лекция 6. Нанотехнологии в нашей жизни
Нанотехнологии очень активно входят в область научных исследований, а из неё - в нашу повседневную жизнь. Создаваемые искусственно нанообъекты постоянно удивляют исследователей своими свойствами и обещают самые неожиданные перспективы своего применения. А нанопродукция оказывает сильнейшее влияние на физическое и духовное состояние человека.
Скачать:
| Вложение | Размер |
|---|---|
 lekciya_6._nanotehnologii_v_nashey_zhizni.docx | 694 КБ |
Предварительный просмотр:
Нанотехнологии в нашей жизни
Разработки в области нанотехнологий находят применение практически в любой отрасли: в медицине, машиностроении, геронтологии, промышленности, сельском хозяйстве, биологии, кибернетике, электронике, экологии. С помощью нанотехнологий возможно осваивать космос, очищать нефть, побеждать многие вирусы, создавать роботов, защищать природу, построить сверхбыстрые компьютеры. Развитие нанотехнологий изменит жизнь человечества больше, чем освоение письменности, паровой машины или электричества. Наномир сложен и пока еще сравнительно мало изучен, и все же не столь далек от нас, как это казалось несколько лет назад.
Нанотехнологии в медицине
От нанотехнологических разработок в медицине ждут революционных достижений в борьбе с раком, с особо опасными инфекциями, в ранней диагностике, в протезировании. По всем этим направлениям ведутся интенсивные исследования. Некоторые их результаты уже пришли в медицинскую практику. Вот лишь два ярких примера:
Убивая микробов и разрушая опухоль, лекарства обычно наносят удар и по здоровым органам и клеткам организма. Именно из-за этого некоторые тяжелейшие болезни до сих пор не удается надежно вылечить – лекарства приходится использовать в слишком малых дозах. Выход - доставлять нужное вещество прямо в пораженную клетку, не задевая остальные.
Для этого создаются нанокапуслы, чаще всего биологические частицы (например, липосомы), внутрь которых помещается нанодоза препарата. Ученые пытаются «настроить» капсулы на определенные виды клеток, которые они должны уничтожить, проникая через мембраны. Совсем недавно появились первые промышленные препараты такого типа для борьбы с некоторыми видами рака, другими заболеваниями.
Наночастицы помогают решить и другие проблемы с доставкой лекарств в организме. Так, человеческий мозг серьезно защищен природой от проникновения ненужных веществ по кровеносным сосудам. Однако эта защита неидеальна. Ее легко преодолевают молекулы алкоголя, кофеина, никотина и антидепрессантов, но она блокирует лекарства от тяжелых болезней самого мозга. Чтобы их ввести, приходится делать сложные операции. Сейчас испытывается новый способ доставки лекарств в мозг с помощью наночастиц. Белок, который свободно проходит «мозговой барьер», играет роль «троянского коня»: к молекулам этого белка «пристегивается» квантовая точка (нанокристалл полупроводника) и вместе с ним проникает к клеткам мозга. Пока квантовые точки лишь сигнализируют о преодолении барьера – в будущем планируется использовать их и другие наночастицы для диагностики и лечения.
Давно завершился всемирный проект расшифровки генома человека – полное определение структуры молекул ДНК, которые находятся во всех клетках нашего организма и непрерывно управляют их развитием, делением, обновлением. Однако для индивидуального назначения лекарств, для диагностики и прогноза наследственных болезней нужно расшифровать не геном вообще, а геном данного пациента. Но процесс расшифровки пока очень длителен и дорог.
Нанотехнологии предлагают интересные пути к решению этой задачи. Например, использование нанопор – когда молекула проходит через такую пору, помещенную в раствор, датчик регистрирует ее по изменению электрического сопротивления. Впрочем, очень многое можно сделать и не дожидаясь полного решения такой сложной проблемы. Уже существуют биочипы, распознающие у пациента за один анализ более двухсот «генетических синдромов», отвечающих за различные болезни.
Диагностика состояния индивидуальных живых клеток прямо в организме – еще одно поле приложения нанотехнологий. Сейчас испытываются зонды, состоящие из оптоволкна толщиной в десятки нанометров, к которому присоединен химически чувствительный наноэлемент. Зонд вводится в клетку, и по оптоволкну передает информацию о реакции чувствительного элемента. Таким путем можно исследовать в реальном времени состояние различных зон внутри клетки, получать очень важную информацию о нарушениях ее тонкой биохимии. А это – ключ к диагностике серьезных болезней на этапе, когда внешних проявлений еще нет – и когда вылечить болезнь гораздо проще.
Интересным примером является создание новых технологий секвенирования (определения нуклеотидной последовательности) молекул ДНК. Из числа таких методик следует назвать, в первую очередь, секвенирование при помощи нанопор – технологию, использующую поры для подсчета частиц от субмикронного до миллиметрового размера, суспендированных в растворе электролита. При проходе молекулы через пору изменяется электрическое сопротивление в контуре датчика. И по изменению тока регистрируется каждая новая молекула. Основная цель, которую пытаются достигнуть ученые, разрабатывающие этот метод – научиться распознавать отдельные нуклеотиды в составе РНК и ДНК.
Информационные технологии
На наших глазах стремительно развиваются информационные технологии. Нанотехнологии революционным образом их преобразуют в связи с возможностью сделать аппаратуру более миниатюрной и более приспособленной для индивидуальных потребностей человека. Известен целый ряд органических молекулярных групп, которые могут функционировать как выпрямитель, проводящая шина или запоминающее устройство. Для хранения одного бита информации теоретически нужна всего одна молекула. Изготовленный таким образом накопитель на жестком диске мог бы во много раз превзойти по емкости сегодняшние аналоги.
Одним из самых перспективных направлений в наноэлектронике сегодня считается применение нанопроводов (nanowires) – нитей из различных материалов, чья толщина достигает единиц нанометров. Вдоль нанопровода можно «растянуть» транзистор – предполагается, что такие транзисторы станут основой для гибких электронных схем, находящихся в «умной ткани». Потребуется, конечно, надежная технология создания огромных массивов транзисторов на нанопроводах, и поразительно, что один из самых реалистичных путей к этому – сборка нанопроводов при помощи природных наномашин, молекул ДНК. На этом пути уже достигнуты обнадеживающие результаты.
Нанопровода могут оказаться очень полезными и для создания энергонезависимой (не стирающейся при выключении питания) магнитной памяти следующего поколения. Такое устройство, не имеющее движущихся частей, будет сочетать ёмкость жесткого диска с размерами и скоростью считывания лучших кремниевых чипов.
Впрочем, сегодня никто не может утверждать, что именно нанопровода станут основой компьютерной техники недалекого будущего. Многие исследовательские группы работают над другими базовыми элементами – в частности, графеновыми пленками. Однако все перспективные направления относятся к нанотехнологиям, то есть используют необычные свойства искусственно созданных нанометровых структур тех или иных материалов. В дальнейшем такие материалы должны обеспечить создание еще более мощных и компактных процессоров, где информация будет представлена уже не с помощью электрического заряда, как сейчас. На смену электронике готовится прийти спинтроника, оперирующая состояниями отдельных атомов или молекул.
Ну, а в более отдаленной перспективе компьютерную технику ожидает, вероятно, еще более фундаментальная революция - уже не только в элементной базе, а в самих принципах вычислений. Речь идет о создании квантовых процессоров – устройств, работающих с «квантовыми битами», или «кубитами». Квантовый процессор не обязательно будет очень маленьким – современные прототипы занимают целую комнату. Скорее всего, он не станет и заменой классическому компьютеру. Ценность этой машины в другом - используя законы квантовой механики, она способна (пока – лишь в теории!) решать некоторые задачи, практически недоступные обычным компьютерам: взламывать сложнейшие шифры, с огромной скоростью анализировать гигантские базы данных, а главное – с высокой точностью рассчитывать структуру и свойства веществ на молекулярном уровне.
На ближайшие годы ученые планируют лишь разработку надежных технологий создания единичных кубитов. Однако потенциальные возможности квантовых компьютеров столь заманчивы, что в эти исследования вовлекаются все новые исследовательские коллективы, и прежде всего – нанотехнологи.
Энергия
Существует и потенциальная нанотехнологическая альтернатива энергоресурсам. Это особенно актуально в эпоху экстремально высоких мировых цен на нефть. Нефть вполне может заменить солнечная энергия. Ученые убеждены, что при определенном использовании нанотехнологий, эффективность сбора солнечной энергии вырастет настолько, что про нефть и уголь все просто забудут. Энергия Солнца в равной степени доступна всем государствам на планете, и трудно придумать, как одна страна перекроет другой доступ к этому источнику. Следовательно, одной причиной для войн и конфликтов благодаря нанотехнологиям может стать меньше.
Нанотехнологии и еда
Если такое понятие как нанотехнологии и завоевывает сейчас все большую известность в силу своего применения во многих важных сферах человеческой деятельности, то такой термин как наноеда еще практически никому не известен. Однако, и в этой сфере нанотехнологии являются очень востребованными. Особенно учитывая то, что непрекращающийся рост населения Земли наряду с ростом потребления в последние годы становится одной из наиболее острых глобальных проблем. Знаете ли вы, что значительная часть биологически активных добавок, применяемых в животноводстве, попросту не усваивается животными? И здесь, как и в случае с косметикой, на помощь приходят нанотехнологии – биологически активные добавки и витамины, заключенные в мицеллы диаметром в несколько десятков нанометров, усваиваются организмом гораздо лучше, чем растворенные в воде или жидкой пище. А раз витамины и биологически активные добавки усваиваются лучше, рост мышечной массы происходит быстрее, и на прилавки магазинов мясо поступает гораздо раньше, чем обычно.
Кстати, и сам процесс доставки продуктов питания к потребителям претерпевает существенные изменения с широким внедрением нанотехнологий. Наибольший интерес у крупных пищевых компаний вызывают технологии упаковки, в частности, массовое применение находят наночастицы серебра, используемые в качестве антибактериального покрытия. Также нанотехнологии предоставляют пищевикам уникальные возможности для всестороннего наблюдения за качеством и безопасностью продуктов непосредственно в процессе производства, т.е. в реальном времени. Речь идет о диагностических машинах с применением наносенсоров различного типа, способных быстро и надежно выявлять в продуктах мельчайшие химические загрязнения или опасные биологические агенты. Впрочем, замыслы ученых относительно применения этих технологий в производстве пищи носят куда более масштабный и амбициозный характер. Они надеются, что их применение в фермерских хозяйствах (при выращивании зерна, овощей, растений и животных), и на пищевых производствах (при переработке и упаковке) приведет к рождению совершенно нового класса продуктов, которые со временем вытеснят с рынка генномодифицированную еду. Произойдет это или нет – вопрос весьма скорого будущего.
Красота и нанотехнологии
Индустрия красоты – одна из областей, в которой новейшие технологии находят применение быстрее всего. Нанотехнологии, сравнительно недавно переставшие применяться исключительно в технических устройствах, сегодня все чаще могут быть обнаружены в продуктах косметики. Установлено, что 80 процентов всех косметических веществ, нанесенных на кожу, так на ней и остаются, вне зависимости от стоимости. Это означает, что эффект от их применения сказывается, в основном, лишь на состоянии самой верхней части кожи. Поэтому успех косметической отрасли все больше зависит от развития систем доставки активных ингредиентов в глубокие слои кожи. На помощь в решении этой проблемы, давно стоящей перед косметологами, пришли нанотехнологии. Старение кожи связано с тем, что с возрастом обновление клеток замедляется. Чтобы стимулировать рост молодых клеток, от количества которых зависит упругость кожи, ее цвет и отсутствие морщинок, необходимо воздействовать на самый глубокий, ростковый слой дермы. Он отделен от поверхности кожи барьером из роговых чешуек, скрепленных между собой липидной прослойкой. Сделать это можно лишь через межклеточные промежутки, диаметр которых ничтожно мал – не более 100 нм. Но микроскопические «ворота» – не единственное препятствие. Есть и другая сложность: вещества, заполняющие эти промежутки, «не пропускают» водорастворимые соединения. Но эти вещества, называемые липидами, можно «обмануть», если использовать нанотехнологии. Одним из решений проблемы доставки биологически активных веществ, стало создание искусственных «контейнеров», липосом, которые, во-первых, обладают малыми размерами, проникая в межклеточные промежутки, а, во-вторых, распознаются липидами как «дружественные». Липосома представляет собой коллоидную систему, в которой водное ядро окружено со всех сторон замкнутым сферическим образованием. Замаскированное таким образом водорастворимое соединение беспрепятственно проходит через липидный барьер. Косметика на основе липосом борется с первыми признаками старения кожи – повышенной сухостью, морщинами. Питательные вещества благодаря системе липосомальных комплексов способны проникать достаточно глубоко. Но, к сожалению, не настолько, чтобы существенно влиять на регенеративные процессы в коже. Мицеллы – микроскопические частицы, образующиеся в растворах и состоящие из ядра и оболочки. В зависимости от того, в каком состоянии находится раствор, из чего состоит ядро и оболочка, мицеллы могут принимать различные внешние формы. Липосомы являются одной из разновидностей мицелл. Следующим этапом развития антивозрастной косметики стало создание наносом. Эти транспортные комплексы отличаются еще меньшими размерами по сравнению с липосомами и представляют собой шарообразные структуры с «начинкой» из витаминов, микроэлементов или других полезных веществ. Благодаря малым размерам, наносомы способны проникать в глубокие слои кожи. Но при всех своих достоинствах, наносомы не способны транспортировать биоактивные комплексы, необходимые для полноценного питания клеток. Все, на что они способны - транспортировать какое-нибудь одно вещество, например, витамин. Последние разработки в области биотехнологий позволили создавать косметические средства, способные не только проникать в зону росткового слоя дермы, но и вызывать в нем именно те процессы, которые были запрограммированы в лаборатории. Косметика прицельного действия на основе нанокомплексов не только переносит питательные вещества в глубокие слои кожи – в ее арсенале, в зависимости от поставленной задачи, имеются увлажнение, очищение, удаление токсинов, разглаживание рубцов, шрамов и многое другое. Причем нанокомплексы создаются так, что высвобождение биоактивных веществ происходит именно на том участке кожи, где в них есть потребность. Главное преимущество такой косметики - целенаправленная профилактика старения. Ведь корректировать процессы, происходящие в коже, гораздо эффективнее, чем бороться с результатами этих процессов. |
Автомобили
Автомобильная отрасль — одна из тех, что первыми воспринимают инновации, в том числе нанотехнологические. Уже сегодня в этой отрасли мировой оборот продукции с применением нанотехнологий оценивают более чем в 8 миллиардов долларов, а прогноз на 2015 год — 54 миллиарда. Вот лишь несколько примеров того, как наноинновации преобразуют привычные элементы автомобиля.
Композитные материалы позволяют делать кузовные детали прочными и легкими. Корпуса болидов «Формулы-1» выполняют из композита на основе углеродного волокна — потому что такой корпус выдерживает даже столкновения на скоростях около 300 км/ч. Из углерод-металлических композитов делают и тормозные диски, — они не перегреваются при длительном интенсивном торможении.
Добавление наночастиц в топливо увеличивает эффективность его сгорания, одновременно снижается количество выбрасываемых в атмосферу вредных веществ. Находящиеся в масле наночастицы способствуют увеличению ресурса двигателя: по некоторым данным, применение таких добавок снижает износ деталей в 1,5-2 раза.
Исцарапанная поверхность автомобиля не только плохо выглядит, но и ухудшает аэродинамические свойства машины, сводя на нет обеспеченные аэродинамикой проценты экономии топлива. Поэтому нанотехнологии применяются и в производстве краски, чтобы сделать её более стойкой к внешним воздействиям. Daimler Chrysler уже несколько лет несколько использует для автомобилей марки Mercedes-Benz лак с наноразмерными керамическими частицами. Его намного труднее поцарапать, чем обычный, к тому же он особым образом сияет в солнечном свете. А промышленность вовсю осваивает покрытия на основе наночастиц диоксида титана для самоочистки стекол машины. В будущем рынок ожидает появления нанокрасок, способных в широком диапазоне менять свой цвет. Уже существуют антикоррозионные нанопокрытия для корпуса автомобиля, а в ближайшие годы должны появиться новые поколения таких покрытий — самовосстанавливающиеся «умные материалы», насыщенные нанокапсулами. При повреждениях или появлении ржавчины капсулы высвобождают «залечивающие» наночастицы.
Фары тоже должны резко измениться в ближайшие годы. Модные сегодня ксеноновые лампы могут быть вытеснены лампами на светодиодах, производимых с применением нанотехнологий. В чуть более отдаленной перспективе — источники света на квантовых точках, нанокристаллах полупроводника. Наночастицы углерода (так называемый черный углерод) добавляют в шинную резину, и ее прочность заметно повышается. Жидкости, насыщенные магнитными наночастицами, испытываются для использования в амортизаторах с регулируемой жесткостью.
Нанотехнологии послезавтрашнего дня могут сделать автомобиль совсем иным даже внешне. Созданы полимерные композиты на нанотрубках, изделия из которых меняют форму под действием электрического тока. Их хотят использовать в авиастроении — самолет сможет изменять форму крыла, приспосабливаясь к условиям полета. Но почти одновременно фирма BMW показала свой новый концепт — автомобиль с изменяемой формой, тоже насыщенный наноматериалами. Стало быть, идея авто с нежесткой геометрией носится в воздухе. Можно не сомневаться, что нанотехнологи постараются довести ее до ума — точнее, до умного наноматериала.
Автомобиль на водородных элементах — одна из генеральных линий развития автотранспорта. Американцы планируют довести эту технологию до готовности к 2015 году. Нанотехнологии призваны сыграть решающую роль на трех главных этапах работы с водородом. Во-первых, мощные солнечные установки на наноматериалах очень пригодились бы для получения водорода из воды. Во-вторых, хранить водород было бы гораздо безопаснее не в баллонах под огромным давлением, а в нанопористых материалах — сейчас они конструируются. Наконец, сами энергетические элементы тоже, скорее всего, не обойдутся без наноструктур.
Ну, а умные дороги, насыщенные наноэлектронными датчиками, сообщающими умному автомобилю все, что нужно для безопасной езды, читатель легко вообразит и сам.
Одним словом, нанотехнологии — это «волшебный ключ» ко всем отраслям науки и производства.
Общемировые затраты на нанотехнологические проекты сейчас превышают 9 миллиардов долларов в год. На долю США приходится примерно треть всех мировых инвестиций в нанотехнологии. Другие главные инвесторы на рынке нанотехнологий - Европейский Союз и Япония. Прогнозы показывают, что к 2015 году общая численность персонала различных отраслей нанотехнологической промышленности может дойти до 2 миллионов человек, а суммарная стоимость товаров, производимых с использованием наноматериалов может приблизится к 1 триллиону долларов.
Нанотехнологии в искусстве
Ряд произведений американской художницы Наташи Вита-Мор касается нанотехнологической тематики.
В современном искусстве возникло новое направление «наноарт» (наноискусство) (англ. nanoart) — это вид искусства, связанный с созданием художником скульптур (композиций) микро- и нано-размеров (10-6 и 10-9 м, соответственно) под действием химических или физических процессов обработки материалов, фотографированием полученных нано образов с помощью электронного микроскопа и обработкой черно-белых фотографий в графическом редакторе (например, Adobe Photoshop).
Нанороботам и их роли в социальном прогрессе посвящена композиция «Nanobots» российской группы Re-Zone.
Нанотехнологии в фантастике
В широко известном произведении русского писателя Н. Лескова «Левша» (1881 год) есть любопытный фрагмент:
Если бы, — говорит, — был лучше мелкоскоп, который в пять миллионов увеличивает, так вы изволили бы, — говорит, — увидать, что на каждой подковинке мастерово имя выставлено: какой русский мастер ту подковку делал |
Увеличение в 5 000 000 раз обеспечивают современные электронные и атомно-силовые микроскопы, считающиеся основными инструментами нанотехнологий. Таким образом, литературного героя Левшу можно считать первым в истории «нанотехнологом».
Изложенные Фейнманом в лекции 1959 г. «Там внизу много места» идеи о способах создания и применения наноманипуляторов совпадают практически текстуально с фантастическим рассказом известного советского писателя Бориса Житкова «Микроруки», опубликованным в 1931.
Некоторые отрицательные последствия неконтролируемого развития нанотехнологий описаны в произведениях М. Крайтона («Рой»), С. Лема («Осмотр на месте» и «Мир на Земле»), С. Лукьяненко («Нечего делить»).
Главный герой романа «Трансчеловек» Ю. Никитина — руководитель нанотехнологической корпорации и первый человек, испытавший на себе действие медицинских нанороботов.
В научно-фантастическом сериале «Звёздные врата: ЗВ-1» одной из самых технически и социально развитых рас является раса «репликаторов», возникшая в результате неудавшегося опыта Древних с использованием и описанием различных вариантов применения нанотехнологий. В фильме «День, когда Земля остановилась» с Киану Ривзом в главной роли, инопланетная цивилизация выносит человечеству смертный приговор и чуть было не уничтожает все на планете при помощи самовоспроизводящихся нанорепликантов-жуков, пожирающих все на своем пути.
В фильмах "Терминатор 2" и "Терминатор 3" нанотехнологии представлены в виде роботов «Т-1000» и «Тэ-Икс»
Форумы и выставки
Роснано 2010
Первый в России Международный форум по нанотехнологиям Rusnanotech прошел в 2008 году, впоследствии ставший ежегодным. Работа по организации Международного форума по нанотехнологиям проводилась в соответствии с Концепцией, одобренной наблюдательным советом ГК «Роснанотех» 31 января 2008 г. и распоряжением Правительства Российской Федерации № 1169-р от 12.08.2008 г. Форум прошел с 3 по 5 декабря 2008 г. в г. Москве в Центральном выставочном комплексе «Экспоцентр». Программа Форума состояла из деловой части, научно-технологических секций, стендовых докладов, докладов участников Международного конкурса научных работ молодых ученых в области нанотехнологий и выставки.
Всего в мероприятиях Форума приняло участие 9024 участника и посетителя из России и 32-х зарубежных стран, в том числе:
- 4048 участника конгрессной части Форума
- 4212 посетителя выставки
- 559 стендист
- 205 представителей СМИ освещали работу Форума
В 2009 году в мероприятиях Форума принял участие 10 191 человек из 75 регионов Российской Федерации и 38 зарубежных стран, в том числе:
- 4 022 участника конгрессной части Форума
- 9 240 посетителя выставки
- 951 стендист
- 409 представителей СМИ освещали работу Форума
В 2010 году в работе форума приняли участие почти 7200 человек. Среди посетителей экскурсий, специально организованных Фондом «Форум Роснанотех» для школьников, собрались участники Всероссийской интернет-олимпиады по нанотехнологиям, и ученики школ, оказавшиеся впервые в центре крупного нанотехнологического события. Специально для посещения Форума приехали школьники из г. Чебоксары, г. Тула, Г.Ростова-на-Дону. Экскурсоводами стали аспиранты МГУ им. Ломоносова, включенные в процесс подготовки нанотехнологической олимпиады.