Текст книги "100 великих достижений в мире техники"

О чем поет огурец?

…Это походило на фокус. Обыкновенный зеленый огурец поместили в светонепроницаемый футляр, закрыли его, щелкнули парой тумберов, и в лаборатории зазвучала некая странная мелодия.

«Так поет огурец, – пояснил старший научный сотрудник Института прикладной математики Николай Наумов. – Слышите, голос его оптимистичен и весел. Стало быть, огурец свежий»…

Суть «фокуса» оказалась вполне реалистичной. Оказывается, о том, что самый обыкновенный огурец, яблоко, любой цветок или даже шкаф могут звучать, исследователям известно как минимум полвека. Дело в том, что любой процесс в кристаллической решетке, живой молекуле сопровождается электромагнитными излучениями, подобным радиоволнам. А коли так, то поймать их, усилить, преобразовать в звуковые частоты – это уж дело техники.

Понятное дело, особо заинтересовали исследователей «голоса» живой природы. И вот почему. «Он живой, он светится», – сказал некогда потрясенный Дениска из рассказа Виктора Драгунского, впервые увидев светлячка. И писателю и его герою было невдомек, что светиться могут не только светлячки, гнилушки, некоторые породы рыб, но и вообще любое живое существо. Вот только свечение это не так-то просто заметить…

Оказывается, огурцы не лишены вокальных способностей

Как ни странно, но впервые его зафиксировали отнюдь не биологи, а… астрономы. Заполучив в начале 50-х годов XX века в свое распоряжение спектрометр, а потом и фотоумножитель, они стали направлять око этих приборов не только на свет далеких звезд, но и на чисто земные объекты. И однажды перед прибором, привыкшим ловить по ночам мерцание далеких звезд, оказался растущий корешок гороха. Перо регистратора дрогнуло, – значит, корешок светился.

Более немощное излучение трудно было найти в природе – подсчитали, что грамм корешков светит в десятки тысячи раз слабее известного всем Иванова светлячка. Невидимые глазу лучи так и назвали – сверхслабым свечением растений.

Такой свет испускают все клетки любого органа, и, самое главное, для этого не требуется никакого фермента, обязательного для биолюминесценции. Более того, характер этого свечения во многом зависит от состояния данной живой клетки. Попросту говоря, чем хуже ее самочувствие, тем слабее свечение.

Ну а чтобы не мучиться, пытаясь засечь считаные фотоны, излучаемые клеткой, практически оказалось удобным перевести свечение в акустические сигналы. Так в группе Наумова и услыхали впервые «голоса» живых клеток.

Когда исследователям удалось установить, что яблоко пищит очень жалобно и монотонно, они стали думать, на что оно, бедное, жалуется. То ли на то, что его едят, то ли, наоборот, на то, что не востребовано… Расшифровать полностью эти жалобы пока не удается – исследования «голосов», по существу, только начались. Но уже сейчас ясно – «озвучить» можно практически любой овощ или плод.

Достаточно поместить его в камеру, датчики который улавливает фотоны – элементарные частицы электромагнитного поля, – излучаемые овощем. Все показания записываются очень чувствительным прибором. Каждой волне соответствует определенный звук, нота. Так и рождается музыка. Невидимое становится слышимым. «Мелодии света» дают возможность контролировать состояние того или иного живого существа, диагностировать какие-то нарушения в самом зародыше.

Озвучить можно даже молекулы ДНК. То есть с нашими генами тоже можно общаться. А это значит, что исследователи получили возможность с еще одной стороны подступиться к разгадке одной из самых великих тайн природы – как из молекул ДНК рождаются органы, а затем и живые организмы. А там, глядишь, научатся и исправлять те или иные генные недостатки, еще в процессе «проектирования» будущего организма.

Растения – индикаторы

Казалось бы, что могут подсказать ботаники геологам, а уж тем более саперам, ведущим разминирование территорий, где когда-то шли бои, или экологам, стремящимся вернуть к жизни территории, подвергшиеся радиоактивному заражению? Тем не менее, как показывает практика, порою невзрачная травка оказывается эффективнее сложнейшей аппаратуры.

«Травка, над рудным жилами растущая». Известно, что в пустынях и сухих степях пресная вода залегает на глубине в несколько десятков метров. И из поколения в поколение передают жители пустынь такую заповедь: увидел акацию или руту – рой колодец, будет вода.

Накопленную веками мудрость суммировал в знаменитом труде «О слоях земных» великий русский ученый М. В. Ломоносов. «На горах, в которых руды или другие минералы родятся, растущие дерева бывают обыкновенно не здоровы, то есть листья их бледны, а сами они низки, кривлеваты, сувороваты, суковаты, гнилы и прежде совершенной старости своей, – писал он. – Травка, над рудными жилами растущая, бывает обыкновенно мельче и бледней».

Разумеется, бурно развивающаяся промышленность не могла довольствоваться только наблюдениями. Геология поставила себе на службу геофизические и геохимические методы поисков и разведки полезных ископаемых, бурение глубоких поисково-разведочных скважин, лабораторные ядерно-физические, акустические, химические методы изучения горных пород и руд и в самое последнее время – космические. Искусственные спутники Земли помогают наносить на карту новые месторождения.

Итак, с одной стороны, нейтроны и космос, а с другой – травка и листья. Кто же из них быстрее ищет земные сокровища? Вопрос далеко не праздный. Можно было бы назвать имена знаменитых физиков, которые пренебрежительно отзывались о старых, «дедовских» методах. И оказывались не правы.

Зеленый лист и искусственный спутник должны стать одинаково верными и надежными помощниками геолога, решили ученые. И вот на стыке наук родился новый метод поиска полезных ископаемых – биогеохимический.

Первые результаты. В конце 50-х годов XX века советские исследователи Александр Виноградов и Дмитрий Малюга по гумусовому слою почвы и золе растений обнаружили в Тувинской АССР медную жилу. Вскоре Малюга тем же способом открыл медно-молибденовое месторождение Каджаран в Армении. По золе листьев березы открыто Шипилинское месторождение меди в Хакасии и Октябрьское месторождение железа в Восточной Сибири. В Узбекистане с помощью «опробования» вишни, миндаля, жимолости и зверобоя открыто медно-молибденовое месторождение Сары-Чеку. Казахские геохимики, анализируя полынь, арчу и зверобой, обнаружили Ежевичное месторождение полиметаллов, а на месторождение меди Фланговое указали полынь и ковыль.

Полевица тонкая указывает на содержание в почве свинца, а мак – цинка

Широкое развитие получил биогеохимический метод и за рубежом: в США и Канаде, в некоторых странах Западной Европы и Центральной Африки. Так, в США открыты урановые месторождения Ла-Вентана-Меса, Еллоу-Кэт-Меса, Питтсбург-Парк, Литтл-Ева. В Канаде биогеохимическое исследование хвои и ветвей хвойных деревьев закончилось редкой удачей – открытием медно-молибденового месторождения Бетлехем и второго в мире месторождения молибдена Эндако. В Англии, в провинции Корнуэлл, по золе вереска найдены месторождения вольфрама и олова.

Индикаторами являются те наземные растения, которые наиболее четко отражают ландшафтные геохимические условия (химический состав почв, пород и подземных вод). К таким растениям относятся смолка (на медь), фиалка (на цинк), силена (на кобальт), астра (на селен), астрагал (на селен, уран)…

Геоботанический метод усилиями Александра Виноградова, Дмитрия Малюги и их последователей доказал свою жизнеспособность в качестве поискового средства и право на широкое внедрение. В настоящее время исследователи сделали еще один шаг по привлечению «зеленых рудознатцев» на пользу людям.

В поисках утечек. Эксплутационники, имеющие дело с утечками газа, вынуждены держать наготове многие сотни специальных приборов-газоанализаторов. Но и те идут в дело, как правило, лишь после того, как на контрольном пункте вдруг выясняется: огромное количество газа пропадает неизвестно куда.

И вот тут тоже может прийти на помощь обычная растительность. Как показала практика, в местах утечки газов она меняет свой цвет. И это можно заметить с вертолета патрульной службы, делающего облет трассы.

Майкл Стивен, профессор Ноттингемского университета, поясняет, что обычно растения в этом случае интенсивно желтеют. Ведь газ в месте утечки лишает растения кислорода и для них наступает осень раньше календарного срока. «Однако и в этом случае утечку удается обнаружить лишь пару месяцев спустя после того, как она произошла, да и только в теплое время года», – поясняет он.

Тогда профессор Стивен предложил такое решение. Надо периодически анализировать цвет растительности на трассе того или иного газопровода с помощью чувствительного спектрометра. Причем делать можно не только с вертолета, но даже со спутника. При этом, как показали эксперименты, изменение цвета листвы можно обнаружить уже через несколько дней после начала утечки и с точностью до метра.

Растения – миноискатели. Еще одну интересную особенность растений выявили специалисты, работающие на военные ведомства двух стран – Канады и США. Ныне специалисты из Университета Альберты (Канада) и ряда университетских центров США уже участвуют в программе по выведению генетически модифицированных растений, способных подавать «сигнал» об обнаружении мин и фугасов.

«Из разных типов мин вещества попадают в почву с различной интенсивностью, некоторые фактически открыты для окружающей их среды», – поясняет специалист министерства национальный обороны Канады Энтони Фост, занимающийся вопросами обнаружения мин.

Пока ученые находятся в начале пути и еще в деталях не представляют, как будет работать предложенная ими схема. «Мы не знаем, как все будет происходить. Однако мы знаем, что существуют бактерии и другие организмы, способные обнаруживать в почве такие вещества, как тротил. Мы можем взять ген такой бактерии и поместить его в корни растения. При соприкосновении с тротилом рецепторы гена подадут растению серию сигналов», – считает профессор Майкл Дейхолос из Университета Альберты. Такими сигналами, по его словам, может стать изменение цвета листьев или цветков растения.

Конечно, учитывая довольно длительный период роста растений, их нельзя будет использовать в «боевых условиях», то есть для быстрого обнаружения фугасов. Однако, считают исследователи, их вполне можно применять в ходе продолжительных миротворческих операции или при обезвреживании мин, все еще остающихся в земле после Второй мировой войны. В этих случаях предполагается осуществлять над опасными территориями посев семян растений-миноискателей с самолетов или вертолетов. Ростки затем обозначат опасные для людей зоны.

Спасители Чернобыля. Бывший наш, а теперь американский исследователь Илья Раскин предлагает использовать растения не только в качестве индикаторов повышенного содержания в почве тех или иных химических элементов, но и для их добычи.

В первую очередь Раскин предлагает таким образом извлекать таким образом вредные, например, радиоактивные соединения. «Если посадить на полях вокруг Чернобыля определенные сорта растений, – предлагает он, – то они за 5–10 лет выберут из почвы всю радиоактивную нечисть».

Согласитесь, что убрать с поля ботву, сжечь ее, а потом захоронить радиоактивную золу все же легче, чем снимать весь пахотный слой земли, как это пытались сделать некоторые горе-рекультиваторы.

За ценную идею Илье Раскину в США выдали очередную научную премию, обещали обсудить его предложение в рамках ООН. Но время идет, а воз и ныне там…

Впрочем, Раскин особо не расстраивается. Он свою часть работы выполнил, теперь очередь – за украинскими чиновниками. Сам же ученый работает над следующей проблемой. По его мнению, современные методы генной инженерии позволяют вывести такие виды растений, которые будут в десятки, а то и сотни, даже тысячи раз превосходить по своей производительности нынешние растения. А коли так, появляется реальная возможность применения биологических методов добычи полезных ископаемых. Затем перелопачивать сотни тонн пустой породы, обогащая рудный концентрат, когда проще и дешевле ежегодно засевать поля в районе того или иного месторождения определенными видами растений, а по осени собирать урожай рудных концентратов?

Правда, пока промышленники упираются. Им кажется, что добыча руды с помощью экскаваторов, методов флотации и т. д. производительнее, чем «выращивание травки». «Но все это до поры до времени, – уверен Раскин. – Как только нынешние рудные месторождения истощатся, промышленникам волей-неволей придется задуматься над способами использования бедных месторождений, а то и рудных отвалов. Вот тогда-то и скажут свое веское слово “зеленые рудознатцы”…»

А пока суд да дело, американские ботаники из Колорадского университета вывели особый сорт комнатных растений, которые меняют цвет своей листвы, если поблизости «чуют» взрывчатку или наркотики. Полагают, что такие растения в ближайшее время весьма облегчат жизнь таможенникам и спецагентам в аэропортах, залах ожидания железнодорожных вокзалов и других многолюдных местах.

Компьютер с… грядки?!

Представьте себе ситуацию. Заходит человек в магазин, где обычно торгуют цветами, рассадой растений и т. д. И спрашивает семена… микропроцессоров.

А дальше уж вообще начинаются чудеса. Человек приходит домой, высаживает купленные семена на грядке, в ящик на балконе, а то и просто в цветочный горшок. И в положенный срок собирает урожай тех самых микропроцессоров, которые ему нужны.

Скажете, сказка? Нет, всего лишь присказка…

Мини… Микро… Дальше некуда? Прорывы чаще всего удаются на стыках. Это утверждение, по словам директора НИИ физической и органической химии Ростовского государственного университета, академика В. И. Минкина, верно не только для военных действий, но и для научных исследований. Вот о каком удивительном прорыве, осуществленном совместными усилиями микроэлектронщиков, химиков, вирусологов и молекулярных биологов он рассказал недавно своим коллегам на очередном заседании президиума Российской академии наук.

Эффективность молекулярного компьютера может оказаться в 100 млрд раз выше, чем современного кремниевого

Поначалу компьютеры были электромеханическими машинами, работавшими при помощи шестеренок и реле. Затем стали ламповыми, потом транзисторными. Наконец, на смену отдельным транзисторам пришли интегральные микросхемы. Причем на микропроцессорном чипе современного компьютера уже располагается до 100 млн транзисторов. И намного больше разместить уже вряд ли удастся.

Ело в том, что современные технологии производства интегральных микросхем достигли своего пика. Само формирование интегральной схемы с меньшими размерами транзисторов невозможно на базе стандартной техники фотолитографии, применяемой сегодня.

Для того чтобы вытравить на кремниевой пластине нужные участки, на нее предварительно наносят с помощью фототрафарета определенный рисунок. А четкость его возможна лишь в том случае, если проецирование осуществляется излучением, длина волны которого по крайней мере вдвое меньше, чем длина самого элемента. Поэтому от видимого света технологии перешли уже к куда более коротковолновому жесткому ультрафиолетовому излучению. И дальше двигаться, похоже, некуда.

Мы приближаемся к физическому пределу – толщина изолирующей пленки в микрочипе должна быть не более 4–5 молекул (1,5–2 нм). В более тонких слоях начинаются неконтролируемые процессы туннелирования электронов (то есть «проскакивания» их прямо сквозь структуру микрокристалла), а также перегрева, которые нарушают работу транзисторов и вычислительной системы в целом.

Между тем производительность компьютера при прочих равных условиях пропорциональна количеству транзисторов на единице площади интегральной схемы. Так что же делать?

Молекулярные манипуляции. Один из выходов подсказал еще в 1959 году известный американский физик-теоретик Ричард Фейнман. Он решил, что молекулы, обладающие определенными свойствами, смогут заменить собой транзисторы, а технический прогресс сделает возможным и манипуляции с отдельными атомами и молекулами.

Размеры такого молекулярного транзистора будут на два порядка меньше самых миниатюрных кремниевых. Поскольку, как мы уже говорили, производительность компьютера пропорциональна количеству транзисторов, размещаемых на единице площади, то выигрыш в производительности будет огромным. Так, по расчетам, эффективность молекулярного компьютера может оказаться в 100 млрд раз выше, чем современного кремниевого.

Конечно, одно дело – высказать теоретическое предположение, и совсем другое – осуществить его практически. Тем не менее, похоже, предсказание Фейнмана начинает сбываться в наши дни.

Итак, что же такое молекулярный компьютер? Это устройство, в котором вместо кремниевых микрочипов, применяемых в современных компьютерах, работают молекулы и молекулярные ансамбли. Иными словами, в основе новой технологии лежат так называемые «интеллектуальные молекулы»; они могут существовать в двух термодинамически устойчивых состояниях, каждое из которых имеет свои физические и химические свойства. Переводить молекулу из одного состояния в другое (переключать) можно с помощью света, тепла, химических агентов, электрического и магнитного поля и т. д. Фактически такие переключаемые бистабильные молекулы – это некая система, воспроизводящая на молекулярном уровне функцию классического транзистора.

Кроме того, устройство или архитектура каждого компьютера включает в себя также соединяющие провода и память. И эти элементы в молекулярных компьютерах будут отличаться от их аналогов в нынешних вычислительных устройствах. Память может работать на принципе «запоминания» оптических или магнитных эффектов, а проводниками могут стать нанотрубки или сопряженные полимеры.

Сейчас уже созданы многочисленные варианты всех основных составляющих компьютера будущего. Например, весьма перспективен молекулярный переключатель, созданный Д. Стоддардом и Д. Хисом, которые сотрудничают с американской фирмой «Хьюлетт Паккард». Существуют также прототипы транзисторов на одной молекуле, которые изучают в Корнеллском и Гарвардском университетах.

А первые устройства молекулярной памяти на основе так называемых фотохромных систем были созданы П. Рентцеписом из Калифорнийского университета еще в конце 80-х годов XX века. Поглотив один-два фотона, такая молекула переходит из одной устойчивой формы в другую, как бы запоминая бит информации.

Аналогичные устройства созданы и в других исследовательских центрах, в том числе и в НИИ физической и органической химии Ростовского государственного университета.

А пусть они сами растут! Таким образом, в наличии имеются уже все три составные части будущего молекулярного компьютера, и в их создании по отдельности, как мы видим, есть значительные успехи. Но самая сложная задача – собрать все компоненты в работающее устройство. До ее решения еще далеко. Иные скептики даже засомневались было в реальности осуществления подобных планов. Вон, дескать, сколько сложностей мы имеем при производстве современных микрочипов. Так на сколько же порядков возрастут производственные трудности при производстве молекулярных компьютеров?.

Однако энтузиасты молекулярной электроники (или молетроники) настолько полны оптимизма, что даже намерены пустить все производство на самотек. Пусть, дескать, молекулярные микрочипы сами себя собирают…

Но как такое может быть? Да примерно так же, как ныне природа ведет сборку таких сложных структур, как двойная спираль ДНК, отдельных органов, а то и целых организмов. Надо просто перенять у природы ее технологические навыки и… выращивать нужные нам устройства.

Причем помогут технологам XXI века, как это ни странно звучит, некоторые… вирусы растений! Дело в том, что вирусы очень малы – их диаметры составляют всего 30 нанометров. Это значительно меньше размеров компонентов современных интегральных схем, которые достигают около 130 нанометров.

Кроме того, вирусы по своему строению представляют собой, по существу, идеальный каркас для микроскопических электронных систем, поскольку их можно сгруппировать в некое подобие кристаллических решеток. И создать самоорганизующие цепи, способные при минимальном постороннем вмешательстве либо при полном его отсутствии самостоятельно выстраивать полезные трехмерные структуры. А в них – разместить компоненты микросхем.

Причем поскольку вирусы – изрядные проныры, способные встраиваться практически в любой живой организм, то ученые рассчитывают найти способ сделать так, чтобы молекулярные микросхемы выстраивались в нужном порядке сами собой, встраиваясь, например, в организм какого-нибудь растения, сообщает журнал «Нью сайянтист».

Так, для того, чтобы изготовить живой трехмерный микрочип, химик М. Финн и вирусолог Дж. Джонсон из Исследовательского института Скриппса в городе Ла-Джолла, штат Калифорния, экспериментировали с вирусом мозаики коровьего гороха – микроорганизмом, который обычно задерживает нормальный рост побегов.

Обычно вирус заключен в защитную протеиновую оболочку, имеющую 20 граней и 12 углов, или вершин. Исследователи стали внедрять сегменты ДНК в цепочку генов вируса, вынуждая его производить аминокислоты цистеина на вершинах оболочки. А затем добавили сверхтонкие частицы золота в наполненные цистеином вирусы. В итоге у них получился некий микроорганизм, утыканный золотыми электродами – прообраз будущей микросхемы.

Ныне совместно с сотрудниками Исследовательской лаборатории ВМС США в Вашингтоне, округ Колумбия, они пытаются научиться замыкать цепи в определенном порядке, чтобы получать по желанию те или иные логические устройства, элементы памяти и т. д.

«Если эксперименты увенчаются успехом, микросхемы будущего станут производить на грядках, а не в высокотехнологичных лабораториях, – полагает Финн. – Получить требуемое количество вирусов не составит никакого труда. Достаточно засеять несколько гектаров земли горохом, а затем выделить микроорганизмы из листьев растения»…