Мало кого сейчас удивишь новостью о разработке робота-пылесоса, робота-собаки или робота-посудомойки. Однако нобелевские лауреаты 2016 г. в области химии превзошли многие ожидания в сфере роботостроения — американец Фрезер Стоддарт, француз Жан-Пьер Саваж и голландец Бернард Феринга спроектировали и синтезировали уникальных нанороботов, состоящих из молекул. Ученые прогнозируют, что уже через 20 лет искусственные молекулярные машины, размером в 100 раз тоньше человеческого волоса, будут лечить нас с вами.
Нанороботы — миниатюрные роботы, размером менее 100 нм, которые могут двигаться, обрабатывать и передавать информацию, а также исполнять заданные программы.
Из чего же будут состоять молекулярные роботы?
Обычно атомы в молекуле соединены с помощью химических связей. Но ученые, работающие в области надмолекулярной химии, создали новую химическую связь. Чаще всего современные химики для создания наномеханизма используют геометрический способ.
Именно так поступил профессор Северо-Западного университета (штат Иллинойс) Фрезер Стоддарт еще в 1991 г., в начале своих наномолекулярных исследований: он взял одну молекулу в виде стержня, и надел на нее другую — в виде кольца. Ученый продемонстрировал, что кольцо вращается вокруг своей оси наподобие шестерни. Таким образом, появилась молекула ротаксана (название образовано из двух слов: rotor — «вращение» и axis — «ось»).
Рисунок 1: Ротаксана
Ученых, занимающихся наномолекулярными исследованиями, сейчас часто сравнивают с разработчиками электрических моторов. Медленно, но уверенно фанаты своего дела – химики из разных уголков планеты «строят» химические примитивные нанороботы, напоминающие части современных машин.
Химики надеются, что, запустив наноробота в тело человека, можно будет доставлять лекарство в четко обусловленные зоны, находить раковые клетки, а в будущем и поочередно подлечивать все органы человека, обеспечивая, таким образом, здоровую и долгую жизнь.
История создания первых нанороботов
Первые примитивные молекулярные механизмы были созданы еще в 1967 г. сотрудником компании DuPont Чарльзом Педерсеном. Ученый случайно создал молекулу, в которой одна часть механически удерживается второй. Такой механизм был назван краун-эфиром. За это Педерсен в 1987 г. получил Нобелевскую премию по химии. Но все же данное устройство нельзя было назвать полностью механическим, потому что связь дополняли атомы кислорода и щелочные металлы.
Рисунок 2: Краун-эфир
Первую же полноценную нанодеталь создал Жан-Пьер Саваж, почетный профессор Страсбургского университета. В 1983 г. он соединил кольцевые молекулы в цепь, которую назвал катенаной (латинское слово catena означает «цепь»). Соединил не химически, а механически — так, что они могли двигаться. Позже это исследование дополнил Стоддарт, о ротаксане которого шлось выше.
Рисунок 3: Катенаны
В 1999 г. Бернард Феринга, профессор Гронингенского университета, сделал просто невероятное — он сконструировал целый наномотор. С его помощью химик вращал цилиндр, который был в 10 тыс. раз больше мотора. Позже ученый изготовил наноавтомобиль на четырех колесах, который по-настоящему ездил. В основе миниатюрного автомобиля — молекулярные оси с колесиками.
Рисунок 4: «Наноавтомобиль»
В 2004 г. Фрезер Стоддарт сумел путем необычной сборки создать суперсложную молекулу — миниатюрную копию колец Борромео (три кольца, попарно продетые друг в друга), состоящую из 18 частей.
Рисунок 5: Молекулярные кольца Борромео
Члены Нобелевского комитета сравнили разработки Саважа, Стоддарта и Феринги с созданием первого электродвигателя в 1830 г. Мол, по значимости они не уступают друг другу. Электродвигатели перевернули уклад человеческой жизни, и от молекулярных машин теперь ждут того же.
Как нанороботы изменят мир
Основной сферой нанороботов, по мнению современных ученых, должна стать медицина. Ожидается, что через пару десятков лет молекулярные машины будут выполнять такие функции:
- диагностировать рак, а также целенаправленно «убивать» раковые клетки, доставляя лекарство прямо в цель (не повреждая при этом другие области организма);
- использоваться в качестве биомедицинского инструментария;
- будут помогать проводить хирургические операции;
- наблюдать за больными (например, вести постоянный мониторинг больных диабетом).
Медицина — не единственная область, в которой можно использовать нанороботов. Ожидается, что молекулярные машины будут использовать и в военных целях (по аналогии с тем, как можно было увидеть в фантастических фильмах Терминатор 2: Судный день, Терминатор: Генезис, День, когда остановилась Земля, Бросок кобры, Превосходство). Также прогнозируется, что молекулярные роботы станут незаменимыми в космических исследованиях.
Потенциальные страхи
Нанотехнологии вызывают у ученых не только восторг, но и страх. Некоторые боятся «восстания машин» — выхода из-под контроля. Если программа собьется, вместо того, чтобы помогать человечеству, нанороботы буквально могут «съесть» организм изнутри. Небольшая группа ученых считает подобный сценарий конца света вполне реальным.
Успокоить «паникеров» взялся Бернард Феринга. Он заявил, что наномашины не должны выйти из-под контроля, ведь они не могут работать самостоятельно, а нуждаются в постоянной энергетической подпитке. Будущему поколению ученых нобелевский лауреат предлагает подумать, как сделать наномашины безопасными. Химик верит и надеется, что нанороботы позволят человечеству выйти на новый уровень развития.
