Главная > Куры > Легенды о серой пыли. Самосборка в нанотехнологиях Формирование надмолекулярных структур самосборка примеры


Легенды о серой пыли. Самосборка в нанотехнологиях Формирование надмолекулярных структур самосборка примеры




В последние годы понятие «самоорганизация» широко используется для того, чтобы описать и объяснить сходные явления в физических, химических, биологических и даже экономических и социологических системах. Казалось бы, вопреки общепринятым термодинамическим закономерностям в распределенной динамической системе, состоящей из присущих ей простых элементов, возникает упорядоченность - сложные структуры, сложное поведение или же сложные пространственно-временные явления. При этом свойства возникающих структур принципиально отличаются от свойств исходных элементов системы. И наиболее удивительно то, что самоорганизация в системе появляется спонтанно из однородного состояния.

Самоорганизация - это явление самопроизвольного образования структуры в различных по своей физической природе системах. Под самопроизвольным возникновением структуры подразумевают появление упорядоченного состояния в изначально случайном распределении компонентов системы без видимого внешнего воздействия. Упорядоченными состояниями в общем случае могут быть сохраняющееся во времени пространственно-неравномерное распределение материальных компонентов системы; незатухающие колебания концентраций компонентов системы, когда они осциллируют между двумя или более значениями; более сложные формы упорядоченного коллективного поведения компонентов. Образование структуры одинаково присуще как физическим устройствам типа лазеров, так и химическим реакционным средам и биологическим тканям, сообществам живых организмов, геологическим и метеорологическим процессам, социальным феноменам человеческого общества. Механизмы самоорганизации оказываются различными для разных по своей природе систем, но тем не менее всем им присущи некоторые общие структурные и динамические характеристики.

Различным по своей природе системам могут соответствовать разные, нередко резко отличающиеся друг от друга уровни сложности самоорганизации. Эта сложность определяется характером самоорганизующейся системы - сложностью ее структуры и поведения, динамических механизмов взаимодействия компонентов. Так, намного более сложное поведение коллективных насекомых (пчел, термитов, муравьев) по сравнению с бактериями и вирусами лежит в основе намного более сложных процессов самоорганизации поведения в сообществе коллективных насекомых. При этом конкретные проявления процессов самоорганизации на сравнительно простых уровнях ее сложности могут выступать как составная часть явлений на более сложном уровне.

Яркие и непротиворечивые примеры самоорганизации были обнаружены среди физических систем. Понятие самоорганизации распространилось и на химические явления, где наряду с ним достаточно широко используется термин «самосборка». А в биологии самоорганизация на протяжении второй половины XX века сделалась центральным понятием при описании динамики биологических систем, начиная с внутриклеточных процессов и до эволюции экосистем. Таким образом, самоорганизация представляет собой явление междисциплинарного характера и принадлежит к области знаний, которую обычно называют кибернетикой или более узко - синергетикой.

Любой конкретный процесс самоорганизации основан на некотором дуализме. С одной стороны, самоорганизация системы осуществляется конкретными физическими, химическими или какими-то иными механизмами. С другой - для того чтобы система была самоорганизующейся, необходимо выполнение общих для всех самоорганизующихся систем кибернетических условий - общих принципов самоорганизации.

  • 1. Процессы самоорганизации возникают в распределенных динамических системах. Распределенная система должна представлять собой совокупность большого числа отдельных компонентов, элементов, составляющих систему. К ним могут относиться отдельные молекулы в химических реакционно-диффузионных системах, особи в косяке рыб, отдельные люди в толпе, собравшейся на площади. Эти компоненты должны взаимодействовать друг с другом, т. е. система должна быть динамической, функционирующей на основе динамических механизмов.
  • 2. Важная особенность процессов самоорганизации заключается в том, что они осуществляются в открытых системах. В термодинамически замкнутой системе эволюция во времени приводит к состоянию равновесия с максимальным значением энтропии системы. И, согласно Больцману, это состояние с максимальной степенью хаотичности.
  • 3. В системе должны проявляться положительные и отрицательные обратные связи. Процессы, протекающие в динамической системе, стремятся изменить исходные соотношения между вовлеченными в эти процессы компонентами системы. Это условно можно назвать изменениями на выходе системы. В то же время эти компоненты являются исходными для протекающих в системе процессов, они являются и параметрами на входе в систему. Если изменения на выходе системы влияют на входные параметры так, что изменения на выходе усиливаются, это называется положительной обратной связью. Под отрицательной обратной связью подразумевается ситуация, когда динамические процессы в системе поддерживают постоянное состояние на выходе. В общем случае динамические системы с положительными и отрицательными обратными связями моделируются нелинейными дифференциальными уравнениями. Это является отражением нелинейного характера систем, способных к самоорганизации, - основного, по-видимому, свойства системы, определяющего ее способность к самоорганизации.

Понятие «самосборка» имеет химическое происхождение. Его ввел в 1987 году французский химик Ж.-М. Лен для того, чтобы выделить среди многочисленных явлений самоорганизации процессы самопроизвольного структуро- образования в системах, которые находятся в состоянии термодинамического равновесия. Действительно, известно большое число таких процессов структурообразования в равновесных, а точнее близких к равновесию условиях. Среди них, например, переходы «спираль-клубок» в полимерных молекулах, образование надмолекулярных структур амфифильных молекул (мицеллы, липосомы, бислои) и т. д., вплоть до кристаллизации. В основном термин «самосборка» используют по отношению к молекулярным системам. Тем не менее процессы, относимые к самосборке, были обнаружены и в случае других микро- метровых образований.

Самосборкой называют процесс, при котором из отдельных компонентов или составляющих смеси благодаря минимизации их общей энергии образуется самопроизвольно упорядоченное единое целое (агрегат). В природе конечная конформация огромного числа макромолекул (таких, как белки, мицеллы, липосомы и коллоиды) формируется посредством самосборки в процессе фолдинга. Имеется много примеров естественной самосборки, самопроизвольно происходящей под воздействием природных сил. Такие природные самосборки наблюдаются на всех уровнях (от молекулярного до макромолекулярного) и в различных системах живой материи.

Самосборка в нанотехнологии охватывает широкий круг понятий и способов усложнения структуры, начиная от выращивания кристаллов до создания совершенных биологических организмов. С помощью природных механизмов при таких самосборках можно формировать и создавать различные наноструктуры и далее более крупные системы и материалы с требуемыми физико-химическими свойствами. Укрупненные неоднородные агрегаты должны быть пригодны для выполнения различных сложных функций или создавать новые формы материалов с необычными свойствами.

Осуществление направляемой самосборки требуемых искусственных наноструктур из молекулярных «строительных» блоков - основная задача нанотехнологии. Разумеется, для ее решения необходимо использовать сведения о межмолекулярном взаимодействии между молекулярными «строительными» блоками, пространственном расположении наноструктур, результаты компьютерного молекулярного моделирования, а также данные бионики. Под бионикой подразумевают получение на основе структур и функций биологических субстанций искусственных объектов, имитирующих природные системы.

Самосборка является основным процессом (или движущей силой), который привел от неживой материи к эволюции биологического мира. Понимание, индуцирование и направление самосборки - это ключ для постепенного перехода на нанотехногию «снизу вверх». Если знать принципы самосборки, можно понять роль различных сил межмолекулярного взаимодействия, управляющих данной самосборкой. Для индуцирования процесса требуемой самосборки и управления ею также необходимо уметь моделировать и прогнозировать протекание процесса самосборки при различных условиях.

Успех самосборки предопределяют пять факторов:

  • 1. Наличие молекулярных «строительных» блоков. Наибольший интерес для нанотехнологии представляют самосборки молекул больших размеров, в диапазоне от 1 до 100 нм. При этом чем более крупными и хорошо структурированными являются исходные молекулярные «строительные» блоки, тем более высок уровень технического контроля за остальными молекулами и их взаимодействиями, что значительно облегчает процесс самосборки. В качестве наиболее универсальных и перспективных категорий молекулярных «строительных» блоков могут рассматриваться алмазоиды - углеводороды, в которых атомы углерода образуют тетраэдральную пространственную решетку, точно такую же, как и в алмазе (адаманта- ны, диамантаны и триамантаны).
  • 2. Межмолекулярные взаимодействия. Обычно силы, обеспечивающие самосборку, определяются слабыми нековалентными межмолекулярными связями: электростатическими и водородными связями, ван-дер-ваальсовыми, полярными, гидрофобными и гидрофильными взаимодействиями. Совместимость отдельных частей и стабильность всего комплекса самосборки обеспечивается большим числом таких слабых взаимодействий для конформации каждого молекулярного участка. Примером стабильной самосборки, построенной при слабых взаимодействиях, является структура белков.
  • 3. Обратимость процесса. Существующие, а также предполагаемые самосборки в нанотехнологии являются управляемыми, но самопроизвольными процессами, в ходе которых молекулярные «строительные» блоки объединяются в требуемые упорядоченные сборки или комплексы. Чтобы такой процесс был самопроизвольным, он должен осуществляться обратимым путем.
  • 4. Обеспечение подвижности молекул. Из-за динамической природы процесса самосборки для его осуществления необходима жидкая среда. Возможная для использования внешняя среда может включать: жидкости, газы, флюиды в сверхкритическом состоянии, межфазные границы между кристаллами и жидкостями со стороны жидкой фазы и т. п. Во всех этих случаях во время самосборки должны происходить динамические обменные процессы в направлении достижения минимального значения энергии системы.
  • 5. Среда протекания процесса. На самосборку значительное влияние оказывает окружающая среда. Образующийся молекулярный агрегат представляет собой упорядоченное множество частиц, которое имеет термодинамически наиболее устойчивую конформацию. Самосборка происходит в жидкости и газообразной среде (включая среду «плотный газ - сверхкритический флюид»), вблизи межфазной границы между кристаллом и флюидом или на поверхности раздела между газом и жидкостью.

На каждой стадии сборки по крайней мере один компонент должен свободно диффундировать в растворителе, чтобы найти специфический, только ему предназначенный центр связывания после обследования всех возможных положений и ориентаций. Для этого необходимо, чтобы компонент был растворим, имел поверхность, комплементарную поверхности своего специфического центра связывания, и чтобы все остальные поверхности заготовки и компонента были некомплементарны для предотвращения их устойчивого связывания. Указанные параметры дополняют функциональные требования: для формирования сложных структур с помощью самосборки более всего подходят материалы и рабочие среды в естественных условиях. Этот процесс с успехом применяется в суп- рамолекулярной химии, он также широко используется для управления молекулярной кристаллизацией.

Рассмотрим методологию самосборки. Имеется два ее вида, которые основаны на двух процессах, происходящих, во-первых, на поверхности раздела между жидкой и твердой фазами и, во-вторых, внутри флюидной фазы. За флюидную фазу можно принимать жидкость, пар или плотный газ (в сверхкритическом состоянии).

Существует ряд лабораторных способов самосборки, использующих флюидную среду в качестве внешней для ассоциации молекул, а твердую поверхность в качестве основы для нуклеации и роста.

Фиксация молекул в качестве затравок для сборки на твердых подложках, применяемых для самосборки, может осуществляться при образовании ковалентных или нековалентных связей между молекулой и поверхностью. Первые обусловливают необратимую и, следовательно, устойчивую фиксацию на всех стадиях сборки. Фиксация с помощью вторых - обратимый процесс, в начале которого она нестабильна, однако становится устойчивой при соответствующем развитии процесса самосборки.

Ковалентной связью, чаще других используемой для фиксации, является связь сульфида с благородным металлом. Один из таких примеров - ковалентная связь между тиолсодержащими молекулами (такими, как алкантиоло- вые цепочки или белки, содержащие цистин в структуре) и золотом. Типичные нековалентные связи, используемые для фиксирования, включают следующие три вида связывания: 1)за счет энергии сродства к антителам; 2) за счет энергии сродства с помощью системы биотин-стреп- тавидин и ее модификации; 3) комплексообразование с фиксированными ионами металлов.

Большое практическое значение представляет самосборка монослоя. Согласно определению монослой, полученный в результате самосборки, - это двухмерная пленка толщиной в одну молекулу, которая образует ковалентные связи с твердой поверхностью. Самосборка монослоя широко используется в нанотехнологии, в том числе в нанолитографии, при модифицировании адгезионных свойств и характеристик смачивания поверхностей, в разработке химических и биологических сенсоров, изолирующих слоев в микроэлектронных схемах и изготовлении наноприборов и др.

Различные способы получения самособираю- щихся монослоев (ССМ) протеинов:

Рассмотрим различные способы самосборки монослоя белка (рис. 6.14).

  • 1. Физическая адсорбция. Данная методика основывается на адсорбции белков на таких твердых поверхностях, как угольный электрод, оксид металла или кремния. Адсорбированные белки образуют самособирающийся монослой с беспорядочно ориентированными белками. Контроль ориентационных характеристик можно улучшить с помощью модификации белка и самой поверхности, что показано на рис. 6.14а.
  • 2. Включение полиэлектролитов или проводящих полимеров, которые могут служить матрицей, поверхность которой захватывает, закрепляет и адсорбирует белки. Этот процесс показан на рис. 6.146.
  • 3. Включение в самособирающийся монослой алкантиоловых цепочек создает похожий на мембрану монослой на благородном металле, при этом белки могут быть физическая адсорбция (а); вкрапление протеинов в полиэлектролиты или проводящие полимеры (б); вкрапление в ССМ (в); присоединение к ССМ с неориентированным расположением (г ); присоединение к ССМ с ориентированным расположением (б); прямое сайт-специфическое присоединение к поверхности золота (е).

расположены без какой-либо определенной ориентации. Если использовать цепочки разной длины (создание вмятин и ямок), то это обусловит определенную топографию самособирающегося монослоя, которая, в свою очередь, может ориентировать белки (рис. 6.14в).

  • 4. Неориентированное присоединение к самособираю- щемуся монослою. В данном случае у цепочек, образующих самособирающийся монослой, на концах имеются функциональные группы, которые неспецифическим образом реагируют с разными участками белка. По этой причине ориентация белков носит случайный характер, что изображено на рис. 6.14г.
  • 5. Ориентированное присоединение к самособирающе- муся монослою. Принципы сборки такие же, как и в предыдущем случае, но здесь функциональная группа специфически взаимодействует только с определенным доменом или участком данного домена, и, следовательно, осуществляется четко выраженная ориентация. С этой целью структура белков может быть химически или генетически модифицирована. Данный способ самосборки изображен на рис. 6.14д.
  • 6. Прямое избирательное присоединение к золоту. Это происходит при связывании цистина, обладающего уникальными свойствами, с поверхностью золота. В данном случае ориентация полностью контролируется. Такой вариант присоединения показан на рис. 6.14е.

Самосборка, направляемая воздействием деформации, применяется при изготовлении и соединении проводов и переключателей. Поверхность с литографически заданным рельефом пропитывается осаждаемым веществом контролируемого состава в условиях возникновения деформации. В подложку можно ввести функциональную группу, которая обычно ассоциируется с функциональными возможностями поверхности. Этот способ самосборки может использоваться, например, при создании полупроводниковых устройств, где требуется фиксировать компоненты системы на твердой подложке, чтобы полностью контролировать протекание процесса самосборки и его завершение.


Схема ДНК-направляемой сборки

ДНК можно использовать как для избирательной по узлу фиксации, так и в качестве связующего вещества, в результате появляется решеточный каркас для самосборки наноструктур. Синтез конъюгата нуклеиновой кислоты и белка с использованием специфических взаимодействий между двумя комплементарными нитями ДНК, антигеном и антителом, между БИО и СТВ может обусловливать эффективные механизмы, определяющие направление присоединения наноструктурных модулей (рис. 6.15).

Недавние успехи генной инженерии, достигнутые в методах воздействия на последовательности ДНК, фиксируемые на поверхности золота, подобно легированию, еще больше увеличивают контроль над процессом самосборки. Подобный метод можно применять в случае молекул неорганических веществ, достигающих размеров нанокристаллов. ДНК также можно использовать для синтеза с участием темплетов. Примером такого синтеза является изготовление нанопроводов из серебра при использовании ДНК в качестве основы.

Эффективным способом открытия перспективных соединений и самосборок является применение достижений динамической комбинаторной химии, которая представляет собой эволюционный подход к нанотехнологии «снизу вверх». Для разработки структуры динамической комбинаторной химии необходимо собрать динамическую комбинаторную библиотеку промежуточных компонентов, которые при добавлении шаблонов образуют требуемую молекулярную сборку. В динамической комбинаторной химии важным компонентом является механизм распознавания молекул. Дополнением является знание особенностей создания комплексов «гость-хозяин».

В настоящее время комбинаторная химия используется как метод теоретического исследования при установлении структурных основ функции ферментов и идентификации новых ингибиторов энзимов. Полагают, что с ее помощью возможен потенциально быстрый выход на новые самосборки в нанотехнологии, а также на открытие новых лекарственных препаратов, супрамолекулярных ансамблей и катализаторов.

Существует два вида комбинаторной химии: традиционная и динамическая (рис. 6.16). Основное различие между ними состоит в том, что в динамической химии молекулярные «строительные» блоки соединяются вместе слабыми, но обратимыми нековалентными связями, в то время как в традиционной комбинаторной химии взаимодействия обусловлены в основном сильными и необратимыми ковалентными связями.


В традиционной комбинаторной химии формируется статическая смесь агрегатов фиксированного состава, и вводимый «темплет» (лиганд) отбирает самое лучшее связующее вещество без увеличения его содержания. В динамической комбинаторной химии исходят из динамической смеси, у которой после добавления «темплета» изменяется состав и распределение концентраций блоков, и самое лучшее связующее вещество по отношению к «темплету» будет единственным преобладающим продуктом.

В комбинаторной химии «темплетом» (или лигандом) принято считать молекулу, ион или макромолекулу, которые реагируют с другими компонентами и изменяют распределение концентраций продуктов системы при непрерывно протекающих реакциях образования требуемого агрегата, макромолекулы или промежуточного продукта. Примером «темплета» является молекула ДНК, выполняющая функцию модели для синтеза макромолекулы типа РНК.

Самосборка в динамической комбинаторной химии обеспечивает возможность новых подходов к молекулярной сборке. В течение последних лет в этой области осуществлено много интересных усовершенствований. В частности, большое развитие получил так называемый молекулярный докинг - процедура поиска оптимальных мест пристыковки малых молекул лиганда (биологически активного вещества) к белковой макромолекуле.

Динамическая комбинаторная библиотека (ДКБ) представляет собой набор промежуточных веществ, которые могут находиться в динамическом равновесии со «строительными» блоками. Для описания состава ДКБ обычно используют термин «химический набор», который состоит из двух или более компонентов библиотеки, « строительных» блоков или реагентов. Из динамической комбинаторной библиотеки отбираются «строительные» блоки со свойствами, пригодными для формирования самособираю- щихся объектов, и в присутствии «темплета» осуществляется самосборка.

Компоненты ДКБ взаимодействуют посредством образования слабых нековалентных связей. В принципе возможно создание любых обратимых сборок из этих компонентов. Поскольку все взаимодействия между компонентами являются обратимыми и равновесными, ДКБ имеет динамическую природу. Таким образом, ДКБ способна без труда реагировать на различные факторы внешнего воздействия. В частности, количество определенных агрегатов ДКБ может изменяться с изменением термодинамических условий и в зависимости от природы «темплета», добавляемого к системе. В равновесном состоянии перед добавлением «темплета» у компонентов ДКБ имеется много возможностей для взаимодействия друг с другом посредством слабых нековалентных связей с образованием разнообразных агрегатов. После того как добавляется «темплет» к системе ДКБ, происходит перераспределение содержания промежуточных веществ. В итоге увеличится и станет стабильной только концентрация тех агрегатов или сборок, которые лучше всего соответствуют «тем- плету».

Увеличение концентрации определенного промежуточного продукта может произойти только вследствие обратимого сдвига остальных реакций в направлении образования этого продукта, если только это диктуется равновесными условиями (достижением минимума энергии и максимума энтропии). Следовательно, система стремится обеспечить сборку наиболее стабильными связями с «тем- плетом», а концентрация нестабильных сборок при этом уменьшается. В то же время компоненты ДКБ могут взаимодействовать друг с другом спонтанно, производя большое количество разнообразных агрегатов с различной формой и свойствами.

Имеется много факторов, которые влияют на эффективность ДКБ. К ним относятся:

1. Природа компонентов и «темплетов» ДКБ. Необходимо, чтобы выбранные компоненты имели подходящие функциональные группы. Чем больше разнообразие этих групп в компонентах, тем большей вариативности можно достигнуть при разработке систем (см. рис. 6.17). Кроме того, свойства этих групп должны быть совместимыми со свойствами «темплета».


  • 2. Типы межмолекулярных взаимодействий в ДКБ. Для того чтобы с помощью вычислительной химии можно было предсказать возможность образования молекулярных агрегатов, необходимо априори знать о межмолекулярных взаимодействиях между компонентами и механизме ассоциации компонента с «темплетом». В ДКБ межмолекулярные взаимодействия должны иметь нековалентный характер, что приводит к обратимости превращений, происходящих между компонентами ДКБ. Такие взаимодействия способствуют быстрому установлению равновесия, так что можно проверить все имеющиеся возможности образования молекулярных агрегатов.
  • 3. Термодинамические условия. Растворимость компонентов, «темплетов» и получаемых молекулярных агрегатов в растворителе (среде ДКБ) может сильно зависеть от равновесных термодинамических условий. Для повышения эффективности ДКБ растворимость компонентов в среде не должна значительно отличаться от растворимости «темплета». В водной среде недостаточная растворимость «темплета» является проблемой главным образом при использовании белка в его качестве, аналогичную проблему могут создавать также и нуклеиновые кислоты. Образование нерастворимого молекулярного агрегата сдвигает равновесие в направлении образования этого агрегата как продукта реакции. Условия протекания реакций, представленных в ДКБ, должны быть по возможности мягкими, чтобы свести к минимуму вероятность появления несовместимости, неизбежной в процессах обмена и распознавания.
  • 4. Методы анализа. В ДКБ при определенных обстоятельствах должна существовать возможность для прекращения проводимых реакций, чтобы можно было переместить систему из динамического в статическое состояние. Прекращение реакций позволяет «отключить» систему от синтеза после добавления «темплета» и образования лучшего из возможных сшивающих реагентов. В этом случае система приходит в равновесное состояние и распределение молекулярных агрегатов сохраняется постоянным для возможности проведения анализа.

Иногда упрощение процесса самосборки может быть достигнуто путем анализа на стадии распознавания. Молекулярное распознавание представляет собой специфическую идентификацию путем взаимодействия одной молекулы с другой.

Особенность распознавания молекул ДКБ заключается в выборе рецептора, наиболее подходящего для данного «темплета». Это способствует разработке эволюционного подхода для получения и селективного отбора наиболее подходящих рецепторов, подобного эволюционному развитию природы. Направленная эволюция высокоаффинных лигандов для биомолекул в недавно возникшей области комбинаторной химии, называемой динамической вариативностью, может широко применяться при самосборке.

Существуют два принципиальных подхода в процессе распознавания молекул: формообразование и формование (см. рис. 6.18).

При «формообразовании» создаваемый молекулярный агрегат из библиотеки соединений принимает форму


Иллюстрация формообразования и формования при распознавании молекул

пустоты, ограниченной «темплетом». Свободное пространство внутри «темплета» выполняет функцию слепка и места, где происходит соединение компонентов библиотеки и образуются агрегаты. При «формовании» происходит непосредственное соединение компонентов динамической библиотеки с помощью «темплетов».

Для самосборки, образования рецептора и распознавания молекул применяют огромное количество молекул. Такие «распознающие» молекулы могут содержать рецепторы для распознавания кислотных карбоксильных, пептидных, углеводных и других групп.

Молекулярные рецепторы - это концептуально простейшие объекты супрамолекулярной химии, хотя структура их далеко не всегда проста. Их функция - «находить» нужный субстрат среди подобных и селективно, т. е. избирательно связывать его. Селективность молекулярного распознавания достигается, если наряду с комплементарностыо рецептора и субстрата между ними есть сильное суммарное связывание, возникающее благодаря множественному взаимодействию нескольких центров связывания. Необходимое условие такого взаимодействия - большая площадь контакта рецептора и субстрата.

Имеются специальные методы и реагенты для конструирования циклических, контейнерных или линейных самособирающихся структур (или комплексов) в качестве рецепторов и для идентификации молекул. Например, стратегия построения циклической структуры заключается в использовании тройных и комплементарных водородных связей между донор-донор-акцепторной группой одной молекулы и акцептор-акцептор-донорной группой другой молекулы.

Методы «контейнерной» супрамолекулярной химии также можно использовать для конструирования макромолекул, восприимчивых к распознаванию молекул и образованию специфических связей. В этих методах внутренняя поверхность конструируемой молекулы (« хозяина » ил и рецептора) взаимодействует с поверхностью «гостя», или лиганда, а энергия слабых связей, образующихся между ними, определяет степень прочности специфического связывания и возможность распознавания молекул.

После завершения самосборки компонентов образующийся «хозяин» принимает индивидуальную пространственную конформацию, часто с пустотой или щелью для полного или частичного заключения в нее молекулы «гостя». Хотя контроль над разработкой технологии и специфичность распознавания в этих методах не столь существенны, как в динамической комбинаторной библиотеке, во многих случаях ограничений и затруднений при разработке меньше, чем в системах динамических комбинаторных библиотек.

IIIIIIIIIII» IIIIIIII» IIIIIIII» IIIIIIII» IIIIIIII» IIIIIIII» IIIIIIII» IIIIIIII» IIIIIIII» IIIII11111 №111111IIIIIIIII №11111IIIIIIIIIIIIIII №111IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII №11^

Заместитель директора Форсайт-центра Института статистических исследований и экономики знаний НИУ ВШЭ Александр Чулок прочитал в ЦПКиО им. Горького лекцию, посвященную научно-техническому прогрессу и его влиянию на человечество. Помимо темы развития технологий, Чулок рассказал о возникновении новых рынков и смерти старых, а также о проблемах, связанных с этими процессами.

В ответ на вопрос «как сейчас угадать будущее?» вынужден вас огорчить: это практически невозможно. Однако будущее можно сформировать таким, каким мы хотим его видеть. Наступила экономика ожиданий, которая во многом обусловлена принципиально новыми потребностями, новыми подходами к работе с информацией. Теперь я кратко расскажу о том, какие ключевые изменения ждут нас в ближайшие 20 лет в основных секторах экономики.

Медицина и здравоохранение

Здоровье - это первое, что волнует человека. В России все более заметен тренд на заботу о своем физическом состоянии: все хотят быть подтянутыми, красивыми, спортивными и, конечно, здоровыми. В сфере здравоохранения сейчас наблюдается отчетливая тенденция к персонализации.

Покажу на таком примере. Медицинские разработки позволят адаптировать схему лечения под конкретного человека с опорой на расшифровку его генома (уже сейчас «базовый» набор стоит 100 евро, а что будет, когда стоимость упадет в десять раз?), анализ его окружения, того, как он живет, чем дышит. В перспективе вместо стандартных лекарств будут продаваться индивидуальные схемы лечения, согласно которым, скажем, вам нужно вставать в 6 утра, спать до 9, обязательно есть клубнику и ни в коем случае не находиться на солнце до 10 вечера в Турции, но если это будет солнце Египта - то тогда вопросов нет.


Александр Чулок
Фото: hse.ru

Отдельный вопрос - будут ли пациенты придерживаться необходимой схемы лечения? Большинство принимают таблетки, скажем, не пять дней, как положено, а три и бросают - помогло же, зачем дальше принимать? В случае с хроническими заболеваниями почти каждый второй игнорирует предписания врачей. Забыть о графике приема лекарств и оптимизировать их дозировку позволят имплантируемые микрочипы.

Надеюсь, мы увидим конец традиционной диспансеризации: не нужно будет идти в клинику сдавать анализы, за состоянием организма будет следить специальный наручный браслет. Уже существуют мобильные устройства, фиксирующие десятки разных биометрических показателей.

Готовы ли к таким изменениям большие фармакологические компании? Очевидно, им придется адаптироваться. Как и аптекам, которые в своем нынешнем виде тоже станут не нужны, ведь человек сможет напечатать любой препарат на домашнем 3D-принтере.

С развитием 3D-принтинга связан следующий тренд - замена органов. В прошлом году в Бельгии старушке заменили челюсть, напечатав ее на 3D-принтере. Новость тогда быстро облетела весь мир, однако в общей сложности операция обошлась под миллион евро. Через 20 лет у многих людей в организме появится какой-либо напечатанный орган. Сейчас уже печатают легкое, почку, глаз.

Уйдут в прошлое попытки «починить» то, что уже «сломалось», врачи не будут говорить, мол, вот заболеете, тогда и приходите. Медицина, которая сейчас развивается в США, Германии, Израиле, - это медицина профилактики. Ее базовая задача: предупреждать болезнь, а не лечить ее последствия.

Улучшение свойств человека - еще одна из бурно развивающихся тенденций в медицине. Сейчас происходит сращивание нано-, био-, инфо- и когнитивных технологий, позволяющих кардинальным образом усилить человека, оптимизировать его интеллектуальные и физические особенности буквально за гранью интуиции самого гениального конструктора. Несколько лет назад в швейцарском городе Люцерн состоялся съезд футурологов, которые говорили, что к 2045 году человек обретет бессмертие, а мысли будут передаваться от человека к человеку, что может привести к образованию новых сообществ.

Теперь представьте себе такую картину: 120-летний старичок, который ГТО сдает лучше тридцатилетнего, бегает кросс и у которого мозги работают в пять раз лучше, а опыта в десять раз больше. Работодатель возьмет его, а не молодого, которого еще многому надо обучать. Что же делать 30-летним «лоботрясам»? И это глобальный вызов. Многие страны об этом уже всерьез задумались.

Сейчас появилось много аналитики на основе анализа данных соцсетей, кто-то говорит об их контроле. Но как вы будете контролировать мысли? Например, если раньше в ряде европейских стран, когда вы попадали на запись, сделанную городской камерой, то могли требовать, чтобы вас оттуда вырезали, то сейчас что вы будете вырезать? Спутник? Интерфейс? Facebook или Mindbook?

Очевидно, что технологии будут все сильнее влиять на геополитическую обстановку: если страна не «впишется» в новую технологическую волну, не обеспечит своим гражданам высокое качество жизни, она рискует потерять наиболее активный, пульсирующий идеями креативный слой.

Информационно-телекоммуникационные системы

Мы наблюдаем стремительное тотальное проникновение информационно-телекоммуникационных технологий (ИКТ). Кто бы мог лет 70 назад представить, что мы будем разговаривать с помощью маленьких коробочек? Сейчас почти все ходят с мобильными телефонами, кто-то - со смартфонами в виде браслета. Расстояние между устройством и телом человека составляет 2-3 сантиметра. И оно сокращается, в будущем девайсы просто уйдут под кожу. А еще немного, и у нас появятся интерфейсы мозг-компьютер.


Фото: Jordi Boixareu / Zumapress / Global Look

Сейчас сложно представить, как поменяют наше мышление виртуальная реальность и дополненная реальность. Наш социум распадется - мы будем слушать лекцию, сидя в очках виртуальной реальности на даче, при этом находясь в виртуальной комнате или школе. Уже сейчас благодаря сервисам, таким как Coursera, можно смотреть отличные курсы практически по всем областям знаний. Причем пока вы просто слушаете вебинары, но в будущем появятся технологии, позволяющие быть внутри этой виртуальной комнаты.

Например, объем рынка технологий дополненной реальности в хирургии составляет около 5 миллиардов долларов, и это только одно их применение. Уже существуют прототипы шлемов, которые позволяют получать актуальную и полную информацию о строящемся объекте: кто его создал, сколько он стоит и какие у него могут быть проблемы. Это совсем другой уровень анализа, управления и контроля.

Приходит время полностью цифровых фабрик. Например, у компании Amazon.com на складах нет ни одного человека, практически за все процессы отвечают роботы. У нас лишь несколько редких примеров попыток создать такие производства. Очевидно, что эффект их распространения будет равносилен технологиям телеграфа для мира голубиной почты. Мир переходит на платформенные решения, это совсем иная парадигма производства, а мы, например, все пытаемся наладить в стране консолидированную дискуссию по 3D-принтерам, а за рубежом они уже давно продаются в специализированных магазинах, или дискутировать про солнечные батареи, а уже появились разработки прозрачной солнечной батареи. Следующий шаг - заменить ими окна и перейти к полностью энергонезависимому дому. А если он еще подключен к smart grid - умной распределенной энергетической системе, то еще и начнет отдавать энергию в сеть, благодаря чему достигается положительный баланс. Сколько вы платите за электроэнергию? А теперь представьте, что эти деньги будут платить вам.

Энергетика

Скорее всего, энергетика будущего будет автономна, умна, экологична и адаптивна под потребности человека. У многих есть внешние аккумуляторы, заряжающие мобильные устройства, но сейчас уже разработана пленка, позволяющая заряжать телефон за несколько минут. В будущем его батарейка будет служить не 3-4 дня, а месяц или два, годы.

Следующий тренд в энергетике - это все независимое. В Америке уже несколько десятилетий разрабатывается технология автономного солдата, заряжающего снаряжение просто при ходьбе. А теперь представьте, что вы находитесь в своеобразном «энергококоне», вы подключены через специальный костюм или устройство к общей распределительной энергосети. Можно будет обмениваться энергией напрямую. Представленный недавно домашний накопитель Tesla - это только первый ход. Он очень дорогой и пока не особо эффективный, но прорывы в энергетике ожидаются колоссальные.

В классических форсайтах принято изучать не только те тренды, которые, скорее всего, наступят, но и такие события, вероятность наступления которых минимальна, но если они произойдут, то от такого «джокера» мало никому не покажется. Одним из таких, увы, неприятных «джокеров» была авария на «Фукусиме», ее мало кто ожидал, а эффект был колоссальным. Сейчас многие анализируют эффекты от развития доступных технологий извлечения метана из газогидратов, сланцев, добычи нефти нетрадиционных месторождений. Но это все события в зоне нашего управленческого предвидения, а что если у нас будут созданы эффективные, дешевые, «зеленые», при этом миниатюрные источники энергии, например ядерные мини-реакторы? Их влияние на сложившиеся цепочки создания добавленной стоимости будут колоссальными.

Транспорт

Транспортные технологии обеспечат эффект сжатия пространства. К сожалению, российская инфраструктура пока выступает сильным барьером для развития этого тренда в нашей стране. А ведь так хотелось бы провести выходные на Камчатке или Байкале. Пока мы обдумываем планы по дорожному строительству, китайские скоростные поезда всерьез нацелились на преодоление барьера в 1000 километров в час, используя технологии магнитной левитации.

Современные транспортные средства, безусловно, будут функционировать не только на земле, но и в воздухе, причем некоторые могут выйти за пределы атмосферы. Многими странами уже ведутся разработки по созданию «космического лифта». Развитие тросовых систем, включая разработку «космического лифта», позволит изменять орбиты космических аппаратов, перемещать грузы между орбитальными станциями, осуществлять запуски малых космических аппаратов и доставку полезных грузов на орбиту. Ключевой барьер здесь - это сам трос, который должен выдерживать даже не лифт, а собственный вес. Волокно толщиной с волос должно выдерживать тонну (сейчас - 500-600 килограммов). Чтобы сделать такой трос, нужны нанотехнологии. Они произведут настоящую революцию во многих отраслях.

Производство, наука и образование

Сейчас мы пытаемся внедрять аддитивные технологии - 3D-печать, а на смену им придет молекулярная самосборка - это еще более продвинутая технология. На молекулярном уровне можно будет собирать все что угодно. Используя нанофабрики, можно будет создавать вещи, продукты, для производства молока в будущем корова будет не нужна. Эти технологии - «убийцы» 3D-принтеров.


Имплант челюсти, напечатанный на 3D-принтере
Фото: uhasselt.be

Ключевая проблема во всем умном (умных сетях, городах, домах, предприятиях и пр.) - это моделирование. И тут приходят на помощь наши математики. Здесь у нашей страны определенно есть шансы, чтобы добиться ведущей позиции на рынке. Однако мы наблюдаем интересную закономерность: как только исследователь наращивает уровень цитирования, зачастую меняется его аффилиация, принадлежность к тому или иному университету: если в его ранних работах указано, что человек из России, то в более поздних - бах! - уже какой-нибудь американский университет.

Таким путем шел и Китай. Китайцы выкупали профессоров по индексу цитирования вместе с их семьями, давали им зарплаты как в Америке. Они говорили им: «работайте, но права на созданную интеллектуальную собственность будут принадлежать КНР». Теперь есть китайские машины, китайские самолеты - все made in China.

Мы тратим на науку примерно 15 миллиардов долларов в год, а США - 450 миллиардов долларов. Если смотреть на распределение в мировой науке, то нас там совсем чуть-чуть. И такой момент. Есть метод, который называется «анализ исследовательских фронтов». Если другие ученые вдруг начинают активно цитировать исследователей, которые занимаются определенными областями, значит, именно в этих областях науки возможен прорыв. Но если за рубежом публикации, скажем, по медицине напрямую связаны с биохимией, химией, физикой, инжинирингом, то в публикациях российских ученых этих связей почти нет. У нас основная область науки - это астрономия.

Самосборка и самоорганизация

Среди различных перспективных подходов формирования наноструктур все большее значение приобретают нанотехнологии, использующие самоорганизацию. Предполагается, что самоорганизация позволит создавать наноструктуры из отдельных атомов как технология «снизу-вверх». Молекулярная самосборка в отличие от «нисходящего» подхода нанотехнологий, например, литографии, где желаемая наноструктура появляется из большей по размеру заготовки, является важной составляющей "восходящего" подхода, где желаемая наноструктура является результатом своеобразного программирования формы и функциональных групп молекул.

Какие наноструктуры можно строить, используя данные технологии? Говорится о разных материалах, так как эти технологии позволяют создавать устройства, формируя их из атомов и молекул, используя процессы самоорганизации так, как их использует природа. В природе действительно существуют подобные системы и осуществляются подобные процессы. Самым ярким примером является пример сборки сложнейших биологических объектов на основе информации, записанной в ДНК (см. рис. 1).

Рисунок 1 — Пример самосборки биологической структуры

Как было раньше? Мы брали, скажем, кусок железа и делали из него молоток, просто убирая все лишнее (технология «сверху-вниз»). Нанотехнология же в ближайшем будущем позволит делать изделия из материалов с нуля, причем не всегда будет нужно складывать атом к атому «вручную», мы сможем использовать явление самоорганизации, самосборки наноструктур и наноустройств. При этом достаточно трудно ожидать, что на наноуровне возможна искусственная манипуляция отдельными нанообъектами с целью «ручной» сборки материала. Это пока что нецелесообразно (медленно и требует выполнения большого объема работы). Поэтому естественным способом получения наноматералов может являться самоорганизация.

Самосборка (англ. self-assembly) — это термин для описания процессов, в результате которых неорганизованные системы благодаря специфическому, местному взаимодействию компонентов систем приходят к упорядоченному состоянию.

Самосборка бывает как статической, так и динамической. В случае статической самосборки организующаяся система приближается к состоянию равновесия, уменьшая свою свободную энергию. В случае же динамической самосборки более корректным является использование термина самоорганизация.

Самоорганизация в классических терминах может быть описана как спонтанная и обратимая организация молекулярных единиц в упорядоченную структуру с помощью нековалентных взаимодействий. Спонтанность означает, что взаимодействия, ответственные за образование самособранной системы, проявляются в локальных масштабах, другими словами, наноструктура строит саму себя.

При определенных условиях микро- или нанообъекты сами начинают выстраиваться в виде упорядоченных структур. Противоречия с фундаментальными законами природы здесь нет — система в данном случае неизолированная, и на нанообъекты оказывается какое-то внешнее воздействие. Однако данное воздействие направлено не на конкретную частицу, как происходит при сборке «сверху вниз», а на все сразу. Вам не нужно выстраивать требуемую структуру вручную, помещая нанообъекты в требуемые точки пространства один за другим — создаваемые условия таковы, что нанообъекты делают это сами и одновременно. Процессы, использующие создание таких особых условий, называются процессами самосборки, и уже сейчас они играют важнейшую роль во многих областях науки и техники.

Для самособирающихся компонентов все, что требуется от человека — это поместить достаточное их количество в пробирку и позволять им автоматически собраться в нужные конфигурации согласно их естественным свойствам.

На сегодняшний день синтезированы двумерные и трехмерные организованные массивы нанокристаллов Pt, Pd, Ag, Au, Fe, Co, сплавов Fe-Pt, Au-Ag, наноструктур CdS/CdSe, CdSe/CdTe, Pt/Fe, Pd/Ni и т.д. Кроме того, для анизотропных наночастиц удалось добиться формирования ориентационно-упорядоченных массивов. Однородные по размеру наночастицы можно «собрать» в пространственно-упорядоченные структуры, представляющие собой одномерные «нитки», двумерные плотно упакованные слои, трехмерные массивы или «малые» кластеры. Тип организации наночастиц и структура образующегося массива зависят от условий синтеза, диаметра частиц, природы внешнего воздействия на структуру.

Сегодня известны различные методы самосборки, позволяющие получать полезные упорядоченные структуры из микрочастиц. Для создания особых условий, при которых в конкретной системе происходит самосборка, могут быть использованы гравитационное, электрическое или магнитное поле, капиллярные силы, игра на смачиваемости-несмачиваемости компонентов системы и другие приемы. В настоящее время процессы самосборки начинают активно использоваться и в производстве.

Суть явления самосборки

В современной науке имеется огромный фактический материал экспериментальных наблюдений явления самосборки. Особенно впечатляющими являются наблюдения самосборки биологических объектов, в частности работы Клуга по сборке растительных вирусов, отмеченные нобелевской премией 1982 года. Экспериментальные исследования самосборки носят преимущественно констатирующий характер и дают обширные знания о том, как это происходит. Вопрос о том, почему это происходит именно так, а не иначе - является вызовом современному естествознанию.

Рассмотрим хорошо изученный сценарий сборки вируса бактериофага Т4, описанный во всех учебниках и являющийся классическим объектом изучения самосборки. Упрощённый вариант сценария изображён на Рис. 2. В сборке участвуют 54 типа белков, которые строго в определённой последовательности агрегируются в субагрегаты различных уровней и далее субагрегаты собираются в завершённую вирусную частицу, включающую более тысячи белковых молекул. Бессмысленно моделировать этот тонко согласованный, разветвлённый иерархический процесс средствами стохастических представлений о случайно сталкивающихся молекулах.


Рисунок 2 — Сценарий сборки бактериофага Т4

Несомненно, что процесс сборки вируса детерминирован и управляем и для полного понимания этого процесса необходимо определить средства детерминации и механизмы управления. Научное мышление второй половины ХХ века было очаровано созданием компьютера и открытием системы управления синтезом белков. Обе системы идеологически идентичны и являются воплощением принципа сосредоточенного управления. Носителем сосредоточенного управления является знаковая система - линейный императивный управляющий язык. Совершенно естественно, что первые попытки математического моделирования процессов самосборки и самовоспроизведения были предприняты в рамках теории автоматов, например фон Нейман. Однако данные экспериментальных наблюдений не подтверждают состоятельность таких моделей. Процессы самосборки не укладываются в схему сосредоточенного управления.

Данные экспериментов позволяют утверждать, что в процессе самосборки отсутствует управляющий элемент и ни в какой форме не обнаруживается знаковая система, описывающая порядок следования монтажных актов или порядок расположения элементов в структуре продуктов самосборки. Специфика феномена самосборки заключается в том, что процесс несомненно детерминирован, но механизм детерминации не вписывается в простой и понятный метод сосредоточенного управления.

Самосборка есть реализация метода распределённого управления, при котором управляющие функции реализованы во внутренней структуре элементов участвующих в процессе, а управляющая информация, детерминирующая процесс, распределена по всем элементам. Следовательно, носителем детерминации при распределённом управлении являются специфические знаковые системы кардинально отличающиеся от простейших императивных линейных языков, подобных компьютерным или системе ДНК-белок. Главная задача исследования самосборки это определение логики взаимоотношений элементов и поиск знаковых систем, носителей распределённого управления.

Рассмотрим гипотетический сценарий самосборки, отвечающий требованиям реализации распределённого управления. Некоторые шаги сценария изображены на Рис.3.


Рисунок 3 — Гипотетический сценарий взаимодействия элементов

Допустим, что в сборке простейшей конструкции, трубки, участвуют молекулы двух типов шар и амфора. Мы рассматриваем только логический аспект самосборки и пока не вовлекаем в описание физико-химические основы взаимодействия. Шар и амфора &mdash это абстракции, наделённые способностью к некоторой постулированной монтажной активности. В состав элемента вводится абстракция «кодовый замок». Монтажный акт возможен только при совпадении кодов замков. Амфора и шар имеют разные кодовые замки К1 и К2, поэтому на первом шаге сборки сцепляются два шара. В результате образуется субагрегат с новым кодовым замком К2. Далее к субагрегату пристыковывается амфора, имеющая кодовый замок К2 и образуется субагрегат «зуб» с кодовым замком К3. Далее из зубов как из секторов строятся диски, а диски собираются в трубку. Для того чтобы выстроить такой сценарий необходимо постулировать процедуру элементарного акта сборки. Определим элементарный акт сборки как процедуру, состоящую из четырёх шагов:

  • активирование кодового замка;
  • поиск и сближение двух элементов с совпадающими кодами замков;
  • срабатывание замков
  • погашение их активности, образование нового кодового замка для продолжения процесса.

Таким образом, на каждом шаге сборки монтажные акты определяются состояниями кодовых замков, а выполнение монтажного акта завершается порождением нового кода и нового замка.

К настоящему моменту имеются математические инструменты, способные описывать логический аспект процессов самосборки. Потоковые продукционные системы соответствуют требованиям к знаковым системам, поддерживающим распределённое управление и могут на логическом уровне выполнять роль детерминантов процесса самосборки. Ближайшая следующая задача - это совместная работа с физхимиками и биологами по построению потоковых продукционных систем, моделирующих на логическом уровне реальные сценарии самосборки конкретных объектов. Далее последует поиск элементов потоковых продукционных систем в физико-химическом строении элементов участников самосборки. Наибольшая готовность для таких программ имеется в области исследования растительных вирусов.

) — процесс образования упорядоченной надмолекулярной структуры или среды, в котором в практически неизменном виде принимают участие только компоненты (элементы) исходной структуры, аддитивно составляющие или «собирающие», как части целого, результирующую сложную структуру.

Описание

Самосборка относится к типичным методам получения наноструктур (наноматериалов) «снизу–вверх». Основная задача, которая стоит при ее реализации - это необходимость таким образом повлиять на параметры системы и так задать свойства отдельных частиц, чтобы они организовывались с образованием желаемой структуры. Самосборка находится в основе многих процессов , где «инструкции», как собирать большие объекты, «закодированы» в структурных особенностях отдельных молекул. Следует отличать самосборку от , которая может быть использована как механизм создания сложных «шаблонов», процессов и структур на более высоком иерархическом уровне организации, чем тот, что наблюдался в исходной системе (см. рис.). Отличия состоят в многочисленных и многовариантных взаимодействий компонент на низких уровнях, на которых существуют свои, локальные, законы взаимодействия, отличные от коллективных законов поведения самой упорядочивающейся системы. Для процессов самоорганизации характерны различные по масштабу энергий взаимодействия, а также существование ограничений степеней свободы системы на нескольких различных уровнях ее организации. Таким образом, процесс самосборки - более простое явление. Тем не менее, не стоит опускаться до крайностей и считать, например, что процесс роста монокристалла - это самосборка атомов (что соответствует, в принципе, определению), хотя, например, самосборка более крупных объектов - микросфер одинакового размера, формирующих плотнейшую шаровую упаковку, что приводит к образованию так называемого (трехмерной дифракционной решетки из микросфер), - это типичный пример самосборки. К самосборке можно отнести формирование (например, молекул тиолов на гладкой золотой пленки), образование пленок , и пр.

Иллюстрации


Автор

  • Гудилин Евгений Алексеевич

Источники

  1. Философия наносинтеза // Нанометр, 2007. -www.nanometer.ru/2007/12/15/samosborka_5415.html (дата обращения: 13.10.2009).
  2. Self-assembly // Wikipedia, the free Encyclopedia. - http://en.wikipedia.org/wiki/Self-assembly (дата обращения: 31.07.2010).

Наночастица - это частица размером меньше 100 мкр. Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы размерами от 1 до 100 нанометров обычно называют «наночастицами». Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи, хоть и обладают сравнительно низкой квантовой эффективностью, зато более дёшевы и могут быть механически гибкими. Удаётся добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров - белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные наночастицы могут самовыстраиваться в определённые структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства. Нанообъекты делятся на 3 основных класса: трёхмерные частицы, получаемые взрывом проводников, плазменным синтезом; двумерные объекты - плёнки, получаемые методами молекулярного наслаивания, CVD, ALD, методом ионного наслаивания; одномерные объекты - вискеры(эти объекты получаются методом молекулярного наслаивания, введением веществ в цилиндрические микропоры).На данный момент обширное применение получил только метод микролитографии, позволяющий получать на поверхности матриц плоские островковые объекты размером от 50 нм, применяется он в электронике; метод CVD и ALD в основном применяется для создания микронных плёнок. Прочие методы в основном используются в научных целях. В особенности следует отметить методы ионного и молекулярного наслаивания, поскольку с их помощью возможно создание реальных монослоёв. Нанотехноло́гия - междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами. Наноматериалы - материалы, разработанные на основе наночастиц с уникальными характеристиками, вытекающими из микроскопических размеров их составляющих. Углеродные нанотрубки - протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей и обычно заканчивающиеся полусферической головкой. Фуллерены - молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода. Графен - монослой атомов углерода, полученный в октябре 2004 года в Манчестерском университете. Графен можно использовать, как детектор молекул. Нанолитография наиболее важный метод создания устройств с нанометровыми размерами. Этот метод может использоваться для создания электронных схем, схем памяти с большой ёмкостью, сенсоров.Наномедицина - слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне, используя наноустройства и наноструктуры. Нанобиоэлектроника ) - раздел электроники и нанотехнологий, в которых используются биоматериалы и принципы переработки информации биологическими объектами в вычислительной технике для создания электронных устройств. Молекулярная самосборка - Создание произвольных последовательностей ДНК, которые могут быть использованы для создания требуемых белков или аминокислот.