Молекулярные машины

Юрий Свидиненко

Хакер, номер #088, стр. 088-042-2

[запчасти из атомного ЛЕГО]

Любой девайс, кроме ложки, вилки и гири, состоит из запчастей. Это — аксиома. Так что даже самый простой электромеханический робот размерами с эритроцит должен содержать в себе уйму всяких деталек. Чтобы впихнуть в робота и мозги, и манипуляторы, и даже простенькую систему навигации, нужно будет здорово постараться, а именно: все его части будут сделаны с атомарной точностью, то есть при конструировании деталей надо сперва разработать атомный чертеж, по которому в будущем будут собирать отдельные части роботов.

Сейчас этой довольно хитрой наукой занимается целое направление в молекулярной химии и нанотехнологии. Называется оно «математическое моделирование наноструктур и наносистем».

Говоря проще, ученые рисуют в специальных прогах модели подшипников, двигателей, манипуляторов, компьютеров, состоящие из отдельных атомов. А проги сами их проверяют на достоверность и рисуют модель того, что получилось, то есть показывают, как будет выглядеть та или иная деталь под атомно-силовым или электронным микроскопом.

Труд этот очень нудный и долгий. Иные запчасти состоят из нескольких тысяч атомов, каждый из которых нужно «впихнуть» на ему полагающееся место. При этом нельзя забывать о таблице Менделеева: атомы могут соединяться друг с другом только в определенном количестве. Например, углерод в органике имеет валентность 4. Это означает, что к нему можно присобачить только 4 других атома одинарной химической ковалентной связью.

Конструирование даже самого простого подшипника - еще тот пазл. Даже если выстроить атомы так, как нам завещал великий Менделеев, то при проверке их прогой на достоверность может оказаться, что в реале деталь будет другой формы! То есть делали мы круглый подшипник, а он вдруг начинает съеживаться и превращаться в нечто бесформенное. Такие «волшебства» связаны с тем, что любая атомная структура принимает в пространстве такую форму, чтобы минимизировать свою поверхностную энергию. Вот и выходит: собирал целый день подшипник или простой стержень, а он развались.

Но, несмотря на эти трудности, уже создан внушительный каталог разных молекулярных машин. На первый взгляд это занятие кажется бессмысленным: зачем рассчитывать такие структуры, когда их пока невозможно сделать? История развития таких исследований показала, что, когда появляются нужные инструменты, много времени тратится на возню с прототипами, которые делают методом проб и ошибок. Поэтому разрабатывать принципиально рабочие схемы надо уже сегодня, чтобы через 10 лет не тратить время на всякие эксперименты, а сразу запустить руку в обширный каталог запчастей и сварганить, к примеру, нанокомпьютера или наноробота попроще.

Вот, к примеру, простая модель – обычный подшипник, который часто и густо используют в разных механизмах. Главное отличие наноподшипника от обычного – то, что он состоит только из двух частей: внутренней и внешней. Так что круглых красивых шариков, которыми мы стреляли в детстве из рогатки, ты там не увидишь – сила трения атомных оболочек настолько мала, что он будет сам вращаться даже от теплового движения молекул при комнатной температуре!