Гибридные наноматериалы

Весьма перспективными считаются гибридные наноматериалы - композиты на молекулярном уровне, состоящие из неорганических, органических и биологических компонентов. Среди последних выделяется ДНК. В последние годы возросло число работ, использующих комплементарность ДНК для построения сложных структур, в том числе трехмерных. Свободные концы ДНК, называемые в генной инженерии липкими концами, используют для наращивания и разветвления структуры. В полости таких структур можно ввести различных «гостей». Американские ученые создали регулярную структуру из наночастиц золота (размером 5 нм) с помощью ДНК-сетки. Промежуточным этапом было прикрепление к наночастицам золота коротких цепочек ДНК, которые расходились от частиц радиально, как у «волосатой наносферы» (см. рис. 7.4). ДНК-сетка содержала участки, комплементарные «волоскам». Ячейки получившейся структуры оказались размером 38 нм. Показательно, что природа снова проявила «своеволие»: исследователи ожидали, что наночастицы соберутся внутри ячеек, но, как показали результаты АСМ, они расположились в узлах сетки (рис. 7.8).

В Калифорнийском технологическом институте разработана технология получения сложных двухмерных структур из молекул ДНК. Авторы назвали их ДНК-оригами. Эффектной демонстрацией возможностей метода стали «смайлик» и развертка полушария Земли с картой США и Южной Америки (рис. 7.9). Форма будущего ДНК-оригами разбивается на ключевые участки, в которых короткие цепи ДНК, состоящие из нескольких нуклеотидов, соединяются с подложкой. Это своеобразный стапель (леса), на который затем укладываются длинные цепочки молекул ДНК, состоящий из 7000 нуклеотидов. Для смайлика было использовано 200 ключевых точек. Для карты пришлось выстроить леса двух уровней. При этом исследователь должен сделать только шаблон со стапелями и поместить его в раствор, а ДНК из раствора самоорганизуется, приклеиваясь комплементарными основаниями к стапелям. К ним можно добавлять различные кластеры, например использовать как матрицу для нанесения белков. Поперечные размеры оригами, подобные изображенному на рисунке, составляют 100 нм, что определяется максимальной длиной цепочки ДНК.

Трехмерные конструкции из молекул ДНК после металлизации перспективны для использования в наноэлектронике.

Поставлена глобальная задача развития наряду с физическим материаловедением биологического материаловедения [4].

«Умные» материалы

Нанотехнология граничит не только с био и информационной технологией, но и с когнитивными науками. В ряде областей она ставит задачи создания «умных» устройств, а также «умных» материалов. «Умные», или «интеллектуальные», материалы должны эффективно и самостоятельно реагировать на изменение условий, смену режима работы устройства и непредвиденные обстоятельства.

Так, в Австралии специальная научно-промышленная организация разрабатывает «интеллектуальные» поверхности для самолетов и ракет. Они должны менять конфигурацию (при смене режима полета самолета), самовосстанавливаться при повреждениях, и все это при минимальном вмешательстве человека. Подобные самовосстанавливающиеся материалы разрабатываются для покрытий автомобилей, ракет, спутников.

Потребность в «умных» материалах вызвана тем, что современные механизмы и устройства становятся уязвимыми, с одной стороны, из-за своей сложности, с другой – из-за все более жестких условий эксплуатации: разные среды, радиация, большие скорости движения и пр.

Компьютерное моделирование давно используется для количественной оценки свойств различных материалов в разнообразных условиях эксплуатации. Для наноматериалов задачей компьютерного моделирования в основном становится прогнозирование новых свойств. По словам академика М. В. Алфимова, «осознается потенциал моделей прогнозировать свойства, которые лежат за пределами современного эксперимента» [5].

По прогнозу, из общего объема ежегодного рынка нанотехнологической продукции в 2015-2020 гг. (2 трлн долларов США) на новые материалы, которые не могут быть получены традиционными методами, придется 340 млрд долларов.

Лекция: Ассемблер. МЭМС И НЭМС. Наномоторы