Огромный интерес для нанонауки и поразительные перспективы для нанотехнологий представляют проектирование структур на уровне элементов, создание и эксплуатация приборов и машин на молекулярном уровне.

Наиболее привлекательными кандидатами для этих целей представляются сблокированные молекулярные компоненты. В последнее время развитие структурного и функционального проектирования таких систем привело к созданию и использованию сложных молекулярных приборов и машин, которые способны в целом ряде случаев выполнять особые задачи.

Развитие человеческой цивилизации всегда было связано с конструированием новых приборов и машин. В зависимости от области применения приборы и машины могут быть очень большими или очень маленькими. Основной тенденцией в наше время является стремление к уменьшению веса и размера используемых компонентов насколько это возможно, в особенности, в области информационных технологий.

Миниатюризация компонентов для создания приборов и машин осуществляется в наши дни на основе подхода нисходящего проектирования. Этот подход, который применяют физики и инженеры, заключается в манипулировании все более мелкими компонентами материи с помощью фотолитографии и ей подобных технологий. Хотя полупроводниковые машины с габаритными размерами 65 нм уже доступны на рынке, а также сообщается о создании приборов с размерами в пределах 45 нм, становится ясно, что метод нисходящего проектирования имеет очень существенные недостатки, включая резкое увеличение затрат при приближении к наноразмерному измерению. «Там внизу все еще много места» - утверждал Ричард П. Фейнман в своем знаменитом обращении к Американскому физическому обществу от 29 декабря 1959г, эта мысль до сих пор остается актуальной. Науке и технологии надо искать новые пути для того, чтобы продвигаться дальше в деле миниатюризации в наноразмерном диапазоне.

Многообещающей стратегией использования науки и технологии в наноразмерном масштабе является подход восходящего проектирования, который предполагает работу по созданию наностурктур из объектов с нано - или субнаноразмерами (а именно, из атомов или молекул).

Снизу вверх, атом за атомом

Сама идея о том, что атом можно использовать для конструирования наноразмерных машин, была впервые озвучена Фейнманом в работе «Принципы физики не отвергают возможности маневрирования объектами на атомном уровне» (R.P. Feynman, «The principles of physics do not speak against the possibility of maneuvering things atom by atom», 1960) и изображена в воображаемом виде в середине восьмидесятых К. Эриком Дрекслером (K.E. Drexler «Engines of Creation – The Coming Era of Nanotechnology», 1986). Он заявлял, что станет возможным создать «наноробот» общего назначения с прозвищем «сборщик». Такая машина, в принципе, могла бы поатомно построить практически что угодно, включая и копии самой себя.

Удивительные, но, надо признать, абстрактные идеи Дрекслера рассматриваются большинством научного сообщества с большой долей скептицизма. В особенности, понятие универсального сборщика, т. е. наноробота, который может осуществлять манипуляции и строить объекты атом за атомом, считают нереалистичным, по крайней мере по трем хорошо обоснованным причинам (1) пальцы руки гипотетического манипулятора сами должны быть созданы из атомов, а это означает, что они будут слишком толстыми, чтобы осуществлять управление химическими процессами в наноразмерной области; (2) такие пальцы также будут слишком липкими – атомы рук манипулятора будут прилипать к атомам, которые будут ими перемещаться, так, что будет невозможно поместить их в нужное положение; (3) постоянное встряхивание, которому подвергается каждая наноразмерная структура из-за столкновений с окружающими молекулами, создаст помехи точности наноинжиниринга. В этой связи, сама идея применения принципа восходящего проектирования от атома к атому в нанотехнологии, которая кажется физикам такой привлекательной, не убеждает химиков, которые хорошо осведомлены о высокой реактивности многих видов атомов, мельчайших аспектах химических связей и свойствах молекул. Следует, тем не менее, осознавать, что фантастическим идеям Дрекслера, можно, по крайней мере, поставить в заслугу то, что они привлекли внимание общественности и повлияли на многих ученых, которые посвятили свои исследовательские проекты фантастическому миру нанотехнологий.

Снизу вверх, молекула за молекулой

В конце семидесятых годов, в рамках супрамолекулярной химии, начали поводить исследования молекулярных электронных машин, и в недрах некоторых лабораторий родилась идея о том, что молекулы могут быть значительно более удобными строительными элементами, чем атомы, при создании наноразмерных машин и приборов. Эта идея основывается на следующих положениях: (1) молекулы являются стабильными образованиями, в то время как с атомами справиться нелегко; (2) в природе используются молекулы, а не атомы для строительства большого числа разнообразных наноприборов и наномашин, которые поддерживают жизнь; (3) большинство лабораторных химических процессов имеют дело с молекулами, а не атомами; (4) молекулы являются объектами, уже обладающими четкими формами и имеющими свойства, необходимые для работы таких машин (например, свойства, которыми можно манипулировать фотохимическими и электромеханическими методами); и (5) молекулы могут собираться самостоятельно или же их можно соединять для образования более крупных структур.

В последующие годы супрамолекулярная химия очень быстро развивалась, и вскоре стало ясно, что супрамолекулярный подход с продвижением снизу вверх открывает практически безграничные возможности для проектирования и создания искусственных молекулярных приборов и машин, рис. 1. Кроме того, становилось все очевиднее, что такой подход может внести неоценимый вклад в наше понимание молекулярных аспектов исключительно сложных приборов и машин, которые отвечают за биологические процессы. Собственно говоря, эти системы представляют собой наглядную демонстрацию осуществимости и эффективности нанотехнологии.

Рис. 1. Два примера сложных искусственных многокомпонентных молекул. (a) Координационная структура, полученная за счет самосборки четырех мостиковых лигандов на триазиновой основе и шести Pd(диаминовых) комплексов. (b) Молекулярные тройные кольца, синтезированные за счет использования координационной, супрамолекулярной и динамической ковалентной химии.

Приборы и машины

В макроскопическом мире, приборы и машины являются совокупностями компонентов, предназначенных для осуществления определенной функции. Каждый компонент такой совокупности выполняет определенное простое действие, в то время как вся совокупность выполняет более сложную и полезную функцию, свойственную именно данным прибору или машине. Например, функция, выполняемая феном для волос, представляет собой результат операций, которые выполняют выключатель, нагреватель, и пропеллер, должным образом соединенные проводами и собранные в соответствующую структуру. Макроскопические концепции организации приборов и машин могут быть распространены и на молекулярный уровень. Молекулярный прибор может быть определен как соединение дискретного количества молекулярных компонентов, предназначенных для выполнения специальных функций. Каждый молекулярный компонент выполняет одно действие, в то время как вся супрамолекулярная конструкция выполняет более сложную функцию, которая реализуется в результате взаимодействия различных компонентов. Молекулярная машина это особый вид молекулярного прибора, в котором компоненты могут менять свое положении относительно друг друга в результате воздействия какого-либо внешнего фактора. Приборы и машины молекулярного уровня функционируют за счет электронной и/или ядерной перекомпоновки, и, подобно макроскопическим приборам и машинам, нуждаются в энергии для функционирования и в сигналах для связи с оператором. Распространение понятия прибора и машины на молекулярный уровень представляет интерес не только для базовых исследований, но также и для роста нанонауки и развития нанотехнологий.