«...кратчайшее выражение смысла жизни может быть таким: мир движется и совершенствуется. Главная задача – внести вклад в то движение, подчиниться ему и сотрудничать с ним.»
Л.Н.Толстой
Предположим, что есть наноконструктор, состоящий из нескольких тысяч атомов разного вида. Что с его помощью можно собрать? На автомобиль или домик в деревне такого количества атомов, увы, не хватит. Зато можно с упоением собирать всевозможные молекулы различной формы: кольцеобразные (например, бензол), вытянутые (алканы) сферические («фуллерены»)... Скучно. Особенно, если хочется автомобиль. Впрочем, автомобили собирают из всевозможных дисков, шестеренок, цилиндров, поршней, и прочих деталей, которых в нашем конструкторе, к сожалению, нет. Но если задуматься, почему бы нам не использовать вместо всех перечисленных деталей молекулы соответствующей формы и не собрать из них «наноавтомобиль»? Уже гораздо интереснее, не правда ли? Особенно если не задаваться вопросами относительно того, не развалится ли такой автомобиль, сможет ли он ездить и кого будет возить?
Проще сказать, чем сделать. Несмотря на все достижения нанотехнологии, любые работы на молекулярном уровне остаются чрезвычайно сложной задачей. Впрочем, современные ученые работают над созданием наносистем, которые являлись бы аналогами хорошо всем известных электромоторов. Эти объекты получили название «наноэлектромеханические системы» или НЭМС, поскольку они развивают «наносилы» под действием электрического поля или света, или, наоборот, при приложении внешней силы создают электромагнитный отклик.
В настоящее время одной из общих тенденций развития современной техники является миниатюризация функциональных устройств. В наиболее явном виде эта тенденция проявилась в процессе эволюции электронных компонентов. Если первые транзисторы было настолько велики, что их можно было взять пальцами, то теперь уже никого не удивляет, что процессор современного компьютера состоит из миллионов транзисторов. Вслед за электронными компонентами миниатюризация затронула и электромеханические устройства. Несмотря на то, что поведение однотипных механических устройств в макро- и микромире различно, усилия ученых и инженеров привели к созданию «микроэлектромеханических систем», которые уже широко применяются даже в быту. Сделать следующий шаг - осуществить перенос электромоторов в наномир - оказалось еще сложнее. При уменьшении размеров объектов отношение их площади поверхности к объему заметно возрастает, что приводит к значительному увеличению вклада сил трения в механическое поведение наносистем и к доминированию трения над силами инерции. Так, время затраченное на гашение инерции после придания вращательного движения (с одинаковым моментом вращения) мячу, лежащему на поверхности стола, и молекуле фуллерена на поверхности монокристалла кремния, будет различаться на несколько порядков.
На сегодня можно выделить две основных тенденции в создании НЭМС: уменьшение размера существующих микроэлектромеханических систем и разработка принципиально новых молекулярных двигателей и молекулярных электромеханических устройств. Первый подход связан с большими сложностями, поскольку методы, используемые для создания МЭМС (электронная литография, ионное травление и др.) имеют ограниченное разрешение, и поэтому их проблематично использовать для создания нанообъектов. Впрочем, как уже отмечалось, для конструирования НЭМС вполне можно использовать отдельные молекулы (Рис.1). В частности, описана возможность передачи вращения с одной нанотрубки на другую (по аналогии с шестеренками – см. Рис.2), а также создание механического осциллятора из концентрических нанотрубок. Другим ярким примером НЭМС являются «наномашины», способные ездить под действием внешнего электрического поля или света.
Как ожидается, НЭМС произведут революцию в области метрологии, особенно – при измерении чрезвычайно малых сил и смещений на молекулярном уровне. Как известно, механические системы колеблются с собственной частотой ω0 ~ (kэфф/mэфф)1/2, где kэфф – эффективная жесткость, а mэфф – эффективная масса системы. Если мы уменьшаем l – линейный размер устройства, сохраняя его форму, то ω0 будет увеличиваться, поскольку kэфф ~ l, тогда как mэфф ~ l3. При этом, высокие значения величины ω0 соответствуют высоким скоростям отклика системы на внешние силы, что позволяет создавать на основе НЭМС чрезвычайно чувствительные измерительные устройства. Уже в настоящее время на основе НЭМС созданы нанорезонаторы с фундаментальной частотой колебаний выше 10 ГГц (1010 Гц), что еще не так давно казалось недостижимым. Такие резонаторы уже нашли применение в качестве кантилеверов сканирующей зондовой микроскопии, нановесов и наносенсоров биологических молекул и ДНК. Другим очевидным преимуществом НЭМС является их чрезвычайно низкое энергопотребление.
К одному из важнейших классов НЭМС можно отнести также и наноактюаторы – молекулярные моторы. Очевидно, что для движения какого - либо объекта нужно подвести к нему и затратить некоторое количество энергии, точно так же как для человека необходима еда, чтобы двигаться и жить. В микро- и наносистемах вместо электромагнитного принципа преобразования энергии, используемого повсеместно в «макроэлектронике», часто используют пьезоэлектрический или электростатический эффекты; в зависимости от выбора принципа работы наноустройств подвод энергии к микро- или «наноэлектромеханической системе» может осуществляться также электрически, термически или химически.
Электрические наноактюаторы управляются наиболее просто – приложением внешней разности потенциалов или электромагнитного поля. Простейшие типы таких актюаторов включают «пьезодвигатели» и электростатические актюаторы на основе плоскопараллельных конденсаторов, однако возможны и более интересные решения. Исследователи из Беркли (США), например, создали электрический наноактюатор, очень похожий на обычный электромотор (Рис.3). Вращающаяся часть, называемая ротором – крошечная золотая пластинка размером около 250 нм, которая закреплена на оси – углеродной нанотрубке. Вокруг ротора расположено три электрода – два по бокам и один снизу. Подавая на электроды переменное электрическое напряжение с амплитудой около 5 В, ученые заставляют наномотор вращаться.
В основе работы тепловых актюаторов лежит обычно эффект теплового расширения или деформации контакта двух материалов (часто – пары металл-диэтектрик) за счет различия в коэффициентах теплового расширения. Разогрев элементов проводят, пропуская через них электрический ток или нагревая окружающую среду. Такие актюаторы могут создавать достаточно большие силы, однако эффективность использования энергии оказывается весьма мала. Увеличение разницы коэффициентов теплового расширения материалов позволяет несколько повысить КПД, однако общая эффективность этих устройств обычно не превышает 0,1%.
Если для ученых создание НЭМС является сложнейшей задачей, решение которой, по-видимому, станет делом ближайшего будущего, природа уже на протяжении миллионов лет легко создает различные наномеханические устройства. Многие известные биологические системы – «вирусы», бактерии, одноклеточные микроорганизмы и др. – имеют различные приспособления, позволяющие им перемещаться в зависимости от поведения окружающей среды, в том числе под действием электрических импульсов нейронов. Поэтому одним из актуальных направлений в области создания НЭМС является не разработка принципиально новых, а подражание уже известным природным молекулярным моторам (см. «биомиметика»).
Химическое управление такими наноактюаторами осуществляется при помощи изменения состава окружающей среды, ее кислотности и других факторов. Иногда (как например, в моторе «наномашины») используют свет, который, воздейтствуя на молекулы, приводит актюатор в движение. К химическим наноактюаторам относятся и так называемые биологические молекулярные моторы. Примером такого мотора может быть EcoR124I – крошечное устройство, способное выталкивать и втягивать сделаный из молекулы ДНК стержень со скоростью почти 190 нанометров в секунду, а общее перемещение может достигать 3 микрометров! Диаметр этого стержня – всего 2 нанометра. Вместо «нанобатарейки» такой молекулярный мотор использует молекулы АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты) – стандартный источник энергии, которым пользуются живые клетки. Таким образом, чтобы включить мотор, нужно впрыснуть порцию молекул АТФ. На конце молекулы ДНК прикреплена небольшая магнитная частица, которая позволяет следить за движением мотора с помощью измерения магнитного поля.
Другой молекулярный мотор - на основе ATФ синтетазы - предназначен для синтеза или гидролиза молекул АТФ, а также для переноса протонов (Н+) через мембрану клетки для поддержания необходимой кислотности цитоплазмы. За объяснения механизмов его функционирования Е. Скоу, П. Бойер и Дж. Уолкер (J. C. Skou, P. Boyer и J. Walker) получили Нобелевскую премию в 1997 году. Интересно, что при синтезе или гидролизе АТФ одна из частей энзима совершает вращательное движение по- или против часовой стрелки, впуская протоны внутрь клетки или выпуская их наружу (Рис.3). По эффективности работы и развиваемой силе АТФ синтетаза существенно превосходит все известные в природе молекулярные моторы. Типичная сила, продуцируемая такой молекулярной турбиной составляет около 1 пкН, а мощность – порядка 1 аВт (1·10-18).
Существует много других наноактюаторов, сделанных из биологических молекул, полимеров, кремния и других материалов. И все они по-своему оригинальны и нужны. Ведь если не будет наноактюаторов, то у нас не останется никаких возможностей внести свой вклад в движение наномира
Литература
T.Cornelius: Handbook Techniques and Applications Design Methods; Fabrication Techniques; Manufacturing Methods; Sensors and Actuators; Medical Applications. Springer, 2007, p.1350.
C.P.Poole, F.J.Owens, Introduction to Nanotechnology Wiley-Interscience 2003, p. 400
М.Рыбалкина, Нанотехнологии для всех, М. 2005.
M.Köhler, W.Fritzsche, Nanotechnology: An Introduction to Nanostructuring Techniques, Willey-VCH, 2004
A.M.Fennimore et al., Nature 424 (July 2003) 408 – 410
