Нанотехнологии и их применение

Название нового направления в  науке возникло просто в результате добавления к общему понятию «технология» приставки «нано». «Нано», так же как и «милли», и «микро», – приставки к выражениям единиц линейных размеров для создания производных этих единиц в системе СИ, причем в сторону уменьшения линейных размеров: например, 1 миллиметр (мм) означает одну тысячную долю метра (1 мм = 10-3 м), 1 микрометр (другое название – микрон) составляет одну миллионную долю метра (1 мкм = 10-6 м), а 1 нанометр (нм) означает одну миллиардную долю метра (1 нм = 10-9 м).

Для наглядности можно указать, что 1 нм составляет одну миллионную долю миллиметра (представим себе любой  измеритель длины с делениями  – линейки, рулетки, штангенциркули и т. п.), и если считается, что человеческий волос имеет в среднем диаметр 100 мкм, то 1 нм примерно в 100 тысяч раз меньше его толщины. Или еще можно сказать так: величины, измеряемые в нанометрах, на 9 порядков меньше величин, сравнимых по размерам с человеческим телом.

К нанотехнологиям принято относить процессы и объекты с характерной длиной от 1 до 100 нм. Верхняя граница нанообласти соответствует минимальным элементам в так называемых БИС (больших интегральных схемах), широко применяемым в полупроводниковой и компьютерной технике. Что касается нижней границы, то размером в 1 нм и около того обладают отдельно взятые молекулы; при этом интересно, что радиус знаменитой двойной спирали молекулы ДНК равен 1 нм, а многие вирусы имеют размер приблизительно 10 нм.

Для понятия «нанотехнология», пожалуй, не существует исчерпывающего определения, но по аналогии с существующими ныне микротехнологиями следует, что нанотехнологии, оперирующие величинами порядка нанометра, имеют дело с ничтожно малыми величинами, в сотни раз меньшими длины волны видимого света и сопоставимыми с размерами атомов. Поэтому переходот «микро» к «нано» – это уже не количественный, а качественный переход, скачок от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами. Квантовая физика XX в. при изучении объектов микромира оперировала в основном их математическими моделями. Теперь ученые могут оперировать объектами микромира непосредственно: искусственно создавать микрообъекты, перемещать их в пространстве, закреплять их на поверхности, то есть действовать так, как будто мы имеем дело с привычными нам макрообъектами.

"Нанотехноло́гия - междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами..

Есть мнение, что на сегодняшний  день в мире нет стандарта, описывающего, что такое нанотехнологии, что такое нанопродукция.

Практический аспект нанотехнологий включает в себя производство устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и наночастицами. Подразумевается, что не обязательно объект должен обладать хоть одним линейным размером менее 100 нм - это могут быть макрообъекты, атомарная структура которых контролируемо создаётся с разрешением на уровне отдельных атомов, либо же содержащие в себе нанообъекты. В более широком смысле этот термин охватывает также методы диагностики, характерологии и исследований таких объектов.

Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул. Нанотехнология и в особенности молекулярная технология - это новые, очень мало исследованные дисциплины. Основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее, проводимые исследования уже дают практические результаты.

Развитие современной электроники  идёт по пути уменьшения размеров устройств. С другой стороны, классические методы производства подходят к своему естественному  экономическому и технологическому барьеру, когда размер устройства уменьшается  ненамного, зато экономические затраты  возрастают экспоненциально. Нанотехнология - следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств."[1]

"Российские граждане слабо  осведомлены о том, что же  такое нанотехнологии, а вопрос: "Какие достижения в наноиндустрии вам известны?" вообще поставил в тупик более половины наших сограждан. Такая картина получилась у социологов ВЦИОМ после опроса 1,6 тыс респондентов. Портрет типичного информированного о нанотехнологиях человека не вызывает удивления. Это молодой человек с хорошим образованием, проживающий в одном из крупных городов России.

Подавляющее большинство опрошенных считают, что нанотехнологии, в основном, используются в таких сферах как электроника, медицина и космическая промышленность (43, 39 и 31% соответственно). Мнение о том, что нанотехнологии принесут пользу человечеству, высказалось 82% опрошенных. При этом всего лишь 2% респондентов выразили уверенность, что нанотехнологии могут принести вред людям. Всего участие в опросе приняли 1,6 тыс человек из 153 населенных пунктов России.

Однако, несмотря на, в среднем, низкую осведомленность в наноиндустрии, люди готовы покупать товары, произведенные с помощью нанотехнологий. При этом наибольшее рвение в стремлении купить высокотехнологичный продукт проявили наиболее богатые респонденты, с доходом от 5 тыс руб на одного члена семьи."[2]

"Оказывается, что привычные  для нас свойства материалов  начинают изменяться при уменьшении  геометрических размеров материалов  до 1–100 нм, причем многим наноматериалам присущи принципиально новые качества, существенно превосходящие свойства своих собратьев большего масштаба.

Изучением свойств наноматериалов в рамках проведения фундаментально-поисковых и прикладных научно-исследовательских работ занимаются почти во всем мире, за исключением большинства стран Африки и некоторых стран Южной Америки. Наибольшие успехи получены в США, Японии, Франции. В нашей стране исследованиями в области нанотехнологий занимаются несколько десятков лет. По отдельным направлениям российские ученые занимают приоритетные позиции в мире. В частности, в области метрологии российское предприятие НТ МДТ имеет уникальный опыт создания сканирующих зондовых микроскопов, имеющих атомарное разрешение

Развитие нанотехнологий в Российской Федерации является одним из приоритетных направлений науки и техники. Ускоренное развитие работ в области нанотехнологий и наноматериалов призвано обеспечить реализацию стратегических национальных приоритетов Российской Федерации, в т.ч. обеспечение национальной и экономической безопасности страны.

Современные достижения в области  наноматериалов и нанотехнологий открывают новые возможности для повышения в десятки раз тактико-технических характеристик систем безопасности и являются по своей сути инновационными, поскольку направлены на создание, главным образом, новой продукции, востребованной рынком систем безопасности."[3]

Нанотехнологии в питании

"В мире, где 1 миллиард человек  хронически голодает, увеличение  производства продуктов питания  - вопрос сохранения миллионов  жизней. За последние несколько  лет пищевая промышленность инвестирует  миллионы долларов в исследование  и развитие нанотехнологий улучшения качества, функциональности, безопасности, сохранения и увеличения производительности и рентабельности продуктов питания которые объединили под общим названием - Nanofoods.

Однако, несмотря на потенциальные  преимущества сфера исследований нанопродуктов не получает широкой огласки. Дискуссия по поводу безопасности и отсутствие нормативных актов замедляют внедрение нанопродуктов, но научные исследования не прекращаются и, что любопытно, держатся в полном секрете пищевыми гигантами. Вы не найдете упоминаний о нанопродуктах на сайтах Крафт, Нестле, Хайнц и Юнилевер.

Хотя риски связанные с нанотехнологиями в других областях, таких как медицина или косметика столь же размыты, но разница в том, что общество гораздо менее склонно переходить к модным нанотехнологиям, когда речь заходит об их продуктах питания.

В соответствии с определением, содержащемся в последнем докладе ЕС (Нанотехнологии в сельском хозяйстве и пищевой промышленности) нанопродукты - это когда наночастицы , нанотехнологии, методы и инструменты используются в процессе выращивания, производства, переработки или упаковки продуктов питания. Под определение нанопродукт не попадают атомно-модифицированные продукты или продуктов питания произведенные на нанооборудовании. В разных частях мира, усилия в области нанотехнологий сосредоточены на сельскохозяйственном производства продуктов питания. Совместныхе усилия университетов в Индии и Мексике, направленны на развитие нетоксичных наноразмерных гербицидов и поиск решения для покрытия семян сорняков и предотвращения их прорастания.

Спектр современных исследований нанопродуктов и их развития столь же впечатляющ, как и прогнозируемые темпы роста этой отрасли, которая, по прогнозам, вырастет до $ 5,8 млрд. к 2012 году.

Упаковка

Новые технологии в упаковке пищевых  продуктов на сегодняшний день являются наиболее перспективными нанотехнологями в пищевой промышленности в ближайшем будущем. Компании уже производят упаковочные материалы на основе нанотехнологий, которые способствуют продлению сроков годности продуктов питания и напитков и повышению безопасности пищевых продуктов.

Несмотря на сопротивление со стороны  общественной озабоченности по поводу безопасности всего нового, пищевая промышленности на полной скорости движется вперед, в наноупаковку. Многие компании и университеты разрабатывают упаковку, которая сможет предупреждать, если упакованные продукты питания становятся не годными, реагировать на изменение условий окружающей среды, а также самостоятельно восстанавливать целостность упаковки при ее небольших повреждениях.

Одной из наиболее перспективных инноваций  в области «умной» упаковки является использование нанотехнологии для разработки антимикробной упаковки. Ученые из крупных компаний, в том числе Крафт и Байер, а также многочисленных университетов и небольших компаний, разрабатывают ряд интеллектуальных упаковочных материалов, которые поглощают кислород, который как известно является пищей патогенных микроорганизмов, а также предупреждают потребителей об испорченных продуктах питания. Эти умные пакеты, помогут обнаружить такие патогены, как сальмонелла и кишечная палочка, и, как ожидается, будут доступны в течение ближайших нескольких лет.

Подобные технологии в настоящее  время разрабатываются в правительстве  США, как средство обнаружения возможных  террористических актов поставки продовольствия в США. Ученые в Нидерландах разрабатывают умные упаковки еще более сложные, которые не только будут в состоянии ощутить, когда пища начинает портиться, но и заменят собой консерванты для продления срока годности продуктов в них упакованные.

Благодаря своей способности повышать безопасность и продлять сроки годности продуктов питания, такие наноупаковочные решения, менее сложные, но более практичные уже находятся в эксплуатации по всему миру.

Как например встроенные в пластик нанокристаллы с целью создания молекулярного барьера, который предотвращает выход кислорода. Технология в настоящее время сохраняет пиво свежим 6 месяцев, но разработчики из нескольких компаний уже работают над бутылкой, чтобы продлит срок годности до 18 месяцев. Несколько крупных производителей пива, в том числе в Южной Корее Хайт-пивоварни и пивоваренная компания Миллер уже используют эту технологию."[4]

"Компания «Данафлекс-Нано» запустила первое в России производство упаковочной пленки с нанокомпонентами для продуктов питания, бытовой химии, косметических средств и кормов для животных. Новая упаковка будет технологичнее и дешевле существующей, обещают инвесторы.

Мощности производства составят 29000 тонн гибкой упаковки в год. В дальнейшем они будут увеличены за счет запуска  в январе 2012 года оборудования, которое  обеспечивает покрытие полимерной основы упаковки оксидом алюминия толщиной 20-50 нанометров.

Среди преимуществ наноупаковки - возможность при необходимости подвергать продукцию температурной обработке и разогревать, не распаковывая, в СВЧ-печах, увеличение сроков хранения товаров, сокращение технологического цикла производства в семь раз, меньшая стоимость единицы упаковки по сравнению с традиционными аналогами, экологичность материала и возможность дальнейшей переработки.

Конкурировать на рынке нанопродукция будет с традиционной гибкой упаковкой, причем нанопленка будет дешевле. В РОСНАНО это подтверждают: «Замена фольги, которая используется сейчас в некоторых видах упаковки, на полимерную пленку с нанокомпозитами позволит снизить конечную стоимость упаковки при сохранении ключевых характеристик»."[5]

"Ученые из университета Северной  Каролины (США) обнаружили, что один  из видов наночастиц-квантовые точки - может проникать в организм через кожу, если на ней имеются повреждения. Исследования, проведенные д-ром Нэнси Монтейро-Ривиере (Nancy Monteiro-Riviere) и ее коллегами, показали, что наличие даже небольших порезов и ссадин может способствовать проникновению квантовых точек в глубокие слои кожи, откуда они могут попадать в кровеносную систему.

Ученые исследовали способность  наночастиц проникать сквозь кожу крыс за различные временные интервалы. Несмотря на то, что эксперименты не выявили случаи проникновения квантовых точек через неповрежденную кожу, исследователи не исключают такой возможности для более продолжительных промежутков времени.