Еще совсем недавно грандиозные небоскребы казались нам чудом науки и техники. Теперь исследователи создают наноструктуры — невидимые глазу, но способные полностью изменить наши представления о материалах будущего.
Вместо привычных стали и бетона профессор химической инженерии Олег Ганг и его команда из Колумбийского университета применяют ДНК — но не в общеизвестном смысле, как генетический материал, а в качестве строительного компонента. Исследователи программируют молекулы таким образом, чтобы они самоорганизовались в сложные трехмерные формы, способные выполнять определенные функции. Такие миниатюрные конструкции формируются самостоятельно в воде, как бы «вырастая» из раствора, и не требуют традиционного многоэтапного производства, что позволяет экономить ресурсы и делает процесс более экологически безопасным.
Инновационная технология преобразует ДНК в управляемые строительные элементы — так называемые воксели, каждая грань которых соединяется с гранями соседних блоков при помощи заданной последовательности нуклеотидов. Этот процесс напоминает сборку трехмерного пазла, где каждое звено точно соответствует своему месту. Команда разработала алгоритм под названием MOSES, который определяет необходимые воксели для создания конкретной иерархически организованной наноструктуры. Такой подход является результатом обратного проектирования: сначала задается нужная форма и функция будущего объекта, а затем система сама рассчитывает, как «разложить» его на молекулярные компоненты.
Уникальность метода заключается в способности одновременно собирать сложные 3D-структуры, в параллельном режиме. В отличие от фотолитографии, требующей поэтапного нанесения слоев, или 3D-печати, ограниченной по разрешению, ДНК-самоорганизация позволяет создавать наноматериалы с беспрецедентной точностью. Команда уже представила несколько прототипов: от кристаллов, имитирующих структуру солнечных панелей, до спиральных решеток и устройств, отражающих свет определенным образом. Одно из таких устройств, разработанное в сотрудничестве с профессором Колумбийского университета Нанфаном Ю, предназначено для будущих оптических компьютеров. Для достижения необходимых свойств в воксели внедряли золотые наночастицы, что придавало им уникальные оптические характеристики.
После сборки структуры могут быть «обработаны» — например, покрыты слоем кремнезема и обожжены для удаления органической основы, в результате чего получается прочный, полностью неорганический материал. Это открывает возможности не только для создания хрупких лабораторных образцов, но и для разработки реальных устройств, пригодных для промышленного применения. Недавний прототип — 3D-сенсор света, интегрированный в микрочип, созданный в сотрудничестве с учеными из Университета Миннесоты, стал первым шагом к использованию ДНК-архитектуры в электронике.
По мнению Ганга, новая платформа позволит разрабатывать действительно уникальные материалы с заданными биологическими, электрическими, магнитными и оптическими характеристиками. Ученый надеется, что в скором времени на основе этой методики можно будет создать трехмерную структуру, имитирующую сложные соединения в человеческом мозге, тем самым приблизившись к созданию нейроморфных вычислительных систем. Эти исследования уже подтверждаются не только визуализацией с помощью электронных микроскопов и рентгеновского рассеяния, но и расчетами профессора Саната Кумара, который математически обосновал жизнеспособность разработанного метода.
Тем временем ученые уже занимаются созданием искусственного генома человека: узнайте, в чем риски и перспективы этого грандиозного проекта.
Фото: hi-tech.mail.ru
