Немецкая премия будущего 2004 года

В минувший четверг, 11-го ноября, в Берлине прошла торжественная церемония вручения Немецкой премии будущего за 2004-й год. Напомню, что эта почётная награда была учреждена семь лет назад тогдашним президентом Германии Романом Герцогом (Roman Herzog). Она призвана способствовать развитию немецкой науки и, прежде всего, тех её приоритетных направлений, которые обеспечат Германии ведущие в мире позиции в сфере высоких технологий. То есть при определении проекта-победителя предпочтение отдаётся отнюдь не фундаментальным исследованиям, какими бы выдающимися они ни были, а прикладным инновациям, разработкам, в которых смелые научные идеи нашли конкретное техническое воплощение. Помимо почётного диплома и памятного знака весьма футуристического вида, лауреаты премии получают и денежное вознаграждение, составляющее 250 тысяч евро.

Как и в предыдущие годы, жюри, состоящее из 11-ти видных учёных, отобрало для участия в финале четыре проекта. И хотя премии удостоился, естественно, лишь один из них, я представлю вам все четыре, потому каждый из проектов-финалистов может с полным на то правом считаться выдающейся инновацией, достойной самой высокой награды. Это отметил и президент Германии Хорст Кёлер (Horst Köhler), прежде чем вскрыть конверт с именами победителей:

Дамы и господа, не знаю, как вы, а я не смог бы решить, кто из претендентов больше заслужил эту премию.

А затем президент огласил решение жюри:

Немецкой премией будущего за 2004-й год награждаются доктор Райнер Хинче, доктор Вальтер Гумбрехт и доктор Роланд Тевес.

Понятно, что рассказать подробно о четырёх крупных проектах в рамках одной передачи невозможно. Поэтому сегодня речь пойдёт о проекте-победителе и об одном из финалистов, а об остальных двух финалистах мы поговорим в одном из следующих выпусков радиожурнала «Наука и техника».

Итак, начнём с победителя. Награждённый премией проект носит название «Лаборатория на микросхеме, или электрический биочип».

Как известно, человечество немало заинтересовано в приборах и устройствах, позволяющих экономить время и решать возникающие проблемы на месте: недаром ведь мобильные телефоны, портативные компьютеры, электронные органайзеры и тому подобные вещи стремительно завоевали весь мир. Столь же широкое распространение уже в самом ближайшем будущем, судя по всему, найдёт и изделие, названное электрическим биочипом и удостоенное теперь Немецкой премии будущего. Эта микроматрица размером с ноготь ребёнка способна производить биохимические анализы любых растворов, не уступая стационарным лабораториям в точности и надёжности, однако значительно превосходя их в скорости. Координатор и главный инициатор проекта, посвятивший разработке этого электрического биочипа более 20-ти лет, – Райнер Хинче (Rainer Hintsche), научный сотрудник Института кремниевых технологий имени Фраунхофера в Итцехо, – вспоминает:

Первые годы приходилось долго объяснять собеседникам, что это вообще такое – биочип. У тех это обычно вызывало недоверчивую усмешку. Я же сам очень долго собирал по крупицам информацию из разных источников – из США, из Японии, из многих других стран, – прежде чем мне удалось сложить все эти разрозненные элементы головоломки в нечто осмысленное, что и позволило, в конечном счёте, на базе современных кремниевых технологий получить этот самый биочип.

За последние несколько лет мир биохимии и мир микроэлектроники если и не срослись, то, по крайней мере, значительно сблизились, поэтому сегодня слово «биочип» уже не звучит столь экзотично. Этим термином называют матрицу – миниатюрную пластину, как правило, из кремния, но также стекла, керамики или полимерных материалов, – на которой закреплены строго определённые, так называемые сенсорные биомолекулы, способные химически связывать молекулы того или иного вещества и тем самым идентифицировать его в растворе. Это как бы микроскопические пробирки с реактивами. Райнер Хинче говорит:

Мы используем самые обычные, стандартные биохимические методы анализа, однако делаем это на микрочипе, то есть в миниатюризированном, сильно уменьшенном масштабе. А главное, мы получаем результаты в форме электрических сигналов. В этом и состоит инновация, которую мы намерены развивать и совершенствовать.

Чтобы в полной мере оценить значение этой инновации, нужно хорошо себе представлять, как функционирует биочип в принципе. Райнер Хинче поясняет это на примере ДНК – носителя наследственной информации.

Молекула ДНК – это двойная спираль, состоящая из двух соединённых между собой полимерных цепочек. Имея одну из этих цепочек, можно с её помощью обнаружить в растворе вторую, потому что эти две цепочки комплементарны, они дополняют друг друга, подходят друг к другу как ключ к замку. Именно так мы и поступаем: прикрепляем к кремниевой подложке фрагмент одной цепочки ДНК и с его помощью из раствора, содержащего уйму самых разных органических молекул, безошибочно выуживаем вторую половину – если, конечно, она там есть.

Сегодня уже существуют биочипы, на которых размещены несколько тысяч сенсорных молекул. Один такой биочип способен произвести анализ раствора на содержание в нём сразу нескольких тысяч веществ. Проблема лишь в том, что до сих пор результаты такого анализа представлялись в виде оптических сигналов, а их обработка – дело дорогое и сложное. Несколько упрощая, можно сказать, что для идентификации выловленных из раствора молекул их приходилось маркировать специальными красителями, которые затем обнаруживали себя при определённом освещении. Райнер Хинче говорит:

Если я измеряю оптический сигнал, то должен использовать технологии наподобие тех, что применяются в фотографии. Только так мне удастся преобразовать оптический сигнал в электрический, пригодный для дальнейшей компьютерной обработки.

Понятно, что изготовить на основе такой технологии простой, портативный и надёжный прибор вряд ли возможно. Чтобы обойтись без лишних операций и создать биочип, способный представлять результаты анализа непосредственно в форме электрических сигналов, Райнер Хинче привлёк к работе над проектом экспертов из электронной промышленности. Один из них – Вальтер Гумбрехт (Walter Gumbrecht), сотрудник отдела энергетических и сенсорных систем концерна «Сименс» в Эрлангене, – подчёркивает:

В таком межотраслевом проекте, конечно, очень важно, чтобы все привлечённые к его реализации специалисты говорили на одном языке, то есть чтобы каждый, разрабатывая свою часть технологии, принимал в расчёт особенности технологии партнёра.

Судя по результатам, это в полной мере удалось. Совместными усилиями был создан биочип с интегрированными в него микроскопическими золотыми электродами, на которых и крепятся сенсорные молекулы. Эти электроды способны улавливать те чрезвычайно слабые потоки электронов, которые возникают, когда сенсорные молекулы связываются с молекулами того или иного искомого вещества в растворе. Третий участник проекта – Роланд Тевес (Roland Thewes), сотрудник компании «Инфинеон» в Мюнхене, – поясняет:

У чипов с большим количеством сенсорных точек – скажем, от ста и выше, – вся хитроумная схемотехника должна быть компактно интегрирована в подложку. Вы представьте себе: каждый сенсор имеет по два электрических контакта. Начинали мы с чипов низкой плотности, имевших 10-12 сенсорных точек – это ещё куда ни шло! Но в чипе высокой плотности может быть и 1000 сенсорных точек – не тянуть же к нему 2 тысячи проводов! Поэтому мы применяем технологию, позаимствованную в производстве интегральных микросхем. Это позволяет нам обходиться очень небольшим количеством размещённых на биочипе контактов, но при этом регистрировать сигналы от каждого из сенсоров. Кроме того, нам удалось в непосредственной близости от золотых электродов – это расстояние составляет несколько миллионных долей миллиметра – разместить транзисторы, обеспечив тем самым усиление этих столь слабых сигналов.

Такие электрические биочипы имеют по сравнению с оптическими системами целый ряд преимуществ. С ними проще управляться, они гораздо прочнее и надёжнее, а кроме того, значительно компактнее, – говорит Хинче, – ведь вся измерительная электроника в них уже интегрирована:

А это, естественно, большое преимущество, если вы намерены в будущем производить на базе этих чипов портативные приборы. Я думаю, что для такого использования наша технология окажется весьма полезной.

На практике такие биочипы найдут применение во многих областях, – считают разработчики:

С помощью роботов мы можем помещать на этот чип разные сенсорные молекулы – в зависимости от его предназначения. То есть предполагается выпускать широкий ассортимент биочипов для решения самых разных задач. Для анализа раствора на наличие в нём тех или иных компонентов я смогу взять чип с сенсорными молекулами, рассчитанными именно на такой набор веществ.

Основной сферой применения таких биочипов будет, конечно, медицина. С их помощью можно существенно ускорить, упростить и удешевить клинический анализ крови. Биочипы позволят врачу мгновенно отличать вирусный грипп от безобидной простуды. Райнер Хинче уверен, что его детище окажется полезным и в онкологии:

Мы хотим идентифицировать определённые раковые клетки по особенностям их генетического материала. Наша цель – упростить раннюю диагностику рака, то есть обеспечить возможность проводить необходимые тесты тут же, на месте, на приёме у врача, а не отправлять пробы куда-то в центральную лабораторию, чтобы потом несколько дней ждать результата.

Но и это не всё. Сегодня, прописывая лекарство, врач лишён возможности учесть индивидуальные генетические особенности пациента. А между тем, анализ определённых участков ДНК с помощью биочипа даст ответы на многие важные вопросы: какие побочные или аллергические реакции вызовет это лекарство у данного больного, какая дозировка для него оптимальна. И это не фантастика, а реальность: уже сегодня на рынке имеется один противораковый препарат – герцептин, – назначать который врачи имеют право только после проведения фармакогеномного теста, призванного определить, подействует ли это лекарство на данного конкретного пациента. Электрические биочипы, судя по всему, найдут широкое применение и в экологии. Они позволят, например, реализовать сплошную, а не выборочную проверку молока на наличие в нём следов запрещённого пенициллина, обеспечивать контроль над уровнем загрязнения рек и озёр, выявлять незаконные сбросы вредных веществ в водоёмы и так далее. А кроме того, биочипы могут сыграть важную роль в отражении терактов с применением биологического или химического оружия:

Дискуссии о возможности террористических актов продолжаются, однако до сих пор не существует универсального портативного прибора, который позволил бы в любом месте быстро и надёжно идентифицировать такие вещества.

По оценке разработчиков, недалёк тот день, когда электрические биочипы станут вполне обыденной вещью:

Изготовленными вручную портативными приборами мы уже обеспечили ряд лабораторий в странах Европы. Что касается массового производства, то тут нам надо набраться ещё немного терпения, но в целом это вопрос ближайшего будущего.

А теперь мы расскажем о другом проекте-финалисте, хоть и не получившем Немецкую премию будущего, но также вполне её достойном. Речь пойдёт о любимом детище немцев – автомобиле. Если же быть более конкретным, то проект именуется так: «Двигатели внутреннего сгорания с малым потреблением масла и пониженным износом за счёт модификации материала рабочей поверхности цилиндров с помощью ультрафиолетового лазера». Что же кроется за этим, прямо скажем, довольно мудрёным названием? Как известно, доля машин с дизельными двигателями в общем числе производимых сегодня автомобилей неуклонно растёт. Это объясняется, с одной стороны, более низкими ценами на дизельное топливо, а с другой стороны – значительным прогрессом в качестве и эксплуатационных характеристиках самих моторов. Но, несмотря на это, а может быть, именно поэтому, дальнейшее совершенствование дизельных двигателей и, прежде всего, снижение содержания сажи в выхлопных газах становятся одной из приоритетных задач моторостроителей. Именно эти задачи и решает проект, вышедший в финал конкурса на Немецкую премию будущего. Используя самую современную лазерную технологию, разработчикам удалось так модифицировать рабочую поверхность цилиндров двигателя, что это привело к существенному снижению расхода масла и внушительной экономии горючего. Следует отметить, что эта технология годится и для производства бензиновых моторов, но пока нашла применение в производстве дизелей. Весной нынешнего года она была внедрена на заводе автомобилестроительной компании «Ауди», где собираются двигатели «V6». Хорст Йоахим Линднер (Horst Joachim Lindner), инженер фирмы «Ауди» и главный разработчик технологии, говорит:

Низкое потребление масла означает уменьшение содержания несгоревших углеводородов в выхлопных газах, снижение трения в цилиндрах позволяет экономить горючее, и всё это вместе повышает экологичность двигателя.

Одна из проблем, с которой сталкиваются конструкторы двигателей внутреннего сгорания, состоит в том, чтобы найти оптимальную степень шероховатости так называемого зеркала цилиндров, то есть их внутренней поверхности: слишком гладкое зеркало не может обеспечить равномерное распределение смазочного масла, а слишком шершавое вызывает повышенный износ поршневых колец и цилиндров. Хорст Линднер поясняет:

У этой технологии, которую мы теперь разработали, есть предыстория. Традиционная механическая отделочная обработка внутренней поверхности цилиндров – так называемое хонингование – приводит к тому, что микропоры, содержащие включения графита, как бы замазываются, а ведь они могли бы отлично удерживать масло. Мы давно пытались удалить этот вредный слой электрохимическим методом, и в ходе этих опытов узнали много полезного о том, как структура поверхности цилиндров влияет на износ и расход масла. А потом ныне покойный профессор Ханс Вильгельм Бергман (Hans Wilhelm Bergmann) предложил попробовать импульсный ультрафиолетовый лазер. Это оказалась отличная идея.

Другой участник проекта – физик Роберт Квайч (Robert Queitsch), бывший сотрудник профессора Бергмана, – добавляет:

Этот лазер, с которым я работал, был создан концерном «Сименс» совсем для других целей – его предполагалось использовать в установке для переработки отработавшего ядерного топлива в Ваккерсдорфе. Но эту идею похоронили, и лазеру стали искать новое применение.

И, как мы теперь видим, нашли. Хорст Линднер поясняет:

Обработка ультрафиолетовым лазером позволила нам использовать полезные свойства материала: микропоры с включениями графита открываются, и мы получаем поверхностную структуру, способную удерживать масло. Кроме того, такая обработка приводит к изменению кристаллической структуры зеркала цилиндров, что повышает его износостойкость.

Результаты оказались весьма внушительными. Хорст Линднер называет такие цифры:

В зависимости от режима эксплуатации двигателя мы экономим до 75-ти процентов масла и одновременно снижаем износ цилиндров и поршневых колец на 90 процентов.

Вот и всё на сегодня. Как я уже сказал, двум другим проектам, также вышедшим в финал конкурса на Немецкую премию будущего, мы посвятим одну из наших ближайших передач.