СТАНОВЛЕНИЕ НАНОБИОТЕХНОЛОГИИ
В понимании Норио Танигучи нанотехнология — это «технология производства, позволяющая достигать сверхвысокой точности и ультрамалых размеров… порядка 1 нм». Чтобы наглядно представить такой размер, достаточно знать, что 1 нанометр — это примерно длина 10 положенных рядом атомов водорода. В настоящее время под нанотехнологиями понимают конструирование наночастиц (наноструктур), размер которых хотя бы в одном направлении составляет от 1 до 100 нанометров.
Наноструктуры не просто меньше всего, что создавал человек, они являются наименьшими твердыми материалами, которые можно произвести (выделить) и с которыми можно осуществить манипуляции. Наномасштаб уникален, поскольку фундаментальные свойства элементов наномира зависят от их размера в такой степени, в какой не зависят ни при одном другом масштабе. На молекулярном уровне возникают новые физические и химические свойства, определяемые поведением атомов, молекул и нанокомплексов.
К биологическим наноструктурам можно отнести молекулы белков. Их размеры варьируются в пределах от 4 до 50 нм. Размеры строительных блоков белков — аминокислот — составляют около 1 нм. Молекула ДНК, имеющая толщину 1–2 нм, несомненно, является наноструктурой, несмотря на то, что ее длина достигает нескольких миллиметров. Из живых существ к наномиру можно отнести неклеточные формы жизни — вирусы. Их размеры составляют от 10 до 200 нм.
Процессы, в которые вовлекаются наноструктуры (наночастицы), получили название нанопроцессов. Самый главный нанопроцесс в живом организме — биосинтез белка. Явления живой природы, протекающие с участием наноструктур, названы наноявлениями.
Самоочищение листьев лотоса, который на Востоке считается символом чистоты, можно отнести к наноявлениям. Листья лотоса покрыты микробугорками высотой 5–10 мкм, от которых отрастают нановолоски. Благодаря последним, капли дождя не растекаются, а скатываются по поверхности листа, увлекая за собой частицы грязи и очищая листья растения.
Гораздо более древним наноявлением можно считать самовоспроизводство (ауторепликацию) ДНК. Это чрезвычайно сложное явление характеризовало уже первые прокариотические организмы Земли — бактерии, возникшие около 3,5 млрд лет тому назад.
Конструирование наноразмерных структур позволяет придавать уже известным веществам новые свойства или усиливать их действие. На этапе становления нанотехнологий инженерам и ученым был необходим новый метод визуализации с нанометровой разрешающей способностью, позволяющей видеть наночастицы, изучать их характеристики.
Технология сканирующей туннельной микроскопии
В 1981 г. швейцарец Герд Бинниг и немец Генрих Рорер разработали технологию сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), позволявшую ученым визуализировать атомы. В 1982 г. Бинниг и Рорер представили модель первого типа сканирующих зондовых микроскопов — сканирующего туннельного микроскопа. За эту работу они в 1986 г. были удостоены Нобелевской премии по физике.
В сканирующем туннельном микроскопе зондом служит чрезвычайно острая металлическая игла. Если проводить аналогию с оптическим зондовым микроскопом, то в туннельном микроскопе функцию отверстия зонда выполняет острие иглы. Из него вместо света «провисают» квантовомеханические волны электронов, содержащихся в металле острия. Длина таких электронных волн примерно в тысячу раз меньше световой. Поэтому они «освещают» площадку в тысячу раз меньшего размера, чем оптический зонд. Когда электронная волна касается исследуемой проводящей поверхности (это происходит при расстоянии между зондом и поверхностью около 1 нм), электрон с острия может «перепрыгнуть» на поверхность, иначе говоря, туннелировать.
Туннелирование означает появление электрического тока в цепи зонд — поверхность. Правда, тока очень слабого — в миллиардные доли ампера, но усиление его средствами современной электроники проблемы не представляет. Туннельный ток сильно зависит от расстояния между острием и поверхностью. Уменьшение расстояния на пару ангстрем, т. е. примерно на размер атома, увеличивает туннельный ток в тысячу раз.
Технология СТМ позволила не только изучать структуру атомов, но и измерять электрическое или магнитное поля молекул или атомов. Разработка СТМ способствовала прогрессу в исследованиях полупроводниковых и металлических материалов.
С помощью сканирующей туннельной микроскопии были исследованы углеродные нанотрубки — крошечные цилиндры диаметром 0,5–10 нм и длиной примерно 1 мкм, которые являются особой кристаллической формой углерода. Углеродные нанотрубки стали новым материалом.
На основе углеродных нанотрубок разработан новый вид искусственных мышц. Несмотря на то, что размер нанотрубок в 10 тыс. раз меньше толщины человеческого волоса, они способны поднимать вес в 100 ООО раз превосходящий их собственный, а это означает силу, примерно в 85 раз превышающую максимальные возможности натуральных мышц соответствующего размера. Искусственные мышцы созданы из углерода и парафина соответствующего размера. Главный недостаток сканирующей туннельной микроскопии — возможность исследования только проводящих образцов и невозможность работы в жидкостях, что часто исключает работу с биологическими объектами.
