Нанотехнологии и их применение

Ранее группа доктора Монтейро-Ривиере показала, что квантовые точки, обладающие различными размерами, формой и поверхностным покрытием, могут проникать сквозь свиную кожу, сообщается в пресс-релизе университета Северной Каролины. Ученые планируют продолжить изучение различных образцов кожи и найти наиболее подходящую модель для исследования проникновения наночастиц.

Нанотехнологию уже провозгласили наукой будущего, избавляющей человечество от морщин, утилизирующей мусор и очищающей одежду без стирки. И все же существует мнение, что некоторые из наночастиц могут вызвать раковые заболевания. В частности, профессор Гарри Крото (Harry Kroto), получивший в 1996 году Нобелевскую премию за открытие наночастицы, которую он назвал buckminsterfullerene, говорит:

«Мы должны признать, что возможны ошибки и риски, связанные с нанотехнологиями, хотя это и продукт науки 21 века».

Нанотехнология имеет дело с частицами размером от одного нанометра. Проблема в том, что эти частицы могут оказаться вредными для человеческого организма, поскольку свободно проникают через клеточные мембраны.

До сих пор нет долгосрочных программ по изучению безопасности наночастиц для человеческого организма. Однако исследователи уже обнаружили, что у рыб, проглатывающих небольшое количество углеродных наночастиц, развивается рак мозга. У крыс, которые вдыхают аэрозоль с углеродными нанотрубками, возникают проблемы с легкими, как у людей, работающих на асбестовом производстве.

Как отмечал ранее научный руководитель Программы защиты здоровья Джон Бэлбас (John Balbus):

«Пока нет оснований считать, что  наночастицы приносят вред. Но мы должны быть благоразумными, чтобы предпринимать все меры для изучения этого вопроса»." Анализ текущего состояния бурно развивающейся области позволяет выделить в ней ряд важнейших направлений. 
          Молекулярный дизайн. Препарирование имеющихся молекул и синтез новых молекул в сильно неоднородных электромагнитных полях. 
 Материаловедение. Создание "бездефектных" высокопрочных материалов, материалов с высокой проводимостью. 

Приборостроение. Создание сканирующих  туннельных микроскопов, атомно-силовых  микроскопов, магнитных силовых  микроскопов, многоострийных систем для молекулярного дизайна, миниатюрных сверхчувствительных датчиков, нанороботов. 
 Электроника. Конструирование нанометровой элементной базы для ЭВМ следующего поколения, нанопроводов, транзисторов, выпрямителей, дисплеев, акустических систем. 
Оптика. Создание нанолазеров. Синтез многоострийных систем с нанолазерами. 
Гетерогенный катализ. Разработка катализаторов с наноструктурами для классов реакций селективного катализа.  

Медицина. Проектирование наноинструментария для уничтожения вирусов, локального "ремонта" органов, высокоточной доставки доз лекарств в определенные места живого организма. 
 Трибология. Определение связи наноструктуры материалов и сил трения и использование этих знаний для изготовления перспективных пар трения. 
Управляемые ядерные реакции. Наноускорители частиц, нестатистические ядерные реакции.

Применение нанотехнологий в лечении рака. Современные методы лечения рака действуют таким образом, что когда препарат нацелен на поражение раковой клетки, все клетки в теле пациента подвергаются негативному воздействию. В результате побочные эффекты химиотерапии (слабость, выпадение волос и рвота) наиболее часто встречаются в курсе лечения. В настоящее время проводятся исследования методов лечения, которые воздействовали бы только на пораженную клетку и снизили бы большинство побочных эффектов. Уже только по одной этой причине можно ожидать интересных результатов от применения наночастиц, которые доносят цитотоксический препарат в определенную пораженную часть тела человека. Как пример, такие наночастицы теоретически должны отличать нормальную живую клетку от раковой клетки. В настоящее время перед учеными встают проблемы создания специфического препарата для лечения и способа целенаправленной доставки этого лекарства в пораженные клетки. Ученые успешно направили на раковую клетку простаты химический реагент используя наночастицы, которые имеют специальную лиганд молекулу, так называемый аптамер. Аптамер соединяется с химическим реагентом и после того, как между ними произошло взаимодействие, препарат направляется точно в то место, куда необходимо. В результате раковая клетка с химическим реагентом умирают, а здоровые клетки, которые не были атакованы химическим реагентом остаются здоровыми.Однако существуют и объективные трудности широкого распространения использования нанотехнологий в фармацевтических и медицинских нуждах. Общественное мнение против генетически модифицированных продуктов усиливается, несмотря на значительные успехи и безопасные результаты модифицированного инсулина, гормонов роста человека и вакцины от гепатита B. Каждый шаг вперед должен снижать риск для общества и общественность должна быть проинформирована положительных сторонах новых технологий.

Применение нанотехнологий в автомобильной промышленности

Автомобильная промышленность Германии, являющаяся одной из наиболее важных отраслей производства, уже сейчас серьезно заинтересована в НТ и активно изучает возможности внедрения новых материалов и технологий, особенно в связи с экологией, безопасностью движения и обеспечением комфорта. НТ в автомобилестроении может быть связана с решением множества проблем и технических задач, относящихся к ходовой части, весу конструкции и динамике движения, кондиционированию и снижению выхлопа вредных веществ, уменьшению износа, возможностям вторичной переработки и т. п. Кроме этого, НТ имеют непосредственное отношение к развитию связанных с автомобилестроением информационных систем (например, контроль обстановки на дорогах, коммуникации и т. п.).

Очень большие перспективы коммерческого  производства имеет внедрение прозрачных многослойных наноматериалов. В частности, наносимые на стекло металлические покрытия толщиной в несколько нанометров могут одновременно отражать инфракрасное излучение и придавать стеклу дополнительную термостойкость. Для затемненных внутренних стекол в автомобилях можно даже использовать так называемые электрохром-ные составы, которые автоматически настраиваются на соответствующую интенсивность света, а также способствуют уменьшению отражения в циферблатах приборов, что очень трудно осуществить обычными методами. Водоотталкивающие и противоударные покрытия могут наноситься на множество деталей, включая «дворники» и т. п. Еще один очень интересный пример связан с применением микроскопических частиц углерода. В начале 20 века было случайно обнаружено, что введение микрочастиц сажи в каучук приводит к очевидному улучшению качества автомобильных шин. Эффект связан с тем, что частицы сажи «склеивают» каучук и делают шины прочнее, обеспечивая их повышенную износостойкость. Сегодня уже предпринимаются целенаправленные попытки увеличения поверхности частиц сажи и уменьшения их возможного слипания, что позволяет снизить процессы рассеивания (диссипации) энергии в шинах и приводит в целом к повышению их характеристик и снижению расхода горючего в среднем на 4%.

Соответствующая оптимизация сопротивления  воздуха, веса автомобиля и приводного устройства привела бы к снижению потребления горючего на 6%, 15% и 28%, в  результате чего можно было бы уменьшить  выбросы двуокиси углерода. Намеченное Евросоюзом снижение норм выброса угарного газа и частиц (программа Евро-5) к 2008 году может быть достигнуто только путем значительного понижения  потребления горючего, для чего настоятельно требуется поиск альтернативных источников питания. Например, в качестве автомобильного топлива очень перспективен экологически почти безопасный метанол, и НТ может сыграть важную роль в производстве новых методик  впрыскивания горючего, реформинге топлива, аккумуляции водорода, объединении клеточных электродов и мембран для обмена протонов при сгорании топлива и т. п.

Более конкретно, можно отметить, что  эффективное использование метанола (и многих других видов топлива) требует  обеспечения измельчения жидкого  горючего и его микродисперсной пульверизации по заданным поверхностям, для чего весьма перспективными представляются матрицы из нанофор-сунок. Подобные «нанореактивные» двигатели можно производить, создавая микроскопические (и даже субмикроскопические) каналы в материалах типа кремния или его соединений. Аналогичные наноканалы могут применяться в перспективных технологиях получения водорода из твердых видов топлива, для чего внутренняя поверхность каналов может дополнительно покрываться слоем каталитического материала типа платины.

Нанопористые материалы могут применяться и для разложения многих соединений (например, воды на водород и кислород) при использовании мембран с очень развитой поверхностью. Кроме того, микропористые вещества с большой и активной поверхностью, очевидно, представляют собой прекрасную основу для создания новых типов фильтров, механически задерживающих требуемые типы частиц.

В будущем развитие энергетики, возможно, будет связано с массовой заменой  твердых видов топлива и горючих  веществ на водород, который необходимо будет аккумулировать в специально создаваемых устройствах, и именно в этом наноматериа-лы (например, сложные фуллерены) могут оказаться исключительно полезными. Уже сейчас эксперты планируют создание емкостей-хранилищ водорода на основе фуллеренов с 10% эффективностью.

Наноструктурные материалы позволяют изготавливать легкие и одновременно достаточно прочные конструкции для некоторых деталей массового производства. Например, конструкторы автомобилей много лет создают покрытия из стекла, которые были бы прочными, но которые можно было бы быстро разбить при необходимости (аварии, кражи и т. п.). Инновационный заменитель стекла можно создать на основе поликарбоната (ПК), то есть искусственного материала, из которого делают известные всем диски CD и DVD. Это «умное» устройство (изогнутое сложным образом в некоторых частях кузова, сзади и сбоку) можно изготовить из ПК таким образом, чтобы его нельзя было никак заменить стеклянным аналогом. Для этого к поликарбонату следует просто примешать различные отбеливающие пигменты (в виде наночастиц), которые, с одной стороны, остаются прозрачными, а с другой, — защищают стекло от разрушающего воздействия ультрафиолетового излучения. Повышенная прочность к механическим повреждениям в этом случае достигается использованием нанолаков на основе полиоксанов.

В настоящее время нанотехнологии все больше и больше входят в нашу жизнь. Нанотехнологический контроль изделий и материалов, буквально на уровне атомов, в некоторых областях промышленности стал обыденным делом. Реальный пример – DVD-диски, производство которых было бы невозможно без нанотехнологического контроля матриц. Очень популярны в промышленных устройствах очистки питьевой воды и получении сверхчистой воды так называемые нанофильтрационные мембранные фильтры, позволяющие задерживать частицы молекулярного размера. Стали реальностью квантовые точки в технологии получения полупроводников, которые эффективнее известных в 1000 раз. Этот список можно продолжить:

♦ «нанотрубки» и «нанонити» («нановолокна»), состоящие из 6070 молекул, как новое состояние поверхности вещества и создание сверхлегких материалов;

♦ нанозеркало для лазеров со сверхвысокой отражающей способностью;

♦ атомная игла – сверхтонкая игла, сужающаяся на острие едва ли не до единственного атома, которая как атомный щуп изучает рельеф поверхности на молекулярном уровне;

♦ нанороботы-манипуляторы, создающие разные типы поверхностей путем переноса отдельных молекул;

♦ наногенераторы электрического заряда внутри человеческого организма для электропитания имплантатов;

♦ сверхскоростной нано-Интернет с потенциалом увеличения скорости в сотни раз;

♦ диагностика качества пищевых продуктов с помощью наносенсоров (квантовых точек) для выявления опасных химических или биологических загрязнителей пищевых продуктов;

♦ наногранулы, которые внутри человеческого тела доставляют молекулу лекарственного препарата не просто к органу-мишени, но прямо к рецептору, который, по сути, также является молекулой и отвечает за реализацию физиологического эффекта;

♦ нанокод, то есть молекулы антител, иммобилизованные на поверхности нанонитей для идентификации антигенов (то есть чужеродных веществ) по иммунной реакции;

♦ наночастицы косметического крема, проходящие через мембраны клеток кожи, для настоящего клеточного питания дермы – и это далеко не полный перечень использования нанотехнологий в мире XXI в.

Что-то из вышеперечисленного уже  становится реальностью «на глазах», поскольку скорость технического прогресса  в современном мире огромна; что-то еще находится в стадии доработки. Важно, что уже сейчас все это работает и приносит огромную пользу.