Сергей Слюсаренко – «Если», 2016 № 02 (страница 8)

Для строительства крупных объектов молекулярные ассемблеры и макроассемблеры будут работать в единой связке. Используя стратегию, позаимствованную у живых организмов с их сложной системой сосудов, снабжающих клетки необходимыми веществами, подобные сборочные комплексы смогут, возводя строительные леса и работая по всему объему, соединять материалы, принесенные по каналам извне. В результате большая часть выделившегося тепла будет рассеиваться достаточно далеко от основного места сборки.

Информационные технологии. Как правило, при производстве микросхем дефекты молекулярного масштаба неизбежны. С молекулярными ассемблерами появится возможность строить схемы с точностью до атома в трех измерениях.

Сейчас самые быстрые компьютеры — электронные, но для сверхплотных процессоров это совершенно не обязательно.

Может показаться странным, но сущность вычисления не имеет никакого отношения к электронике. Цифровой компьютер — сборище переключателей, способных включать и выключать друг друга: начинают работу в одной позиции, далее переключают друг друга в новое положение и т. д. Инженеры строят компьютеры из крошечных электронных переключателей, связанных проводами, просто потому, что механические переключатели, связанные палочками или ниточками, были бы сегодня большими, медленными, ненадежными и дорогими.

Эрик Фрэнк Рассел. «Коллекционер», 1947. Пройдя последний ряд штабелей, он наткнулся на какой-то странный механизм. Сложным и головоломным был этот агрегат, и производил он ту самую кристаллическую растительность. Рядом стояла другая, совершенно иным образом устроенная машинерия, выдававшая на-гора какую-то рогатую ящерицу. <…> Бесконечные машины — и все разные, производящие растения, жуков, птиц, грибы. Все было сделано электропоникой: словно кирпич за кирпичом, атом наращивался на атоме, чтобы в результате построить дом. Это не было синтезом, здесь проходил настоящий монтаж-конвейерная сборка, вроде той, что ведется на производствах точной электроники.

Но с компонентами с характерной длиной в несколько атомов, обычная механическая счетная машина поместилась бы в 1/100 кубического микрона, т. е. оказалась бы в миллиарды раз более компактным, чем сегодняшняя так называемая микроэлектроника. Наномеханический компьютер с гигабайтом памяти мог бы поместиться в коробок размером с бактерию. И он был бы невероятно быстр! Хотя механические сигналы движутся примерно в 100000 раз медленнее, чем электрические, им требовалось бы проходить лишь 1/1000000 расстояния, а потому задержка оказалась бы такой же.

Использование в ДНК в качестве каркаса для размещения проводящих элементов может стать шагом на пути к созданию миниатюрных, простых и дешевых компьютерных чипов. На национальной встрече-выставке Американского химического общества в Сан-Диего в 2016 году представлены результаты исследования, авторы которого создали из ДНК полый цилиндр, который затем вертикально прикрепили к кремниевой подложке, а к центру площадки, ограниченной цилиндром, с помощью коротких цепочек ДНК «пристегнули» наночастицы золота. Исследователи планируют собрать подобные цилиндры в цепь, соединив их полупроводниковыми нанопроводами.

Логичное следствие развития информационных технологий — появление искусственного интеллекта. Правительства и частные компании во всем мире поддерживают разработку ИскИнов, так как они сулят коммерческие и военные преимущества. И кажется маловероятным, что этот процесс остановится на сложности человеческого разума.

Ожидать появление ИскИна — ни оптимистично, ни пессимистично. Он будет, но, как всегда, оптимизм исследователя влечет за собой пессимизм технофоба.

Освоение космоса. Следующая область применения нанотехнологий — это космос и все, что с ним связано. Бороздить просторы вселенной мы могли бы, и используя традиционные технологии. Но не будем. В настоящее время для разработки новой космической системы обычно требуется от пяти до десяти лет, при этом тратится от десятков до миллиардов долларов. Объем затрат и эфемерность результатов делают прогресс болезненно медленным. Но в грядущие годы автоматизированные проектировочные системы разовьются в полностью автоматические. Как только это произойдет, затраты и необходимое время на разработку уменьшатся, а производственные системы, управляемые компьютерами, сократят общие затраты еще больше.

Самовоспроизводящиеся ассемблеры смогут построить целый космический флот из материалов, формирующихся на принципах алмазной кристаллической решетки, примерно в пятьдесят раз более прочных (и в четырнадцать раз более жестких), чем дюрали, используемые для подобных целей в наше время. Космические корабли из таких материалов можно сделать на 90 % легче любого современного аналога.

Выйдя в космос, такой корабль развернет солнечные коллекторы для сбора энергии, которой там более чем достаточно. Используя эту энергию, ассемблеры и дизассемблеры будут перестраивать себя в полете так, чтобы соответствовать изменяющимся условиям или желаниям пассажиров.

Сегодня космическое путешествие — это сложная задача. Завтра оно будет простым и комфортным.

В 2015 году группа исследователей из Университета штата Северная Каролина (North Carolina State University), воздействуя на образцы аморфного углерода короткими сверхмощными импульсами лазера, получила новое вещество, названное Q-углерод и отличающееся от известных структур графита и алмаза. Новый материал превосходит алмаз по прочности, а его готовность высвобождать электроны делает Q-углерод перспективным для создания, например, сверхтонких дисплеев или медицинского оборудования.

Медицина. Человеческое тело состоит из молекул, и мы, естественно, будем использовать молекулярные технологии для восстановления здоровья. Больные, старые и раненые страдают от того, что атомы формируются в неправильные структуры из-за вторжения вирусов, процессов старения или вылетевших с дороги автомобилей.

В 2016 году команда исследователей из Темпльского университета показала возможность удаления генов ВИЧ из зараженных клеток и защиты их от повторного встраивания вируса в ДНК с помощью технологии CRISPR/Cas9. Данная технология основана на защитном механизме бактерий, позволяющем запоминать и избавляться от участков ДНК, содержащих опасные вирусы.

С помощью обычных лекарств и современной хирургии возможно лишь частичное стимулирование тканей к самовосстановлению. Молекулярные машины откроют возможность для ремонта с непосредственным воздействием на молекулу.

Чтобы починить автомобиль, механик сначала добирается до дефектного узла, затем опознает и удаляет плохие части и в конце концов восстанавливает их или заменяет. Ремонт клетки будет включать ровно те же основные задачи, принципиальную разрешимость которых живые системы уже доказали.

• Доступ. Белые клетки крови покидают кровяное русло и движутся через ткань, а вирусы входят в клетки. Молекулярные машины могут предотвратить этот процесс.

• Распознавание. Антитела, да и любое специфическое биохимическое взаимодействие, показывают, что молекулярные системы, входя в контакт с другими молекулами, могут их распознавать.

• Разборка. Пищеварительные ферменты показывают, что молекулярные системы могут разбирать поврежденные молекулы.

• Восстановление. Воспроизводящиеся клетки показывают, что молекулярные системы могут строить или восстанавливать любую молекулу, обнаруживаемую в клетке.

• Повторная сборка. Отделенные молекулы могут быть собраны вместе снова. Например, механизмы фага Т4 собирают сами себя из раствора, чему, очевидно, помогает единственный фермент.

Таким образом, природа демонстрирует все основные операции, необходимые для ремонта клеток на молекулярном уровне.

Однако самое простое медицинское применение наномашин будет включать не ремонт, а выборочное разрушение. Цель проста: необходимо лишь распознать и уничтожить опасные репликаторы, будь то бактерии, раковые клетки, вирусы или черви.

Как только биологи опишут нормальные молекулы, клетки и ткани, должным образом запрограммированные машины ремонта будут способны вылечить даже неизвестные болезни. Вместо того чтобы бороться с миллионом странных угроз, продвинутые медицинские наноустройства будут просто восстанавливать состояние здоровья.

А может, все было бы несколько иначе. Грег Бир. «Музыка, звучащая в крови», 1983 г. Пол Ди Филиппо. «Любимый компонент», 1995 г.

Но есть и задачи, по различным причинам находящиеся вне возможностей машин клеточного ремонта. Например, поддержание умственного здоровья. Фундаментальное ограничение для восстановления тканей представляет собой потеря информации. Если уникальные нейронные структуры действительно разрушены, то машины ремонта клеток могут их восстановить не более эффективно, чем реставратор мог бы восстановить гобелен из перемешанной золы. Быт. Технологическое развитие может не только прервать или продлить жизнь, но может и кардинально изменить ее качество. Продукты нанотехнологических производств войдут в быт, а последствия могут быть как заурядными (упрощение ведения домашнего хозяйства), так и существенными (сокращение причин домашних ссор).

Нет особой хитрости, например, в том, чтобы сделать все, от посуды до ковров, самоочищающимся, а воздух дома постоянно свежим. Для правильно сконструированных наномашин грязь станет источником энергии.