Роль информации в нанотехнологиях

В первой половине прошлого века возникли квантовая механика и теория относительности. Их появление не привело к интеграции наук. Более того, с появлением квантовой механики укрепилось мнение о том, что еди­ного подхода в науке вообще быть не может. Жизнь по­казала, что возможен и даже необходим единый подход, в рамках кото­рого ясно проявляются различные особенности явлений. По мнению академика Н.А. Плате, переход к нанотехнологиям повлечет за со­бой революционный переворот не только в точных науках, но и в философии. Возникает возможность рассматривать весь окружающий нас мир – живой и неживой, как единое це­лое и строить единую картину мира. Появляются удивительные возможно­сти сочетать природные объекты и процессы, протекающих на наноуровне, с искусст­венно изготовленными на­ночастицами. Такие частицы способны модифицировать рецеп­торы и на­правлять соответствующую реакцию в нужную нам сторону. Уникальные свой­ства наночастиц, по мнению ученого, «заключа­ются в некотором опти­мальном соотношении массы, объема и поверхности» [1].

Известно, что свойства твердого вещества начинают нару­шаться при геометриче­ских размерах, соответствующим десятым долям микрометра. В этой области перестают рабо­тать законы классической науки, и за этой чертой начинается область, под­чиняю­щаяся квантовым законам. С такой точки зрения нанотехнология явля­ется квантовой. Та­ким образом, как об этом говорил академик Н.А. Плате, человечество вступает в новую область, в которой исчезает грань между живой и нежи­вой природой. Нанотехнология, собирая свои объекты по принципу от «нано» к «макро», или «снизу вверх», способна создавать всё много­образие живых трехмерных систем. Ведь известно, что существование живых организ­мов, их функционирование и эволюция определяются взаимодействи­ем на­норазмерных структур, что является убедительным свидетельством успе­ха техно­логического процесса.

По мнению Г.В. Павлова, профессора Московской государственной академии ве­те­ринарной медицины и биотехнологии К.И. Скрябина, наноча­стицы обладают поистине фантастическими свойствами – они используют в своих интересах систему передачи сиг­налов между живыми клетками [2]. Иными словами, наночастицы способны обмениваться информацией с жи­выми клетками.

Лауреат Нобелевской премии академик Ж.И. Алферов приводит неординарное сопоставление: раньше человек стремился понять природу, а создавая наноструктуры - человек впервые создал то, чего в природе ранее не было [3].

Согласно [4], суть информацион­ных моделей в нанотехнологиях за­ключается в том, что структурные изменения при внешнем воздейст­вии на материалы следует рас­сматривать как неравновесный фазовый переход, при этом новые диссипативные струк­туры помнят о прежнем энергетическом состоянии и передают информацию по­следую­щей структуре, яв­ляющейся более организованной.

Следует определить, что мы подразумеваем под понятием «информация». В литературе имеются множество определений этого понятия. Наличие большого числа определений означает, что общепринятого определения еще нет. Такое положение считается естественным, т.к. появление в науке общепризнанных определений свидетельствует о том, что данная наука стала классической и перестает развиваться. Наука об информации пока этого избежала [5]. Нас наиболее привлекает определение, данное В.И. Карогодиным – «информация есть некий алгоритм» [6]. Понятие «информация» широко используется для исследований процессов самоорганизации. При этом становится актуальным вопрос о возникновении информации и эволюции ее ценности.

Для теории динамических систем, лежащей в основе науки о самоорганизации, в наибольшей степени, по мнению автора [5], приемлемо определение, предложенное Генри Кастлером – «информация есть случайный и запомненный выбор одного из вариантов из нескольких возможных и равноправных». Случайный выбор соответствует генерации (спонтанному возникновению) информации. Запомненный относится к фиксации информации. Слова возможных и равноправных означают, что варианты выбора принадлежат к одному множеству. В идеале варианте могут быть полностью равноправны и равновероятны. С учетом сказанного, в [5] принято следующее определение понятия «информация»:

• информация есть запомненный выбор одного варианта из нескольких возможных и равноправных.

Принято считать, что генерация информации – выбор, сделанный случайно, без подсказки извне. Однако, способность генерировать зависит от информации, которую уже содержит генератор. Тезаурус – информация, содержащаяся в системе на данном уровне, необходимая для генерации информации на следующем уровне.

В развивающейся системе необходимость выбора возникает тогда, когда она приходит в неустойчивое состояние, т.е. находится в точке бифуркации. В простейшем случае выбор делается из двух вариантов. После сделанного выбора система развивается устойчиво вплоть до следующей бифуркации. Здесь снова делается выбор, но уже из другого множества вариантов. Это множество зависит от результата первого выбора, т.е. информация первого уровня является тезаурусом для второго и всех последующих уровней. Отсюда понятно, какую роль играет тезаурус в процессе генерации ценной информации. Без него отсутствует множество, из которого надлежит сделать выбор.

Информации, не будучи «ни материальной, ни энергией», может существовать только в зафиксированном виде. Информация о реально происходящих событиях является безусловной. Изучая природу, мы воспринимаем безусловную, вполне объективную информацию.

Запомнить информацию – значит привести систему в определенное устойчивое состояние. Свойством запоминания могут обладать системы, состоящие из многих атомов. Запомнить что либо, имея только один атом, невозможно, поскольку атом может находиться лишь в одном устойчивом состоянии.

Как отмечено в [7], освоение технологией процессов производства и материа­лизации информации позволит создать химико-информационную технологию, процессы которой подобно биологическим процессам, могут гармонически включаться в глобаль­ную экосистему, то есть функционировать, не вредя среде обитания. Показано, что произведение количества информации I, вносимой в процесс синтеза исходными веществами, на количество энергии Т, затрачиваемой в этом процессе – величина постоянная:

I T = const.

Таким образом, количество работы Т, затрачиваемой в процессе химического синтеза находится в обратной зависимости от количества информации, содержавше­гося в тех структурных единицах, из которых складывается структура целевых про­дуктов данного синтеза. Следствием такого положения является то обстоятельство, что использование в процессе синтеза структурной организации высокомолекулярных со­единений, то есть не «кирпичей», а целых «блоков», содержащих большое количество информации, минимизирует расход энергии. Целесообразное соединение структурных единиц обеспечивает содержащейся в них информацией; она придает тем из них, кото­рые должны соединяться друг с другом комплементарность. (Комплементарность - взаимное соответствие, обеспечивающее связь дополняющих друг друга структур и определяемое их свойствами).

Из сказанного вытекает, что информация, принадлежащее веществу, харак­теризует его природу и процессы, в которых оно участвует. В нашем случае речь идет о сведениях, заключенных в структуру вещества. Информация есть знание, материализо­ванное в структурах, любая структура представляет собой «текст» сообщения о природе соответствующего объекта на его собственном языке. На этом языке записаны данные о природе вещества и программы их взаимодействия, начиная с «узнавания» комплемен­тарных партнеров. Такое «узнавание» можно наблюдать и на примере наночастиц метал­лов, например, железа, полученных низкотемпературным водородным восстановлением высокодисперсного искусственного сырья в виде порошков гидроксида железа [8]. Выстро­ившиеся в цепочки частицы нанопорошка железа показаны на рисунке 1. Комплементар­ность любых структурных единиц вещества задается содержащейся в них информацией, «закодированной» совокупностью нейтральных и полярных атрибутов, таких, как раз­меры, форма, заряд и др. Комплементарные структурные еди­ницы, таким образом, запрограммированы на связыва­ние друг с другом с вероятно­стью, близкой к единице. С повышением размерности и числа взаимодействующих структурных единиц набор атрибутов комлементарности, обеспечивающий их взаимное распознавание, расширяется и становится более сложным. Таким образом, информацию можно соз­давать, пользуясь процессами структуро­образова­ния.

Рис.1. Наночастицы железа.

При этом, по мере того как складывается структура, информация воплощается в вещество. Вне вещества ей просто негде реализоваться.

Любые материальные объекты – вещества, излучения – дискретны. Их струк­тура организована на одном из уровней структурной иерархии, которая определяется ко­личеством информации, заключенной в данном объекте. Информация сохраняется только до тех пор, пока существует данная структура. Структуру и информацию следует рас­сматривать как единое целое. Таким образом, структурирование вещества есть, в сущно­сти, процесс воплощения информации в вещество. Вещество представляет собой иерархи­ческую, многоуровневую динамическую систему взаимодействующих структурных еди­ниц, построенных из единиц низшего ранга, которые, в свою очередь, состоят из струк­турных единиц еще более низкого ранга. Окружающие нас вещества находятся на одном из четырех структурных уровнях: на молекулярном, надмолекулярном, предбиологиче­ском и биологическом уровнях.

Вероятность случайного события можно повысить, получив соот­ветствующее количество информации. Использование процессов образова­ния диссипативных структур не может привести к цели, так как в этих про­цессах возникают сравнительно простые структуры, и, значит, производится небольшое количество информации. Другое дело био­синтез: в этом процессе образуются не только сложнейшие структуры, но и организмы, и в принципе может вырабатываться неограниченное количество информации.

Комбинируя химическую сборку с самоансамблированием, можно реализовать процесс синтеза, подобный биосинтезу, позволяющий при нали­чии соответствующей про­граммы, повышать уровень структурной организа­ции вещества до максимума. Итак, сни­жение производства энтропии до ми­нимума при достижении системой стационарного со­стояния есть следствие того, что вещество, находясь под внешним воздействием, с тече­нием времени принимает структуру, минимизирующую как это воздействие, так и собст­венное сопротивление ему. Именно эта способность вещества, самоорганизу­ясь, адапти­роваться к условиям существования, называемая информацией, предопределяет его эво­люцию. Если это так, то информация является свойст­вом материи, структурируясь, адаптироваться к условиям существования.

Литература:

1. Интервью академика Плате Н.А. изданию «Наука Мо­сквы и регионов», №2, 2006.

2. Павлов Г.В. Нанотехнологии в биологии. // Международный сельскохозяйственный журнал, 2007, № 3, с. 53-54.

3. Алферов Ж.И. За нанотехнологиям будущее. И это не обсуждается. // Нанотехнологии. Экология. Производство, № 1, 2009, с. 10-14.

4. Кобалдин. Ю.Г. Синергетика. Информационные модели самосборки наносистем и наноструктури­рования материалов при внешнем механическом воздействии. Комсомольск на Амуре, 2007, с. 184.

5. Чернявский Д. С. Синергетика и информация. М.: Наука, 2001, с. 244.

6. Корогодин В.И. Информация и феномен информации. Пущино: АН СССР, 1991.

7. Алесковский В.Б. Информация как фактор самоорганизации и организации вещества, ЖОХ, 2001.

8. Фолманис Ю.Г. Эколого-биологические аспекты получения сырья для биотоплива. // Молодой ученый, 2011Ю № 4, с. 164-166.