Сможет ли молекула мыслить?

"Робот раздраженно спросил у человека:
Не все ли равно, чем мыслить –
железками или киселем?"
Станислав Лем

В сущности, лемовский робот совершенно прав. Для создания вычислительной системы необходимо иметь лишь некоторое объединенное множество элементов, способных находиться хотя бы в двух различных состояниях, и систему управления этими состояниями. Компьютер (а возможно, и человеческий мозг) представляет собой лишь устройство для хранения и преобразования информации, а из чего он сделан, в принципе не очень важно.

Блез Паскаль и Готфрид Лейбниц создавали свои первые вычислительные машины из колес, стержней и ступенчатых валиков. Затем наступила эпоха арифмометров, за которой во второй половине нашего столетия последовал феноменальный прогресс компьютерной техники. Прогресс был обусловлен применением электроники, вследствие чего и сам термин ЭВМ мы сегодня воспринимаем просто как синоним "вычислительного устройства". В своем бурном развитии полупроводниковая техника очень быстро проглотилаламповую электронику, а сейчас практически использовала и все свои, казавшиеся неисчерпаемыми возможности.

Когда-то Гордон Мур, один из основателей фирмы "Интел", сформулировал свой знаменитый эмпирический "закон Мура": "Плотность упаковки элементов микроэлектроники (и соответственно, мощность компьютера) должна удваиваться каждые 1,5 – 2 года". Однако в последние годы дальнейшая миниатюризация классических кремниевых чипов наталкивается уже не на технические, а на принципиальные сложности, и простой расчет показывает, что физические пределы ростабудут достигнуты уже через несколько лет.

Поэтому исследователи лихорадочно ищут новые пути развития электронных технологий, которые бы позволили в обозримом будущем сохранить существующие высокие темпы. Идет интенсивное изучение устройств на квантовых эффектах, биокомпьютеров (в них вычислительные операции осуществляются, например, молекулами ДНК, которые манипулируют молекулярными фрагментами и функциональными группами), структур из так называемых "искусственных атомов" и тому подобное. За последнее десятилетие читатели наверняка не раз встречали сообщения о поразительных по остроумию и изяществу технических решениях, которые (увы!) все никак не воплощаются в реальные компьютеры. Как ехидно заметил один из крупных специалистов в молекулярной электронике: "Наша наука страдает от избытка воображения и недостатка завершенных разработок". Прогресс в микроэлектронике пока достигается по-прежнему за счет улучшения классических твердотельных схем и устройств.

В последние годы ученые многих стран вернулись к старой и простой идее "химического" компьютера, в котором вычисления производятся отдельными молекулами. За последний год исследователям сразу из нескольких лабораторий удалось получить в этой области блестящие результаты, обещающие радикально изменить ситуацию. О некоторых таких работах мы и расскажем.

Летом прошлого года объединенная исследовательская группа фирмы "Хьюлетт – Паккард" добилась первого значительного успеха, работая с молекулами псевдоротоксана (они показаны на рис.1). Им удалось насадить такую молекулу, имеющую форму кольца, на ось – линейную молекулу. Для того чтобы кольцо не соскакивало с оси, к ее концам присоединяются крупные молекулярные фрагменты, играющие роль "гаек" (в этом качестве использовались разнообразные донорные группы). При реакции с кислотой (Н+) или основанием (В) кольцо может скользить от одного конца оси к другому, "переключая" химическое состояние. Забавно, что в принципе на молекулярном уровне воссоздается механическое устройство, весьма похожее на соединение стержней и колесиков в первых, самых примитивных, вычислительных устройствах ХVII века (впрочем, при желании в этой молекулярной структуре можно углядеть и простейшие канцелярские счеты, с одной костяшкой на каждом прутике).

Эта изящная химическая молекула переключатель была изучена еще в начале 90-х годов, однако для практической реализации идеи требовалось еще придумать методы объединения и управления массивами этих минимикродиодиков. Создав моно слой одинаково ориентированных молекул такого типа на поверхности металла (эту очень сложную задачу удалось решить, используя новейшие нанотехнологические методы самосборки), ученые осадили на него тончайший слой золота и уже создали на этой основе примитивные прототипы логических вентилей.

Через несколько месяцев после этого объединенная группа Марка Рида и Джеймса Тура (из универси тетов Йеля и Райса) продемонстрировала общественности еще один класс молекул-переключателей. Результаты были настолько впечатляющими, что журнал "Scientific American" (июнь, 2000) даже вынес на обложку анонс "Рождение молекулярной электроники"(хочется добавить – наконец-то!). Как написал со сдержанной гордостью один из авторов: "Мы создали молекулу с переменной электропроводностью, которая может накапливать электроны по нашей команде, то есть работать как запоминающее устройство".

Прежде всего, Джеймс Тур по специальной методике синтезировал молекулярную цепочку из звеньев бензол-1,4-дитиолата длиной 14 нанометров. В нее были введены группы, которые захватывают электроны, если молекула находится "под напряжением". Сложнейшая проблема, с которой также удалось справиться, заключалась в том, что переключение должно быть обратимым химическим процессом. Для работы молекулы в качестве запоминающего элемента ее необходимо научить не просто захватывать электроны, а удерживать их только в течение заданного времени. Собственно говоря, именно в этом и состоит главное достижение Рида и Тура с коллегами.
Электрохимический (в самом строгом и буквальном смысле этого термина!) переключатель показан на рис. 2 (левая часть). Он представляет собой цепочку из трех бензольных колец, к центральному из которых с противоположных сторон присоединены группы NО₂, и NН₂, (на рисунке выделены цветом). Такая асимметричная молекулярная конфигурация создает электронное облако сложной формы, в результате чего возникает удивительно красивый и принципиально важный для решения поставленной задачи физический эффект – при наложении поля молекула закручивается, ее сопротивление меняется, и она начинает пропускать ток (правая часть рисунка). При снятии поля молекула раскручивается в обратную сторону и возвращается в исходное состояние. Переключатель, созданный по этому принципу, представляет собой линейную цепочку из примерно 1000 молекул нитроаминобензолтиола, расположенную между двумя металлическими контактами. Более того, замеры с использованием туннельного микроскопирования (фрагмент молекулярной цепочки был впаян между сверхтонкими иглообразными золотыми электродами; геометрия эксперимента показана на рис. 3) позволили получить рабочие параметры переключателя, которые с полным правом можно назвать молекулярной вольт-амперной характеристикой и молекулярной проводимостью (рис.4). Кривая проводимости (которая, кстати, оказалась весьма близка к расчетной) имеет четко выраженный "провал". Это позволяет переводить участки молекулы из проводящего состояния в непроводящее, и наоборот, простым изменением приложенного напряжения. Формально и фактически получен (химик, конечно, предпочтет термин "синтезирован") молекулярный триод. Действительно, это можно считать первым этапом создания молекулярной электроники.

Разумеется, чтобы построить работающую молекулярную ЭВМ (возможно, следует использовать аббревиатуру МВМ), надо решить еще много фундаментальных и технических задач. Однако уже сейчас резко увеличилось финансирование этого направления, а исследования соответственно активизировались. Всем понятно, что нас ожидает существенный прогресс в миниатюризации вычислительных устройств и, следовательно, в увеличении объема машинной памяти. Специалисты по вычислительным методам задумались над неожиданными вопросами, ведь новые компьютеры с практически неограниченной памятью должны иметь совершенно новую архитектуру и работать по каким-то новым

Рис.3 Молекулярная вольт-амперная характеристика

принципам. Возвращаясь к заголовку статьи,хочется подчеркнуть еще одно интересное обстоятельство.

  Со времен Винера и Тьюринга несколько десятилетий ведется спор о том, может ли машина мыслить. Споры оказались весьма плодотворными в том смысле, что помогли решить множество побочных задач и сформулировать совершенно удивительные лингвистические, философские и даже религиозные проблемы. За это время, кстати, машина значительно поумнела и выучилась очень многому, от понима ния речи до игры в шахматы с чемпионом мира, а человек приобрел значительный опыт практического и виртуального общения с машиной. (Под виртуальным опытом можно понимать, например, то, что в литературе и искусстве уже тысячи раз обыгрывались беседы человека с машиной и возможный "бунт роботов" – эта традиция идет еще от чапековской пьесы, в которой впервые был использован термин "робот").

Теперь нам предстоит, по-видимому, преодолеть еще один, психологический, барьер. До сих пор вычислительная машина всегда рассматривалась в качестве макроскопического обьекта. Готовы ли мы принять столь драматическое изменение масштабов и перейти к каким-либо формам общения с микромиром? Как мы ответим на вопрос о мышлении машины, если таковой станет, и выучится всему перечисленному, да и многому другому, какая-нибудь полимерная (биополимерная?) молекула? Как следует называть подобную структуру – ноомолекула, когитомолекула? Как мы будем общаться с ансамблем таких молекул и о чем, собственно, мы будем с ними говорить? Вопросы в духе Станислава Лема...