Рідко кого зараз здивуєш новиною про розроблення робота-пилососа, робота-собаки чи робота-посудомийки. Однак нобелівські лауреати 2016 року в галузі хімії перевершили багато очікувань у сфері роботобудування - американець Фрезер Стоддарт, француз Жан-П'єр Саваж і голландець Бернард Ферінга спроектували та синтезували унікальних нанороботів, що складаються з молекул. Учені прогнозують, що вже через 20 років штучні молекулярні машини, у 100 разів тонші за людську волосину, лікуватимуть нас з вами.
Нанороботи – мініатюрні роботи розміром менше 100 нм, які можуть рухатися, обробляти та передавати інформацію, а також виконувати задані програми.
З чого складатимуться молекулярні роботи?
Зазвичай атоми в молекулі з’єднані за допомогою хімічних зв’язків. Але вчені, що працюють у галузі надмолекулярної хімії, створили новий хімічний зв’язок. Найчастіше сучасні хіміки для створення наномеханізму використовують геометричний спосіб.
Саме так учинив професор Північно-Західного університету (штат Іллінойс) Фрезер Стоддарт ще в 1991 р., на початку своїх наномолекулярних досліджень: він узяв одну молекулу у вигляді стрижня і надів на неї іншу – у вигляді кільця. Вчений продемонстрував, що кільце обертається навколо своєї осі на зразок шестірні. Так, з’явилася молекула ротаксана (назву утворено з двох слів: rotor – «обертання» та axis – «вісь»).
Малюнок 1: Ротаксана
Учених, що здійснюють наномолекулярні дослідження, зараз часто порівнюють з розробниками електричних моторів. Повільно, та впевнено фанати своєї справи – хіміки з різних куточків планети «будують» хімічні примітивні нанороботи, що нагадують частини сучасних машин.
Хіміки сподіваються, що, запустивши наноробота в тіло людини, можна буде доставляти ліки в чітко обумовлені зони, знаходити ракові клітини, а в майбутньому по черзі підліковувати всі органи людини, забезпечуючи, у такий спосіб, здорове та довге життя.
Історія створення перших нанороботів
Перші примітивні молекулярні механізми були створені ще 1967 р. співробітником компанії DuPont Чарльзом Педерсеном. Учений випадково створив молекулу, в якій одна частина механічно утримується другою. Такий механізм було названо краун-ефіром. За це Педерсен у 1987 р. отримав Нобелівську премію з хімії. Та все-таки цей пристрій не можна було назвати повністю механічним, тому що зв’язок доповнювали атоми кисню та лужні метали.
Малюнок 2: Краун-ефір
Першу повноцінну нанодеталь створив Жан-П’єр Саваж, почесний професор Страсбурзького університету. У 1983 р. він поєднав кільцеві молекули в ланцюг, який назвав катенаною (латинське слово catena означає «ланцюг»). Поєднав не хімічно, а механічно – так, що вони могли рухатися. Згодом це дослідження доповнив Стоддарт, про ротаксану якого йшлося вище.
Малюнок 3: Катенани
У 1999 р. Бернард Ферінга, професор Гронінгенського університету, зробив просто неймовірне – він сконструював цілий наномотор. За його допомогою хімік обертав циліндр, що був у 10 тис. разів більший за мотор. Згодом учений виготовив наноавтомобіль на чотирьох колесах, який по-справжньому їздив. В основі мініатюрного автомобіля – молекулярні осі з коліщатками.
Малюнок 4: «Наноавтомобіль»
У 2004 р. Фрезер Стоддарт зумів шляхом незвичайного збирання створити суперскладну молекулу – мініатюрну копію кілець Борромео (три кільця, попарно протягнуті одне в одне), що складалася з 18 частин.
Малюнок 5: Молекулярні кільця Борромео
Члени Нобелівського комітету порівняли розробки Саважа, Стоддарта та Ферінги зі створенням першого електродвигуна в 1830 р. Мовляв, за значущістю вони не поступаються один одному. Електродвигуни перевернули устрій людського життя, і від молекулярних машин тепер чекають того ж.
Як нанороботи змінять світ
Основною сферою нанороботів, на думку сучасних учених, має стати медицина. Очікується, що через кілька десятків років молекулярні машини виконуватимуть такі функції:
- діагностувати рак, а також цілеспрямовано «вбивати» ракові клітини, доставляючи ліки прямо в ціль (не пошкоджуючи інші ділянки організму);
- використовуватимуться як біомедичний інструментарій;
- допомагатимуть проводити хірургічні операції;
- спостерігати за хворими (наприклад, вести постійний моніторинг хворих на діабет).
Медицина – не єдина галузь, у якій можна використовувати нанороботів. Очікується, що молекулярні машини використовуватимуть у військових цілях (за аналогією з тим, як можна було побачити у фантастичних фільмах Термінатор 2: Судний день, Термінатор: Генезис, День, коли зупинилася Земля, Кидок кобри, Перевага). Також прогнозують, що молекулярні роботи стануть незамінними в космічних дослідженнях.
Потенційні страхи
Нанотехнології викликають у вчених не тільки захоплення, а й страх. Дехто боїться «повстання машин» – виходу з-під контролю. Якщо програма зіб’ється, замість того, щоб допомагати людству, нанороботи буквально можуть «з’їсти» організм ізсередини. Невелика група вчених вважає такий сценарій кінця світу цілком реальним.
Заспокоїти «панікерів» узявся Бернард Ферінга. Він заявив, що наномашини не повинні вийти з-під контролю, адже вони не можуть працювати самостійно, а потребують постійного енергетичного підживлення. Майбутньому поколінню вчених нобелівський лауреат пропонує подумати, як зробити наномашини безпечними. Хімік вірить і сподівається, що завдяки нанороботам людство вийде на новий рівень розвитку.
