Нановойны вчених і бізнесменів. Як нанобетон трохи не обігнав молекулярні машини

Мова йде не про конкуренцію між колективами дослідників, яка завжди була стимулом прогресу. Ця історія швидше про те, як один науковий напрям за підтримки зацікавленої великого бізнесу відсунуло від фінансування і ледь не поховав протилежне науковий напрямок, хоча саме воно, на відміну від першого, здатне призвести до проривних досягнень як комп'ютерних, так і в медичних технологіях.

Вниз або вгору

Слова про двох протилежних наукових напрямках — в даному випадку вираз не фігуральний, а буквальне. Ці два напрямки називаються низхідним і висхідним, у відповідності з обраними ними шляхами досягнення нанорозмірів.

Нагадаємо, що поняття "нанотехнології" означає технології, що працюють з нанобъектами, т. е. об'єктами нанометрових розмірів. Нанометр (нм) — це мільярдна частина метра. Звичайні молекули мають розмір менше 1 нм (наприклад, діаметр молекули води становить близько 0,3 нм). Тому створювати нанообъекты можна двома способами.

Низхідний напрям бере якісь дорогі штучно вирощуються мікрокристали, дробить їх на наночастинки і використовує останні у вигляді нанодобавок до звичайного дешевого матеріалу. В результаті виходить більш дорогий матеріал порівняно з початковою, але і (якщо, звичайно, технологія вдала) більш якісний. Типовий продукт низхідних нанотехнологій — нанобетон, що представляє собою звичайний бетон з додаванням (в різних варіаціях) наночастинок оксиду кремнію та діоксиду титану, вуглецевих нанокластерів і нанотрубок і т. п.

Висхідний напрям починає з окремих атомів або молекул і намагається скомбінувати з них більш складні об'єкти. У 1987 р. успіхи в цьому напрямку були удостоєні Нобелівської премії з хімії. Премію з формулюванням "за розробку та використання молекул з структурно-специфічними взаємодіями високої вибірковості" отримали американці Джон Чарлз Педерсен (1904-1989), Доналд Джеймс Крам (1919-2001) і француз Жан-Марі Лен (р. у 1939 р.). Нову науку Жан-Марі Лен назвав супрамолекулярної (тобто надмолекулярної) хімією.

Тут типовим прикладом є комплекс "гість — господар" у вигляді дрібної молекули, поміщеної всередину великої молекули. Такі комплекси дуже цікавлять медиків. Хазяйська молекула може бути побудована з абсолютно нешкідливою для людини глюкози, для цього годяться давно відомі циклодекстрини — "глюкозні бублики" діаметром 1,4–1,7 нм. А як молекули-гостя може використовуватися ліки або протипухлинний препарат. Медики сподіваються, що подібний нанокомплексів можна буде оснастити засобами розпізнавання хворих клітин, і тоді він перетвориться в "самонавідну боєголовку".

Втім, наша розповідь все ж не про технології, а про боротьбу за гроші.

Початок наносоревнования

У 1989 р. перед науковцями відкрилися ще ширші перспективи, ніж ті, які обіцяла супрамолекулярна хімія. Американський фізик Дональд Эйглер, працював у дослідницьких лабораторіях компанії IBM в Альмадені, штат Каліфорнія, знайшов нове застосування скануючого тунельного мікроскопу, винайденому в 1981 р. (його творці, німець Герд Бинниг і швейцарець Генріх Рорер, одержали Нобелівську премію по фізиці за 1986 р.). Эйглер довів, що цей мікроскоп дозволяє не тільки "бачити" атоми і молекули, але й маніпулювати окремими атомами і по одному приставляти їх один до одного. Став можливий абсолютно новий технологічний підхід: звернення з атомами, немов зі стандартними заводськими деталями, та конструювання з них молекулярних машин, здатних виконувати приблизно ті ж завдання, що і механізми звичних нам розмірів.

Щоб довести, що атомами можна маніпулювати, Эйглер написав "IBM", виклавши букви 35 атомами ксенону. Ця картинка облетіла весь світ. Звістка про успіхи американця дійшла до Японії і викликала у тамтешніх вчених гостру заздрість. Директор компанії Hitachi зажадав від наукових співробітників Центральної науково-дослідної лабораторії Hitachi (HCRL) навчитися писати атомами. Але дотепні японці, замість того щоб виводити букви на поверхні металу, виставляючи на ній атом за атомом, вирішили знімати атоми, теж по одному, з поверхні напівпровідникової підкладки — літери викладалися не з атомів, а з дірок, що залишилися після видалення атомів. На напис "IBM" японці відповіли цілим гаслом "РЕАСЕ'91 HCRL".

Це змагання отримало продовження. У червні 1992 р. тодішній сенатор від штату Теннессі Альберт Гор організував слухання в сенаті на тему "Нові технології для сталого розвитку". Виступали кращі американські фахівці, в тому числі Ерік Дрекслер — автор книги "Машини творення: Прийдешня ера нанотехнології", що вийшла в 1986 р. і пользовавшейся шаленим успіхом (вона була переведена на шість мов, включаючи японську і китайську). Але якщо до моменту написання книги сама можливість маніпуляції окремими атомами, що вимагається для створення нанопроцессоров та інших наномашин, представлялася чистою фантазією, то на слуханнях у сенаті Дрекслер спирався на вже наявні досягнення.

Мова його вразила слухачів тверезістю і навіть сухістю. Законодавці дізналися, що, пересуваючи атом за атомом, можна побудувати машину і що подібні прийоми молекулярного машинобудування обіцяють з часом перетворитися в таку технологію, яка виявиться надійніше і дієвіше всіх нинішніх технологій. А щоб зачепити національну гордість і звернутися до духу суперництва, Дрекслер повідомив, що японці вже асигнували солідні суми на дослідження маніпуляцій з одиночними атомами.

Обміркувавши почуте, Гір підтримав Дрекслера. Була створена група лобістів нанотехнології, причому термін "нанотехнологія" тоді розумівся в однині — як технологія маніпулювання окремими атомами. Тим часом — Дрекслер правду казав — японський уряд вже фінансував програму досліджень, в ході якої японці повинні були навчитися маніпулювати атомами і тим самим забезпечити майбутнє своєї мікроелектронної промисловості.

У листопаді 1992 р. Білл Клінтон був обраний президентом, Ал — віце-президентом. Турботи про нові технології Клінтон поклав саме на Гора. Здавалося б, лобісти нанотехнології приречені на успіх.

Як народилася наномода

Під керівництвом Гора була зроблена реорганізація науково-дослідних робіт у США з різким збільшенням їх фінансування з державного бюджету. Зрозуміло, це викликало інтерес підприємливих людей, які не обійшли увагою і нанотехнологію. Правда, займатися молекулярним конструюванням вони не хотіли. Для них набагато простіше було домогтися підміни висхідної нанотехнології, пропагандировавшейся Дрекслером, нанотехнологіями спадними, яких при бажанні можна було придумати безліч.

Промислове лобі знайшло свого глашатая і стійкого прихильника в особі Майкла Роко, який з 1990 р. керував відділом проектування і розробок Національного фонду науки (NSF). Довгих п'ять років він наполегливо боровся за право визначати вигляд американських нанотехнологій. На його погляд, нанотехнологія у версії Дрекслера нездійсненна. Нанотехнології, вважав Роко, містять всі технології мініатюризації, більш або менш наближаються до шкали, що вимірює відстані в нанометрах.

У 1995 р. Роко досяг вирішальної перемоги. За його ініціативи було прийнято рішення розпочати дослідження наночастинок, а також наноматеріалів, які, можливо, вдасться отримати по ходу цих робіт. Зелений світло цією програмою дав директор NSF Ніл Лейн, який у 1998 р. став радником Клінтона по науці.

На початку 1997 р. на зв'язок з Роко вийшов радник Клінтона з економічних питань Тому Каліл. Його цікавили економічні вигоди від нанотехнологій. Каліл допоміг Роко сформувати робочу групу, яка за два роки створила проект, який вилився в Національну нанотехнологічну ініціативу (NNI). Президент Клінтон офіційно оголосив про цю програму в січні 2000 р. В перших рядках переліку наукових тем, за що бралася NNI, значилися мікроелектроніка, обчислювальна техніка, біотехнології (їх, правда, перехрестили з цієї нагоди в нанобіотехнології). Маніпулювання атомами, молекулярна електроніка і досвідчені зразки молекуломашин були скинуті в самі нижні рядки, в підвал списку, і фактично залишилися за бортом фінансування.

Наномода в Європі

Поява NNI викликав моду на нанотехнології в цілому світі. Як згадує французький фізик, директор з досліджень Національного центру наукових досліджень (CNRS) Крістіан Жоакім, Європейська комісія в Брюсселі і європейські країни кинулися в свої архіви: а раптом там, у купі документів, що нагромадилися за 1990-ті роки, знайдеться що-небудь, вкладається в рамки визначення, проголошеного NNI? Звісно, знайшлося чимало паперів та про нові матеріали, і про мікроелектроніку, і про мініатюризацію. Ці напрями наукових досліджень швидко висунулися, точніше, були висунуті на передову.

Наймоторніші з європейських дослідників скористалися нагодою і успішно вибивали додаткове фінансування. Якщо якась європейська лабораторія мікроелектроніки або мікротехнології побоювалася за своє майбутнє, розуміючи, що джерела фінансування можуть вичерпатися, вона оголошувала себе центром нанотехнології, і цього виявлялося достатньо, щоб всі влаштовувалося найкращим чином. Отстававшей від життя хімічної лабораторії у Німеччині, Швейцарії чи Франції досить було додати до своєї назви "нано", щоб повернути собі колишню благоденство. А якщо лабораторії, яка вивчала або створювала нові матеріали, потрібно нове обладнання, вона отримувала кредити і гранти під проект, в назві якого згадувалися "нанодослідження".

"Все пішло так, як у США. Виникло ціле співтовариство вчених (щоб отримувати кредити і гранти, бажано, щоб прохачів грошей було побільше), які оголосили себе представниками "нанонауки" і які, по суті, закріпили імпортоване з США визначення нової наукової галузі, — говорить Крістіан Жоакім. — Успішні — насамперед як спосіб вибивання грошей — загальнонаціональні французькі нанотехнологічні програми під копірку переписували громіздку американську тематику: ярлик "мініатюризація" для мікроелектронної промисловості, ярлик "наноматеріали" для спільноти французьких хіміків, ну і ярлик "біотехнологія". Ці теми стали загальносвітовими".

Європейська комісія навіть обзавелася власною великою програмою, здійснення якої, під назвою "Нанотехнології, матеріали і процеси" (NMP), почалося в 2002 р. Ця програма вкрила все поле матеріалознавства, але не удостоїла хоча б рядком маніпуляції з атомами і молекулами.

Наноитоги

І все ж дослідження у висхідному напрямку не були поховані. В кінці 2006 р. в ЄС була прийнята програма "Інформаційно-комунікативні технології" (ICT), в якій вперше з усіх програм, сформульовані Єврокомісією, йшлося про маніпулювання атомами і використанні одиночних молекул. Роботи в цьому напрямку не припинялися ні в США, ні в Японії. Інша справа, що швидкість розвитку висхідної нанотехнології вийшла набагато нижче, ніж могла б бути при більш сприятливих умовах.

У 2016 р. були остаточно осоромлені ті, хто заявляв про неможливість створення молекулярних машин. Нобелівської премії з хімії саме з формулюванням "за проектування і синтез молекулярних машин" були удостоєні американець Фрейзер Стоддарт (нар. в 1942), француз Жан-П'єр Соваж (р. 1944) і нідерландець Бернард Феринга (р. у 1951).

Символічно (але зовсім не дивно), що Жан-П'єр Соваж отримав ступінь доктора філософії під керівництвом Жан-Марі Лена, який став нобелівським лауреатом у 1987 р. Близько 30 років, з 1979-го по 2009-й, Жан-П'єр Соваж був директором з досліджень CNRS.

Соваж зробив перший крок до створення наноавтомобилей — у 1983 р. він навчився всиляти одну кільцеву молекулу в іншу і таким чином конструювати наноколеса. Для обертання наноколес не потрібно ніяких спиць, втулок і мастил — їх роль з успіхом виконують сили хімічних зв'язків і законів мікросвіту. Але Соваж не тільки винайшов наноколеса, а ще й придумав технологію їх масового виробництва. Далі, у 1994 р. він навчився управляти наноколесом (приводити його в обертання, додавати обертів), підводячи до нього енергію. А в 2000 р. група Соважа зробила прорив в іншому напрямку — сконструювала з молекул еластичну структуру, яка нагадує волокна людських м'язів.

Фрейзер Стоддарт зробив другий найважливіший крок до створення наноавтомобилей — у 1991 р. сконструював ротаксан. Це молекулярне кільце на тонкій молекулярної осі, здатне не тільки обертатися навколо неї, але і рухатися вздовж неї. З 1994 р. група Стодарта, використовуючи різні ротаксаны, побудувала безліч молекулярних машин. Серед найдивовижніших можна назвати сконструйований в 2004 р. нанолифт, здатний підняти себе над поверхнею на висоту свого зростання, і створену в 2005 р. штучну м'яз, яка рухається завдяки ротаксанам, сгибающим дуже тонку золоту платівку. В партнерстві з іншими дослідниками Стоддарт також розробив на основі ротаксана комп'ютерний чіп з пам'яттю 20 кбайт, у порівнянні з яким навіть самі крихітні транзистори сучасних комп'ютерних чіпів виглядають справжніми гігантами. І не виключено, що молекулярні комп'ютерні чіпи так само революціонізують IT-галузь, як це зробили свого часу транзистори на основі кремнію.

Бернард Феринга в 1999 р. винайшов молекулярний мотор, здатний обертатися в заданому напрямку. У 2014 р. група Феринги довела швидкість двигуна до 12 млн оборотів в секунду. Ця ж група в 2011 р. створила чотириколісний наноавтомобіль. Його колеса, скріплені молекулярним шасі, служать також і двигунами. Ще один рекорд групи Феринги — вона зуміла з допомогою молекулярних моторів обертати скляний циліндр, за розміром перевершує самі мотори в 10 тис. разів.

28-29 квітня 2017 р. CNRS організовує в Тулузі Nanocar Race — першу міжнародну гонку молекулярних автомобілів. Змагання буде транслюватися в прямому ефірі. Крім французів у гонці візьмуть участь австрійці, американці, німці, швейцарці та японці.

А як в Україні

В Україні є і хіміки, фізики, здатні створювати молекулярні машини. Є навіть і необхідне обладнання.

Що стосується хіміків, то, наприклад, в Одесі в Фізико-хімічному інституті ім. Олексія Богатського НАН України над цією темою працювали член-кореспондент НАНУ Микола Лук'яненко та його учні — доктор хімічних наук Тетяна Кириченко і кандидат хімічних наук Олександр Ляпунов. Вони зробили свій внесок у дизайн і синтез молекулярних машин на основі краун-ефірів, синтезували й вивчили нові типи супрамолекулярних машин, які можуть змінювати забарвлення при молекулярних рухах.

Цей же інститут і ряд інших інститутів НАНУ та українських внз в 2005-2012 рр. брали участь у великому європейському дослідницькому проекті SupraChem. Крім спільних наукових досліджень, у рамках цього проекту в Києві, Одесі, Харкові і Львові було проведено ряд наукових конференцій, семінарів, шкіл, на яких виступали з доповідями нобелівські лауреати Жан-Марі Лен і Жан-П'єр Соваж як співучасники SupraChem. Жан-Марі Лен був обраний іноземним членом НАНУ, удостоєний звання почесного доктора Київського національного університету ім. Тараса Шевченка та Національного університету "Львівська політехніка".

Що стосується фізиків, то дорогою скануючий зондовий мікроскоп виробництва США ще в 1998 р. з'явився в Києві, в Інституті фізики напівпровідників ім. Вадима Лашкарьова НАН України. Він був придбаний на кошти, виділені для виконання однієї з державних науково-технічних програм. З допомогою лазерного пінцета можна переміщати атоми з місця на місце і таким чином займатися атомним конструюванням. Створено центр колективного користування цим приладом.

Однак, незважаючи на все це, для українських фізиків і хіміків конструювання молекулярних машин — майже недоступне задоволення. З тієї простої причини, що воно не ввійшло в число пріоритетів цільової комплексної програми фундаментальних досліджень НАН україни "Фундаментальні проблеми наноструктурних систем, наноматеріалів, нанотехнологій" на 2010-2014 рр. та її продовження — програми "Фундаментальні проблеми створення нових наноматеріалів і нанотехнологій" на 2015-2019 рр ..

У цих програмах основну увагу було приділено нанотехнологій спадного напрямки або взагалі проектам, що мають до нанонауке лише непряме відношення. Втім, не варто в цьому звинувачувати НАНУ: вона вибиває гроші так, як вміє. Українські політики часто в науці не розбираються, але моду на нанотехнології від західних колег (таких же профанів) перейняли. Ось і впихає НАНУ в свої програми все, до чого можна прикріпити ярлик "нанодосліджень".

При цьому політики звикли вимагати швидкої віддачі у вигляді технологій і матеріалів, які можна застосувати в промисловості, будівництві, інших галузях економіки. Атомне конструювання і молекулярні машини — це явно не те, що обіцяє практичні застосування в найближчі кілька років. А далі наші політики заглядати не вміють.