Влажная нанотехнология – что это?
Влажная нанотехнология подразумевает обработку больших масс малыми средствами. Влажная нанотехнология требует наличия воды, где и происходят все процессы
Также в процесс вовлечены химики и биологи, которые пытаются получить объекты больших размеров, соединяя отдельные молекулы. Хоть Эрик Дрекслер и продвинул идею о наноассемблерах, работающих в «сухой» среде, влажная нанотехнология, вероятно, станет первой областью, где подобные машины смогут дать практические результаты. Фармацевтика и биологические науки – главные отрасли для большинства нанотехнологических стартапов.
Ричард Джонс называет нанотехнологию, частично заимствовавшую особенности естественной нанотехнологии и поместившей их в синтетические структуры биоклептической. Он же называет строительство с использованием синтетических материалов по естественным образцам и принципам биомиметической нанотехнологией.
Использование этих главных принципов может привести к появлению триллионов нанороботов, схожих по структурным свойствам с бактериями. Они будут попадать в человеческий кровоток для лечения пациента.
История вопроса
Влажная нанотехнология является предполагаемой новой подотраслью нанотехнологии, которая в большинстве своем подчиняется различным видам влажной инженерии. Процессы, которые будут использованы, будут происходить в водных растворах, и будут очень близки к производству в области биотехнологий и молекулярных технологий, которые, по большей части, заняты производством биологических молекул типа белков и ДНК/РНК.
В этой части происходит некоторое пересечение биотехнологии и влажной нанотехнологии, так как живые существа по сути своей создаются восходящим методом, и любое их использование при помощи биотехнологических методов будет связано с восходящим инжинирингом (хотя в большинстве случаев это происходит на уровне создания макромолекул типа белков и нуклеиновых кислот, состоящих из мономеров).
Однако, влажная нанотехнология пытается анализировать живых существ и их компоненты, рассматривая их в качестве инженерных систем. Она нацелена на понимания их во всей их полноте, чтобы получить полный контроль над поведением системы и выделить принципы и методы, которые можно будет использовать более широко для восходящего производства, манипуляции материей на атомном и молекулярном уровнях и создания устройств размером в несколько нм или мкм.
Биотехнология в большинстве случаев занята использованием биологических систем любым возможным способом. Молекулярная биология и связанные с ней дисциплины сравнивают принципы функционирования белков в частности, и нуклеиновых кислот – в меньшей степени, с принципами неких «молекулярных машин». Чтобы инженеры могли сделать наномашины тем же способом, каким их можно было создать в природе, с той же эффективностью, им придется исследовать восходящее производство.
Оно связано с манипуляцией отдельными атомами в процессе производства для получения полного контроля их местоположения и взаимодействий. Начиная с атомного уровня, можно создать наномашины и даже сделать их самореплицирующимися до тех пор, пока они будут находиться в среде с достаточным количеством необходимых материалов. Так как отдельные атомы в процессе будут подвергаться изменениям, восходящее производство часто называют производством по методу «атом за атомом».
Если производство наномашин будет более доступно за счет улучшенных методик, воздействие на экономику и общество может стать колоссальным. Это может дать толчок открытиям в области создания микроэлектромеханических систем, а затем – позволить создать нанобиодатчики и другие предметы, о которых мы сейчас не можем даже и думать. Именно поэтому влажная нанотехнология – лишь начало новой жизни.
Ученые и инженеры сходятся в том, что биомиметика – отличный способ начать присматриваться к созданию наномашин. Человечество только последние несколько тысячелетий пыталось понять принцип работы действительно крохотных аппаратов. Однако, природа работала над улучшением внешнего вида и функциональности наномашин миллионы лет. Это – причина того, что уже существующие наномашины по типу АТФ-синтазы, работающие в наших телах, обладают невиданным КПД в 95 %.
«Влажная» или «Сухая» нанотехнология
Влажная нанотехнология – это форма влажной инженерии, являющейся противоположностью сухой инженерии.
Существуют различные отрасли, связанные с этими двумя типами инженерии. Биологи, с точки зрения нанотехнологии, имеют дело с влажной инженерией. Они изучают процессы, протекающие в живых организмах, и большинство этих процессов проходят в водной среде. Наши тела, по большей части, состоит из воды. Электротехники и машиностроители находятся на другой стороне – сухой инженерии.
Они вовлечены в процессы и производство, не происходящие в водной среде. В большинстве своем, влажная инженерия связана с «мягкими» материалами, которые позволяют обеспечить гибкость, жизненно важную в производстве бионаномашин. Сухая инженерия связана, в основном, с предметами с жесткой структурой и частями. Эти отличия основаны на том факте, что силы, с которыми должны иметь дело оба типа инженеров, крайне отличаются друг друга.
При больших масштабах подавляющее большинство предметов подчиняются законам классической механики. Однако, при работе в наномасштабах, особенно – с биологическим материалом, преобладающей силой становится Броуновское движение.
Так как нанотехнология в наши дни, вероятнее всего, будет иметь дело и с сухостью, и с влагой в одной связке.
Она может стать тем, что изменит взгляд общество на инженерию и производства. Людям придется быть специалистами не только в инженерии, но и в биологии, так как вопрос интеграции этих дисциплин станет одним из серьезнейших прорывов в нанотехнологии.
Броуновское движение и его связь с влажной нанотехнологией
При существовании естественных наномашин, «комплексных точных микроскопических механизмов, соответствующих стандартному определению машины», типа АТФ-синтазы и Фаг Т4, ученые и биологи знают, что они способны создать машины схожих типов и размеров. Однако, у природы было много времени для усовершенствования строения и создания этих наномашин, а человечество только начало изучать их с большим интересом.
Этот интерес мог появиться из-за существования таких наномашин, как АТФ-синтаза (аденозинтрифосфат), которая является «второй по важности после ДНК». АТФ – главный преобразователь энергии, который содержится в нашем теле, и без него та жизнь, которую мы знаем, не смогла бы развиться или даже выжить.
Что Броуновское движение должно сделать со сложными наномашинами?
Броуновское движение – это случайная, непрерывно колеблющаяся сила, которая воздействует на тела в условиях микромира.
Эта сила является той, с которой не работали машиностроители и физики, так как при больших масштабах, в которых человечество привыкло рассматривать понятия, она не является той силой, которую нужно брать во внимания. Люди думают о гравитации, инерции, и других законах физики, основанных на постоянно действующих на нас силах, однако, в наномасштабах они чаще всего не принимаются во внимание.
Чтобы человечество могло воссоздать наномашины, нужно будет либо провести исследования, которые позволят понять, как «использовать» Броуновское движение так, как это делает природа, либо найти обходной способ, используя материалы достаточно жесткие, чтобы противостоять этим силам. Способ, с помощью которого природа может использовать Броуновское движение, скрыт в самосборке. Это эта сила сталкивает и разбрасывает все белки и аминокислоты в нашем теле и склеивают их всевозможными способами.
Комбинации не работают отдельно, а продолжают это делать в рамках своих случайных формаций, однако есть комбинации, которые вырабатывают вещества типа АТФ-синтазы. Благодаря этому процесса природа смогла сделать КПД этой наномашины равным 95 %, что примечательно, так как человек еще не смог такое воплотить. Причина – в том, что природа не пытается обмануть действующие силы, а использует их в качестве преимущества.
Выращивание клеток в культурах для получения преимущества в виде внутреннего химического синтеза структуры может быть рассмотрено как вид нанотехнологии, но эта структура также подвергается манипуляциям извне за счет живых клеток.
