорить о глобальной революции в способах производства пока не время

В конце ноября российскую столицу посетила представительная делегация топ-менеджеров и научных специалистов корпорации IBM. В их числе был один из пионеров нанотехнологических разработок, почетный сотрудник IBM, ведущий специалист исследовательского центра "Альмаден" в Калифорнии (IBM Almaden Research Center) доктор Дон Эйглер. На протяжении многих лет д-р Эйглер руководит группой ученых, занимающихся изучением физики поверхностей и нанометровых структур. Именно он и его коллеги в 1989 году впервые в мире при помощи сканирующего туннельного микроскопа продемонстрировали создание структур на наноуровне, выстроив 35 отдельных атомов ксенона в виде аббревиатуры IBM (этот первый эксперимент по манипулированию атомами длился около 22 часов, тогда как сегодня аналогичная процедура занимает не более нескольких минут).

Среди множества почетных призов и знаков отличия, полученных Доном Эйглером за его научную карьеру, особое место занимают Dannie Heineman Prize 1995 года, специальная награда Геттингенской академии наук Германии, присуждаемая раз в два года за выдающиеся достижения в области естественных наук, и Nanoscience Prize, высшая награда в мировом нанотехнологическом сообществе, первым обладателем которой он стал в 1999 году. Мы решили побеседовать с нанотехнологическим гуру о сегодняшнем состоянии и перспективных направлениях нанотехнологических разработок в мире, о его видении основных тенденций развития современной науки в целом.

- Можете ли вы дать определение того, что же все-таки следует сегодня понимать под нанотехнологиями?

- Сам термин "нанотехнология" скорее обязан своим рождением научно-популярной литературе, его следует прежде всего воспринимать как маркетинговую "примочку", завлекательный ярлык для привлечения инвестиций и общественного интереса. Многие утверждают, что это - новая научная дисциплина. Но мне такой подход не нравится. В принципе исследования любых сверхмалых структур, размерность которых составляет менее 100 нанометров, можно условно отнести к разряду нанотехнологических. Однако та же химия давно работает на молекулярном уровне, то есть по сути имеет дело с наноуровнем. Поэтому мне по душе более операциональное определение: то, чем мы занимаемся сегодня, связано с новым уровнем управления процессами в микромире. И за последние пятнадцать лет мировое научное сообщество достигло огромного прогресса в понимании таких процессов и в методах искусственного выстраивания таких микроструктур.

- Хорошо, тогда задам другой вопрос. Часом ранее в своем кратком выступлении в рамках IBM INNOVATORS TOUR вы назвали нанотехнологические разработки новой промышленной революцией, возможные последствия которой для человечества вполне сравнимы с научно-техническим прорывом первой половины ХХ века. Не слишком ли сильно сказано?

- Я полагаю, что у нанотехнологий есть очень большие шансы совершить крупномасштабную революцию в научной и производственной сферах. По крайней мере, эта вероятность намного выше пятидесяти процентов. И особенно многообещающими сегодня выглядят перспективы нанотехнологий в медицине, энергетике и создании новых материалов.

Что касается энергетики, речь прежде всего идет о новых наноматериалах, которые позволят нам кардинально уменьшить энергозатраты. Активно идут эксперименты по использованию наночастиц для преобразования различных видов энергии. Кроме того, новые наноматериалы помогут существенно сократить загрязнение окружающей среды.

Из медицины приведу только два наиболее свежих интересных примера. Первый - исследования одной из моих коллег, Наоми Халас, профессора Университета Райса в Хьюстоне. Она - создатель нового класса многослойных наночастиц с уникальными оптическими свойствами, так называемых наногильз. Диаметр этих сферических наногильз составляет около 100 нанометров (примерно в 20 раз меньше, чем размер красных кровяных телец), их внешняя оболочка состоит из металлического золота, а в центре находится маленький шарик из двуокиси кремния. Изменяя размеры "сердечника" и толщину золотого внешнего слоя, ученые научились настраивать реакцию этих наногильз на различные длины электромагнитных волн. В частности, разработанная Халас и сотрудницей Университета Райса Дженнифер Уэст специальная методика фототермального лечения раковых опухолей базируется на использовании инфракрасного диапазона, поскольку волны такой длины практически безболезненно проникают сквозь мягкие ткани тела.

Дон Эйглер считает, что вероятность нанотехнологического прорыва и в научной, и в производственной сферах - свыше пятидесяти процентов

Благодаря своим сверхмалым размерам и нетоксичности эти наногильзы свободно перемещаются по кровеносной системе. Прикрепляя к поверхности наногильз антитела, обладающие специфической реакцией на раковые клетки, ученые целенаправленно доставляют их в зараженные зоны. Через несколько часов после запуска наногильз в организм происходит их облучение инфракрасным светом - золотая оболочка реагирует на этот свет, происходит его преобразование в тепловую энергию, которая и разрушает близлежащие раковые клетки, причем прочие здоровые клетки при этом практически не повреждаются.

Эта новаторская технология была успешно протестирована в прошлом году в опытах с мышами, размер раковых опухолей которых составлял от 3 миллиметров до 5,5. Уже через десять дней после облучения все больные животные полностью избавились от этих опухолей, и, насколько мне известно, последующие проверки также не выявили у них никаких следов новых злокачественных образований.

Другое медицинское направление, на котором недавно был достигнут значительный прогресс, - работа группы Сэмюэла Стаппа из Northwestern University (Эванстон, штат Иллинойс). Стапп и его коллеги нашли способ выращивания искусственных нановолоконных цепочек синтетических молекул, стимулирующих рост нервных клеток.

Синтезированный Стаппом трехмерный молекулярный каркас состоит из особых пептидов. Важнейшим достижением американских ученых стало изобретение такого пространственного дизайна этих пептидных молекул, благодаря которому они, соединяясь друг с другом, создавали регулярную последовательность пяти специфических аминокислот, резко активизирующих процесс регенерации нервных клеток.

Более того, оказалось, что эти новые синтетические молекулы избирательно взаимодействуют с клетками центральной нервной системы и в случае повреждения спинного мозга предотвращают образование рубцов, зачастую вызывающих паралич.

В серии недавних экспериментов ученые впрыскивали раствор с этими "чудо-молекулами" в поврежденные участки спинного мозга подопытных крыс и полностью восстанавливали их жизненную активность.

- Говорят о применении нанотехнологий и в компьютерной области.

- В производстве современных высокопроизводительных компьютеров уже присутствуют нанометровые структуры. Есть компоненты размером в 90-100 нанометров, в скором времени должны появиться структуры в 20-40 нанометров. А вот что будет дальше, пока непонятно.

- Вот как раз про это хотелось бы все-таки немного поподробнее. Что и когда может прийти на смену кремниевым чипам в компьютерах?

- Ну, это действительно очень сложный вопрос. Дело в том, что сегодня слишком многое в этой сфере зависит от большого бизнеса. Силиконовая индустрия - огромный, хорошо отлаженный комплекс, включающий десятки тысяч различных производств, мощнейшую инфраструктуру. И для того чтобы альтернативные компьютерные технологии смогли составить серьезную конкуренцию этой махине, их создателям сначала придется представить очень убедительные доказательства того, что себестоимость производства новых заменителей существенно ниже, чем традиционных кремниевых чипов.

Безусловно, вне силиконовой индустрии сегодня много очень талантливых людей. Но, по моему мнению, переход от кремниевых технологий к чему-то новому будет происходить постепенно, эволюционно, то есть нас ожидает длительный период сосуществования различных компьютерных технологий. Скажем, в кремниевые компьютеры будут внедряться оптические элементы на базе нанофотоники. А по мере роста использования этих элементов будет развиваться и соответствующая технологическая инфраструктура, которая, в свою очередь, позволит существенно снизить издержки их производства.

- Ну а как обстоит дело с "чистой физикой"?

- Некоторое время назад мы с коллегами опубликовали статью о так называемых молекулярных каскадах - магнитных свойствах атомных поверхностей. Очень важно решить вопрос, возможно ли в принципе создание эффективных схем молекулярных каскадов. Мы активно изучаем сверхмалые магнитные системы и пытаемся понять физические законы, управляющие магнитным взаимодействием соседних атомов. При помощи тонких манипуляций мы помещаем намагниченные атомы вблизи немагнитных поверхностей и наблюдаем за тем, как они ведут себя в таких условиях, как меняется их взаимодействие друг с другом на различных расстояниях. Это очень интересные эксперименты, при помощи которых, в частности, возможно определить, насколько устойчивы выстраиваемые нами цепочки атомов.

Безусловно, о практическом выходе наших исследований сегодня говорить не приходится. Пока мы не знаем, как изготавливать поточными методами наноструктуры с точно заданными параметрами атомов. Ничего, кроме стандартных методов химического синтеза, для этого еще не придумано.

- Известно, что значительная доля инвестиций на государственном уровне в развитие нанотехнологий в тех же США и в ряде других стран приходится на исследования в военной сфере.

- В той части научного сообщества, к которой я имею отношение, никаких военных разработок пока не ведется. По крайней мере никто из моих коллег, с которыми я постоянно общаюсь, ни разу не упоминал о чем-либо подобном. Кое-что я слышал об исследованиях, связанных с созданием новых видов защитного снаряжения для солдат, снижающего их уязвимость в боевых условиях. Что же касается исследований возможного использования наноматериалов в новых видах наступательного вооружения, то, по-видимому, такие разработки действительно ведутся, но я не располагаю такой информацией.

- В таком случае хотелось бы узнать ваше мнение по поводу другой потенциальной "наноугрозы", с изрядной периодичностью обсуждаемой сегодня в различных СМИ. Я имею в виду разговоры о том, что изощренные новые нанотехнологии в скором будущем приведут к крупномасштабной реструктуризации всей мировой экономики. Скажем, публикуются сценарии грядущего полного развала традиционного сельского хозяйства и производства продуктов питания благодаря внедрению сверхдешевых технологий наносинтеза искусственных пищевых аналогов. Или еще шире - о частичной или даже полной замене в промышленности традиционных методов производства сборкой "умными нанороботами" предметов потребления непосредственно из атомов и молекул.

Благодаря своим размерам и нетоксичности наногильзы свободно перемещаются по кровеносной системе, достигая зараженных зон

- Сама идея поточного молекулярного производства пока не более чем красивый мираж, хотя, конечно, доказать, что она в принципе неосуществима, также невозможно. Я думаю, при помощи новых нанотехнологий в ближайшем будущем можно достичь реального прогресса в той же пищевой промышленности и сельском хозяйстве, но этот подъем будет обеспечен за счет других, более простых методов и приемов (контроль качества корма сельскохозяйственных животных, более эффективная работа ветеринарных служб и тому подобное).

А что касается апокалиптических сценариев великого передела мировой экономики по вине нанотехнологий, массового удешевления производства предметов потребления и развала целых рыночных отраслей, мне кажется, что сами по себе эти технологии не смогут столь серьезно повлиять на будущее человечества.

- В одном из интервью вы отметили, что при прочих равных современная наука развивалась бы более быстрыми темпами, если бы творческая мотивация современных ученых, выбор ими тем для исследований не так жестко зависели от "внешних факторов", прежде всего - от предпочтений большого бизнеса. Возможен ли в принципе сегодня некий эффективный компромисс между свободой научного творчества и интересами тех, кто "заказывает музыку"?

- Мои слова прежде всего относились к той ситуации, которая сегодня сложилась в университетской науке США. Нашим университетским профессорам приходится сегодня тратить уйму усилий и времени на поиски источников финансирования своих исследований, бесконечное оформление заявок на получение различных грантов, стипендий и тому подобное. Вся эта суета, естественно, сильно отвлекает их от собственно научной работы. Конечно, я прекрасно понимаю и позицию крупных корпораций, сложности, с которыми приходится сталкиваться их руководителям и финансовым советникам при принятии решений о том, на что им тратить свои деньги. Однако для меня достаточно очевидно, что текущий баланс в этой сфере, по крайней мере в Соединенных Штатах, пока весьма далек от оптимального. Особенно это относится к финансированию фундаментальных научных исследований. В истории науки есть масса примеров того, как открытия, сделанные в сфере фундаментальных исследований, которые на первый взгляд не имели никакого "рыночного выхода", затем приносили огромную практическую пользу человечеству. Достаточно вспомнить историю с открытием физиками в начале 50-х годов ХХ века явления ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в конденсированных средах. Прошло немало времени, прежде чем что он стал основой нового универсального метода исследования строения вещества в самых различных научных областях (в химии, биологии, медицине, агрономии, материаловедении и так далее). Причем особенно ценным он оказался в медицинской диагностике, где благодаря развитию методов ЯМР-томографии созданы инструменты для "сканирования" внутренних органов человека.

Совершенно неправильно требовать от современного физика, чтобы он был таким же универсалом, как Лев Ландау

Я убежден, что развитие фундаментальной науки вообще не должно зависеть от предпочтений и интересов бизнес-сообщества. В частности, Национальный научный фонд США (National Science Foundation, NSF - федеральное агентство при правительстве США, финансирующее крупные научные проекты, один из ведущих источников финансирования науки в американских университетах и колледжах. - "Эксперт") ни в коем случае не должен ориентироваться при распределении своих денег на сигналы, идущие от рынка, индустрии. Крупный бизнес, как правило, просто не обладает достаточной компетентностью для того, чтобы решать, что важно, а что не важно изучать ученым.

- Но самой науке трудно сегодня увидеть лес за деревьями: если раньше исследовательские тренды задавали крупные ученые с мультидисциплинарным бэкграундом, то сегодня ученый чаще узкий специалист, получающий сигналы в основном из окрестностей своей дисциплины.

- Совершенно нормально стремление некоторых ученых к узкой специализации, как, впрочем, и желание других работать сразу в нескольких научных областях. Нанотехнологии, кстати, прекрасный тому пример. Ну а если о великих, думаю, в чем-то вы правы: было бы совершенно неправильно требовать от современного физика быть таким же универсалом, как Лев Ландау. Это, наверное, сегодня уже нереально.