Юный техник, 2007 № 05

Знакомьтесь: клэйтроника

Мы не раз рассказывали, как наши нанотехнологи создают устройства, которые бы собирали любую вещь или конструкцию из атомов и молекул. Сегодня рассказ о том, как проблему пытаются решить специалисты всемирно известной компании Intel, продемонстрировавшие недавно в Сан-Франциско свои последние разработки. Одна из самых интересных — первые механизмы-организмы на базе так называемой клэйтроники.

Сама идея не нова. Вспомним, например, как братья Стругацкие в повести «Попытка к бегству» описывают Яйцо, из которого за несколько часов «вылупился» глайдер-антиграв «Кузнечик» — «надежная шестиместная машина, очень популярная у десантников и следопытов». «Он стоял на краю громадной ямы-проталины, откуда поднимался густой пар, и гладкие борта его были еще теплыми, а в кабине было даже жарко».

Недавно даже такой серьезный научный журнал, как Nature, опубликовал статью, где красочно расписывается распространение нанороботов к 2100 году. Даже дома перестанут строить. Подъедет грузовик, из его кузова выгрузят «механозародыш». А дальше как бы сам собой вырастет коттедж, электростанция или даже целый завод. Все зависит от программы, заложенной в этот самый «зародыш».

Более того, в США уже зарегистрированы десятки фирм и исследовательских групп, которые пытаются найти ключ к давней мечте человечества, хорошо знакомой всем нам по сказке о Емеле и щучьем велении.

Об успехах многих из них пока не слышно. Но Intel публично продемонстрировала прототипы элементарных «кирпичиков» программируемой материи. Назвали это направление почему-то клэйтроникой (clay по-английски — глина).

Идея, лежащая в основе концепции, заключается в следующем. Специалисты Intel пытаются создать специальные искусственные «клатомы» — крошечные наноавтоматы. Они должны каким-то образом произвольно прицепляться и отсоединяться, перемещать себя друг относительно друга и — что немаловажно — обмениваться информацией о том, что им предстоит сделать.

Специалисты из Университета Карнеги-Меллона, с которыми сотрудничает Intel, показали с десяток разных опытных моделей клатомов, выполненных пока еще в достаточно большом масштабе. На них идет отработка первых этапов этой технологии. Пока что модельки, оснащенные электромагнитами, которые служат и для соединения, и для перемещения клатомов, ползают по столу и неким образом взаимодействуют между собой в очень примитивных вариантах — не больше 2–3 клатомов в одной «бригаде».

Прототипы будущих моделей наномеханизмов. Как видите, все они еще довольно внушительных размеров.

Правда, сами создатели этих микромашин полны оптимизма и показали ролик, иллюстрирующий поведение большой системы, на которой отрабатывается технология управления миллионами клатомов.

Сложность ведь не только в том, чтобы создать отдельные элементы и миниатюризировать их, нужно еще заставить их по сигналу извне совершать осмысленные действия в условиях, когда даже координаты отдельных клатомов толком неизвестны.

Специалисты надеются решить эту проблему, разработав принципиально новые управляющие системы, которые будут работать по псевдослучайному принципу, когда в массиве атомов случайным образом перемещаются незаполненные «дырки», коррекция движений которых осуществляется по вероятностному принципу. Показано было и то, как создатели клатомов намерены их производить в массовом количестве. Сначала с помощью более или менее стандартного литографического процесса «вытравливается» плоский рисунок — своеобразная «развертка» робота, а затем из нее «склеивается» особыми способами его объемный прототип.

Все это довольно любопытно, но многие специалисты справедливо указывают, что от первых экспериментов до создания настоящего, реально работающего Яйца еще далеко. Не случайно журнал Nature отводит на внедрение этой технологии без малого сто лет. Возможно, специалистам снова — в который уже раз?! — способна помочь природа.

Есть идеи получать клатомы аналогично тому, как природа строит вирусы и микробы. При помощи последних достижений генной инженерии можно создать некие псевдоорганизмы, которые будут не только выполнять определенные действия, но и окажутся способны к размножению. Но и здесь пока еще исследователи в самом начале пути.

Публикацию подготовил А. ПЕТРОВ

* * *

ПРИМЕТЫ БУДУЩЕГО

Вирусы-монтажники?

В Массачусетском технологическом институте проведена серия экспериментов с вирусами, которые, возможно, приведут к глобальному перевороту в… микроэлектронике, сообщает журнал Scientific American.

Началось все с того, что специалист по материаловедению Анджела Белчер и ее коллеги попытались понять, как моллюск «морское ушко» строит свою поразительно прочную раковину. Ученые провели серию экспериментов и выяснили: «морское ушко» вырабатывает особые белки, которые заставляют молекулы карбоната кальция выстраиваться в две совершенно различные, но легко сочетаемые кристаллические структуры: одну прочную, а другую быстрорастущую.

По результатам своих исследований Белчер защитила диссертацию в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре и вскоре стала профессором Массачусетского технологического института (МТИ). Вот тогда она и решила заняться поиском или даже созданием биологических организмов, которые, подобно «морскому ушку», были бы способны строить из молекул, словно из кирпичиков, сложные структуры.

Анджела Белчер в лаборатории.

«В современной нанотехнологии такая стратегия называется самосборкой, — поясняет профессор Белчер. — Однако неповоротливое и медленно растущее «морское ушко» нас уже не устраивало. Нужен был маленький, гибкий и подвижный организм».

Испробовав немало вариантов, Белчер в конце концов остановила свой выбор на бактериофаге М13 — безвредном для человека вирусе, паразитирующем на бактериях. Его нитевидное тело состоит из единственной цепочки ДНК, окруженной 2700 молекулами одного белка по бокам и несколькими молекулами других белков на концах. Немалое значение для выбора играл и тот факт, что фаг можно конструировать из различных видов белков методами современной генной инженерии, получая миллиарды сочетаний. «Это был редкий случай, когда физики позаимствовали достижения биологов, — вспоминает А. Белчер. — Мне удалось всего за 300 долларов купить всю базу данных о разновидностях М13».

Биологи давно используют химическую избирательность фага М13 и его способность связываться с определенными органическими соединениями для идентификации проб неизвестных веществ. Белчер же показала, что вирус способен соединяться и с неорганическими молекулами, такими как металлы и полупроводники.

Чтобы заставить фаг связываться с нужными молекулами, исследователи обычно используют процесс так называемой направленной эволюции. Образец материала помещают в пробирку с миллиардами различных вирусов, потом промывают его и помещают в агрессивную среду (например, с повышенной кислотностью), чтобы удалить плохо прилипшие фаги. Оставшиеся на образце экземпляры М13 размножают, инфицируя ими бактерию-хозяина. В результате размножения появляются триллионы перспективных разновидностей фагов, которые используют на следующем этапе эволюции. Затем химический состав раствора изменяют, чтобы еще затруднить связывание фага с нужным веществом.

Ослабевшие вирусы снова смывают, а оставшиеся — размножаются. Затем процесс повторяется еще и еще раз во все более жестких условиях. Так после двух-трех недель дарвиновской эволюции из многих вариантов фага остается лишь самый цепкий — тот, который лучше всех сцепляется с данным материалом.

Вирусы М13 образуют золотые связи между органическими кристаллами.

Если в раствор, содержащий, например, ионы золота, поместить фаг с высокой избирательностью к этому металлу, то он вскоре покроет себя пленкой драгоценного металла и превратится в проволочку длиной 1 мкм, пригодную для соединения элементов микросхемы. Более того, такой вирус, соединяясь с себе подобными, образует сеть золотых микропроводников.

Впрочем, вирусы М13 способны самоорганизовываться в сложные структуры, покрывая себя не только золотом, но и иными веществами. Так, например, недавно А.Белчер смогла заставить фаги сформировать металлическую пленку площадью 10 кв. см и толщиной менее 1 мкм.

Сейчас А.Белчер и ее коллеги из МТИ Ет Мин Чианг, Паула Хэммонд и Ки Тэ Нам изготавливают из таких пленок электроды для сверхлегких литий-ионных аккумуляторов.

Схема получения литий-ионных аккумуляторов по новой технологии.

Катод можно сделать из листа специально выведенных фагов, покрывающих себя золотом для увеличения электропроводности и оксидом кобальта для обеспечения ионного обмена с электролитом батареи. Двухслойный электрод формируется самостоятельно на предварительно подготовленном полимерном электролите.

Теперь группа Белчер работает над получением фагов для выращивания анода. Кроме того, разработчики пытаются создать пленки с чередующимися на их поверхности положительными и отрицательными электродами, чтобы можно было соединять их последовательно и получать более высокое напряжение. Малая величина расстояний между электродами обеспечивает быстроту перезарядки аккумулятора, а также оптимальное использование компонентов. Таким батареям можно будет придавать любую форму, что позволит экономить место в самых разных устройствах. Особенно заинтересовалось этим обстоятельством министерство обороны США. Ведь современные самолеты и прочая военная техника содержат множество батарей электропитания. И снижение их веса, габаритов чрезвычайно важно для военных.

Фаги могут образовывать весьма необычные структуры.

У СОРОКИ НА ХВОСТЕ

КАК ЗВЕЗДА УТРОИЛАСЬ… Самая большая звезда галактики Млечный Путь, где находится наша планетарная система, на самом деле представляет собой три разных небесных объекта. К такому неожиданному выводу пришла международная группа астрономов во главе с испанцем Хесусом Маисом из Астрофизического института Андалусии.

Речь идет о звезде Писмис 24-1, расположенной в 8 тыс. световых лет от Земли, в созвездии Стрельца. Ранее предполагалось, что объект своей массой в несколько сот раз превышает массу Солнца и является самой большой звездой Млечного Пути. Однако благодаря результатам комплексного наблюдения с поверхности нашей планеты и космического телескопа «Хаббл» астрономы получили данные, опровергающие предыдущие догадки. Теперь полагают, что Писмис 24-1 состоит из одинарной и двойной звезд. Каждая из них в 70 раз больше Солнца, что и позволило этим объектам все же остаться в числе 25 самых крупных звезд Млечного Пути.

ОСЫ ПРОТИВ… ТЕРРОРИСТОВ. Именно насекомых в качестве своих помощников намерены использовать в ближайшем будущем немецкие специалисты. При этом они не намерены дрессировать их, приучая жалить террористов и прочих преступников в самые уязвимые места. Нет, эксперты думают использовать особенности крошечных насекомых, известных науке под именем «микроплитис кросейпес». Оказывается, эти близкие родственники обыкновенных ос обладают необычайно тонким нюхом и способны, если их натренировать, учуять запах взрывчатки за сотни, а то и тысячи метров.

МОТОЦИКЛ ИЗ ДЕРЕВА. Его создал байкер Иван Трофимов из Екатеринбурга. Подобно своему земляку Ивану Артамонову, который, как говорят, некогда построил в этих местах первый в мире велосипед, байкер изготовил свой мотоцикл из березовых дощечек, поставив всю конструкцию на колеса от обыкновенной деревенской телеги. Необычный агрегат, по словам очевидцев, привлекал внимание не только своим экзотичным внешним видом, но и страшным шумом во время движения.

ТЕРАСКАНЕРЫ ВИДЯТ ВЗРЫВЧАТКУ ИЗДАЛЕКА. Высокочувствительные сканеры, способные обнаруживать взрывчатку на расстоянии, размещены в комплексе зданий лондонского района Кэнери-Уорф. Данная система позволит выявлять взрывчатые вещества и их компоненты, включая жидкие, даже в том случае, если они будут упакованы.

Кэнери-Уорф выбран пионером для практического использования новой системы в связи с тем, что этот район, где размещены офисы ведущих мировых банков, является, по данным британских спецслужб, целью номер один для террористической организации «Аль-Каида».

Система обнаружения основана на использовании терагерцовых волн, или Т-волн, которые обеспечивают более детальное изображение, чем рентгеновские сканеры.

УДИВИТЕЛЬНО, НО ФАКТ!

А мальчик-то железный!

Еще одно занятие для робота нашли инженеры швейцарской фирмы R-Team. По заказу Федерации скачек на верблюдах (есть, оказывается, и такая) они разработали робота-наездника.

Дело в том, что обычно на верблюдов сажали малолетних наездников. Причем детей для этого специально выкупали, а то и выкрадывали из небогатых семей. В конце концов, слухи об этом криминальном бизнесе дошли до полиции, и в Объединенных Эмиратах недавно был принят закон, запрещающий использовать малолетних всадников. Между тем, скачки в странах Персидского залива сверхпопулярны, приносят баснословные прибыли, и отказаться от них непросто. Если же посадить на верблюда взрослого наездника, то перегруженный верблюд уже не может развить надлежащей скорости. Как показали соответствующие исследования, максимальный вес наездника — 45 кг.

И тогда швейцарцы создали робота-наездника K-MEL (от английского слова camel — верблюд). Его вместе с седлом прикрепляют ремнями на спину верблюда, дают ему в руки поводья и кнут, и — можно стартовать. Самим же наездником управляют с помощью переносного пульта. Он, послушно выполняя все команды, передаваемые по радио, направляет верблюда по трассе и даже подстегивает его, когда нужно. В результате верблюд развивает скорость до 60 км/ч. Правда, пока в рекордсмены ни один верблюд под управлением робота еще не вышел.

РАЗБЕРЕМСЯ, НЕ ТОРОПЯСЬ…

Снаряжение для невидимок

Говорят, американцы ухитрились создать какое-то устройство, способное сделать невидимым любого человека или предмет. Что вы знаете об этом? Есть ли подобные изобретения у нас?..

Алексей Петренко,

г. Краснодар

Мы уже рассказывали о попытках создать уникальные покрытия, которые бы делали людей и предметы невидимыми. Есть и новые сообщения на эту тему.

Американские ученые из Инженерной школы Пратта при Университете Дюка продемонстрировали свой вариант устройства. Оно представляет собой цилиндр диаметром около 13 см, состоящий из так называемого метаматериала.

Как утверждает автор изобретения физик Дэвид Шуриг, электромагнитные волны огибают цилиндр, и он остается невидим для радаров. Впрочем, более тщательное ознакомление с устройством позволило выявить следующее. Пока этот прибор обеспечивает невидимость только для радаров определенной длины волны и одной проекции — виде сверху.

Подобную разработку недавно продемонстрировали и британские исследователи. Они разработали «плащ для невидимок», позволяющий стать не заметным, опять-таки, для радаров. Ученые из Лондонского имперского колледжа заявляют, что их невидимая накидка изготовлена также из метаматериалов.

Материал сможет изгибать в любом направлении потоки электромагнитных волн, и волны, подобно воде, обходящей камень в реке, будут обтекать этот материал, создавая иллюзию невидимости…

Что же все-таки за материалы используют исследователи? Их состав не разглашается — военная тайна. Но о неких общих принципах создания таких материалов мы уже можем рассказать.

Известно, что любой материал, кроме достоинств, имеет и свои недостатки. Например, искусственный камень — бетон — хорошо работает на сжатие, но быстро разрушается при растяжении. Поэтому на практике в бетонные конструкции часто вставляют металлические стержни — получается железобетон, представляющий собой один из примеров композита. Сталь хорошо противостоит растяжению, но подвержена ржавлению. Чтобы избежать коррозии, в металл при плавке добавляют различные легирующие добавки. А само железобетонное изделие могут покрыть еще и антикоррозийной краской…

Таким образом, метаматериал — это композит нового поколения, в котором перестройка структуры осуществляется не только на макро-, но и на микроуровне. То есть, говоря совсем уж попросту, в тесто перед выпечкой булки не только добавили изюм, но еще и заранее сделали сладким.

Понятно, что сдобная булочка дороже обычного хлеба. Метаматериалы тоже получаются весьма дорогими. Тем более что в некоторых в качестве составляющих используются драгоценные и редкие элементы.

Электромагнитные волны огибают цилиндр, и он становится невидимым.

Это заставляет задуматься: нет ли более простого пути?