Дмитрий Соколов - Необычные изобретения. От Вселенной до атома

В этой главе будет рассказано о некоторых изобретениях наномира и о том, что очень многие из них можно использовать для создания принципиально новой техники. Материал предыдущих глав я обычно излагаю студентам на первых занятиях, чтобы ввести их в область изобретательства и не отпугнуть от этих работ кажущейся их сложностью. Здесь же рассматривается материал по патентованию изобретений более высокого уровня, но также на интересных и необычных примерах. Подобным материалом обычно заканчиваются занятия по обучению изобретательству и патентованию.

С конца ХХ века многие традиционные направления науки стали относить к нанотехнологиям. Как только размер какого-то элемента, относящегося к традиционному процессу, стал меньше 100 нм, сразу такой процесс начали называть нанотехнологическим. Это можно отнести и к диспергированию материалов, и к микроэлектронике, и к химии, и ко многим другим направлениям. Можно ли все это называть нанотехнологиями – ученые спорят до сих пор.

Существует даже известное высказывание: «Наконец-то для химии придумали красивое название».

Но по поводу наномашин, полностью созданных человеком или в соавторстве с природой, споров никогда не было. Разработка, изготовление и последующее использование наномашин – это область реальной нанотехнологии. В начале 1980-х годов американский ученый Эрик Дрекслер опубликовал книгу «Машины создания: грядущая эра нанотехнологии». Первая публикация датируется 1981 годом. От этой публикации можно отсчитывать начало эпохи наномашин. Он ввел понятие ассемблер – устройство, способное к самовоспроизводству и предназначенное для конструирования наномашин из отдельных атомов и молекул.

Вначале остановимся на изобретениях, созданных природой, использование которых в наномашинах пока еще не перешло в практическую плоскость.

Известен так называемый ферментный мотор [2]. В нем по фибрилле 1 (рис. 11.1) длиной до 8 мкм, например молекуле белка тубулина, может перемещаться фермент 2, используя активные окончания (группы) 3, расположенные на белковых удлинениях 4. Причем эти движения похожи на шаги человека. Уже предпринимались попытки визуализации этих шагов с помощью сверхвысокоскоростного сканирования зондовым микроскопом. Скорость такого перемещения может достигать 100 мкм/сек. При этом энергия для перемещения может создаваться колебаниями различной природы, например инициируемыми гидролизом аденазинтрифосфорной кислоты (АТФ). А направление перемещения может определяться градиентами температуры, электрохимического потенциала, концентрации частиц, например броуновских, и т. д. По белкам актин и миозин, достигающим несколько микрон в длину, подобным образом внутрь клеток могут двигаться, например, хромосомы.

Рис. 11.1. Ферментный мотор

Природа может решать и обратную задачу, при которой на молекулах белка кинезин 1 (рис. 11.2), закрепленных на неподвижной поверхности 2 и также имеющих активные группы 3, расположенные на белковых удлинениях 4, перемещаются микротрубки 5 в мышечных «моторах». Это выглядит, как будто несколько человек, перебирая руками, перемещают длинную трубу над головой. А энергия перемещения та же – АТФ, колебания и градиенты. К линейным наномоторам относятся белки: миозины, кинезины и динеины, обеспечивающие сокращение мышц. Эти белки' могут развивать усилия 3–6 пН, обеспечивать шаг 5–15 нм и скорость перемещения 0,8–3 мкм/сек. Здесь следует заметить, что управление этими «моторами», а значит, процессами жизнедеятельности могут осуществлять периодические солнечные и земные процессы, фазы луны, сезоны года [3]. Существуют даже более сложные и еще менее изученные космофизические факторы сверхмалых воздействий на все природные процессы, в том числе и биологические [4]. То есть произошло символическое сближение изобретений наномира с изобретениями Вселенной, с которых мы начинали эту книгу.

Очень интересное изобретение природы, называемое бактериофагом, который можно рассматривать как наномашину биологического происхождения, я подробно рассматривал в [5, 6]. Там же был представлен вариант гипотетической формулы изобретения на бактериофаг и рекомендации по составлению описания на подобные изобретения. В этом издании мы рассматриваем более простые примеры наномашин.

В качестве следующего примера рассмотрим биомолекулярный двигатель вращения (рис. 11.3), который создан совместными усилиями природы и учеными из университета г. Корнелла, США.

Он содержит рабочий модуль 1, состоящий из биомолекулярного кластера 2, в качестве которого природа использует биотинилированный цистелин. Внутри этого кластера расположена линейная биологическая молекула 3, способная осуществлять вращательное движение. С противоположной от нее стороны имеются гистидиновые концы 4 с активными группами 5. Описанный комплекс представляет собой бионаномотор, созданный природой, который использует, например, бактерия Е. coli для своего перемещения. Для этого на кончике линейной молекулы 3 расположен филамент жгутика (не показан), который работает как пропеллер и двигает ее вперед. Более подробно «мотор» этой бактерии описан в [2].

Рис. 11.2. Мышечный мотор

Далее этот бионаномотор посредством активных групп 5 закрепляют на искусственно созданном никелевом основании 6 высотой около 200 нм и диаметром 80 нм. После этого на кончик линейной молекулы 3 (туда, где природа размещает филамент жгутика) прикрепляют искусственно созданный «пропеллер» в виде никелевой микропроволоки 7. Учитывая малые размеры никелевого основания 6, для того чтобы с биомолекулярным двигателем вращения можно было бы осуществлять манипуляции, это основание закрепляют на платформе 8, которая будет различима в оптический микроскоп и которую уже можно захватывать микроманипулятором. Описанной информации вполне достаточно, чтобы составить формулу изобретения на биомолекулярный двигатель вращения. Вот вариант такой формулы.

1. Биомолекулярный двигатель вращения, содержащий рабочий модуль с установленной в нем осью, имеющей возможность кругового вращения, отличающийся тем, что в него введен исполнительный элемент, соединенный с осью.

Рис. 11.3. Биомолекулярный двигатель вращения

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что рабочий модуль состоит из биомолекулярного кластера.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что биомолекулярный кластер выполнен из биотинилированного цистелина.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что ось состоит из линейной биологической молекулы.

5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что биотинилированный цистелин снабжен гистидиновыми концами с активными группами.

6. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что в него введено основание, на котором закреплен биомолекулярный кластер.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что основание выполнено из никеля.

8. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что гистидиновые концы закреплены на основании посредством активных групп.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что исполнительный элемент выполнен из никелевой микропроволоки.

10. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что оно снабжено платформой, на которой закреплено основание.

Но помимо формулы изобретения, при патентовании наномашин очень важным является описание самой конструкции наномашины. Об этом я подробно писал в [5, 6], здесь отмечу самые важные моменты. Учитывая наноразмерные габариты таких изделий, возможность изготовления отдельных компонентов и их соединения будут отличаться от существующих в макромире.

Бионаномотор (рис. 11.3, 1–5) берется готовым, созданным природой, значит его раскрытие может слово в слово повторить первый абзац, приведенный в начале его описания, надо только не забыть вместо книжного обозначения «рис.» применить обозначение патентное – «фиг.». При этом необходимо будет отметить, как бионаномотор создается. Например, он может быть получен в результате генетической перестройки бактерии Bacillus. А вот остальные элементы надо описывать гораздо подробнее. Необходимо будет привести технологию изготовления никелевых оснований 6, а также технологию их обработки, чтобы их можно было соединить с биомолекулярным кластером 2. Привести технологию изготовления никелевых микропроволок 7 (например, с использованием электронно-лучевой литографии и изотопного травления), а также технологию их обработки, чтобы их можно было соединить с линейной биологической молекулой 3. Причем желательно будет указать несколько вариантов и ссылки на литературные источники, где эти технологии описаны подробно. Например, обработку никелевых оснований и никелевых микропроволок для создания надежного соединения биологических молекул с поверхностью никеля можно осуществлять по одному из следующих маршрутов. На поверхности никеля используют вещества, которые создают на нем слой с активными группами. При этом активные группы биологических молекул соединяются с активными группами на никеле и образуют прочные связи. Широко используемая методика химической модификации для стабилизации молекул на поверхности – силанизация материала [7].