Молекулярная нанотехнология. 
Нанотехнологии на службе здоровья человека

Третий подход представляется наиболее фантастичным, но и наиболее перспективным. Он также восходит к лекции Фейнмана. Но наиболее полное развитие он получил в работах Эрика Дрекслера в 1981 — 1992 гг.

Хотя термин «Молекулярная нанотехнология» можно отнести к любой технологии, основанной на конструировании и изготовлении отдельных молекул, обладающих заданными наперед свойствами, Дрекслер и его последователи основное внимание уделяют конструкциям из атомов углерода. Это обусловлено его способностью образовывать огромное количество разнообразных соединений, а также рекордной прочностью связи между двумя атомами углерода. Судить о ней можно по выдающейся твердости кристаллов алмаза. Примерами углеродных молекул, которые могут послужить прототипом нанотехнологических компонентов могут послужить фуллерены — шары и нанотрубки из 5 — и 6-угольных колец атомов углерода. Разумеется там, где необходимо, в конструкцию молекулы могут быть включены и атомы других элементов.

По идее Дрекслера, из алмазоподобного углерода могут быть изготовлены молекулы, имеющие форму самых разнообразных деталей — шестеренок, штоков, компонентов подшипников, сочленений, роторов молекулярных турбин, подвижных узлов манипуляторов и т. д. Пока эти молекулы не синтезированы, но расчёты показывают, что они могут существовать, быть устойчивыми, взаимодействовать друг с другом не «слипаясь» .

Предполагается, что подобного рода молекулярные конструкции могут быть построены с использованием механосинтеза — прямой сборки из малых молекул и, даже, отдельных атомов.

Сама по себе возможность такой сборки продемонстрирована с использованием сканирующих зондовых микроскопов.

Рассмотрим возможный способ построения алмазоподобных структур из углерода. На первом этапе с помощью сканирующего зондового микроскопа к создаваемой детали подносится молекула винилиденкарбена, имеющая в своём составе выступающий и относительно слабо связанный атом углерода. Между этим атомом и деталью возникает химическая связь. Затем острие сканирующего зондового микроскопа поворачивается на 90°, что приводит к разрыву p-связи и поднимается, разрывая оставшуюся s-связь. Атом углерода остается на заготовке детали.

Сборка готовых деталей в работоспособную конструкцию может осуществляться либо с использованием сканирующего зондового микроскопа, либо путем самосборки с использованием прикрепленных к деталям биологических макромолекул, способных избирательно соединяться друг с другом.

Устройство (пока гипотетическое) для такой сборки наномеханизмов Дрекслер назвал ассемблером. Теоретически, ассемблер может быть очень небольшим — микронных размеров. Поскольку из отдельных атомов можно собрать все, что угодно, такой ассемблер может изготовить и собственную копию. С одной стороны, это открывает путь к изготовлению неограниченного количества ассемблеров и — с их помощью — любых других наноустройств. Такой подход может использоваться, например, для терраформирования планет — глобальной их перестройки с целью сделать пригодными для проживания человека.

С другой стороны, может возникнуть опасность выхода размножения ассемблеров из-под контроля в результате случайной или намеренной порчи их систем управления. Расчет показывает, что теоретически такой ассемблер со своим потомством окажется в состоянии переработать всю биомассу Земли за считанные часы (правда, без учета времени на перемещение по поверхности планеты). Эта опасность получила название «проблема серой слизи» (Grey goo problem). Предварительный анализ показывает, что ассемблер может быть сделан достаточно надежным, чтобы вероятность появления самовоспроизводящейся ошибки оказалась пренебрежимо малым. Однако трудно исключить возможность преднамеренного программирования ассемблера маньяком или хулиганом, подобным современным создателям компьютерных вирусов.

Гипотетические наноустройства, способные к перемещению в окружающей среде и снабженные бортовой системой управления получили название нанороботов. Они смогут быть использованы для решения огромного количества задач — диагностики и лечения любых болезней, включая старение, перестройки организма человека «по заказу», изготовления сверхпрочных конструкций вплоть до лифтов «Земля — орбита» и, даже, «Земля — Луна», терраформирования других планет и т. д.

Идеи молекулярной нанотехнологии встречают и сильное противодействие. Наиболее известным критиком является лауреат Нобелевской премии 1996 г. по химии Ричард Смайли. В ходе ряда дискуссий в печати с Э. Дрекслером Смайли признал некоторые из ранее критиковавшихся им положений молекулярной нанотехнологии; некоторые другие расхождения можно будет, вероятно, разрешить только путем эксперимента.

Вообще, именно невозможность в настоящее время экспериментально изготовить хотя бы простейшие из теоретически рассчитанных деталей-молекул является наиболее слабым местом молекулярной нанотехнологии. Нужно сказать, что современные методы расчета свойств крупных молекул далеки от совершенства, а точное решение соответствующей задачи квантовой механики на много порядков превосходит по своей сложности возможности сегодняшних компьютеров. Так что, окончательный ответ о возможности построения таких наноустройств может дать только эксперимент.

Кроме того, что окончательная конфигурация атомов в детали должна быть устойчива, устойчивыми должны быть и все промежуточные стадии ее изготовления. Пока не ясно, приведет ли это к серьезным ограничениям.

Еще один открытый вопрос — характер влияния на функционирование молекулярных наноустройств квантовомеханических эффектов. В современных моделях детали рассматриваются, в основном, как классические объекты. Фактически, однако, на молекулярном масштабе уже необходимо учитывать законы квантовой физики. Рассмотрим влияние квантовых эффектов на вращение пары сцепленных шестерен. Из квантовой механики известно, что полный момент количества вращения любой системы должен быть кратен постоянной Планка h.

I1w1 = m1h (1).

где Ii — момент инерции, а wi — угловая скорость i-й шестерни; mi — целые числа.

Однако, угловые скорости сцепленных шестерен связаны между собой:

n1w1 = n2w2 (2).

где ni — число зубцов i-й шестерни. Эти уравнения не имеют нетривиального решения для произвольных параметров Ii и ni. На первый взгляд, любая пара неодинаковых шестерен окажется «запертой». Более подробное рассмотрение, учитывающее энергию Ван-дер-Ваальсова взаимодействия между шестернями, показывает, что отдельные шестерни нельзя рассматривать как изолированные системы, и условие кратности момента количества вращения постоянной h истинно только для их суммарного момента.

Другим квантовомеханическим явлением может оказаться туннельный эффект, который может привести к «проскакиванию» зубцов шестерен и нарушению равенства (2).

Эти примеры показывает, что учет квантовомеханических эффектов может существенно повлиять на работу устройства с деталями молекулярных размеров, значительно усложняя задачу их конструирования. В то же время, образно говоря, мир квантовой механики значительно богаче, чем мир классической. Использование квантовомеханических эффектов вместо борьбы с ними может обеспечить молекулярные наноустройства возможностями, нереализуемыми в классических механизмах. Примером такого рода возможностей является реализация квантовых вычислений которая, если она будет достигнута, позволит решать задачи, не разрешимые за разумное время или, даже, в принципе неразрешимые на классических компьютерах.

Можно сказать, что молекулярная нанотехнология — одно из наиболее спорных, но и едва ли не наиболее многообещающее направление в современной науке. Вопрос о реализуемости ее идей будет, вероятно, решен в течение ближайших десятилетий, а возможно, и раньше.

Рассмотрим некоторые наноустройства медицинского назначения, которые могут быть изготовлены с использованием молекулярных нанотехнологий: