Компьютерное моделирование в молекулярной нанотехнологии

Представьте себе такую картину: на конвейере сборочного цеха днем и ночью управляемые компьютером роботы при помощи механических рук-манипуляторов собирают из поставляемых на предприятие либо производимых в других цехах деталей самые разнообразные машины. Картина, казалось бы, знакомая и не должна вызывать в конце ХХ века ни у кого особого удивления, за исключением только одного момента: все эти машины, роботы, компьютеры, конвейер и даже сам завод по размеру не превосходят вируса. Все детали механизмов таких машин представляют собой индивидуальные молекулы, либо супрамолекулярные (то есть состоящие из нескольких молекул) комплексы. Хотя все это выглядит как фантастическая картина из очень далекого будущего, на самом же деле это вполне конкретные научно-технические разработки последних нескольких лет, которые и составляют предмет молекулярной нанотехнологии.

Молекулярная нанотехнология занимается дизайном, моделированием и производством молекулярных машин и молекулярных устройств. Пионером этого направления можно по праву считать Эрика Дрекслера, опубликовавшего пять лет назад книгу Eric Drexler, Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation, John Wiley & Sons, 1992 г. По своим потенциальным возможностям молекулярная нанотехнология находится на значительно более высоком технологическом уровне по сравнению со всем тем, что было до сих пор достигнуто человечеством, поскольку только в ней декларируется возможность специфицировать производимое изделие с точностью до одного атома. В этом смысле она резко отличается от других нанотехнологических подходов, например, от техники напыления атомов на подложку при помощи туннельного сканирующего микроскопа, где изделие специфицируется лишь с точностью до некоторого статистического ансамбля атомов, имеющего определенные геометрические размеры. Тем не менее, если нанотехнологические установки последнего типа уже реально работают, то разработка молекулярных машин находится пока еще на стадии компьютерного моделирования, хотя на практике уже получены некоторые из их простейших деталей.

Любая новая технология должна быть, прежде всего, экономически выгодной, а производство деталей молекулярных машин традиционными методами органического синтеза требует гигантских капиталовложений и далеко не всегда вообще возможно. Именно поэтому одним из основных требований к молекулярным машинам является их способность воспроизводить самих себя: как только будут получены первые такие машины, они сразу же начнут производить как свои копии, так и другие молекулярные машины, в результате чего микромир машин заживет своей автономной жизнью, требуя от нашего макромира лишь исходное сырье, энергию и общее управление (впрочем, последнее не обязательно). Фактически, развивая молекулярную нанотехнологию, человечество, не успев разобраться со своей собственной биологией с ее многочисленными болезнями, дерзнуло на создание новой небелковой (хотя и углеродной) формы жизни, которая должна быть полностью понятна и подконтрольна человеческому разуму. Но будет ли? Как тут не вспомнить Франкенштейна и Терминатора из будущего!

Основным стратегическим направлением современных работ в области молекулярной нанотехнологии является создание так называемого молекулярного ассемблера - молекулярной машины, способной собирать другие молекулярные машины. Из опубликованных в открытой печати проектов таких машин наиболее детально проработанным и обоснованным является проект ассемблера, разработанный в Xerox Corporation, вокруг которого, судя по всему, и сконцентрировано большинство работ в этом направлении. С основными положениями этого проекта можно ознакомиться через Интернет по адресу http://nano.xerox.com/nanotech/nano4/merklePaper.html либо по статье в журнале "Nanotechnology" за 1996 год на стр. 210-215. Проект предусматривает два подхода к молекулярной нанотехнологии: диамондоидный и фуллереновый (значение терминов мы объясним ниже). Работа предлагаемого ассемблера основана на использовании двойной треноги (double tripod) - молекулярного позиционирующего устройства с шестью степенями свободы, своеобразного молекулярного аналога руки робота. Здесь стоит сразу упомянуть, что уже существуют и альтернативные проекты позиционирующего устройства, например, "рука" Дрекслера и платформа Стюарта. Предполагается, что сам ассемблер плавает в жидкости, в которой растворены молекулярные заготовки для изготовления деталей машин (предположительно линейные либо плоские молекулы, способные под действием механического напряжения образовывать реакционно-способные частицы, такие как свободные радикалы либо карбены, которые в дальнейшем способны вступать в механосинтетическую реакцию полимеризации с образованием материала деталей молекулярных машин). В качестве же основного материала, из которого будут сделаны молекулярные машины, предполагается использовать так называемые диамондоиды (diamondoids) - полимерные органические молекулы, в которых углеродные атомы скелета связаны между собой точно так же, как и во фрагментах кристаллической решетки алмаза (отсюда и происходит название диамондоидного подхода к молекулярной нанотехнологии). Использование "алмазной" конструкции в качестве материала молекулярных машин придает им необходимый комплекс уникальных свойств: высокая прочность, легкость, относительная химическая инертность и термостабильность, а также ряд других свойств, ценных с точки зрения электроники. Таким образом, молекулярные машины первого поколения будут представлять собой микрокапсулы с диамондоидной стенкой, плавающие в жидкости. Предполагается, что в стенки капсулы будут встроены молекулярные сортирующие роторы, которые будут вылавливать из внешней среды необходимые для работы машины молекулы и поставлять их внутрь капсулы, которая, как предполагается, будет заполнена изнутри сжатым инертным газом (неоном либо гелием). Там внутри эти молекулы будут захватываться "рукой" двойной треноги, позиционироваться с точностью до атома к нужному месту "сборочной линии" и прикрепляться точно к нужному атому, наращивая тем самым очередную деталь производимой на "конвейере" очередной молекулярной машины. Каждая из шести степеней свободы позиционирующего устройства управляется при помощи своего храповика, приводимого в действие давлением инертного газа при помощи пистонов. Каждый пистон представляет собой углеродную трубку (называемую также из-за своего размера нанотрубкой), в стенках которой атомы связаны между собой так же, как и в графите. Кроме того, пистон может запираться, например, сферической молекулой химического вещества фуллерена С60 (отсюда название другого, альтернативного фуллеренового подхода к молекулярной нанотехнологии). Предполагается, что молекулярные ассемблеры первого поколения еще не будут содержать встроенного молекулярного компьютера, вместо этого команды будут поступать извне из макроскопического компьютера при помощи акустических волн, которые внутри ассемблера будут преобразовываться в давление инертного газа, которое будет управлять храповиками позиционирующего устройства. Тем не менее, разработки молекулярного компьютера для молекулярной нанотехнологии уже ведутся по нескольким направлениям, причем, как оказалось, в молекулярных машинах механические вычислительные устройства могут быть использованы даже более эффективно, чем основанные на электронике.

Из приведенного выше описания модели простейшего ассемблера очевидна чрезвычайная сложность его конструкции. Достаточно сказать, что его полная молекулярная модель насчитывает много миллионов атомов, что полностью исключает возможность его синтезировать традиционными методами органической химии. В качестве реального механизма для получения молекулярных машин до того, как будет запущен процесс их самовоспроизводства, предложен "конвергентный" подход, при котором сначала будут синтезированы лишь самые простейшие детали, которые в дальнейшем будут использованы для производства более сложных и так последовательно до тех пор, пока на некоторой стадии молекулярные машины не станут способны производить другие машины. Отсюда очевидна необходимость тщательно спланировать молекулярную машину, поскольку любая ошибка в конструкции может стоить многих лет работы больших научных коллективов. Поэтому в настоящее время основная работа в области молекулярной нанотехнологии ведется над теоретическим обоснованием работоспособности предлагаемых молекулярных устройств при помощи методов компьютерного моделирования.

Задача компьютерного моделирования молекулярных устройств чрезвычайно сложна и трудоемка, поскольку на молекулярном уровне уже перестают действовать макроскопические законы механики, используемые для расчета узлов обычных машин. Законы сопротивления материалов и гидравлики уже неприменимы - вместо этого вступают в действие законы квантовой механики, которые приводят к совершенно неожиданным с точки зрения классической механики последствиям, поэтому единственно приемлемым для молекулярной нанотехнологии вычислительным подходом являются методы молекулярного моделирования, которые ранее успешно использовались в вычислительной химии и молекулярной биологии.

Наиболее активно используемыми в молекулярной нанотехнологии методами молекулярного моделирования являются молекулярная механика, молекулярная динамика, а также пришедший недавно из статистической физики метод Монте-Карло. Одной из главных проблем является то, что нанотехнология оперирует такими величинами, на которые законы классической физики уже не распространяются. Например, движение легких электронов может быть описано только квантово-механически, а движения тяжелых ядер уже со значительно меньшими погрешностями может быть описано в рамках Ньютоновской механики. Для того чтобы отделить одно от другого используется известное из квантовой механики приближение Борна-Оппенгеймера. Достигается это путем введения так называемого силового поля, которое представляет собой функцию потенциальной энергии молекулы от координат ядер атомов. В методе молекулярной механики производится поиск энергетически выгодного пространственного строения молекулы путем нахождения локального минимума этой функции потенциальной энергии, в методе молекулярной динамики вычисляется классическая траектория движения атомов путем интегрирования уравнения движения Ньютона в силовом поле молекулы, а в методе Монте-Карло рассматривается вся статистическая совокупность энергетически выгодных положений атомов в молекуле, что дает возможность определить самое выгодное в энергетическом плане пространственное строение молекул, а также оценить их термодинамические характеристики.

Большинство опубликованных примеров применения метода молекулярной динамики в молекулярной нанотехнологии касается моделирования работы и оптимизации размеров и параметров молекулярных шестеренок и молекулярных подшипников, а также движения нейтрального газа внутри углеродных нанотрубок, пистонов и молекулярных насосов. Основное применение метода молекулярной механики касается определения оптимальных значений параметров, описывающих молекулярное строение отдельных деталей, например, размер углеродных трубок, а также дизайн мест связывания для вылавливания нужных молекул из раствора. Пока еще немногочисленные работы по применению метода Монте-Карло касаются моделирования процесса самосборки составных частей молекулярных устройств.

Вторым типом подходов из арсенала средств молекулярного моделирования, который уже нашел свое место в вычислительной молекулярной нанотехнологии, являются неэмпирические квантово-химические расчеты в рамках приближения Хартри-Фока, известного также, как метод молекулярных орбиталей. Подобные расчеты проводятся для моделирования протекания химических реакций, приводящих к синтезу составных частей молекулярных устройств.

Наконец, третьим вычислительным подходом, который также активно используется в молекулярной нанотехнологии, является визуализация деталей молекулярных машин с использованием языка моделирования виртуальной реальности VRML. Любопытный читатель может в буквальном смысле облететь в виртуальной реальности некоторые детали молекулярных машин и даже посмотреть, как они выглядят изнутри - это можно сделать через Интернет по адресу http://www.construct.net/project/nanotech/conference. Вне всякого сомнения, технология виртуальной реальности является едва ли не единственным способом заглянуть внутрь молекулярных машин и посмотреть, как бы они выглядели при свете (заметим, что в мире молекулярных машин царит тьма, поскольку размер их деталей намного ниже длины волны видимого света), что крайне важно для человека-разработчика, живущего в освещенном макромире и привыкшего думать в его категориях.

Активное внедрение вычислительных подходов в молекулярную нанотехнологию потребовало развития специализированного программного обеспечения. Во-первых, были созданы молекулярные компиляторы - программы, переводящие описание детали молекулярной машины с языка высокого уровня на атомно-молекулярный язык, воспринимаемый программами молекулярного моделирования из богатого арсенала вычислительной химии. Использование молекулярных компиляторов дает возможность быстро строить молекулярные модели деталей, пригодные для обработки программами молекулярного моделирования с целью оценки их целевых свойств, что позволяет путем варьирования параметров конструировать молекулярные детали, обладающие оптимальными характеристиками. В качестве примера можно привести молекулярный компилятор для углеродных нанотрубок, исходный текст на С которого доступен по адресу ftp://ftp.parc.xerox.com/pub/nano/tube.c. Следующим этапом явилось создание специализированных программных систем для молекулярной нанотехнологии, аналогичных CAD-системам в макроскопическом машиностроении. В качестве примера можно привести создаваемую в NASA Ames Research Center компьютерную систему разработки молекулярных машин NanoDesign. С основными идеями, лежащими в ее основе, можно ознакомиться по адресу http://science.nas.nasa.gov/Groups/Nanotechnology/ publications/MGMS_EC1/NanoDesign/paper.html.

В заключение следует отметить, что основные работы в области вычислительной молекулярной нанотехнологии ведутся в лабораториях NASA Ames Research Center (см. http://science.nas.nasa.gov/Groups/Nanotechnology/ publications/MGMS_EC1/program/index/html) и в Material Simulation Center (см. http://www.wag.caltech.edu/gallery/nano_comp.html) с использованием новейших параллельных суперкомпьютеров, таких как Intel Paragon, CRAY T3D, J Machine, SGI Power Challenger и HP-Convex, а также в ряде других научных центров, из которых стоит упомянуть Institute for Molecular Manufacturing (http://www.imm.org) и Xerox Corporation (http://nano.xerox.com/nanotech), указанные Web-страницы которых содержат интересный материал по ведущимся там нанотехнологическим разработкам. Во многих случаях подобные исследования проводятся при финансовой поддержке со стороны NASA, что не удивительно, поскольку, судя по всему, использование элементов молекулярной нанотехнологии уже в ближайшем будущем может стать одним из ключевых элементов американской аэрокосмической программы. Более того, есть все основания полагать, что именно молекулярная нанотехнология определит лицо технологического развития XXI века.