Самосборка

Молекулы такие маленькие, что в обычные микроскопы их не видно, и ученые, поэтому не имеют возможности применять к ним обычные методы. Зато они могут заставить молекулы самоорганизовываться. С помощью самосборных структур можно создавать малюсенькие приспособления и приборы, прямо-таки сошедшие со страниц научно-фантастических книг.

Если б вам понадобилось сделать себе ложку, вы бы как за это взялись? Что пришло бы вам на ум первым делом? Поискали бы кусок металла какой-нибудь или, может, ветку дерева и отбили бы или обтесали до нужной формы? Таков, вероятно, очевиднейший способ — но не единственный. Другой — возможно, поначалу он может показаться скучнее, — собрать много-много мелких кусочков металла или деревянных щепок и как-то соединить их между собой, чтобы получилась ложка.

Первый метод химики называют «подходом сверху». Берем кусок материала, убираем все лишнее и придаем ему нужную форму. Второй метод — противоположный, «подход снизу»: не усечением большого куска, а сборкой из маленьких. Такой способ вроде бы страшно трудоемкий, однако вообразите: не вам придется собственноручно эти кусочки сцеплять, а они сцепятся как надо сами. Все сразу упрощается.

Как по волшебству

Примерно это и происходит при молекулярной самоорганизации, только в очень маленьких масштабах. В природе ничего «сверху» не делается. Древесина, кость, паучье волокно — все эти материалы созданы сами собой, молекула к молекуле. При образовании внешней мембраны клетки, например, частицы жиров, образующие мембрану, выстраиваются слоем, который окутывает всю клетку.

Если бы нам удалось разработать предметы, которые бы сами себя собирали, как в природе, «снизу», это было бы самое настоящее колдовство — как в фильмах про Гарри Поттера, когда довольно заклинания и взмаха волшебной палочки — и все встает на свои места. Мы бы могли создавать компьютерные чипы молекула к молекуле, такими крохотными, что удалось бы вместить вычислительную мощь всей НАСА в мобильный телефон — ну почти. Мы бы создавали медицинские машинки, способные проникать к нам в тело и там вычищать из артерий мусор, диагностировать рак или доставлять лекарство прямо к очагу инфекции.

Все это, может, и кажется чересчур сказочным, но кое-что из перечисленного уже происходит. В лабораториях по всему миру ученые предлагают все новые самосборные схемы, в которых частицы собираются вместе сами собой. Их либо приводят к месту назначения специальные матрицы или схемы, созданные более привычными методами «сверху», или же структуры, образования которых ждут от частиц вещества, заложены в самих частицах. Такие схемы — обыкновенно разработки нанотехнологов. Самособирающиеся материалы можно применять при создании чрезвычайно тонких слоев специализированных покрытий, а также очень-преочень маленьких приборов. Материалы и структуры, которые создают нанотехнологи, невероятно малы, это масштабы одной миллионной миллиметра, и поэтому разумно собирать их именно молекула к молекуле и не применять инструменты прямо-таки исполинского размера.

Складываем как оригами

Ясно, что нормальных размеров ложку таким способом собирать никто не будет, но, если бы потребовалась ложка наноразмеров, такой способ очень пригодился бы. Ученые из Гарвардского университета США пошли еще дальше. В 2010 году они сделали нечто, названное знаменитым химиком Уильямом Ши «маленькими швейцарскими ножиками» из самоорганизующихся молекул. Ученые подглядели, как это делается в природе: взяли нити ДНК, которые сами умеют складываться в трехмерные структуры. Эти конструкции больше походят на маленькие каркасы для палатки, с распорками и растяжками невероятной силы и жесткости, а не на складные ножики. Ученые смогли точно определить нужное им устройство такой самосборной структуры путем создания особого шифра ДНК, чтобы молекулы гнулись и складывались лишь в определенных местах.

Это совсем не первый пример наноинженерного решения с использованием ДНК: исследовательская группа воспользовалась уже накопленным опытом в искусстве, именуемом «ДНК-оригами». И хотя никакого очевидного практического применения у молекулярных «палаток» нету, аналогия с оригами подсказывает, какие тут вообще могут быть богатые возможности. Один и тот же листок бумаги можно сложить в красивую птичку или в жалящего скорпиона — у ДНК те же способности принимать уйму разных форм; от исследователя требуется лишь правильно подобрать последовательность аминокислот.

«Есть разница: построить что-то в наномасштабах, молекула за молекулой, применяя при этом соответствующий нанопинцет, - и дать молекулам делать то, с чем они отлично справляются, то есть самоорганизовываться...» Джон Пелеско (р. 1968), американский математик

Ши и его группа — биоинженеры. Они работают с биоматериалами и пытаются решать биологические задачи. Они вознамерились строить свои каркасные структуры внутри человеческого организма, благо это позволяет биологическая совместимость. Жесткость и прочность таких структур может оказаться полезной в восстановительной медицине, при починке или замене поврежденных тканей или органов: можно применять эти структуры как лабораторно произведенные из самой живой ткани строительные леса. Меж тем ученые-электронщики с помощью других подобных материалов собирают самоорганизующиеся схемы для крошечных датчиков и новых недорогих приборов.

Искусство в науке

Как метод самосборка смахивает на волшебство, но чтобы заставить такие системы работать, нужен очень умелый ученый. Говоря строго, самосборка — это, в общем, даже не метод. Это нечто, происходящее уже после того, как все самое трудоемкое уже позади. Настоящее искусство — придумать такие молекулы, материалы и приборы, чтобы самосборка произошла. Ученые не ложки делают — они придумывают материалы, из которых ложки будут делаться сами.

Самосборные мономолекулярные слои

Эти слои толщиной в одну молекулу упорядочены по поверхности. Впервые самосборный мономолекулярный слой был получен в 1980-х - сначала из алкилсиланов, затем из алкантиолов. Сера в молекуле алкантиола имеет сильное сродство к золоту и золотой поверхности и потому «прилипает». Особо обустроив остальную часть органической молекулы, можно создавать тонкие пленки с различными химическими свойствами. К примеру, в такие пленки можно организовывать антитела или ДНК, и они будут полезны в медицинской диагностике.

Самосборка в жидких кристаллах

Молекулы в большинстве современных телевизоров находятся в жидкокристаллической фазе, и в этой фазе есть некоторая упорядоченность в сочетании с текучестью, как у жидкостей. Молекулы сами собой организуются определенным образом, а приложение электрического поля этот порядок меняет, и мы видим меняющуюся картинку на экране. Ученые обнаружили много природных материалов, которые ведут себя как жидкие кристаллы и умеют самоорганизовываться. К примеру, вещества, из которых состоят жесткие ворсинки у некоторых насекомых и ракообразных, судя по всему, образуют жидкокристаллические самоорганизующиеся массивы.

Новые способы управления самоорганизацией таких веществ могут оказаться интересными при создании передовых материалов. В одном исследовании 2012 года канадские ученые показали, что кристаллы целлюлозы, получающиеся из сосновой древесины, могут образовывать переливчатую пленку, в которой при переменных условиях освещения можно кодировать информацию. А еще из жидкокристаллической целлюлозы можно делать малюсенькие «паровые двигатели», работающие от влаги в воздухе. Влага меняет организацию кристаллов в целлюлозной пленке, из которой сделан приводной ремень, при этом ремень натягивается и тянет колесо, оно начинает вращаться.