Что можно класть в адамантановые клетки

Дмитрию Ивановичу Менделееву приписывается фраза «Сжигать нефть — всё равно, что топить печку ассигнациями». Действительно, нефть — это смесь разнообразных углеводородов, и нефть требуется разделять на фракции, для чего и предназначен процесс ректификации. Но наряду с основными фракциями в нефти содержатся и незначительные экзотические молекулы, об одном из классов которых пойдёт речь в этой статье. Это адамантан (а также его производные) — насыщенный трициклический углеводород с общей формулой C₁₀H₁₆, обладающий уникальными свойствами, так как атомы углерода располагаются в адамантане точно как в алмазе.

История раннего изучения и получения адамантанов изложена в статье «История молекул. Экспонат первый: адамантан». Как показано на этой иллюстрации, такие кристаллы являются структурно подобными элементами, образующими в кристаллической решётке правильный паттерн. Для достижения нужных свойств важно лишь пропорциональное соотношение этих атомов и их расположение в пространстве (стереохимические свойства).

Таким образом, можно расположить в форме клетки не только атомы углерода, но и атомы других элементов, либо атомные группы, из которых затем попытаться оставить алмазоподобную структуру. Как вы узнаете из вышеупомянутой статьи, существование таких молекул впервые предположили в 1920-е годы немецкие химики, а в 1924 году Ганс Меервейн даже получил органический эфир, впоследствии названный в его честь, повторяющий структуру адамантана.

Впоследствии, вернувшись к опытам Меервейна, синтетический адамантан из сырой нефти смог получить в 1941 году великий хорватско‑швейцарский физик Владимир Прелог.

Поскольку адамантаны (и их сложные разновидности, в совокупности именуемые алмазоидами) обладают правильной замкнутой структурой, они приобретают уникальное оптоэлектронное свойство — отрицательное электронное сродство (NEA). В результате напряжение электронов внутри адамантановой клетки всегда будет выше, чем вне её, и поэтому они будут вылетать из этой клетки даже при отсутствии какого‑либо внешнего смещающего напряжения. Это свойство теоретически позволяет делать на основе адамантанов наноразмерные элементы питания, которые могут либо питать наномеханизмы, либо разряжаться в заданный момент.

Ранее адамантаны затрагивались на Хабре, прежде всего, в физико‑химическом смысле, в частности, как сырьё для получения алмазов. В октябре 2025 года об этом написал уважаемый @SLY_G в статье «Учёные нашли способ выращивать алмазы без нагрева и давления», описывая опыты, ставившиеся в Токийском университете. В 2020 году аналогичный технологический процесс разрабатывали в Стэнфордской школе наук о Земле, энергетике и окружающей среде. Но ещё в середине нулевых наблюдался настоящий всплеск интереса к адамантанам и алмазоидам, поскольку, благодаря Джереми Далю из Стэнфордского университета, удалось определять содержание адамантанов в различных сортах сырой нефти, а также добывать эти молекулы в промышленно существенных объёмах.

Тогда в рамках исследовательских поисков в области нанотехнологий началась разработка механохимических взаимодействий, среди которых нас особенно интересует алмазоидный механосинтез, именуемый в англоязычных источниках «DMS» (diamondoid mechanosynthesis). Такой подход открыл бы возможности для контролируемого (программируемого) размещения атомов на подложках. Безотносительно адамантанов об аналогичной технологии рассказывает статья «О позиционно‑управляемом механосинтезе силикатов». В случае с DMS алмазоидные конструкции создаются путём программируемого размещения и надстройки молекул, а внутрь алмазоподобных клеток можно укладывать полезную нагрузку (которая на практике может оказываться вредной, опасной и даже убийственной).

Итак, механосинтез в общем виде — это изготовление покрытий или объёмных структур из отдельных молекул путём их прицельной расстановки (позиционирования). Ранее в статье «Квантовые загоны и квантовые миражи» я рассказывал, как начиная с 1993 года для этой цели используется головка туннельного сканирующего микроскопа. Кроме квантового загона широко известна надпись «IBM», которую в 1989 году удалось сложить из 35 атомов ксенона.

Ранее я публиковал на Хабре статью «Ротаксановые наногонки. Всё только начинается», в которой описывал ещё более амбициозный проект, связанный не только со сборкой молекул заданной формы, но и с их перемещением под действием импульсов электронного микроскопа. Но чтобы механосинтез стал по‑настоящему эффективен, предсказуем и поддавался масштабированию, его нужно автоматизировать при помощи компьютерного управления. Поскольку алмазоидные клетки — это объёмные, а не плоские структуры, им необходима вертикальная устойчивость, а также нужно сохранять объём. Требуется иметь в распоряжении пул атомов, которые можно добавлять в конструкцию, а также позиционирующий инструмент — более тонкий и удобный, чем наконечник микроскопа. После того, как инструмент подцепит атом, он установит его в нужный узел решётки, затем отпустит, перезарядится и перейдёт к следующему атому.

В наномасштабе невозможно собирать роботов и прочие механизмы по макро‑меркам, так как при любых температурах существенно выше абсолютного нуля атомы постоянно вибрируют даже в составе плотной кристаллической решётки. Это явление называется «тепловой шум». На Хабре о его свойствах кратко рассказывал уважаемый Игорь Воронцов @master_program в статье «Шум как дирижер: тепловые флуктуации управляют симметрией в оптомеханической системе», а уважаемый Олег Чирухин @olegchir даже описывал, как можно извлекать пользу из этого явления — этот вопрос затрагивается в публикации «Шум как hardware: почему Normal Computing строит компьютеры, которые работают на тепловых флуктуациях». Соответственно, чем выше температура, тем активнее это движение, а от передачи электричества проводник разогревается. Основная функция сканирующего туннельного микроскопа — зондировать или «картировать» рассматриваемую поверхность. Микроскоп даёт импульс, а далее измеряет, насколько сильно поверхность на него реагирует, какова её «отдача». На основе этих данных микроскоп воссоздаёт рисунок и состав анализируемой поверхности.

Сканирующий туннельный микроскоп способен не только прощупывать, но и обрабатывать поверхность, выкладывая на ней атомы в соответствии с заданным рисунком.

Тем не менее, такой микроскоп — слишком грубый инструмент, и потенциальные альтернативы для него предлагаются с начала 1990-х. В 1992 году концепцию «нанофабрики» (nanofactory) сформулировал Эрик Дрекслер, автор знаменитой книги «Машины созидания» (Engines Of Creation), оригинал которой вышел в 1986 году. Вычислительные мощности, доступные в начале 1990-х, не позволяли рассчитывать ни на технологии уровня интернета вещей, ни на рой миниатюрных роботов, но Дрекслер предполагал, что для сборки деталей и механизмов из отдельных атомов можно сконструировать наноразмерные конвейеры, передачи и манипуляторы. В 1992 году Дрекслер описал наряду с наноразмерным манипулятором ещё и молекулярную мельницу, которая, как показано на следующем рисунке, устанавливает на наноконвейере клетки из атомов углерода.

Вслед за ним Ральф Меркл описал в 1997 году молекулярный сборщик в форме двойного треножника. Меркл полагал, что его машина могла бы манипулировать лишь самыми мелкими атомами — наряду с углеродом он рассматривал бор, азот, кислород, а возможно, и более крупные кремний и серу. Вслед за ними в 1999 году Джон Сторрс Холл описал околофантастический «синтезатор компонентов», представляющий собой некий рой умных роботов, в состав которого входят разные роботы, подносящие к месту сборки нужные молекулы, причём за каждый вид молекул отвечает свой вид роботов. Холл не указал, каким образом следует координировать и питать такой рой, однако эта идея продолжает описанный им же в 1993 году «утилитарный туман» (более точное название — «сервисный наносмог»), состоящий из идентичных нанороботов, запрограммированных на полезную работу. Внимательные читатели должны заметить, как сумма идей Дрекслера и Холла приближается к феномену серой слизи, состоящей из машин‑репликаторов; об этой фантастической субстанции я ранее писал на Хабре в статье «Вы конечно шутите, мистер Нейман!». Но прежде, чем перейти к этой аналогии, остановимся на том, что сборка наноманипулятора — работа гораздо более тонкая и сложная, чем простое напыление молекул.

Манипулятор должен состоять из более мелких частей — шестерёнок, червячных передач, цилиндрических скользящих поверхностей. Кроме того, у манипулятора должно быть нужное количество степеней свободы, а также зажимы и крепления, благодаря которым это миниатюрное устройство было бы модульным и поддавалось ремонту. Наконец, в условиях теплового шума едва ли возможно сконструировать крепления или зажимы, которые были бы намного мельче нанороботов, но при этом не расшатывались и не вступали в диффузию с окружающими материалами.

Поэтому с середины 2010-х адамантаны привлекают внимание не столько как детали для наномеханизмов, сколько в качестве каркаса и опоры для жёстких трёхмерных молекулярных конструкций, которые при необходимости можно наращивать. Такие возможности интересны в контексте исследований по удлинению углеродных нанотрубок, но алмазоидные клетки привлекают внимание и сами по себе, поскольку хорошо удерживаются ван‑дер‑ваальсовыми силами, которые обычно считаются более слабыми, чем химические связи. Например, существуют исследования, согласно которым сочетание атомов железа и углерода, где железо упаковывается в алмазоидные клетки, позволяет получать инновационные проводники или даже сверхпроводники. 

Поскольку по описанным выше причинам пока не удаётся сконструировать нанороботов или наноконвейер для сборки таких структур, было бы интересно реализовать самосборку, при которой алмазоидные цепочки естественным образом выстраиваются в нанопровод или наноленту. В 2016 году реалистичность такого процесса с применением серы и меди продемонстрировали учёные из Стэнфордского университета. На основе сульфата меди, растворимого в воде, и с применением алмазоидных клеток они смогли получить медно‑серный провод толщиной три‑четыре атома в поперечнике:

Провод имеет практически идеальную проводимость, поскольку не содержит ни дефектов, ни примесей. Остаётся догадываться, какие ещё химические соединения можно получить, закладывая в алмазоидные клетки такие атомы, которые без подобного углеродного каркаса не образуют кристаллических веществ и не сохраняют структуры. Но такая клетка химически и функционально подобна не только углеродным трубкам, но и фуллеренам; то есть он может использоваться как наноёмкость, содержимое которой будет практически неуязвимо для внешнего воздействия, так как окажется в очень мелкой и крепкой алмазоподобной сетке.

В заключение этой статьи хотелось бы упомянуть слегка апокалиптическую фантазию, авторство которой принадлежит философу‑скептику Элиэзеру Юдковскому. Он полагает, что алмазоподобные клетки с физико‑химической точки зрения существуют в одной экологической нише, а благодаря уже доказанной способности к самосборке максимально приближают нас к возникновению «серой слизи». Рой адамантановых «простейших», вышедших из‑под контроля, мог бы самовоспроизводиться из наиболее доступных атомов углерода, то есть из органики, и, выйдя из‑под контроля, был бы чрезвычайно разрушителен как для любой живой материи, так и для углеводородов. Адамантановая бактерия могла бы тащить в качестве нагрузки радиоактивные атомы или катализаторы, которые убивали бы всё живое и разлагали его на простейшие углеводороды, а затем освобождали бы готовую цепочку от атомов водорода и надстраивали бы свою кристаллическую решётку. При всей фантастичности подобная молекулярная общность донельзя напоминает «не‑жизнь» или «некросферу», описанную в романе Станислава Лема «Непобедимый». Также такая адамантановая туча вполне представима без роевого интеллекта, которым теоретически должны обладать зонды фон Неймана и «машины создания», описанные Дрекслером. Надеюсь, что найдутся физические барьеры, исключающие её возникновение.