Жидкости

Чтобы технология лаборатории на чипе работала, она должна иметь механизм, позволяющий устройству передвигать крохотные капельки жидкости и манипулировать ими. Биологические организмы, разумеется, прекрасно это умеют. Выйдите в сад во время летнего ливня, и вы увидите листья, которые отталкивают воду так эффективно, что капли дождя отскакивают от них. Давно известно, например, что листья лотоса обладают такой супергидрофобной способностью; но никто не знал, почему так, пока совсем недавно с помощью электронного микроскопа не удалось заметить на их поверхности нечто странное. Как ученые и предполагали, листья покрыты воскоподобным веществом, которое отталкивает воду; удивительно, однако, что оно расположено на поверхности листа в виде миллиардов микроскопических пупырышков. Когда капля воды лежит на такой восковой поверхности, она пытается минимизировать площадь контакта из-за высокого поверхностного натяжения между ними. Пупырышки на листе лотоса резко увеличивают площадь воска, вынуждая каплю шатко балансировать на верхушках пупырышков. Капля в этом состоянии становится мобильной, быстро соскальзывает с листа, собирая по пути крохотные частицы пыли, всасывая их в себя подобно крохотному пылесосу. Благодаря этому лист лотоса всегда остается блестящим и чистым.

В ближайшие годы обработка поверхностей с целью сделать их супергидрофобными станет, вероятно, крупным бизнесом. Это позволит нам не только проводить капельки через внутренние механизмы лаборатории на чипе, но и делать многое другое. Мы сможем, например, добиться того, чтобы вода не смачивала окна и они всегда оставались чистыми, как лист лотоса. Возможно, мы сумеем разработать водонепроницаемую одежду, которая будет собирать воду, падающую на нее, и транспортировать ее по крохотным трубочкам в специальный карман, чтобы позже ее можно было выпить. Такой дизайн подсказала нам шипастая ящерица молох, которая, чтобы напитаться влагой, собирает каждую дождинку, падающую на ее кожу, и впитывает ее через крохотные канальцы посредством капиллярного эффекта.

Ящерица молох собирает воду через кожу, пользуясь гидрофобными материалами и капиллярным эффектом. © Bäras

Потенциал подобной технологии водосбора для миллиардов людей, не имеющих доступа к постоянным источникам чистой воды, громаден, особенно если удастся также разработать методы дешевой фильтрации. Возможно, этим займется новый материал под названием оксид графена. Это двумерный слой атомов углерода и кислорода. В виде мембраны он действует как барьер для большинства типов химических молекул, но легко пропускает молекулы воды. Так что он очень похож на своего рода сито. Из него мог бы получиться чрезвычайно эффективный и дешевый водяной фильтр, способный даже морскую воду сделать пригодной для питья.

Как мы знаем, вода — живительная субстанция; обычно считается, что именно присутствие жидкой воды позволило жизни на Земле развиться от самых базовых химических структур до сложных клеток, из которых мы состоим. Но это пока лишь гипотеза; мы не знаем наверняка, как это произошло. Ученые всего мира активно экспериментируют, пытаясь воспроизвести химические условия на Земле в те времена, когда на планете зародилась жизнь: 4 млрд лет назад. Сейчас представляется наиболее вероятным, что она появилась на дне наших глубоких океанов. Там у термальных источников возникает сложный химический суп, где присутствуют многие химические элементы, которые мы видим в наших клетках. В XXI в. исследование этих областей и океанского дна в целом станет для нас важным передним краем. Странно, в самом деле, что о происходящем на дне наших океанов мы знаем меньше, чем о процессах на поверхности Луны.

Если наш следующий физический рубеж располагается на дне океана, то два ближайших информационных рубежа уже на горизонте, и достижение их обоих зависит от жидкости. И клетки, и компьютеры обрабатывают информацию, но совершенно по-разному. Клетки действуют и воспроизводятся с использованием информации, заключенной в ДНК при помощи химических реакций. Кремниевые компьютеры, однако, считывают информацию с кристаллов, на которых умещаются миллиарды твердотельных транзисторов, реагирующих на входящие электрические сигналы, возникающие согласно компьютерной программе. Сигналы эти передаются при помощи последовательности единиц и нулей — двоичного языка цифровых компьютеров. Транзисторы применяют к потоку единиц и нулей логику, вычисляют ответы опять же в виде единиц и нулей и передают их в другую часть компьютерной микросхемы. Всё это кажется очень примитивным, но с помощью миллиардов простых вычислений могут быть реализованы другие, сложные — те, что побеждают шахматных гроссмейстеров и рассчитывают траекторию полета ракеты к Луне.