Mokslininkai ilgą laiką kūrė ir išbandė įvairius nanomašinus laboratorijose. Tiesą sakant, tai yra molekulinės konstrukcijos, kurių užduotis yra atlikti tam tikrą naudingą funkciją: pavyzdžiui, pristatyti vaistus į sergantį organą, nustatyti patogeną ar ką nors pataisyti. Kai pasirodys pirmieji „naudingi“nanorobotai, ar jie padės kolonizuoti Marsą ir kitas planetas?
Į šiuos klausimus atsako Benas Feringa, Groningeno universiteto Nyderlanduose profesorius. 2016 m. Jis kartu su prancūzu Jean-Pierre Sauvage ir Scotsmanu Fraseriu laimėjo Nobelio premiją už molekulinių mašinų projektavimą ir sukūrimą. „Jūsų nanomainai gaminami iš labai įprastų elementų, tokių kaip anglis, azotas ar siera. Ar galime jose tikėtis egzotiškesnių komponentų - pavyzdžiui, retųjų žemių metalų ar radioaktyviųjų medžiagų?- Į šį klausimą labai sunku atsakyti dėl vienos paprastos priežasties: mes vis dar nežinome, ką tokios molekulinės konstrukcijos gali ir ko negali. Tuo pat metu, nepaisant didelių nanomotorių, rotorių ir kitų elementų struktūros skirtumų, visi mes - mano grupė „Stoddart“, „Sauvage“ir daugelis kitų kolegų - vis dar dirbame tik su organinėmis molekulėmis. Žinoma, niekas netrukdo mums įsivaizduoti, kad kažkas panašaus gali būti sukurtas naudojant tik neorganinius junginius. Pavyzdžiui, norint sukurti sudėtingą jungtį ir priversti ją, kaip ir mūsų molekulinius variklius, suktis aplink savo ašį. Tačiau dar niekas nesirinko tokių nanomotorių.
Priežastis paprasta. Tobulėjant farmacijai ir polimerų chemijai, mes išmokome labai greitai ir gerai sintetinti sudėtingus junginius, susidedančius iš angliavandenilių grandinių. Esu tikras, kad tą patį galima padaryti ir su neorganiniais junginiais, tačiau tam, kad tai padarytume, pirmiausia turime suprasti, kaip surinkti tokias molekules.
- „Salik.biz“
Kalbant apie radioaktyvius izotopus, nemanau, kad jie kada nors taps nanomašinų dalimi. Dėl jų neįprastų savybių ir nestabilumo greičiausiai jie nebus tinkami dirbti kaip stabilių molekulinių sistemų, kurių energijos šaltinis yra šviesa ar elektra, dalis.
Šiuo atžvilgiu mus labiau domina biologiniai molekuliniai varikliai, kurių žmogaus organizme yra šimtai veislių. Jie visi yra baltymų aparatai, iš kurių daugelyje yra metalo atomai.
Dažniausiai jie vaidina pagrindinį vaidmenį reakcijose, kurios priverčia šias biomainas judėti. Todėl man atrodo, kad metalų kompleksų ir juos supančių organinių junginių derinys atrodo perspektyviausias.
Šiais metais švenčiame periodinio stalo 150-metį. Ar galėtumėte paaiškinti, kaip šis pusantro amžiaus laimėjimas padeda jums padaryti atradimus šiandien?
- Periodinė lentelė ir jai būdingi įstatymai iš tikrųjų visada padeda įvertinti, kaip elgiasi skirtingi joje esantys atomų tipai, ir numatyti kai kurių junginių savybes.
Pavyzdžiui, kai kuriuose mūsų variklių tipuose yra įmontuoti deguonies atomai. Lentelės dėka mes suprantame, kad siera savo savybėmis bus panaši į ją, tačiau tuo pat metu ji yra šiek tiek didesnė. Tai leidžia mums lanksčiai kontroliuoti tokių molekulinių mašinų elgseną, keičiant deguonį siera ir atvirkščiai.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Tai, žinoma, nesibaigia mūsų numatymo galimybėmis. Neseniai buvo rasta daugybė kitų įstatymų, leidžiančių numatyti kai kurias nanomašinų savybes.
Kita vertus, abejoju, ar galime sukurti kažką panašaus į periodinę lentelę tokioms nanostruktūroms. Jei mes iš principo tai įmanoma, neturime pakankamai žinių.
Taigi, mes galime apytiksliai numatyti, kaip elgsis skirtingo dydžio, panašios struktūros, molekuliniai varikliai, tačiau mes negalime to padaryti radikaliai skirtingoms sistemoms ar suprojektuoti ką nors iš naujo, neatlikdami eksperimentų.
Neseniai sakėte, kad pirmieji visaverčiai nanorobotai pasirodys maždaug per penkiasdešimt metų. Kita vertus, tik prieš pusantrų metų Prancūzijoje įvyko pirmosios tokių nanomašinų „varžybos“. Ar toli esame nuo autonominių nanotechnologijų atsiradimo?
- Reikėtų suprasti, kad visos šiandien egzistuojančios molekulinės mašinos yra labai primityvios tiek savo struktūra, tiek pagal paskirtį. Tiesą sakant, tiek mūsų automobilis, kurį surinkome 2011 metais, tiek šie „lenktyniniai automobiliai“buvo sukurti ne tam, kad išspręstų kokias nors praktines problemas, o patenkintų smalsumą.
Tiek mes, tiek mūsų kolegos kuria tokius prietaisus labai paprastoms problemoms spręsti - bandome išsiaiškinti, kaip priversti molekules judėti viena ar kita kryptimi, sustoti ir vykdyti kitas paprastas komandas. Tai įdomi, tačiau vis dar grynai akademinė problema.
Kitas žingsnis yra daug sunkesnis ir rimtesnis. Svarbu suprasti, ar įmanoma juos įtraukti į tikrai praktines užduotis: gabenti prekes, komplektuoti sudėtingesnėse struktūrose ir reaguoti į išorinius dirgiklius.
Pavyzdžiui, nanomašinos gali būti naudojamos kuriant išmaniuosius langus, kurie reaguoja į gatvių apšvietimo lygius ir gali save taisyti; antibiotikai, kurie veikia tik tada, kai atsiranda tam tikras cheminis ar šviesos signalas. Tokie dalykai, man atrodo, atsiras daug anksčiau, nei jūs manote - per ateinančius dešimt metų.
* Nanobolidas * lenktynių trasoje iš vario pagrindo.
Sukurti visavertį nanorobotą, galintį atlikti operacijas kūno viduje ar išspręsti sudėtingas problemas, be abejo, reikės daugiau laiko. Bet aš vėlgi esu įsitikinęs, kad ir mes tai galime padaryti. Žmogaus kūne yra nesuskaičiuojama daugybė tokių robotų, ir niekas netrukdo mums sukonstruoti jų dirbtinių kopijų.
Kita vertus, mes, kaip ne kartą sakiau, dabar esame maždaug tokiame pat išsivystymo lygyje kaip žmonija brolių Wrightų laikais. Pirmiausia turime nuspręsti, ką ir kodėl mes sukursime, o tada galvoti, kaip tai padaryti.
Man atrodo, neturėtumėte be proto kopijuoti tai, ką sugalvojo gamta. Kartais visiškai dirbtines sistemas, tokias kaip lėktuvai ar kompiuterio lustai, yra kur kas lengviau sukurti nei sparno ar žmogaus smegenų analogus.
Kitais atvejais lengviau paimti tai, ką gyvi organizmai jau yra sukūrę, pavyzdžiui, kai kuriuos antikūnus, ir pritvirtinti prie jų vaistą ar nanomašino dalį. Panašus požiūris jau naudojamas medicinoje. Todėl negalima vienareikšmiškai teigti, kad kuris nors iš jų bus perspektyvesnis ir teisingesnis visoms galimoms nanorobotams.
Pastaraisiais metais atsirado dvi nanokompresorių „klasės“- palyginti paprastos struktūros, gaunančios energiją iš išorės, ir sudėtingesnės struktūros, visaverčiai variklių analogai, galintys ją gaminti savarankiškai. Kurios iš jų yra arčiau realybės?
- Cheminiai varikliai, šiek tiek panašūs į analogus gyvosiose ląstelėse, iš tikrųjų pradėjo atsirasti. Neseniai laboratorijoje sukūrėme keletą panašių prietaisų.
Pavyzdžiui, mums pavyko surinkti nanomašiną, galintį naudoti gliukozę ir vandenilio peroksidą kaip kurą ir gabenti nanovamzdelius, nanodaleles ir kitas sunkias struktūras bet kuria kryptimi.
Sunku pasakyti, kiek jie perspektyvūs - viskas priklauso nuo spręstinų užduočių. Jei mums reikia organizuoti kai kurių molekulių „transportavimą“, tada jos tam yra idealios. Norėdami sukurti išmaniuosius langus ar kitas programėles, savo ruožtu, jau turite ieškoti kitos medžiagos.
Be to, mes vis dar nesuprantame, ko mums trūksta, kokius klasikinių mašinų analogus galima sukurti naudojant molekules ir kur apskritai judės visa mūsų sfera. Tiesą sakant, mes ką tik pradėjome jį kurti. Kol kas aišku tik viena - nanomainai skiriasi nuo mūsų ląstelių biomainų ir nuo „didžiųjų seserų“makrokosmoso.
Jei kalbėsime apie tolimą ateitį, ar įmanoma panaudoti molekulines mašinas, galinčias kopijuoti save, norint išspręsti globalias problemas, pavyzdžiui, užkariauti Marsą ar kitas planetas?
- Man sunku kalbėti apie kitus pasaulius, nes šis klausimas peržengia mano kompetenciją. Nepaisant to, manau, kad greičiausiai nanomašinai nebus naudojami tokiems tikslams. Kai bandome įvaldyti naują ir labai atšiaurią aplinką, mums reikia labai patikimos technologijos, o ne kažko eksperimentinio.
Todėl man atrodo, kad tokios mašinos pirmiausia suras taikymą Žemėje. Galima sakyti, kad tai jau vyksta: pastaraisiais metais chemikai sukūrė šimtus labai sudėtingų daugelio molekulių struktūrų, vadinamųjų supramolekulinių struktūrų, kurios gali selektyviai jungtis prie tam tikrų jonų ir ignoruoti visa kita.
Pavyzdžiui, mano kolega Pranciškus Stoddartas neseniai įkūrė startupą, kuriame kuria kompleksus, galinčius išgauti auksą iš kasybos atliekų ir atliekų sąvartynų. Anksčiau tokių junginių kūrimas būtų buvęs laikomas alchemikų fantazija.
Kalbėjimas apie nanomašinus dažniausiai sukelia tikrą visuomenės baimę, bijodamas, kad ateityje mikroskopiniai robotai sunaikins civilizaciją ir visą gyvybę Žemėje. Ar įmanoma kaip nors su tuo kovoti?
„Šios problemos turi daug bendro su„ Creation Machines: The Coming Era Nanotechnology “, kurią parašė Ericas Drexleris 1986 m. Jame pateiktas žmonijos žūties scenarijus dėl savaiminio „pilkųjų gleivių“dauginimo yra žinomas beveik visiems.
Tiesą sakant, čia nėra nieko neįprasto - kurdami naujus nanomašinus imamės tų pačių atsargumo priemonių, kaip ir dirbdami su naujomis ir galimai toksiškomis cheminėmis medžiagomis.
Šiuo atžvilgiu nanorobotų komponentai savo naikinamuoju potencialu nesiskiria nuo „statybinių elementų“, iš kurių surenkamos naujų vaistų, polimerų, katalizatorių ir kitų „įprastų“cheminių produktų molekulės.
Kaip ir bet kuris kitas vaistas ar maisto produktas, šios molekulinės struktūros turės praeiti daugybę saugos bandymų, kurie parodys, ar jie gali „maištauti“ir sunaikinti žmoniją.
Tiesą sakant, tokiose baimėse nėra nieko stebėtino - žmonės yra įpratę bijoti kažko naujo ir neįprasto. Kiekvieną dešimtmetį iš fizikos, chemijos ar biologijos pasaulio atsiranda nauja „siaubo istorija“, kuri pakeičia dalykus, prie kurių mes jau esame įpratę. Pavyzdžiui, dabar tapo madinga bijoti ir kritikuoti CRISPR / Cas9 genomo redaktorių ir dirbtinį intelektą.
Ką turėtų daryti mokslininkai? Man atrodo, kad mūsų užduotis paprasta: turime padėti visuomenei išsiaiškinti, kas yra tiesa, o kas - fikcija. Svarbu suprasti šių naujų atradimų praktinę naudą ir jų realų pavojų.
Pavyzdžiui, jei žmonės supranta, kad CRISPR / Cas9 gali išgydyti ligas, susijusias su genetiniais defektais, arba padidinti augalų produktyvumą, jie turės mažiau priežasčių bijoti šios technologijos. Tas pats pasakytina apie ateities nanomašinus.