тринадцати или пятидесяти пяти атомов золота, – разные химические соединения, а каждое соединение обладает своими свойствами, и в частности цветом. С этой точки зрения говорить о необычности свойств довольно бессмысленно, ибо что есть обычность?
Следуя этой логике, признаем, что цвет и другие свойства наночастиц
Об одном таком сюрпризе мой следующий рассказ. Золото – элемент уникальный во многих отношениях. В частности, оно не обладает каталитической активностью ни в какой форме – массивных образцов, комплексных соединений, содержащих один или несколько атомов золота, или ионов. Это тем более удивительно, что платиновые металлы, соседи золота по Периодической таблице и столь же благородные, относятся к числу наиболее активных катализаторов с широчайшим спектром действия. Как бы то ни было, в середине прошлого века тезис о неактивности золота вошел в учебники и научные монографии и утвердился настолько, что никому в голову не приходило проводить работы в этом направлении.
И вот в конце 1980-х годов японский исследователь Масатаке Харута рискнул (другого слова не подобрать для этого казавшегося безнадежным предприятия) применить золото для окисления оксида углерода. Для этого он использовал наночастицы золота, образующиеся при самопроизвольной ассоциации атомов золота на поверхности диоксида титана и имеющие форму оладий. Каталитическая активность наночастиц была нулевой вплоть до размера 4 нм. Но при размере 3,5 нм происходил резкий взлет и при 3 нм золото превосходило по активности даже платину. Однако при уменьшении размера такой наночастицы до 2,5 нм активность падала в 5 раз. Если вспомнить, что размер атома золота составляет 0,286 нм, становится очевидным, что все эти драматические изменения в свойствах происходят при добавлении или удалении слоя толщиной в один-два атома. Харута обнаружил еще одно неожиданное свойство изученных им наночастиц золота. При их толщине в три и более атомов они проявляли привычные металлические свойства. Но при меньшей толщине золото – один из лучших проводников электрического тока – превращалось в… диэлектрик.
После публикаций Харуты начался бум исследований каталитических свойств наночастиц золота, спектр которых оказался почти так же широк, как у платины. В настоящее время проводятся большие международные конференции, целиком посвященные катализаторам на основе золота.
Открытие Харута сделал выдающееся, за него могут и Нобелевскую премию дать, но, с другой стороны, немного курьезное. Как мы помним, все нанесенные металлические катализаторы, давно используемые в промышленности, представляют собой наночастицы. Но золото все это заслонило просто по причине новизны и массы публикаций. Ученые в своих лекциях часто апеллируют к золотым катализаторам, потому что их изучение проводится с использованием экспериментальной техники, недоступной исследователям даже недавнего прошлого, золото предоставляет хороший иллюстративный материал – “картинки”.
Бум “золотого” катализа практически совпал с бумом нанотехнологий, из чего люди, далекие от катализа и от науки вообще, сделали вывод, что катализаторы на основе золота были созданы благодаря новым революционным технологиям. Такие неспециалисты просто перепутали причину со следствием. Вполне вероятно, что именно эта путаница и породила упоминавшиеся уже громогласные заявления чиновников о том, что нанотехнологии позволят создать катализаторы нового поколения, заявления, вызывающие в кругу ученых недоумение и смех. При этом они сами продолжают вовсю разрабатывать “золотую” жилу, это актуально, под это дают гранты, и там действительно получаются интересные с научной точки зрения результаты. Во что все это выльется, пока сказать трудно. Бум, как водится, скоро спадет, наступит этап трезвой оценки результатов, агнцы будут отделены от козлищ, что-то, может быть, и дойдет до промышленности. После этого, полагаю, история пойдет на очередной круг. Экспериментальные методы, разработанные при изучении золотых катализаторов, будут использованы для повторного исследования платиновых, палладиевых и всех других металлических катализаторов. В нашей книге много примеров того, как новый взгляд на старую проблему и возврат к старым исследованиям с использованием новой экспериментальной техники, позволяющей глубже проникнуть в тайны вещества, приводит к неожиданным открытиям и сногсшибательным эффектам. В сущности, именно это и сделал Харута, пойдя против канона и очевидности, за что ему честь и хвала.
Если будущее золотых нанокатализаторов довольно туманно, то перспективы применения золотых наночастиц в медицине не вызывают сомнений. Они обладают достаточно высокой химической стабильностью и низкой собственной токсичностью, их легко получать и модифицировать, за ними довольно просто следить и воздействовать на них дистанционно с помощью различного рода излучений – по совокупности этих свойств золото оставляет далеко позади все остальные металлы. Вы, наверно, и сами обращали внимание, как часто в сообщениях о разработке новых средств медицинской диагностики и лечения упоминаются золотые наночастицы.
Описывать все это нет никакой возможности, потому что любая информация мгновенно устаревает. Я расскажу лишь об одном распространенном общем подходе. Наночастицу связывают с белком, который способен специфически распознавать раковые клетки. Этот агрегат путешествует с кровотоком по всему организму и, найдя раковую клетку, зацепляется за ее мембрану или проникает внутрь. Если при последующем сканировании организма мы обнаружим скопление золотых наночастиц в какой-то точке, то это будет указывать на наличие раковой опухоли. В принципе так можно обнаружить одну-единственную раковую клетку, что важно само по себе, ведь ранняя диагностика служит гарантией успешного излечения. Но золотые наночастицы и сами могут служить лекарственным средством, точнее говоря, средством уничтожения больной клетки. Ее можно просто выжечь, для этого надо нагреть золотую наночастицу с помощью, например, инфракрасного излучения, проникающего сквозь наши ткани. Как знать, может быть, на основе наночастиц золота когда-нибудь создадут современный вариант эликсира жизни, мечты Парацельса.
И не будем забывать, что золото лишь один из десятков металлов Периодической таблицы, что из всех этих металлов могут быть сделаны наночастицы, множество различающихся по размеру, форме, составу и обрамлению наночастиц. У всех у них свои уникальные свойства, для каждой можно найти конкретное применение. Серебро уже наступает на пятки золоту в медицинских применениях, магнитные наночастицы железа, кобальта, никеля, стремительно уменьшаясь в размерах, способствуют повышению плотности записи информации, наночастицы платиновых металлов, адаптируясь к требованиям дня, помогают создавать безотходные производства и т. д. Из зерна, брошенного более полутора веков назад великим Майклом Фарадеем, выросло целое древо, которое стремительно разрастается на наших глазах и с каждым годом приносит все более щедрые плоды.Глава 8 Молекула жизни, или Яблоко раздора
В этой главе речь пойдет об открытии, определившем развитие современной науки о живом и непосредственно касающемся нанотехнологий. Это открытие – расшифровка структуры ДНК – многие считают важнейшим в истории ХХ века. Моя задача облегчается тем, что почти все участники тех событий написали о них подробные воспоминания. Весь сюжет уложился в весьма короткий период времени – с осени 1951 года до весны 1953-го.
Удивительно, но с формальной точки зрения ДНК открыли раньше хромосом. В 1869 году швейцарский ученый Иоганн Фридрих Мишер, разглядывая под микроскопом гной на перевязочном материале, обнаружил в ядрах клеток неизвестное вещество и назвал его – по местонахождению – нуклеином. Хромосомы разглядели несколькими годами позже, когда научились подкрашивать их определенными красителями. Собственно, за это свойство поглощать красители их и назвали хромосомами (“хрома” по-гречески – “цвет”).
Долгое время о нуклеине было известно лишь то, что он является кислотой, обладает очень большой молекулярной массой, содержит фосфор и, в отличие от белков, химически инертен и стабилен. В 1919 году Фебус Левин [21] установил наконец его химический состав, в который входили остатки сахара (дезоксирибозы) и фосфорной кислоты, а также четыре азотсодержащих органических основания – аденин, гуанин, тимин и цитозин. Вещество обрело привычное нам имя – дезоксирибонуклеиновая кислота, ДНК. Была высказана гипотеза о ее строении: органическое основание соединяется с остатком дезоксирибозы с образованием нуклеозида, тот присоединяет остаток фосфорной кислоты, давая нуклеотид, а уж те скрепляются между собой в длинную цепь. Гипотеза была в духе времени, ведь именно тогда родилось понятие о полимере. Косвенное экспериментальное подтверждение она получила в 1937 году, когда англичанин Уильям Астбери (1898– 1961) получил первые рентгенографические изображения кристалла ДНК, из них следовало, что ДНК имеет регулярную структуру. Химики, в основном усилиями Александра Тодда (1907–1997), разобрались со строением и методами получения нуклеотидов и даже научились получать их короткие цепи – олигонуклеотиды – с заданной последовательностью [22] . В 1950–1951 годах американский биохимик
