☰

Нанотехнологии и наноматериалы в нашей жизни. Проект нанотехнологии в нашей жизни Принцип работы с наночастицами

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Подобные документы

    Понятие нанотехнологий и области их применения: микроэлектроника, энергетика, строительство, химическая промышленность, научные исследования. Особенности использования нанотехнологий в медицине, парфюмерно-косметической и пищевой промышленностях.

    презентация , добавлен 27.02.2012

    Развитие нанотехнологий в XXI веке. Нанотехнологии в современной медицине. Эффект лотоса, примеры использования его уникального свойства. Интересное в нанотехнологиях, виды нанопродукции. Сущность нанотехнологий, достижения в этой отрасли науки.

    реферат , добавлен 09.11.2010

    Понятие нанотехнологий. Нанотехнология как научно-техническое направление. История развития нанотехнологий. Современный уровень развития нанотехнологий. Применение нанотехнологий в различных отраслях. Наноэлектроника и нанофотоника. Наноэнергетика.

    дипломная работа , добавлен 30.06.2008

    Использование нанотехнологий в пищевой промышленности. Создание новых пищевых продуктов и контроль за их безопасностью. Метод крупномасштабного фракционирования пищевого сырья. Продукты с использованием нанотехнологий и классификация наноматериалов.

    презентация , добавлен 12.12.2013

    Материальная основа и функции технического сервиса пути его развития. Современное состояние предприятий ТС, направления их реформирования. Виды и применение наноматериалов и нанотехнологий при изготовлении, восстановлении и упрочнении деталей машин.

    реферат , добавлен 23.10.2011

    Нанотехнология - высокотехнологичная отрасль, направленная на изучение и работу с атомами и молекулами. История развития нанотехнологий, особенности и свойства наноструктур. Применение нанотехнологий в автомобильной промышленности: проблемы и перспективы.

    контрольная работа , добавлен 03.03.2011

    Режимы работы сканирующего туннельного микроскопа. Углеродные нанотрубки, супрамолекулярная химия. Разработки химиков Уральского государственного университета в области нанотехнологий. Испытание лабораторного среднетемпературного топливного элемента.

    презентация , добавлен 24.10.2013

    Возникновение и развитие нанотехнологии. Общая характеристика технологии консолидированных материалов (порошковых, пластической деформации, кристаллизации из аморфного состояния), технологии полимерных, пористых, трубчатых и биологических наноматериалов.

    Нанотехнологии очень активно входят в область научных исследований, а из неё - в нашу повседневную жизнь. Создаваемые искусственно нанообъекты постоянно удивляют исследователей своими свойствами и обещают самые неожиданные перспективы своего применения. А нанопродукция оказывает сильнейшее влияние на физическое и духовное состояние человека.

    Скачать:


    Предварительный просмотр:

    Нанотехнологии в нашей жизни
    Разработки в области нанотехнологий находят применение практически в любой отрасли: в медицине, машиностроении, геронтологии, промышленности, сельском хозяйстве, биологии, кибернетике, электронике, экологии. С помощью нанотехнологий возможно осваивать космос, очищать нефть, побеждать многие вирусы, создавать роботов, защищать природу, построить сверхбыстрые компьютеры. Развитие нанотехнологий изменит жизнь человечества больше, чем освоение письменности, паровой машины или электричества. Наномир сложен и пока еще сравнительно мало изучен, и все же не столь далек от нас, как это казалось несколько лет назад.

    Нанотехнологии в медицине

    От нанотехнологических разработок в медицине ждут революционных достижений в борьбе с раком, с особо опасными инфекциями, в ранней диагностике, в протезировании. По всем этим направлениям ведутся интенсивные исследования. Некоторые их результаты уже пришли в медицинскую практику. Вот лишь два ярких примера:

    Убивая микробов и разрушая опухоль, лекарства обычно наносят удар и по здоровым органам и клеткам организма. Именно из-за этого некоторые тяжелейшие болезни до сих пор не удается надежно вылечить – лекарства приходится использовать в слишком малых дозах. Выход - доставлять нужное вещество прямо в пораженную клетку, не задевая остальные.

    Для этого создаются нанокапуслы, чаще всего биологические частицы (например, липосомы), внутрь которых помещается нанодоза препарата. Ученые пытаются «настроить» капсулы на определенные виды клеток, которые они должны уничтожить, проникая через мембраны. Совсем недавно появились первые промышленные препараты такого типа для борьбы с некоторыми видами рака, другими заболеваниями.

    Наночастицы помогают решить и другие проблемы с доставкой лекарств в организме. Так, человеческий мозг серьезно защищен природой от проникновения ненужных веществ по кровеносным сосудам. Однако эта защита неидеальна. Ее легко преодолевают молекулы алкоголя, кофеина, никотина и антидепрессантов, но она блокирует лекарства от тяжелых болезней самого мозга. Чтобы их ввести, приходится делать сложные операции. Сейчас испытывается новый способ доставки лекарств в мозг с помощью наночастиц. Белок, который свободно проходит «мозговой барьер», играет роль «троянского коня»: к молекулам этого белка «пристегивается» квантовая точка (нанокристалл полупроводника) и вместе с ним проникает к клеткам мозга. Пока квантовые точки лишь сигнализируют о преодолении барьера – в будущем планируется использовать их и другие наночастицы для диагностики и лечения.

    Давно завершился всемирный проект расшифровки генома человека – полное определение структуры молекул ДНК, которые находятся во всех клетках нашего организма и непрерывно управляют их развитием, делением, обновлением. Однако для индивидуального назначения лекарств, для диагностики и прогноза наследственных болезней нужно расшифровать не геном вообще, а геном данного пациента. Но процесс расшифровки пока очень длителен и дорог.

    Нанотехнологии предлагают интересные пути к решению этой задачи. Например, использование нанопор – когда молекула проходит через такую пору, помещенную в раствор, датчик регистрирует ее по изменению электрического сопротивления. Впрочем, очень многое можно сделать и не дожидаясь полного решения такой сложной проблемы. Уже существуют биочипы, распознающие у пациента за один анализ более двухсот «генетических синдромов», отвечающих за различные болезни.

    Диагностика состояния индивидуальных живых клеток прямо в организме – еще одно поле приложения нанотехнологий. Сейчас испытываются зонды, состоящие из оптоволкна толщиной в десятки нанометров, к которому присоединен химически чувствительный наноэлемент. Зонд вводится в клетку, и по оптоволкну передает информацию о реакции чувствительного элемента. Таким путем можно исследовать в реальном времени состояние различных зон внутри клетки, получать очень важную информацию о нарушениях ее тонкой биохимии. А это – ключ к диагностике серьезных болезней на этапе, когда внешних проявлений еще нет – и когда вылечить болезнь гораздо проще.

    Интересным примером является создание новых технологий секвенирования (определения нуклеотидной последовательности) молекул ДНК. Из числа таких методик следует назвать, в первую очередь, секвенирование при помощи нанопор – технологию, использующую поры для подсчета частиц от субмикронного до миллиметрового размера, суспендированных в растворе электролита. При проходе молекулы через пору изменяется электрическое сопротивление в контуре датчика. И по изменению тока регистрируется каждая новая молекула. Основная цель, которую пытаются достигнуть ученые, разрабатывающие этот метод – научиться распознавать отдельные нуклеотиды в составе РНК и ДНК.

    Информационные технологии

    На наших глазах стремительно развиваются информационные технологии. Нанотехнологии революционным образом их преобразуют в связи с возможностью сделать аппаратуру более миниатюрной и более приспособленной для индивидуальных потребностей человека. Известен целый ряд органических молекулярных групп, которые могут функционировать как выпрямитель, проводящая шина или запоминающее устройство. Для хранения одного бита информации теоретически нужна всего одна молекула. Изготовленный таким образом накопитель на жестком диске мог бы во много раз превзойти по емкости сегодняшние аналоги.

    Одним из самых перспективных направлений в наноэлектронике сегодня считается применение нанопроводов (nanowires) – нитей из различных материалов, чья толщина достигает единиц нанометров. Вдоль нанопровода можно «растянуть» транзистор – предполагается, что такие транзисторы станут основой для гибких электронных схем, находящихся в «умной ткани». Потребуется, конечно, надежная технология создания огромных массивов транзисторов на нанопроводах, и поразительно, что один из самых реалистичных путей к этому – сборка нанопроводов при помощи природных наномашин, молекул ДНК. На этом пути уже достигнуты обнадеживающие результаты.

    Нанопровода могут оказаться очень полезными и для создания энергонезависимой (не стирающейся при выключении питания) магнитной памяти следующего поколения. Такое устройство, не имеющее движущихся частей, будет сочетать ёмкость жесткого диска с размерами и скоростью считывания лучших кремниевых чипов.

    Впрочем, сегодня никто не может утверждать, что именно нанопровода станут основой компьютерной техники недалекого будущего. Многие исследовательские группы работают над другими базовыми элементами – в частности, графеновыми пленками. Однако все перспективные направления относятся к нанотехнологиям, то есть используют необычные свойства искусственно созданных нанометровых структур тех или иных материалов. В дальнейшем такие материалы должны обеспечить создание еще более мощных и компактных процессоров, где информация будет представлена уже не с помощью электрического заряда, как сейчас. На смену электронике готовится прийти спинтроника, оперирующая состояниями отдельных атомов или молекул.

    Ну, а в более отдаленной перспективе компьютерную технику ожидает, вероятно, еще более фундаментальная революция - уже не только в элементной базе, а в самих принципах вычислений. Речь идет о создании квантовых процессоров – устройств, работающих с «квантовыми битами», или «кубитами». Квантовый процессор не обязательно будет очень маленьким – современные прототипы занимают целую комнату. Скорее всего, он не станет и заменой классическому компьютеру. Ценность этой машины в другом - используя законы квантовой механики, она способна (пока – лишь в теории!) решать некоторые задачи, практически недоступные обычным компьютерам: взламывать сложнейшие шифры, с огромной скоростью анализировать гигантские базы данных, а главное – с высокой точностью рассчитывать структуру и свойства веществ на молекулярном уровне.

    На ближайшие годы ученые планируют лишь разработку надежных технологий создания единичных кубитов. Однако потенциальные возможности квантовых компьютеров столь заманчивы, что в эти исследования вовлекаются все новые исследовательские коллективы, и прежде всего – нанотехнологи.

    Энергия

    Существует и потенциальная нанотехнологическая альтернатива энергоресурсам. Это особенно актуально в эпоху экстремально высоких мировых цен на нефть. Нефть вполне может заменить солнечная энергия. Ученые убеждены, что при определенном использовании нанотехнологий, эффективность сбора солнечной энергии вырастет настолько, что про нефть и уголь все просто забудут. Энергия Солнца в равной степени доступна всем государствам на планете, и трудно придумать, как одна страна перекроет другой доступ к этому источнику. Следовательно, одной причиной для войн и конфликтов благодаря нанотехнологиям может стать меньше.

    Нанотехнологии и еда

    Если такое понятие как нанотехнологии и завоевывает сейчас все большую известность в силу своего применения во многих важных сферах человеческой деятельности, то такой термин как наноеда еще практически никому не известен. Однако, и в этой сфере нанотехнологии являются очень востребованными. Особенно учитывая то, что непрекращающийся рост населения Земли наряду с ростом потребления в последние годы становится одной из наиболее острых глобальных проблем. Знаете ли вы, что значительная часть биологически активных добавок, применяемых в животноводстве, попросту не усваивается животными? И здесь, как и в случае с косметикой, на помощь приходят нанотехнологии – биологически активные добавки и витамины, заключенные в мицеллы диаметром в несколько десятков нанометров, усваиваются организмом гораздо лучше, чем растворенные в воде или жидкой пище. А раз витамины и биологически активные добавки усваиваются лучше, рост мышечной массы происходит быстрее, и на прилавки магазинов мясо поступает гораздо раньше, чем обычно.

    Кстати, и сам процесс доставки продуктов питания к потребителям претерпевает существенные изменения с широким внедрением нанотехнологий. Наибольший интерес у крупных пищевых компаний вызывают технологии упаковки, в частности, массовое применение находят наночастицы серебра, используемые в качестве антибактериального покрытия. Также нанотехнологии предоставляют пищевикам уникальные возможности для всестороннего наблюдения за качеством и безопасностью продуктов непосредственно в процессе производства, т.е. в реальном времени. Речь идет о диагностических машинах с применением наносенсоров различного типа, способных быстро и надежно выявлять в продуктах мельчайшие химические загрязнения или опасные биологические агенты. Впрочем, замыслы ученых относительно применения этих технологий в производстве пищи носят куда более масштабный и амбициозный характер. Они надеются, что их применение в фермерских хозяйствах (при выращивании зерна, овощей, растений и животных), и на пищевых производствах (при переработке и упаковке) приведет к рождению совершенно нового класса продуктов, которые со временем вытеснят с рынка генномодифицированную еду. Произойдет это или нет – вопрос весьма скорого будущего.

    Красота и нанотехнологии

    Индустрия красоты – одна из областей, в которой новейшие технологии находят применение быстрее всего. Нанотехнологии, сравнительно недавно переставшие применяться исключительно в технических устройствах, сегодня все чаще могут быть обнаружены в продуктах косметики. Установлено, что 80 процентов всех косметических веществ, нанесенных на кожу, так на ней и остаются, вне зависимости от стоимости. Это означает, что эффект от их применения сказывается, в основном, лишь на состоянии самой верхней части кожи. Поэтому успех косметической отрасли все больше зависит от развития систем доставки активных ингредиентов в глубокие слои кожи. На помощь в решении этой проблемы, давно стоящей перед косметологами, пришли нанотехнологии.

    Старение кожи связано с тем, что с возрастом обновление клеток замедляется. Чтобы стимулировать рост молодых клеток, от количества которых зависит упругость кожи, ее цвет и отсутствие морщинок, необходимо воздействовать на самый глубокий, ростковый слой дермы. Он отделен от поверхности кожи барьером из роговых чешуек, скрепленных между собой липидной прослойкой. Сделать это можно лишь через межклеточные промежутки, диаметр которых ничтожно мал – не более 100 нм. Но микроскопические «ворота» – не единственное препятствие. Есть и другая сложность: вещества, заполняющие эти промежутки, «не пропускают» водорастворимые соединения. Но эти вещества, называемые липидами, можно «обмануть», если использовать нанотехнологии. Одним из решений проблемы доставки биологически активных веществ, стало создание искусственных «контейнеров», липосом, которые, во-первых, обладают малыми размерами, проникая в межклеточные промежутки, а, во-вторых, распознаются липидами как «дружественные». Липосома представляет собой коллоидную систему, в которой водное ядро окружено со всех сторон замкнутым сферическим образованием. Замаскированное таким образом водорастворимое соединение беспрепятственно проходит через липидный барьер. Косметика на основе липосом борется с первыми признаками старения кожи – повышенной сухостью, морщинами. Питательные вещества благодаря системе липосомальных комплексов способны проникать достаточно глубоко. Но, к сожалению, не настолько, чтобы существенно влиять на регенеративные процессы в коже.

    Мицеллы – микроскопические частицы, образующиеся в растворах и состоящие из ядра и оболочки. В зависимости от того, в каком состоянии находится раствор, из чего состоит ядро и оболочка, мицеллы могут принимать различные внешние формы. Липосомы являются одной из разновидностей мицелл. Следующим этапом развития антивозрастной косметики стало создание наносом. Эти транспортные комплексы отличаются еще меньшими размерами по сравнению с липосомами и представляют собой шарообразные структуры с «начинкой» из витаминов, микроэлементов или других полезных веществ. Благодаря малым размерам, наносомы способны проникать в глубокие слои кожи. Но при всех своих достоинствах, наносомы не способны транспортировать биоактивные комплексы, необходимые для полноценного питания клеток. Все, на что они способны - транспортировать какое-нибудь одно вещество, например, витамин. Последние разработки в области биотехнологий позволили создавать косметические средства, способные не только проникать в зону росткового слоя дермы, но и вызывать в нем именно те процессы, которые были запрограммированы в лаборатории. Косметика прицельного действия на основе нанокомплексов не только переносит питательные вещества в глубокие слои кожи – в ее арсенале, в зависимости от поставленной задачи, имеются увлажнение, очищение, удаление токсинов, разглаживание рубцов, шрамов и многое другое. Причем нанокомплексы создаются так, что высвобождение биоактивных веществ происходит именно на том участке кожи, где в них есть потребность. Главное преимущество такой косметики - целенаправленная профилактика старения. Ведь корректировать процессы, происходящие в коже, гораздо эффективнее, чем бороться с результатами этих процессов.

    Автомобили

    Автомобильная отрасль - одна из тех, что первыми воспринимают инновации, в том числе нанотехнологические. Уже сегодня в этой отрасли мировой оборот продукции с применением нанотехнологий оценивают более чем в 8 миллиардов долларов, а прогноз на 2015 год - 54 миллиарда. Вот лишь несколько примеров того, как наноинновации преобразуют привычные элементы автомобиля.

    Композитные материалы позволяют делать кузовные детали прочными и легкими. Корпуса болидов «Формулы-1» выполняют из композита на основе углеродного волокна - потому что такой корпус выдерживает даже столкновения на скоростях около 300 км/ч. Из углерод-металлических композитов делают и тормозные диски, - они не перегреваются при длительном интенсивном торможении.

    Добавление наночастиц в топливо увеличивает эффективность его сгорания, одновременно снижается количество выбрасываемых в атмосферу вредных веществ. Находящиеся в масле наночастицы способствуют увеличению ресурса двигателя: по некоторым данным, применение таких добавок снижает износ деталей в 1,5-2 раза.

    Исцарапанная поверхность автомобиля не только плохо выглядит, но и ухудшает аэродинамические свойства машины, сводя на нет обеспеченные аэродинамикой проценты экономии топлива. Поэтому нанотехнологии применяются и в производстве краски, чтобы сделать её более стойкой к внешним воздействиям. Daimler Chrysler уже несколько лет несколько использует для автомобилей марки Mercedes-Benz лак с наноразмерными керамическими частицами. Его намного труднее поцарапать, чем обычный, к тому же он особым образом сияет в солнечном свете. А промышленность вовсю осваивает покрытия на основе наночастиц диоксида титана для самоочистки стекол машины. В будущем рынок ожидает появления нанокрасок, способных в широком диапазоне менять свой цвет. Уже существуют антикоррозионные нанопокрытия для корпуса автомобиля, а в ближайшие годы должны появиться новые поколения таких покрытий - самовосстанавливающиеся «умные материалы», насыщенные нанокапсулами. При повреждениях или появлении ржавчины капсулы высвобождают «залечивающие» наночастицы.

    Фары тоже должны резко измениться в ближайшие годы. Модные сегодня ксеноновые лампы могут быть вытеснены лампами на светодиодах, производимых с применением нанотехнологий. В чуть более отдаленной перспективе - источники света на квантовых точках, нанокристаллах полупроводника. Наночастицы углерода (так называемый черный углерод) добавляют в шинную резину, и ее прочность заметно повышается. Жидкости, насыщенные магнитными наночастицами, испытываются для использования в амортизаторах с регулируемой жесткостью.

    Нанотехнологии послезавтрашнего дня могут сделать автомобиль совсем иным даже внешне. Созданы полимерные композиты на нанотрубках, изделия из которых меняют форму под действием электрического тока. Их хотят использовать в авиастроении - самолет сможет изменять форму крыла, приспосабливаясь к условиям полета. Но почти одновременно фирма BMW показала свой новый концепт - автомобиль с изменяемой формой, тоже насыщенный наноматериалами. Стало быть, идея авто с нежесткой геометрией носится в воздухе. Можно не сомневаться, что нанотехнологи постараются довести ее до ума - точнее, до умного наноматериала.

    Автомобиль на водородных элементах - одна из генеральных линий развития автотранспорта. Американцы планируют довести эту технологию до готовности к 2015 году. Нанотехнологии призваны сыграть решающую роль на трех главных этапах работы с водородом. Во-первых, мощные солнечные установки на наноматериалах очень пригодились бы для получения водорода из воды. Во-вторых, хранить водород было бы гораздо безопаснее не в баллонах под огромным давлением, а в нанопористых материалах - сейчас они конструируются. Наконец, сами энергетические элементы тоже, скорее всего, не обойдутся без наноструктур.

    Ну, а умные дороги, насыщенные наноэлектронными датчиками, сообщающими умному автомобилю все, что нужно для безопасной езды, читатель легко вообразит и сам.

    Одним словом, нанотехнологии - это «волшебный ключ» ко всем отраслям науки и производства.

    Общемировые затраты на нанотехнологические проекты сейчас превышают 9 миллиардов долларов в год. На долю США приходится примерно треть всех мировых инвестиций в нанотехнологии. Другие главные инвесторы на рынке нанотехнологий - Европейский Союз и Япония. Прогнозы показывают, что к 2015 году общая численность персонала различных отраслей нанотехнологической промышленности может дойти до 2 миллионов человек, а суммарная стоимость товаров, производимых с использованием наноматериалов может приблизится к 1 триллиону долларов.

    Нанотехнологии в искусстве

    Ряд произведений американской художницы Наташи Вита-Мор касается нанотехнологической тематики.

    В современном искусстве возникло новое направление « наноарт » (наноискусство) (англ. nanoart ) - это вид искусства, связанный с созданием художником скульптур (композиций) микро- и нано-размеров (10 -6 и 10 -9 м, соответственно) под действием химических или физических процессов обработки материалов, фотографированием полученных нано образов с помощью электронного микроскопа и обработкой черно-белых фотографий в графическом редакторе (например, Adobe Photoshop ).

    Нанороботам и их роли в социальном прогрессе посвящена композиция «Nanobots» российской группы Re-Zone.

    Нанотехнологии в фантастике

    В широко известном произведении русского писателя Н. Лескова «Левша» ( год) есть любопытный фрагмент:

    Если бы, - говорит, - был лучше мелкоскоп, который в пять миллионов увеличивает, так вы изволили бы, - говорит, - увидать, что на каждой подковинке мастерово имя выставлено: какой русский мастер ту подковку делал - руководитель нанотехнологической корпорации и первый человек, испытавший на себе действие медицинских нанороботов .

    В научно-фантастическом сериале « Звёздные врата: ЗВ-1 » одной из самых технически и социально развитых рас является раса « репликаторов », возникшая в результате неудавшегося опыта Древних с использованием и описанием различных вариантов применения нанотехнологий. В фильме « День, когда Земля остановилась » с Киану Ривзом в главной роли, инопланетная цивилизация выносит человечеству смертный приговор и чуть было не уничтожает все на планете при помощи самовоспроизводящихся нанорепликантов-жуков, пожирающих все на своем пути. г. в г. Москве в Центральном выставочном комплексе «Экспоцентр». Программа Форума состояла из деловой части, научно-технологических секций, стендовых докладов, докладов участников Международного конкурса научных работ молодых ученых в области нанотехнологий и выставки.

    Всего в мероприятиях Форума приняло участие 9024 участника и посетителя из России и 32-х зарубежных стран, в том числе:

    1. 4048 участника конгрессной части Форума
    2. 4212 посетителя выставки
    3. 559 стендист
    4. 205 представителей СМИ освещали работу Форума

    В 2009 году в мероприятиях Форума принял участие 10 191 человек из 75 регионов Российской Федерации и 38 зарубежных стран, в том числе:

    1. 4 022 участника конгрессной части Форума
    2. 9 240 посетителя выставки
    3. 951 стендист
    4. 409 представителей СМИ освещали работу Форума

    В 2010 году в работе форума приняли участие почти 7200 человек. Среди посетителей экскурсий, специально организованных Фондом «Форум Роснанотех» для школьников, собрались участники Всероссийской интернет-олимпиады по нанотехнологиям, и ученики школ, оказавшиеся впервые в центре крупного нанотехнологического события. Специально для посещения Форума приехали школьники из г. Чебоксары, г. Тула, Г.Ростова-на-Дону. Экскурсоводами стали аспиранты МГУ им. Ломоносова , включенные в процесс подготовки нанотехнологической олимпиады.


    Благодаря инновационным технологиям у человечества появилась возможность изучить окружающий мир на более «мелком» уровне. Нанотехнологии применяются в разных сферах деятельности. Микроскопические частицы, или как их сейчас принято называть наночастицы , могут быть синтезированы из разнообразных материалов. Размеры указанных частиц не превышают 100 нм.

    Уникальные возможности наномира человечество использует с древних времен. К примеру, исторический шедевр Кубок Ликурга создан древнеримскими мастерами. Уникальная структура стеклянного кубка удивляет даже современных мастеров. Если кубок освещать снаружи он будет зеленым, а если изнутри - оранжево-красным. В чем причина? Все дело в том, что в структуру стекла вкраплены наночастицы благородных металлов (серебро и золото).

    Наночастицы и медицина

    Первая наночастица описана А. Эйнштейном еще в 1905 году. Он доказал, что молекула сахарозы имеет размер около 1 нм. Наночастицы легко преодолевают клеточные мембраны, поэтому они способны проникнуть в любую точку нашего организма. Это уникальное свойство используется в практической медицине для диагностики разнообразных заболеваний.

    К примеру, наночастицы используются для диагностики раковых заболеваний, микрочастицы закрепляются на раковых клетках, по их повышенной концентрации можно определить локализацию канцерогенных клеток в организме. Нанотехнологии позволяют доставлять лекарственные средства в точно установленное место. С помощью наночастиц можно ускорить процесс заживления ран, ингибировать рост опухолей.

    Как видим, наша жизнь тесно связана с этими микроскопическими частицами. Доказано, что наночастицы могут выступать в роли катализаторов и адсорбентов. Уже сегодня нанотехнологии используются для создания ультратонких и сверхпрочных защитных покрытий. Все же большинство научных исследователей придерживаются мнения, что воздействие наночастиц на организм человека еще мало изучено, поэтому праздновать какой-либо успех и бить литавры еще рано.

    Наночастицы и их исследование

    Основой для изучения всех возможностей выше представленного материала является качественное лабораторное оборудование Ноriba (анализаторы размеров частиц). В настоящее время все наночастицы можно классифицировать по нескольким показателям:

    По базовому веществу;

    По происхождению (натуральное, искусственное);

    По типу многомерности.

    Современное лабораторное оборудование фирмы Ноriba позволяет определить все свойства наночастиц. Наша компания представляет вашему вниманию следующие модели лазерных анализаторов известной фирмы Ноriba - SZ-100V2 , LA-960V2 и LА-300 . Итак, лазерный анализатор SZ-100 используют для исследования микрочастиц размером от 0,3 нм до 8 мкм, ζ-потенциала и молекулярного веса. Принцип измерения основан на фото-корреляционной спектроскопии. Лазерный анализатор LA-950 - уникальный аппарат, который может работать на высокой скорости. С помощь указанного оборудования можно проводить исследования с применением циркулярной системы в жидкой среде. Лазерный анализатор LА-300 оснащен автоматическим насосом, может работать с лазерной дифракцией.

    ООО «РВС» является постоянным партнером торгового бренда Ноriba. Специалисты компании регулярно проходят повышение квалификации. При необходимости грамотно проконсультируют вас, помогут определиться с моделью лазерного анализатора. Мы реализуем только качественную продукцию.

    С каждым днем мы приближаемся к неизбежной революции, которую несут в себе нанотехнологии. Мы создаем новые приборы, получаем уникальные материалы, о которых раньше не задумывались. Применение нанотехнологий в быту позволило изменить форму привычных для нас предметов. В результате этого мы получили совсем иные, но полезные свойства вещества. Окружающая нас реальность становится менее опасной и наиболее благоприятной для комфортной жизни. Наглядный пример: уменьшение привычных габаритов используемых электрических приборов до размеров наночастиц, незаметных человеческому глазу. Компьютеры становятся меньше в размерах, но намного производительнее. Нанотехнологии в быту и в промышленности позволили значительно изменить все вокруг нас.

    Возможно ли создать такую форму искусственного интеллекта, который смог бы удовлетворить любые наши потребности? Ответ кроется в рациональном применении новейших разработок. Нанотехнологии — это путь в будущее, так как они затрагивают все аспекты нашей жизни. Использование нанотехнологий дает много возможностей, но и вызывает ряд опасений.

    Окно в наномир

    Электронный микроскоп позволяет заглянуть в микромир. Без специальной аппаратуры нанотехнологии в быту сразу заметить очень трудно, так как они настолько малы, что неразличимы невооруженным глазом. Именно в таких масштабах вещества проявляют самые необычные и неожиданные свойства. Использование таких свойств обещает уникальную технологическую революцию. Они дают радикально новые возможности, такие как управлять телом человека и окружающей средой.

    История появления нанотехнологий

    Все начинается в 80-х годах XX века с изобретением инструмента под названием сканирующий (СТМ). Профессор Джеймс Джимзевский провел всю свою профессиональную жизнь в мире наноразмеров. Он является одним из первых в мире людей, получивших возможность исследовать материю на уровне невероятно малых величин, миллионных долей миллиметра. Эти микроскопы позволяют изучить поверхность подобно тому, как слепые читают Тогда никто не мог подозревать, насколько пригодятся нанотехнологии в быту и промышленности.

    Принцип работы с наночастицами

    Сканирующий микроскоп использует зонд, представляющий собой иглу толщиной в 1 атом. Когда она приближается всего на несколько нанометров к образцу, происходит обмен электронами с ближайшей наночастицей. Это явление называется эффектом туннеля. Система управления фиксирует изменение величины туннельного тока, и вот уже на основе этой информации идет более точное построение топографии поверхности исследуемого образца. Программное обеспечение позволяет преобразовать полученные данные в изображение, которое дает ученым ключ к новому миру, используя нанотехнологии в быту и других отраслях.

    Как утверждает Джеймс Джимзевский, благодаря сканирующему электронному микроскопу ученые впервые получили изображения атомов и молекул и смогли изучить их форму. Это стало настоящей революцией в науке, ведь ученые начали смотреть на многие вещи совсем по-другому, обратив внимание на свойства отдельных атомов, а не миллионы и миллиарды частиц, как это было в прошлом.

    Первые открытия

    Использование новых технологий привело к поразительному открытию. Когда прибор приближался к атому на расстояние в 1 нанометр, между ним и атомом возникала связь. Эта особенность позволила найти способ перемещать отдельные микрочастицы. Благодаря такому открытию появилась возможность использовать нанотехнологии для комфортного быта.

    Как пояснил Джеймс Джимзевский, профессор университета Калифорнии, туннельный сканирующий микроскоп позволил практически прикасаться к молекулам и атомам. Ученые впервые смогли манипулировать атомами на поверхности вещества и создавать структуры, которые раньше нельзя было и представить.

    Это новоприобретенное открытие (способность наблюдать и манипулировать мельчайшими частицами, составляющими материю) дало возможность использовать нанотехнологии во всех отраслях без исключения.

    Развитие нанотехнологий

    Физик и философ Этин Клин считает, что возможность технологического прорыва за счет нанотехнологий вполне реальна, но во многом это строится на энтузиазме ученого.

    Как говорит физик и философ Этин Клин, с момента экспериментального подтверждения существования атомов до момента получения возможности ими манипулировать прошло меньше 100 лет. Перед учеными открываются такие возможности, о которых раньше и подумать не могли. Только благодаря этому правительство всех развитых стран стало проявлять интерес к соответствующим наукам. Все началось с американской инициативы 2002 года, с которой выступили физики Рока и Бенбридж. Эти ученые выступили с сумасшедшей идеей о том, что благодаря нанотехнологиям человечество сможет решить все стоящие перед ним проблемы.

    Это заявление стало толчком к началу многочисленных исследований, позволивших реализовать такие передовые направления науки и техники, как микроэлектроника, информатика, ядерно-энергетические исследования, микробиология, лазерная техника, медицина и многое другое.

    Нанотехнологии: примеры

    В быту есть столько незаметных, но очень важных веществ, о присутствии которых мы даже не подозреваем! Давайте рассмотрим самые яркие примеры:


    • Зубная паста. Ранее никто не задумывался о том, почему очищающее средство для зубов бывает разным. Это все объясняется наличием определенных наночастиц. Например, гидроксиапатит кальция, который незаметен невооруженным глазом, помогает восстановить разрушенную эмаль и защитить зубы от кариеса.

    • Краска для автомобилей. Современные автомобильные краски, благодаря наночастицам, способны перекрывать неглубокие царапины и другие полости, образовавшиеся на кузове. В их состав входят микроскопические шарики, которые и обеспечивают такой эффект.

    Ю. СВИДИНЕНКО, инженер-физик

    Наноструктуры заменят традиционные транзисторы.

    Компактная учебная нанотехнологическая установка "УМКА" позволяет производить манипуляции с отдельными группами атомов.

    При помощи установки "УМКА" удается рассмотреть поверхность DVD.

    Для будущих нанотехнологов уже выпущен учебник.

    Появившиеся в последней четверти ХХ века нанотехнологии стремительно развиваются. Едва ли не каждый месяц появляются сообщения о новых проектах, казавшихся еще год-другой назад абсолютной фантастикой. По определению, данному пионером этого направления Эриком Дрекслером, нанотехнология - "ожидаемая технология производства, ориентированная на дешевое получение устройств и веществ с заранее заданной атомарной структурой". Это значит, что она оперирует с отдельными атомами для того, чтобы получить структуры с атомарной точностью. В этом коренное отличие нанотехнологий от современных "объемных" bulk-технологий, которые манипулируют макрообъектами.

    Напомним читателю, что нано - приставка, обозначающая 10 -9 . На отрезке длиной в один нанометр можно расположить восемь атомов кислорода.

    Нанообъекты (например, наночастицы металлов), как правило, имеют физические и химические свойства, отличные и от свойств более крупных объектов из того же материала и от свойств отдельных атомов. Скажем, температура плавления частиц золота размером 5-10 нм на сотни градусов ниже температуры плавления куска золота объемом 1 см 3 .

    Исследования, проводимые в наноразмерном диапазоне, лежат на стыке наук, часто изыскания в области материаловедения затрагивают области биотехнологий, физики твердого тела, электроники.

    Ведущий мировой специалист в области наномедицины Роберт Фрайтас сказал: "Будущие наномашины должны состоять из миллиардов атомов, поэтому их проектирование и построение потребуют усилий команды специалистов. Каждая конструкция наноробота потребует объединения усилий нескольких исследовательских коллективов. В проектировании и построении самолета "Боинг-777" участвовало множество коллективов во всем мире. Наномедицинский робот будущего, состоящий из миллиона (или даже больше) рабочих частей, по сложности конструкции будет не проще самолета".

    НАНОПРОДУКТЫ ВОКРУГ НАС

    Наномир сложен и пока еще сравнительно мало изучен, и все же не столь далек от нас, как это казалось несколько лет назад. Большинство из нас регулярно пользуются теми или иными достижениями нанотехнологий, даже не подозревая об этом. Например, современная микроэлектроника уже не микро-, а нано: производимые сегодня транзисторы - основа всех чипов - лежат в диапазоне до 90 нм. И уже запланирована дальнейшая миниатюризация электронных компонентов до 60, 45 и 30 нм.

    Более того, как недавно заявили представители компании "Хьюлетт-Паккард", транзисторы, изготавливаемые по традиционной технологии, будут заменены наноструктурами. Один такой элемент - это три проводника шириной в несколько нанометров: два из них параллельны, а третий расположен под прямым углом к ним. Проводники не соприкасаются, а проходят, как мосты, один над другим. При этом с верхних проводников на нижние спускаются молекулярные цепочки, сформированные из материала нанопроводников под воздействием приложенного к ним напряжения. Построенные по этой технологии схемы уже продемонстрировали способность хранить данные и выполнять логические операции, то есть - заменять транзисторы.

    С новой технологией размеры деталей микросхем опустятся существенно ниже планки в 10-15 нанометров, в масштабы, где традиционные полупроводниковые транзисторы просто физически не могут работать. Вероятно, уже в первой половине следующего десятилетия появятся серийные микросхемы (пока еще традиционные, кремниевые), в которые будет встроено некоторое количество наноэлементов, созданных по новой технологии.

    Компания "Кодак" в 2004 году выпустила бумагу для струйных принтеров Ultima. Она имеет девять слоев. Верхний слой состоит из керамических наночастиц, которые делают бумагу более плотной и блестящей. Во внутренних слоях расположены пигментные наночастицы размерами 10 нм, улучшающие качество печати. А быстрой фиксации краски способствуют включенные в состав покрытия полимерные наночастицы.

    Директор Института нанотехнологий США Чэд Миркин считает, что "нанотехнологии перестроят все материалы заново. Все материалы, полученные с помощью молекулярного производства, будут новыми, так как до сих пор у человечества не было возможности разрабатывать и производить наноструктуры. Сейчас мы используем в промышленности только то, что нам дает природа. Из деревьев мы делаем доски, из проводящего металла - проволоку. Нанотехнологический подход состоит в том, что мы будем перерабатывать практически любые природные ресурсы в так называемые "строительные блоки", которые составят основу будущей промышленности".

    Сейчас мы уже видим наступление нанореволюции: это и новые компьютерные чипы, и новые ткани, на которых не остается пятен, и использование наночастиц в медицинской диагностике (см. также "Наука и жизнь" №№ , , 2005 г.). Даже косметическая индустрия заинтересована в наноматериалах. Они могут создать в косметике много новых нестандартных направлений, которых не было раньше.

    В наноразмерном диапазоне практически любой материал проявляет уникальные свойства. Например, известно, что ионы серебра обладают антисептической активностью. Значительно более высокой активностью обладает раствор наночастиц серебра. Если обработать этим раствором бинт и приложить его к гнойной ране, воспаление пройдет и рана заживет быстрее, чем с использованием обычных антисептиков.

    Отечественный концерн "Наноиндустрия" разработал технологию производства наночастиц серебра, стабильных в растворах и в адсорбированном состоянии. Получаемые препараты обладают широким спектром противомикробного действия. Таким образом, появилась возможность создания целой гаммы продуктов с антимикробными свойствами при незначительном изменении технологического процесса производителями существующей продукции.

    Наночастицы серебра могут быть использованы для модификации традиционных и создания новых материалов, покрытий, дезинфицирующих и моющих средств (в том числе зубных и чистящих паст, стиральных порошков, мыла), косметики. Покрытия и материалы (композитные, текстильные, лакокрасочные, углеродные и другие), модифицированные наночастицами серебра, могут быть использованы в качестве профилактических антимикробных средств защиты в местах, где возрастает опасность распространения инфекций: на транспорте, на предприятиях общественного питания, в сельскохозяйственных и животноводческих помещениях, в детских, спортивных, медицинских учреждениях. Наночастицы серебра можно использовать для очистки воды и уничтожения болезнетворных микроорганизмов в фильтрах систем кондиционирования воздуха, в бассейнах, душах и других подобных местах массового посещения.

    Выпускается аналогичная продукция и за рубежом. Одна из фирм производит покрытия с серебряными наночастицами для лечения хронических воспалений и открытых ран.

    Еще один вид наноматериалов - обладающие колоссальной прочностью углеродные нанотрубки (см. "Наука и жизнь" № 5, 2002 г. ; № 6, 2003 г.). Это своеобразные цилиндрические полимерные молекулы диаметром примерно от половины нанометра и длиной до нескольких микрометров. Впервые их обнаружили менее 10 лет назад как побочные продукты синтеза фуллерена С 60 . Тем не менее уже сейчас на основе углеродных нанотрубок создаются электронные устройства нанометровых размеров. Ожидается, что в обозримом будущем они заменят многие элементы в электронных схемах различных приборов, в том числе современных компьютеров.

    Впрочем, используют нанотрубки не только в электронике. В продаже уже есть ракетки для тенниса, армированные углеродными нанотрубками для ограничения скручивания и обеспечения большей мощности удара. Применяют их и в некоторых деталях спортивных велосипедов.

    РОССИЯ НА РЫНКЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

    Отечественная компания "Nanotechnology News Network" недавно представила в России другую новинку - самоочищающиеся нанопокрытия. Достаточно опрыскать стекло автомобиля специальным раствором с наночастицами диоксида кремния, и на протяжении 50 000 км к нему не будет приставать грязь и вода. На стекле остается прозрачный сверхтонкий слой, на котором воде просто не за что зацепиться, и она скатывается вместе с грязью. В первую очередь новинкой заинтересовались владельцы небоскребов - на мытье фасадов этих зданий уходят огромные деньги. Существуют такие составы для покрытия керамики, камня, дерева и даже одежды.

    Необходимо сказать, что некоторые российские организации уже успешно выступают на международном нанотехнологическом рынке.

    Концерн "Наноиндустрия", например, имеет в своем багаже ряд нанотехнологических продуктов, применимых в различных областях промышленности. Это восстановительный состав "РВС" и наночастицы серебра для биотехнологий и медицины, промышленная нанотехнологическая установка "ЛУЧ-1,2" и учебная нанотехнологическая установка "УМКА".

    Состав "РВС", который может уберечь от износа и восстановить практически любые трущиеся металлические поверхности, готовят на основе адаптивных наночастиц. Это средство позволяет создавать модифицированный высокоуглеродистый железосиликатный защитный слой толщиной 0,1-1,5 мм в областях интенсивного трения металлических поверхностей (например, в парах трения в двигателях внутреннего сгорания). Залив такой состав в картер для масла, можно надолго забыть о проблеме износа мотора. При работе механические части нагреваются от трения, этот нагрев вызывает прилипание металлических наночастиц к поврежденным областям. Избыточное же наращивание вызывает более сильный нагрев, и наночастицы утрачивают свою способность к присоединению. Таким образом в трущемся узле постоянно поддерживается равновесие, и детали практически не изнашиваются.

    Особый интерес представляет комплекс нанотехнологического оборудования "УМКА", который предназначен для проведения демонстрационных, исследовательских и лабораторных работ на атомно-молекулярном уровне в области физики, химии, биологии, медицины, генетики и других фундаменталь ных и прикладных наук. Например, недавно на нем было получено изображение поверхности DVD с разрешением 0,3 мкм, и это еще не предел. Уникальная технология работы на пикоамперных токах позволяет сканировать даже слабопроводящие биологические образцы без предварительного напыления металла (обычно необходимо, чтобы верхний слой образца был проводящим). "УМКА" обладает высокой температурной стабильностью, позволяющей проводить длительные манипуляции с отдельными группами атомов, и высокой скоростью сканирования, позволяющей наблюдать быстропротекающие процессы.

    Основная сфера применения комплекса "УМКА" - обучение современным практическим методам работы с наноразмерными структурами. Комплекс "УМКА" включает: туннельный микроскоп, систему виброзащиты, набор тестовых образцов, наборы расходных материалов и инструментов. Умещаются приборы в небольшом кейсе, работают в комнатных условиях и стоят менее 8 тысяч долларов. Управлять экспериментами можно с обычного персонального компьютера.

    В январе 2005 года открылся первый российский интернет-магазин, продающий нанотехнологичес кие продукты. Постоянный адрес магазина в Интернете - www.nanobot.ru

    ПРОБЛЕМЫ БЕЗОПАСНОСТИ

    Недавно было установлено, что шарообразные молекулы С 60 , называемые фуллеренами, могут вызывать серьезные заболевания и вредить окружающей среде. Токсичность водорастворимых фуллеренов при их воздействии на человеческие клетки двух различных типов была установлена исследователями из университетов Райса и Джорджии (США).

    Профессор химии Вики Колвин из университета Райса и его коллеги установили, что при растворении фуллеренов в воде формируются коллоиды C 60 , которые при воздействии на клетки кожи человека и клетки карциномы печени вызывают их гибель. При этом концентрация фуллеренов в воде была весьма низкой: ~ 20 молекул C 60 на 1 миллиард молекул воды. Одновременно исследователи показали, что токсичность молекул зависит от модификации их поверхности.

    Как предполагают исследователи, токсичность простых фуллеренов C 60 связана с тем, что их поверхность способна производить супероксидные анионы. Эти радикалы повреждают клеточные мембраны и приводят к гибели клеток.

    Колвин и его коллеги заявили, что такое негативное свойство фуллеренов можно использовать во благо - для лечения раковых опухолей. Необходимо лишь детально выяснить механизм образования кислородных радикалов. Очевидно, на основе фуллеренов можно будет создать и сверхэффективные антибактериальные препараты.

    Вместе с тем опасность применения фуллеренов в продуктах массового потребления представляется ученым вполне реальной.

    Видимо, поэтому недавно американская Комиссия по безопасности пищевых продуктов и лекарств (FDA) заявила о необходимости лицензирования и регулирования широкого спектра товаров (пищевые продукты, косметика, лекарства, аппаратура и ветеринария), изготовленных с помощью нанотехнологий и использующих наноматериалы и наноструктуры.

    НАНОТЕХНОЛОГИЯМ НУЖНА ПОДДЕРЖКА ГОСУДАРСТВА

    К сожалению, в России государственной программы по развитию нанотехнологий до сих пор нет. (В 2005 году нанотехнологической программе США, между прочим, исполнилось пять лет.) Без сомнения, существование централизованной государственной программы по развитию нанотехнологий значительно помогло бы в практической реализации результатов исследований. То, что успешные разработки в области нанотехнологий в стране есть, мы, к сожалению, узнаем из зарубежных источников. Например, летом Институт стандартов США объявил о создании наименьших в мире атомных часов. Как оказалось, над их созданием работал и российский коллектив.

    Государственной программы в России нет, а исследователи и энтузиасты есть: за прошлый год Молодежное научное общество (МНО) объединило более 500 молодых ученых, аспирантов и студентов, думающих о будущем своей страны. Для детального изучения проблематики нанотехнологий в феврале 2004 года на базе МНО создана аналитическая компания "Nanotechnology News Network (NNN)", отслеживающая сотни открытых мировых источников в этой области и на сегодня обработавшая свыше 4500 информационных сообщений зарубежных и российских СМИ, статей, пресс-релизов и экспертных комментариев. Созданы сайты www.mno.ru и www.nanonewsnet.ru , с которыми ознакомились более 170 000 граждан России и СНГ.

    КОНКУРС МОЛОДЕЖНЫХ ПРОЕКТОВ

    В апреле 2004 года совместно с концерном "Наноиндустрия" при поддержке "Юниаструм Банка" был успешно проведен первый Всероссийский конкурс молодежных проектов по созданию отечественной молекулярной нанотехнологии, вызвавший живой интерес российских ученых.

    Победители конкурса представили выдающиеся разработки: первое место было присуждено коллективу молодых ученых из РХТУ им. Д. И. Менделеева под руководством кандидата химических наук Галины Поповой, создавшему биомиметические (биомиметика - подражание структурам, существующим в природе) материалы для оптических наносенсоров, молекулярной электроники и биомедицины. Второе место заняла аспирантка Ташкентского государственного педагогического университета им. Низами Марина Фомина, разработавшая систему направленной доставки лекарств к больным тканям, а третье - школьник из Томска Алексей Хасанов, автор технологии создания нанокерамических материалов с уникальными свойствами. Победители получили ценные призы.

    При поддержке банка разработан и готовится к изданию научно-популярный учебник "Нанотехнологии для всех", заслуживший высокую оценку ведущих ученых.

    Компания NNN, за год ставшая ведущим аналитическим агентством в области нанотехнологии, в декабре 2004 года объявила начало Второго Всероссийского конкурса молодежных проектов, генеральным спонсором которого вновь выступил довольный результатами первого конкурса "Юниаструм Банк". Кроме того, на сей раз спонсором стала и компания "Powercom" - международный производитель источников бесперебойного питания. Активное участие в подготовке и освещении конкурса принимает журнал "Наука и жизнь".

    Цель конкурса - привлечь талантливую молодежь к развитию нанотехнологий в своей стране, а не за рубежом.

    Победитель конкурса получит нанотехнологическую лабораторию "УМКА". Занявшие второе и третье места будут награждены современными ноутбуками; лучшие участники получат бесплатную подписку на журнал "Наука и жизнь". В качестве призов предусмотрены ремонтно-восстановительные комплекты для автотранспорта на основе наночастиц, подписка на журнал "Универсум" и ежемесячные CD "Мир нанотехнологий".

    Направленность проектов чрезвычайно разнообразна: от перспективных наноматериалов для автомобилестроения и авиации до имплантатов и нейротехнологических интерфейсов. Подробные материалы конкурса находятся на сайте www.nanonewsnet.ru .

    В декабре 2004 года в городе Фрязино (Московская обл.) прошла первая конференция, посвященная промышленному использованию нанотехнологий, где ученые представили десятки разработок, готовых к внедрению на производстве. Среди них - новые материалы на основе нанотрубок, сверхпрочные покрытия, антифрикционные составы, проводящие полимеры для гибкой электроники, сверхъемкие конденсаторы и т.д.

    Нанотехнологии в России набирают ход. Однако, если исследования не будут координироваться государством или комплексной федеральной программой, в лучшую сторону, скорее всего, ничего так и не изменится. Для будущих нанотехнологов уже выпущен учебник.