Ето още нещо към темата:
От атомните умножители до медицинските нанороботи
Нобелова премия
Списание “ЗНАНИЕ – СИЛА” Номер 5/02
съкратен вариант - пълният е в зип файла прикачен към този пост
Последната Нобелова премия по физика е била присъдена за откриването на ново състояние на веществата, наречено “КОНДЕНЗАТ НА Бозе - Айнщайн”, което е било предсказано още през двадесетте години на миналия век, но откритието е направено едва преди няколко години /за което нашето списание Ви информира в рубриката си “Сензация” – бр.4 от 1997г./ Непривично краткият срок между самото откритие и това толкова високо признание, намира обяснението си в постигнатите фундаментални резултати, макар че дори титулуваните физици с труд си представят неговото практическо приложение, поглеждайки към него в перспективите на утрешния ден. Независимо от това, в ход са експерименти, в които новото състояние не само се изследва, но заедно с това, при опитите се изпробват и нови суперточни прибори. Особеността на тези прибори е скрита в техните свръхминиатюрни размери, по-точно става дума за техните атомно-молекулярни мащаби. По този начин, кондензатът е призван да внесе своята лепта в настъпващите на широк фронт нанотехнологии. За което и ще стане дума сега.
Да се умножи едно число, означава то да бъде увеличено неколкократно. Умножението на атомите става по подобен начин. В неотдавнашен експеримент, група американски учени успяха да увеличат броя на атомите в тесен сноп, пропуснат през опитната установка приблизително тридесеткратно. Какво става все пак – нима е нарушен законът за запазване на веществото? Не, в никаъв случай! Всичко тук си е наред – да си спомним, че един поток светлина също може да бъде “умножен” и че този ефект се използва в лазерите. А как работи този “атомен умножител”? Съвършено аналогично. Както и при лазерите и тук също има “резервоар”, добавящ към преминаващия лъч допълнителните атоми за неговото умножение. В дадения случай този “резервоар”, заедно с източника на атомния лъч, представлява магнитен капан, в който има облак от натриеви атоми в състояние на така наречения кондензат на Бозе – Айнщайн. Това особено състояние на веществото е било открито само преди няколко години и е получено по експериментален път с помощта на свръхдълбоко /почти до абсолютната нула/ охлаждане на група атоми. В състояние на “кондензат Б-А”, всички атоми се държат като един “свръхатом”, тоест, намират се в едно и също, най-ниско енергетично състояние и затова имат едни и същи квантови характеристики. Оказало се обаче, че този кондензат има и други, съвсем необичайни свойства. Ако през него бъдат пропуснати два лазерни лъча, с малка разлика в направлението и енергията, то атомите, първоначално намиращи се в покой, поглъщат фотон от по-високо енергийния лъч, а после излъчват фотон, съответствуващ на по-слабо енергийния лъч. Разликата в енергията отива за придаване на атома на определена скорост по направление, съвпадащо с равнодействуващото направление на двата лъча. С други думи – под въздействието на двата лазерни снопа, всички атоми от кондензата придобиват една и съща – малка – енергия и започват да се движат бавно, без да променят обаче квантовото си състояние, или те си остават “кохерентни” /съгласувани/.
В хода на експеримента, изследователите са го пропуснали на малки порции през магнитна примка, към друга магнитна примка в която е имало също такъв натриев кондензат, чийто атоми предварително са били заредени енергийно, също както и специалните атоми, намиращи се в активната среда на лазера. При преминаването на атомния сноп през атомите във втория кондензат, те принудително са преминали от възбудено в междинно състояние, излъчвайки по-малко енергия, отколкото са погълнали, за сметка на което, са придобили същата скорост и направление като тези на атомите на преминаващия през кондензата сноп. Независимо от това, те са си останали в същото квантово състояние, или, както се казва са преминали във кохерентна фаза. Така, присъединявайки се към входящия сноп, те са умножили неговата интензивност /броя на атомите в него/, без да променят кохерентността му, нито което и да било от началните му свойства. Важно е да се отбележи че, усиленият сноп атоми е бил действително съгласуван, тоест – кохерентен. Такива /и само такива/ снопове могат да се използуват в физическите, геодезическите и други свръхточни измервания, основани на принципите на интерференцията на кохерентни лъчи. Ясно е че, точно тук те ще намерят своето приложение, но за това, както и в случая с първите изобретени лазери, ще са необходими още много години работа. Засега имаме налице този изумителен експериментален резултат на реално умножение на атоми, при това без да се нарушава Законът за запазване на веществото. И след като веднъж заговорихме за привидни нарушения, които в действителност са само едно хитроумно използване на природните закони, налага се да разкажем и за още един способ на “впрягане” на хаотично движещите се атоми, в съгласувана и полезна работа, или за създаването на така наречените Брауновски молекулярни двигатели. Те си приличат с атомните умножители по това, че на пръв поглед, нарушават някой от природните закони, в дадения случай – вторият закон на Термодинамиката. Някога, още в по-миналия век, Джеймс Максуел /създателят на теорията за електромагнитното поле/, замислил въображаем експеримент, чрез който да опровергае действието на Втория закон в затворени системи. Приемете, че се намирате в затворена кутия, разделена на две от вътрешна преграда, в която е направен микроскопичен отвор, до който дежури също толкова микроскопичен демон, способен да различава и сортира атомите по тяхната скорост. С течение на времето, всички атоми в кутията трябва да бъдат сортирани както следва – бързите се събират в лявата страна, а бавните – в дясната, тоест от “самосебе си”, в системата ще настъпи ред. Но кавичките тук не са случайни. Точно заради своите микроразмери, демонът сам ще стане мишена на топлинните удари на отделните атоми и както показват разчетите, постоянното изменение на неговото състояние в резултат от тези удари, в крайна сметка ще прецака с лихвите цялата игра на подреденост... Опитът на Максуел е чисто учебен и методологичен. Но едно практично устройство вършещо същото, е предложено сто годинипо-късно от друг знаменит физик – Ричард Файнман. В “опита си”, Файнман едно микроскопично по размерите си зъбно колелце е монтирано на една ос, заедно с също такъв миниатюрен по размерите си пропелер и заедно са поместени в водна среда. Колелцето може да се върти само по часовникавата стрелка – на обратното му въртене се е е противопоставяло клиновидно езиче с пружинка, влизащо между зъбците на колелцето. Доколкото лопатките на пропелера, изпитват непрестанните удари на атомите на течността от различни страни, то в следствие на тези удари, колелцето би трябвало да се движи ту в едната, ту в другата посока, но благодарение на езичето, резултантната от всички тези удари, е представлявала единствено въртене по часовата стрелка. По този начин бихме получили перфектен механизъм, превръщащ безпорядъчното, хаотично, топлинно движение на водните атоми в непрекъснато и нехаотично, изразяващо се в въртенето на колелцето само в едната посока. А доколкото колелцето може да свърши и някоя, друга, работа, то това устройство по самосебе си, би представлявало и “вечен двигател”... За какво става дума, все пак?
Файнман сам е разяснил къде е загадката – в езичето, разбира се. То, заедно с пружинката си, също би трябвало да са с микроразмери, иначе атомите не биха могли да им влияят. Сумарно, всички техни удари, както по пропелера, така и по пружинката, ще окажат хаотично люлеене на колелцето в една или друга посока и при това никакво нарушение на Втория закон на Термодинамиката няма да настъпи. И “вечен двигател” също няма да имазащото при всяко поредно заклинване на езичето, между зъбците на колелцето, пропелерът ще отдава енергията от това заклинване във вид на топлина на околната среда. Физиците, проучващи “колелото на Файнман”, бързо съобразили, че на тази основа, е възможно да бъде създаден микроскопичен двигател, превръщащ топлинното движение на атомите във въртене на ротор – единствено за сметка на външната енергия. Ако по някакъв начин /да речем с помощта на електромагнитно поле или лазерен лъч/, периодично се вдига и отпуска езичето, то “колелцето на Файнман” ще може да се върти и обратно на часовникавата стрелка. Това ще бъде истински, съвсем обикновен мотор, чиито размери са обаче микроскопични, молекуулярни и той ще може да се задвижва от хаотичното /т. нар. Брауново/ движение на атомите в околната среда. Областите на приложение на такива “браунови” микродвигатели е наистина необятна и точно затова сега, две групи изследователи енергично търсят начин за практическото осъществяване на тази идея. Групата на Рос Кели в Бостън, вече е конструирала едно такова устройство. Като мотор на “молекулярно” ниво, той се състои от три молекули бензен /изпълняващи ролята на три зацепени едно в друго колелца/, едновременно изпълняващи и ролята и на пропелер и на зъбчатка и още четири, допълнителни бензенови молекули, влизащи между първите, като зъбци. В този си вид пропелерът, както е било предвидено, се е въртял в двете посоки. Кели обаче се опитва да присъедини към колелцата на пропелера, такива допълнителни атоми, които биха провокирали определени химически реакции, способни да предизвикат освобождаването на пропелера в нужните моменти на цикъла. Втората група, под ръководството на Джемс Гимжевски от Цюрих се надява да достигне същия ефект, използувайки, така нареченият тунелен атомен микроскоп, чрез който периодично да се подава електричество към двигателя. Във всички тези свои разработки, учените се стремят да впрегнат в работа хаотичното движение на атомите, използувайки, а не нарушавайки Вторият закон на Термодинамиката. И въпреки техническите трудности, съществуващи на пътя на създаването на молекулярните двигатели, работещи за сметка на Брауновото движение, учените не си позволяват униние, тъй като им е известно че природата отдавна е създала множество такива. Подобни Браунови мотори работят, например, вътре в живите клетки – в така наричаните йонни помпи, придвижващи заредени йони през клетъчните мембрани. Такава помпа, представлява и белтъчната молекула, отделни части от която се въртят в определена посока, благодарение на измененията на вътрешното електрическо поле. С помощта на такива браунови мотори се прехвърлят частици вещество по вътрешноклетъчните тръбички – тубули. Дори и за “презаписите” на “инструкциите” в генетичните молекули на ДНК, по които клетките произвеждат белтъци, също става с помощта на молекулярни мотори. (Действуващ компютърен модел, на такъв двигател неотдавна е била публикуван в Интернет, на адрес: monet.physik.unibas/ch/~elmer/bm.) Един от най-изящните примери на природни двигатели от този вид, са така наречените флагели, с чиито дълги шнурообразни израстъци, се придвижват бактериите. В основата на всяко шнурче е разположен микроскопичен браунов мотор, състоящ се от наколко белтъчни молекули, към които е присъединен дълъг, подвижен израстък, състоящ се от няколко молекули на белтъка флагеллин. Неотдавна, японският учен Йокомура заедно с свои колеги е успял да разкрие всички основни детайли на работата на брауновите флагел мотори, с надеждата че, в най-скоро време откритите от него принципи, ще бъдат пренесени в различни микротехнически устройства. Учените обаче, не спират до изследванията си над брауновите двигатетели, а отиват и по-нататък. Както се говори в последните съобщения, на една неотдавнашна конференция по молекулярна нанотехнология, състояла се в САЩ, група инженери от щата Юта е съобщила за намеренията си да създаде съвършено нов тип микродвигател на... “бактериална тяга”. Двигателят е предложен като част от проект за създаването на миниатюрен биоробот, който би бил способен да се движи вътре в човешкия организъм, извършвайки там всички нужни медицински действия и процедури. Инженерите от Юта, планират да използуват бактериалните клетки за преобразуване на топлинното движение на атомите в механична енергия за постъпателното движение на микроробота. Благодарение на микроскопичността на бактериалния източник на енергия, размерите на това плуващо устройство могат да бъдат от порядъка на няколко микрона. В следващия етап от разработката си, авторите имат намерение да “присадят” на робота си единствено флагелите с прилежащите им браунови мотори без да използват целите бактерии. В този вариант, по предварителни разчети, размерите на биоробота, могат да се намалят до 100 нанометра и дори по-малко. Продължителността на работоспособността на устройството ще се определя от дължината на живота на бактериите или на флагелите, използувани за придвижването му, като авторите се надяват че ще успеят да достигнат срокове от един час, а може би и по-дълги. Фирмата “Reneissance Technologies” от щата Кентъки, вече обяви, че първият прототип на такъв микробиоробот, с размер един милиметър ще бъде пуснат на пазара в течение на година. Американското списание “Тайм”, откликнало на тези изследвания, завършва разсказа си за тях, с следното съобщение: “Националният институт по онкология и НАСА, са взели решение заедно, да отделят от бюджетите си в течение на близките три години - 36 милиона долара, за разработката на нанодатчици – устройства, хилядократно по-тънки от човешкия косъм. Тези устройства ще могат да сканират човешкия организъм в търсене на молекулярни признаци на рак – дефектни белтъци, характерни за злокачествените клетки и определянето на местонахождението и формата на тумора. Приспособени за пренасяне на лекарства и за “генна подмяна”, тези устройства ще могат да атакуват единствено раковите клетки и да ги обработват една по една, без да засягат здравите, наоколо. Това би направило излишни химиотерапията и рентгеновата бомбардировка на организма с всичките им печални последствия. И така, само след някакви си петнадесет години, лечението на най-страшните днес видове рак, ще се свежда само до приемането на таблетки, съдържащи милиони микроустройства, приспособени за откриване и унищожаване на раковите клетки вътре в организма. И това съвсем не е фантастика.”
С помощта на силов микроскоп, главното оръжие на наотехнологията, може да се изследват атомарните структури.
Съдейки по описаните по-горе проекти, това действително не е фантастика. Още повече, че такъв авторитетен специалист какъвто е Майкъл Роко – съветникът на американския научен фонд - спонсорирал проектите с 150 милиона долара, неотдавна е заявил че първите такива медицински нанороботи, може да станат реалност в края на близкото десетилетие.
Автор: Рафаил Нуделман
Превод от руски: Sirius