В преддверии шока

Самосборка — «собрать самого себя»?

Самосборка — слово интригующее. Прежде всего, некоторой своей неоднозначностью. Как прикажете его понимать? Как описывающее нечто, собирающее само себя, или как собирающееся само по себе?

Первый вариант тут же напоминает о бароне Мюнхгаузене, вытаскивающем самого себя из болота за волосы. Да еще вместе с конем. Ясное дело (в школе учили!), здесь фундаментальные законы природы нарушаются, и потому такого быть не может. Можно сформулировать это в более серьезной — но и более скучной — форме: в замкнутой системе самосборка невозможна. Она обязательно должна поддерживаться какими-то внешними силами, то есть система с самосборкой может быть только открытой.

Ну а второй вариант? Здесь приходит на ум дурак Емеля. Лежит он на печи, смотрит в окно на кирпичи и произносит заклинание: «По щучьему велению, по моему хотению, кирпичи, сложитесь в штабеля!». И тут кирпичи начинают «сами собой» прыгать и укладываться в аккуратные блоки. Нарушаются ли здесь законы природы? Нет! Хотя кому-то это утверждение может показаться странным.

Когда маленькому Эйнштейну дали в руки компас, он повертел его так и этак и произнес первую в своей жизни длинную фразу: «Я думаю, что вокруг стрелки есть что-то, что заставляет ее поворачиваться». Если бы гений увидел Емелины кирпичи, он тоже нашел бы что сказать — что-нибудь в том же духе.

Самосборка кристаллов

Можно привести очень простые примеры самосборки. Перед началом игры в бильярд шары надо сложить в пирамидку. Попытавшийся сделать это руками будет глубоко разочарован результатом: расползаются шары, как мухи. Будто они живые. Но если положить на стол треугольный деревянный «заборчик» и просто высыпать шары в огороженное для них пространство, они вмиг построятся в пирамидку. Сами собой, как кирпичи у Емели. Потому что им больше некуда деваться. Шары толкаются и ищут для себя место, в котором сумма действующих на них сил была бы равна нулю. То есть такое, где выполнено, выражаясь языком учебника физики, условие равновесия для материальной точки. Найдя такое место, они успокаиваются.

Какие силы действуют на шар в загородке? Силы тяжести, реакции стола, реакции загородки при столкновении шара с ней и взаимодействия с соседними шарами. Все. Или приблизительно все. Меняя размер стороны ограждающего треугольника, можно добиться такого положения, когда требуемое место для каждого шара, во-первых, будет существовать, а во-вторых, окажется единственным. А это как раз то, что требовалось. Вот уж поистине: ловкость рук и никакого волшебства! Теперь наши шары, мгновенно построившись, стоят, как вкопанные. Разбивайте.

Можно предложить еще один пример с теми же шарами. Поместим шары в ящик. Если дело происходит в космическом корабле в состоянии невесомости, они свободно плавают в пространстве ящика, беспорядочно сталкиваются друг с другом и стенками ящика и в результате равномерно заполняют его объем. Никакого порядка нет. Если же ящик находится на поверхности Земли, на шары действует вес, они падают на дно ящика и распределяются там, скатываясь в «самое нижнее» из всех доступных мест. В их расположении относительно друг друга уже наблюдается хорошо заметный порядок, а если ящик к тому же еще и потрясти, они образуют правильную структуру — так называемую гексагональную плотную упаковку, в которой каждый шар расположен в вершине правильного шестиугольника и имеет ровно 12 соседей.

Конечно, атом — не шар. Однако существует некий обобщенный язык, на котором поведение шаров в ящике и поведение кристаллизующихся атомов (или молекул) описывается примерно одинаково. Каждый атом «чувствует» на себе действие внешнего поля (т.е. внешних сил) и поля, создаваемого всеми остальными атомами. Это суммарное поле неоднородно, у различных его точек — разные свойства. В нем есть как бы «ямки» — точки локальных минимумов потенциальной энергии атома. В них-то преимущественно и оседают атомы при кристаллизации.

Разнообразие «ящиков»

В 1990 году В. Кречмер и Д. Хафман с коллегами из института ядерной физики в Гейдельберге (Германия) предложили промышленный способ получения твердых кристаллических фуллеренов (сфероподобных молекул углерода, построенных из очень многих атомов, в простейшем случае — из 60) путем их осаждения из паров графита электрической дуги в атмосфере гелия. Интересна роль гелия в этом процессе: его атомы при столкновениях с углеродными фрагментами эффективно гасят их колебания, препятствующие формированию фуллеренов. Если проводить здесь аналогию с шарами, то гелий, по-видимому, играет роль ящика, ограничивающего свободу движения шаров.

Американский исследователь Ритеш Агарвал и его коллеги из Пенсильванского университета разработали новый тип элемента компьютерной памяти — нанопровод из GeSbTe, обратимо меняющий фазовое состояние с переходом из аморфного в кристаллическое и обратно. Он был изготовлен без литографического процесса (суть литографии в том, что полупроводниковые схемы или их элементы печатают примерно так же, как фотографии). Исследователи применили кристаллизацию исходного вещества при низких температурах в присутствии металлических катализаторов нанометровых размеров. Ученые не сообщают, какие именно катализаторы использовались — это их ноу-хау. Однако понятно, что они-то и являются «ящиком», направляющим процесс самосборки. В итоге на поверхности кремниевого субстрата самопроизвольно образуются линейные фрагменты GeSbTe длиной в несколько микронов и диаметром 30—50 нм, что соответствует размеру приблизительно 100 атомов. В ходе дальнейших экспериментов были изучены свойства полученного наноматериала. Оказалось, что он обладает уникальными свойствами для записи и хранения информации. Плотность хранения данных в этих материалах такова, что позволяет вместить в стандартные модули памяти терабайты данных.

А вот целый «конвейер из ящиков». Корейские исследователи сообщили, что они разработали методику получения высокоанизотропных магнитных структур из наночастиц кобальта, основанную на самосборке этих частиц в магнитном поле. Сферические кобальтовые наночастицы синтезированы ими при разложении Co2(CO)8 в присутствии некоего поверхностно активного вещества (опять ноу-хау). Их диаметр составлял около 10 нм. Здесь это неназываемое вещество, по-видимому, тоже играет роль «ящика». Далее частицы были растворены в нонане (органический растворитель — предельный углеводород с формулой С9H20) и нанесены на кремниевую подложку, помещенную в перпендикулярное магнитное поле. При испарении растворителя на подложке сформировались вытянутые стержни, собранные из наночастиц. В поле 2400 Э (Эрстед — единица измерения напряженности магнитного поля) толщина образующихся стержней составляет около 130 нм, а длина — около 450 нм. Теперь уже магнитное поле (совместно с растворителем) послужило «ящиком». Почему «совместно с растворителем»? Да потому, что оказалось: размеры и их соотношение можно регулировать путем варьирования магнитного поля и начальной концентрации коллоидного раствора.

Можно привести еще множество примеров такого рода, и их число с течением времени только возрастает. Но и этих достаточно, чтобы понять: природа «ящиков» может быть фантастически разнообразной. И, кстати, почему это мы сосредоточились на «ящиках»? Они, безусловно, разнообразны, но не менее вариативны и «шары». Вообще, это разные атомы и молекулы, с разнообразной формой, от которой тоже зависит формирующаяся из них структура.

Живые кристаллы

Наверное, первые нанообъекты, с которыми столкнулся в своей практике человек, — это вирусы. Их размеры колеблются в диапазоне от 20 до 300 нм (это самые настоящие наноструктуры). Есть такое вирусное заболевание растений — табачная мозаика. Геометрическая структура такого вируса хорошо просматривается на электронных микрофотографиях и легко поддается реконструкции (вы видите ее на рис.1). Она проста: геном, представляющий собой одну нить РНК (рибонуклеиновой кислоты), свернут в винтовую линию, к которой прикреплены молекулы белка. Они образуют капсид (оболочку) вируса. Не надо ничего объяснять — один только вид вируса табачной мозаики наводит на мысль о кристалле.

Вирусы — это, скорее, вещество, чем существо. Инфекционный процесс возникает тогда, когда проникшие в клетку вирусы начинают размножаться, то есть происходит редупликация вирусного генома, синтез вирусных белков и самосборка капсида. Как только в клетке-хозяине появляются субъединицы вируса, они сразу же проявляют способность к самосборке в целый вирус. Безусловно, в клетке-хозяине есть факторы, обеспечивающие этот процесс. Один из них — кислотность среды. Простым сдвигом этого показателя частицы вируса табачной мозаики можно заставить самособираться и саморазбираться. Это к вопросу о так называемых наноассемблерах и дизассемблерах — этаких «наномашинах», занимающихся сборкой и разборкой нанообъектов. Автору этих строк представления о них кажутся наивными, хотя бытуют они широко.

А вот уж точно — существо (рис. 2). Обыкновенный гладиолус. Его цветки расположены на стебле в правильном порядке, и этим порядком они тоже напоминают кристалл. Как возникла эта форма? Речь идет не об эволюции, а об индивидуальном морфогенезе (формообразовании). 50 лет назад на эту тему можно было разве что строить гипотезы. Но сегодняшняя наука уже вплотную приближается к тому, чтобы давать ответы на такие вопросы.

А начинались их поиски как раз с самосборки вирусов. В 1969 году журнал «Успехи физических наук» опубликовал статью выдающегося советского биофизика Семена Бреслера «Проблемы биофизики». В ней есть глава «Морфогенез», в которой как раз и затрагивались обсуждаемые проблемы. В частности, речь шла о самосборке бактериофага Т2, поражающего кишечную палочку — рядового обитателя любого кишечника. Его схематическое изображение показано на рис. 3. Справа видно, как происходит инфицирование: вирус впрыскивает свою ДНК в клетку. У него довольно сложная структура, приводящая в недоумение относительно того, как это можно получить с помощью самосборки, похожей на кристаллизацию. Процесс самосборки этого фага также хорошо изучен, однако он довольно сложен, и вряд ли целесообразно на нем останавливаться. Он включает в себя не только «детали» самого вируса, но и не входящие в состав вируса белки, которые синтезирует для самосборки. Хотелось бы обратить внимание на то, что в процессе самосборки Т2 порядок все же возникает, хотя никаких кристаллов и не образуется. Он возникает в виде функциональности находящихся в собранном состоянии вирусов.

Один из великих физиков ХХ века Эрвин Шредингер написал когда-то небольшую книгу «Что такое жизнь с точки зрения физика?». В ней он отстаивал мысль, что живой организм по своей упорядоченности (функциональной, разумеется) вполне подобен кристаллу. Я не знаю, было ли известно Шредингеру слово «самосборка» (скорее всего, нет). Но когда я смотрю на заживающую на ладони царапину, представляю, как некие очень сложные молекулы корчатся на ее поверхности, выискивая себе подходящее место, подобно шарам на дне ящика.