Нанотехнологии

Сегодня космос — это  не экзотика, и освоение его —  не только вопрос престижа. В первую очередь, это вопрос национальной безопасности и национальной конкурентоспособности  нашего государства. Именно развитие сверхсложных наносистем может стать национальным преимуществом страны. Как и нанотехнологии, наноматериалы дадут нам возможность серьезно говорить о пилотируемых полетах к различным планетам Солнечной системы. Именно использование наноматериалов и наномеханизмов может сделать реальностью пилотируемые полеты на Марс, освоение поверхности Луны. Другим чрезвычайно востребованным направлением развития микроспутников является создание  дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Начал формироваться рынок потребителей информации с разрешением космических снимков 1 м в радиолокационном диапазоне и менее 1 м - в оптическом (в первую очередь такие данные используются в картографии).

Ожидается, что уже в 2025 году появятся первые ассемблеры, созданные  на основе нанотехнологий. Теоретически возможно, что они будут способны конструировать из готовых атомов любой  предмет. Достаточно будет спроектировать на компьютере любой продукт, и он будет собран и размножен сборочным  комплексом нанороботов. Но это всё ещё самые простые возможности нанотехнологий.   Из теории известно, что ракетные двигатели работали бы оптимально, если бы могли менять свою форму в зависимости от режима. Только с использованием нанотехнологий это станет реальностью. Конструкция более прочная, чем сталь, более легкая, чем дерево, сможет расширяться, сжиматься и изгибаться, меняя силу и направление тяги. Космический корабль сможет преобразиться примерно за час. Нанотехника, встроенная в космический скафандр и обеспечивающая круговорот веществ, позволит человеку находиться в нем неограниченное время. Нанороботы способны воплотить также мечту фантастов о колонизации иных планет, эти устройства смогут создать на них среду обитания, необходимую для жизни человека. Станет возможным автоматическое строительство орбитальных систем, любых строений в мировом океане, на поверхности земли и в воздухе (эксперты прогнозируют это к 2025 гг.). 

 

2.2.  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.³

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3. Нанотехнологии  в сельском хозяйстве и наноеда

 

Нанотехнологии в сельском хозяйстве.⁴

В настоящее время нанотехнологии начали внедрять в различные направления  сельского хозяйства. Так, получены новые накокомпозиционные материалы, улучшающие качество сельскохозяйственной техники, повышающие ее прочность, износоустойчивость и устойчивость к коррозии.

Применение нанокомпозитов в растениеводстве и животноводстве является очень ответственным мероприятием, так как связано с живыми организмами.

Необходимо тщательно  исследовать влияние нанокомпозитов на живые организмы на всех уровнях – биологическом, биохимическом, генетическом и разработать точные методики их применения. Проведенная рядом ученых работа позволила сделать некоторые выводы. В 70–80-х гг. ХХ в. а установлено, что вещества в электронейтральной форме благодаря растворимости в липопротеидовых матрицах проходят через цитоплазматическую мембрану легче, чем в ионной форме.

На ряде моделей доказана биологическая активность высокодисперсных порошков и слабость их токсичности  по сравнению с солями при введении их в виде водной суспензии в организм животных. Однако вопрос о механизме окисления и превращения нейтральной формы нанопорошка в ионную остается открытым.

Л.В. Коваленко и Г.Э. Фолманис (2006 г.) предложили модель влияния нанопорошков металлов на объекты живой природы. Разработанная модель положена в основу создания новой нанотехнологии управления производством сельскохозяйственной продукции. При разработке модели учитывались новые теоретические положения.

Нанотехнология применяет  особые материалы, являющиеся «ультрадисперсными»  или «нанокристаллическими» системами. В таких системах протекают особые, нелинейные процессы. Свойства наносистем отличаются от свойств традиционных неорганических материалов. Чтобы применять наносистемы, нужно учитывать их особенности. Если в традиционных неорганических материалах упорядоченность структуры достигается за счет упорядоченного расположения их атомов, то в наноносителях (от 1 до 100 нм) – за счет их кластеров. Кластер образуется из такого количества атомов, которое обеспечивает целиком заполненные электронные оболочки (магические числа).

Размеры наносистем соответствуют золотой пропорции, которая является кодом устойчивости систем и структур (спектр золотых чисел: 0,618; 0,465; 0,389; 0,324; 0,285; 0,232; 0,213, обладающих свойством золотой пропорции). Золотое сечение представляет гармоничность организации систем и в то же время постоянство и изменчивость структур.

Объекты наномира обладают классическими, квантовыми и принципиально новыми свойствами.

Наномир – это мир чередующихся волновых функций, возникающих и исчезающих состояний, где существует возможность выбора (бифуркации). Частицы существуют в сильно неравновесных условиях, в которых проявляют способность к самоорганизации адаптации к внешнему воздействию; самовыбору оптимальной структуры; самосборке устойчивых наночастиц. Это обеспечивается информационным обменом о структурном состоянии системы в каждой точке состояния наночастиц.

При введении наночастиц в воду она становится средой с заданным кодом, в которой повышается адаптивность к окружающей среде, происходит самоорганизация структур, обеспечивающая оптимальное развитие растения в данных конкретных условиях. Для поддержания такого состояния требуется подвод энергии, источником которой являются наночастицы.

В институте металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова разработан химико-металлургический метод получения нанопорошков железа. На их основе получают биопрепараты нового поколения, которые испытываются в животноводстве и растениеводстве. В животноводстве суспензия нанодисперсного железа в дистиллированной воде вводилась как с кормом, так и внутримышечно. Результаты исследования свидетельствуют о перспективности использования ультрадисперсного железа в животноводстве, птицеводстве, рыбоводстве. В растениеводстве предложен новый метод предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур суспензиями нанокристаллических (ультрадисперсных) порошков металлов.

Прибавка к урожаю свеклы, картофеля, пшеницы составила 20–35 %, повысилась адаптация к стрессовым условиям (неблагоприятные погодные условия, засуха), улучшилось качество растительного сырья. Подтверждена пролонгированность действия нанопорошков металлов на биосистемы, которая влияет на рост, развитие растений и показатели урожая.

Результаты исследований были представлены в материалах Первой (2006 г.) и Второй Всероссийской конференции по наноматериалам (2007 г.).

Однако не отработаны точные методики проведения лабораторных опытов, не установлены оптимальные концентрации наносуспензий для различных культур. Разброс величин предлагаемых концентраций суспензий для предпосевной обработки семян очень велик – от 2 до 0,001 %. Не указано оптимальное время контакта семян с наносуспензией. Поэтому некоторые методики не подтверждают предполагаемых результатов. Следует продолжить работу по изучению влияния нанокомпозиций на растения коллективом исследователей, включающих агрономов, физиологов, химиков, фармакологов и экологов.

Нанотехнологии и еда (см. приложение Б)

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.

 

 

 

 

2.4.  Нанотехнологии в военном деле

 

Военное использование нанотехнологий открывает качественно новый  уровень военнотехнического господства в мире. Основными направлениями в создании новых вооружений на базе нанотехнологии можно считать:

1. Создание новых мощных  миниатюрных взрывных устройств.