В момента нанотехнологиите са много обширна област на изследване, включваща редица области на физиката, химията, биологията, електрониката, медицината и други науки.

„Нано“ ерата ще настъпи в средата на века

Но въпреки значителните постижения, ентусиазма на изследователите, непрекъснато нарастващото финансиране за тази област и доста кратката времева рамка за съвременното индустриално развитие на научните разработки в развитите страни (10–15 години), едва ли може да се очаква, че ерата на нанотехнологиите ще се появят преди средата на този век. Въпреки че индивидуалните разработки с доста широко приложение несъмнено ще се появят и вече са на пазара.

Ако погледнем съвременния пазар на нанопродукти, ще видим, че повече от 90% от него са заети от нанопрахове (те започват да се използват още през 50-те години на миналия век, въпреки че преди нанобума са били наричани ултрафини), нанокатализатори и нанопорести материали (филтри). Но най-атрактивните и обещаващи приложения на нанотехнологиите, които обикновено се обсъждат, когато се говори за изключителните перспективи на тази област, все още са на етап фундаментални изследвания.

Това се отнася до развитието и широкото използване на нанотехнологиите (въпреки че тази концепция все още не е съществувала) в духа на известната лекция на Файнман „Има много място отдолу: покана за нов свят на физиката“ (декември 1959 г.).

Как да "подреждаме" атомите правилно

Елементарните градивни елементи за изграждането на всяко вещество са атомите и молекулите. От тях може да се „сглоби“ „продукт“ с наномащабни размери, ако необходимите атоми са подредени в правилния ред. В същото време, според нас, специфичната технология на такова сглобяване не е толкова важна (това може да бъде епитаксиален растеж, самоорганизация, химични или биохимични реакции и т.н.). Решаваща тук е способността да се проектират „нанопродукти“ с определени свойства или функции, притежаването на технологии, които правят възможно производството на този „продукт“ с атомна точност, както и цялостни диагностични методи, включително наблюдение по време на производствения процес (in situ ). И управление на технологичния процес въз основа на него.

Нанотехнологиите от това ниво в момента са достъпни главно само в отделни научни лаборатории. Те се основават на най-новите резултати от фундаментални изследвания. Освен това последните играят ключова роля тук. Изследванията на физичните и химичните процеси в нанотехнологиите, разработването на методи за проектиране, диагностика и изследване на наноструктури, наноматериали и наноустройства, изследването на техните свойства и нови явления, възникващи в наномащаба, са в по-голямата си част и ще останат предмет на фундаментално или ориентирано фундаментално изследване за дълго време.

Ето защо, ако искаме да вървим в крак с развитите страни в областта на нанотехнологиите и наноиндустрията, тогава основното внимание трябва да бъде насочено към фундаменталните изследвания. Те трябва да бъдат оборудвани и изпълнени на най-модерно ниво. В противен случай рискуваме не само да се окажем отстрани на дългия път на нанотехнологиите, но и скоро да престанем да разбираме адекватно световните постижения в тази област.

Това обаче не означава, че усилията за организиране на производството и развитие на пазара за напреднали в практическо отношение разработки трябва да бъдат отслабени.

Бъдещи нанотехнолози: изисквания

Трябва да се отбележи, че има още един важен проблем, който ще трябва да бъде решен за успешното развитие на наноиндустрията. Факт е, че при прехода към системи с нанометров мащаб квантовите ефекти започват ясно да се проявяват. В резултат на това възниква принципно нова ситуация, когато квантовите явления (квантуване на размера, тунелиране, намеса на електронни състояния и др.) Играят ключова роля във физическите процеси в такива обекти и във функционирането на устройства, базирани на тях.

Те се проявяват и в технологични процеси и химични реакции, тъй като междуатомното взаимодействие има квантово естество. По този начин бъдещите нанотехнолози (а тази професия трябва да стане широко разпространена с развитието на наноиндустрията) ще трябва да могат да мислят в квантово-механични категории, които се различават значително от обикновените класически концепции. Това означава, че инженерното образование ще изисква значително преструктуриране - то ще се усвоява с акцент върху фундаменталните дисциплини.

Погрешни схващания за нанотехнологиите

Фундаменталните изследвания и тяхното материално осигуряване са от основно значение за развитието на нанотехнологиите и наноиндустрията. Днес често се изразява мнението, че в областта на нанотехнологиите имаме същите стартови позиции като напредналите страни. Това е опасно погрешно схващане! Въпреки че разполагаме с висококвалифициран персонал и заемаме водещи позиции в редица области, липсата на модерно технологично, диагностично и изследователско оборудване не ни позволява да реализираме в достатъчна степен съществуващите възможности.

Последният път, когато повече или по-малко мащабно обновяване на парка от научно оборудване беше извършено преди около 20 години по време на изпълнението на Държавната програма на СССР „Високотемпературна свръхпроводимост“. Освен това изследванията на Запад в много области започнаха по-рано. И те се водят на много по-широк фронт.

Изглежда, че сега няма за какво да се тревожите. През последните години ръководството на страната, осъзнавайки жизненоважната необходимост от развитието на нанотехнологиите, полага значителни усилия да организира работата в тази област на държавно ниво. Създадени са Правителствен съвет по високи технологии и Държавна корпорация „Роснанотех“, като са отделени значителни финансови средства. Изглежда обаче, че ролята на фундаменталните изследвания в развитието на нанотехнологиите се подценява от държавните агенции.

Министерството на образованието и науката практически не финансира фундаментални изследвания. Фундаменталните изследвания в областта на нанотехнологиите се извършват за сметка на съответните отдели. Централното място в развитието на фундаменталните изследвания у нас традиционно принадлежи на Руската академия на науките.

През 2008 г., според програмите за фундаментални изследвания на Президиума и клоновете на Руската академия на науките, финансирането на проекти в областта на нанотехнологиите възлиза само на около 100 милиона рубли (без да се броят основните средства за заплати и сметки за комунални услуги). Финансирането е осигурено и чрез проекти на Руската фондация за фундаментални изследвания (RFBR) и международни проекти. Анализът показва, че такова финансиране е с почти два порядъка по-малко от това, което е необходимо за осигуряване на съвременното ниво на фундаментални изследвания и тяхното развитие, необходимо за изграждането на родната наноиндустрия. За справка: само във федералния бюджет на САЩ за 2007 г. са заделени около 1,3 милиарда долара за работа, извършена в рамките на Националната нанотехнологична инициатива. От тях 401 милиона долара (около 31%) са заделени за фундаментални изследвания на явления и процеси в наномащаб, $250 млн. (20%) - за работа по наноматериали, $164 млн. (13%) - за закупуване на изследователско оборудване.

Национална програма за фундаментални изследвания

Това състояние на нещата изглежда напълно неприемливо. Според нас трябва да се създаде Национална програма за фундаментални изследвания в областта на нанотехнологиите с целево финансиране от федералния бюджет, сравнимо с финансирането на съответните програми в развитите страни и съответните капиталови инвестиции. Само в този случай можем да разчитаме на успешното и конкурентноспособно развитие на местната наноиндустрия.

Към днешна дата Комисията по нанотехнологии на РАН е разработила програма за фундаментални изследвания на Руската академия на науките „Нанотехнологии“, която е одобрена от Общото събрание на РАН. В разработването на програмата, освен членове на Комисията, участваха и учени, активно работещи в областта на нанотехнологиите. Бяха разгледани около хиляда предложения, получени от повече от 100 института на Руската академия на науките. Анализът на получените предложения показва, че работата в областта на нанотехнологиите в РАН обхваща широк спектър от проблеми. И нивото им като цяло е доста високо.

Раздели на програмата Нанотехнологии

Изборът на основните области на изследване при формирането на програмата се основава на съвременните постижения и тенденции в развитието на световната наука, значимостта на очакваните резултати и перспективите за практическо използване. И също така като се има предвид наличната база в руските научни организации. Програмата включва шест такива раздела: „Физика на наноструктурите“, „Наноелектроника“, „Наноматериали“, „Нанобиотехнологии“, „Нанодиагностика“ и „Образование“.

Предвижда се да бъдат включени около 60 неакадемични организации, предприятия и университети като съизпълнители в изпълнението на Програмата за фундаментални изследвания на РАН. По същество разработената програма може да послужи за основа на Националната програма за фундаментални изследвания в областта на нанотехнологиите.

Експертните оценки на размера на финансирането, необходимо за успешното изпълнение на Програмата за фундаментални изследвания на РАН „Нанотехнологии“, показват, че за извършване на научноизследователска и развойна дейност са необходими около 12-13 милиарда рубли. годишно (или около 90 милиарда рубли за целия период на изпълнение на програмата до 2015 г.). Необходимият обем капиталови инвестиции се оценява на 55 милиарда рубли. За Националната програма тези суми трябва да бъдат коригирани.

ЦКП не решава проблеми

Трябва да се подчертае, че всяка ефективно работеща научна група, изпълняваща един от проектите на програмата, трябва да бъде снабдена с необходимото съвременно оборудване, тъй като използването му за специфични изследвания често има специфичен характер. Споделените центрове не решават проблема тук, въпреки че са полезни за извършване на повече или по-малко стандартни измервания (например за диагностика и тестване). Или да работите върху уникални, изключително скъпи инсталации, създадени в единични екземпляри.

Изследователите, както е прието тук и в световната практика, трябва да използват конвенционално оборудване на работното си място, въпреки че съвременното оборудване по правило е скъпо. Друго нещо е, че трябва да се използва възможно най-ефективно.

Държавни програми и фундаментални изследвания

Тази година започна да действа така необходимата Федерална целева програма „Развитие на инфраструктурата на наноиндустрията в Руската федерация за 2008–2010 г.“. Въпреки че по-голямата част от работата в областта на нанотехнологиите и наноматериалите у нас се извършва в Руската академия на науките, тази програма е разработена без участието на Руската академия на науките. И Руската академия на науките не фигурира в него като държавен клиент. Други отдели, където се извършва подобна работа, са представени в тази роля.

Не знаем причините, поради които изследователските организации на Руската академия на науките са изключени от инфраструктурата на руската наноиндустрия (само Институтът по металургия на Руската академия на науките е включен в тази програма). Това решение на организаторите на програмата обаче изглежда меко казано странно.

На настоящия етап приложните изследвания и разработки често (макар и не винаги) са естествено продължение на фундаменталните изследвания. Освен това не винаги е възможно да се направи граница между първото и последното. Според образния израз на британския физик Д. Портър, всички научни изследвания са приложни, само някои вече са намерили приложение, а други ще ги намерят в бъдеще.

Програмата, разработена от Комисията по нанотехнологии на РАН, е преди всичко програма за фундаментални изследвания. В същото време включва и произведения от приложен характер, редица от които могат да бъдат доведени до индустриална употреба в близко бъдеще. В момента Комисията по нанотехнологии на RAS разглежда няколко големи проекта „от край до край“, включващи всички етапи на работа - от фундаментални изследвания до организация на пилотно производство.

За реализирането на такива проекти се планира създаването на разпределени (виртуални) лаборатории, работата на всяка от които е подчинена на една цел и обхваща цялата верига от изследвания и разработки за проекта (от фундаментални изследвания до организация на производството) . В същото време научните групи, които са част от такива лаборатории и изпълняват конкретни задачи, продължават да работят в техните организации. Очаква се също да бъдат създадени лаборатории от този вид за решаване на големи научни проблеми и извършване на интердисциплинарни изследвания в рамките на Програмата за нанотехнологии на РАН.

"Prince technology" и светодиоди

В заключение, ето няколко примера за фундаментални и приложни резултати, получени от руски учени и разработчици през последните години. В областта на физиката на наноструктурите и наноелектрониката отбелязваме производството на графенови листове (графитен монослой) и изследването на неговите електронни свойства, което показа, че носителите на заряд в графена имат електронен спектър, подобен на неутрино (IPTM RAS).

Първото надеждно наблюдение на кондензацията на Бозе-Айнщайн на пространствено индиректни екситони в наноструктури с две ямки (IPP RAS), развитието на така наречената „принцова технология“ и създаването на нов клас периодични наноструктури за квантови устройства (IPP SB RAS), безпрагови полупроводникови инжекционни лазери върху квантови точки, полупроводникови лазери с рекордна мощност на базата на асиметрични хетероструктури и светодиоди с бяла светлина (Ioffe Physicotechnical Institute RAS), матрични фотодетектори на инфрачервено лъчение и микровълнови полеви транзистори (IPP SB RAS), широкообхватни магниторезистивни сензори (IPM Ural Branch RAS).

В областта на наноматериалите може да се назове разработването на пластмаси от въглеродни влакна с висок ресурс със специални свойства, съдържащи функционализирани наночастици фулерен и астрален, чието използване в изтребители от пето поколение ще повиши различните характеристики на ефективността с 20-100% (VIAM, IPCP RAS, Институт по химия SB RAS). Разработването на катализатори на базата на златни наночастици, нанесени върху алуминиев оксид, беше извършено за решаване на проблема със „студения старт“ на доизгаряне на отработените газове на автомобилни двигатели (IC SB RAS).

В областта на нанобиотехнологиите и медицинската диагностика беше извършено разработването и създаването на грипна нановаксина срещу грип (IBCh RAS, Държавен научен център Институт по имунология FMBA, NPO Petrovax, Държавно унитарно предприятие Microgen), която през 2004-2007 г. 70 милиона души са ваксинирани. Разработени са методи за получаване на рентгенови рефрактивни изображения на човешки меки тъкани (RRC „Курчатовски институт“).

Имайте предвид, че много съвременни научни и технологични постижения се основават на резултатите от изследвания, започнали преди тридесет или дори повече години. Да се ​​надяваме, че държавните агенции най-накрая ще оценят правилно решаващата роля на фундаменталните изследвания за развитието на наноиндустрията в страната. И в тази област ще вървим в крак с развитите страни.

Академик Жорес Алферов,
Нобелов лауреат, вицепрезидент на Руската академия на науките,
Председател на Комисията по нанотехнологии на РАН.

Нанотехнологиите по своята специфика са интердисциплинарна научна област на приложната технология, занимаваща се с изучаването и създаването на иновативни и иновативни методи за производство на нови материали с определени свойства, които впоследствие се използват в голямо разнообразие от сектори на съвременния човешки живот.

Като цяло нанотехнологиите работят със структури, които имат стойности от 100 nm или дори по-малко, като в същото време използват устройства, както и материали, имащи горните размери. Днес нанотехнологиите са изключително разнообразни и се използват в голямо разнообразие от изследвания, вариращи от създаването на нови технически устройства до най-новите изследвания, свързани с изучаването на молекулярно-атомно ниво.

Основи на нанотехнологиите.

Метод на атомно-силова микроскопия.

Трябва да се каже, че един от основните инструменти, които се използват за работа с микрочастици, са микроскопите, тъй като без това устройство не е възможно не само да се работи с микрочастици, но и да се изучава микросветът. Увеличаването на разделителните характеристики на съвременните микроскопи и придобиването на все повече и повече нови знания за елементарните частици днес са взаимосвързани помежду си. В момента, с помощта на оборудване като атомно-силови микроскопи или AFM и сканиращи електронни микроскопи, съвременните учени са в състояние не само да наблюдават отделни атоми, но дори да намерят начини да им въздействат, например чрез метене на атоми по повърхността. В същото време съвременните учени вече са успели да създадат така наречените двуизмерни наноструктури върху повърхности, използвайки горния метод на въздействие. Например, в изследователските центрове на известната компания IBM, чрез последователно смесване на ксенонови атоми върху повърхността на никелови нанокристали, учените успяха да създадат фирмено лого, състоящо се от 35 атома от веществото.

При извършването на тези действия, свързани със смесването на веществата, както и разделянето и комбинирането им, учените срещнаха някои технически трудности. За да се преодолее това, е необходимо да се създадат условия на свръхзвуков вакуум (10–11 torr), за това е необходимо да се охлади стойката и микроскопът до ултраниска температура от 4 до 10 K, докато повърхността на този субстрат трябва да е гладка и чиста на атомно ниво. За целта се използват специализирани технологии за механична и химична обработка на продуктите, като целта на тази обработка е да се намали повърхностната дифузия на отложените атоми, с помощта на които основата се охлажда.

Наночастици.

Основната отличителна черта на новите материали, които се получават по време на употреба нанотехнологии, е непредвидимото получаване на физически и технически характеристики, придобити от тези материали. Благодарение на това съвременните учени имат възможност да получат нови квантови физични и механични характеристики на вещества, в които електронните структури са модифицирани, което автоматично променя формата на проявление на тези съединения. Например способността за намаляване на размера на частиците не във всички случаи е податлива на определяне или измерване с помощта на макро или микро измервания. Измерванията обаче могат да бъдат възможни, ако размерът на частиците е в диапазона милимикрони. Трябва също да се отбележи, че някои физични и механични свойства се променят, ако размерът на елементите се промени. В момента наличието на необичайни механични свойства в наноматериалите е обект на изследване от учени, работещи в областта на наномеханиката. В същото време специално място в съвременните нанотехнологии заема производството на нови вещества с помощта на различни катализатори, които влияят на поведението на наноматериалите, когато те взаимодействат с различни биоматериали.

Както казахме по-рано, частици с размери от 1 до 100 нанометра се наричат ​​наночастици и изследванията показват, че наночастиците от много материали имат висока абсорбция и каталитични свойства. Други материали осигуряват уникални оптични свойства. Например, изследователите успяха да получат прозрачни керамични материали на базата на нанопрахове с размер 2-28 nm, които имат по-добри свойства от, например, короните. Учените също успяха да получат взаимодействието на изкуствено произведени наночастици с естествени обекти с наноразмери, например с протеини, нуклеинови киселини и др. В допълнение, пречистените наночастици, поради техните уникални свойства, имат способността да бъдат интегрирани в различни структури . Такива структури, съдържащи наночастици, придобиват свойства и характеристики, непознати досега за тях.

Днес всички нанообекти са разделени на три класа:

Първият клас включва триизмерни частици, които се получават чрез взривяване на проводници, чрез плазмен синтез или чрез редуциране на тънки филми.

Вторият клас включва така наречените двумерни обекти, които са филми и са получени с помощта на методи на молекулярно отлагане, ALD, CVD и йонно отлагане.

Третият клас включва мустаци или едномерни обекти, получени чрез методи на молекулярно наслояване или чрез въвеждане на различни вещества в цилиндричен микропорт.

Освен това има и нанокомпозити, които се получават чрез въвеждане на наночастици в специализирани матрици. Към днешна дата широко се използва само методът на микролитографията, който позволява получаването на островни плоски обекти с размер от 50 nm или повече върху повърхността на матрицата и се използват в съвременната електроника. Също така е необходимо да се отбележат методите на молекулярно и йонно наслояване, тъй като с помощта на тези методи е възможно да се получат истински филмови покрития под формата на монослой.

Самоорганизация на наночастиците.

Едно от най-големите предизвикателства пред нанотехнологиите е как да се принудят атомите и молекулите да се групират заедно по специфични начини, което им позволява да се самовъзстановяват и саморазвиват, което в крайна сметка води до нови материали или устройства. Тези проблеми се решават от химици, работещи в областта на супрамолекулната химия. При това те изучават не отделните молекули, а взаимодействието между тях, както и как са организирани при определено влияние и дали имат способността да образуват нови вещества. Много учени смятат, че природата наистина притежава такива системи и в нея протичат такива процеси. Например вече са известни биополимери, които могат да бъдат организирани в специални структури. Също така са дадени подобни примери за протеини, които поради своите свойства могат не само да се сгъват и да придобият кълбовидна форма, но и да образуват цели комплекси и структури, които съдържат няколко протеинови молекули наведнъж. Още днес учените са успели да създадат метод за синтез, който използва специфичните свойства, които притежават ДНК молекулите.

Дистанционните образователни курсове са съвременна форма на ефективно допълнително образование и повишаване на квалификацията в областта на обучението на специалисти за разработване на перспективни технологии за производство на функционални материали и наноматериали. Това е една от обещаващите форми на модерно образование, развиващо се в целия свят. Тази форма на придобиване на знания е особено актуална в такава интердисциплинарна област като наноматериалите и нанотехнологиите. Предимствата на дистанционните курсове са тяхната достъпност, гъвкавост при изграждането на образователни маршрути, подобрена ефективност и ефикасност на процеса на взаимодействие с учениците, рентабилност в сравнение с редовните курсове, които обаче могат хармонично да се комбинират с дистанционно обучение. В областта на основните принципи на нанохимията и наноматериалите са подготвени видео материали от Научно-образователния център по нанотехнологии на Московския държавен университет:

• . Основни понятия и дефиниции на наносистемните науки и нанотехнологиите. История на възникването на нанотехнологиите и наносистемните науки. Интердисциплинарност и мултидисциплинарност. Примери за нанообекти и наносистеми, техните характеристики и технологични приложения. Обекти и методи на нанотехнологиите. Принципи и перспективи за развитие на нанотехнологиите.
• . Основни принципи на формиране на наносистеми. Физични и химични методи. Процеси за получаване на нанообекти “отгоре надолу”. Класическа, “мека”, микросфера, йонен лъч (FIB), АСМ - литография и наноиндентация. Механично активиране и механосинтез на нанообекти. Процеси за получаване на нанообекти “отдолу нагоре”. Нуклеационни процеси в газови и кондензирани среди. Хетерогенна нуклеация, епитаксия и хетероепитаксия. Спинодален разпад. Синтез на нанообекти в аморфни (стъклени) матрици. Химични методи за хомогенизиране (съутаяване, зол-гел метод, криохимична технология, аерозолна пиролиза, солвотермична обработка, суперкритично сушене). Класификация на наночастиците и нанообектите. Техники за получаване и стабилизиране на наночастици. Агрегация и дезагрегация на наночастици. Синтез на наноматериали в едно и двумерни нанореактори.
• . Статистическа физика на наносистемите. Характеристики на фазовите преходи в малки системи. Видове вътрешно- и междумолекулни взаимодействия. Хидрофобност и хидрофилност. Самосглобяване и самоорганизация. Образуване на мицели. Самосглобени монослоеве. Филми на Лангмюр-Блоджет. Надмолекулна организация на молекулите. Молекулярно разпознаване. Полимерни макромолекули, методи за тяхното получаване. Самоорганизация в полимерни системи. Микрофазово разделяне на блок съполимери. Дендримери, полимерни четки. Послойно самосглобяване на полиелектролити. Надмолекулни полимери.
• . Вещество, фаза, материал. Йерархична структура на материалите. Наноматериали и тяхната класификация. Неорганични и органични функционални наноматериали. Хибридни (органично-неорганични и неорганично-органични) материали. Биоминерализация и биокерамика. Наноструктурирани 1D, 2D и 3D материали. Мезопорести материали. Молекулярни сита. Нанокомпозити и техните синергични свойства. Структурни наноматериали.
• . Катализа и нанотехнологии. Основни принципи и понятия в хетерогенната катализа. Влияние на условията на получаване и активиране върху формирането на активната повърхност на хетерогенни катализатори. Структурно-чувствителни и структурно-нечувствителни реакции. Специфика на термодинамичните и кинетичните свойства на наночастиците. Електрокатализа. Катализа върху зеолити и молекулни сита. Мембранна катализа.
• . Полимери за структурни материали и функционални системи. „Умни“ полимерни системи, способни да изпълняват сложни функции. Примери за „умни“ системи (полимерни течности за производство на нефт, интелигентни прозорци, наноструктурирани мембрани за горивни клетки). Биополимерите като най-„умните“ системи. Биомиметичен подход. Проектиране на последователност за оптимизиране на свойствата на интелигентните полимери. Проблеми на молекулярната еволюция на последователностите в биополимери.
• . Разглеждат се текущото състояние и проблемите на създаването на нови материали за химически източници на енергия: твърди оксидни горивни клетки (SOFC) и литиеви батерии. Анализирани са ключови структурни фактори, които влияят върху свойствата на различни неорганични съединения, които определят възможността за използването им като електродни материали: сложни перовскити в SOFC и съединения на преходни метали (сложни оксиди и фосфати) в литиеви батерии. Разглеждат се основните анодни и катодни материали, използвани в литиевите батерии и признати за обещаващи: техните предимства и ограничения, както и възможността за преодоляване на ограниченията чрез насочени промени в атомната структура и микроструктурата на композитните материали чрез наноструктуриране с цел подобряване на характеристиките на текущи източници.

Избрани въпроси са разгледани в следните глави на книгата (изд. Бином):

Илюстративни материали за нанохимия, самосглобяване и наноструктурирани повърхности:

Научно популярни "видеокниги":

Избрани глави от нанохимията и функционалните наноматериали.

Добавете вашата цена към базата данни

Коментирайте

Нанотехнологията е област на фундаменталната и приложна наука и технология, която се занимава с набор от теоретични обосновки, практически методи за изследване, анализ и синтез, както и методи за производство и използване на продукти с дадена атомна структура чрез контролирана манипулация на индивидуални атоми и молекули.

История

Много източници, предимно на английски език, свързват първото споменаване на методи, които по-късно ще бъдат наречени нанотехнологии, с известната реч на Ричард Файнман „Има много място на дъното“, произнесена от него през 1959 г. в Калифорнийския технологичен институт на годишната среща на Американското физическо общество. Ричард Файнман предположи, че е възможно механично да се движат единични атоми с помощта на манипулатор с подходящ размер, поне такъв процес няма да противоречи на законите на физиката, известни днес.

Той предложи този манипулатор да се направи по следния начин. Необходимо е да се изгради механизъм, който да създаде копие на себе си, само с порядък по-малко. Създаденият по-малък механизъм трябва отново да създаде копие на себе си, отново с порядък по-малък, и така нататък, докато размерите на механизма станат съизмерими с размерите от порядъка на един атом. В този случай ще е необходимо да се направят промени в структурата на този механизъм, тъй като гравитационните сили, действащи в макрокосмоса, ще имат все по-малко влияние, а силите на междумолекулните взаимодействия и силите на Ван дер Ваалс ще влияят все повече върху работата на механизмът.

Последният етап - полученият механизъм ще сглоби своето копие от отделни атоми. По принцип броят на такива копия е неограничен, ще бъде възможно да се създаде произволен брой такива машини за кратко време. Тези машини ще могат да сглобяват макро-неща по същия начин, чрез атомно сглобяване. Това ще направи нещата много по-евтини - на такива роботи (нанороботи) ще трябва да се даде само необходимия брой молекули и енергия и да се напише програма за сглобяване на необходимите елементи. Досега никой не е успял да опровергае тази възможност, но все още никой не е успял да създаде подобни механизми. По време на теоретичното изследване на тази възможност се появиха хипотетични сценарии за края на света, които предполагат, че нанороботите ще поемат цялата биомаса на Земята, изпълнявайки своята програма за самовъзпроизвеждане (т.нар. „сива слуз“ или „сива каша“).

Първите предположения за възможността за изучаване на обекти на атомно ниво могат да бъдат намерени в книгата „Оптика“ на Исак Нютон, публикувана през 1704 г. В книгата Нютон изразява надежда, че бъдещите микроскопи един ден ще могат да изследват „тайните на корпускулите“.

Терминът „нанотехнология“ е използван за първи път от Норио Танигучи през 1974 г. Той използва този термин, за да опише производството на продукти с размери няколко нанометра. През 80-те години на миналия век терминът е използван от Ерик К. Дрекслър в книгите му Двигатели на сътворението: Предстоящата ера на нанотехнологиите и наносистемите: молекулярни машини, производство и изчисления.

Какво могат да направят нанотехнологиите?

Ето само някои от областите, в които нанотехнологиите обещават пробиви:

Лекарство

Наносензорите ще осигурят напредък в ранната диагностика на заболявания. Това ще увеличи шансовете ви за възстановяване. Можем да победим рака и други болести. Старите лекарства за рак унищожават не само болните клетки, но и здравите. С помощта на нанотехнологията лекарството ще се доставя директно до болната клетка.

ДНК нанотехнологии– използват специфични бази на ДНК и молекули на нуклеинова киселина, за да създадат ясно дефинирани структури на тяхна основа. Индустриален синтез на лекарствени молекули и фармакологични препарати с ясно определена форма (бис-пептиди).

В началото на 2000 г., благодарение на бързия напредък в технологията за производство на частици с нано размери, беше даден тласък на развитието на нова област на нанотехнологиите - наноплазмоника. Оказа се, че е възможно да се предава електромагнитно излъчване по верига от метални наночастици, като се използва възбуждането на плазмонни трептения.

Строителство

Наносензорите на строителните конструкции ще следят тяхната здравина и ще откриват всякакви заплахи за целостта им. Обектите, построени с помощта на нанотехнологии, могат да издържат пет пъти по-дълго от съвременните структури. Домовете ще се адаптират към нуждите на жителите, като ги поддържат прохладни през лятото и топли през зимата.

енергия

Ще бъдем по-малко зависими от петрола и газа. Съвременните соларни панели имат ефективност около 20%. С използването на нанотехнологиите той може да нарасне 2-3 пъти. Тънките нанофилми на покрива и стените могат да осигурят енергия на цялата къща (ако, разбира се, има достатъчно слънце).

Машинно инженерство

Цялото обемисто оборудване ще бъде заменено от роботи - лесно управляеми устройства. Те ще могат да създават всякакви механизми на ниво атоми и молекули. За производството на машини ще се използват нови наноматериали, които могат да намалят триенето, да предпазят частите от повреда и да спестят енергия. Това не са всички области, в които нанотехнологиите могат (и ще!) се използват. Учените смятат, че появата на нанотехнологиите е началото на нова научно-техническа революция, която ще промени значително света през 21 век. Заслужава да се отбележи обаче, че нанотехнологиите не навлизат много бързо в реалната практика. Не много устройства (най-вече електроника) работят „нано“. Това отчасти се дължи на високата цена на нанотехнологиите и не много високата възвръщаемост на нанотехнологичните продукти.

Вероятно в близко бъдеще с помощта на нанотехнологиите ще бъдат създадени високотехнологични, мобилни, лесно управляеми устройства, които успешно ще заменят днешното автоматизирано, но трудно управляемо и тромаво оборудване. Например, след време биороботи с компютърно управление ще могат да изпълняват функциите на сегашните обемисти помпени станции.

• ДНК компютър– изчислителна система, която използва изчислителните възможности на ДНК молекулите. Биомолекулярното изчисление е сборно наименование за различни техники, свързани по един или друг начин с ДНК или РНК. В ДНК изчисленията данните се представят не под формата на нули и единици, а под формата на молекулярна структура, изградена на базата на спиралата на ДНК. Ролята на софтуер за четене, копиране и управление на данни се изпълнява от специални ензими.
• Атомно-силов микроскоп– сканиращ сондов микроскоп с висока разделителна способност, базиран на взаимодействието на конзолна игла (сонда) с повърхността на изследваната проба. За разлика от сканиращия тунелен микроскоп (STM), той може да изследва както проводими, така и непроводими повърхности дори през слой течност, което прави възможна работата с органични молекули (ДНК). Пространствената разделителна способност на атомно-силовия микроскоп зависи от размера на конзолата и кривината на нейния връх. Разделителната способност достига атомна хоризонтално и значително я надвишава вертикално.
• Антена-осцилатор– На 9 февруари 2005 г. в лабораторията на Бостънския университет е получена антена-осцилатор с размери около 1 микрон. Това устройство има 5000 милиона атома и е способно да осцилира с честота от 1,49 гигахерца, което му позволява да предава огромни количества информация.

10 нанотехнологии с невероятен потенциал

Опитайте се да си спомните някое канонично изобретение. Вероятно някой сега си е представял колело, някой самолет и някой iPod. Колко от вас са мислили за изобретяването на съвсем ново поколение – нанотехнологиите? Този свят е малко проучен, но има невероятен потенциал, който може да ни даде наистина фантастични неща. Удивително нещо: областта на нанотехнологиите не е съществувала до 1975 г., въпреки че учените са започнали да работят в тази област много по-рано.

Човешкото невъоръжено око е в състояние да разпознае обекти с размер до 0,1 милиметра. Днес ще говорим за десет изобретения, които са 100 000 пъти по-малки.

Електропроводим течен метал

Използвайки електричество, проста течна метална сплав от галий, иридий и калай може да бъде направена така, че да формира сложни форми или да навива кръгове в петриево блюдо. С известна степен на вероятност може да се каже, че това е материалът, от който е създаден известният киборг от серия T-1000, който можехме да видим в Терминатор 2.

„Меката сплав се държи като умна форма, способна да се деформира, когато е необходимо, като взема предвид променящото се околно пространство, през което се движи. Точно както би могъл да направи киборг от популярен научно-фантастичен филм“, казва Джин Ли от университета Цинхуа, един от изследователите, участващи в този проект.

Този метал е биомиметичен, което означава, че имитира биохимични реакции, въпреки че сам по себе си не е биологично вещество.

Този метал може да се контролира чрез електрически разряди. Самият той обаче е в състояние да се движи независимо, поради възникващия дисбаланс на натоварването, който се създава от разликата в налягането между предната и задната част на всяка капка от тази метална сплав. И въпреки че учените вярват, че този процес може да е ключът към превръщането на химическата енергия в механична енергия, молекулярният материал няма да се използва скоро за изграждане на зли киборги. Целият „магически“ процес може да се случи само в разтвор на натриев хидроксид или физиологичен разтвор.

Нанопластики

Изследователи от университета в Йорк работят върху разработването на специални лепенки, които ще бъдат предназначени да доставят всички необходими лекарства в тялото без използване на игли и спринцовки. Пластирите, които са съвсем нормални по размер, се залепват за ръката ви и доставят определена доза лекарствени наночастици (достатъчно малки, за да проникнат в космените фоликули) в тялото ви. Наночастиците (всяка с размер под 20 нанометра) сами ще намерят вредните клетки, ще ги убият и ще бъдат елиминирани от тялото заедно с други клетки в резултат на естествени процеси.

Учените отбелязват, че в бъдеще подобни нанопластири могат да се използват в борбата срещу една от най-ужасните болести на Земята - рака. За разлика от химиотерапията, която често е неразделна част от лечението в такива случаи, нанопластирите ще могат индивидуално да намират и унищожават раковите клетки, като оставят здравите клетки незасегнати. Проектът за нанопач се нарича NanJect. Разработката му се осъществява от Atif Syed и Zakaria Hussain, които през 2013 г., докато са още студенти, получават необходимото спонсорство като част от краудсорсинг кампания за набиране на средства.

Нанофилтър за вода

Когато този филм се използва в комбинация с фина мрежа от неръждаема стомана, маслото се отблъсква, оставяйки водата в тази зона първично чиста.

Интересното е, че учените са били вдъхновени да създадат нанофилм от самата природа. Листата на лотос, известни също като водни лилии, имат противоположни свойства на нанофилма: вместо масло, те отблъскват водата. Това не е първият път, когато учените шпионират тези невероятни растения заради също толкова невероятните им свойства. Това доведе например до създаването на суперхидрофобни материали през 2003 г. Що се отнася до нанофилма, изследователите се опитват да създадат материал, който имитира повърхността на водни лилии и да го обогатят с молекули на специален почистващ агент. Самото покритие е невидимо за човешкото око. Ще бъде евтино за производство: около $1 на квадратен фут.

Въздухопречиствател за подводници

Малко вероятно е някой да се е замислял какъв вид въздух трябва да дишат екипажите на подводниците, освен самите членове на екипажа. Междувременно почистването на въздуха от въглероден диоксид трябва да се извърши незабавно, тъй като по време на едно пътуване същият въздух трябва да премине през леките екипажи на подводницата стотици пъти. За почистване на въздуха от въглероден диоксид се използват амини, които имат много неприятна миризма. За да се реши този проблем, беше създадена технология за пречистване, наречена SAMMS (акроним за Self-Assembled Monolayers on Mesoporous Supports). Тя предлага използването на специални наночастици, поставени вътре в керамични гранули. Веществото има пореста структура, поради което абсорбира излишния въглероден диоксид. Различните видове SAMMS пречистване взаимодействат с различни молекули във въздуха, водата и почвата, но всички тези опции за пречистване са невероятно ефективни. Само една супена лъжица от тези порести керамични гранули е достатъчна за почистване на площ, равна на едно футболно игрище.

Нанопроводници

Изследователи от Северозападния университет (САЩ) са измислили как да създадат електрически проводник в наноразмер. Този проводник е твърда и издръжлива наночастица, която може да бъде конфигурирана да предава електрически ток в различни противоположни посоки. Проучването показва, че всяка такава наночастица е способна да емулира работата на „токоизправители, ключове и диоди“. Всяка частица с дебелина 5 нанометра е покрита с положително зареден химикал и заобиколена от отрицателно заредени атоми. Прилагането на електрически разряд преконфигурира отрицателно заредените атоми около наночастиците.

Потенциалът на технологията, както съобщават учените, е безпрецедентен. Въз основа на него е възможно да се създадат материали, „способни да се променят независимо, за да отговарят на конкретни компютърни изчислителни задачи“. Използването на този наноматериал всъщност ще „препрограмира“ електрониката на бъдещето. Хардуерните надстройки ще станат толкова лесни, колкото и софтуерните надстройки.

Нанотехнологично зарядно устройство

Когато това нещо бъде създадено, вече няма да е необходимо да използвате кабелни зарядни устройства. Новата нанотехнология работи като гъба, но не абсорбира течност. Той изсмуква кинетична енергия от околната среда и я насочва директно към вашия смартфон. Технологията се основава на използването на пиезоелектричен материал, който генерира електричество, докато е под механично натоварване. Материалът е надарен с наноскопични пори, които го превръщат в гъвкава гъба.

Официалното име на това устройство е „наногенератор“. Такива наногенератори може един ден да станат част от всеки смартфон на планетата или част от арматурното табло на всяка кола, а може би и част от всеки джоб на дрехи – джаджите ще се зареждат директно в него. Освен това технологията има потенциал да се използва в по-голям мащаб, като например в промишлено оборудване. Поне така смятат изследователите от университета на Уисконсин-Медисън, създали тази удивителна наногъба.

Изкуствена ретина

Израелската компания Nano Retina разработва интерфейс, който директно ще се свързва с невроните на окото и ще предава резултата от невронното моделиране в мозъка, заменяйки ретината и възстановявайки зрението на хората.

Експеримент върху сляпо пиле показа надежда за успеха на проекта. Нанофилмът позволи на пилето да види светлината. Вярно е, че последният етап от разработването на изкуствена ретина за възстановяване на зрението на хората е все още далеч, но напредъкът в тази посока не може да не радва. Nano Retina не е единствената компания, която се занимава с подобни разработки, но тяхната технология в момента изглежда най-обещаваща, ефективна и адаптивна. Последната точка е най-важна, тъй като говорим за продукт, който ще бъде интегриран в нечии очи. Подобни разработки показват, че твърдите материали са неподходящи за такива цели.

Тъй като технологията се разработва на нанотехнологично ниво, тя елиминира използването на метал и жици и също така избягва ниската резолюция на симулираното изображение.

Светещи дрехи

Учени от Шанхай разработиха отразяващи нишки, които могат да се използват в производството на дрехи. Основата на всяка нишка е много тънка тел от неръждаема стомана, която е покрита със специални наночастици, слой от електролуминисцентен полимер и защитна обвивка от прозрачни нанотръби. Резултатът е много леки и гъвкави нишки, които могат да светят под въздействието на собствената си електрохимична енергия. В същото време те работят с много по-ниска мощност в сравнение с конвенционалните светодиоди.

Недостатъкът на технологията е, че „светлинният резерв“ на нишките все още е достатъчен само за няколко часа. Разработчиците на материала обаче оптимистично вярват, че ще успеят да увеличат „ресурса“ на своя продукт поне хиляда пъти. Дори и да успеят, решението на друг недостатък остава под въпрос. Най-вероятно ще бъде невъзможно да се перат дрехи, базирани на такива нанонишки.

Наноигли за възстановяване на вътрешните органи

Нанопластирите, за които говорихме по-горе, са предназначени специално да заменят иглите. Ами ако самите игли са с размер само няколко нанометра? Ако е така, те биха могли да променят разбирането ни за хирургията или поне значително да го подобрят.

Съвсем наскоро учените проведоха успешни лабораторни тестове върху мишки. Използвайки малки игли, изследователите успяха да въведат нуклеинови киселини в телата на гризачите, насърчавайки регенерацията на органи и нервни клетки и по този начин възстановявайки загубената ефективност. Когато иглите изпълняват функцията си, те остават в тялото и след няколко дни напълно се разлагат в него. В същото време учените не откриха никакви странични ефекти по време на операции за възстановяване на кръвоносните съдове в мускулите на гърба на гризачи с помощта на тези специални наноигли.

Ако вземем предвид човешки случаи, такива наноигли могат да се използват за доставяне на необходимите лекарства в човешкото тяло, например при трансплантация на органи. Специални вещества ще подготвят околните тъкани около трансплантирания орган за бързо възстановяване и ще премахнат възможността за отхвърляне.

3D химически печат

Химикът Мартин Бърк от Университета на Илинойс е Уили Уонка на химията. Използвайки колекция от молекули на „строителен материал“ за различни цели, той може да създаде огромен брой различни химикали, надарени с всякакви „удивителни и в същото време естествени свойства“. Например едно такова вещество е ратанинът, който може да се намери само в много рядко перуанско цвете.

Потенциалът за синтезиране на вещества е толкова огромен, че ще направи възможно производството на молекули, използвани в медицината, при създаването на LED диоди, слънчеви батерийни клетки и онези химически елементи, които дори и на най-добрите химици на планетата са нужни години, за да синтезират.

Възможностите на настоящия прототип на 3D химически принтер все още са ограничени. Той е способен само да създава нови лекарства. Бърк обаче се надява, че един ден ще успее да създаде потребителска версия на своето невероятно устройство, което ще има много по-големи възможности. Напълно възможно е в бъдеще подобни принтери да действат като своеобразни домашни аптекари.

Представляват ли нанотехнологиите заплаха за човешкото здраве или околната среда?

Няма много информация за отрицателните ефекти на наночастиците. През 2003 г. едно проучване показа, че въглеродните нанотръби могат да увредят белите дробове на мишки и плъхове. Проучване от 2004 г. установи, че фулерените могат да се натрупват и да причинят увреждане на мозъка при рибите. Но и двете проучвания са използвали големи количества от веществото при необичайни условия. Според един от експертите, химик Кристен Кулиновски (САЩ), „би било препоръчително да се ограничи излагането на тези наночастици, въпреки факта, че в момента няма информация за тяхната заплаха за човешкото здраве“.

Някои коментатори също предполагат, че широкото използване на нанотехнологиите може да доведе до социални и етични рискове. Така например, ако използването на нанотехнологиите инициира нова индустриална революция, това ще доведе до загуба на работни места. Освен това нанотехнологиите могат да променят концепцията за човек, тъй като използването им ще помогне да се удължи живота и значително да се повиши устойчивостта на тялото. „Никой не може да отрече, че широкото разпространение на мобилните телефони и интернет доведе до огромни промени в обществото“, казва Кристен Кулиновски. „Кой би се осмелил да каже, че нанотехнологиите няма да имат по-голямо влияние върху обществото през следващите години?“

Мястото на Русия сред страните, разработващи и произвеждащи нанотехнологии

Световните лидери по общи инвестиции в нанотехнологиите са страните от ЕС, Япония и САЩ. Напоследък Русия, Китай, Бразилия и Индия значително увеличиха инвестициите в тази индустрия. В Русия размерът на финансирането по програмата „Развитие на инфраструктурата на наноиндустрията в Руската федерация за 2008–2010 г.“ ще възлиза на 27,7 милиарда рубли.

Последният (2008) доклад на базираната в Лондон изследователска фирма Cientifica, наречен Доклад за перспективите на нанотехнологиите, казва дословно за руските инвестиции: „Въпреки че ЕС все още е на първо място по отношение на инвестициите, Китай и Русия вече са изпреварили Съединените щати.“

Има области в нанотехнологиите, в които руските учени станаха първите в света, като получиха резултати, които поставиха основата за развитието на нови научни направления.

Сред тях са производството на ултрадисперсни наноматериали, проектирането на едноелектронни устройства, както и работата в областта на атомната сила и сканиращата сондова микроскопия. Само на специална изложба, проведена в рамките на XII Санкт Петербургски икономически форум (2008 г.), бяха представени наведнъж 80 конкретни разработки. Русия вече произвежда редица нанопродукти, които се търсят на пазара: наномембрани, нанопрахове, нанотръби. Въпреки това, според експерти, в комерсиализацията на нанотехнологичните разработки Русия изостава от САЩ и други развити страни с десет години.

Нанотехнологиите в изкуството

Редица произведения на американската художничка Наташа Вита-Мор се занимават с нанотехнологични теми.

В съвременното изкуство се появи ново направление: „наноизкуство“ (наноизкуство) - вид изкуство, свързано със създаването на скулптури (композиции) от художника с микро- и наноразмери (съответно 10 −6 и 10 −9 m) под въздействието на химични или физични процеси на обработка на материали, фотографиране на получените нано-изображения с помощта на електронен микроскоп и обработка на черно-бели снимки в графичен редактор.

В известната творба на руския писател Н. Лесков „Левицата“ (1881) има интересен фрагмент: „Ако, казва той, имаше по-добър микроскоп, който увеличава пет милиона, тогава ще благоволите,“ той казва, „да видите, че на всяка подкова е изписано името на майстора: кой руски майстор е направил тази подкова.“ Увеличение от 5 000 000 пъти се осигурява от съвременните електронни и атомно-силови микроскопи, които се считат за основни инструменти на нанотехнологиите. Така литературният герой Лефти може да се счита за първия „нанотехнолог“ в историята.

Идеите, представени от Файнман в неговата лекция от 1959 г. „Има много място там долу“ за това как да се създават и използват наноманипулатори, почти текстово съвпадат с научнофантастичния разказ „Микроруки“ на известния съветски писател Борис Житков, публикуван през 1931 г. Някои негативни последици от неконтролираното развитие на нанотехнологиите са описани в произведенията на М. Крайтън („The Swarm“), С. Лем („Проверка на място“ и „Мир на Земята“), С. Лукяненко („Нищо за Разделяне“).

Главният герой на романа „Трансман” на Ю. Никитина е ръководител на нанотехнологична корпорация и първият човек, изпитал въздействието на медицинските нанороботи.

В научно-фантастичната поредица Stargate SG-1 и Stargate Atlantis някои от най-технологично напредналите раси са две раси на „репликатори“, възникнали в резултат на неуспешни експерименти, използващи и описващи различни приложения на нанотехнологиите. В Денят, в който Земята спря, с участието на Киану Рийвс, извънземна цивилизация осъжда човечеството на смърт и почти унищожава всичко на планетата с помощта на самовъзпроизвеждащи се нанорепликантни буболечки, които поглъщат всичко по пътя си.

Учебна програма на курса

Вестник бр.	Учебен материал
17	Лекция №1.Какво се крие зад префикса „нано”? Нанонаука и нанохимия.Размерен ефект. Класификация на нанообектите.
18	(Ерьомин В.В., Дроздов А.А.)Лекция №2. Класификация на методите за синтез на наночастици. Химични методи на синтез („отдолу нагоре”). Методи за визуализация и изследване на наночастици.(Еремин В.В., Дроздов А.А.)
19	Лекция No3.Нанотехнологии. Фундаментални и приложни изследвания: връзка между нанонауката и нанотехнологията.Механични наноустройства. Магнитни наноматериали. Нанотехнологии в медицината. Развитие на нанотехнологиите.(Еремин В.В., Дроздов А.А.)
20	Тест №1(краен срок: 25 ноември 2009 г.) Лекция №4.Въглеродни наноматериали.
21	Алотропните форми на въглерода са „нано“ и „ненано“. Нанодиаманти. Фулерени и техните производни. Нанотръби, тяхната класификация и свойства. Общи свойства на въглеродните наноформи.(Еремин В.В.) Лекция No5.Въглеродни наноматериали.
22	Наноматериали за енергия.Традиционни и алтернативни източници на енергия. Наноматериали в горивни клетки. Наноматериали за съхранение на водород. Лекция No6.Нанокатализа. Общи свойства на катализаторите. Класификация на каталитичните реакции. Принципи на структурно и енергийно съответствие. Катализа върху наночастици и зеолити.(Еремин В.В.)
23	Тест No2(срок – 30 декември 2009 г.) Лекция No7.Нанохимия в олимпиадни задачи. 1. Прости задачи.
24	Методи за получаване на наночастици. Структура на наночастиците.Свойства на наночастиците. Въглеродни наноматериали.
(Еремин В.В.) Лекция No8. Нанохимия в олимпиадни задачи. 2. Комплексни комбинирани задачи.

Финална работа.
Кратък отчет за крайната работа, придружен от удостоверение от учебното заведение, трябва да бъде изпратен в Педагогическия университет не по-късно от 28 февруари 2010 г.

(Повече подробности за финалната работа ще бъдат публикувани след лекция № 8.)

В.В.ЕРЕМИН,
А.А.ДРОЗДОВ

Статията е публикувана с подкрепата на Компанията за дистрибуция на продукти „Може“. Повече от 50 години Mozhe Product Distribution произвежда препарати за микроинжектиране в стволовете на дърветата, торове за дървета и продукти за профилактика и третиране на вредители по дърветата. Това допринася за устойчивостта на дървото към наранявания и неблагоприятни условия. Посетете официалния сайт на компанията http://mauget.ru и научете повече.

Методите за производство на наночастици, предложени от физици и химици (виж лекция № 2), могат да бъдат сравнени с лабораторните методи за производство на амоняк или сярна киселина. Очевидно производството поставя по-мащабни предизвикателства пред учените и технолозите.

Да вземем за пример безжично наноустройство, което излъчва светлина. Състои се от най-тънкия слой полупроводник – галиев нитрид – с дебелина само 3 nm, т.е. състоящ се само от дузина атомни слоя. Върху него са нанесени наносфери - модифицирани фулеренови молекули, които, приемайки електрони, излъчват светлина. Първоначалната химическа задача е да се получат вещества в наносъстояние, но технологичната задача е много по-трудна – да се формират така, че да се получи устройство и това устройство да работи.

В процеса на развитие на нашите представи за наносвета концепцията за нанотехнологиите претърпя няколко промени. Терминът „нанотехнология“ е използван за първи път през 1974 г. от японския инженер Норио Танигучи, който го дефинира като „технология за производство, която позволява постигането на ултра-висока прецизност и ултра-малки размери... от порядъка на 1 nm“. Под влиянието на американския учен К. Е. Дрекслър през 80-те и 90-те години на ХХ век се въвеждат нанотехнологиите.започва да се нарича създаването на различни устройства от отделни молекули. Перспективите на нанотехнологиите бяха описани например като миниатюрни автономни нанороботи, които се пускат в човешкото тяло и, плавайки през кръвоносната система, откриват болни органи и след това ги „ремонтират“. В същото време нанотехнологиите се разбират като научна област. Но дефиницията на нанотехнологиите, дадена от А. Франкс през 1987 г., се доближава до истината: „Нанотехнологията е

Наистина, докато „молекулярните машини“ на Дрекслер се създават с помощта на формули и компютърни симулации, има стабилно подобрение в традиционните технологии, които, поради повишените прецизни характеристики, навлизат в областта на нанотехнологиите. Това се проявява най-ясно в развитието на микроелектрониката: вече се произвеждат микросхеми с точност под нанометър, характерните размери на активните електронни елементи в които са по-малки от 100 nm. Микроелектронните технологии също послужиха като основа за създаването на микроелектромеханични устройства, чиито изисквания за точност на производство значително надхвърлиха прага от 100 nm. Ето защо през последните години терминът „нанотехнология“ се свързва преди всичко с практическото приложение на обекти от наносвета.

Ясна дефиниция на нанотехнологиите даде държавната корпорация Роснанотех, която финансира иновативни проекти в областта на нанотехнологиите*:

Нанотехнологиите са набор от методи и техники, използвани при изследването, проектирането, производството и използването на структури, устройства и системи, включително целенасочен контрол и модификация на формата, размера, интегрирането и взаимодействието на съставните им наномащабни елементи (1–100 nm) за получаване на обекти с нови химични, физични, биологични свойства.

Има няколко ключови израза в тази дълга дефиниция. Първо се определя мащабът на наноелементите - от 1 до 100 nm в поне едно измерение. Второ, подчертава се, че тези наноелементи трябва да осигурят нови свойства в сравнение с обекти, състоящи се от макрофаза на вещество със същия състав. Всъщност всяко вещество съдържа наноструктури, но те не винаги определят свойствата на веществото. Например размерът на елементарните клетки на фулеренови кристали надвишава 1 nm, а в състава на обикновената течна вода съществуват клъстери с нанометрови размери; но фулереновият прах и водата не се класифицират като обекти на нанотехнологиите.

Трето, определението отразява интердисциплинарен характернанотехнологии - в нейното развитие участват всички ключови природни науки, както и математиката и информационните технологии. Научното съдържание на нанотехнологиите се предава от думата „проучване“.

И накрая, дефиницията уточнява целите на нанотехнологиите - проектиране, производство и използване на наноструктури.

Основната дума при определяне на целта е последната, „използване“. Основната цел на нанотехнологиите, както на всяка друга технология, е производството на стоки и получаването на принадена стойност, следователно състоянието и развитието на нанотехнологиите се определят от пазарните механизми. В контекста на нанотехнологиите често се използва думата „иновация“, която означава научно откритие, доведено до ниво на практическа употреба. Иновационният път включва няколко етапа (диаграма).

Схема

Нанотехнологиите по принцип обхващат всички етапи на тази верига, като по този начин съчетават научните, производствените и икономическите аспекти на дейността.

Кои постижения на нанонауката вече са намерили своето приложение или обещават да го направят в близко бъдеще? Нека да разгледаме няколко примера от различни области на науката.

Механични наноустройства Една от научните основи на нанотехнологиите енаномеханика , изучаване на механичните свойства на наносистемите. За да се контролират свойствата на наносвета, първо трябва да се овладее механичното движение и да се научи да се управляват движенията на отделните наночастици – транслационни или ротационни. Сред най-интересните проблеми в наномеханиката е създаванетонаномотори – устройства, способни да преобразуват топлинна, електрическа или светлинна енергия в движение.Друго име за тези устройства е изпълнителни механизми(от англ

акт

Ето пример за изкуствен задвижващ механизъм, който преобразува светлинната енергия в механична работа. Действието му се основава на способността на азобензена да се изомеризира под въздействието на светлина.

Когато е изложен на ултравиолетово лъчение, транс-изомерът се превръща в цис-форма и обратната реакция настъпва при нагряване или излагане на видима (синя) светлина:

По време на изомеризацията една част от молекулата се върти спрямо другата и се извършва механична работа, която може да се използва в наномотор. Американски учени създадоха наномотор от малка ДНК молекула (31 двойки нуклеотиди), към която са прикрепени няколко молекули азобензен. Когато е сглобена, тази конструкция прилича на фиби (фиг. 2,А ). При ултравиолетово облъчване „фибичката“ се отваря поради изомеризацията на азобензен (фиг. 2, b ), а под въздействието на видима светлина настъпва обратната трансформация - „фибичката“ се сглобява. Когато се сглоби, размерът на такъв наномотор (Л ), а под въздействието на видима светлина настъпва обратната трансформация - „фибичката“ се сглобява. Когато се сглоби, размерът на такъв наномотор ( 1) варира от 2 до 5 nm, а при отворен (

2) – 10–12 nm. Неговата ефективност, т.е. степента на преобразуване на светлинната енергия достига 40–50%. Наномоторът работи обратимо, при меки условия и не произвежда отпадъци.

За да се следи хода на реакцията, две молекули бяха прикрепени към краищата на нуклеотидната верига - едната (флуоресцентен етикет) е способна да излъчва светлина при облъчване, а другата (гасител на флуоресценция) предотвратява този процес. Когато са затворени, гасителят и етикетът са близо един до друг, така че не възниква флуоресценция. Когато структурата се отвори, гасителят и етикетът се раздалечават и вече не взаимодействат един с друг, което води до флуоресценция.

Американски учени създадоха наноаналог на истински електродвигател. Състои се от малка златна пластина, поставена върху „нановал“ – въглеродна нанотръба. Цялата тази система е заобиколена от електроди. Когато към тях се приложи променливо електрическо напрежение, плочата започва да се върти - електромагнитната енергия се преобразува в механична работа. Механично движение може да се постигне и с помощта на химическа енергия. На това се основава работата на каталитичния наномотор, създаден през 2004 г.Състои се от цилиндрични пръчки, съдържащи сегменти от платина и злато с дължина 1 микрон и диаметър 370 nm (фиг. 3,

Учените са създали и молекулярен прототип на лунния роувър – молекула, способна да се движи праволинейно върху равна повърхност.

Химичното наименование на това съединение е 9,10-дитиоантрацен:

Молекулата му съдържа два серни атома, които излизат от цикличния гръбнак и действат като „крака“. Повечето други молекули се движат произволно по повърхността, т.е. в произволна посока и тази молекула е изключение.

Два серни атома действат като крака, последователно ги прекрачват и движат молекулата по протежение на субстрата по права линия (фиг. 4), без да променят посоката си. Такива „ходещи молекули“ могат да се използват за създаване на нови молекулярни устройства за съхранение на данни с изключително голям капацитет. Но те могат да се използват и за транспортиране на вещества - учените успяха да натоварят ходеща молекула, като прикрепиха две молекули CO 2 към нея.

Наскоро бяха създадени „самоходни устройства“, които смътно приличат на автомобили на външен вид. Органична молекула действа като тяло на автомобила, а C 60 фулерените служат като колела (фиг. 5). Ширината на такъв „наноавтомобил“ е малко по-голяма от дебелината на ДНК молекула. Един разрез на човешки косъм може да побере около 20 хиляди наноавтомобила! С помощта на сканиращ микроскоп учените точно установиха, че наноколите не ходят, а по-скоро се търкалят по повърхността поради въртенето на фулереновите колела. Сега те се задвижват чрез нагряване на златна пластина, която играе ролята на път. Това обаче е неудобно - защото отоплението задвижва всички коли наведнъж.

В момента учените работят върху създаването на антени, които биха позволили на машините да получават светлинна енергия отвън.

Създадени са и машини с двигател, чийто принцип на действие напомня на лопатковите параходи. Ролята на въртящо се колело, служещо като двигател, се играе от молекула карборан, наподобяваща топка с остриета. Такъв двигател с „острие“ може да се върти само в една посока – молекулите не позволяват „обратно движение“.

Частиците, които нямат несдвоени електрони, образуват вещества, които нямат собствен магнитен момент. Те се магнетизират само под въздействието на външно магнитно поле. Когато такова вещество се въведе в магнитно поле, във всеки от неговите атоми, поради закона за електромагнитната индукция, възникват индуцирани кръгови токове - кръговото движение на електрони около посоката на магнитното поле. Това води до факта, че във всеки атом се появява индуциран магнитен момент, насочен към външното магнитно поле. Описаното явление беше наречено диамагнетизъм, а веществата, които се магнетизират по този начин, са диамагнитни материали. Когато се въведе в магнитно поле, диамагнитният материал се ориентира перпендикулярно на силовите линии, което води до изтласкването му от нехомогенното магнитно поле.

Атомите с несдвоени електрони имат свой собствен магнитен момент. Веществата, съдържащи такива атоми, се магнетизират под въздействието на външно магнитно поле и се изтеглят в него. Това свойство се нарича парамагнетизъм, и вещества – парамагнитни. Частиците, от които са изградени парамагнетиците (атоми, молекули, йони) имат свой собствен магнитен момент, но при липса на външно поле моментите на отделните частици са ориентирани произволно, така че сумата им е нула. Във външно поле магнитните моменти на атомите на парамагнитните вещества са подредени и ориентирани предимно по протежение на полето. Това създава малък общ магнитен момент в веществото.

В някои вещества и материали, като желязото, магнитните моменти на отделните атоми са ориентирани в една и съща посока дори при липса на външно магнитно поле. Това свойство се нарича феромагнетизъм, и вещества – феромагнетици. Те се привличат от постоянни магнити и имат спонтанно намагнитване. Те включват някои метали (желязо, кобалт, никел, гадолиний), сплави, интерметални съединения (Fe 3 Al, Ni 3 Mn), както и оксиди (магнетит Fe 3 O 4).

През последните години вместо масивни магнити, произведени чрез пресоване или синтероване, често се използват магнитопласти, които са смес от магнитен прах и полимерно свързващо вещество. Всеки, който използва градския транспорт, познава апликираните върху билета гъвкави пластмасови ленти, покрити с тънък магнитен слой от магнетит или ферити. Тези ленти са предварително магнетизирани, превръщайки ги в носител на информация, която се разчита от валидатора. Магнитните материали се използват и за съхраняване на информация в елементите на компютърната памет. Основният механизъм за съхраняване на информация е да се магнетизира малка област от магнитен материал, наречен бит, в определена посока. Количеството съхранена информация обикновено се изразява в байтове; един байт ви позволява да съхранявате 8 бита информация.

С плътност на съхранение на информация от 1 гигабит (т.е. един милиард бита) на квадратен инч (1 инч = 2,54 cm, 1 инч 2 = 6,45 cm 2), един бит заема площ с дължина 45 nm и ширина 1 микрон.

Колкото по-малък е размерът на магнитните частици, толкова по-голяма информационна плътност може да бъде постигната. Вече са създадени дискове с плътност на запис над 20 Gbit на квадратен инч. Това ви позволява да съхранявате около 27 GB данни на 3,5-инчов твърд диск, което е повече от 25 хиляди книги в джобен формат или 20 филма, записани с високо качество. Този успех стана възможен благодарение на използването на магнитни нанозърна от сплав желязо-платина. За да се получат, съединенията на желязото и платината се нагряват в присъствието на редуциращ агент. За стабилизиране на получените наночастици е използвано повърхностно активно вещество (повърхностно активно вещество) - олеинова киселина. Молекулите на олеиновата киселина бяха адсорбирани върху повърхността на наночастиците от сплавта, предотвратявайки слепването им и образуването на по-големи агрегати. Разтвор, съдържащ наночастици, се нанася върху субстрата и се изпарява.

В този случай върху субстрата се образува тънък филм, състоящ се от отделни наночастици. Загрява се, за да се втвърди. Размерът на наночастиците от сплавта, които образуват филма, е само три нанометра! Специален вид магнитни наноматериали са порестите диамагнитни материали, в кухините на които има феромагнитни наночастици. Пример би билферитин

– специален протеин, отговорен за съхранението на желязо в тялото. Молекулата на феритина има формата на топка с диаметър 12 nm, изградена от 24 субединици – полипептидни фрагменти (фиг. 6).

Вътре в топката има кухина с диаметър 8 nm, пълна с наночастици от железен оксохидроксид FeOOH. Една молекула феритин съдържа повече от 4000 железни атома в своята кухина. Феритинът е универсално хранилище на желязо в организма. Ако е необходимо, през порите вътре в протеиновата обвивка излизат наночастици железен оксохидроксид с размери 5 nm и влизат в кръвта. Те се изразходват за синтеза на хемоглобин. Все още не е установено как феритинът „знае“ за необходимостта от освобождаване на желязо в кръвта. Учените работят върху създаването на изкуствени наноматериали, в които частици от железен оксохидроксид или магнетит са част от пореста матрица. Ще говорим за перспективите за използване на феромагнитни частици в медицината в следващия раздел. ориз. 6. Феритин.

Може ли течността да бъде привлечена от магнит? На пръв поглед изглежда не. В крайна сметка само някои метали и техните съединения притежават феромагнетизъм и всички те са твърди вещества при стайна температура. Въпреки това съществуват феромагнитни течности. Само те не са отделни вещества, а колоидни разтвори, в които феромагнитните частици са равномерно разпределени в течната фаза.

Обикновено се използват наночастици или ферити от магнетит Fe 3 O 4 . И за да не се утаят на дъното, към тях са прикрепени молекули на ПАВ. Размерите на колоидните частици варират в широки граници - от пет до десетки хиляди нанометра. Като течна фаза при създаването на магнитни течности се използват вода, етанол, както и неполярни разтворители - въглеводороди и силикони.

Магнитните течности остават стабилни в продължение на няколко години. Те имат не само добри магнитни свойства, но и висока течливост. Магнитните течности вече се използват в технологиите. С тяхна помощ е възможно да се преобразува механичната енергия в електрическа. Ако ампула с магнитна течност се постави вътре в индукционна намотка, свързана с кондензатор, тогава при всяка вибрация на ампулата течността ще се смеси и нейните частици ще бъдат разположени по дължината на магнитното поле. Енергията, освободена в този случай, може да бъде достатъчна за работа с малко радио или джобен часовник. Предлага се да се създадат устройства на този принцип, които преобразуват енергията на дъждовните капки в електрически ток. И ако магнитната течност се прекара през специални канали, изкопани в земята, тогава нейните частици ще бъдат ориентирани под въздействието на магнитното поле на Земята и след това ще дадат тази енергия на намотката. Така енергията на магнитното поле на Земята се преобразува в електрическа. Такива системи вече са успешно използвани за захранване с електричество на отделни селски къщи.За да се подготви магнитна течност, е необходимо да се получат нано- или микрочастици от магнитното вещество, което я образува. За получаването им се използват както физични (смилане или лазерно изпаряване на метал), така и химични методи. В училищна лаборатория можете да синтезирате магнитна течност, която е колоиден разтвор на магнетит във вода. Вярно е, че магнетитните частици, получени по този метод, са с размер приблизително един микрон, т.е. 1000 nm.

Смесват се 3 ml прясно приготвен 5% разтвор на железен(II) сулфат и 4 ml 5% разтвор на железен(III) сулфат. Към получената смес добавете няколко капки разтвор на натриев олеат (или друго повърхностно активно вещество, като капка детергент Fairy) и след това добавете воден разтвор на амоняк.

Поставете колбата с получения колоиден разтвор върху постоянен магнит (по-добре е да вземете пръстеновиден магнит от високоговорител), оставете за няколко часа и след това изцедете горния слой, като държите гъстата маса с магнит. Получената маса е магнитна течност.

Изсипете тънък слой магнитна течност в плоска чаша и дръжте магнит близо до нея, така че магнитните линии да влизат вертикално.

В книгата си „Двигатели на сътворението“ С. Е. Дрекслър прогнозира, че нанотехнологиите ще доведат до фундаментални открития и радикални промени в медицината. Отбелязвайки, че лекарите на ХХ век. разчитайки главно на хирургия и лекарства, Дрекслър пише: „От зашиване на рани и ампутиране на органи хирурзите преминаха на по-високо ниво – те се научиха да възстановяват сърдечната функция и да прикрепят отново крайниците. Използвайки микроскопи и прецизни микроинструменти, те свързват деликатни кръвоносни съдове и нерви. Но дори и най-квалифицираният микрохирург не може да изреже и зашие по-фини тъканни структури.

Съвременните скалпели и конци са твърде груби, за да оперират капиляри, клетки и молекули... От гледна точка на клетката и най-деликатната хирургическа операция, извършена с вещина и най-фините инструменти, е работа на месар. Изцелението е възможно само чрез способността на клетките да отделят мъртви клетки, да се прегрупират и да се размножават.

В 21 век Наномедицината ще оборудва лекаря с най-новите технически средства. Те ще улеснят и ускорят лечебната процедура и значително ще повишат нейната ефективност, ефикасност и точност.

Клиничната практика обаче ще остане класическа по природа. Както и преди, той ще се състои от шест традиционни етапа:

Анкета;

диагностика;

Прогноза;

Лечение (терапия);

Оценка на ефективността на лечението;

Профилактика.

Към днешна дата наномедицината има най-голямо влияние върху диагностиката и лечението на някои заболявания. През последните десетилетия най-важните диагностични инструменти станахамагнитен резонанс Икомпютърна томография

. Нанотехнологиите помагат драстично да повишат прага на чувствителност на тези методи, довеждайки го до клетъчно или дори субклетъчно ниво и като резултат откривайки заболяването в най-ранния му стадий. По този начин, чрез вкарване в кръвта на магнитни наночастици желязо, които поради своя размер се движат свободно през кръвоносната и лимфната система, е възможно чрез магнитен резонанс да се открият зони с нарушен кръвоток, като метастази.

Същността на този метод е следната: железни наночастици се инжектират интравенозно в тялото, тялото реагира на тяхното присъствие като чуждо тяло, а макрофагите (клетки на имунната система) се опитват да го „изядат“. В този случай по същество макрофагите са белязани с желязо. След това макрофагите циркулират през лимфната система, навлизат в кръвния поток в югуларната вена и оттам в метастазите (фиг. 7), където се намират. Недостатъкът на метода е, че той е неспецифичен, тъй като макрофагите, като средство за защита на тялото, могат да се натрупват не само в метастази и тумори, но и във всеки фокус на възпаление.

ориз. 7. Откриване на метастази с помощта на магнитни наночастициДруги частици, напр.

В областта на терапията най-голямото обещание на наномедицината се крие в доставянето на лекарства.

Това се отнася преди всичко за противотуморните лекарства. За някои видове рак вече са създадени технологии за доставяне на традиционни лекарства в нанокапсули директно в туморните клетки.

Новото поколение лекарства, които се разработват в момента, ще проникнат директно в засегнатите клетки и ще ги унищожат.

Изследователи от Южна Корея предложиха начин за откриване и унищожаване на ракови клетки с помощта на кухи златни наночастици. Антителата са прикрепени към повърхността на наночастиците, което им позволява да се прикрепят към раковите клетки. Съдържат и гадолиний, който служи като контрастно вещество при ядрено-магнитен резонанс и позволява да се видят засегнатите клетки. Когато наночастиците се облъчват с инфрачервен лазер, те се нагряват и топлината унищожава околните ракови клетки. Такива наноструктури нямат недостатъците на конвенционалните контрастни вещества на основата на железен оксид. Желязото води до смущения и отрицателни контрастни ефекти, което води до грешки в диагностиката. Дизайнът на златните наночастици осигурява по-ясен сигнал и по-правилна диагноза. Новият метод може да бъде ефективен в ранен стадий на заболяването, тъй като за разлика от химиотерапията, която засяга целия организъм, при него се третират отделни зони.Друг обещаващ подход се основава на използването на специално проектирани супрамолекулни*** наночастици, чиято сърцевина е дендримери).

Молекулите на фолиевата киселина са прикрепени към някои от тези групи. Туморните клетки свързват фолиевата киселина много по-здраво от здравите клетки. И с други функционални групи на дендримера се свързват молекули на антитуморно вещество и когато засегнатата клетка абсорбира дендример с фолиева киселина, тя също приема лекарство, което е фатално за себе си. В допълнение, лекарството, както в капсула, може да бъде разположено и в пространството между дендримерните вериги (така наречената вътрешна сфера). След като влезе в тумора, молекулата на дендримера променя конформацията на веригите и лекарството се освобождава. Експерименти върху мишки показват, че използването на такива супрамолекулни лекарства е много по-ефективно от традиционната химиотерапия. Клиничните изпитвания върху хора ще започнат скоро, а широкото разпространение на лекарството се очаква не по-рано от 10 години.

Постиженията на наномедицината все още са доста скромни. Въпреки това огромните инвестиции в тази обещаваща област неизбежно ще доведат до факта, че след няколко десетилетия ще бъде толкова невъзможно да си представим медицината без нанотехнологии, колкото сега е без кръвни тестове или рентгенови апарати.

Развитие на нанотехнологиите

Разгледахме резултатите от само малка част от изследванията в областта на нанонауката и нанотехнологиите. Някои други постижения, тясно свързани с нанохимията, ще бъдат обсъдени в следващите лекции. Броят на работите в областта на "нано" нараства рязко всяка година.

Зависимостта на реакцията на обществото към появата на нови технологии от времето винаги е една и съща: бързото нарастване на неоправданите очаквания се заменя със същото бързо разочарование, последвано от дълъг период на стабилизация, систематична работа и еволюционно развитие (фиг. 9) . В момента сме близо до пика на необоснованите очаквания, макар да не е ясно от коя страна – отляво или отдясно.

Перспективите за развитие на нанотехнологиите ще се определят от много фактори, чието общо въздействие е невъзможно да се предвиди.

Въпреки това, някои твърдения, свързани с бъдещето на нанотехнологиите, изглеждат безспорни.

1. Обемът на знанията в нанонауката непрекъснато нараства.

Малка част от това знание може да се трансформира в технология, останалата част представлява постижения на фундаменталната наука.

2. Икономическият растеж и технологичното развитие се определят преди всичко от образованието като процес на придобиване и прилагане на знания в различни области.

3. Нанотехнологиите се основават на природните науки: физика, химия, биология и математика.

1. Следователно развитието на нанотехнологиите ще изисква обществото да разпространява и подкрепя естествения научен начин на мислене. Това ще се отрази на образователната система и ще доведе до намаляване на ролята на хуманитарните науки, които в съвременното общество доминират над естествените науки.

2. Ние, като учители по химия, наистина искаме да се надяваме на повишаване на ролята на нашата научна дисциплина в обществото като цяло и в училище в частност. Нанотехнологиите обещават да помогнат за това.

3. Въпроси

4. Обяснете разликата между нанонаука и нанотехнология.

5. Какви етапи включва иновационната верига?

6. Какво може да служи като източник на енергия за наномотори?

7. Дайте пример за естествен наномотор.

Опишете дизайна на наномотор, който преобразува светлинната енергия в механична работа.

8. Какво кара наноавтомобила да се движи по повърхност?

9. Изберете от изброените по-долу вещества: а) диамагнитни вещества; б) парамагнитни материали; в) феромагнетици.

10. Кислород, желязо, натрий, въглероден оксид (IV), алуминий, железен оксид (II, III).

11. Какво е феритин? Каква роля играе в тялото?

Дефинирайте наномедицината.

1. Какво според вас може да е предимството на наномедицината пред традиционната медицина?Вярвате ли в бъдещето на нанотехнологиите?

2. Литература. Молекулярно инженерство: Подход към развитието на общи способности за молекулярна манипулация. Proc. Natl. акад. Sci. САЩ, 1981, с. 78, № 9, с. 5275–5278.

3. Франкс А. Нанотехнологии. J. Phys. E: Sci. инструмент., 1987, кн. 20, стр.

13. 1442–1451. Йонг Тайк Лимд. а.

Парамагнитни златни наноструктури за двойно модално биоизобразяване и фототерапия на ракови клетки. Chem. общ., 2008, с. 4930.

**Определение от Националния здравен институт на САЩ (NIH).