Создание «умной пыли» – это комбинирование электрохимического процесса механической обработки и химических модификаций. Берется кремниевый чип, из которого химикатами получается пористая фотонная структура. Затем эта структура модифицируется, чтобы получилось цветное двустороннее зеркало: красное с одной стороны, зеленое – с другой. Стороны пористой зеркальной поверхности ученые наделили практически противоположными свойствами. Одна – гидрофоб, то есть водоотталкивающая, но «любящая» маслянистые вещества, другая – гидрофил, привлекательная для воды. При появлении воды пылинки начинаются поворачиваться «гидрофилической» красной стороной к воде, а зеленой «гидрофобической» – к воздуху. Когда же появляется маслянистое (нерастворимое в воде) вещество, частички окружают каплю, прижимаясь к ней «гидрофобической» стороной. А поскольку стороны разноцветные, то по окраске можно определить, что творится в такой «пыльной» среде. И это лишь один из вариантов. Частицы могут быть запрограммированы на миллионы всевозможных реакций, что дает возможность обнаружить присутствие тысяч химикалий одновременно. Длины волн света, отраженного от поверхностей пылинок после того как поры отреагируют на химического или биологического агента, станут своего рода штрих-кодом, который можно считать с помощью специального сканера. В то время как каждая частичка слишком мала, чтобы по ее цвету определить изменения, коллектив из сотен или тысяч пылинок уже достаточно «заметен» для лазера.
На похожем принципе действуют «квантовые точки», которые разрабатываются учеными из Департамента биомедицинской инженерии, созданного совместно Американским университетом Эмори и Технологическим институтом Джорджии.
«Квантовые точки» – это кристаллы полупроводников нанометрового размера, которые имеют уникальные химические и физические свойства, не характерные для тех же веществ в макромасштабе.
«Если вы дробите леденец на две части, каждая часть будет всё еще сладкой. Но если вы продолжите дробление, пока не достигаете масштаба нанометров, полученные части будут отличными по вкусу и обладать разными свойствам, – объясняет Шумин Не, профессор, занимающийся этими исследованиями. – Например, крупинки золота нанометрового масштаба не желтые, а красные. Но нас интересует другое свойство, характерное именно для нанокристаллов полупроводников. Это интенсивная люминесценция в ответ на облучение с определенной частотой».
Именно ее ученые и используют для нахождения и визуализации различных опухолей. Дело в том, что опухоли выращивают дополнительные кровеносные сосуды, и система этих сосудов очень пористая и разветвленная, что позволяет микроскопическим кристалликам в ней накапливаться.
«Квантовые точки» могут быть химически связаны с биологическими молекулами типа антител, пептидов, белков или ДНК. И эти комплексы могут быть спроектированы так, чтобы обнаруживать другие молекулы, типичные для поверхности раковых клеток.
Пока коллеги занимаются созданием «умной пыли» и «квантовых точек», группа Джеймса Тура из Техасского университета имени Райса создала самый маленький в мире действующий автомобиль – он состоит из трех сотен атомов, собранных в одну сложную молекулу. Ширина автомобиля – 4 нанометра. Он имеет раму и оси, а каждое его колесо – это бакиболл, то есть сфера из 60 атомов углерода. Конкуренты уже представляли объекты нанометрового масштаба, напоминающие внешне автомобили, однако Тур первым добился того, чтобы его молекулярная конструкция действительно катилась по поверхности подобно тому, как катятся автомобили на своих колесах. При этом ученые использовали сканирующий туннельный микроскоп, чтобы увидеть свое творение и доказать, что оно действительно катится.
Джеймс Тур надеется, что в самое ближайшее время ему удастся создать наногрузовики, которые могли бы транспортировать на себе молекулы к конвейерам нанофабрик, где будут собираться объекты микроскопических размеров…
Описанные выше достижения («умная пыль», «квантовые точки», наноавтомобиль) – лишь первый шаг на длинном и тернистом пути. Как же будут выглядеть нанотехнологии будущего? Перспективы впечатляют…
Десятки нанороботов под управлением нанокомпьютеров соберут нанозаводы, способные, следуя внешним или собственным программам, собирать из отдельных атомов другие наномашины. А отсюда вытекают интересные возможности: если один самовоспроизводящийся ассемблер способен сделать свою копию, то его можно запрограммировать так, чтобы он построил что-нибудь еще своего размера с той же скоростью. Значит, тонна ассемблеров сможет быстро построить тонну чего-нибудь еще.