«Наука в Сибири» № 38 (2524) 1 октября 2005 г. ПИСЬМЕНА НА ВОДЕ Профессор Святослав Габуда, физхимик, лауреат Государственной премии и обладатель одного из высоких в новосибирском Академгородке индексов цитирования в зарубежных научных изданиях, несколько припоздал на нашу встречу в Институте неорганической химии. По весьма уважительной причине: вместе с рабочими-такелажниками «тягал» через окно лаборатории ценную научную установку весом в 5 тонн, которая в дверь не проходила. Тащили, заметим, в институт, а не из института — из чего уже можно заключить, что здесь упорно продолжают заниматься наукой. И. Самахова — Нанотехнологиями интересуетесь? Вынужден огорчить: таковых на сегодня не существует. Это красивая выдумка вашего брата-журналиста Эрика Дрекслера, который в своих околонаучных эссе сумел представить сугубо научное открытие новых модификаций углерода — наносферической (фуллерены, 1985 г.) и нанотрубочной (1992 г.) в качестве свидетельств наступления нового этапа научно-технической революции, названного «четвертой волной». Как и положено сотруднику Института научного прогнозирования (Palo Alto Institute of Prediction, CA, USA), Дрекслер выдал прогноз, что примерно через 15-20 лет (то есть в наши дни!) наука преодолеет фундаментальные трудности, связанные с пределами миниатюризации электронных устройств. И тогда появятся интеллектуальные роботы размером с амебу, которые смогут прямо из окружающей среды извлекать необходимые элементы и «выращивать на дому» и жилые помещения, и фурнитуру, и транспортные средства, или, к примеру, производить полный «ремонт» нашего организма, путешествуя по кровяному руслу. Дело не ограничивалось публикацией бестселлеров Э. Дрекслера «Машины творения» (Лондон, 1990), и «Наносистемы» (Нью-Йорк, 1992). Резко увеличился рейтинг широкопрофильных (межнаучных) журналов типа «Nature» и «Science», в которых публиковались работы о наиболее «горячих» результатах. Пользовались спросом даже сборники трудов научных конференций по «нанотехнологиям» и проблемам создания «небиологической» — искусственной жизни (напр. «Искусственная жизнь» под ред. С. Г. Лафтона. Сан-Франциско, 1989). Нанотехнологии стали предметом пристального внимания правительства США как проблема «стратегического» значения. Вспоминаю курьезный случай 15-летней давности с нашей заявкой на доклад на конференцию по проблемам нанотехнологий, которая должна была состояться в Калифорнии, США. Заявку приняли; особенно приятно, что с устным докладом и с обещанием оплаты всех расходов. Тогда я даже пожалел, что с самого начала отказался от поездки в пользу напарника. Соавтор — Эм Баскин, сотрудник Института физики полупроводников СО РАН (теперь — сотрудник Техниона в Хайфе, Израиль), в назначенный срок отправился в Москву за американской визой, но — сюрприз — посольство ему отказало на том основании, что данная область знаний (нанотехнологии) находится под жестким контролем Госдепартамента. Оказалось, что для участия в подобной конференции надо было подавать заявку за месяц! В других случаях — на конференции по проблемам элементарных частиц, по ракетным делам и т.д. визы выдавались в течение одного-двух дней. Трудно было вообразить, что весь этот бум закончится классической «панамой» — аферой, вроде нашего дефолта. Страсти вокруг нанотехнологий достигли апогея, когда в 1999-2001 гг. в журналах «Nature» и «Science» появился ряд сенсационных публикаций, сообщающих о создании «нанотранзистора» на базе одной молекулы (фуллерена). Это было похоже на воплощение радужных прогнозов; стоимость акций научных компаний «зашкаливала», а основного автора публикаций — 30-летнего Яна Гендрика Шона, сотрудника лабораторий Белл, прочили в Нобелевские лауреаты ближайшего года. Все было бы прекрасно, если бы не придирчивость научной общественности. Оказалось, что результаты более 100 публикаций Шона не подтверждаются, а в отношении трех ключевых сообщений об «одномолекулярном транзисторе» было доказано наличие подлога. Итог — Шона уволили, а в отношении его соавтора и научного руководителя, проф. Батлогга, был употреблен термин «buck» (козел) [G. Brumfiel, Nature 419, 419-421 (2002)]. Другой итог — резкое падение курсов акций научных компаний; потери вкладчиков никто и не собирался возмещать, их «нагрели» примерно на 100 млрд долл.! Данная сумма подозрительно близка к бюджету расходов правительства США на Иракскую компанию (80 млрд), начатую всего три месяца спустя после обрушения надежд на скорую победу в битве за научно-технический прогресс. — Но есть и другие идеи — «квантовые точки», «квантовые ямы»… — Конечно есть, это передний край современной физики полупроводников. На данном направлении сосредоточены огромные усилия, эти усилия оправданы достижениями современной полупроводниковой микроэлектроники. Но сама идея о «полупроводниковом» механизме сложнейших явлений в живых организмах (и о возможности искусственного воспроизведения подобных явлений с использованием полупроводников) не нова. Ее высказал биохимик Альберт Сент-Дьердьи в своей книге «Биоэнергетика», изданой в 1957 г., перевод на русский язык в 1960 г. Жирную точку на этой идее поставил один из крупнейших физиков ХХ века Виталий Лазаревич Гинзбург, подвергший подходы А. Сент-Дьердьи обоснованной критике (в 1960 г.). Новые «реаниматоры» полупроводниковой идеи жизнедеятельности стараются об этом эпизоде истории не вспоминать, а зря. — Иными словами, термин «нанотехнологии» существует, но реальных технологий пока что нет. Тогда что есть? — Есть увлекательная тайна, восходящая к основам мироздания, и есть ученые, в том числе и российские, которые пытаются ее разгадать. С одной стороны, микроэлектроника уже практически достигла предела миниатюризации, который выглядит непреодолимым. Технически возможно изготовить транзистор в два раза меньшего размера по сравнению с транзисторами в процессорах Intel, это продемонстрировали ученые компании IBM. Но такой транзистор отказывается устойчиво работать, он включается и выключается спонтанно, когда «сам того пожелает». Это происходит из-за влияния квантовых флуктуаций, роль которых становится доминирующей на расстояниях порядка нанометра и менее. Ведь электрон — это элементарная частица, обладающая волновыми свойствами. Представьте, что мы попытаемся что-то написать на поверхности воды. Ничего не получится: волны и колебания поверхности тут же сотрут ваши письмена. Так и наноустройства — от них не удается добиться стабильности, необходимой для работы технических систем. И дело тут не в несовершенстве самих устройств, а в свойствах физического мира, который подчиняется собственным законам. С другой стороны, наука уже достаточно разобралась в устройстве живой материи, чтобы понять, что там фундаментальные запреты квантовой механики каким-то образом преодолеваются. Ведь явления жизни, такие, как считывание информации и аутокопирование ДНК, основаны на атомных процессах, протекающих на наноуровне. И не кто-нибудь, а сам Евгений Вигнер, один из основателей квантовой механики и Нобелевский лауреат, доказал теорему, согласно которой квантово-механическая вероятность аутокопирования ДНК равна нулю! Может быть, биомолекулы принципиально отличаются от прочей материи, и законы физики на них не распространяются? Это вдохновляет сторонников божественного происхождения жизни, но ученые никогда не согласятся с таким положением, равносильным окрику «Не вашего ума дело!» — Выходит, наука оказалась в тупике? — Да, но как раз главное ее назначение — искать выходы из тупиков. Важнейший шаг к раскрытию тайны был сделан математиком Дж. фон Нейманом, который детально показал, что, так называемая, линейность взаимодействий и связей в сложных системах неизбежно влечет за собой их неспособность к самокопированию и самовоспроизведению. Иными словами, секрет аутокопирования ДНК (и нанотехнологий будущего) состоит в нелинейном характере каких-то взаимодействий, которые, в конечном итоге, могут быть учтены современными методами квантовой химии. Под нелинейностью подразумевают, что реакция на воздействие непропорциональна самому воздействию. Подобное нарушение пропорциональности было найдено в работах нашей группы при исследовании взаимодействий электронов и ядер в молекулярных системах. В рамках довольно грубого приближения теории движения частицы в быстропеременных полях (описанной в курсе Л. Ландау и Е. Лифшица) оказалось возможным учесть влияние быстрых электронных флуктуаций на относительно более медленные движения ядер водорода. Наша публикация на эту тему (совместно с сотрудниками Национальной лаборатории сверхсильных полей в Таллахасси, Флорида, США) вышла в международном журнале «Solid State Communication». — Чем практически может помочь такая работа в продвижении к нанотехнологиям? — Прежде всего, проясняются тонкости механизма ауторепликации ДНК. Молекула ДНК представляет собой двойную спираль, и ее две «нитки» связаны водородными связями. При репликации эти связи должны сначала «порваться» (или выключиться), и вместо одной двойной спирали получаются две однонитчатые молекулы. Далее водородные связи должны включиться вновь, чтобы образовались две новые двойные спирали в двух новых клетках. Это и есть мейоз — основа жизни. Но физический механизм включения и выключения водородных связей оставался непонятен. В результате нашей работы выяснилось, что этот механизм может базироваться на некоторой корреляции движения электронов и протонов, которая, в свою очередь, связана с изменениями кислотности среды. Более того, стало ясно, что механизм репликации, основанный на включении-выключении водородных связей, не является уникальной особенностью живых систем и ДНК. Недавно опубликованы данные ряда оригинальных исследований химиков из Оксфорда, которые обратили внимание на способность к самокопированию глинистых минералов (типа монтмориллонита), для которых характерен химически индивидуальный рисунок структуры поверхности нанослоев. При увеличении влажности миниатюрные кристаллы растут за счет образования водородных связей между слоями, а при высыхании — расщепляются на абсолютно идентичные по индивидуальному рисунку пластинки. Каждая из таких пластинок может стать зародышем нового кристалла с тем же рисунком поверхности. Таким образом, просматривается механизм аутокопирования, отдаленно напоминающий процесс редупликации двойной спирали ДНК и тоже связанный с включением-выключением водородных связей. — Просматривается ли свет в конце тоннеля? — Большую роль играет начальная установка, и, если она выбрана (или угадана) правильно, то мы обязательно выйдем на решение имеющихся фундаментальных проблем. Классическая квантовая химия исходит из так называемого приближения Борна-Оппенгеймера, в соответствии с которым полагают, что движения электронов и ядер независимы друг от друга. В большинстве случаев это хорошее приближение, но в некоторых случаях, таких, как эффект Яна-Теллера, и, как оказалось, разрыв водородных связей, оно не работает, и приходится рассматривать корреляцию движения электронов и ядер. Заметим, что теория полупроводников и квантовая теория твердого тела также исходят из приближения Борна-Оппенгеймера. Это приближение хорошо поработало в микроэлектронике, но похоже, что на наноуровне оно уже неэффективно, что и привело к кажущейся неразрешимости проблем нанотехнологий. — Оппенгеймер — это тот самый «отец атомной бомбы»? — Именно так, и, кстати, Теллер — также пресловутый «отец», но водородной бомбы (в американском варианте; известно ведь, что наши физики здесь были первыми). Считается, что оба «отца» не особенно преуспели в науке, но оказались неплохими менеджерами. Этот факт заслуживает внимания, поскольку он разрушает устоявшийся стереотип «талантлив во всем!» или, попроще, «и швец, и жнец, и на дуде игрец»… — Можно ли считать, что новый подход ведет к «квантовому» компьютеру? — Решительно нет. Ставшее модным в последние годы словосочетание «Квантовый компьютер» — это не более, чем очередная химера и ловушка для акционеров. Компьютер не может быть квантовым по той простой причине, что обычные состояния 0 и 1 логических элементов в квантовом варианте могут существовать (в «чистом» виде) только в отсутствие каких-либо воздействий. При первой же верификации эти состояния перестают быть чистыми, иными словами они становятся смесями исходных состояний 0 и 1. А надо иметь в виду, что верификация состояний логических элементов осуществляется с тактовой частотой компьютера порядка миллиарда раз в секунду, поэтому любая информация в таком компьютере ни сохраняться, ни обрабатываться не может. — Слушая вас, в очередной раз убеждаешься, что голь на выдумки хитра. Получается, что даже в нынешнем своем не лучшем состоянии, российская наука способна внести свой вклад в решение проблемы нанотехнологий. Вы поддерживаете идею академика Ж. Алферова о необходимости соответствующей национальной программы? Для ее успеха нужны большие вложения или что-то еще? — Национальная программа — вещь замечательная, но мне показалось не совсем правомочным упоминание в этой связи Манхэттенского проекта. Его задачей была практическая реализация атомной бомбы, а до этого был большой этап фундаментальных поисков, которые проходили на базе Чикагского университета. С нанотехнологиями мы находимся скорее на этом этапе, и деньги сейчас нужны не на «бомбу», а на фундаментальные исследования. Кроме того, для успеха дела необходима реформа науки, ее дебюрократизация. Существующая организация российской науки сложилась в советский период, в условиях жесткого контроля со стороны партийных органов и Госбезопасности, и хорошо известен уровень ответственности научных работников во времена Берии. В современных условиях почти нет ни контроля, ни ответственности. В этом сейчас убедился известный российский олигарх, который имел неосторожность выделить РАН 33 миллиона долларов на исследования в области водородной энергетики. В результате получил отчет на двух страницах (фигурально выражаясь), разъярился и теперь пытается с помощью ревизоров выяснить, куда ушли его миллионы. Результат расследования можно предугадать — деньги поглотила бесчисленная орда чиновников от науки, которые не хотят, да и не умеют организовать работу ученых в новых экономических условиях. Сейчас идет много разговоров о реформе науки. Либеральное крыло правительства предлагает, в сущности, приватизацию НИИ, но боюсь, в результате с наукой произойдет то же, что произошло с российской промышленностью — большей частью разграбленной и уничтоженной. По моему убеждению, науке в первую очередь нужны дебюрократизация и ясная система оценки научного труда. После Второй мировой войны такую реорганизацию провели в Германской (Кайзеровской) академии наук, очень похожей на нынешнюю РАН. Она превратилась в сеть небольших дееспособных институтов имени Макса Планка, которые совершили небывалый научный рывок: за период с шестидесятых по девяностые годы ХХ века немецкие ученые удостоились 30 Нобелевских премий. Науку Восточной Германии в девяностые годы тоже «перелопатили» — существенно сократили и передали фундаментальные исследования в университеты. При этом наука и высшее образование остаются государственными. Разработаны понятные критерии оценки качества интеллектуального труда: научный сотрудник должен публиковаться в рейтинговых журналах и отчитываться за гранты, университетский профессор — иметь на своем курсе определенное число студентов (которые, прошу отметить, записываются на курс добровольно). У нас же ученый — это человек, защитивший диссертацию. С высоты своей учености он говорит: «Вы мне дайте денег и отойдите, потому что только я могу понять, чем занимаюсь». Естественно, все меньше желающих делать такие вложения. — Не хотелось бы заканчивать на такой унылой ноте. Расскажите, что это за штуковину вы вносили в институт через окно, зачем она нужна? — Это магнит напряженностью поля 21 тыс. Гаусс. У наших партнеров по совместному российско-американскому проекту магнит выдает напряженность поля в 10 раз больше (210 тыс. Гаусс). Но такой магнит в 100 раз дороже, а его эксплуатация возможна только в рамках Национальной лаборатории США. Но для полной картины необходимы измерения в широком диапазоне полей, поэтому несомненно, что и наша установка будет востребована. Планируемые работы включают исследования проблемы влияния постоянных и переменных магнитных полей на организм. Это влияние связано с природными включениями наночастиц магнетита (четырехокиси железа) в решетчатой кости черепа и в окрестностях корней зубов. Исследование позволит продвинуться в понимании возможных механизмов влияния мобильников на мозг, а также возможных перспектив использования молекулярного магнетизма в нанотехнологиях будущего. Фото В. Новикова стр. 5