Нановойны ученых и бизнесменов. Как нанобетон чуть не обогнал молекулярные машины
Речь идет не о конкуренции между коллективами исследователей, которая всегда была стимулом прогресса. Эта история скорее о том, как одно научное направление при поддержке заинтересованного крупного бизнеса отодвинуло от финансирования и едва не похоронило противоположное научное направление, хотя именно оно, в отличие от первого, способно привести к прорывным достижениям как в компьютерных, так и в медицинских технологиях.
Вниз или вверх
Слова о двух противоположных научных направлениях — в данном случае выражение не фигуральное, а буквальное. Эти два направления называются нисходящим и восходящим, в соответствии с выбранными ими путями достижения наноразмеров.
Напомним, что понятие "нанотехнологии" означает технологии, работающие с нанобъектами, т. е. объектами нанометровых размеров. Нанометр (нм) — это миллиардная часть метра. Обычные молекулы имеют размер меньше 1 нм (например, диаметр молекулы воды составляет около 0,3 нм). Поэтому создавать нанообъекты можно двумя способами.
Нисходящее направление берет какие-нибудь дорогие искусственно выращиваемые микрокристаллы, дробит их на наночастицы и использует последние в виде нанодобавок к обычному дешевому материалу. В результате получается более дорогой материал по сравнению с начальным, но и (если, конечно, технология удачная) более качественный. Типичный продукт нисходящих нанотехнологий — нанобетон, представляющий собой обычный бетон с добавлением (в разных вариациях) наночастиц оксида кремния и диоксида титана, углеродных нанокластеров и нанотрубок и т. п.
Восходящее направление начинает с отдельных атомов или молекул и пытается скомбинировать из них более сложные объекты. В 1987 г. успехи в этом направлении были удостоены Нобелевской премии по химии. Премию с формулировкой "за разработку и применение молекул со структурно-специфическими взаимодействиями высокой избирательности" получили американцы Чарлз Джон Педерсен (1904–1989), Доналд Джеймс Крам (1919–2001) и француз Жан-Мари Лен (р. в 1939 г.). Новую науку Жан-Мари Лен назвал супрамолекулярной (т. е. надмолекулярной) химией.
Тут типичным примером является комплекс "гость — хозяин" в виде мелкой молекулы, помещенной внутрь крупной молекулы. Такие комплексы очень интересуют медиков. Хозяйская молекула может быть построена из совершенно безвредной для человека глюкозы, для этого годятся давно известные циклодекстрины — "глюкозные бублики" диаметром 1,4–1,7 нм. А в качестве молекулы-гостя может использоваться лекарство или противоопухолевый препарат. Медики надеются, что подобный нанокомплекс можно будет оснастить средствами распознавания больных клеток, и тогда он превратится в "самонаводящуюся боеголовку".
Впрочем, наш рассказ все же не о самих технологиях, а о борьбе за деньги.
Начало наносоревнования
В 1989 г. перед исследователями открылись еще более широкие перспективы, чем те, которые обещала супрамолекулярная химия. Американский физик Дональд Эйглер, работавший в исследовательских лабораториях компании IBM в Альмадене, штат Калифорния, нашел новое применение сканирующему туннельному микроскопу, изобретенному в 1981 г. (его создатели, немец Герд Бинниг и швейцарец Генрих Рорер, получили Нобелевскую премию по физике за 1986 г.). Эйглер доказал, что этот микроскоп позволяет не только "видеть" атомы и молекулы, но и манипулировать отдельными атомами и по одному приставлять их друг к другу. Стал возможен совершенно новый технологический подход: обращение с атомами, словно со стандартными заводскими деталями, и конструирование из них молекулярных машин, способных выполнять примерно те же задачи, что и механизмы привычных нам размеров.
Чтобы доказать, что атомами можно манипулировать, Эйглер написал "IBM", выложив буквы 35 атомами ксенона. Эта картинка облетела весь мир. Весть про успехи американца дошла до Японии и вызвала у тамошних ученых острую зависть. Директор компании Hitachi потребовал от научных сотрудников Центральной исследовательской лаборатории Hitachi (HCRL) научиться писать атомами. Но остроумные японцы, вместо того чтобы выводить буквы на поверхности металла, выставляя на ней атом за атомом, решили снимать атомы, тоже по одному, с поверхности полупроводниковой подложки — буквы выкладывались не из атомов, а из дырок, оставшихся после удаления атомов. На надпись "IBM" японцы ответили целым лозунгом "РЕАСЕ'91 HCRL".
Это соревнование получило продолжение. В июне 1992 г. тогдашний сенатор от штата Теннесси Альберт Гор организовал слушания в сенате на тему "Новые технологии для устойчивого развития". Выступали лучшие американские специалисты, в том числе Эрик Дрекслер — автор книги "Машины создания: Грядущая эра нанотехнологии", вышедшей в 1986 г. и пользовавшейся бешеным успехом (она была переведена на шесть языков, включая японский и китайский). Но если к моменту написания книги сама возможность манипуляции одиночными атомами, требующаяся для создания нанопроцессоров и других наномашин, представлялась чистой фантазией, то на слушаниях в сенате Дрекслер опирался на уже имеющиеся достижения.
Речь его поразила слушателей трезвостью и даже сухостью. Законодатели узнали, что, передвигая атом за атомом, можно построить машину и что подобные приемы молекулярного машиностроения обещают со временем превратиться в такую технологию, которая окажется надежнее и действеннее всех нынешних технологий. А чтобы задеть национальную гордость и воззвать к духу соперничества, Дрекслер сообщил, что японцы уже ассигновали солидные суммы на исследования манипуляций с одиночными атомами.
Обдумав услышанное, Гор поддержал Дрекслера. Была создана группа лоббистов нанотехнологии, причем термин "нанотехнология" тогда понимался в единственном числе — как технология манипулирования отдельными атомами. Тем временем — Дрекслер правду говорил — японское правительство уже финансировало программу исследований, в ходе которой японцы должны были научиться манипулировать атомами и тем самым обеспечить будущее своей микроэлектронной промышленности.
В ноябре 1992 г. Билл Клинтон был избран президентом, Ал Гор — вице-президентом. Заботы о новых технологиях Клинтон возложил именно на Гора. Казалось бы, лоббисты нанотехнологии обречены на успех.
Как родилась наномода
Под руководством Гора была предпринята реорганизация научно-исследовательских работ в США с резким увеличением их финансирования из государственного бюджета. Разумеется, это вызвало интерес предприимчивых людей, которые не обошли вниманием и нанотехнологию. Правда, заниматься молекулярным конструированием они не хотели. Для них гораздо проще было добиться подмены восходящей нанотехнологии, пропагандировавшейся Дрекслером, нанотехнологиями нисходящими, которых при желании можно было придумать множество.
Промышленное лобби нашло своего глашатая и стойкого приверженца в лице Майкла Роко, который с 1990 г. руководил отделом проектирования и разработок Национального фонда науки (NSF). Долгих пять лет он упорно воевал за право определять облик американских нанотехнологий. На его взгляд, нанотехнология в версии Дрекслера неосуществима. Нанотехнологии, считал Роко, объемлют все технологии миниатюризации, более или менее приближающиеся к шкале, измеряющей расстояния в нанометрах.
В 1995 г. Роко достиг решающей победы. По его почину было принято решение начать исследования наночастиц, а также наноматериалов, которые, быть может, удастся получить по ходу этих работ. Зеленый свет этой программе дал директор NSF Нил Лейн, который в 1998 г. стал советником Клинтона по науке.
В начале 1997 г. на связь с Роко вышел советник Клинтона по экономическим вопросам Том Калил. Его интересовали экономические выгоды от нанотехнологий. Калил помог Роко сформировать рабочую группу, которая за два года создала проект, вылившийся в Национальную нанотехнологическую инициативу (NNI). Президент Клинтон официально объявил об этой программе в январе 2000 г. В первых строках перечня научных тем, за которые бралась NNI, числились микроэлектроника, материаловедение, биотехнологии (их, правда, перекрестили по этому случаю в нанобиотехнологии). Манипулирование атомами, молекулярная электроника и опытные образцы молекуломашин были сброшены в самые нижние строки, в подвал списка, и фактически остались за бортом финансирования.
Наномода в Европе
Появление NNI вызвало моду на нанотехнологии в целом мире. Как вспоминает французский физик, директор по исследованиям Национального центра научных исследований (CNRS) Кристиан Жоаким, Европейская комиссия в Брюсселе и европейские страны кинулись в свои архивы: а вдруг там, в куче документов, скопившихся за 1990-е годы, отыщется что-либо, укладывающееся в рамки определения, провозглашенного NNI? Разумеется, нашлось немало бумаг и про новые материалы, и про микроэлектронику, и про миниатюризацию. Эти направления научных исследований быстро выдвинулись, точнее, были выдвинуты на передовую.
Самые проворные из европейских исследователей воспользовались случаем и успешно выбивали дополнительное финансирование. Если какая-то европейская лаборатория микроэлектроники или микротехнологии опасалась за свое будущее, понимая, что источники финансирования могут иссякнуть, она объявляла себя центром нанотехнологии, и этого оказывалось достаточно, чтобы все устраивалось самым лучшим образом. Отстававшей от жизни химической лаборатории в Германии, Швейцарии или Франции довольно было прибавить к своему названию приставку "нано", чтобы вернуть себе былое благоденствие. А если лаборатории, изучавшей или создававшей новые материалы, требовалось новое оборудование, она получала кредиты и гранты под проект, в названии которого упоминались "наноисследования".
"Все пошло так, как в США. Возникло целое сообщество ученых (дабы получать кредиты и гранты, желательно, чтобы просителей денег было побольше), которые объявили себя представителями "нанонауки" и которые, в сущности, закрепили импортированное из США определение новой научной области, — говорит Кристиан Жоаким. — Успешные — прежде всего как способ выбивания денег — общенациональные французские нанотехнологические программы под копирку переписывали громоздкую американскую тематику: ярлык "миниатюризация" для микроэлектронной промышленности, ярлык "наноматериалы" для сообщества французских химиков, ну и ярлык "биотехнология". Эти темы стали общемировыми".
Европейская комиссия даже обзавелась собственной обширной программой, осуществление которой, под названием "Нанотехнологии, материалы и процессы" (NMP), началось в 2002 г. Эта программа покрыла все поле материаловедения, но не удостоила хотя бы строчкой манипуляции с атомами и молекулами.
Наноитоги
И все же исследования в восходящем направлении не были похоронены. В конце 2006 г. в ЕС была принята программа "Информационно-коммуникативные технологии" (ICT), в которой впервые из всех программ, сформулированных Еврокомиссией, говорилось о манипулировании атомами и использовании одиночных молекул. Работы в этом направлении не прекращались ни в США, ни в Японии. Другое дело, что скорость развития восходящей нанотехнологии получилась гораздо ниже, чем могла бы быть при более благоприятных условиях.
В 2016 г. были окончательно посрамлены все те, кто заявлял о невозможности создания молекулярных машин. Нобелевской премии по химии именно с формулировкой "за проектирование и синтез молекулярных машин" были удостоены американец Фрейзер Стоддарт (р. в 1942), француз Жан-Пьер Соваж (р. в 1944) и нидерландец Бернард Феринга (р. в 1951).
Символично (но совершенно не удивительно), что Жан-Пьер Соваж получил степень доктора философии под руководством Жан-Мари Лена, который стал нобелевским лауреатом в 1987 г. Около 30 лет, с 1979-го по 2009-й, Жан-Пьер Соваж был директором по исследованиям CNRS.
Соваж сделал первый шаг к созданию наноавтомобилей — в 1983 г. он научился вдевать одну кольцевую молекулу в другую и таким образом конструировать наноколеса. Для вращения наноколес не требуется никаких спиц, втулок и смазок — их роль с успехом выполняют силы химических связей и законы микромира. Но Соваж не только изобрел наноколеса, а еще и придумал технологию их массового производства. Далее, в 1994 г. он научился управлять наноколесом (приводить его во вращение, добавлять обороты), подводя к нему энергию. А в 2000 г. группа Соважа совершила прорыв в другом направлении — сконструировала из молекул эластичную структуру, которая напоминает волокна человеческих мышц.
Фрейзер Стоддарт сделал второй важнейший шаг к созданию наноавтомобилей — в 1991 г. сконструировал ротаксан. Это молекулярное кольцо на тонкой молекулярной оси, способное не только вращаться вокруг нее, но и двигаться вдоль нее. С 1994 г. группа Стоддарта, используя различные ротаксаны, построила множество молекулярных машин. Среди самых удивительных можно назвать сконструированный в 2004 г. нанолифт, способный поднять себя над поверхностью на высоту своего роста, и созданную в 2005 г. искусственную мышцу, которая двигается благодаря ротаксанам, сгибающим очень тонкую золотую пластинку. В партнерстве с другими исследователями Стоддарт также разработал на основе ротаксана компьютерный чип с памятью 20 кбайт, по сравнению с которым даже самые крошечные транзисторы современных компьютерных чипов выглядят подлинными гигантами. И не исключено, что молекулярные компьютерные чипы так же революционизируют IT-отрасль, как это сделали в свое время транзисторы на основе кремния.
Бернард Феринга в 1999 г. изобрел молекулярный мотор, способный вращаться в заданном направлении. В 2014 г. группа Феринги довела скорость двигателя до 12 млн оборотов в секунду. Эта же группа в 2011 г. создала четырехколесный наноавтомобиль. Его колеса, скрепленные молекулярным шасси, служат также и двигателями. Еще один рекорд группы Феринги — она сумела с помощью молекулярных моторов вращать стеклянный цилиндр, по размеру превосходящий сами моторы в 10 тыс. раз.
28–29 апреля 2017 г. CNRS организует в Тулузе Nanocar Race — первую международную гонку молекулярных автомобилей. Соревнование будет транслироваться в прямом эфире. Помимо французов в гонке примут участие австрийцы, американцы, немцы, швейцарцы и японцы.
А как в Украине
В Украине есть и химики, и физики, способные создавать молекулярные машины. Есть даже и необходимое оборудование.
Что касается химиков, то, например, в Одессе в Физико-химическом институте им. Алексея Богатского НАН Украины над этой темой работали член-корреспондент НАНУ Николай Лукьяненко и его ученики — доктор химических наук Татьяна Кириченко и кандидат химических наук Александр Ляпунов. Они внесли вклад в дизайн и синтез молекулярных машин на основе краун-эфиров, синтезировали и изучили новые типы супрамолекулярных машин, которые могут менять окраску при молекулярных движениях.
Этот же институт и ряд других институтов НАНУ и украинских вузов в 2005–2012 гг. участвовали в большом европейском исследовательском проекте SupraChem. Кроме совместных научных исследований, в рамках этого проекта в Киеве, Одессе, Харькове и Львове был проведен ряд научных конференций, семинаров, школ, на которых выступали с докладами нобелевские лауреаты Жан-Мари Лен и Жан-Пьер Соваж как соучастники SupraChem. Жан-Мари Лен был избран иностранным членом НАНУ, удостоен звания почетного доктора Киевского национального университета им. Тараса Шевченко и Национального университета "Львовская политехника".
Что касается физиков, то дорогой сканирующий зондовый микроскоп производства США еще в 1998 г. появился в Киеве, в Институте физики полупроводников им. Вадима Лашкарева НАН Украины. Он был приобретен на средства, выделенные для выполнения одной из государственных научно-технических программ. С помощью лазерного пинцета можно перемещать атомы с места на место и таким образом заниматься атомным конструированием. Создан центр коллективного пользования этим прибором.
Однако, несмотря на все это, для украинских физиков и химиков конструирование молекулярных машин — почти недоступное удовольствие. По той простой причине, что оно не вошло в число приоритетов целевой комплексной программы фундаментальных исследований НАНУ "Фундаментальные проблемы наноструктурных систем, наноматериалов, нанотехнологий" на 2010–2014 гг. и ее продолжения — программы "Фундаментальные проблемы создания новых наноматериалов и нанотехнологий" на 2015–2019 гг.
В этих программах основное внимание было уделено нанотехнологиям нисходящего направления или вообще проектам, имеющим к нанонауке лишь косвенное отношение. Впрочем, не стоит в этом винить НАНУ: она выбивает деньги так, как умеет. Украинские политики зачастую в науке не разбираются, но моду на нанотехнологии от западных коллег (таких же профанов) переняли. Вот и впихивает НАНУ в свои программы все, к чему можно прикрепить ярлык "наноисследований".
При этом политики привыкли требовать скорой отдачи в виде технологий и материалов, которые можно применить в промышленности, строительстве, других отраслях экономики. Атомное конструирование и молекулярные машины — это явно не то, что обещает практические применения в ближайшие несколько лет. А дальше наши политики заглядывать не умеют.
