От умножителей атомов до медицинских нанороботов

Рафаил Нудельман • 23 января 2017
В недавнем эксперименте группы американских ученых число атомов в пучке, проходящем через установку, было увеличено примерно в тридцать раз. Нарушение закона сохранения вещества? Ни в коем случае. Все по закону. Вспомним, что поток света тоже можно «умножать», — именно это делается в лазере. А как работает «умножитель атомов»?

    Нобелевская премия по физике была присуждена за создание ни много ни мало — нового состояния вещества, получившего название «конденсат Бозе — Эйнштейна». Уже идут эксперименты, в которых новое состояние не только исследуют, но и «пробуют на зубок» в качестве основы суперточных приборов. Особенность проектируемых устройств заключена еще и в их сверхминиатюрных размерах — ведь разговор идет об атомно-молекулярных масштабах. Таким образом, конденсат призван внести свою лепту в идущее широким фронтом наступление нанотехнологий. Вот об этом сейчас и пойдет речь.

    Умножить число — значит увеличить его во сколько-то раз. Соответственно, умножить атомы значит то же самое — увеличить их число во сколько-то раз.

    Совершенно аналогично. Подобно лазеру, в нем тоже есть «резервуар», поставляющий проходящему пучку — только не квантов, а атомов — дополнительные атомы для его «умножения». В данном случае этим «резервуаром», а также источником исходного атомного пучка, является магнитная ловушка, где находится облако атомов натрия в состоянии так называемого конденсата Бозе — Эйнштейна. Это особое состояние вещества было несколько лет назад впервые получено экспериментальным путем, с помощью сверхглубокого (почти до абсолютного нуля) охлаждения коллектива атомов. В состоянии «конденсата Б-Э» все атомы ведут себя как один «сверхатом», то есть находятся в одном и том же, самом нижнем энергетическом состоянии, и потому имеют одни и те же квантовые характеристики.

    Оказалось, что такой конденсат обладает и другими необычными особенностями. Если сквозь него пропустить два лазерных луча со слегка разными энергиями и направлениями, то атомы, первоначально находившиеся в покое, поглощают фотон более высокоэнергетичного луча, а потом излучают фотон, соответствующий менее энергетичному лучу. Разница энергий идет на придание атому определенной скорости по направлению, совпадающему с равнодействующей направлений обоих пучков. Иными словами, под воздействием двух лазерных пучков все атомы конденсата приобретают одну и ту же — небольшую — энергию и начинают медленно двигаться, продолжая оставаться в одном и том же квантовом состоя-нии, или, как говорят, оставаясь «когерентными» (согласованными).

    Атомный пучок готов. Исследователи выпускали его из магнитной ловушки небольшими порциями в другую магнитную ловушку с таким же натриевым конденсатом, атомы которого предварительно получали энергетическую «подкачку» точно так же, как специальные атомы в активной среде лазера. При прохождении пучка атомы второго конденсата вынужденно переходили из возбужденного состояния в промежуточное, излучая меньше энергии, чем поглотили, а за счет остатка энергии приобретали ту же скорость и в том же направлении, что атомы вошедшего пучка. Более того, они оказывались в том же квантовом состоянии, или, как говорят, приобретали ту же «фазу», то есть становились «когерентными» с ними. Присоединяясь к входящему пучку, они умножали его интенсивность (число атомов в нем), не меняя ни его когерентности, ни одного из других его исходных свойств.

    Важно, что усиленный пучок атомов действительно согласован, то есть когерентен. Такие (и только такие) пучки можно применять в физических, геодезических и других сверхточных измерениях, основанных на принципе интерференции когерентных пучков. Видимо, здесь они и найдут свое применение, но для этого, как и в случае первых лазеров, понадобятся еще годы работы.

    Пока же налицо выдающийся экспериментальный результат — реальное умножение атомов. И, как видите, без нарушения закона сохранения вещества.

    И раз уж мы заговорили о кажущемся нарушении, а на деле — хитроумном использовании законов природы, расскажем еще об одном способе «запрягания» хаотически движущихся атомов в согласованную полезную работу — о создании так называемых броуновских молекулярных моторов. Они сходны с атомными умножителями в том, что тоже на первый взгляд нарушают некий закон природы, в данном случае второй закон термодинамики.

    Когда-то, еще в позапрошлом веке, Джеймс Максвелл (тот, кто создал теорию электромагнитного поля) придумал мысленный эксперимент, как будто бы опровергающий второй закон даже в замкнутых системах. Вообразите себе закрытый ящик с внутренней перегородкой в нем, причем в ней сделана микроскопическая форточка, около которой дежурит столь же микроскопический демон, способный различать атомы и сортировать их по скорости.

    Со временем в ящике должно произойти разделение атомов: все быстрые соберутся слева, медленные — справа, то есть в системе «само собой» произойдет увеличение порядка системы. Однако кавычки здесь не случайны. На самом деле, демон в силу своих микроразмеров и сам будет ощущать тепловые удары отдельных атомов, и, как показывает расчет, постепенное изменение его состояния в результате этих ударов в конечном счете с лихвой перекроет весь выигрыш в упорядоченности.

    Опыт Максвелла — чисто учебный, методологический. Куда практичнее устройство того же рода, предложенное лет примерно через сто после Максвелла другим знаменитым физиком, Ричардом Фейнманом. В «опыте» Фейнмана микроскопических размеров зубчатое колесико, насаженное на одну ось с таких же размеров пропеллером, помещалось в водную среду. Колесико это могло вращаться только по часовой стрелке: вращению в противоположную сторону препятствовала этакая «собачка» — клинышек на пружинке, входивший между зубцами колеса. Поскольку лопасти пропеллера испытывали непрерывные удары атомов жидкости с разных сторон, эти удары должны были поворачивать колесико то в одну, то в другую сторону. Однако благодаря «собачке» результирующей всех этих ударов могло быть только вращение по часовой стрелке. И таким образом возникал вроде бы безупречный механизм превращения неупорядоченного, хаотического теплового движения атомов воды в непрерывное упорядоченное (только в одну сторону) вращение колеса. А поскольку колесико может при этом худо-бедно производить некую работенку, то все это устройство должно представлять собой к тому же еще и «вечный двигатель». Что бы это значило?

    Фейнман сам разъяснил, где тут зарыта собака. В «собачке», конечно. Она и ее пружинка тоже ведь должны быть микроскопических размеров, а потому удары атомов на них также должны влиять. Суммарным итогом таких ударов как по пропеллеру, так и по пружинке окажется хаотическое дерганье колесика то в одну, то в другую сторону, и никакого нарушения второго закона термодинамики не произойдет. И «вечного двигателя» тоже не будет, поскольку при каждом очередном заскакивании «собачки» между зубцами пропеллер будет дергаться от этого удара и передавать его энергию в окружающую среду в виде тепла.

    Тем не менее физики, приглядевшись к «колесику Фейнмана», быстро сообразили, что на его основе можно и впрямь создать реальный микроскопический мотор, который будет превращать тепловое движение атомов во вращение ротора — только за счет внешней энергии. Если, например, каким-то внешним образом (скажем, с помощью электрического поля или лазерного луча) периодически поднимать и опускать «собачку», то «колесико Фейнмана» будет в итоге вращаться против часовой стрелки. Это будет настоящий, вполне обычный мотор с той существенной разницей, что размеры его будут микроскопическими, молекулярными, а потому его сможет приводить в действие хаотическое (или, как говорят в физике, — броуновское) движение атомов окружающей среды. Область применения таких «броуновских» микромоторов поистине необозрима, и потому сегодня сразу две группы исследователей энергично заняты их практическим осуществлением.

    Группа Росс Келли в Бостоне уже синтезировала одно такое устройство. Как и надлежит «молекулярному» мотору, оно состоит из трех молекул бензена (трех сцепленных друг с другом колец), действующих одновременно и как пропеллер, и как зубчатка, и четырех дополнительных бензеновых молекул, которые входят между первыми как зубцы. В таком виде «пропеллер», как и положено, вращается в обе стороны. Но Келли пытается присоединить к кольцам «пропеллера» такие дополнительные атомы, которые провоцировали бы определенные химические реакции, способные вызвать освобождение «пропеллера» в нужные моменты цикла. Вторая группа под руководством Джеймса Гимжевского из Цюриха надеется добиться того же эффекта, используя так называемый туннельный атомный микроскоп для подачи на мотор периодического электрического поля.

    Во всех этих работах ученые пытаются «запрячь» в согласованную работу хаотически движущиеся атомы, но не нарушая, а используя второй закон термодинамики. И хотя технические трудности на пути создания молекулярных моторов, работающих за счет броуновского движения, пока еще весьма велики, ученые не унывают, поскольку им известно, что природа давно уже создала множество таких микроскопических двигателей. Подобные «броуновские моторы» работают, например, внутри живых клеток — в так называемых ионных насосах, перемещающих заряженные ионы сквозь клеточные мембраны. Такой «насос» представляет собой молекулу белка, отдельные части которой вращаются в определенную сторону благодаря изменениям его внутреннего электрического поля. С помощью таких же «броуновских моторов» перемещаются частицы вещества во внутриклеточных трубочках-тубулах, сокращаются мышечные волокна и движутся хвостики сперматозоидов. Даже «переписывание» с генетических молекул ДНК тех «инструкций», по которым в клетке создаются белки, тоже опирается на молекулярные моторы.

    Одним из наиболее изящных примеров природных двигателей такого рода являются молекулярные моторы так называемых флагелл — тех длинных жгутообразных отростков, с помощью которых движутся бактерии. В основании каждого такого жгутика располагается микроскопический «броуновский мотор», состоящий из нескольких белковых молекул, к которым присоединен длинный гибкий хвостик, сложенный из нескольких молекул белка флагеллина. Недавно японский ученый Иокомура и его коллеги сумели вскрыть все основные детали работы броуновских моторов флагелл, и это позволяет надеяться в скором времени перенести принципы их устройства в микротехнику.

    Но мысль исследователей, занимающихся «броуновскими моторами», уже идет и дальше. Как говорится в последних сообщениях, на недавней конференции по молекулярной нанотехнологии, прошедшей в Соединенных Штатах, группа инженеров из штата Юта доложила о проекте совершенно нового типа микродвигателя, основанного на… «бактериальной тяге». Этот мотор предлагается для создания миниатюрного биоробота, который был бы способен двигаться внутри человеческого организма, наподобие многократно уменьшенных героев из азимовского «Фантастического путешествия», и производить там все нужные медицинские действия и процедуры.

    Инженеры из Юты планируют использовать бактериальные клетки для преобразования теплового движения атомов в механическую энергию поступательного движения микроробота. Благодаря малости бактериального источника энергии размеры такого плавучего устройства можно будет уменьшить всего до нескольких микронов. А на следующем этапе авторы намерены приспособить для движения своего робота одни лишь флагеллы с их броуновскими моторами, без бактерий. В таком случае, по предварительным расчетам, размеры биомотора можно будет снизить до 100 и менее нанометров. Продолжительность его работы будет определяться продолжительностью жизни бактерий или флагелл, использованных для его перемещения, и авторы надеются довести этот срок службы до часа и более. Фирма «Reneissance Technologies» из штата Кентукки уже объявила, что первый прототип такого микробиоробота размером в один миллиметр будет выпущен на рынок в течение года.

    Американский журнал «Тайм», тоже откликнувшийся на эти исследования, завершил рассказ о них таким сообщением: «Национальный институт рака и управление космонавтики НАСА приняли решение выделить в течение ближайших трех лет 36 миллионов долларов для разработки нанодатчиков — устройств размером в тысячу раз меньше толщины человеческого волоса. Эти устройства смогут сканировать человеческий организм в поисках молекулярных признаков рака — например, дефектных белков, характерных для злокачественных клеток, — и определения местонахождения и формы опухолей. Приспособленные для переноса лекарств или «сменных» генов, такие устройства смогут атаковать только раковые клетки, не затрагивая здоровые, и обрабатывать их одну за другой. Это сделает излишними химиотерапию и рентгеновскую бомбардировку организма со всеми их печальными последствиями. Так что через каких-нибудь пятнадцать лет лечение самых страшных сегодня видов рака будет сводиться к приему таблетки, содержащей миллионы микроустройств, приспособленных для обнаружения и уничтожения раковых клеток внутри организма. И это не научная фантастика».

    Судя по описанным выше проектам, это действительно не фантастика. Тем более что такой авторитетный специалист, как Майкл Роко, советник американского Национального научного фонда (кстати, тоже выделившего 150 миллионов долларов на развитие нанотехнологических проектов), недавно заявил, что первые такие медицинские нанороботы могут появиться уже к концу ближайшего десятилетия.