Нанотехнологии

О большом внимании, которое уделяет мировая научная общественность проблемам развития нанотехнологий, свидетельствует присуждение в 2007 г. Нобелевской премии по физике за открытие и исследование одного из необычных явлений наномира — эффекта гигантского магнетосопротивления (ГМС).

4. Направление нанотехнологий

Выделено семь основных направлений:

1. Наноматериалы – научно-исследовательское направление, связанное с изучением и разработкой объёмных материалов плёнок и волокон, макроскопические свойства которых определяются химическим составом, строением, размерами и взаимным расположением наноразмерных структур. Объемные наноструктурированные материалы могут быть упорядочены в рамках направления по типу (наночастицы, нанопленки, нанопокрытия и др.) и по составу (металлические, органические, полупроводниковые идр.)
2. Наноэлектроника – область электроники, связанная с разработкой архитектур и технологий производства функциональных устройств электроники с топологическими размерами, не превышающими 100 нм и приборов на основе таких устройств.

Данное направление охватывает физические принципы и объекты наноэлектроники, базовые элементывычислительных систем, объекты для квантовых вычислений и телекоммуникаций, а также устройства сверхплотной записи информации, наноэлектронные источники и детекторы.

3. Нанофотоника – область фотоники, связанная с разработкой архитектур и технологий производства наноструктурированных устройств генерации, усиления, модуляции, передачи и детектирования электромагнитного излучения и приборов на основе таких устройств.

К этому направлению относятся физические основы генерации и поглощения излучения в различных диапозонах, полупроводниковые источники и детекторы электромагнитного излучения, наноструктурированные оптические волокна и устройства на их основе, светодиоды, твердотельные и оптические лазеры, элементы фотоники и коротковолновой нелинейной оптики.

4. Нанобиотехнологии – целенаправленное использование биологических макромолекул для конструирования наноматериалов и наноустройств.

Нанобиотехнологии охватывают изучение воздействия наноструктур и материалов на биологические процессы и объекты с целью контроля и управления их биологическими или биохимическими свойствами.

5. Наномедицина – практическое применение нанотехнологий в медицинских целях, включая научные исследования и разработки в области диагностики, контроля, адресной доставки лекарств, а также действия по восстановлению и реконструкции биологических систем человеческого организма с использованием наноструктур и наноустройств.
6. Наноинструменты (нанодиагностика) – устройства и приборы, предназначенные для манипулирования наноразмерными объектами, измерения, контроля свойств и стандартизации производимых и используемых наноматериалов и наноустройств.
7. Технологии и специальные устройства для создания и производства наноматериалов и наноустройств – область техники, связанная с разработкой технологий и специального оборудования для производства наноматериалов и наноустройств.

5. Применение нанотехнологий

Медицина

Сегодня можно говорить о появлении нового направления - наномедицины. Конечно, сегодня мы можем лишь выдвигать предположения о том, какими путями будет развиваться наука будущего, и медицинская наука в частности. Некоторые из этих предположений будут более обоснованы, другие менее. Так, можно более или менее уверенно ожидать, что современные методы получат и дальнейшее развитие. Например, микроустройства будут становиться все более миниатюрными и совершенными, а их функции - все более богатыми.

Методы медицинской диагностики постоянно улучшаются с помощью нанотехнологий. Ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые могут "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая возникновение таковых. Наноробот – капсула свободно плавает в человеческой крови, сталкиваясь с различными бактериями. Как она работает? Бактерии прилипают к поверхности рбота благодаря протеиновым маркерам. После распознавания бактерии, наноробот формирует ответный код, считываемый обычным лазером. Эта информация помогает врачам проводить экспресс – анализ, не проводя долговременное выращивание культуры. Каждому типу бактерий соответствует свой код. Врач может увидеть эту информацию даже через оптический микроскоп.

Основными областями применения нанотехнологий в медицине являются: технологии диагностики, лекарственные аппараты, протезирование и имплонтанты.

 Ярким примером является  открытие профессора Азиза. Людям, страдающим болезнью Паркинсона, через два крошечных отверстия в черепе внедряют в мозг электроды, которые подключены к стимулятору. Примерно через неделю больному вживляют и сам стимулятор в брюшную полость. Регулировать напряжение пациент может сам с помощью переключателя. С болью удается справиться уже в 80 % случаях:

 У кого-то боль исчезает  совсем, у кого-то затихает. Через  метод глубокой стимуляции мозга  прошло около четырех десятков  людей.

 Многие коллеги Азиза говорят, что этот метод не эффективен и может иметь негативные последствия. Профессор же убежден, что метод действенен. Ни то ни другое сейчас не доказано. Мне кажется надо верить лишь сорока пациентам, которые избавились от невыносимой боли. И снова захотели жить. И если уже 8 лет этот метод практикуется и не сказывается негативно на здоровье больных, почему бы тогда не расширить его применение.

 Еще одним революционным  открытием является биочип – небольшая пластинка с нанесенными на нее в определенном порядке молекулами ДНК или белка, применяемые для биохимических анализов. Принцип работы биочипа прост. На пластиковую пластинку наносят определенные последовательности участков расщепленной ДНК. При анализе на чип помещают исследуемый материал. Если он содержит такую же гинетическую информацию, то они сцепливаются. В результате чего можно наблюдать. Преимуществом биочипов являются большое количество биологических тестов со значительной экономией исследуемого материала, реактивов, трудозатрат и время на проведение анализа.

Промышленность

Здесь нанотехнологии также имеют конкретное промышленное применение. Сегодня на рынке предлагается большая номенклатура промышленно изготовляемых наноматериалов: металлических, гидрооксидов, оксидов и композитных порошков, которые уже находят широкое применение во многих секторах промышленности и строительства. Нанопорошки имеют свойства, отличающиеся от свойств металлов, окислов и т.д., из атомов и молекул которых они изготовлены. Причем значительное количество таких свойств до конца еще не исследовано. А в будущей перспективе просматривается возможность замены принятых сегодня методов производства сборкой с помощью нанороботов любых механических объектов непосредственно из атомов и молекул. В некоторых статьях даже говориться о возможности создания "персональных" нано- синтезаторов и копирующих устройств, позволяющих каждому человеку изготовить любой предмет по своему желанию. Прогнозируемый срок появления первых нанороботов – середина XXI века.

Применение волокнистых полимерных композиционных материалов, получаемых на основе армирующих химических волокон и полимерных матриц - конструкционных, электроизоляционных, химостойких и других, - весьма широко. Они используются в машиностроении, особенно транспортном, включая авиастроение, приборостроении, в электро- и радиотехнике, электронике, строительстве, сельском хозяйстве, медицине, спорте, для изготовления изделий бытового назначения. Основу волокнистых композиционных материалов составляют армирующие волокнистые наполнители, объединенные в монолитный композиционный материал матрицей - вторым важным компонентом.

Нановолокно – является ключевым элементом волоконно-оптических датчиков. Особенность конструкции –  «подвешенная» сердцевина, которая формируется благодаря «перетягиванию»  волокон. В результате перетяжки в центре образуется эллиптическая сердцевина, которая обеспечивает сохранение поляризации распространяющегося излучения и получение уникальных оптических характеристик.

Для этой конструкции характерна сердцевина чисто кварцевая,  подвешенная на очень тонких кварцевых ребрах с толщиной (50-100 нм) внутри несущей кварцевой оболочки. В отличие от типичных микроструктурных волокон в такой конструкции только один ряд отверстий, но за счет очень тонких ребер сердцевина как бы висит в воздухе.

При изготовлении (в процессе вытяжки)  нановолокна используется неупругое скручивание (Spun волокна), что дает возможность накапливать эффект Фарадея по всей длине волокна.

Можно привести и другие примеры развития и внедрения нанотехнологий: увеличение емкости жестких дисков цифровой техники - компьютеров, ноутбуков, фотоаппаратов, видеокамер и др., что ведет к их миниатюризации.

 Или полупроводниковые светодиоды. Их компоненты состоят из очень  тонких (наноразмерных) слоёв разных материалов.

 Некоторые автомобильные компании  используют наноструктурированные покрытия для защиты деталей автомобиля от царапин. Использование нанотехнологий снижает токсичность выхлопных газов. Их используют для создания «грязе- водоотталкивающих» поверхностей - экраны некоторых моделей мобильных телефонов непромокаемая одежда. Существуют незапотевающие зеркала - тоже благодаря нанотехнологической модификации поверхности.

 Всем известна стерилизующая  способность серебра. И она повышается  с уменьшением размера частиц. Это свойство активно используется  для придания новых потребительских  качеств традиционным товарам - предметам гигиены, терапевтическим товарам и товарам для оздоровления, стиральным машинам, холодильникам, ионизаторам и озонаторам воздуха, трикотажным изделиям.

Сельское хозяйство

Большие надежды в применении нанотехнологий обнаруживаются и в агропромышленном комплексе. Увеличение производства и качества переработки сельскохозяйственного сырья, увеличение ресурса работы спецтехники, повышения сроков хранения, получение высококачественной пищевой продукции и кормов - все эти задачи агробизнеса могут решить нанотехнологии.

Мониторинг разработанных нанотехнологических процессов и наноматериалов подтверждает, что применение нанопрепаратов в растениеводстве обеспечивает повышение устойчивости к неблагоприятным погодным условиям и увеличение выхода готовой продукции. Почти для всех технических и продовольственных культур - картофеля, зерновых, овощных, плодово-ягодных, хлопка и льна показатели урожая увеличились в 1,5-2 раза. Нанотехнологии уже активно внедряются при послеуборочной обработке подсолнечника, табака и картофеля, хранении яблок в регулируемых средах, озонировании воздушной среды.

В животноводстве нанотехнологии целесообразно использовать в технологических процессах, где они дают вспомогательное превосходство. При формировании микроклимата в помещениях, где содержатся животные и птицы, их использование позволяет заменить энергоемкую приточно-вытяжную систему вентиляции электрохимической очисткой воздуха с обеспечением нормативных параметров микроклимата: температура, влажность, газовый состав, микробиообсемененность, запыленность, скорость движения воздуха, устранение запахов с сохранением тепловыделений животных. Российские ученые применяют на практике экологически чистую нанотехнологию электроконсервирования силосной массы зеленых кормов электроактивированным консервантом. Делается это взамен дорогостоящих органических кислот, требующих соблюдения строгих мер техники безопасности. Такая новая нанотехнология повышает сохранность кормов до 95%. В животноводстве и птицеводстве при приготовлении кормов нанотехнологии обеспечивают повышение продуктивности в 1, 5-3 раза, сопротивляемость стрессам, и падеж уменьшается в 2 раза. Наноустройства, которые могут имплантироваться в растения, животных, позволяют автоматизировать многие процессы и передавать в реальном времени необходимые данные.

Новая наноэлектротехнология комбинированной сушки зерна основана на том, что в нагретом зерне создается избыточное давление влаги при температуре ниже температуры кипения воды. Вследствие этого ускоряется фильтрационный перенос влаги из зерновки на поверхность в капельножидком состоянии. С поверхности влага выпаривается горячим воздухом. Расход энергии на сушку зерна по сравнению с традиционной конвективной сокращается в 1, 3 раза и более, снижаются микроповреждения семян до 6%, их посевные качества улучшаются на 5%. Для низкотемпературной досушки и обеззараживания зерна дополнительно использовали озон, что уменьшило количество бактерий в 24 раза и снизило в 1, 5 раза энергозатраты.

Замена природных производителей пищи (растений и животных) функциональными комплексами из молекулярных роботовпозволяет воспроизводить те же химические процессы, что происходят в живом организме, однако более коротким и эффективным путем.

Например, из цепочки" почва - углекислый газ - фотосинтез - трава - корова - молоко" будут удалены все лишние звенья. Останется "почва - углекислый газ – молоко (творог, масло, мясо)". Такое "сельское хозяйство" не будет зависеть от погодных условий и не будет нуждаться в тяжелом физическом труде. А производительности его хватит, чтобы решить продовольственную проблему раз и навсегда.

Биология

Станет возможным внедрение наноэлементов в живой организм на уровне атомов. Последствия могут быть самыми различными - от 
"восстановления" вымерших видов до создания новых типов живых существ, биороботов.

Одним из важнейших направлений нанотехнологий в биологии должно стать целенаправленное изменение взаимоотношений вирусов, бактерий, бактероидов с высшими растениями.

Каждому живому существу в борьбе за жизнь приходится решать множество разнообразных по сложности проблем. Ему нужно из окружающей среды получать необходимые питательные вещества и минералы и в то же время избавляться от отходов жизнедеятельности, синтезировать самостоятельно недостающие вещества, добывать энергию, необходимую для энергоемких химических и физических процессов; находить подходящих партнеров для обмена наследственным материалом; заботиться о потомстве; защищаться от хищников — и все это в переменчивой, далеко не всегда благоприятной внешней среде.

Требования, предъявляемые жизнью к каждому отдельному организму, не только многочисленны и разнообразны — они очень часто еще и противоречивы. Невозможно оптимизировать сложную систему сразу по всем параметрам: чтобы добиться совершенства в чем-то одном, приходится жертвовать другим.