Нанобиотехнологии. 
Наноэлектроника

Нанобиотехнологии — это раздел в нанотехнологиях, в котором изучаются взаимодействия наночастиц с живыми системами, а также разрабатываются методы моделирования и практического применения биологических наноструктур, нанопроцессов и генной инженерии в биологии, медицине, экологии, сельском хозяйстве и других отраслях экономики. Нанобиотехнологии — прогрессирующая область науки, нацеленная на создание новых методов познания биологических систем, изучение взаимодействия наночастиц и молекул ДНК для разработки новых методов генной инженерии, использование механизмов транспорта веществ через биологические мембраны с применением наночастиц, а также другие методы и методики из арсеналов нанотехнологий.

Вместе с тем в нанотехнологиях есть направление, в котором исследуются биологические наномолекулы с целью создания различных молекулярных устройств. Это направление получило название бионанотехнология. В рамках этого направления разрабатываются биосенсоры для выявления веществ, присутствующих в окружающей среде или организме человека, устройства для детектирования определенных нуклеотидных последовательностей с целью обнаружения мутаций. Благодаря «содружеству» с нанотехнологией и физическими методами исследования в бионанотехнологии используются квантовые капли или квантовые точки.

Квантовые капли флуоресцируют и хорошо заметны, в отличие от органических молекул они стабильны. Они широко используются в диагностических системах.

Заметим, что междисциплинарный подход открывает широчайшие возможности для интенсивного развития как нанобиотехнологий, так и бионанотехнологий. Весьма популярным инструментом исследований является атомно-силовая микроскопия (ACM). Разработанные методики используются для изучения структурных особенностей биологических макромолекул (белков, ДНК и др.) с разрешением в несколько нанометров.

При исследовании молекул ДНК в качестве подложки обычно используется кристаллическая слюда, поверхность которой является атомарногладкой. Для крепления молекул ДНК к подложке применяются ионы никеля, кобальта и цинка (рис. 4.36). С помощью этих методик удается определять магнитную и электронную структуры поверхности, строить распределения поверхностного потенциала и электрической емкости. С этой целью используют специальные «кантилеверы» с магнитными или проводящими покрытиями. ACM также применяются для модификации поверхности. Используя жесткие зонды, можно делать гравировку и проводить «наночеканку» — выдавливать на поверхности крошечные рисунки.

Применение жидкостной атомно-силовой микроскопии позволяет локально проводить электрохимические реакции, прикладывая потенциал между.

Рис. 436. Изображения образца кольцевой плазмидной ДНК, приготовленного с помощью ионов никеля:

а — получено «полуконтактным» методом в буфере; б — получено «полуконтактным».

методом на воздухе зондом и проводящей поверхностью, а также открывает возможность применения ACM для исследования биологических объектов (рис. 4.37).

Размеры биологических макромолекул — нуклеиновых кислот (ДНК, РНК) и белков (антигены, антитела, вирусные капсиды, ферменты и др.), находятся в нанодиапазоне. Нанообъекты не биогенной природы (например, наночастицы металлов или полупроводниковые квантовые точки) могут быть носителями биомакромолекул, предназначенных для целевого воздействия на определенные биологические мишени. В то же время биологические макромолекулы могут являться средством доставки не биогенных наночастиц в орган-мишень для диагностического или терапевтического воздействия.

Примерами использования биологических макромолекул в нанобиотехнологии являются так называемая ДНК-нанотехнология, применяющая упорядочную структуру молекул ДНК для разработки наноструктур определенной формы, а также разработка наномашин, прообразами которых являются молекулярные моторы живых клеток. Разработки в области нанобиотехнологии находят практическое применение в медицине, пищевой промышленности, охране окружающей среды.^[1]

Рис. 437. Импалефекция является быстрым и относительно простым процессом, который позволяет контролировать процесс трансфекции в отдельной клетке:

а — нервная клетка на поверхности нанопровода; 6 — нанопровод поглощен клеткой¹

ДНК является упорядоченным сополимером. Это означает, что ДНК состоит из четырех оснований — аденина А, гуанина G, цитозина С и тимина Т, которые разбиты на комплементарные пары А—Т и С—G. Водородные связи удерживают по всей длине пару комплементарных нитей ДНК в форме двойной спирали.

Ключевым моментом самосборки при построении трехмерных структур из ДНК является липкий конец. Так называемые липкие концы, представляющие собой короткие отрезки неспаренной ДНК и выступающие на одном конце молекулы ДНК, соединяются с отрезками другой цепи (рис. 4.38, а). Копии ДНК самособираются в структуру решетки (рис. 4.38, б).

Рис. 4.38. Формирование двумерной сетки из соединений с липкими концами.

Таким образом, разветвенные ДНК с правильно расположенными липкими концами могут самособираться в двуи даже трехмерные структуры. Нанотехнологический процесс самосборки вселяет надежду на возможность производства машин и механизмов нанометрового масштаба.

ДНК является хорошим изолятором, и использовать ее в электрических цепях не представляется возможным. Однако ее можно применять в качестве шаблонов при изготовлении наноироволок. Заметим, что разрабатываются и существуют молекулярные моторы.

Исследования биологических молкулярных моторов является важнейшей задачей молекулярной биофизики и биологии.

В современной истории науки и техники новая дисциплина не возникает из отдельного открытия. Новая наука, а затем и отрасль техники рождается на стыке наук, впитывая в себя новейшие достижения из смежных отраслей знаний. Так родилась и блестяще развилась микроэлектроника. Вслед за этим появилась наноэлектроника, словно в развитие идей микроэлектроники с условием дальнейшей миниатюризации. Однако на стыке объектов живой и неживой природы уже недостаточно идей и достижений смежных наук. Развитие наноэлектроники как одного из направлений нанотехнологий сопряжено с использованием научных достижений все расширяющегося круга смежных отраслей знаний.

В наноэлектронике уже недостаточно одного универсального материала, каковым является кремний. Уже мало гетероструктур, вдохнувших новые идеи в прогресс микроэлектроники. Открыты такие перспективные для наноэлектроники материалы, как нанотрубки, фуллерены, фотонные кристаллы, самоорганизующиеся среды, полимерные материалы и т. д. Наконец, ДНК становится компонентом наноструктур, элементы наноструктур создаются на основе вирусов.

Блестящие успехи микроэлектроники обязаны хорошо отработанным технологическим процессам. Особо отметим, что технология микроэлектроники является планарной и групповой технологией. Такой технологии для наноэлектроники еще не отработали. Поэтому о промышленных успехах в области наноэлектроники говорить рано. Однако экспериментальные технологические процессы весьма перспективны. Развитие методов молекулярно-лучевой и газофазной эпитаксии, пучковых методов литографии, заимствованных в технологии микроэлектроники, имеют особое значение в процессах наноэлектроники.

Пристальное внимание следует уделить процессам самоорганизации, на основе которых можно организовать промышленную технологию. Это могут быть процессы на основе коллоидных растворов, золь-гель-процессы, процессы самоорганизации при эпитаксиальном росте, атомно-слоевой эпитаксии и др.

Особый интерес вызывают технологические процессы с использованием зондовой микроскопии. Эти методы легли в основу зондовой нанотехнологии. Уникальные эксперименты по синтезу наноструктур удалось провести с помощью атомно-силовых и туннельных микроскопов.

От нанотехнологий и используемых ею наноструктурных материалов следует ожидать научно-технические прорывы во многих отраслях знаний и наступления новой индустриальной революции.

• [1] Лицензия: Creative Commons Attribution-Share Alike.