Знание-сила, 2000 № 09 (879) - [15]

За любым прорывом в неведомое, за любой революцией – социальной и научной – следует мощный откат. Оптимизм слеп и обманчив. Триумф науки и искусства начала века сменился общеевропейским «тоталитарным рабством» 1930 – 1940-х годов. Чем обернется новый научный взлет 1980 – 1990-х годов? И машины ли станут причиной будущих бед? Да и вообще – превзойдут ли машины человека?

Взгляд романтического скептика

В эпоху бурного развития компьютерных систем и микроэлектроники – я имею в виду, разумеется, наше время – естественно ожидать от технарей и программистов планов частичного или полного замещения человека техническими системами. В конце концов, споры об этом идут уже двадцать – тридцать лет.

Но в этих спорах порой забываются успехи современной биологии. А между тем они впечатляют.

Уже широким фронтом идут эксперименты по выращиванию животных с органами, обладающими такими биохимическими свойствами, которые делают их иммуносовместимыми с органами человека. Опыты со свиной печенью обнадеживают.

Начаты работы по созданию самовосстанавливаюшихся структур живого организма, например кровеносных сосудов или костей. А это избавит больных от множества неприятных операций и процедур, например от вживления металлических шпунтов при поломке шейки бедра у стариков.

Далее. Обнаружен ген, чей продукт препятствует поврежденному нерву – разрезанному или разорванному – срастаться вновь в месте разрыва. Блокада этого гена может позволить нерву вновь срастаться в месте повреждения.

Наконец, японские биохимики создали органическую молекулу, которая может оказаться «чудо-оружием» в борьбе с холестерином – бедой, грозящей значительной части человечества. Эта молекула не только мешает холестерину осаждаться в виде бляшек на стенках кровеносных сосудов. Болсс того, она «съедает» уже образовавшиеся бляшки и возвращает сосудам их изначально девственную чистоту. Если принять во внимание, что более половины населения развитых стран в той или иной степени страдают атеросклерозом, то трудно переоценить возможный эффект от действия этого препарата.

Словом, биотехнологии не стоят на месте, и вполне может случиться так, что они смогут своими биологическими методами решить многие из тех проблем, на которые сейчас нацеливаются специалисты по микроэлектронике.

Григорий Зеленко

Лучи, в миллиард раз ярче солнечных, помогают ученым пролить свет на многие научные и технические проблемы.

ТЕХНОЛОГИИ: ШАГ В XXI ВЕК

Александр Корн

Ультраяркие Х-лучи

Сто лет назад Вильгельм Конрад Рентген открыл лучи, позволяющие заглядывать внутрь твердых тел, – в России они носят имя первооткрывателя, а на Западе по-прежнему называются Х-лучами. Восемьдесят лет из прошедшего столетия это открытие широко используется для определения положения атомов в жидких кристаллах, полупроводниках и даже в сложных биологических молекулах типа ДНК. А полвека назад было обнаружено новое – синхротроиное – излучение, которое еще шире раздвигает границы использования рентгеновских лучей. Оно позволяет буквально за минуты получить подробный внутренний портрет вещества – даже некристаллического и неоднородного.

Главное – структура

Есть одно общее качество у полупроводников для миниатюрных компьютерных чипов, магнитных дисков для компьютеров, металлов и сплавов для высокопрочных структур, керамики для машин и турбин, работающих при высокой температуре, полимеров для облегченных деталей автомобиля и самолета, материалов для плоских экранов дисплеев – зависимость свойств от структуры. Современную промышленность и технологию более всего привлекает возможность изменения этой структуры для получения желаемых свойств.

В самом общем виде структура – это положение атомов и поведение электронов, вращающихся вокруг атомных ядер. Атомная структура твердых материалов варьируется от полностью упорядоченных кристаллов, где атомы расположены в точках решетки (дальний порядок), до полностью неупорядоченных образований. Многие материалы, такие как металлы и полупроводники, обладают симметрией дальнего порядка, но могут проявлять характеристики беспорядка на близких расстояниях, где внедрены примеси. Кроме того, материалы могут состоять из большого количества кристаллических зерен с разной ориентацией. Компьютерные чипы основаны на кристаллах кремния, а металлы и сплавы имеют поликристаллическую структуру. Стекла – наиболее известные аморфные материалы.

Что касается электронной структуры материалов, то внутренние электроны жестко связаны с ядрами, а внешние, слабее связанные с ядром, участвуют в химической связи между атомами (валентные электроны) и других процессах, таких как проводимость тока. Изучение валентных электронов показало, что легче всего построить их квантовомеханическую модель для кристаллических тел, когда электрон не привязан к определенному атому.

Рентгеновские лучи стали столь популярными благодаря своей способности проникать в глубь материала и взаимодействовать с атомами внутри него. Есть два основных типа взаимодействий, дающих информацию о структуре материала: поглощение и рассеяние.

Картина рассеянного излучения содержит сведения о пространственном строении рассеивателя. Когда длина волны несколько меньше размера объекта, на котором идет рассеяние, изображение получается лучше всего. Поэтому для определения позиций атомов необходимы волны с длиной в размер атома. Кроме того, поглощение рентгеновских лучей дает широкие возможности для изучения электронной структуры, поскольку энергии рентгеновских лучей очень хорошо соответствуют интервалу энергий, нужному для перевода электронов в валентную зону. Возбужденные электроны сбрасывают энергию. Это флуоресценция – эмиссия фотонов, испускание самих электронов или ионов, что можно регистрировать и по чему можно судить о внутренней электронной структуре.