От умножителей атомов до медицинских нанороботов
Рафаил Нудельман
Последняя Нобелевская премия по физике была присуждена за создание ни много ни мало – нового состояния вещества, получившего название «конденсат Бозе – Эйнштейна». Предсказано оно было еще в двадцатые годы ушедшего века, а открыто – всего лишь несколько лет назад (об этом наш журнал сообщил под рубрикой «Сенсация» в N° 4 за 1997 год). Непривычно короткая дистанция от открытия до столь высокой награды объясняется важным фундаментальным результатом, хотя и титулованные физики с трудом представляют себе даже будущие практические его приложения, считая это делом «послезавтрашнего дня». Однако уже идут эксперименты, в которых новое состояние не только исследуют, но и «пробуют на зубок» в качестве основы суперточных приборов. Особенность проект ируемых устройств заключена еще и в их сверхминиатюрных размерах – ведь разговор идет об атомно-молекулярных масштабах. Таким образом, конденсат призван внести свою лепту в идущее широким фронтом наступление нанотехнологий. Вот об этом сейчас и пойдет речь.
Умножить число – значит увеличить его во сколько-то раз. Соответственно, умножить атомы значит то же самое – увеличить их число во сколько-то раз. В недавнем эксперименте группы американских ученых число атомов в пучке, проходящем через установку, было увеличено примерно в тридцать раз. Нарушение закона сохранения вещества? Ни в коем случае. Все по закону. Вспомним, что поток света тоже можно «умножать», – именно это делается в лазере. А как работает «умножитель атомов»?
Совершенно аналогично. Подобно лазеру, в нем тоже есть «резервуар», поставляющий проходящему пучку – только не квантов, а атомов – дополнительные атомы для его «умножения». В данном случае этим «резервуаром», а также источником исходного атомного пучка, является магнитная ловушка, где находится облако атомов натрия в состоянии так называемого конденсата Бозе – Эйнштейна. Это особое состояние вещества было несколько лет назад впервые получено экспериментальным путем, с помощью сверхглубокого (почти до абсолютного нуля) охлаждения коллектива атомов. В состоянии «конденсата Б-Э» все атомы ведут себя как один «сверхатом», то есть находятся в одном и том же, самом нижнем энергетическом состоянии, и потому имеют одни и те же квантовые характеристики.
Оказалось, что такой конденсат обладает и другими необычными особенностями. Если сквозь него пропустить два лазерных луча со слегка разными энергиями и направлениями, то атомы, первоначально находившиеся в покое, поглощают фотон более высокоэнергетичного луча, а потом излучают фотон, соответствующий менее энергетичному лучу. Разница энергий идет на придание атому определенной скорости по направлению, совпадающему с равнодействующей направлений обоих пучков. Иными словами, под воздействием двух лазерных пучков все атомы конденсата приобретают одну и ту же – небольшую – энергию и начинают медленно двигаться, продолжая оставаться в одном и том же квантовом состоянии, или, как говорят, оставаясь «когерентными» (согласованными).
Атомный пучок готов. Исследователи выпускали его из магнитной ловушки небольшими порциями в другую магнитную ловушку с таким же натриевым конденсатом, атомы которого предварительно получали энергетическую «подкачку» точно так же, как специальные атомы в активной среде лазера. При прохождении пучка атомы второго конденсата вынужденно переходили из возбужденного состояния в промежуточное, излучая меньше энергии, чем поглотили, а за счет остатка энергии приобретали ту же скорость и в том же направлении, что атомы вошедшего пучка. Более того, они оказывались в том же квантовом состоянии, или, как говорят, приобретали ту же «фазу», то есть становились «когерентными» с ними. Присоединяясь к входящему пучку, они умножали его интенсивность (число атомов в нем), не меняя ни его когерентности, ни одного из других его исходных свойств.
Ученые из Bell Labs и Оксфордского университета придумали первые молекулярные моторы на основе ДНК. Они в сто тысяч раз меньше булавочной головки, зато компьютеры, созданные по схожей технологии, будут в тысячи раз мощнее нынешних.
Один из ведущих нанотехнологов Эрик Дрекслер
В нанотехнологии ученые имеют дело с объектами размером в нанометры, то есть миллиардные доли метра. Эта технология позволит, к примеру, создать процессоры с миллиардами транзисторов – в современных полупроводниковых их в тысячи раз меньше. Чем больше транзисторов в процессоре, тем он мощнее.
Одно из направлений работы – двигатели на базе ДНК. В молекулах ДНК, как в головоломке, все части соединены одним-единственным способом. Такие схемы идеальны для создания наноустройств; Ученые спроектировали части синтетической ДНК так, чтобы те опознавали друг друга на каждой стадии монтажа моторов. Так что в основе такой конструкции были лишь ДНК.
«Поскольку ДНК являются и «топливом» для этих моторов, они не нуждаются в других химикатах», – говорит физик Бернард Юрке из Bell Labs.
Обычно ДНК имеют вид двойной спирали – этакой перекрученной лесенки, поэтому ученые взяли для начала три одиночные спирали, каждая из которых напоминала половинку лестницы. Спираль А имела правильную структуру и соединялась со спиралями В и С – получались две «руки», АВ и АС. Если добавить «топливную» спираль, то эти руки «сцепляются», как щипцы. Снова открыть их можно, добавив другую спираль, которая совпадает с «топливной» и удаляет ее.
«Всю популяцию из тридцати триллионов щипчиков ДНК, притаившуюся в нескольких каплях раствора, можно последовательно открыть и закрыть, добавляя топливные спирали», – говорит Эндрю Терблфилж, еще один физик из Bell Labs.
По словам Бернарда Юрке, прототипом ДНК-моторов стали для него молекулярные белковые моторы в живых организмах, отвечающие за сокращение мышц и перемещение веществ в клетках.
Сейчас ученые лаборатории Белла пробуют присоединять к ДНК электропроводящие молекулы, чтобы собирать молекулярные электрические контуры.
Важно, что усиленный пучок атомов действительно согласован, то есть когерентен. Такие (и только такие) пучки можно применять в физических, геодезических и других сверхточных измерениях, основанных на принципе интерференции когерентных пучков. Видимо, здесь они и найдут свое применение, но для этого, как и в случае первых лазеров, понадобятся еще годы работы.
Пока же налицо выдающийся экспериментальный результат – реальное умножение атомов. И, как видите, без нарушения закона сохранения вещества.
И раз уж мы заговорили о кажущемся нарушении, а наделе – хитроумном использовании законов природы, расскажем еще об одном способе «запрягания» хаотически движущихся атомов в согласованную полезную работу – о создании так называемых броуновских молекулярных моторов. Они сходны с атомными умножителями в том, что тоже на первый взгляд нарушают некий закон природы, в данном случае второй закон термодинамики.
Когда-то, еще в позапрошлом веке, Джеймс Максвелл (тот, кто создал теорию электромагнитного поля) придумал мысленный эксперимент, как будто бы опровергающий второй закон даже в замкнутых системах. Вообразите себе закрытый яшик с внутренней перегородкой в нем, причем в ней сделана микроскопическая форточка, около кс/юрой дежурит столь же микроскопический демон, способный различать атомы и сортировать их по скорости.