Безграничное будущее: нанотехнологическая революция - [36]

Как смешивание химических веществ может создавать молекулярные объекты?

Инженер сказал бы, что химики (по крайней мере, те, кто специализируется на синтезе) заняты строительными работами, и был бы поражен, что им удается чего-то добиться, несмотря на то, что они не в состоянии захватывать детали и доставлять их на нужное место. Химики, по сути, работают со связанными за спиной руками. Молекулярное производство может быть названо «позиционной химией» или «позиционным синтезом» и даст химикам возможность перемещать молекулы в трехмерном пространстве. Вместо того чтобы пытаться собирать пазлы из деталей, которые будут склеиваться сами по себе, после того, как их встряхивают вместе в коробке, химики смогут оперировать и нужным образом соединять большие как кирпичи молекулы. Основные принципы химии останутся прежними, но стратегии строительства станут гораздо проще.

Не имея возможности контролировать положение, химики сталкиваются примерно с такой проблемой: представьте себе гигантскую стеклянную бочку, полную крошечных сверл на батарейках, вибрирующих и дергающихся во всех направлениях. Ваша цель состоит в том, чтобы взять кусок дерева и просверлить отверстие только в одном определенном месте. Если вы просто бросите его в бочку, он будет бессистемно просверлен во многих местах. Чтобы контролировать процесс, вы должны защитить все места, в которых вам дырки не нужны — возможно, путем приклеивания защитных металлических пластин на большей части поверхности древесины. Эта проблема — как защитить одну часть молекулы, воздействуя на другую, при создании все больших и больших молекул — заставила химиков применять хитроумные уловки.

Если химики могут создавать молекулы, почему они не строят причудливые молекулярные машины?

Химики могут достичь больших результатов, но они сосредоточили большую часть своих усилий на дублировании молекул, обнаруженных в природе и внесении в них незначительных изменений. В качестве примера возьмем палитоксин, молекулу, обнаруженную в Гавайском коралле. Получить его в лаборатории было очень трудно, поэтому его назвали «Эверестом синтетической химии», а его синтез был провозглашен триумфом. Дальнейшие усилия были направлены на создание небольших молекул с необычными связями или молекул с классической симметрией, таких как «кубан» и «додекаэдр» (названых так в честь Платоновых тел).

Химики, по крайней мере, в Соединенных Штатах, считают себя естествоиспытателями, даже когда их научная работа заключается в создании искусственных молекул. Обычно, люди, которые строят вещи, называются инженерами. И действительно, в Токийском университете кафедра синтетической химии входит в состав инженерного факультета; ее химики разрабатывают молекулярные коммутаторы для хранения компьютерных данных. Но инженерные достижения возможны только тогда, когда перед людьми ставятся инженерные цели.

Как химики смогут продвигаться к созданию молекулярных машин?

Молекулярные инженеры, занимающиеся нанотехнологией, нуждаются в наборе молекулярных строительных блоков для создания больших, сложных структур. Систематическое производство таких строительных блоков впервые было начато Брюсом Меррифилдом, лауреатом Нобелевской премии по химии 1984 года. Его подход, известный как «твердофазный синтез» или просто «метод Меррифилда», используется для синтеза длинных цепей аминокислот, образующих белки. В методе Меррифилда каждый цикл химической реакции добавляет один молекулярный строительный блок к концу цепи, закрепленной на твердой основе. Это происходит параллельно в каждой из триллионов одинаковых цепочек, выстраивая триллионы молекулярных объектов с определенной последовательностью строительных блоков. Химики обычно используют метод Меррифилда, чтобы сделать молекулы больше, чем палитоксин. Соответствующие методы используются для создания ДНК в так называемых генных машинах: объявление от компании из Алабамы гласит: «заказанная ДНК — очищенная и доставленная в течение 48 часов».

Несмотря на то, что трудно предсказать, как будет свертываться естественная белковая цепь, — они и не были предназначены для предсказуемого свертывания — химики могли бы получать строительные блоки больших размеров, разнообразнее и более склонных образовывать единую, понятную и стабильную структуру. С набором таких строительных блоков и методом Меррифилда, позволяющим связывать их вместе, молекулярные инженеры могли бы проектировать и создавать молекулярные машины довольно легко.

Как исследователи проектируют то, что они не могут видеть?

Чтобы создать новую молекулу, необходимо разработать как ее структуру, так и процедуру ее получения. По сравнению с гигантскими научными проектами, такими как сверхпроводящий суперколлайдер и космический телескоп Хаббла, работа с молекулами может быть выполнена при ограниченном бюджете. Тем не менее, затраты на попытки проведения многих различных процедур складываются. Чтобы заранее рассчитать, что будет работать, а что нет, проектировщики используют модели.

Вы, возможно, знакомы с моделями молекул по занятиям в классе химии: цветные пластиковые шары и палочки, соединяющие их, как в детском конструкторе. Каждый цвет представляет собой отдельный вид атома: углерод, водород и так далее. Даже простые пластиковые модели могут дать вам представление о том, сколько связей имеет каждый атом, сколько их, и как они расположены в пространстве. Более сложная форма модели использует только шары и полусферы, без палочек. Эти красочные, объемные формы называются CPK-моделями и широко используются профессиональными химиками. Нобелевский лауреат Дональд Крам отмечает, что «мы потратили сотни часов на создание CPK-моделей потенциальных молекулярных систем и оценку их полезности в качестве целей исследований». Его исследования, как и работы коллег, нобелевских лауреатов Чарльза Дж. Педерсена и Жан-Мари Лена, были сосредоточены на разработке и создании молекул среднего размера, которые собираются самостоятельно.