Konstruksjon med molekyler

Hvert atom må være på sin plass i en molekylstruktur. Så lenge dette gjelder små molekyler (som glukose), kan syntesekjemikere sette dem sammen ved å koble atomer sammen separat. Men disse prosedyrene ville aldri kunne gi strukturen til kompliserte makromolekyler som f.eks. proteinene. I stedet fortsetter cellen progressivt. Den ordner atomene i i molekylelementene som aminosyrer. I andre trinn kobles de til aminosyrene for danne et langkjedet molekyl, som deretter utvikles til en tredimensjonal struktur. I tillegg kan disse konsolideres med andre proteinmolekyler og danne høygraderte kompliserte maskiner. Takket være dette modulprinsippet, kan cellen gi en grad av kompleksitet som ikke vår teknologi kan takle.

De første to trinnene på den naturlige måten å danne komplekse molekylstrukturer, inkluderer tradisjonell kjemi. Kovalente bindinger mellom karbonatomer gjør det mulig å danne aminosyrer og polypeptidkjeder. Men ved konvolusjonen og monteringen av disse kjedene, går naturen tilbake til metodene som kjemien ble kjent med bare for noen få tiår siden. I stedet for noen kovalente bindinger, er det mange svake korrelasjoner som holder den tredimensjonale strukturen til proteinet. I stedet for å bruke eksterne påvirkninger til å opprette disse bindingene, bruker naturen biopolymerer på en slik måte at de selv inneholder virkningen.

Proteiner bøyes spontant, og selv de mest kompliserte molekylmaskinene blant cellene, som f.eks. ribosomet med over 50 makromolekylelementer, monterer seg selv spontant.

Stien til nanoverdenen

I og med at vi vet hvordan levende celler opererer i nanometerskalaen, bør vi kunne utføre noe lignende i det minste på et enkelt nivå.

Spørsmålet er hvordan vi skal begynne?

 

Det er mulig å skille mellom to ulike praksiser: Metoden "ovenfra og ned", hvori, som det kommer fra nanoverdenen, den progressive miniaturiseringen av eksisterende teknologier brukes for å komme til nanokosmos. Den andre metoden, "nedenfra og opp", som konstruerer små molekyler fra komplekse molekylstrukturer ved hjelp av kjemiske og biokjemiske metoder.

Ovenfra og ned-metoden er svært enkel, men blir i praksis vanskeligere og vanskeligere når du nærmer deg nanokosmos. Denne metoden kan vi takke datamaskinrevolusjonen for. Etter hvert som det funksjonelle elementet i integrerte kretser ble mindre og mindre, kunne kapasiteten til en standardbrikke fordobles hver 18. måned de siste par tiårene. Dette fenomenet ble først oppdaget av Gordon Moore, en av medstifterne av brikkeprodusenten Intel, og heter derfor Moores lov.

Etter hvert som brikkeprodusentene har gått fra målestokken til synlig lys, tvinges de til å bruke ultrafiolett stråling og må en dag gå over til røntgenstråling

som er mye vanskeligere å håndtere, for å kunne skape mindre strukturer.

Dermed vil hvert nye forminskelsestrinn bli en større utfordring enn den forrige forminskelsen. Men frem til i dag har Moores lov bekreftet seg selv og vil antakelig være gyldig i enda noen år.

Selv om datamaskinprodusentene er de største kundene i nanometerskalamarkedet, og dermed den største drivkraften bak den uforminskede kontinuerlige trenden mot avansert miniaturiseringen, finnes det også andre områder der de samme produksjonsmetodene kunne vise seg å være nyttige.

Små mekaniske og bevelige elementer, som produseres i henhold til metodene i brikkeproduksjonen, kalles MEMS (mikroelektromekaniske systemer - micro-electromechanical systems) og vil snart komme til nanokosmos som såkalte NEMS.

Suksesshistorien til MEMS

Den klassiske suksesshistorien til MEMS-sektoren har vi fra kollisjonsputefølerne i biler. Akselerasjonsmåleren på MEMS-basis har vist seg å være mindre og bedre, samt mye billigere i forhold til den konvensjonelle forløperen. Følgelig tok det bare noen få måneder for produktet å overta verdensmarkedet. Blant MEMS-produktene finner vi også en medisinsk chip som kan vise seg å ha lignende revolusjonerende effekt i fremtiden. Denne medisinske chipen kan transplanteres i en operasjon, slik at pasienten på permanent basis kan få de legemidlene som er nødvendig etter en operasjon.

MEMS kan også forårsake en sterk endring i sensorene. Vitenskapsfolk har i den senere tid utviklet en "kunstig nese" ved bruk av mikroproduksjonsteknologi, og som kan identifisere flyktige substanser i komplekse blandinger med en hittil uovertruffen følsomhet for f.eks. duften av vin.

Når det gjelder sensorene, er det kanskje mulig at begge metodene (nedenfra og opp, ovenfra og ned) vil konkurrere mot hverandre. Når alt kommer til alt inneholder smaks- og lukteorganene våre lignende høyfølsomme molekylsensorer.

 

På den andre side retter "nedenfra og opp"-metoden seg i økende grad mot nanoteknologien

i natur, mot små molekyler, og bruker modulprinsippet, svake korrelasjoner og selvmontering for å skape komplekse systemer.

Med denne metoden kan man bruke forskjellige strategier, som i sin tur skjelner mellom følgende: Hvor mye eller lite vil du kopiere fra naturen?

Nanoteknologi Den representerer teknologien for en ny alder: Nanoteknologien tar oss med til en verden som ikke kan registreres med optiske instrumenter, da strukturene er mindre enn bølgelengden til synlig lys. Den usynlige verden ligger foran oss. Velkommen til nanokosmos. Hvis du som liten analyserte overflaten på en løk, en blomst eller et hårstrå i et mikroskop, husker du helt sikkert de rare og fasinerende bildene du så gjennom okularet. Nå er det snart flere lysmikroskop i skoler enn i forskningslaboratorier. Selv om det er nyttig for visse typer forskning, er de fleste vitenskapsfolk svært interesserte i å utvide synsfeltet utover mikroskopets verden. Der er det nemlig en ny og merkelig verden, som er vanskelig tilgjengelig med optiske instrumenter, da strukturen er mindre enn bølgelengden til synlig lys. Dette imperiet kaller vi nanokosmos, for alle mål og avstander måles i nanometer (milliontedels millimeter). Grovt sett inneholder nanokosmos objekter som er større enn atomer og mindre enn en celle. Det angår molekylverdenen, fra de minste (som glukose) opp til de forholdsvis gigantiske kjedemolekylene i en levende celle, f.eks. proteinene og nukleinsyrene. Vi må lære oss å tenke i mikrokosmos, og det er er minst tre gode grunner til at vi skal utforske nanoverdenen: Smått er effektivt (miniaturisering av kretsene), smått er spesifikt (molekyler er individer), smått er intelligent. Enkle molekyler, for eksempel en DNA-streng, har informasjon. En milliard av identiske DNA-strenger har ikke mer informasjon enn ett enkelt molekyl - men inntil i dag trenger vi milliarder av molekyler for å lese informasjonen. Når vi kan dekode enkle molekyler, kan vi behandle milliarder av forskjellige DNA-sekvenser i en liten dråpe og dermed potensielt sett betjene en høyytelses DNA-datamaskin. Slike og lignende tanker har inspirert vitenskapsfolk til å utvikle nye teknologier i en minste skalaen, og som på sikker måte kan håndtere informasjon og utføre mekaniske, kjemiske og elektriske funksjoner. Denne minst mulige størrelsen, som er det mest optimale for mange applikasjoner og spesielt også for databehandling, er molekylskalaen nanokosmos. Det er også denne skalaen hvor cellen håndterer alle de mekaniske, kjemiske og informasjonsbehandlingsfunksjonene. Den grunnleggende usynligheten av nanokosmos er en av årsakene til at biokjemien har måttet bruke hele det 20. århundret til bare å finne ut hvordan den levende cellen fungerer. Den molekylære oppbygningen av cellen, som strukturelle vitenskapsfolk har synliggjort for oss de siste fem århundrene ved bruk av indirekte metoder, er en fasinerende og variert samling av underverk i nanometerstørrelsen. De fungerer ofte helt forskjellig fra de maskinene som våre ingeniører har konstruert i vår synlige verden. Det er derfor vitenskapsfolk, som forsøker å fange nanokosmosdimensjonen, ofte søker løsninger fra cellen. Selv om utviklingen kan være overdådig og ineffektiv og utarbeider eksisterende strukturer for å oppfylle nye funksjoner, er det tross alt litt vi kan lære av naturens nanoteknologi. Disse prinsippene kan kanskje se litt enkle ut, men de har vært så vellykket de siste 3,5 milliarder årene at vi ikke kjenner til en livsform som kan leve uten. Den diskrete sjarmen til miniatyrverdenen Selve ordet nanoteknologi startet sin seiersgang på åttitallet, og idéene omtales av de ultimate teoribøkene til Eric Drexler, som viste at plasseringen av enkle atomer er et svært sentralt punkt i den nye teknologien. Men naturen avskyr enkle atomer. Enkle kjemiske reaksjoner som kobles sammen, og som består av bare to karbonatomer (for å skape sukker eller andre karbonhydrater), ligger i cellen i form av kompliserte nettverk av felles reaksjoner, hvor hver deltaker har fått minst 3 karbonatomer. Det er enklere å håndtere slike molekyler enn atomer. Den kjemiske reaktiviteten kan modifiseres og naturens katalysatorer, enzymene, kan gjenkjenne dem og skille de fra andre lignende molekyler. I dag er de fleste vitenskapsfolk enige om at den kommende nanoteknologiepoken vil bestå av molekylærteknologi og ikke atomteknologi. <