Дмитрий Соколов - Необычные изобретения. От Вселенной до атома

Помимо описанных наномашин, существует еще много различных их вариантов. В университете Райса (г. Хьюстон, США) был изобретен и изготовлен молекулярный автомобиль с колесами их фуллеренов, имеющий длину и ширину порядка 4 нм (рис. 11.4). Причем этот автомобиль может двигаться по поверхности золота при ее нагреве до 200 °C. А при наблюдении за его перемещением методом сканирующей зондовой микроскопии было установлено, что фуллереновые колеса не скользят по опорной поверхности, а именно вращаются.

Компанией Nanotechnology News Network спроектирован наноробот на основе конструктивного строения бактериофага, способный проводить диагностику и лечение заболеваний воздействием в нанометровом диапазоне. Уже созданы наноманипуляторы на основе ДНК. Ученые Гарвардского университета и Мюнхенского технического университета продемонстрировали трехмерные управляемые структуры на основе ДНК и возможность создания на их основе сфер, шестеренок, треугольников и других деталей. Специалисты из университета Дьюка (Северная Каролина, США) научились на микрочастицы закреплять магнитные наночастицы, с помощью которых можно, например, управлять перемещением отдельных клеток. В американском Институте молекулярного производства идут разработки искусственных эритроцитов и лейкоцитов. Ученые немецкого института экспериментальной физики изобрели наноколесо. В Токийском университете разработали молекулярную машину, копирующую работу двигателя внутреннего сгорания. Широкое распространение получают сенсоры на основе нанотрубок, которые могут изменять резонансную частоту колебаний в зависимости от масс молекул, ими «захваченных». При соединении нанотрубок с активными молекулярными группами, описанными выше, можно будет не только определять массы молекул, но и их химические свойства, а это уже выход на детектирование токсичных белков и ядовитых веществ.

Работы по созданию новых наномашин идут с огромной скоростью и по многим направлениям, но при любом их патентовании особенное внимание придется обращать на более подробное, чем в обычных изобретениях, описание их конструкций, а также на возможность их изготовления и функционирования, чтобы обеспечить выполнение третьего критерия патентоспособности изобретений «промышленная применимость» (п. 1 ст. 1350 четвертой части Гражданского кодекса).

Литература

1. Гаврилов М.И. Техника – колесница прогресса // Изобретатель и рационализатор. – 2013. – № 1.

2. Иваницкий Г.Р. 21 век: что такое жизнь с точки зрения физики // Успехи физических наук. – 2010. —Том 180. – № 4.

Рис. 11.4. Молекулярный автомобиль с колесами из фуллеренов

3. Иваницкий Г.Р. Мир глазами биофизика. – М.: Педагогика, 1985.

4. Шноль С.Э. Космофизические факторы в случайных процессах. Svenska fysikarkivat. Stockolm, 2009. – 388 с.

5. Соколов Д.Ю. Создание, оформление и защита изобретений (Практическое пособие для инженеров, ученых и патентоведов). – М.: ОАО ИНИЦ «Патент», 2013. – 206 с.

6. Соколов Д.Ю. Закономерности патентования высотехнологиче-ских решений // Наноиндустрия. – 2012. – № 7.

7. Hu, М. Wang, H.-U.G. Weier, P. Frantz, W. Kolbe, D.F. Ogletree and M. Salmeron, Imaging of single extended DNA molecules on flat (aminopropyl)triethoxysilanemica by atomic force microscopy. // Langmuir. – 1996. – v. 12. – № 7. – p. 1697–1700.

8. Блинов Л.М. Успехи химии. – 1983. 52. 1263.

9. Патент RU2339036. Способ оценки качества вакцин. 20.11.2008.

Глава 12

Наномир как новая визуальная реальность

На протяжении тысячелетий человеческий глаз видел окружающие предметы, размеры которых были больше 1 мм. В начале XVI века появились первые микроскопы. В числе изобретателей их различных вариантов были отец и сын Янсены, Корнелиус Дреббель, Галилео Галилей, Кристиан Гюйгенс, Роберт Гук. Но только Антони Ван Левенгук привлек к своей модификации микроскопа внимание биологов, и человечество увидело новый микромир.

20 сентября 1979 года Г. Бинниг и Г. Рорер зарегистрировали в Швейцарии заявку на сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). В 1986 году был изготовлен первый атомно-силовой микроскоп (АСМ). Оба прибора, их теперь называют сканирующими зондовыми микроскопами (СЗМ), позволили не только «увидеть» материю на уровне отдельных атомов, но и переносить атомы с одного объекта на другой и даже двигать. Многие связывают начало эры нанотехнологии с созданием этих приборов. В СТМ иголка движется над объектом. Между ними создают разность потенциалов. Если под иголкой бугорок (атом) объекта, то ток между ними большой. Если ямка (межатомное расстояние) – ток маленький. Но для этого иголка и объект должны быть изготовлены из проводника. А если хочется посмотреть бугорки на изоляторе, то используют АСМ, в нем иголку закрепляют на плоской пружинке, которая может изгибаться, и тоже двигают ее над объектом. Над бугорком она поднимается, над ямкой опускается. На пружинке закреплено зеркало, на него светят лазерным лучом, зеркало его отклоняет, и по этому отклонению судят – бугорок (атом) или ямка («пустота») находится под кончиком иглы. В это трудно поверить. Когда появились первые изображения атомов, многие ученые и не поверили. А те, кто поверили, стали делать такие микроскопы и их продавать. Справедливости ради надо заметить, что к моменту создания зондовой микроскопии уже существовала высоковольтная электронная микроскопия, и она тоже «видела» наномир (см., например, [1]), но из-за сложности использования у нее все-таки ограниченная область применения. Конечно, зондовые микроскопы в первую очередь нужны для научных работ и расширяют границы познаваемого мира, но и просто увидеть, как устроен наномир – тоже очень интересно. Я знаю многих людей, которые пришли в сканирующую зондовую микроскопию после того, как они увидели изображения атомов. Так как эта книга посвящена необычным изобретениям, то вполне уместно ее завершить необычными картинами наномира, выполненными на необычных приборах (рис. 12.1–12.8 цв. вклейки). Многие представленные изображения цветные, хотя существует ли там цвет – большой вопрос [2].

Как мы уже отметили, получение изображения поверхности объекта на сканирующем зондовом микроскопе не является самоцелью, оно необходимо для более углубленных исследовании этого объекта. Для этого можно использовать методы цифровой обработки изображений. Эти методы позволяют находить более точные геометрические характеристики частиц, расположенных на поверхности, таких как: нанокластеры, микрокристаллиты, частицы коллоидной природы: вирусы, микробы, клеточные органеллы и т. п. Сущность одного из таких методов заключается в том, что при измерении параметров конкретной частицы исключают влияние соседних частиц на процесс измерения. Благодаря этому параметры измеряемой частицы оказываются ближе к истинным значениям. Подробнее этот метод описан в [3].

Но, помимо простой визуализации изображений, СЗМ способен воздействовать на материю на атомарном уровне. В 1989 году ученые из IBM Д. Эйглер и Э. Швейцер выложили из 35 атомов ксенона название своей корпорации. По сути, это достижение подтвердило тезис, что эра нанотехнологии началась с создания СЗМ, без которого немыслимо проникновение вглубь материи и развитие многих отраслей науки. Позже было визуализировано перемещение фермента по белковому основанию, описанное в предыдущей главе, функционирование бактериофага, рассмотренное в [4], и многое другое, о чем я предполагаю написать в будущих книгах.

Литература

1. Поглазов Б.Ф. Сборка биологических структур. – М.: Наука, 1970. – 156 с.

2. Быков В.А. Существует ли цвет в наномире // Наноиндустрия. – 2009. – № 4.

3. Патент RU2459251. Способ выделения локальных объектов на цифровых изображениях поверхности. 20.08.2012.

4. Соколов Д.Ю. Создание, оформление и защита изобретений (Практическое пособие для инженеров, ученых и патентоведов). – М.: ОАО ИНИЦ «Патент», 2013. – 206 с.

Заключение

Все изложенное в этой книге, я надеюсь, расширит кругозор людей разных возрастов и профессий. Изобретатели найдут в своих разработках новые объекты для патентования. Художники, в широком понимании этого слова, возможно, взглянут на свою работу под другим углом. Школьники и студенты увидят на опыте великих современников, что изобретательство – это интересное и полезное занятие. А если изобретателей станет больше, то сократится катастрофическое отставание нашей страны в области защиты интеллектуальной собственности, и постепенно мы начнем возвращать свое утраченное интеллектуальное лидерство.

Рис. 12.1. АСМ-изображение поливинилового спирта. Получено А. Серцовой. Московский текстильный университет