Statinis savarankiškas nanostruktūrų surinkimas. Molekulinis koloidinių dalelių savaiminis susijungimas. Dalelės kaip aktyviosios paviršiaus medžiagos

Nuo tada, kai žodis „nanotechnologijos“ išpopuliarėjo visame pasaulyje, paplito pasakojimai apie „nanorobotus“, užvaldžiusius Visatą. Mokslinės fantastikos rašytojai varžosi, kad išrastų baisiausią pasaulinės katastrofos scenarijų, filmų kūrėjai filmuoja milijardus dolerių kainuojančius blokbasterius, o į tinklaraštį periodiškai sklinda baisūs gandai, kad „Kinijoje dėl paslapties gimė trigalvis šuniukas mutantas. nanogeninis eksperimentas“. Kas yra faktas, o kas – fikcija futuristinėse „siaubo istorijose“? Ką mokslininkai iš tikrųjų daro kurdami ir tyrinėdami nanostruktūras? Kaip jie tai padaro?

Erico Drexlerio košmaras 1

„Pilkų dulkių“ idėją (kai kuriose versijose – „pilkosios dulkės“) iškėlė vienas iš šiuolaikinio nanotechnologijų bumo ideologų. Erikas Drexleris. Jo šaknys glūdi labai teigiamame žmonių norame sumažinti prietaisų dydį ir pagerinti jų naudojamų medžiagų savybes. Nanotechnologijos čia žada ne mažesnį proveržį, kaip ir atsiradus metalurgijai, plastikams ar kompozicinėms medžiagoms.

Svarbi aplinkybė: nanoprietaisų ir nanomedžiagų pranašumai pasauliniu ekonominiu mastu taps pastebimi tik tada, kai nanostruktūriniai gaminiai pasieks makrodydžius. Pvz.: jei statant pastatą naudojate nano dydžio priedus, priedus, modifikatorius ir pan., konstrukcijos charakteristikas galite pagerinti procentais, daugiausiai kelis kartus. Jei visas pastatas yra surinktas tik iš nanostruktūrinių statybinių blokų, jis gali būti dešimtis ar šimtus kartų didesnis nei šiuo metu.

Tačiau kuo mažesnė tam tikra dalis ar įrenginys, tuo daugiau pastangų reikia skirti jo gamybai, valdymui ir tvarkymui. Tai yra, kuo mažesnė dalis, tuo ji brangesnė. Ką daryti?

Originalus problemos sprendimas yra „išmokyti“ nanomastelio įrenginius surinkti save be žmogaus įsikišimo. Kiekvienas iš mūsų yra matęs, kaip ant šerkšno stiklo formuojasi raštai. Tai yra savęs organizavimo molekuliniu lygmeniu pavyzdys. Vandens garų molekulės iš oro nusėda ant kristalinės sėklos, kuri spontaniškai atsiranda ant stiklo. Nusėdimas vyksta netolygiai, paviršiaus energijos pasiskirstymas sėklinio kristalo paviršiuje skatina naujų molekulių įsisavinimą daugiausia tam tikroje vietoje ir dėl to struktūros augimą griežtai tam tikra kryptimi. Dėl to galime stebėti akimis – t.y. makrostruktūros lygmenyje – įmantrių dvimačių raštų atsiradimas ant stiklo.

Erikas Drexleris prognozavo, kad pagrindinis nanotechnologijų vystymosi kelias bus molekulinio ir atominio susijungimo metodų kūrimas ir tobulinimas. Šios krypties logiška plėtra turėtų būti mikro- ir nanokonvejerių gamyba, kai savaiminio surinkimo technologijas naudos nanomastelinės mašinos, kad atkurtų save ir panašius nanoprietaisus. Būtent šios (ir tik tokios) gamyklos, galinčios be žmogaus įsikišimo be perstojo veikti 24 valandas per parą ir 365 dienas per metus, galės sukurti dešimtis, šimtus ir tūkstančius tonų palyginti nebrangių, tačiau tuo pačiu metu, nanostruktūrinių medžiagų, dalių ir prietaisų. Ir tik tokiu atveju bus galima realizuoti visas tas fantastiškas galimybes, kurias žada galimybė atominiu tikslumu valdyti medžiagų struktūrą ir detalių savybes.

Čia ir slypi košmaras Dreksleris pavadino jį „pilkomis gleivėmis“. Kas atsitiks, jei vienoje iš šių autonominių nanofabrikų kažkas suges technologijos valdymo mechanizme ir nanomašinos nustos gaminti naudingas nanodaleles, o pradės tiesiog kurti save iš naujo? Atsiras kažkoks dirbtinis padaras, toks mažas, kad jį pastebėti ir sunaikinti bus labai sunku. Jis gali lengvai išplisti, jei pavyksta patekti į aplinką, ir vienintelis dalykas, kurį ji padarys, yra panaudoti visas planetos medžiagas nanostruktūrinių „dulkių“ arba „dumblių“ gamybai (glebės yra baisesnės, todėl šis scenarijus tapo dažnesnis ). Palaipsniui visa gyvoji ir negyvoji gamta bus „suvalyta“ ir perdirbama į nanodumbles.

Molekulinis savęs surinkimas, gyvas ir negyvasis

Pirmiausia reikia atskirti dirbtines technologijas ir gyvąją gamtą. Kadangi gyvojoje gamtoje makrosistemų savaiminio dauginimosi pagrindas yra molekulinio susikaupimo procesai. Baltymų molekulių gebėjimas specifiškai ir selektyviai jungtis prie kitų molekulių yra pagrindinė savybė, kuri yra visų gyvoje ląstelėje vykstančių procesų pagrindas. Žmogaus genome yra dešimtys tūkstančių baltymų struktūrų. To pakanka aprūpinti ląstelę statybinėmis medžiagomis, kad ji galėtų išgauti energiją iš didelės energijos junginių, keistis sudėtinga signalų sistema su kitomis kūno struktūros ląstelėmis ir pan.

Tai reiškia, kad nanofabrikų pavyzdžiai, galintys egzistuoti autonomiškai ir daugintis remdamiesi molekuliniu savarankiškumu, yra visos gyvos būtybės.

Žinome pakankamai, kad galėtume pasakyti, kad bet kurio gyvo organizmo augimas ir vystymasis yra molekulinė savaime. Tačiau mes vis dar per mažai žinome, kad iš dirbtinių medžiagų sukurtume panašią sistemą ir kad ji veiktų.

Šiandien mokslininkai žino tūkstančius molekulinės sąveikos reakcijų, pagrįstų savaiminio susijungimo principu. Daugelis jų buvo sumodeliuoti ir išsamiai ištirti. Tačiau gyvoje ląstelėje vyksta daugybė milijonų tarpmolekulinių reakcijų ir visos jos vyksta kryptingai.

Šiandien neįmanoma įsivaizduoti, kad kas nors galėtų sukurti dirbtinį gyvos ląstelės analogą ar net virusą – paprasčiausią sistemą, galinčią savarankiškai daugintis. Teoriškai tai įmanoma, tačiau tai yra daugelio dešimtmečių mokslinių tyrimų perspektyva.

Ką dabar galima padaryti naudojant savaiminį molekulių surinkimą?

Galima sukurti atskiras nanodaleles ir nanoprietaisus. Jie negalės atgaminti patys ir bus labai brangūs gaminti, tačiau jų buvimas makro įrenginyje gali iš esmės pagerinti technines charakteristikas ir vartotojų savybes. Kalbame apie MEMS ir NEMS technologijas (Micro- and NanoElectro-Mechanical Systems). Pavyzdžiui, NanoFab 100 platformos kompleksai leidžia didelio vakuumo sąlygomis perkelti kristalinio silicio plokšteles iš vieno technologinio modulio į kitą ir paeiliui sukurti įvairias nano dydžio struktūras ant silicio. Šiuo atveju svarbų vaidmenį atlieka savaiminio surinkimo technologijos, pavyzdžiui, epitaksinių monoatominių sluoksnių augimas. Jie leidžia formuoti nanostruktūrinius ruošinius – labai taisyklingus, su tiksliai nurodytomis savybėmis.

Tačiau gaminant galutinę dalį ar prietaisą integruotas požiūris yra labai svarbus: turėdami tobulą ruošinį, turime sugebėti nukreipti į jį nanolokalų poveikį. Ir čia kyla klausimas: kaip pamatyti, kaip išmatuoti?

Taigi, savaiminis molekulių surinkimas yra vienas iš būdų sukurti nanostruktūras. Bet tam, kad sukurtos struktūros būtų naudojamos realiuose gaminiuose, reikia turėti įrankius, kurie leistų matyti nano dydžio objektus, išmatuoti jų fizines ir chemines savybes, bendrai kontroliuoti jų kūrimo ir integravimo į MEMS ir NEMS procesą. Produktai. Kokie tai įrankiai?

Žinoma, informatyviausias ir perspektyviausias nanostruktūrų analizės metodas šiandien yra skenuojančio zondo mikroskopija (SPM). Šio požiūrio esmė yra ta, kad ant mėginio paviršiaus atvedama labai aštri adata – zondas, kuris po to perkeliamas iš taško į tašką (nuskaitomas) ir išmatuojama adatos ir mėginio paviršiaus sąveikos jėga. Atitinkamai zondo adatos gali būti labai skirtingos, sąveikos jėgų pobūdis bus skirtingas, o tai reiškia, kad galima tirti įvairias nanoobjekto charakteristikas.

Pavyzdžiui, jei zondas yra laidus, juo galima matuoti elektrines savybes kiekviename paviršiaus taške (elektros laidumui, talpai, įkrovimui ir kt.). Naudodami magnetiniu būdu padengtą zondą galite nustatyti mėginio įmagnetinimą ir sudaryti magnetinių medžiagų paviršinio sluoksnio magnetinių domenų pasiskirstymo ir orientacijos žemėlapį. Deimantinis zondas gali išmatuoti medžiagos kietumą nanometro raiška. Iš viso yra daugiau nei 40 skenuojančio zondo mikroskopijos metodų. Vienintelis esminis SPM apribojimas yra tas, kad visa informacija renkama tik iš paviršiaus.

Antras svarbus nanostruktūrų tyrimo įrankis yra elektroninė mikroskopija (EM). Galingi perdavimo elektroniniai mikroskopai šiandien suteikia subangstromą erdvinę skiriamąją gebą. Šio metodo apribojimas slypi tame, kad elektronai sąveikauja su medžiaga, o tai reiškia, kad jie negali giliai prasiskverbti. Naudingiausi transmisijos mikroskopijos mėginiai yra plonos ir kietos struktūros, tokios kaip folija, dvimačiai kristalai ir kt.

Skenuojanti elektroninė mikroskopija, kaip ir SPM, leidžia gauti vizualų mėginio paviršiaus vaizdą. Yra du esminiai skirtumai.

Pirma, gautas vaizdas turi tik dvi koordinates, kurias galima kiekybiškai išmatuoti (X ir Y). Stebimų konstrukcijų aukštį galima įvertinti netiesiogiai, tačiau jo neįmanoma išmatuoti kiekybiškai (SPM kiekviename taške pateikia tikslią aukščio reikšmę). Antra, elektronai, skirtingai nei kietojo kūno zondas, vis tiek prasiskverbia į materiją. Todėl EM galima gauti informacijos apie paviršinį sluoksnį. Objektui nuskaityti naudojamas elektronų pluoštas turi labai didelę energiją; susidūrę su materijos atomais, elektronai atsispindi, išsisklaido, taip pat sukelia rimtus pokyčius atomų elektroniniame apvalkale. Elektronų energijos, taip pat rentgeno kvantų, skleidžiančių iš pluošto sąveikos su medžiaga srities, analizė leidžia gauti informacijos apie elementų sudėtį paviršiniame objekto sluoksnyje.

Rentgeno spinduliuotė gali suteikti labai naudingos informacijos apie vidinę medžiagos struktūrą nanometrų skalėje. Esant santykinai dideliems objekto struktūros nehomogeniškumui (nanometrai ir dešimtys nanometrų), rentgeno spinduliai gali būti nukreipti, ir šis reiškinys yra mažo kampo rentgeno spindulių sklaidos (SAXS) pagrindas. SAXS leidžia ištirti nanodalelių dydį ir pasiskirstymą suspensijose bei polimerinių nanokompozitų struktūroje. Tas pats metodas padeda aptikti ir ištirti nano dydžio ertmes, pavyzdžiui, kietose putose, taip pat labai naudingas tiriant plonas plėveles. Jei nehomogeniškumas yra palyginamas su rentgeno spinduliuotės bangos ilgiu (o tai yra angstromai - būdingi atomų ir atominių gardelių dydžiai kristaluose), tada analizuojama plačiakampė sklaida (WAS). Šis metodas suteikia informacijos apie kristalinės gardelės defektus ir leidžia atkurti biologinių ar sintetinių makromolekulių erdvinę struktūrą.

Geriausias rentgeno spindulių šaltinis tokiems tyrimams yra sinchrotronas, tačiau šiuolaikinis kompaktiškų rentgeno spindulių difraktometrijos sistemų kūrimas suteikia mokslininkams veiksmingus stalinius instrumentus daugeliui SAXS ir SAXS programų.

Rusijos vadovavimo įrankiai

Pastaraisiais metais tapo madinga barti vidaus pramonę ir apkalbinėti, kaip viskas blogai mūsų moksle. Tačiau yra pavyzdžių, kaip šalies tyrimų ir gamybos įmonės kuria įrangą pažangiausiems tyrimams net viso pasaulio mokslo mastu.

Taigi bendrovė Nanotechnology MDT Zelenograde netoli Maskvos veikia jau 20 metų. Čia kuriami ir masiškai gaminami nanotechnologijų tyrimų instrumentai, kuriuos lengvai perka pirmaujantys tyrimų centrai visame pasaulyje.

Raktas į sėkmę pasirodė esąs integruotas požiūris į nanostruktūrų tyrimą.

Praėjusių metų pabaigoje Kurchatovo institute įrengėme unikalų nanocentrą“, – pasakoja Viktoras Bykovas, NT-MDT generalinis direktorius ir įkūrėjas. – Centro pagrindas buvo kompleksas ant NanoFab 100 platformos, integruotas su sinchrotroninės spinduliuotės išvesties kanalu. NanoFab 100 – tai nano dydžio struktūrų formavimo, apdorojimo ir analizės technologinių modulių rinkinys, surinktas į vieną automatizuotą sistemą.

Dabar mokslininkai turi galimybę išauginti tam tikrą struktūrą naudodami vieną iš molekulinio savaiminio susijungimo metodų (pavyzdžiui, epitaksinių struktūrų augimo kameroje), modifikuoti ją nanolokalinio poveikio metodais (pavyzdžiui, suteikti reikiamą formą naudojant sufokusuotas jonų pluoštas, ir tai galima padaryti vienu metu stebint naudojant elektroninio mikroskopo kolonėlę), o tada ištirti jo charakteristikas skenuojančio zondo mikroskopijos modulyje.

Kartu su sinchrotroninės spinduliuotės šaltiniu jūs gaunate visą rinkinį visko, ko gali prireikti mokslininkui. Svarbu, kad mėginys visada būtų didelio ar itin didelio vakuumo sąlygomis, o specialūs techniniai sprendimai užtikrina tikslų jo perkėlimą transportuojant iš modulio į modulį – kiekvienas naujas įrankis atsiduria lygiai toje pačioje mėginio vietoje, su kuria buvo apdirbta. ankstesniame modulyje.

Įvairių metodinių požiūrių integravimo į vieną sistemą principas puikiai veikia ir kuriant gana kompaktiškas tyrimo priemones. Pavyzdžiui, Minske veikia bendra Baltarusijos ir Japonijos mokslo įmonė „Solar TII“.

Minskas – ne Rusija, bet mokslinė mokykla vis tiek ta pati, sovietinė. Vienu metu japonai susidomėjo mūsų technologijomis ir raida Ramano spektroskopijos (RS) srityje. Jų investicijomis buvo sukurti Ramano spektrometrai, nebrangūs, puikių charakteristikų, labai konkurencingi pasaulinėje rinkoje.

Šiandien Minsko spektrometrų ir Zelenograd skenuojančių zondų mikroskopų derinys leido sukurti visiškai unikalią tyrimų sistemą. Šis prietaisas naudoja netiesinės optikos poveikį ir dėl to apeina esminius fizinius apribojimus, tokius kaip difrakcijos riba, kuri riboja optinės spektroskopijos metodų erdvinę skiriamąją gebą. Dviejų metodų - Ramano spektroskopijos ir skenuojančio zondo mikroskopijos - integravimas leido gauti informaciją apie paviršiaus sluoksnio cheminę sudėtį iki 50 nanometrų skiriamąja geba!

Kitas pavyzdys. Maskvos fizinės optikos institute, naudodami patentuotą technologiją (vadinamąjį „Kumachovo objektyvą“), jie išmoko sufokusuoti rentgeno spindulius į labai siaurą tašką – iki šiol niekas pasaulyje to negalėjo padaryti. Tai leido atlikti mėginio mikroskopinių sričių rentgeno fluorescencinę analizę. Integravus kompaktišką mikro-rentgeno spindulių fluorescencijos sąranką su SPM, atsirado dar vienas unikalus įrenginys. Tai leidžia ištirti paviršiaus topografiją ir tuo pačiu suteikia informaciją apie pasirinktos mėginio mikropjūvio elementinę sudėtį.

Galima teigti, kad buitinė nanotechnologijų tyrimų įranga užima tvirtą poziciją tarp pažangiausių pasaulyje.

Akivaizdu, kad galaktinių nanorobotų, naikinančių viską savo kelyje, minios arba, jei norite, kenksmingų „protingų“ nanodulkių debesys, yra ne kas kita, kaip pseudomokslinės fantastikos siužetai. Tačiau nanomastelio struktūrų savaiminis surinkimas egzistuoja, tai yra svarbi ir labai daug žadanti nanotechnologijų plėtros kryptis.

Kol kas esame tame žinių ir įgūdžių lygyje, kai kiekvienas sukurtas nanoobjektas turi būti kruopščiai išnagrinėtas, o tuo pačiu reikia kontroliuoti visas išorines sąlygas, kad gautą produktą būtų galima panaudoti praktiniais tikslais. Tai tik pati kelionės pradžia, o dar maloniau suvokti, kad šio judėjimo priešakyje yra šalies mokslas ir buitinės technologijos. Starto metu nustatėme gerą tempą ir, tikėkimės, pavyks išlaikyti lyderystę ateityje.

1 Kimas Erikas Drexleris, gentis. 1955 m., amerikiečių inžinierius. Nuo 1975 m. dirbdamas NASA, jis jau naudojo nanotechnologinius metodus, kad pagerintų saulės baterijų efektyvumą. 1986 m. jis įkūrė Foresight Institute, kurio pagrindinis tikslas – ištirti žmogaus galimybių plėtros nanotechnologijų pagalba perspektyvas ir su tuo susijusias rizikas. Nuo 2005 m., kai paliko organizaciją, Drexleris dirbo vyriausiuoju techniniu konsultantu įmonėje Nanorex, kuri gamina programinę įrangą, naudojamą nanostruktūrų projektavimui.

Apie atradimą, kuris yra esminė nauja priemonė nanotechnologijų srityje, pranešama prestižinio žurnalo Science rugpjūčio numeryje.
Darrinas Pochanas, Delavero universiteto medžiagų mokslo ir inžinerijos docentas, ir Karen Wooley, James S. McDonnell išskirtinis menų ir mokslų profesorius Vašingtono universitete Sent Luise, vadovavo tyrimų grupei. Tyrimas buvo paremtas Nacionalinio mokslo fondo dotacija Nanoscale Interdisciplinary Research Collaborative (NIRT).

Darrinas Pochanas yra Delavero universiteto medžiagų mokslo ir inžinerijos profesorius.

Pagrindinis tyrimo objektas buvo blokiniai kopolimerai, tai sintetinės molekulės, turinčios du ar daugiau chemiškai skirtingų segmentų, sujungtų į vieną visumą. Blokiniai kopolimerai naudojami įvairioms medžiagoms, tokioms kaip plastikas, guminiai batų padai, ir pastaruoju metu nešiojamieji kompiuterių saugojimo įrenginiai („flash drives“) gaminti.
„Blokinis kopolimeras yra ilgos grandinės molekulė, kurios vieneto ilgis arba struktūrinis vienetas (blokas) chemiškai skiriasi nuo kito“, - sako Pocanas. – „Mūsų atveju mes paėmėme vieną elementą, kuris mėgsta vandenį, ir kitą, kuris jo nemėgsta. Taigi, kai jie dedami į tirpalą, tie blokeliai, kurie nemėgsta vandens, stengiasi būti kuo toliau nuo jo, todėl galite gauti įvairiausių formų, vadinamų micelėmis.
Sistemą, kurią naudojo mokslininkai, sudarė trijų blokų kopolimeras, sudarytas iš poliakrilo rūgšties, polimetilakrilato ir polistireno tetrahidrofurano ir vandens tirpale bei organinių diaminų. Pati technologija pagrįsta dvivalenčių organinių priešingai įkrautų jonų ir tirpiklių mišinių gebėjimu priversti blokinius kopolimerus organizuotis pagal specialius raštus, sukuriant specifines serpentinines vienmates struktūras.
Didžioji dalis tyrimų buvo atlikta naudojant didelės galios mikroskopus Delavero universiteto technikos koledžo elektroninės mikroskopijos skyriuje. Tyrimo grupei padėjo technikas Frankas Crissas.
Wooley, kuris yra polimerų chemijos ekspertas, ir Pochanas, medžiagų mokslo ekspertas, susitiko mokslinių tyrimų konferencijose ir aptarė savo projektų perspektyvas. Ji kūrė sferines miceles, skirtas naudoti vaistų tiekimo ir radiologijos srityse, tačiau pastebėjo, kad jos mokiniai skirtingomis tirpalo sąlygomis gamina skirtingas formas.

Delavero universiteto ir Vašingtono universiteto Sent Luiso tyrimų grupės sukurti vienmačių surenkamų konstrukcijų vaizdai, naudojant perdavimo perdavimo elektronų mikroskopiją.

Nepaisant to, kad jų laboratorijos yra beveik 1500 km atstumu viena nuo kitos, mokslininkai teigia, kad jų tiriamasis darbas buvo „nuostabus sinerginis bendradarbiavimas“.
„Nanotechnologijų savaiminio surinkimo pasaulyje yra neįtikėtinai pagunda sukurti tai, kas nėra sferinė“, – pažymi Pocanas. „Jei į kraują suleisite mažus karoliukus vaistų, žmogaus organizmo organai ir imuninė sistema jų atsikratys maždaug per dieną. Jei molekules sudėsite į ilgus lanksčius cilindrus, jos gali likti organizme savaites“, – pažymi Pocanas.
Pakeitus micelių formą, vaistas gali būti tiekiamas į žmogaus organizmą per ilgesnį laiką, todėl gali būti atidėtas vienos injekcijos chemoterapijos vaisto pristatymas, sakė Pochanas.
„Pakeitus rutulio formą cilindro forma, galima įsivaizduoti du, tris ar keturis skirtingus vaistus, sušvirkštus viena injekcija, į skirtingas kūno dalis: vieną į vieną vietą, o kitus į kitas vietas. su vienu savarankišku surinkimu “, - sako Pochanas.
Nors tyrimai dar toli nuo praktinio pritaikymo, komandos padaryti atradimai leido sukurti naują pagrindinę nanostruktūrų kūrimo technologiją „iš apačios į viršų“.

„Viskas apie paprastą medžiagų ir nanostruktūrų dizainą“, – sako Pocanas. „Pagrindinis tikslas – sukurti molekules pagal visas taisykles ir visą informaciją, kurios joms reikia norint suformuoti norimą formą ir dydį. Tada įmetate juos į vandenį ir pamatysite, kas išeis, tikėdamasis, kad tai bus tokia sudėtinga nanostruktūra, kurios norite.
Juokinga, bet kai Pochanas prieš daugelį metų baigė magistrantūros studijas, jis manė, kad baigė su blokiniais kopolimerais.
„Dabar dirbu remdamasis tuo, kas buvo padaryta per mano studijų metus 9-ajame dešimtmetyje gumos ir plastiko srityje“, – sako jis. „Tačiau, jei žiūrite į blokinius kopolimerus kaip į savaiminio surinkimo priemones, yra daug daugiau galimų pritaikymų nei guma bagažinės ar plastikinėms grindims“, - pažymi Pochanas.
„Galime naudoti tas pačias molekules, bet jas kurti skirtingai, kad gautume ką nors naudingo iš aukštųjų technologijų srities“, – sako jis. „Nuostabu, kaip grįžta tyrimų mada ir randama naujų „senų įrankių“ panaudojimo būdų.

Nacionalinio mokslo universiteto Aukštosios ekonomikos mokyklos Žinių statistinių tyrimų ir ekonomikos instituto Prognozės centro direktoriaus pavaduotojas Aleksandras Chulokas skaitė vardu pavadintame centriniame kultūros ir laisvalaikio parke. Gorkio paskaita apie mokslo ir technologijų pažangą bei jos įtaką žmonijai. Be technologijų plėtros temos, Stockingas kalbėjo apie naujų rinkų atsiradimą ir senųjų mirtį bei su šiais procesais susijusias problemas.

Atsakydamas į klausimą „kaip atspėti ateitį dabar? Turiu jus nuvilti: tai beveik neįmanoma. Tačiau ateitį galima formuoti taip, kaip norime. Atsirado lūkesčių ekonomika, kurią daugiausia lėmė iš esmės nauji poreikiai ir naujas požiūris į darbą su informacija. Dabar trumpai pakalbėsiu apie tai, kokie esminiai pokyčiai mūsų laukia per ateinančius 20 metų pagrindiniuose ūkio sektoriuose.

Medicina ir sveikatos priežiūra

Sveikata yra pirmas dalykas, kuris žmogui kelia nerimą. Rusijoje vis labiau pastebima tendencija rūpintis savo fizine būkle: visi nori būti sveiki, gražūs, atletiški ir, žinoma, sveiki. Sveikatos priežiūros srityje pastebima aiški personalizavimo tendencija.

Aš jums parodysiu šiuo pavyzdžiu. Medicinos raida leis pritaikyti gydymo režimą konkrečiam žmogui pagal jo genomo iššifravimą (jau „bazinis“ komplektas kainuoja 100 eurų, bet kas bus, kai kaina sumažės dešimteriopai?), jo aplinkos analize, kaip jis gyvena, kas kvėpuoja. Ateityje vietoj standartinių vaistų bus parduodami individualūs gydymo režimai, pagal kuriuos, tarkime, reikia keltis 6 val., miegoti iki 9 val., būtinai valgyti braškes ir jokiu būdu nebūti saulėje anksčiau nei 10 val. pm Turkijoje, bet jei saulė Egiptas – tada klausimų nekyla.

Aleksandras Chulokas
Nuotrauka: hse.ru

Atskiras klausimas, ar pacientai laikysis reikiamo gydymo režimo? Dauguma žmonių geria tabletes, tarkime, ne penkias dienas, kaip turėtų, o tris ir mesti – padėjo, kam toliau gerti? Sergant lėtinėmis ligomis, beveik kas antras žmogus nepaiso gydytojų nurodymų. Implantuojamos mikroschemos leis pamiršti vaistų vartojimo grafiką ir optimizuoti jų dozavimą.

Tikiuosi, sulauksime tradicinės medicininės apžiūros pabaigos: nereikės važiuoti į polikliniką pasitikrinti, speciali riešo apyrankė stebės kūno būklę. Jau yra mobiliųjų įrenginių, fiksuojančių dešimtis skirtingų biometrinių rodiklių.

Ar didelės farmacijos įmonės yra pasirengusios tokiems pokyčiams? Akivaizdu, kad jie turės prisitaikyti. Taip pat vaistines, kurių dabartiniu pavidalu taip pat nebereikės, nes bet kokį vaistą žmogus galės atsispausdinti namų 3D spausdintuvu.

3D spausdinimo plėtra siejama su kita tendencija – organų keitimu. Praėjusiais metais Belgijoje senai moteriai buvo pakeistas žandikaulis, atspausdinus jį 3D spausdintuvu. Tada žinia greitai pasklido po visą pasaulį, tačiau iš viso operacija kainavo apie milijoną eurų. Po 20 metų daugelio žmonių kūne bus koks nors atspausdintas organas. Dabar jau spausdina plaučius, inkstus, akį.

Bandymai „sutvarkyti“ tai, kas jau „sugedo“, taps praeitimi, gydytojai nesakys, jei susirgsi, ateik. Šiuo metu JAV, Vokietijoje ir Izraelyje kuriamas vaistas yra prevencinė medicina. Jo pagrindinė užduotis yra užkirsti kelią ligai, o ne gydyti jos pasekmes.

Žmonių savybių gerinimas – dar viena sparčiai besivystanti medicinos tendencija. Dabar susilieja nano, bio, informacinės ir kognityvinės technologijos, kurios leidžia radikaliai sustiprinti žmogų, optimizuoti jo intelektines ir fizines savybes tiesiogine prasme už genialiausio dizainerio intuicijos ribų. Prieš kelerius metus Šveicarijos Liucernos mieste įvyko futurologų kongresas, kuris teigė, kad iki 2045 metų žmogus įgis nemirtingumą, o mintys bus perduodamos nuo žmogaus žmogui, o tai gali paskatinti naujų bendruomenių formavimąsi.

Dabar įsivaizduokite tokį vaizdą: 120 metų vyras, kuris įveikia GTO geriau nei trisdešimtmetis, bėga krosą ir kurio smegenys dirba penkis kartus geriau ir turi dešimt kartų daugiau patirties. Darbdavys įdarbins jį, o ne jaunuolį, kuriam dar reikia daug pasimokyti. Ką turėtų daryti 30-mečiai loferiai? Ir tai yra pasaulinis iššūkis. Daugelis šalių jau rimtai apie tai pagalvojo.

Dabar yra daug analitikos, paremtos socialinių tinklų duomenų analize, kai kas kalba apie jų kontrolę. Bet kaip suvaldysi savo mintis? Pavyzdžiui, jei anksčiau daugelyje Europos šalių, kai buvote užfiksuotas miesto kameros padarytame įraše, galėjote reikalauti, kad jus iškirptų, ką dabar iškirpsite? Palydovas? Sąsaja? „Facebook“ ar „Mindbook“?

Akivaizdu, kad technologijos darys vis didesnę įtaką geopolitinei situacijai: jei šalis „neprisilies“ prie naujosios technologinės bangos ir nesuteiks savo piliečiams aukštos gyvenimo kokybės, ji rizikuoja prarasti aktyviausią kūrybinį sluoksnį, pulsuojantį idėjos.

Informacinės ir telekomunikacijų sistemos

Mes stebime greitą ir visišką informacinių ir telekomunikacijų technologijų (IKT) skverbimąsi. Kas prieš 70 metų būtų pagalvojęs, kad kalbėsime naudodami mažas dėžutes? Dabar beveik visi vaikšto su mobiliaisiais telefonais, kai kurie su išmaniaisiais telefonais apyrankės pavidalu. Atstumas tarp prietaiso ir žmogaus kūno yra 2-3 centimetrai. Ir ateityje jis mažėja, prietaisai tiesiog pateks po oda. Dar šiek tiek ir turėsime smegenų ir kompiuterio sąsajas.

Nuotrauka: Jordi Boixareu / Zumapress / Global Look

Dabar sunku įsivaizduoti, kaip virtuali realybė ir papildyta realybė pakeis mūsų mąstymą. Mūsų visuomenė iširs – klausysimės paskaitos, sėdėdami virtualios realybės akiniuose šalyje, būdami virtualiame kambaryje ar mokykloje. Šiais laikais tokių paslaugų kaip Coursera dėka galite žiūrėti puikius kursus beveik visose žinių srityse. O kol kas jūs tik klausotės webinarų, tačiau ateityje atsiras technologijos, kurios leis jums būti šio virtualaus kambario viduje.

Pavyzdžiui, chirurgijos papildytos realybės technologijų rinka yra apie 5 milijardus dolerių, ir tai tik viena programa. Jau yra šalmų prototipai, leidžiantys gauti naujausią ir išsamią informaciją apie statomą objektą: kas jį sukūrė, kiek kainuoja ir kokių problemų gali kilti. Tai visiškai kitoks analizės, valdymo ir kontrolės lygis.

Ateina laikas visiškai skaitmeninėms gamykloms. Pavyzdžiui, Amazon.com sandėliuose nėra nė vieno žmogaus, robotai yra atsakingi už beveik visus procesus. Turime tik keletą retų bandymų kurti tokius pastatymus pavyzdžių. Akivaizdu, kad jų plitimo efektas balandžių pašto pasauliui prilygs telegrafo technologijoms. Pasaulis juda prie platforminių sprendimų, tai visiškai kitokia gamybos paradigma, o mes, pavyzdžiui, visi stengiamės šalyje užmegzti konsoliduotą diskusiją apie 3D spausdintuvus, o užsienyje jie jau seniai parduodami specializuotose parduotuvėse, ar diskutuojame. saulės baterijų, o pokyčiai jau pasirodė skaidri saulės baterija. Kitas žingsnis – jais pakeisti langus ir judėti link visiškai energetiškai nepriklausomo būsto. Ir jei jis taip pat prijungtas prie išmaniojo tinklo - išmaniosios paskirstytos energijos sistemos, tada jis taip pat pradės išleisti energiją į tinklą, taip pasiekdamas teigiamą balansą. Kiek mokate už elektrą? Dabar įsivaizduokite, kad šie pinigai jums bus sumokėti.

Energija

Greičiausiai ateities energetikos sektorius bus autonomiškas, išmanus, tausojantis aplinką ir prisitaikantis prie žmogaus poreikių. Daugelis žmonių turi išorines baterijas, kurios įkrauna mobiliuosius įrenginius, tačiau dabar sukurta plėvelė, leidžianti telefoną įkrauti per kelias minutes. Ateityje jo baterija tarnaus ne 3-4 dienas, o mėnesį ar du metus.

Kita energetikos tendencija – viskas nepriklausoma. Amerikoje jau kelis dešimtmečius vystoma autonominio kario technologija, įranga įkraunama tiesiog einant. Dabar įsivaizduokite, kad esate tam tikrame „energijos kokone“ per specialų kostiumą ar įrenginį esate prijungtas prie bendro elektros paskirstymo tinklo. Bus galima tiesiogiai keistis energija. „Tesla“ neseniai pristatytas namų saugojimo įrenginys yra tik pirmasis žingsnis. Tai labai brangu ir dar ne itin efektyvu, tačiau tikimasi kolosalinių proveržių energetikos sektoriuje.

Klasikinėse prognozėse įprasta tirti ne tik tas tendencijas, kurios greičiausiai įvyks, bet ir tuos įvykius, kurių tikimybė yra minimali, tačiau jei taip atsitiks, tada tokia „laukinė korta“ nebus naudinga. bet kas. Vienas iš tokių, deja, nemalonių „pakaitos simbolių“ buvo nelaimingas atsitikimas Fukušimoje, tačiau jo poveikis buvo didžiulis. Dabar daugelis analizuoja prieinamų technologijų, skirtų metanui išgauti iš dujų hidratų, skalūnų ir naftos gavybos iš netradicinių telkinių, kūrimo poveikį. Bet visa tai įvykiai mūsų vadybinės įžvalgos zonoje, o jei kursime efektyvius, pigius, „žalius“, o kartu ir miniatiūrinius energijos šaltinius, pavyzdžiui, branduolinius mini reaktorius? Jų poveikis esamoms vertės grandinėms bus didžiulis.

Transportas

Transporto technologijos suteiks erdvės suspaudimo efektą. Deja, Rusijos infrastruktūra vis dar yra stipri kliūtis šios tendencijos plėtrai mūsų šalyje. Bet labai norėčiau savaitgalį praleisti Kamčiatkoje ar Baikale. Kol svarstome kelių tiesimo planus, Kinijos greitieji traukiniai rimtai siekia įveikti 1000 kilometrų per valandą greičio barjerą naudodami magnetinės levitacijos technologiją.

Šiuolaikinės transporto priemonės, žinoma, veiks ne tik ant žemės, bet ir ore, o kai kurios gali išvažiuoti ir už atmosferos ribų. Daugelis šalių jau kuria „kosminį liftą“. Pririšimo sistemų kūrimas, įskaitant „kosminio lifto“ sukūrimą, leis keisti erdvėlaivių orbitas, perkelti krovinius tarp orbitinių stočių, paleisti mažus erdvėlaivius ir pristatyti į orbitą naudingus krovinius. Pagrindinis barjeras čia yra pats kabelis, kuris turi atlaikyti net ne liftą, o savo svorį. Pluoštas plauko storio turi atlaikyti toną (šiuo metu 500-600 kilogramų). Norint pagaminti tokį kabelį, reikia nanotechnologijų. Jie sukurs tikrą revoliuciją daugelyje pramonės šakų.

Gamyba, mokslas ir švietimas

Dabar bandome diegti priedų technologijas – 3D spausdinimą, o jas pakeis molekulinis savaiminis surinkimas – tai dar pažangesnė technologija. Molekuliniu lygmeniu bus galima surinkti bet ką. Naudojant nanofabrikus, ateityje bus galima kurti daiktus, produktus, pienui gaminti nereikės karvės. Šios technologijos yra 3D spausdintuvų žudikai.

3D atspausdintas žandikaulio implantas
Nuotrauka: uhasselt.be

Pagrindinė problema visame, kas protinga (išmanieji tinklai, miestai, namai, verslas ir kt.), yra modeliavimas. Ir čia į pagalbą ateina mūsų matematikai. Čia mūsų šalis tikrai turi šansą užimti lyderio poziciją rinkoje. Tačiau pastebime įdomų dėsningumą: kai tik tyrėjas padidina citavimo lygį, jo priklausomybė ir priklausomybė vienam ar kitam universitetui dažnai pasikeičia: jei jo ankstyvuosiuose darbuose nurodoma, kad asmuo yra iš Rusijos, tai vėlesniuose darbuose. - trenk! – jau koks nors Amerikos universitetas.

Šiuo keliu pasekė Kinija. Kinai pirko profesorius pagal citavimo indeksą kartu su jų šeimomis ir davė jiems tokius pat atlyginimus kaip Amerikoje. Jie jiems pasakė: „dirbkite, bet teisės į sukurtą intelektinę nuosavybę priklausys KLR“. Dabar yra kiniški automobiliai, kiniški lėktuvai – viskas pagaminta Kinijoje.

Per metus mokslui išleidžiame apie 15 milijardų dolerių, o JAV – 450 milijardų dolerių. Jei pažvelgtumėte į pasiskirstymą pasaulio moksle, mūsų ten labai mažai. Ir tokia akimirka. Yra metodas, vadinamas „tyrimų frontų analize“. Jei kiti mokslininkai staiga pradeda aktyviai cituoti mokslininkus, dirbančius tam tikrose srityse, tai reiškia, kad būtent šiose mokslo srityse galimas proveržis. Bet jei publikacijos užsienyje, tarkime, apie mediciną, yra tiesiogiai susijusios su biochemija, chemija, fizika, inžinerija, tai Rusijos mokslininkų publikacijose tokių sąsajų beveik nėra. Pagrindinė mūsų mokslo sritis – astronomija.

Kaip edukacinę programą Cituoju medžiagą iš N.V. Rebrovas yra nacionalinio Donecko technikos universiteto studentas, kurį, beje, šiuo metu Ukrainos „nacionalinė gvardija“ šaudo iš sunkiųjų ginklų žydų Kijevo nurodymu:

SAVIENKIMAS NANOTECHNOLOGIJOJE

Tarp įvairių perspektyvių nanostruktūrų formavimo būdų vis svarbesnės tampa nanotechnologijos, kuriose naudojamasi saviorganizacija. Daroma prielaida, kad saviorganizacija leis sukurti nanostruktūras iš atskirų atomų kaip „iš apačios į viršų“ technologiją. Molekulinis savarankiškas surinkimas, priešingai nei nanotechnologijų „iš viršaus į apačią“ metodui, pavyzdžiui, litografija, kai norima nanostruktūra atsiranda iš didesnio ruošinio, yra svarbi „iš apačios į viršų“ metodo sudedamoji dalis, kai norima nanostruktūra. yra tam tikro molekulių formos ir funkcinių grupių programavimo rezultatas.

Kokias nanostruktūras galima sukurti naudojant šias technologijas? Kalbame apie skirtingas medžiagas, nes šios technologijos leidžia kurti įrenginius, formuojant juos iš atomų ir molekulių, naudojant saviorganizacijos procesus taip, kaip juos naudoja gamta. Gamtoje iš tikrųjų egzistuoja panašios sistemos ir vyksta panašūs procesai. Ryškiausias pavyzdys yra sudėtingų biologinių objektų surinkimo pavyzdys, pagrįstas DNR įrašyta informacija (žr. 1 pav.).

1 pav. Biologinės struktūros savaiminio surinkimo pavyzdys

Kaip buvo anksčiau? Paėmėme, tarkime, geležies gabalą ir iš jo padarėme plaktuką, tiesiog pašalinome viską, kas nereikalinga (technologija iš viršaus į apačią). Nanotechnologijos artimiausiu metu leis gaminti gaminius iš medžiagų nuo nulio, ir ne visada reikės „rankiniu būdu“ dėti atomą prie atomo, galėsime panaudoti savaiminio organizavimo, savaiminio surinkimo fenomeną nanostruktūros ir nanoprietaisai. Tuo pačiu gana sunku tikėtis, kad nanolygyje įmanoma dirbtinai manipuliuoti atskirais nanoobjektais, siekiant „rankiniu būdu“ surinkti medžiagą. Tai dar nėra praktiška (lėta ir reikalauja daug darbo). Todėl savarankiškas organizavimas gali būti natūralus būdas gauti nanomedžiagų.

Savarankiškas surinkimas(angl. self-assembly) – terminas, apibūdinantis procesus, kurių metu neorganizuotos sistemos dėl specifinės, lokalios sistemos komponentų sąveikos patenka į tvarkingą būseną.

Savarankiškas surinkimas gali būti ir statinis, ir dinamiškas. Statinio savarankiško surinkimo atveju organizacinė sistema artėja prie pusiausvyros būsenos, mažindama savo laisvąją energiją. Dinaminio savarankiško surinkimo atveju teisingiau vartoti terminą saviorganizacija.

Savęs organizavimas klasikiniu požiūriu gali būti apibūdintas kaip spontaniškas ir grįžtamasis molekulinių vienetų organizavimas į tvarkingą struktūrą per nekovalentinę sąveiką. Spontaniškumas reiškia, kad sąveikos, atsakingos už savaime sukomplektuotos sistemos susidarymą, vyksta vietiniu mastu, kitaip tariant, nanostruktūra susikuria pati.

Tam tikromis sąlygomis patys mikro- arba nanoobjektai pradeda rikiuotis tvarkingų struktūrų pavidalu. Čia nėra jokio prieštaravimo esminiams gamtos dėsniams – sistema šiuo atveju nėra izoliuota, o nanoobjektai yra veikiami tam tikros išorinės įtakos. Tačiau šis poveikis nukreiptas ne į konkrečią dalelę, kaip įvyksta montuojant iš viršaus į apačią, o į viską iš karto. Jums nereikia statyti reikiamos konstrukcijos rankiniu būdu, vieną po kito dedant nanoobjektus reikiamuose erdvės taškuose – susidaro tokios sąlygos, kad nanoobjektai tai daro patys ir tuo pačiu metu. Procesai, kurių metu sukuriamos tokios ypatingos sąlygos, vadinami savaiminio surinkimo procesais ir jau dabar atlieka gyvybiškai svarbų vaidmenį daugelyje mokslo ir technologijų sričių.

Savarankiškai surenkamiems komponentams tereikia, kad žmogus pakankamai jų įdėtų į mėgintuvėlį ir leistų automatiškai susidėti į norimas konfigūracijas pagal savo natūralias savybes.

Iki šiol dvimatės ir trimatės organizuotos Pt, Pd, Ag, Au, Fe, Co nanokristalų, Fe-Pt, Au-Ag lydinių, CdS/CdSe, CdSe/CdTe, Pt/Fe, Pd/Ni matricos buvo susintetintos nanostruktūros ir kt. Be to, anizotropinėms nanodalelėms buvo įmanoma suformuoti orientaciškai išdėstytas matricas. Vienodo dydžio nanodalelės gali būti „surinktos“ į erdviškai sutvarkytas struktūras, kurios yra vienmačiai „siūlai“, dvimačiai tankiai supakuoti sluoksniai, trimačiai matricos arba „maži“ klasteriai. Nanodalelių organizavimo tipas ir gautos matricos struktūra priklauso nuo sintezės sąlygų, dalelių skersmens ir išorinio poveikio struktūrai pobūdžio.

Šiandien žinomi įvairūs savaiminio surinkimo būdai, leidžiantys iš mikrodalelių gauti naudingas tvarkingas struktūras. Norint sukurti specialias sąlygas, kurioms esant tam tikroje sistemoje vyksta savaiminis surinkimas, gali būti naudojami gravitaciniai, elektriniai ar magnetiniai laukai, kapiliarinės jėgos, žaidimas sistemos komponentų drėkinamumu-nešlapimu ir kiti metodai. Šiuo metu gamyboje pradedami aktyviai naudoti savaiminio surinkimo procesai.

Savarankiško susibūrimo fenomeno esmė

Šiuolaikinis mokslas turi daug faktinės medžiagos, gautos iš eksperimentinių stebėjimų apie savęs surinkimo reiškinį. Ypač įspūdingi yra biologinių objektų savaiminio susikaupimo stebėjimai, ypač Klugo darbas, susijęs su augalų virusų surinkimu, kuris buvo apdovanotas 1982 m. Nobelio premija. Eksperimentiniai savarankiško surinkimo tyrimai daugiausia yra tiriamojo pobūdžio ir suteikia daug žinių apie tai, kaip tai vyksta. Klausimas, kodėl taip nutinka, o ne kitaip, yra iššūkis šiuolaikiniam gamtos mokslui.

Panagrinėkime gerai ištirtą bakteriofago T4 viruso surinkimo scenarijų, aprašytą visuose vadovėliuose ir kuris yra klasikinis savarankiško susikaupimo tyrimo objektas. Supaprastinta scenarijaus versija parodyta fig. 2. Surinkime dalyvauja 54 rūšių baltymai, kurie griežtai tam tikra seka agreguojami į įvairaus lygio subagregatus ir po to subagregatai surenkami į užbaigtą viruso dalelę, apimančią daugiau nei tūkstantį baltymų molekulių. Nėra prasmės modeliuoti šį tiksliai koordinuotą, šakotą hierarchinį procesą naudojant stochastines atsitiktinai susidūrusių molekulių koncepcijas.

2 pav. Bakteriofago T4 surinkimo scenarijus

Neabejotina, kad viruso surinkimo procesas yra deterministinis ir kontroliuojamas, o norint visapusiškai suprasti šį procesą, būtina nustatyti nustatymo priemones ir kontrolės mechanizmus. Dvidešimtojo amžiaus antrosios pusės mokslinis mąstymas sužavėjo kompiuterio sukūrimu ir baltymų sintezės valdymo sistemos atradimu. Abi sistemos yra ideologiškai identiškos ir įkūnija koncentruotos kontrolės principą. Koncentruoto valdymo nešėja yra ženklų sistema – linijinė imperatyvi valdymo kalba. Visiškai natūralu, kad pirmieji bandymai matematiškai modeliuoti savęs surinkimo ir atkūrimo procesus buvo atlikti automatų teorijos rėmuose, pavyzdžiui, von Neumanno. Tačiau eksperimentinių stebėjimų duomenys nepatvirtina tokių modelių pagrįstumo. Savaiminio surinkimo procesai netelpa į koncentruotą valdymo schemą.

Eksperimentiniai duomenys leidžia teigti, kad savaiminio surinkimo procese nėra valdymo elemento ir jokia forma nėra ženklų sistemos, nusakančios surinkimo veiksmų tvarką ar elementų išdėstymo tvarką savaiminio surinkimo gaminių struktūroje. . Savaiminio surinkimo reiškinio specifika yra ta, kad procesas neabejotinai yra nulemtas, tačiau nustatymo mechanizmas netelpa į paprastą ir suprantamą koncentruoto valdymo metodą.

Savarankiškas surinkimas – tai paskirstytojo valdymo metodo įgyvendinimas, kai procese dalyvaujančių elementų vidinėje struktūroje diegiamos valdymo funkcijos, o procesą lemianti valdymo informacija paskirstoma po visus elementus. Vadinasi, paskirstytojo valdymo nustatymo nešėjas yra specifinės ženklų sistemos, kurios kardinaliai skiriasi nuo paprasčiausių privalomų linijinių kalbų, tokių kaip kompiuterių kalbos ar DNR baltymų sistema. Pagrindinis savarankiško surinkimo tyrimo uždavinys – nustatyti elementų santykių logiką ir ieškoti ženklų sistemų, paskirstytojo valdymo nešėjų.

Panagrinėkime hipotetinį savaiminio surinkimo scenarijų, atitinkantį paskirstytojo valdymo diegimo reikalavimus. Kai kurie scenarijaus žingsniai pavaizduoti 3 pav.

3 pav. Hipotetinis elementų sąveikos scenarijus

Tarkime, kad paprasčiausios struktūros, vamzdžio, surinkimas apima dviejų tipų molekules: sferą ir amforą. Mes atsižvelgiame tik į loginį savaiminio surinkimo aspektą ir dar neįtraukiame į aprašymą fizikinio ir cheminio sąveikos pagrindo. Sfera ir amfora yra abstrakcijos, turinčios tam tikrą postuluojamą montažo veiklą. Į elementą įvedama abstrakcija „kombinuotas užraktas“. Diegimo veiksmas galimas tik tuo atveju, jei užrakto kodai sutampa. Amfora ir rutulys turi skirtingus kombinuotus užraktus K1 ir K2, todėl pirmajame surinkimo etape sujungiami du rutuliai. Dėl to susidaro subvienetas su nauja kodine spyna K2. Toliau prie pogrupio prijungiama amfora su kodine spyna K2 ir suformuojamas pogrupis „dantukas“ su kodine spyna K3. Toliau diskai statomi iš dantų kaip sektoriai, o diskai surenkami į vamzdelį. Norint sukurti tokį scenarijų, būtina postuluoti elementaraus surinkimo veiksmo procedūrą.

Apibrėžkime elementarų surinkimo veiksmą kaip procedūrą, susidedančią iš keturių žingsnių:

.kombininės spynos įjungimas;

.dviejų elementų paieška ir konvergencija su atitinkamais užrakto kodais;

.užrakto įjungimas

.gesinti savo veiklą, formuoti naują kodinį spyną procesui tęsti.

Taigi kiekviename surinkimo etape surinkimo aktus lemia kombinuotų spynų būsenos, o surinkimo akto vykdymas baigiasi generuojant naują kodą ir naują spyną.

Iki šiol yra matematinių įrankių, galinčių apibūdinti loginį savaiminio surinkimo procesų aspektą. Srautinės gamybos sistemos atitinka ženklų sistemoms, palaikančioms paskirstytą valdymą, keliamus reikalavimus ir loginiu lygmeniu gali veikti kaip savaiminio surinkimo proceso veiksnys. Artimiausia kita užduotis – bendras darbas su fiziniais chemikais ir biologais kuriant srauto gamybos sistemas, kurios loginiu lygmeniu imituotų realius konkrečių objektų savaiminio surinkimo scenarijus. Po to bus ieškoma srauto gamybos sistemų elementų fizikinėje ir cheminėje elementų, dalyvaujančių savaiminio surinkimo, struktūroje. Didžiausias pasirengimas tokioms programoms yra augalų virusų tyrimų srityje. .

Jei kas nors mano, kad Donecko universiteto studentas N.V. Rebrovas čia parašė nesąmones, cituoju medžiagą, kurią skaičiau prieš 20 metų ir kurią citavau savo knygoje "Gyvenimo geometrija" .

Yra labai svarbus Sovietų Sąjungos pastebėjimas apie organinių struktūrų „automatinį surinkimą“. Akademikas V.A. Engelhardtas(1894-1984).

Štai ką jis rašo apie šį reiškinį straipsnyje „Apie kai kuriuos gyvenimo atributus: hierarchiją, integraciją, „atpažinimą“.(Straipsnis publikuotas rinkinyje: „Filosofija, gamtos mokslas, modernybė“, Maskva, „Mysl“, 1981).

„Atpažinimo“ ir tuo pačiu integravimo reiškiniai ypač ryškia, beveik vizualiai suvokiama forma (jei pasitelkiate elektroninį mikroskopą) išreiškiami vadinamojo supramolekulinių struktūrų savaiminio susijungimo procesais, pavyzdžiui, virusai ir fagai, ribosomos arba sudėtingos struktūros fermentų dalelės. Daugelis tokio pobūdžio procesų jau buvo išsamiai ištirti. Jie iš esmės susiveda į tai, kad jei sudėtingas, daugiakomponentis objektas vienu ar kitu švelniu būdu dirbtinai suskaidomas į sudedamąsias dalis, izoliuojamas vienas nuo kito, o po to sumaišomas tinkamomis proporcijomis ir susidaro palankios sąlygos, tada jie spontaniškai suskaidomi. vėl surinkti į pradinį vientisumą. Jo naudingumą nesunkiai ir itin įtikinamai įrodo tai, kad atkuriama ne tik pirminė morfologinė struktūra, bet ir specifinės biologinės savybės, pavyzdžiui, katalizinis aktyvumas fermentuose, infekcinės savybės virusuose ir kt.

Kaip jūs visi, draugai, suprantate aprašytų procesų eigą? "pripažinimas" Ir savarankiškas surinkimas molekulines struktūras į kažką „visa“ ir tuo pačiu animacinis, animacinis(!), neįsivaizduojamas be procesų mikropasaulio informacijos ir energijos sąveika su makrokosmu. Kaip vyksta šis makro ir mikro pasaulio informacijos ir energijos sąveikos procesas, gana aiškiai aprašė sovietų mokslininkas, profesorius Aleksandras Leonidovičius Chiževskis (1897–1964), naujo mokslo kūrėjas. " heliobiologija".

„Organinio pasaulio raidos procesas nėra savarankiškas, autochtoninis procesas, uždaras savaime, o yra antžeminių ir kosminių veiksnių, iš kurių pastarieji yra svarbiausi, nes jie lemia organizmo būklę, veikimo rezultatas. antžeminė aplinka.Bet kuriuo momentu organinis pasaulis yra kosminės aplinkos įtakoje ir jautriausiai savyje, savo funkcijose atspindi kosminėje aplinkoje vykstančius pokyčius ar svyravimus. Mes galime lengvai įsivaizduoti šią priklausomybę, jei prisiminsime, kad net nedidelis mūsų Saulės temperatūros pokytis turėjo sukelti pasakiškiausius, neįtikėtiniausius pokyčius visame organiniame pasaulyje. O tokių svarbių faktorių kaip temperatūra labai daug: kosminė aplinka atneša mums šimtus skirtingų jėgų, kurios nuolat kinta ir karts nuo karto svyruoja. Vien tik elektromagnetinę spinduliuotę, sklindančią iš Saulės ir žvaigždžių, galima suskirstyti į labai daug kategorijų, kurios skiriasi viena nuo kitos bangos ilgiu, energijos kiekiu, pralaidumo laipsniu ir daugybe kitų savybių...“

Galiu tik pridurti: panašiai kaip žmonės gimsta Gamtoje pagal principą "savirinkimas"įvairūs virusai ir fagai, taip pat pagal „savaiminio susikaupimo“ vandenyne principą pasaulinė transliacija, kurį senovės išminčiai pagrįstai laikė gyvybės lopšys o šilumos ir šviesos paskirstymo terpė – gimė visa gyvybė apskritai. Norint suprasti šią informaciją, rekomenduočiau atsižvelgti į tai, kad spontaniška kartaŽemėje atsiranda sudėtingų gyvybės formų retkarčiais ir šie evoliuciniai procesai, matyt, yra susiję su pasaulinio masto kataklizmais, pavyzdžiui, Žemės ašigalių pasikeitimu ar milžiniškų asteroidų kritimu į Žemę. Gamtoje niekas nevyksta atsitiktinai, viskas yra natūralu, todėl bet kokia pasaulinis procesas būtinai susijęs su kažkuo kitu pasaulinis procesas. O kai ką miršta planetiniu ar net kosminiu mastu, kažkas kita gimes Tuo pačiu metu.

kuri žada galimybę atominiu tikslumu valdyti medžiagų struktūrą ir dalių savybes.

Ir čia yra koi imaras, kurį Drexleris pavadino „pilkomis gleivėmis“. Kas atsitiks, jei vienoje iš šių autonominių nanofabrikų kažkas suges technologijų valdymo mechanizme, o i-nomachines nustos gaminti naudingas nanomuseles, o pradės tiesiog kurti save iš naujo? Atsiras kažkoks dirbtinis padaras, toks mažas, kad jį pastebėti ir sunaikinti bus labai sunku. Jis gali lengvai išplisti, jei pavyksta patekti į aplinką, ir vienintelis dalykas, kurį ji padarys, yra panaudoti visas planetos medžiagas nanostruktūrinių „dulkių“ arba „dumblių“ gamybai (glebės yra baisesnės, todėl šis scenarijus tapo dažnesnis ). Palaipsniui gyvoji ir negyvoji gamta bus „sugraužta“ ir perdirbama į gleives.

Molekulinis savęs surinkimas, gyvas ir negyvasis

Pirmiausia reikia atskirti dirbtines technologijas nuo gyvosios gamtos. Nes gyvojoje gamtoje tai yra procesas! molekulinis savęs surinkimas yra makrosistemų savaiminio dauginimosi pagrindas. Baltymų molekulių gebėjimas specifiškai ir selektyviai jungtis prie kitų molekulių yra pagrindinė savybė, kuri yra visų gyvoje ląstelėje vykstančių procesų pagrindas. Žmogaus genome yra dešimtys tūkstančių baltymų struktūrų. To pakanka aprūpinti ląstelę statybinėmis medžiagomis, kad ji galėtų išgauti energiją iš didelės energijos junginių, keistis sudėtinga signalų sistema su kitomis kūno struktūros ląstelėmis ir pan.

Tai reiškia, kad nanofabrikų pavyzdžiai, galintys egzistuoti autonomiškai ir daugintis remdamiesi molekuliniu savarankiškumu, yra visos gyvos būtybės.

Žinome pakankamai, kad galėtume pasakyti, kad bet kurio gyvo organizmo augimas ir vystymasis yra molekulinė savaime. Tačiau mes dar per mažai žinome, kad sukurtume panašią sistemą iš dirbtinių medžiagų ir kad ji veiktų

Paviršiaus nanostruktūrų formavimosi savaiminio organizavimo būdu pavyzdžiai:

a) Šios silicio plokštelės salelės yra 0,3–0,6 nm aukščio. Vaizdas ir pavyzdys suteiktas E.E. Rodyakina, S.S. Kosolobovas, D.V. Ščeglovas, A.V. Latyševas. institutas

Puslaidininkių fizika SB RAS, Rusija;

b) Sutvarkytų piramidinių salelių masyvas ant germanio-silicio pagrindo. Nuotrauką gavo M.V. Shalev, Mikrostruktūrų fizikos institutas RAS, Nižnij Novgorodas, Rusija. Pavyzdį pateikė A.V. Novikovas, N. Yu. Šulešovas, M.V. Šalajevas, institutas

mikrostruktūrų fizika RAS

Šiandien mokslininkai žino tūkstančius molekulinės sąveikos reakcijų, pagrįstų savaiminio susijungimo principu. Daugelis jų buvo sumodeliuoti ir išsamiai ištirti. Tačiau gyvoje ląstelėje vyksta daugybė milijonų tarpmolekulinių reakcijų ir visos jos vyksta kryptingai. Šiandien neįmanoma įsivaizduoti, kad kas nors galėtų sukurti dirbtinį gyvos ląstelės analogą ar net virusą – paprasčiausią sistemą, galinčią savarankiškai daugintis. Teoriškai tai įmanoma, BET tai yra daugelio dešimtmečių mokslinių tyrimų perspektyva.

Ką dabar galima padaryti naudojant savaiminį molekulių surinkimą?

Galima sukurti pavienes nanostruktūras ir nanoprietaisus. Jie negalės atgaminti patys ir bus labai brangūs gaminti, tačiau jų buvimas makro įrenginyje gali iš esmės pagerinti technines charakteristikas ir vartotojų savybes.

Kalbame apie MEMS technologijas

Taip atrodo šiandien gaminami NEMS elementai

ir NEMS (mikro ir nanoelektromechaninės sistemos). Pavyzdžiui, NanoFab 100 platformos kompleksai leidžia didelio vakuumo sąlygomis perkelti kristalinio silicio plokšteles iš vieno technologinio modulio į kitą ir paeiliui sukurti įvairias nano dydžio struktūras. silicio. Šiuo atveju svarbų vaidmenį atlieka savaiminio surinkimo technologijos, pavyzdžiui, epitaksinių monoatominių sluoksnių augimas. Jie leidžia formuoti nanostruktūrinius ruošinius – labai taisyklingas, tiksliai nurodytas savybes.

Tačiau gaminant galutinę dalį ar prietaisą integruotas požiūris yra labai svarbus: turėdami tobulą ruošinį, turime sugebėti nukreipti į jį nanolokalų poveikį. Ir čia kyla klausimas:

Kaip pamatyti ir išmatuoti?

Taigi, savaiminis molekulių surinkimas yra vienas iš būdų sukurti nanostruktūras. 11o tam, kad sukurtas struktūras būtų galima panaudoti realiuose gaminiuose, reikia turėti įrankius, kurie leistų matyti nano dydžio objektus, išmatuoti jų fizines ir chemines savybes bei apskritai kontroliuoti jų kūrimo ir įdėjimo procesą