<<
>>

5.3. Технологии типа от био к нано

Самой фундаментальной, честолюбивой и долгосрочной целью в этом направлении остается использование биологических принципов и стратегий для производства технических наносистем.

Биологические объекты в процессе эволюции добились замечательной эффективности и оптимальности функций, использование которых могло бы стать основой новой научной революции в технике. В качестве примера можно привести схематически представленный на рис. 5.5 процесс самосборки (самоорганизации) известного вируса табачной мозаики. В этом конкретном случае речь идет о биологическом синтезе ианочас- тиц в форме сложного завитка (с характерными размерами 300 нм на 18 нм), составленных из 2130 одинаковых белковых элементов, каждый из которых содержит 158 аминокислотных остатков, а нить РНК состоит из 6400 нуклеотидов. Вирус возникает в сложном биохимическом окружении и в очень неравновесных термодинамических условиях, однако частота ошибок синтеза при этом очень мала, возможно, и по той причине, что процесс порождения включает в себя некоторые механизмы корректировки и «самолечения* структур. Затраты вещества в та-

Рис. 5.5. Процесс возникновения (самоорганизации) вируса табачной мозаики, состоящего из 2130 идентичных протеиновых единиц, содержащих по 158 аминокислотных остатков, нить РНК состоит из 6400 нуклеотидов. Общие размеры структуры — примерно 300 нм на 18 нм

ком процессе оптимизировано малы, а процесс производства в целом максимально эффективен. Вообще говоря, процесс сборки основан на использовании иерархически дифференцированных и высокоспецифических межмолекулярных взаимодействий. Представляется очевидным, что аналогичный технологический процесс изготовления каких-то функциональных компонентов или целых наносистем на действующих по этому принципу «молекулярных фабриках» мог бы стать абсолютно новым, универсальным и исключительно важным принципом производства.

Проблема заключается именно в том, что мы очень плохо представляем себе принципы действия описываемых фундаментальных процессов, то есть еще невероятно далеки от возможности использования процессов самоорганизации для изготовления наноструктур, сравнимых по своей сложности с самым простым вирусом.

Еще одним важным направлением в подходе от био к нано является использование биологических компонентов для оптимизации технических процессов и систем. Такие компоненты реально существуют, например, в функциональных молекулах типа белков, или даже в более крупных элементах, называемых биологическими моторами (Hartmann, 2003). Проблема заключается в том, что любое применение таких биокомпонентов предполагает их выделение из естественной биологической среды и перевод в техническую систему. На рис. 5.6 показаны молекулы ДНК на поверхности твердого тела в хаотическом, неупорядоченном состоянии (слева) и при высокой степени упорядоченности (справа). Легко заметить, что структурированное состояние предоставляет множество возможностей для решения технических задач (например, для создания электрических цепей и т. п.), особенно с учетом того, что молекулы обладают очень интересными геометрическими и физико-химическими особенностями. Они достаточно химически инертны, могут сохранять информацию в невероятно плотной форме и имеют целый ряд других важных характеристик и свойств (Ни и др., 2002).

Биологические компоненты могут с успехом использоваться не только в технологиях, но и при производстве совершенно новых по составу материалов. Например, комбинации биополимеров с органическими или неорганическими наночастицами позволяют производить композиционные материалы нового типа, как показано на рис. 5.7. Многие биологические молеку-

Рис. 5.6. Микрофотографии нитей ДНК в их естественной форме (слева) на поверхности слюды, полученные на электронном сканирующем микроскопе, и нитей ДНК, упорядоченных в процессе так называемого • молекулярного причесывания» (справа).

Из работы (Ни и др., 2002)

лы или функциональные соединения могут найти и другие потенциальные применения в разных наносистемах (Nimeyer и Mirkin, 2004; Goodsell, 2004; Kumar, 2005). В целом, подход или стратегия от био к нано имеет высокую ценность в следующих направлениях; информационные и коммуникационные технологии; изучение и использование микротекучести; производство энергии; наноматериаловедение; общая теория нанобиологических методов.

В сфере будущих информационных и коммуникационных технологий вполне мыслимо создание и использование архитектуры систем на принципах самоорганизации биологических молекул. Фотоэлектрические комплексы вполне могут быть включены в системы молекулярной электроники, а сохранение информации (на основе ДНК или бактериородопсина) представляется вполне разумным и возможным. С другой стороны, математическое моделирование поведения ДНК позволяет говорить и о других применениях. Например, представляется возможным использование биологических систем для создания новых методов обеспечения безопасности, методик кодирования и защиты информации и т. п., а исследование нейронных сетей и их моделирование уже стало важной областью развития теории информационных и коммуникационных процессов.

Исследователи заняты сейчас разработкой микроскопических линейных и роторных двигателей, приводов и переключателей, работающих на биологических принципах. Такие устройства очень важны для возможных массовых производств описанных выше биочипов, в которых важную роль играет текучесть жидких сред на микроскопическом уровне (ее называют микротекучестью или микрофлюидикой). Регулирование микроскопических потоков жидких материалов имеет особое значение для следующих целей практического применения: направленный транспорт гормонов: создание наноразмерных насосов и вентилей; сортировка и распределение микропотоков; контроль за протекающими в микросистемах реакциями; идентификация и учет веществ; сенсорные устройства (микродатчики).

Для энергетики (в особенности, при создании систем децентрализованного производства энергии) могли бы представлять интерес молекулы в виде «собирающих свет антенн* для фотохимических процессов в микрокапсулах, а также молекулярные структуры на основе известного фоточувствительного соединения АТФ (аденозин-5-трифосфат). Очень перспектив-

Рис. 5.7. Биокомпозиты (например, из керамических наночастиц, соединенных биополимерной сетью) могут стать основой новых функциональных устройств

ным направлением является и создание различных биомимети- ческих устройств для фотоэлектроники и преобразования света, например, создание так называемых ячеек Гретцеля, уже нашедших конкретные области применения.

В материаловедении особый интерес представляют функциональные гибридные структуры, биологические мембраны (в качестве молекулярных фильтров) и многие другие структуры. Бионаноматериалы разного типа уже сейчас начинают производиться текстильной промышленностью, например, для медицинских (биосовместимые изделия) или экологических целей (новейшие методики очистки) и т. п. Очень важную роль биологические материалы играют в развитии и широком внедрении новых типов биодатчиков для медицинской диагностики. Ведутся интенсивные исследования новых биомиметических материалов, например, на основе разнообразных блок-сополимеров.

Для общей стратегии развития в этой области представляет большой интерес тщательное изучение биологических принципов, систем и механизмов развития, особенно самоорганизации, саморепликации и «саморемонта» развивающихся структур. Потенциально очень важными являются распространенные в природе процессы биоминерализации, которые до сих пор изучены очень слабо.

Выводы: Общий подход (обозначенный выше термином от био к нано) охватывает целый ряд биологических методов и стратегий, которые потенциально представляют огромный интерес для производства технических наносистем. В будущем многочисленные и разнообразные биологические молекулы или компоненты смогут найти прямое применение в технических системах. 

<< | >>
Источник: Хартманн У.. Очарование нанотехнологии. 2008

Еще по теме 5.3. Технологии типа от био к нано:

  1. 5.2. Протоколы управления передачей данных в сети Internet
  2. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
  3. ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ДЕТЕРМИНАНТЫ ИННОВАЦИОННОГО РАЗВИТИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Ефименко Е.В.
  4. Глава 5 Приобретения и потери Америки: захват технологий для «большого скачка»
  5. Характеристика и деятельность разных типов ОЭЗ
  6. Глава 7. «Хозяйственно-культурные типы»
  7. Приложение 3. Бизнес-план телеканала «Северная корона»
  8. Глава 3 Профессор и обработка по типу «А»
  9. 2.5. Модель и промежуточные результаты.
  10. Тонкопленочные технологии модификации поверхности
  11. Био-нанотехнологии. Искусственные материалы
  12. Мотивация проведения исследований в области НТ
  13. Границы изменения масштабов
  14. Проблемы определения используемых понятий
  15. 5.2. Технологии типа от нано к био
  16. 5.3. Технологии типа от био к нано
  17. Медицина и фармакология
  18. Социально-экономические последствия , развития НТ