среда, 5 мая 2010 г.

В преддверии наношока

В ближайшие дней 10 я не смогу уделять блогу достаточного внимания. Поэтому действительно свежих, только что написанных текстов пока не будет (или почти не будет), будут "долгоиграющие" статьи прошлых лет. 


Самосборка - «собрать самого себя»?

Самосборка – слово интригующее. Прежде всего, некоторой своей неоднозначностью. Как прикажете его понимать? Как описывающее нечто, собирающее само себя, или как собирающееся само по себе?


Первый вариант тут же напоминает о бароне Мюнхаузене, вытаскивающем самого себя из болота за волосы. Да еще вместе с конем. Ясное дело (в школе учили!), здесь фундаментальные законы природы нарушаются, и потому такого не может быть. Можно сформулировать это в более серьезной, - но и более скучной, - форме: в замкнутой системе самосборка невозможна. Она обязательно должна поддерживаться какими-то внешними силами, т.е. система с самосборкой обязана быть открытой.


Ну, а второй вариант? Здесь приходит на ум дурак Емеля. Лежит он на печи, смотрит в окно на кирпичи, и произносит заклинание: «По щучьему велению, по моему хотению, кирпичи, сложитесь в штабеля!» И тут кирпичи начинают «сами собой» прыгать и укладываться в аккуратные штабеля. Нарушаются ли здесь законы природы? Нет!! Хотя кому-то это утверждение может показаться странным.


Когда маленькому Эйнштейну дали в руки компас, он повертел его так и этак, и произнес первую в своей жизни длинную фразу: «Я думаю, что вокруг стрелки есть что-то, что заставляет ее поворачиваться». Если бы он увидел Емелины кирпичи, он бы тоже нашел что сказать – что-нибудь в том же духе.



Самосборка кристаллов


Можно привести очень простые, и даже понятные, примеры самосборки. Перед началом игры в биллиард шары надо сложить в пирамидку. Тот, кто попытается сделать это руками, будет глубоко разочарован результатом: расползаются шары, как мухи. Будто они – живые. Но если положить на стол треугольный такой деревянный «заборчик», и просто высыпать шары в огороженное им пространство, они вмиг построятся в пирамидку. Сами собой, как кирпичи у Емели. Потому что им больше некуда деваться. Шары толкаются и ищут себе место, в котором сумма действующих ни них сил была бы равна нулю. То есть такое, в котором выполнено, выражаясь языком учебника физики, условие равновесия для материальной точки. Найдя такое место, они успокаиваются.


Какие силы действуют на шар в загородке? Сила тяжести, сила реакции стола, сила реакции загородки при столкновении шара с ней, и силы взаимодействия с соседними шарами. Все. Или приблизительно все. Меняя размер стороны ограждающего треугольника, можно добиться такого положения дел, когда требуемое место для каждого шара, во-первых, будет существовать, а во-вторых – окажется единственным, а это – как раз то, что требовалось. Вот уж поистине: ловкость рук, и никакого волшебства! Теперь наши шары, мгновенно построившись, стоят, как вкопанные. Разбивайте.


Можно предложить еще один пример с теми же шарами. Насыплем шары в ящик. Если дело происходит в космическом корабле в состоянии невесомости, шары свободно плавают в пространстве ящика, беспорядочно сталкиваются друг с другом и со стенками ящика, и в результате равномерно заполняют его объем. Никакого порядка нет. Если же ящик находится на поверхности Земли, на шары действует притяжение Земли, они падают на дно ящика и распределяются там, скатываясь в «самое нижнее» из всех доступных мест. В их расположении друг относительно друга уже наблюдается хорошо заметный порядок, а если ящик к тому же еще и потрясти, они образуют правильную структуру – так называемую гексагональную плотную упаковку, - в которой каждый шар расположен в вершине правильного шестиугольника и имеет ровно 12 соседей. 


Конечно, атом – не шар. Однако существует некий обобщенный язык, на котором поведение шаров в ящике и поведение кристаллизующихся атомов (или молекул) описывается примерно одинаково. Каждый атом «чувствует» на себе действие внешнего поля (т.е., внешних сил) и поля, создаваемого всеми остальными атомами. Это суммарное поле неоднородно, у различных его точек разные свойства. В нем есть как бы «ямки» - точки локальных минимумов потенциальной энергии атома. В них-то преимущественно и оседают атомы при кристаллизации.



Разнообразие «ящиков»


В 1990 г. В. Кречмер и Д. Хафман с коллегами из института ядерной физики в г. Гейдельберге (Германия) предложили промышленный способ получения твердых кристаллических фуллеренов (сфероподобных молекул углерода, построенных из очень многих атомов, в простейшем случае из 60) путем их осаждения из паров графита электрической дуги в атмосфере гелия. Интересна роль гелия в этом процессе: его атомы при столкновениях с углеродными фрагментами эффективно гасят их колебания, препятствующие формированию фуллеренов. Если проводить здесь аналогию с шарами в ящике, то гелий, по-видимому, играет роль ящика, ограничивающего свободу движения шаров.


Американский исследователь Ритеш Агарвал и его коллеги из Пенсильванского университета разработали новый тип элемента компьютерной памяти - нанопровод из GeSbTe, обратимо меняющий фазовое состояние с переходом из аморфного состояния в кристаллическое и обратно. Он был изготовлен без литографического процесса (суть литографии в том, что полупроводниковые схемы или их элементы печатают примерно так же, как печатают фотографии). Исследователи применили кристаллизацию исходного вещества при низких температурах, в присутствии металлических катализаторов нанометровых размеров. Исследователи не сообщают, какие именно катализаторы – это их ноу-хау, однако понятно, что они-то и являются «ящиком», направляющим процесс самосборки. В итоге на поверхности кремниевого субстрата самопроизвольно образуются линейные фрагменты GeSbTe длиной в несколько микронов и диаметром 30-50 нм, что соответствует размеру приблизительно 100 атомов. В ходе дальнейших экспериментов были изучены свойства полученного наноматериала. Оказалось, что он обладает уникальными свойствами для записи и хранения информации. Плотность хранения данных в этих материалах такова, что позволит вместить в стандартные модули памяти терабайты данных.


А вот целый «конвейер из ящиков». Корейские исследователи сообщили, что ими разработана методика получения высокоанизотропных магнитных структур из наночастиц кобальта, основанная на самосборке этих частиц в магнитном поле. Сферические кобальтовые наночастицы синтезированы ими при разложении Co2(CO)8 в присутствии некого поверхностно активного вещества (опять ноу-хау). Их диаметр составлял около 10 нм. Здесь это неназываемое ПАВ, по-видимому, тоже играет роль «ящика». Далее частицы были растворены (коллоидный раствор) в нонане (это такой органический растворитель – предельный углеводород с формулой С9H20) и нанесены на кремниевую подложку, помещенную в перпендикулярное магнитное поле. При испарении растворителя на подложке сформировались вытянутые стержни, собранные из наночастиц. В поле 2400 Э (Эрстед – единица измерения напряженности магнитного поля) толщина образующихся стержней составляет около 130 нм, а длина около 450 нм. Теперь уже магнитное поле (совместно с растворителем) послужило «ящиком». Почему «совместно с растворителем»? Да потому, что оказалось, что размеры и их соотношение можно регулировать путем варьирования магнитного поля и начальной концентрации коллоидного раствора.


Нет проблем «натащить» в статью такого рода еще примеры, и их число с течением времени только возрастает. Но и этих достаточно, чтобы понять: природа «ящиков» может быть чрезвычайно, фантастически разнообразной. И, кстати, почему это мы сосредоточились на «ящиках»? Они, безусловно, разнообразны, но не менее разнообразны и «шары». Вообще, это разные атомы и молекулы, с разнообразной формой, от которой тоже зависит формирующаяся из них структура. Понятно, что разнообразие нанообъектов огромно. Займемся теперь другими вещами.



Живые кристаллы

Наверное, первыми нанообъектами, с которыми столкнулся в своей практике человек – это вирусы. Их размеры колеблются в диапазоне от 20 до 300 нм – самые настоящие наноструктуры. Есть такое вирусное заболевание растений – табачная мозаика. Геометрическая структура его вируса хорошо просматривается на электронных микрофотографиях и легко поддается реконструкции. Вы ее видите на Рис.1. Она проста: ее геном, представляющий собой одну нить РНК (рибонуклеиновой кислоты), свернут в винтовую линию, к которой прикреплены молекулы белка. Они образуют капсид (оболочку) вируса. Не надо ничего объяснять – один только вид вируса табачной мозаики наводит на мысль о кристалле. Вирусы – это скорее вещество, чем существо.


Рис. 1

Инфекционный процесс начинается, когда проникшие в клетку вирусы начинают размножаться, то есть происходит редупликация вирусного генома, синтез вирусных белков и самосборка капсида. Как только в клетке-хозяине появляются субъединицы вируса, они сразу же проявляют способность к самосборке в целый вирус. Безусловно, в клетке-хозяине есть факторы, обеспечивающие этот процесс. Этот фактор – кислотность среды. Простым сдвигом показателя кислотности среды частицы вируса табачной мозаики можно заставить самособираться и саморазбираться. Это к вопросу о так называемых наноассемблерах и дизассемблерах – этаких «наномашинах», занимающихся сборкой и разборкой нанообъектов. Автору этих строк представления о таких «наномашинах» кажутся наивными, хотя бытуют они широко.


Рис. 2

А вот уж точно – (Рис.2) существо. Гладиолус. Его цветки расположены на стебле в правильном порядке, и этим порядком они тоже напоминают кристалл. Как возникла эта форма? Речь не идет об эволюции, речь идет об индивидуальном морфогенезе (формообразовании). 50 лет тому назад об этом можно было разве что строить гипотезы, но сегодняшняя наука уже вплотную приближается к тому, чтобы давать ответы на такие вопросы.


А начинались их поиски как раз с самосборки вирусов. В 1969 году журнал «Успехи физических наук» опубликовал статью выдающегося советского биофизика Семена Бреслера «Проблемы биофизики». В ней есть главка «Морфогенез», в которой как раз и затрагивались обсуждаемые проблемы. В частности, речь шла о самосборке бактериофага Т2, поражающего кишечную палочку – рядового обитателя любого кишечника. Его схематическое изображение показано на Рис.3. 



Рис. 3 

Справа показано, как происходит инфицирование: вирус впрыскивает свою ДНК в клетку. Довольно сложная у него структура, гораздо сложнее структуры вируса табачной мозаики, приводящая в недоумение относительно того, как это можно получить с помощью самосборки, похожей на кристаллизацию. Процесс самосборки этого фага также хорошо изучен, однако он довольно сложен, и вряд ли целесообразно на нем останавливаться. Он включает в себя не только «детали» самого вируса, но и не входящие в состав вируса белки, которые он синтезирует для самосборки. Я хотел бы обратить внимание читателя на то, что в процессе самосборки Т2, хотя никаких кристаллов и не образуется, порядок все же возникает. Он возникает в виде функциональности находящихся в собранном состоянии вирусов.


Один из великих физиков ХХ века – Эрвин Шредингер – написал когда-то небольшую книгу: «Что такое жизнь с точки зрения физика?» В ней он отстаивал мысль, что живой организм по своей упорядоченности (функциональной, разумеется) вполне подобен кристаллу. Я не знаю, было ли известно Шредингеру слово «самосборка» (скорее всего, - нет), но когда я смотрю на заживающую на ладони царапину, я представляю себе, как некие очень сложные молекулы корчатся на ее поверхности, выискивая себе подходящее место, подобно шарам на дне ящика. А "корчиться" их заставляет тепловое движение.

P.S.: Статья была ниписана пару лет тому назад для Украинской технческой газеты как часть научно-популярного цикла "В преддверии шока", однако редакция сочла ее для газеты сложноватой. Не спорю. Картинки, конечно, "тянутые". Мне очень стыдно, стою, потупив очи... 

Тэги: самосборка, открытая система, потенциальная энергия, минимум, кристалл, вирус

Комментариев нет:

Rambler's Top100 Полный анализ сайта Всё для Blogger(а) на Blogspot(е)! Закладки Google Закладки Google Закладки Google Delicious Memori БобрДобр Мистер Вонг Мое место 100 Закладок