Термин «самосборка» все чаще появляется в статьях, посвященных био- и нанотехнологиям. Настало время разобраться в деталях, что представляют собой процессы, стоящие за этим термином. Термин «самосборка» является калькой с английского «self-assembly» и, когда речь идет о молекулярной самосборке, представляет собой процесс, в ходе которого молекулы выстраиваются и соединяются друг с другом без внешнего управления. Соединение происходит с помощью различных нековалентных, то есть слабых связей - электростатических и капиллярных взаимодействий, поверхностного натяжения. Именно так образуются жидкие кристаллы.
В живой природе процессы самосборки проявляются во многих областях. Наиболее ярким примером самоорганизации является кристаллизация – хаотически расположенные атомы вещества превращаются в стабильную систематически организованную структуру, при этом процесс кристаллизации начинается спонтанно и проходит без какого-либо внешнего задающего форму вмешательства.
Другим примером самоорганизации молекул являются процессы построения липидных мембран в живой клетке. Эти мембраны представляют собой тонкий и подвижный покров, который защищает органеллы клетки от неблагоприятных внешних воздействий. В основе мембраны находится двойной слой молекул, имеющих гидрофильное и гидрофобное окончания. Соединяясь друг с другом противоположными окончаниями, молекулы формируют мицелий – структуру с очень высокой плотностью. Процессы самоорганизации проявляются также при образовании двойной спирали ДНК с помощью водородных связей, например, объединение разрозненных элементарных частиц (нуклонов и электронов) в атомы, образование спутниковых гравитационных систем — вращающихся друг вокруг друга массивных тел.
В целом можно сказать, что под самосборкой системы ученые понимают образование упорядоченной надмолекулярной структуры, в которой элементы исходной структуры или среды собраны в более сложную структуру. Перспективы, которые открывает освоение этого процесса человеком можно оценить, рассмотрев основные достоинства самосборки: Во-первых, с ее помощью можно осуществлять множество сложных изменяющих структуру процедур, которые происходят на уровне атомов, во-вторых, исследуя природные процессы мы будем находить все новые способы ее осуществления, в-третьих, процессы, основанные на самосборке структуры должна быть более устойчивы с точки зрения термодинамики, они не имеют дефектов и зачастую приобретают способность к самовосстановлению.
Неудивительно, что такое явление не оставлено без внимания учеными, работающими в области нанотехнологий. В нанотехнологии существуют два подхода, которые в англоязычной литературе обозначают выражениями “top-down” и “bottom-up”, что можно перевести как подходы «сверху вниз» и «снизу вверх». В первом случае параметры объекта задаются «сверху», например, в процессе литографии материалу придается структура, заданная формой. Молекулярная самосборка является важным аспектом подхода «снизу вверх»: параметры итоговой структуры задаются формой и функциональными группами молекул. В идеале, соединяясь друг с другом определенным образом, молекулы формируют структуру именно таково вида и свойств, которые заданы конструктором, который, однако, не вмешивается непосредственно в процесс самоорганизации.
Несколько лет назад группа российских, немецких и голландских ученых уже заявляла о возможности осуществления одного из самых многообещающих направлений в обласи самосборки – разработки самособирающихся микросхем.
Современная технология изготовления микросхем, оптическая литография, практически достигла предела своих возможностей: оптические эффекты не позволяют увеличивать плотность печати и число составляющих микрочипа на единицу площади. Однако идя «снизу вверх» можно значительного увеличения плотности размещения компонентов.
Ученым, разрабатывающим проект удалось заставить молекулы самостоятельно собраться согласно заданному шаблону в работающее кодирующее устройство толщиной в несколько нанометров. На первом этапе создавалась подложна со сформированной сеткой проводящих электродов. Затем ее помещали раствор органического полупроводника. Его молекулы прикреплялись к подложке, формируя «мостики» между электродами толщиной в одну молекулу, по которым может течь ток.
Специалисты IBM еще в 2007 году заявляли о том, что им удалось использовать принципы самосборки для создания изоляторов в микросхеме. Суть метода заключалась в формировании триллионов вакуумных микрополостей в структуре микросхем которые имеют диаметр порядка 20 нанометров и служат изоляторами. По словам экспертов, новая методика позволяет увеличить производительность чипов на 35%, а потребление энергии сокращено на 15%. Также заявлялось о том, что данную технологию легко внедрить на существующих производственных линиях.
Другим примером использования молекулярной самосборки являются ДНК-нанотехнологии. В них также используется подход «снизу вверх», когда уникальные молекулярные свойства ДНК и других нуклеиновых кислот приводят к самосборке ДНК-комплексов с требуемыми свойствами. В данном случае ДНК используется скорее как структурный материал, а не носитель биологической информации, например, для изготовления двумерных периодических решеток (используется метод, который называют «ДНК-оригами») или трехмерных структур в форме полиэдров.
Помимо перспектив, технологии самосборки ставят перед исследователями и немало вопросов.Прежде всего, в большинстве случаев мы видим результат процесса, иногда наблюдаем сам процесс, но не можем понять и смоделировать его. Примеров самоорганизации материи вокруг на множество, но их принципы до конца не изучены. Факторы, которые направляют самосборку – форма молекул, баланс между энтальпией и энтропией, природа нековалентных связей, которые притягивают друг к другу молекулы – все это зачастую находится вне нашего контроля на современном этапе развития науки.
Впрочем, даже те успехи, которые демонстрируют сегодня ученые из различных лабораторий обнадеживают и возможно, не за горами тот день, когда мы увидим описанные фантастами многоступенчатые процессы, в которых из отдельных молекул собираются не только компоненты, но и целые аппараты и постройки.
Георгий Проконичев
