Tutkijat ovat jo pitkään luoneet ja kokeilleet erilaisia nanosäiliöitä laboratorioissa. Itse asiassa nämä ovat molekyylirakenteita, joiden tehtävänä on suorittaa kaikki hyödylliset toiminnot: esimerkiksi toimittaa lääkkeitä sairaaseen elimeen, tunnistaa patogeeni tai korjata jotain. Kun ensimmäiset "hyödylliset" nanorobotit ilmestyvät, auttavatko ne siirtämään Marsia ja muita planeettoja?
Näihin kysymyksiin vastaa Alankomaiden Groningenin yliopiston professori Ben Feringa. Vuonna 2016 hän voitti yhdessä ranskalaisen Jean-Pierre Sauvagen ja Scotsman Fraserin kanssa Nobel-palkinnon molekyylikoneiden suunnittelusta ja luomisesta. ”Nanomakesi ovat erittäin yleisiä elementtejä, kuten hiiltä, typpeä tai rikkiä. Voimmeko odottaa niihin eksoottisempia komponentteja - esimerkiksi harvinaisia maametalleja tai radioaktiivisia aineita?- Kysymykseen on erittäin vaikea vastata yhdestä yksinkertaisesta syystä: emme vieläkään tiedä, mitä tällaiset molekyylirakenteet voivat ja eivät pysty. Samanaikaisesti huolimatta suurista eroista nanomotoriemme, roottoriemme ja muiden elementtien rakenteessa, me kaikki - ryhmäni, Stoddart, Sauvage ja monet muut kollegat - työskentelemme edelleen yksinomaan orgaanisten molekyylien kanssa. Mikään ei tietenkään estä kuvittelemasta, että jotain tällaista voidaan luoda käyttämällä vain epäorgaanisia yhdisteitä. Esimerkiksi rakentaaksesi monimutkaisen yhteyden ja saadaksesi sen, kuten molekyylimoottorimme, pyörimään oman akselinsa ympäri. Kukaan ei kuitenkaan ole vielä koonnut sellaisia nanomoottoreita.
Syy on yksinkertainen. Lääkkeiden ja polymeerikemian kehityksen ansiosta olemme oppineet syntetisoimaan erittäin nopeasti ja hyvin monimutkaisia yhdisteitä, jotka koostuvat hiilivetyketjuista. Olen varma, että sama voidaan tehdä epäorgaanisilla yhdisteillä, mutta tämän tekemiseksi meidän on ensin ymmärrettävä, kuinka koota sellaiset molekyylit.
Radioaktiivisten isotooppien suhteen en usko, että niistä tulee koskaan osa nanomateriaaleja. Niiden epätavalliset ominaisuudet ja epävakaus tekevät niistä todennäköisesti sopimattomia työskentelemään osana vakaita molekyylijärjestelmiä, joissa energianlähteenä käytetään valoa tai sähköä.
Tässä suhteessa olemme kiinnostuneempia biologisista molekyylimoottoreista, joita satoja lajikkeita esiintyy ihmiskehossa. Ne ovat kaikki proteiinikoneita, joista monet sisältävät metalliatomeja.
Useimmiten heillä on avainrooli reaktioissa, jotka saavat nämä biomaiset liikkumaan. Siksi minusta vaikuttaa siltä, että metallikompleksien ja niitä ympäröivien orgaanisten yhdisteiden yhdistelmä näyttää lupaavimmalta.
Tänä vuonna juhlimme jaksotaulun 150. vuosipäivää. Voisitko selittää, kuinka tämä puolitoista vuosisadan saavutus auttaa sinua tekemään löytöjä tänään?
- Jaksotaulu ja siihen liittyvät luontaisuudet auttavat meitä aina arvioimaan, kuinka sen vieressä olevat erityyppiset atomit käyttäytyvät, ja ennustamaan joidenkin yhdisteiden ominaisuuksia.
Esimerkiksi joillakin moottorityypeillämme on sisäänrakennetut happiatomit. Pöydän ansiosta ymmärrämme, että rikki on ominaisuuksiltaan samanlainen kuin rikki, mutta samalla se on hiukan suurempi. Tämä antaa meille mahdollisuuden hallita joustavasti tällaisten molekyylikoneiden käyttäytymistä vaihtamalla happea rikkiin ja päinvastoin.
Mainosvideo:
Tämä ei tietenkään lopu ennustusominaisuuksiemme kanssa. Äskettäin on löydetty monia muita lakeja, joiden avulla voidaan ennustaa joitain nanosäilöiden ominaisuuksia.
Toisaalta epäilen, voimmeko luoda jotain jaksollista taulukkoa sellaisille nanorakenteille. Täällä meillä, jos se on periaatteessa mahdollista, ei ole tarpeeksi tietoa.
Joten voimme karkeasti ennustaa, kuinka erikokoiset, rakenteeltaan samanlaiset molekyylimoottorit käyttäytyvät, mutta emme voi tehdä tätä radikaalisti erilaisille järjestelmille tai suunnitella jotain tyhjästä ilman, että suoritamme kokeita.
Sanoitte äskettäin, että ensimmäiset täysimittaiset nanorobotit ilmestyvät noin viidenkymmenen vuoden kuluttua. Toisaalta vasta puolitoista vuotta sitten Ranskassa pidettiin tällaisten nanokoneiden ensimmäinen "kilpailu". Kuinka kaukana olemme itsenäisten nanolaitteiden syntymisestä?
- On ymmärrettävä, että kaikki nykyään olevat molekyylikoneet ovat rakenteeltaan ja tarkoitukseltaan erittäin primitiivisiä. Itse asiassa sekä automme, jonka kootimme vuonna 2011, että nämä "kilpa-autot" ei luotu tarkoituksena ratkaista mitään käytännön ongelmia, vaan tyydyttää uteliaisuus.
Sekä me että kollegamme kehitämme tällaisia laitteita ratkaisemaan hyvin yksinkertaisia ongelmia - yritämme selvittää, kuinka saada molekyylit liikkumaan toiseen suuntaan, pysäyttämään ja suorittamaan muut yksinkertaiset käskyt. Tämä on mielenkiintoinen, mutta silti puhtaasti akateeminen ongelma.
Seuraava vaihe on paljon vaikeampi ja vakavampi. On tärkeää ymmärtää, onko mahdollista saada heidät osallistumaan todella käytännöllisiin tehtäviin: tavaroiden kuljettamiseen, monimutkaisempiin rakenteisiin kokoamiseen ja ulkoisiin ärsykkeisiin reagoimiseen.
Esimerkiksi nanorakenteita voidaan käyttää älykkäiden ikkunoiden luomiseen, jotka vastaavat katuvalaistuksen tasoon ja voivat korjata itsensä; antibiootit, jotka toimivat vain, kun tietty kemiallinen tai valosignaali ilmestyy. Minusta tuntuu, että sellaiset asiat ilmestyvät paljon aikaisemmin kuin luulet - seuraavan kymmenen vuoden aikana.
* Nanobolid * kilparadalla kuparisubstraatista.
Täysin pystyvien nanorobotien luominen, jotka kykenevät suorittamaan toimintoja kehon sisällä tai ratkaisemaan monimutkaisia ongelmia, vie tietysti enemmän aikaa. Mutta olen jälleen kerran varma, että pystymme myös tekemään sen. Ihmiskehossa on lukemattomia sellaisia robotteja, ja mikään ei estä meitä rakentamasta niiden keinotekoisia kopioita.
Toisaalta, kuten olen sanonut useita kertoja, olemme nyt suunnilleen samalla kehitysasteella kuin ihmiskunta Wrightin veljien päivinä. Ensinnäkin meidän on päätettävä, mitä ja miksi luomme, ja sitten mietittävä, miten se tehdään.
Minusta näyttää siltä, että sinun ei pitäisi mielettömästi kopioida sitä, mitä luonto on keksinyt. Joskus täysin keinotekoisia järjestelmiä, kuten lentokoneita tai tietokonepiirejä, on paljon helpompaa luoda kuin siipien tai ihmisen aivojen analogeja.
Muissa tapauksissa on helpompaa ottaa elävät organismit, jotka ovat jo luoneet, esimerkiksi joitain vasta-aineita, ja kiinnittää niihin lääke tai osa nanomatsasta. Samanlaisia lähestymistapoja käytetään jo lääketieteessä. Siksi ei voida sanoa yksiselitteisesti, että joku niistä on lupaavampaa ja oikeampaa kaikissa mahdollisissa nanorobotien sovelluksissa.
Viime vuosina on ilmestynyt kaksi nanokoneiden "luokkaa" - suhteellisen yksinkertaisia rakenteita, jotka vastaanottavat energiaa ulkopuolelta, ja monimutkaisempia rakenteita, moottorien täysimittaisia analogeja, jotka pystyvät tuottamaan sen itsenäisesti. Mitkä ovat lähempänä todellisuutta?
- Kemialliset moottorit, jotka ovat jonkin verran samanlaisia kuin elävien solujen analogit, alkoivat todella ilmestyä. Olemme viime aikoina luoneet laboratoriossamme useita samanlaisia laitteita.
Esimerkiksi onnistuimme koottamaan nanorakenteen, joka kykenee käyttämään glukoosia ja vetyperoksidia polttoaineena ja kuljettamaan nanoputkia, nanohiukkasia ja muita raskaita rakenteita mihin tahansa suuntaan.
On vaikea sanoa, kuinka lupaavat he ovat - kaikki riippuu ratkaistavista tehtävistä. Jos meidän on järjestettävä joidenkin molekyylien "kuljetus", niin ne ovat ihanteellisia tähän. Älykkäiden ikkunoiden tai muiden laitteiden luominen puolestaan jo etsii muuta materiaalia.
Lisäksi emme vieläkään ymmärrä, mitä meistä puuttuu, mitä klassisten koneiden analogeja voidaan luoda molekyyleillä ja missä koko pallo liikkuu yleensä. Itse asiassa olemme juuri alkaneet kehittää sitä. Toistaiseksi vain yksi asia on selvä - nanosäkeet eroavat solujen biomaksista ja makrokosmossa olevista “isoista sisareistaan”.
Jos puhumme kaukaisesta tulevaisuudesta, onko mahdollista käyttää kopiointiin kykeneviä molekyylikoneita globaalien ongelmien ratkaisemiseksi, esimerkiksi Marsin tai muiden planeettojen valloittamiseen?
- Minun on vaikea puhua muista maailmoista, koska tämä kysymys ylittää tuntemani. Siitä huolimatta uskon, että nanosukkeja ei todennäköisesti käytetä sellaisiin tarkoituksiin. Kun yritämme hallita uutta ja erittäin ankaria ympäristöjä, tarvitsemme erittäin luotettavaa tekniikkaa, ei jotain kokeellista.
Siksi minusta näyttää siltä, että tällaiset koneet löytävät ensin sovelluksen maan päällä. Voimme sanoa, että tämä tapahtuu jo nyt: kemistit ovat viime vuosina luoneet satoja erittäin monimutkaisia rakenteita monista molekyyleistä, ns. Supramolekyylisiä rakenteita, jotka voivat selektiivisesti sitoutua tiettyihin ioneihin ja sivuuttaa kaiken muun.
Esimerkiksi kollegani Francis Stoddart perusti äskettäin startupin, jossa hän kehittää komplekseja, jotka voivat ottaa kultaa kaivosjätteistä ja jätekivien kaatopaikoista. Aikaisemmin tällaisten yhdisteiden luomista olisi pidetty alkemistien fantasiana.
Nanomateriaaleista puhuminen aiheuttaa yleisölle useimmiten todellista pelkoa pelkääessäsi, että tulevat mikroskooppiset robotit tuhoavat sivilisaation ja kaiken maan elämän. Onko mahdollista jotenkin taistella tätä vastaan?
”Näillä ongelmilla on paljon tekemistä Creation Machines: Nanoteknologian tulevien aikakausien kanssa, kirjoittanut Eric Drexler vuonna 1986. Skenaario sille esitetystä ihmiskunnan kuolemasta, joka johtuu "harmaan liman" levityksestä, tunnetaan nykyään melkein kaikille.
Itse asiassa täällä ei ole mitään epätavallista - luotaessa uusia nanorahoja, otamme samat varotoimet kuin työskennellessämme uusien ja mahdollisesti myrkyllisten kemikaalien kanssa.
Tässä suhteessa nanorobotien komponentit eivät eroa tuhoavasta potentiaalistaan kuin “rakennuspalikat”, joista kootaan uusien lääkkeiden, polymeerien, katalysaattorien ja muiden”tavallisten” kemiallisten tuotteiden molekyylit.
Kuten muutkin lääkkeet tai elintarvikkeet, näiden molekyylirakenteiden on suoritettava valtava määrä turvallisuustestejä, jotka osoittavat, voivatko ne "kapinoida" ja tuhota ihmiskunnan.
Itse asiassa tällaisissa pelkoissa ei ole mitään yllättävää - ihmiset ovat tottuneet pelkäämään jotain uutta ja epätavallista. Joka vuosikymmen on fysiikan, kemian tai biologian maailmasta uusi "kauhu tarina", joka korvaa asiat, joihin olemme jo tottuneet. Nyt on esimerkiksi muodissaan pelätä ja kritisoida CRISPR / Cas9-genomitoimittajaa ja tekoälyä.
Mitä tutkijoiden tulisi tehdä? Minusta vaikuttaa siltä, että tehtävämme on yksinkertainen: meidän on autettava yleisöä selvittämään mikä on totta ja mikä on fiktio. On tärkeää ymmärtää näiden uusien löytöjen käytännön hyödyt ja missä niiden todellinen vaara on.
Esimerkiksi, jos ihmiset ymmärtävät, että CRISPR / Cas9 voi parantaa heitä geneettisiin virheisiin liittyvistä sairauksista tai lisätä kasvien tuottavuutta, heillä on vähemmän syytä pelätä tätä tekniikkaa. Sama pätee myös tulevaisuuden nanokoneisiin.