Президент Росії Дмитро Медведєв упевнений, що у країні є всі умови для успішного розвитку нанотехнологій.
Нанотехнології - це новий напрямок науки і технології, що активно розвивається в останні десятиліття. Нанотехнології включають створення та використання матеріалів, пристроїв та технічних систем, функціонування яких визначається наноструктурою, тобто її впорядкованими фрагментами розміром від 1 до 100 нанометрів.
Приставка "нано", що прийшла з грецької мови ("нанос" по-грецьки - гном), означає одну мільярдну частку. Один нанометр (нм) – одна мільярдна частка метра.
Термін "нанотехнологія" (nanotechnology) був запроваджений у 1974 році професором-матеріалознавцем з Токійського університету Норіо Танігучі (Norio Taniguchi), який визначив його як "технологія виробництва, що дозволяє досягати надвисокої точності та ультрамалі розміри...порядку 1 нм..." .
У світовій літературі чітко відрізняють нанонауку (nanoscience) від нанотехнологій (nanotechnology). Для нанонауки використовується також термін - nanoscale science (нанорозмірна наука).
Російською мовою та в практиці російського законодавства та нормативних документів термін "нанотехнології" поєднує "нанонауку", "нанотехнології", і іноді навіть "наноіндустрію" (напрями бізнесу та виробництва, де використовуються нанотехнології).
Найважливішою складовою нанотехнології є наноматеріалитобто матеріали, незвичайні функціональні властивості яких визначаються впорядкованою структурою їх нанофрагментів розміром від 1 до 100 нм.
‑ нанопористі структури;
‑ наночастки;
‑ нанотрубки та нановолокна
‑ нанодисперсії (колоїди);
‑ наноструктуровані поверхні та плівки;
‑ нанокристали та нанокластери.
Наносистемна техніка‑ повністю або частково створені на основі наноматеріалів та нанотехнологій функціонально закінчені системи та пристрої, характеристики яких кардинально відрізняються від показників систем та пристроїв аналогічного призначення, створених за традиційними технологіями.
Області застосування нанотехнологій
Перелічити всі галузі, у яких ця глобальна технологія може суттєво вплинути на технічний прогрес, практично неможливо. Можна назвати лише деякі з них:
‑ елементи наноелектроніки та нанофотоніки (напівпровідникові транзистори та лазери;
‑ фотодетектори; Сонячні елементи; різні сенсори);
‑ пристрої надщільного запису інформації;
‑ телекомунікаційні, інформаційні та обчислювальні технології; суперкомп'ютери;
‑ відеотехніка — плоскі екрани, монітори, відеопроектори;
‑ молекулярні електронні пристрої, у тому числі перемикачі та електронні схеми на молекулярному рівні;
‑ нанолітографія та наноімпринтінг;
‑ паливні елементи та пристрої зберігання енергії;
- пристрої мікро-і наномеханіки, у тому числі молекулярні мотори та наномотори, нанороботи;
‑ нанохімія та каталіз, у тому числі управління горінням, нанесення покриттів, електрохімія та фармацевтика;
‑ авіаційні, космічні та оборонні програми;
‑ устрою контролю стану навколишнього середовища;
‑ цільова доставка ліків та протеїнів, біополімери та загоєння біологічних тканин, клінічна та медична діагностика, створення штучних м'язів, кісток, імплантація живих органів;
‑ біомеханіка; геноміка; біоінформатика; біоінструментарій;
‑ реєстрація та ідентифікація канцерогенних тканин, патогенів та біологічно шкідливих агентів;
‑ безпека у сільському господарстві та при виробництві харчових продуктів.
Комп'ютери та мікроелектроніка
Нанокомп'ютер- Обчислювальний пристрій на основі електронних (механічних, біохімічних, квантових) технологій з розмірами логічних елементів близько кількох нанометрів. Сам комп'ютер, який розробляється на основі нанотехнологій, також має мікроскопічні розміри.
ДНК-комп'ютер- Обчислювальна система, що використовує обчислювальні можливості молекул ДНК. Біомолекулярні обчислення - це збірна назва для різних технік, так чи інакше пов'язаних з ДНК або РНК. При ДНК-обчислення дані подаються над формі нулів і одиниць, а вигляді молекулярної структури, побудованої з урахуванням спіралі ДНК. Роль програмного забезпечення для читання, копіювання та управління даними виконують спеціальні ферменти.
Атомно-силовий мікроскоп- скануючий зондовий мікроскоп високої роздільної здатності, заснований на взаємодії голки кантилевера (зонда) з поверхнею досліджуваного зразка. На відміну від скануючого тунельного мікроскопа (СТМ) може досліджувати як провідні, так і непровідні поверхні навіть через шар рідини, що дозволяє працювати з органічними молекулами (ДНК). Просторова роздільна здатність атомно-силового мікроскопа залежить від розміру кантилевера і кривизни його вістря. Роздільна здатність досягає атомарного по горизонталі і істотно перевищує його по вертикалі.
Антена-осцилятор- 9 лютого 2005 року в лабораторії Бостонського університету була отримана антена-осцилятор розмірами близько 1 мкм. Цей пристрій налічує 5000 мільйонів атомів і здатний осцилювати із частотою 1,49 гігагерц, що дозволяє передавати за її допомогою величезні обсяги інформації.
Наномедицина та фармацевтична промисловість
Напрямок у сучасній медицині заснований на використанні унікальних властивостей наноматеріалів та нанооб'єктів для відстеження, конструювання та зміни біологічних систем людини на наномолекулярному рівні.
ДНК-нанотехнології‑ використовують специфічні основи молекул ДНК та нуклеїнових кислот для створення на їх основі чітко заданих структур.
Промисловий синтез молекул ліків та фармакологічних препаратів чітко визначеної форми (біс-пептиди).
На початку 2000-го року, завдяки швидкому прогресу в технології виготовлення частинок нанорозмірів, було дано поштовх до розвитку нової галузі нанотехнології. наноплазмоніці. Виявилося можливим передавати електромагнітне випромінювання вздовж ланцюжка металевих наночастинок за допомогою збудження плазмових коливань.
Робототехніка
Нанороботи- Роботи, створені з наноматеріалів і розміром порівняні з молекулою, що володіють функціями руху, обробки та передачі інформації, виконання програм. Нанороботи, здатні до створення власних копій, тобто. самовідтворення, називаються реплікаторами.
В даний час вже створені електромеханічні наноустрою, які обмежено здатні до пересування, які можна вважати прототипами нанороботів.
Молекулярні ротори- синтетичні нанорозмірні двигуни, здатні генерувати крутний момент при додатку до них достатньої кількості енергії.
Місце Росії серед країн, що розробляють та виробляють нанотехнології.
Світовими лідерами із загального обсягу капіталовкладень у сфері нанотехнологій є країни ЄС, Японія та США. Останнім часом значно збільшили інвестиції у цю галузь Росія, Китай, Бразилія та Індія. У Росії обсяг фінансування в рамках програми "Розвиток інфраструктури наноіндустрії в Російській Федерації на 2008-2010 роки" складе 27,7 млрд.руб.
В останньому (2008 рік) звіті лондонської дослідницької фірми Cientifica, який називається "Звіт про перспективи нанотехнологій", про російські вкладення написано дослівно таке: "Хоча ЄС за рівнем вкладень все ще посідає перше місце, Китай та Росія вже випередили США".
У нанотехнологіях існують такі галузі, де російські вчені стали першими у світі, отримавши результати, що започаткували розвиток нових наукових течій.
Серед них можна виділити отримання ультрадисперсних наноматеріалів, проектування одноелектронних приладів, а також роботи в галузі атомно-силової та скануючої зондової мікроскопії. Тільки на спеціальній виставці, що проводилася в рамках XII Петербурзького економічного форуму (2008), було представлено відразу 80 конкретних розробок.
У Росії її вже виробляється низку нанопродуктів, затребуваних над ринком: наномембрани, нанопорошки, нанотрубки. Однак, на думку експертів, з комерціалізації нанотехнологічних розробок Росія відстає від США та інших розвинених країн на десять років.
Матеріал підготовлений на основі інформації відкритих джерел
Розмови про нанотехнології зараз на вустах кожного вченого. Але як і чому вони виникли? Хто їх вигадав? Давайте звернемося до авторитетних джерел.
По суті, навіть немає визначення слові «нанотехнологія», але це слово успішно застосовують, коли говорять про щось мініатюрне. Точніше — надмініатюрне: про машини, що складаються з окремих атомів, про нанотрубки з графену, сингулярність та випуск антропоморфних роботів на основі наноматеріалів…
Наразі прийнято вважати, що термін та позначення спрямованості нанотехнологій беруть свій початок у доповіді Річарда Феймана «На дні багато місця». Тоді Фейнман здивував слухачів загальними міркуваннями про те, що буде, якщо тільки мініатюризація електроніки, що почалася, дійде до своєї логічної межі, «дна».
Для довідки: " Англійський термін «Nanotechnology» був запропонований японським професором Норіо Танігучі в середині 70-х років. минулого століття та використаний у доповіді «Про основні засади нанотехнології» (OntheBasicConceptofNanotechnology) на міжнародній конференції у 1974 р., тобто задовго до початку масштабних робіт у цій галузі. За своїм змістом він помітно ширший за буквальний російський переклад «нанотехнологія», оскільки має на увазі велику сукупність знань, підходів, прийомів, конкретних процедур та їх матеріалізовані результати – нанопродукцію.»
Протягом другої половини 20 століття розвивалися як технології мініатюризації (у мікроелектроніці), і засоби спостереження за атомами. Основні віхи мікроелектроніки такі:
- 1947 - винахід транзистора;
- 1958 – поява мікросхеми;
- 1960 – технологія фотолітографії, промислове виробництво мікросхем;
- 1971 – перший мікропроцесор фірми «Інтел» (2250 транзисторів на одній підкладці);
- 1960-2008 – дія «закону Мура» – кількість компонентів на одиниці площі підкладки подвоювалася кожні 2 роки.
Подальша мініатюризація уперлася в межі, що задаються квантовою механікою. Щодо мікроскопів, то інтерес до них зрозумілий. Хоча рентгенівські зображення і допомогли побачити багато цікавого - наприклад, подвійну спіраль ДНК - мікрооб'єкти хотілося розглянути краще.
Простежимо за хронологією і тут:
1932 - Е.Руска винайшов електронний мікроскоп, що просвічує. За принципом дії він схожий на звичайний оптичний, тільки замість фотонів – електрони, а замість лінз – магнітна котушка. Мікроскоп давав збільшення у 14 разів.
1936 - Е.Мюллер запропонував конструкцію автоелектронного мікроскопа зі збільшенням понад мільйон разів. За принципом дії він схожий на театр тіней: на екрані висвічуються зображення мікрооб'єктів, розташованих на вістрі голки, що випромінює електрони. Однак, дефекти голки та хімічні реакції не давали змоги отримати зображення.
1939 - Просвічуючий електронний мікроскоп Руски став збільшувати у 30 тисяч разів.
1951 - Мюллер винайшов автоіонний мікроскоп і отримав зображення атомів на вістрі голки.
1955 – Перше у світі зображення окремого атома, отримане автоіонним мікроскопом.
1957 – Перше у світі зображення окремої молекули, отримане автоелектронним мікроскопом.
1970 - Зображення окремого атома, отримане електронним мікроскопом, що просвічує.
1979 - Бінніг і Рорер (Цюріх, IBM) винайшли скануючий тунельний мікроскоп з роздільною здатністю не гірше за вищезгадані.
Але головне в іншому — «у світі» найпростіших частинок набуває чинності квантова механіка, а отже спостереження неможливо відокремити від взаємодії. Простіше кажучи, дуже швидко виявилося, що мікроскопом можна чіпляти і рухати молекули, або змінювати їх електричний опір простим натисканням.
Наприкінці 1989 року науковий світ облетіла сенсація: людина навчилася маніпулювати окремими атомами. Співробітник IBM Дональд Ейглер, який працював у Каліфорнії, написав на поверхні металу назву своєї фірми 35 атомами ксенону. Ця картинка, яка згодом розтиражована світовими ЗМІ і вже осіла на сторінках шкільних підручників, ознаменувала народження нанотехнології.
Про повторення успіху відразу ж (1991) відзвітували японські вчені, які створили напис «PEACE ”91 HCRL” (Світ у 1991 році Центральна дослідницька лабораторія HITACHI). Щоправда, робили вони цей напис цілий рік і зовсім не методом розміщення атомів на поверхні, а навпаки – виколупували непотрібні атоми із золотої підкладки.
Реально повторити досягнення Ейглера вдалося лише 1996 року – у цюріхській лабораторії IBM. Станом на 1995 рік у світі було лише п'ять лабораторій, які займаються маніпуляцією з атомами. Три в США, одна в Японії та одна в Європі. При цьому європейські та японські лабораторії належали IBM, тобто теж за фактом були американськими.
Що залишалося європейським політикам та бюрократам робити у такій ситуації? Тільки кричати про згубність прогресу для навколишнього середовища та небезпеку нових технологій в американських руках.
На сайті британського журналу New Scientist основні відомості про нанотехнології представлені в дуже зручному вигляді - у формі відповідей на питання, що часто ставляться, пише dp.ru.
Що таке нанотехнологія?
Під терміном «нанотехнологія» слід розуміти комплекс наукових та інженерних дисциплін, що досліджують процеси, що відбуваються в атомному та молекулярному масштабі. Нанотехнологія передбачає маніпуляції з матеріалами та пристроями настільки маленькими, що нічого меншого бути не може. Говорячи про наночастинки, зазвичай мають на увазі розміри від 0,1 нм до 100 нм. Зауважимо, що розміри більшості атомів лежать в інтервалі від 0, 1 до 0, 2 нм, ширина молекули ДНК приблизно 2 нм, характерний розмір клітин крові приблизно 7500 нм, людське волосся - 80 000 нм.
Чому маленькі об'єкти набувають таких специфічних властивостей на рівні наномасштабів? Наприклад, невеликі групи (їх називають кластерами) атомів золота і срібла демонструють унікальні каталітичні властивості, тоді як великі за розміром зразки зазвичай інертні. А наночастки срібла демонструють чітко виражені антибактеріальні властивості і тому використовуються в нових типах перев'язувальних матеріалів.
При зменшенні розміру частинок зростає відношення поверхні обсягу. З цієї причини наночастки значно легше вступають у хімічні реакції. На додаток до цього на рівні менше 100 нм з'являються ефекти квантової фізики. Квантові ефекти можуть впливати на оптичні, електричні чи магнітні властивості матеріалів непередбачуваним чином.
Маленькі кристалічні зразки деяких речовин стають міцнішими, оскільки вони просто досягають стану, при якому не можуть розколюватися так, як це відбувається у великих кристалів, коли на них впливають зусиллям. Метали стають схожими у певному відношенні до пластмаси.
Які перспективи застосування нанотехнологій?
Ще в 1986 році футуролог Ерік Дресслер намалював образ утопічного майбутнього, в якому нанороботи, що самореплікуються (тобто відтворюють самі себе) виконують всю необхідну суспільству роботу. Ці крихітні пристрої здатні ремонтувати організм людини зсередини, роблячи людей віртуально безсмертними. Нанороботи можуть також вільно переміщатися у навколишньому середовищі, що робить їх незамінними у боротьбі із забрудненням цього середовища.
Очікується, що нанотехнології забезпечать суттєвий прорив у комп'ютерних технологіях, медицині, а також у військовій справі. Наприклад, медична наука розробила способи доставки ліків безпосередньо до ракових тканин у крихітних «нанобомбах». У майбутньому наноустрою можуть «патрулювати» артерії, протидіючи інфекціям та забезпечуючи діагностику захворювань.
Американські вчені успішно використовували вкриті золотом «нанопулі» для пошуку та руйнування неоперабельних ракових пухлин. Вчені прикріпили нанопулі до антитіл, які здатні контактувати з раковими клітинами. Якщо піддати «нанопулі» дії випромінювання, близького за частотою до інфрачервоного, їх температура буде підвищуватися, що сприяє знищенню канцерогенних тканин.
Дослідники з фінансованого армією США Інституту армійських нанотехнологій у Кембриджі (США) використовують нанотехнології для створення нового типу обмундирування. Їхня мета - створити тканину, яка може змінювати забарвлення, відхиляти у бік кулі та енергію вибухової хвилі і навіть склеювати кістки.
Де застосовуються нанотехнології нині?
Нанотехнології вже використовуються при виробництві жорстких дисків персональних комп'ютерів, каталітичних конвертерів - елементів двигунів внутрішнього згоряння, тенісних м'ячів з тривалим терміном служби, а також високоміцних і одночасно легких тенісних ракеток, інструментів для різання металів, антистатичних покриттів для чутливої електронної апаратури, спец. , що забезпечують їх самоочищення.
Як створюються наноустрою?
В даний час використовується два основних способи виготовлення наноустрою.
Знизу вгору. Складання наноустроїв за принципом «молекула до молекули» що нагадує складання будинку або . Прості наночастинки, такі як діоксид титану або оксид заліза, що використовуються в косметиці, можуть бути отримані за допомогою хімічного синтезу.
Можна створювати наноустрою, перетягуючи окремі атоми з допомогою так званого атомного силового мікроскопа (або скануючого тунельного мікроскопа), досить чутливого до виконання подібних процедур. Вперше ця методика була продемонстрована фахівцями IBM – за допомогою скануючого тунельного мікроскопа вони виклали абревіатуру IBM, розташувавши відповідним чином 35 атомів ксенону на поверхні нікелевого зразка.
Зверху вниз. Ця методика припускає, що ми використовуємо макроскопічний зразок і, наприклад, за допомогою травлення створюємо на його поверхні звичайні компоненти мікроелектронних пристроїв з параметрами, характерними для наномасштабів.
Чи є нанотехнологія загрозою здоров'ю людини або навколишньому середовищу?
Інформації про негативний вплив наночастинок не так уже й багато. У 2003 р. в одному з досліджень було показано, що вуглецеві нанотрубки можуть пошкоджувати легені у мишей та щурів. Дослідження 2004 р. показало, що фулерени можуть накопичуватися та викликати пошкодження мозку у риб. Але в обох дослідженнях було використано великі порції речовини за незвичайних умов. За словами одного з експертів, хіміка Крістена Куліновські (США), «було б доцільно обмежити вплив цих наночастинок, незважаючи на те, що наразі інформація про їхню загрозу людському здоров'ю відсутня».
Деякі коментатори висловлюються також щодо того, що широке використання нанотехнологій може призвести до ризиків соціального та етичного плану. Так, наприклад, якщо використання нанотехнологій ініціює нову промислову революцію, це призведе до втрати робочих місць. Більше того, нанотехнології можуть змінити уявлення про людину, оскільки їх використання допоможе продовжувати життя та суттєво підвищувати стійкість організму.
«Ніхто не може заперечувати, що широке поширення мобільних телефонів та інтернету призвело до величезних змін у суспільстві», – каже Крістен Куліновський. - Хто візьме на себе сміливість сказати, що нанотехнології не вплинуть на суспільство найближчими роками?»
Що таке нанотехнологія?
Опубліковано kur в 29 червня, 2007 - 22:51.Як не дивно звучить це питання у наш час, але відповідати доведеться. Хоча б для себе самого. Спілкуючись із вченими та фахівцями, зайнятими в цій галузі, я дійшов висновку, що питання досі залишається відкритим.
У Вікіпедії хтось дав таке визначення:
Нанотехнологія - область прикладної науки та техніки, що займається вивченням властивостей об'єктів та розробкою пристроїв розмірів порядку нанометра (за системою одиниць СІ, 10-9 метрів).
У популярній пресі використовується ще більш просте і зрозуміле для обивателя визначення:
Нанотехнології – це технології маніпулювання речовиною на атомному та молекулярному рівні.
(Люблю короткі визначення:))
Або ось визначення професора Г. Г. Єленіна (МДУ, Інститут прикладної математики ім. М.В. Келдиша РАН):
Нанотехнологією називається міждисциплінарна сфера науки, в якій вивчаються закономірності фізико-хімічних процесів у просторових областях нанометрових розмірів з метою управління окремими атомами, молекулами, молекулярними системами при створенні нових молекул, наноструктур, наноустроїв та матеріалів зі спеціальними фізичними, хімічними та біологічними властивостями.
Так, загалом, все досить зрозуміло. Але наш (спеціально зазначу, вітчизняний) прискіпливий скептик скаже: "А що, щоразу, коли ми розчиняємо шматочок цукру в склянці чаю, ми хіба не маніпулюємо речовиною на молекулярному рівні?"
І буде правий. Необхідно додати до випередження поняття, пов'язані з "контролем та точністю маніпулювання".
Федеральне Агентство з науки та інновацій у "Концепції розвитку в РФ робіт у галузі нанотехнологій до 2010 року", дає таке визначення:
"Нанотехнологія - сукупність методів і прийомів, що забезпечують можливість контрольованим чином створювати і модифікувати об'єкти, що включають компоненти з розмірами менше 100нм, хоча б в одному вимірі, і в результаті цього отримали принципово нові якості, що дозволяють здійснити їх інтеграцію в повноцінно функціонуючі системи; у ширшому значенні цей термін охоплює також методи діагностики, характерології та досліджень таких об'єктів”.
Ого! Потужно сказано!
Або ось Статс-секретар Міносвіти РФ Дмитро Ліванов визначає нанотехнології як:
"набір наукових, технологічних та виробничих напрямів, які об'єднані в єдину культуру, засновану на проведенні операцій з матерією на рівні окремих молекул та атомів".
Простий скептик задоволений, але скептик-фахівець скаже: "А чи не цими нанотехнологіями весь час займається традиційна хімія або молекулярна біологія і багато інших напрямів науки, створюючи нові речовини, в яких їх властивості і структура визначаються певним чином пов'язаними нанорозмірними об'єктами?"
Що ж робити? Ми ж розуміємо, що таке "нанотехнології"... відчуваємо, можна сказати. Спробуємо додати до визначення ще пару термінів.
Бритва Оккама
Нанотехнології: будь-які технології створення об'єктів, споживчі властивості яких визначаються необхідністю контролю та маніпулювання окремими нанорозмірними об'єктами.
Коротко та скупо? Дамо пояснення використаним у визначенні термінів:
"Будь-які":Дані термін покликаний примирити фахівців різних науково-технологічних напрямів. З іншого боку, цей термін зобов'язує організації, що контролюють бюджет розвитку нанотехнологій, піклуватися про фінансування широкого кола напрямків. Включаючи, звичайно, і молекулярні біотехнології. (без необхідності штучно притягувати до назви цих напрямків приставку "нано-"). Вважаю, досить важливим терміном для ситуації з нанотехнологіями в нашій країні на поточному етапі:).
"Споживчі властивості"(можна, звичайно, використовувати традиційний термін "Споживча вартість" - кому як подобається): створення об'єктів з використанням таких передових методів, як контроль та маніпулювання речовиною на нанорівні, має надавати будь-які нові споживчі властивості, або впливати на ціну об'єктів, в іншому випадку воно стає безглуздим.
Зрозуміло також, що, наприклад, нанотрубки, які мають один з лінійних розмірів лежить у сфері традиційної розмірності, також потрапляють під це визначення. При цьому самі об'єкти, що створюються, можуть мати будь-які розміри - від "нано" до традиційних.
"Окремі":наявність цього терміну відводить визначення від традиційної хімії і однозначно вимагає наявності найпередовішого наукового, метрологічного та технологічного інструментарію, здатного забезпечити контроль за окремими, а за необхідності навіть за конкретними нанооб'єктами. Саме при індивідуальному контролі ми отримуємо об'єкти, які мають споживчу новизну. Можна заперечити, що, наприклад, багато існуючих технологій промислового виробництва ультрадисперсних матеріалів не вимагають наявності такого контролю, але це тільки з першого погляду; насправді ж сертифіковане виробництво ультрадисперстних матеріалів обов'язково вимагає наявності контролю над розмірністю окремих частинок.
"Контроль", без "Маніпулювання"поширює визначення так зв. нанотехнології "попереднього покоління".
"Контроль"спільно з "Маніпулюванням"поширює визначення перспективні нанотехнології.
Таким чином, якщо ми здатні знайти конкретний нанорозмірний об'єкт, проконтролювати і за необхідності змінити його структуру та зв'язки, то це – "нанотехнології". Якщо ми отримуємо нанорозмірні об'єкти без можливості такого контролю (за конкретними нанооб'єктами), це не нанотехнології чи, у разі, нанотехнології " попереднього покоління " .
"Нанорозмірний об'єкт":атом, молекула, надмолекулярна освіта.
Загалом визначення намагається пов'язати науку і технології з економікою. Тобто. відповідає досягненню основних цілей програми розвитку наноіндустрії: створення технологій, що спираються на передові методи дослідження та виробництва, а також комерціалізації отриманих досягнень.
Загалом, поки сам би я на цьому зупинився. А ви?
http://www.nanonewsnet.ru/what-are-the-nanotechnologies
У нашій країні уряд прийняв програму розвитку наноіндустрії. Слово «нанотехнології» стало модним, ЗМІ жваво обговорюють перспективи країни у світлі розвитку цієї багатообіцяючої наукової галузі. А що таке нанотехнології і чим вони можуть бути корисними?
Ми добре знаємо, що сантиметр – сота частка метра, міліметр – тисячна, а нанометр – мільярдна частина метра. Нано- Позначає мільярдну частку чогось.
Нанотехнології – це способи створення нанорозмірних структур, які надають матеріалам і пристроям корисні, а іноді просто незвичайні властивості, технології виготовлення надмікроскопічних конструкцій з найдрібніших частинок матерії. життя на краще.
Нанотехнології в медицині
Від нанотехнологічних розробокв медицинічекають на революційні досягнення у боротьбі з раком, з особливо небезпечними інфекціями, у ранній діагностиці, у протезуванні. З усіх цих напрямів ведуться інтенсивні дослідження. Деякі їхні результати вже дійшли медичної практики. Ось лише два яскраві приклади:
Вбиваючи мікробів і руйнуючи пухлину, ліки зазвичай завдають удару і здоровим органам і клітинам організму. Саме через це деякі тяжкі хвороби досі не вдається надійно вилікувати – ліки доводиться використовувати у дуже малих дозах. Вихід - доставляти потрібну речовину прямо в уражену клітину, не зачіпаючи решту.
Для цього створюються нанокапусли, найчастіше біологічні частинки (наприклад, ліпосоми), всередину яких міститься нанодоза препарату. Вчені намагаються "налаштувати" капсули на певні види клітин, які вони повинні знищити, проникаючи через мембрани. Нещодавно з'явилися перші промислові препарати такого типу для боротьби з деякими видами раку, іншими захворюваннями.
Наночастинки допомагають вирішити інші проблеми з доставкою ліків в організмі. Так, людський мозок серйозно захищений природою від проникнення непотрібних речовин кровоносними судинами. Однак цей захист неідеальний. Її легко долають молекули алкоголю, кофеїну, нікотину та антидепресантів, але вона блокує ліки від тяжких хвороб самого мозку. Щоб їх запровадити, доводиться робити складні операції. Наразі випробовується новий спосіб доставки ліків у мозок за допомогою наночастинок. Білок, який вільно проходить «мозковий бар'єр», грає роль «троянського коня»: до молекул цього білка «пристібається» квантова точка (нанокристал напівпровідника) і разом із ним проникає до клітин мозку. Поки квантові точки лише сигналізують про подолання бар'єру – у майбутньому планується використовувати їх та інші наночастки для діагностики та лікування.
Давно завершився всесвітній проект розшифровки геному людини – повне визначення структури молекул ДНК, які знаходяться у всіх клітинах нашого організму та безперервно керують їх розвитком, поділом, оновленням. Однак для індивідуального призначення ліків, для діагностики та прогнозу спадкових хвороб слід розшифрувати не геном взагалі, а геном даного пацієнта. Але процес розшифровки поки дуже тривалий і дорогий.
Нанотехнології пропонують цікаві шляхи вирішення цього завдання. Наприклад, використання нанопор - коли молекула проходить через таку пору, вміщену в розчин, датчик реєструє її зміни електричного опору. Втім, дуже багато можна зробити і не чекаючи повного вирішення такої складної проблеми. Вже існують біочіпи, що розпізнають у пацієнта за один аналіз понад двісті «генетичних синдромів», які відповідають за різні хвороби.
Діагностика стану індивідуальних живих клітин прямо в організмі - ще одне поле застосування нанотехнологій. Зараз випробовуються зонди, що складаються з оптоволкна завтовшки десятки нанометрів, до якого приєднаний хімічно чутливий наноелемент. Зонд вводиться у клітину, і оптоволкну передає інформацію про реакції чутливого елемента. Таким шляхом можна досліджувати в реальному часі стан різних зон усередині клітини, отримувати дуже важливу інформацію про порушення її тонкої біохімії. А це – ключ до діагностики серйозних хвороб на етапі, коли зовнішніх проявів ще немає – і коли вилікувати хворобу набагато простіше.
Цікавим прикладом є створення нових технологій секвенування (визначення нуклеотидної послідовності) молекул ДНК. З-поміж таких методик слід назвати, в першу чергу, секвенування за допомогою нанопор – технологію, що використовує пори для підрахунку частинок від субмікронного до міліметрового розміру, суспендованих у розчині електроліту. При проході молекули через час змінюється електричний опір в контурі датчика. І щодо зміни струму реєструється кожна нова молекула. Основна мета, яку намагаються досягти вчені, які розробляють цей метод – навчитися розпізнавати окремі нуклеотиди у складі РНК та ДНК.
Краса та нанотехнології
Індустрія краси – одна з областей, у якій новітні технології знаходять застосування найшвидше. Нанотехнології, які порівняно недавно перестали застосовуватися виключно в технічних пристроях, сьогодні все частіше можуть бути виявлені в продуктах косметики. Встановлено, що 80 відсотків усіх косметичних речовин, нанесених на шкіру, так і залишаються, незалежно від вартості. Це означає, що ефект від їх застосування позначається в основному лише на стані верхньої частини шкіри. Тому успіх косметичної галузі все більше залежить від розвитку систем доставки активних інгредієнтів у глибокі прошарки шкіри. На допомогу у вирішенні цієї проблеми, яка давно стоїть перед косметологами, прийшли нанотехнології. Старіння шкіри пов'язані з тим, що з віком оновлення клітин сповільнюється. Щоб стимулювати зростання молодих клітин, від кількості яких залежить пружність шкіри, її колір та відсутність зморшок, необхідно впливати на найглибший, паростковий шар дерми. Він відокремлений від поверхні шкіри бар'єром з рогових лусочок, скріплених між собою ліпідним прошарком. Зробити це можна лише через міжклітинні проміжки, діаметр яких дуже малий – не більше 100 нм. Але мікроскопічні "ворота" - не єдина перешкода. Є й інша складність: речовини, що заповнюють ці проміжки, не пропускають водорозчинні сполуки. Але ці речовини, які називають ліпідами, можна «обдурити», якщо використовувати нанотехнології. Одним із рішень проблеми доставки біологічно активних речовин, стало створення штучних «контейнерів», ліпосом, які, по-перше, мають малими розмірами, проникаючи в міжклітинні проміжки, а, по-друге, розпізнаються ліпідами як «дружні». Ліпосома є колоїдною системою, в якій водне ядро оточене з усіх боків замкнутим сферичним утворенням. Замаскована таким чином водорозчинна сполука безперешкодно проходить через ліпідний бар'єр. Косметика на основі ліпосом бореться з першими ознаками старіння шкіри – підвищеною сухістю, зморшками. Поживні речовини завдяки системі ліпосомальних комплексів здатні проникати досить глибоко. Але, на жаль, не настільки, щоб суттєво впливати на регенеративні процеси у шкірі. Міцели - мікроскопічні частинки, що утворюються в розчинах і складаються з ядра та оболонки. Залежно від того, в якому стані знаходиться розчин, з чого складається ядро та оболонка, міцели можуть набувати різних зовнішніх форм. Ліпосоми є одним з різновидів міцел.
Наступним етапом розвитку антивікової косметики стало створення наносом. Ці транспортні комплекси відрізняються ще меншими розмірами порівняно з ліпосомами і є кулястими структурами з «начинкою» з вітамінів, мікроелементів або інших корисних речовин. Завдяки малим розмірам, наносоми здатні проникати у глибокі шари шкіри. Але за всіх своїх переваг, наносоми не здатні транспортувати біоактивні комплекси, необхідні для повноцінного харчування клітин. Все, на що вони здатні - транспортувати якусь одну речовину, наприклад, вітамін. Останні розробки в галузі біотехнологій дозволили створювати косметичні засоби, здатні не тільки проникати в зону паросткового шару дерми, а й викликати в ньому саме процеси, які були запрограмовані в лабораторії. Косметика прицільної дії на основі нанокомплексів не тільки переносить поживні речовини в глибокі шари шкіри - в її арсеналі, залежно від поставленого завдання, є зволоження, очищення, видалення токсинів, розгладження рубців, шрамів та багато іншого. Причому нанокомплекси створюються так, що вивільнення біоактивних речовин відбувається саме на тій ділянці шкіри, де є потреба. Головна перевага такої косметики – цілеспрямована профілактика старіння. Адже коригувати процеси, що відбуваються в шкірі, набагато ефективніше, ніж боротися з результатами цих процесів. в.