IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Что такое нанотехнология? Этапы развития

Нанотехноло́гия–это область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

Нанотехнологии: этапы развития

Интенсивные исследования в области нанотехнологий, активизировавшиеся на рубеже XX—XXI вв., стали двигателем происходящих ныне кардинальных изменений в промышленном производстве, привели к качественному скачку в развитии методов и средств обработки информации, получения электрической энергии, синтеза новых материалов на основе передовых научных подходов к познанию материи. Еще до наступления «наноэры» люди сталкивались с наноразмерными объектами и протекающими на атомно-молекулярном уровне процессами, использовали их на практике. Системные исследования наноразмерных объектов берут свое начало в XIX в., когда в 1856—1857 гг. английский физик Майкл Фарадей впервые изучил свойства коллоидных растворов нанодисперсного золота и тонких пленок на его основе. Интересно отметить пример своеобразного предвидения, сделанного в 1881 г. писателем Николаем Лесковым в повествовании о тульском мастере Левше, сумевшем подковать «аглицкую» блоху «наногвоздями», которые можно было разглядеть только в «мелкоскоп» с увеличением в 5 млн раз, что соответствует возможностям современной высокоразрешающей микроскопии (на это первым обратил внимание российский ученый, специалист в области наноматериаловедения Ростислав Андриевский).

В первой половине ХХ в. зародилась и получила развитие техника исследования нанообъектов. В 1928 г. предложена схема устройства оптического микроскопа ближнего поля. В 1932 г. впервые создан просвечивающий электронный, а в 1938 г. — сканирующий электронный микроскоп. Во второй половине XX в. начала формироваться принципиальная научная и технологическая база для получения и применения наноструктур и наноструктурированных материалов. В 1959 г. американский физик, нобелевский лауреат Ричард Фейнман прочитал ставшую впоследствии знаменитой лекцию под названием «Внизу полным-полно места: приглашение в новый мир физики», в которой впервые была рассмотрена возможность создания наноразмерных деталей и устройств совершенно новым способом — путем поштучной «атомарной» сборки. Ученый заявил: «Пока мы вынуждены пользоваться атомарными структурами, которые предлагает нам природа». И далее добавил: «Но в принципе физик мог бы синтезировать любое вещество по заданной химической формуле». В 1972 г. создан оптический микроскоп ближнего поля. В 1981 г. ученые Герд Бинниг и Генрих Рорер, работавшие в то время в филиале IBM в Цюрихе, предложили конструкцию сканирующего туннельного микроскопа. Позже, в 1986 г., за работы по сканирующей туннельной микроскопии они были удостоены Нобелевской премии по физике. В этом же 1986 г. ими был разработан атомно-силовой микроскоп.

В 1974 г. японский ученый НориоТанигучи при обсуждении проблем обработки веществ ввел термин «нанотехнология». В 1981 г. американский ученый Г. Глейтер впервые использовал определение «нанокристаллический». Позже для характеристики материалов стали употреблять такие слова, как «наноструктурированный», «нанофазный», «нанокомпозиционный» и т.п.

В 1975 г. были теоретически рассмотрены принципиальные возможности существования особых видов наноразмерных объектов — квантовых точек и квантовых проволок.

В 1986 г. американский физик Эрик Дрекслер в своей книге «Машины созидания: пришествие эры нанотехнологии», основываясь на биологических моделях, ввел понятие о молекулярных роботах, а также развил предложенные Фейнманом идеи нанотехнологической стратегии «снизу вверх».

Мощным стимулом для активизации направления стало создание принципиально новых углеродных наноматериалов. Долгое время считалось, что существуют две единственные полиморфные модификации углерода графит и алмаз. Однако, как оказалось, пределы полиморфных превращений данного элемента этим не ограничиваются, свидетельством чему являются весьма необычные по своей структуре и свойствам фуллерены и углеродные нанотрубки.

Впервые возможность существования фуллеренов была предсказана японскими учеными Эйджи Осавой и Зеншо Иошидой в 1970 г. Чуть позже, в 1973 г., российские исследователи Дмитрий Бочвар и Елена Гальперн сделали первые теоретические квантово-химические расчеты такой молекулы и доказали ее стабильность. В 1980-е гг. были получены результаты астрофизических исследований спектров некоторых звезд, указывающие на существование подобных комплексов. В 1985 г. фуллерены были впервые синтезированы. В 1990 г. в Германии ученые В. Кретчмер и К. Фостирополус разработали технологию, позволившую получать фуллерены в достаточно больших количествах. Как выяснилось позже, такие комплексы существуют и в природе. Они были обнаружены в 1992 г. в природном углеродном минерале шунгите (от названия поселка Шуньга в Карелии). Углеродные нанотрубки открыл в 1991 г. японский ученый СумиоИджима. Фуллерены и углеродные нанотрубки с момента их обнаружения привлекли внимание многих исследователей необычностью своей структуры и свойств. В ходе последующих изысканий были выявлены различные производные этих образований, которые получались в результате взаимодействия фуллеренов и углеродных нанотрубок с другими веществами. Было также установлено, что структуры, подобные им, могут быть образованы атомами не только углерода, но и других элементов. В частности, в 1992 г. обнаружены фуллереноподобныенаночастицы Ti8C12. В том же году были впервые синтезированы неуглеродныенанотрубки на основе MoS2 и WS2.

О наличии глубоких корней, лежащих в основе нынешних нанотехнологических исследований, свидетельствует история формирования одной из самых молодых областей химии — супрамолекулярной, открывающей широкие возможности для создания различных видов молекулярных наноструктур.

Термин «супрамолекулярная химия» введен французским химиком Жаном Мари Леном в 1978 г. Несколько ранее, в 1973 г.,в его трудах появилось слово «супермолекула», которое было известно еще в середине 1930-х гг. и употреблялось для описания более высокого уровня организации, возникающего при образовании ряда сложных молекулярных соединений. Супермолекулы состоят из компонент, которые связываются друг с другом благодаря механизму молекулярного распознавания, предполагающему наличие между ними определенной комплементарности. На возможность его существования еще в 1906 г. указывал немецкий биохимик Пауль Эрлих, подчеркивая, что молекулы реагируют друг с другом строго селективно. Таких же взглядов придерживался немецкий химик-органик Эмиль Фишер, который в 1894 г. сформулировал принцип «ключ замок», предполагающий, что в основе молекулярного распознавания лежит геометрическая комплементарность компонент, образующих супрамолекулярный ассоциат. Вещества, которые в настоящее время рассматривают как соединения включения, ранее наблюдали разные ученые: Аксель Кронстедт в 1756 г.,

Джозеф Пристли в 1778 г., Б. Пелетье и В. Карстен в 1785—1786 гг., Гемфри Дэви в 1823 г. Термин «клатрат» в его современном толковании введен Г. Пауэллом в 1947 г. Важный этап в становлении супрамолекулярной химии связан с открытием американским ученым Чарльзом Педерсеном в 1962 г. краун-эфиров — молекул плоской формы, обладающих полостью, способной включать в себя молекулы другого сорта.

Нынешний период в развитии нанотехнологий характеризуется активизацией исследований и разработок в данной области, вложением в них существенных инвестиций. Особенно ярко эти тенденции проявляются в ведущих индустриальных странах мира.

Фундаментальные положения

В 2009 году учёными из Университета Висконсин-Мэдисон было выяснено, что законы трения в макро- и наномире похожи.

Наночастицы

Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы размерами от 1 до 100 нанометров обычно называют «наночастицами». Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи, хоть и обладают сравнительно низкой квантовой эффективностью, зато более дёшевы и могут быть механически гибкими. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные наночастицы могут самовыстраиваться в определённые структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства.

Нанообъекты делятся на 3 основных класса: трёхмерные частицы, получаемые взрывом проводников, плазменным синтезом, восстановлением тонких плёнок и т.д.; двумерные объекты плёнки, получаемые методами молекулярного наслаивания, химическое осаждение из газовой фазы, молекулярного наслаивания, методом ионного наслаивания и т.д.; одномерные объекты вискеры, эти объекты получаются методом молекулярного наслаивания, введением веществ в цилиндрические микропоры и т.д. Также существуют нанокомпозиты материалы, полученные введением наночастиц в какие-либо матрицы. На данный момент обширное применение получил только метод микролитографии, позволяющий получать на поверхности матриц плоские островковые объекты размером от 50 нм, применяется он в электронике; метод химического осаждение из газовой фазы и молекулярного наслаивания в основном применяется для создания микронных плёнок. Прочие методы в основном используются в научных целях. В особенности следует отметить методы ионного и молекулярного наслаивания, поскольку с их помощью возможно создание реальных монослоёв.

Особый класс составляют органические наночастицы как естественного, так и искусственного происхождения.

Поскольку многие физические и химические свойства наночастиц, в отличие от объемных материалов, сильно зависят от их размера, в последние годы проявляется значительный интерес к методам измерения размеров наночастиц в растворах: анализ траекторий наночастиц, динамическое светорассеяние, седиментационный анализ, ультразвуковые методы.

Самоорганизация наночастиц и самоорганизующиеся процессы

Один из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологией как заставить молекулы группироваться определённым способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы или устройства. Этой проблемой занимается раздел химии— супрамолекулярная химия. Она изучает не отдельные молекулы, а взаимодействия между молекулами, которые способны упорядочить молекулы определённым способом, создавая новые вещества и материалы. Обнадёживает то, что в природе действительно существуют подобные системы и осуществляются подобные процессы. Так, известны биополимеры, способные организовываться в особые структуры. Один из примеров — белки, которые не только могут сворачиваться в глобулярную форму, но и образовывать комплексы структуры, включающие несколько молекул белков. Уже сейчас существует метод синтеза, использующий специфические свойства молекулы ДНК.

Берётся комплементарная ДНК (кДНК), к одному из концов подсоединяется молекула А или Б. Имеем 2 вещества: ----А и ----Б, где ---- — условное изображение одинарной молекулы ДНК. Теперь, если смешать эти 2 вещества, между двумя одинарными цепочками ДНК образуются водородные связи, которые притянут молекулы А и Б друг к другу. Условно изобразим полученное соединение: ====АБ. Молекула ДНК может быть легко удалена после окончания процесса.

Однако явления самоорганизации не замыкаются только на спонтанном упорядочении молекул или иных частиц в результате их взаимодействия. Существуют и другие процессы, которым присуща способность к самоорганизации, не являющиеся предметом супрамолекулярной химии. Одним из таких процессов является электрохимическое анодное оксидирование (анодирование) алюминия, а именно та его разновидность, что приводит к формированию пористых анодных оксидных плёнок (ПАОП). ПАОП представляют собой квазиупорядоченные мезопористые структуры с порами, расположенными нормально к поверхности образца и имеющими диаметр от единиц до сотен нанометров и длину от долей до сотен микрометров. Существуют процессы, позволяющие в существенной степени увеличить степень упорядоченности расположения пор и создавать на основе ПАОА наноструктурированные одно-, двух и трёхмерные массивы.

Проблема образования агломератов

Частицы размерами порядка нанометров или наночастицы, как их называют в научных кругах, имеют одно свойство, которое очень мешает их использованию. Они могут образовывать агломераты, то есть слипаться друг с другом. Так как наночастицы многообещающи в отраслях производства керамики, металлургии, эту проблему необходимо решать. Одно из возможных решений использование веществ диспергентов, таких как цитрат аммония (водный раствор), имидазолин, олеиновый спирт (нерастворимых в воде). Их можно добавлять в среду, содержащую наночастицы.

Области, которые затрагивают нанотехнологии

Нанотехнологии в медицине

Наномедицина нанонаука и наноинженерия, применяющие комплекс подходов для обеспечения применения нанотехнологических разработок в сфере практической медицины и здравоохранения.

Нанобиотехнология область нанонауки и наноинженерии, применяющей методы и подходы нанотехнологии для создания устройств для изучения биологических систем. В рамках нанобиотехнологии также изучаются возможности использования живых систем для создания наноустройств.

Наномедицина в будущем

Рассматривая отдельный атом в качестве кирпичика или "детальки" нанотехнологи ищут практические способы конструировать из этих деталей материалы с заданными характеристиками. Многие компании уже умеют собирать атомы и молекулы в некие конструкции.

В перспективе, любые молекулы будут собираться подобно детскому конструктору. Для этого планируется использовать нано-роботов (наноботов). Любую химически стабильную структуру, которую можно описать, на самом деле, можно и построить. Поскольку нанобот можно запрограммировать на строительство любой структуры, в частности, на строительство другого нанобота, они будут очень дешевыми. Работая в огромных группах, наноботы смогут создавать любые объекты с небольшими затратами, и высокой точностью.

В медицине проблема применения нанотехнологий заключается в необходимости изменять структуру клетки на молекулярном уровне, т.е. осуществлять "молекулярную хирургию" с помощью наноботов.

Ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые могут "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая возникновение таковых.

Манипулируя отдельными атомами и молекулами, наноботы смогут осуществлять ремонт клеток.

Прогнозируемый срок создания роботов-врачей, первая половина XXI века.

В действительности наномедицины пока еще не существует, существуют лишь нанопроекты, воплощение которых в медицину, в конечном итоге, и позволит отменить старение.

Несмотря на существующее положение вещей, нанотехнологии - как кардинальное решение проблемы старения, являются более чем перспективными.

Это обусловлено тем, что нанотехнологии имеют большой потенциал коммерческого применения для многих отраслей, и соответственно помимо серьезного государственного финансирования, исследования в этом направлении ведутся многими крупными корпорациями.

Наноботы или молекулярные роботы могут участвовать (как наряду с генной инженерией, так и вместо нее) в перепроектировке генома клетки, в изменении генов или добавлении новых для усовершенствования функций клетки.

Важным моментом является то, что такие трансформации в перспективе, можно производить над клетками живого, уже существующего организма, меняя геном отдельных клеток, любым образом трансформировать сам организм!

Описание нанотехнологии может показаться притянутым за уши, возможно, потому что ее возможности столь безграничны, но специалисты в области нанотехнологии отмечают, что на сегодняшний день не было опубликовано ни одной статьи с критикой технических аргументов Дрекслера. Никому не удалось найти ошибку в его расчетах. Между тем, инвестиции в этой области (уже составляющие миллиарды долларов) быстро растут, а некоторые простые методы молекулярного производства уже вовсю применяются.

Нанотехнологии могут привести мир к новой технологической революции и полностью изменить не только экономику, но и среду обитания человека. В рамках этой статьи мы рассматриваем лишь перспективность этих технологий для отмены старения людей.

Вполне возможно, что после усовершенствования для обеспечения "вечной молодости" наноботы уже не будут нужны или они будут производиться самой клеткой.

Для достижения этих целей человечеству необходимо решить три основных вопроса:

1. Разработать и создать молекулярных роботов, которые смогут ремонтировать молекулы.

2. Разработать и создать нанокомпьютеры, которые будут управлять наномашинами.

3. Создать полное описание всех молекул в теле человека, иначе говоря, создать карту человеческого организма на атомном уровне.

Основная сложность с нанотехнологией - это проблема создания первого нанобота. Существует несколько многообещающих направлений.

Одно из них заключается в улучшении сканирующего туннельного микроскопа или атомно-силового микроскопа и достижении позиционной точности и силы захвата.

Другой путь к созданию первого нанобота ведет через химический синтез. Возможно, спроектировать и синтезировать хитроумные химические компоненты, которые будут способны к самосборке в растворе.

И еще один путь ведет через биохимию. Рибосомы (внутри клетки) являются специализированными наноботами, и мы можем использовать их для создания более универсальных роботов.

Группа нанотехнологов из института предвидения заявила, что стремительный рост нанотехнологий выходит из-под контроля, но в отличие от Билла Джой а, вместо простого запрета на развитии исследований в этой области, они предложили установить правительственный контроль над исследованиями.

Такой надзор, может предотвратить случайную катастрофу, например, когда наноботы создают сами себя (до бесконечности), потребляя в качестве строительного материала все на своем пути, включая заводы, домашних животных и людей.

Рей Курцвейл - к 2020 году появится возможность поместить внутри кровеносной системы миллиарды нанороботов размером с клетку, по оценкам Роберта Фрайтаса, ведущего ученого в области наномедицины, это случится не ранее, чем в 2030-2035 году.

Эти наноботы смогут тормозить процессы старения, лечить отдельные клетки и взаимодействовать с отдельными нейронами. Так ассеблеры практически сольются с нами.

Способы лечения пациентов благодаря нанотехнологии

Рак

Малый размер наночастиц наделяет их свойствами, которые могут быть очень полезными в онкологии, в особенности в получении снимков. Квантовые точки (наночастицы с квантово ограниченными свойствами, такими как настраиваемым по размеру световым излучением), когда используются вместе с МРТ (магнитно-резонансной томографией), могут производить отличные снимки в местах опухоли. Эти наночастицы значительно ярче, чем органические краски и требуют только одного источника света для активизации. Это означает, что использование флуоресцентных квантовых точек может произвести более контрастное изображение за меньшую стоимость, чем нынешние органические красители, используемые как контрастные вещества. Тем не менее, обратная сторона заключается в том, что квантовые точки обычно сделаны из довольно токсичных элементов.

Другое наносвойство, большое отношение площади поверхности к объёму, позволяет многим функциональным группам присоединяться к наночастице, что позволяет искать и присоединяться к определённым клеткам опухолей. Вдобавок, малый размер наночастиц (от 10 до 100 нанометров) позволяет им преимущественно скапливаться в местах опухолей (поскольку в опухоли есть нехватка эффективной лимфатической дренажной системы). Отличный вопрос для исследования как сделать эти наночастицы, используемые для съёмок, более полезными в лечении рака. Для примера, возможно ли изготовить многофункциональные наночастицы, которые будут обнаруживать, снимать, а затем и лечить опухоль? Этот вопрос активно исследуется, ответ может обозначить будущее в лечении рака. Многообещающий новый способ лечения рака, который может однажды заменить радиацию и химиотерапию, приближается к клиническим испытаниям на людях. Терапия Kanzius RF присоединяет микроскопические наночастицы к раковым клеткам и затем «изжаривает» опухоли внутри тела с помощью радиоволн, которые нагревают только наночастицы и близлежащие (раковые) клетки.

Сенсорные тестовые чипы, содержащие тысячи нанопроводов, способны обнаруживать протеины и другие биомаркеры, оставленные раковыми клетками, могут позволить обнаруживать и диагностировать рак на ранних стадиях и потребует лишь нескольких капель крови пациента.

Основные доводы в пользу использования доставки лекарств основаны на трёх фактах: 1) эффективная инкапсуляция лекарств, 2) успешная доставка упомянутых лекарств к целевому региону тела, и 3) успешный выпуск лекарств там.

Исследователи из университета Райса под руководством проф. Дженнифера Веста, продемонстрировали использование нанооболочекn диаметром 120 нм, покрытых золотом, для уничтожения раковых опухолей в мышах. Наночастицы могут быть нацелены на связывание с раковыми клетками при помощи соединения антител или пептидов с поверхностью нанооболочки. С помощью облучения зоны опухоли инфракрасным лазером, который проходит через плоть, не нагревая её, золото нагревается достаточно для смерти раковых клеток.

Наночастицы селенида кадмия (квантовые точки) светятся при облучении ультрафиолетовым светом. Когда введены, они проникают внутрь раковых опухолей. Хирург может видеть светящуюся опухоль и использовать это как подсказку для более аккуратного удаления опухоли.

В фотодинамической терапии частица помещается внутрь тела и освещается светом, идущим снаружи. Свет поглощается частицей, и если частица металлическая, свет нагреет частицу и окружающую ткань. Свет также может использоваться для производства высокоэнергетических молекул кислорода, которые будут химически реагировать и уничтожать большинство органических молекул рядом с ними (например, опухоль). Терапия является привлекательной по многим причинам. Она не оставляет «токсического следа» реагирующих молекул по всему телу (как при химиотерапии), поскольку сосредоточена только там, где есть свет и есть частицы. Фотодинамическая терапия имеет потенциал неинвазивной процедуры для лечения заболеваний, выростов и опухолей.

Хирургия

В университете Райса продемонстрировали использование сварочного аппарата для плоти, чтобы сплавить два куска мяса курицы в один кусок. Два куска мяса расположили в упор друг к другу. Зелёная жидкость, содержащая покрытые золотом нанооболочки, была налита вдоль шва. Инфракрасный лазер прошёл вдоль шва и сварил две стороны вместе. Эта технология может решить сложности и утечки крови, которые возникают, когда хирург пытается зашить артерии, которые были разрезаны во время трансплантации почки или сердца. Сварочный аппарат для плоти может идеально заваривать артерии.

Визуализация

Отслеживание перемещений может помочь установить, как хорошо лекарства распределяются, и как идёт метаболизм. Сложно отследить маленькую группу клеток внутри тела, поэтому учёные обычно добавляют в клетки красители. Эти красители должны активироваться под действием света с определённой длиной волны. Пока красители разных цветов поглощали разные частоты света, требовалось много источников света в клетках. Способ обойти эту проблему люминесцентные метки. Эти метки это квантовые точки, соединённые с протеинами, которые могут проникать через мембраны клеток. Эти точки могут быть случайного размера, могут быть сделаны из биоинертного материала, и могут демонстрировать наноразмерное свойство, что цвет зависит от размера. Как результат, размеры выбираются так, что световая частота заставляет группу квантовых точек светиться, а другую группу накалиться добела. Обе группы могут быть освещены одним источником света. Также был найден путь вставки наночастиц в определённые места тела, таким образом, чтобы свечение подсвечивало опухоль или сжатие, или проблему с органом.

Тканевая инженерия

Нанотехнология может помочь восстановить или починить повреждённую ткань. «Тканевая инженерия» использует искусственно стимулированную пролиферацию клеток с использованием подходящих сделанных из наноматериалов опор и ростовых факторов. Как пример, кости могут быть выращены заново на опорах из углеродных нанотрубок. Тканевая инженерия может заменить сегодняшние обычные способы лечения, такие, как трансплантация органов или искусственные имплантаты. Продвинутые формы тканевой инженерии могут привести к продлению жизни. Также из нанокристаллов фосфата кальция делаются искусственные костные композиты.

Устойчивость к антибиотикам

Наночастицы могут использоваться при комбинированной терапии для снижения устойчивости к антибиотикам. Было показано, что наночастицы из оксида цинка могут уменьшить устойчивость к антибиотикам и улучшить антибактериальную активность Ципрофлоксацина против микроорганизма invitro. Наночастицы могут взаимодействовать с различными протеинами, которые участвуют в сопротивлении антибиотикам или в фармакологических механизмах лекарств.

Иммунный ответ

Фуллерены исследовались на свойство прерывать аллергическую/иммунную реакцию, не давая мастоцитам (которые вызывают аллергическую реакцию) выбрасывать гистамины в кровь и ткани, связываясь со свободными радикалами значительно лучше, чем любой из доступных сейчас антиоксидантов, включая витамин E.

Артроскоп

Нанотехнология помогает продвинуть использование артроскопов, которые представляют собой устройства размером с карандаш и используются в хирургии со светом и камерами, что позволяет хирургам делать операции с меньшими разрезами. Чем меньше разрезы, тем быстрее лечение, что лучше для пациентов. Это также помогает найти способ сделать артроскоп меньше, чем прядь волос.

Медицинские применения молекулярной нанотехнологии

Молекулярная нанотехнология –это предполагаемая область нанотехнологии, относящаяся к возможности создания молекулярных ассемблеров, машин, которые могут переупорядочивать материю на молекулярном или атомарном масштабе. Молекулярная нанотехнология сейчас полностью теоретическая, пытается предвидеть, какие изобретения могут появиться в нанотехнологии и предложить планы для решения будущих вопросов. Предполагаемые элементы молекулярной нанотехнологии, такие как молекулярные ассемблеры и нанороботы, находятся далеко за пределами сегодняшних возможностей.

Нанороботы

Заявления о гипотетической возможности использования нанороботов в медицине утверждают, что это полностью изменит мир медицины, когда будет реализовано. Наномедицинавоспользуется этими нанороботами (или Вычислительными Генами), внедрёнными в тело, чтобы починить или обнаружить повреждения и инфекции. Согласно Роберту Фрайтасу из Института Молекулярной Сборки, типичный работающий в крови медицинский наноробот может быть размером 0,5-3 мкм, поскольку это максимальный размер, допустимый для прохождения через капилляры. Углерод может использоваться как основной элемент для построения этих нанороботов в связи с присущей ему прочностью и другими характеристиками некоторых форм углерода (алмаз, фуллереновые композиты), и нанороботы могут быть собраны на настольных нанофабриках, специализированных для этой задачи.

Работа наноустройств может наблюдаться внутри тела с помощью ЯМР (ядерного магнитного резонанса), особенно если их компоненты будут сделаны в основном из углерода-13, а не натурального изотопа углерода-12, поскольку углерод-13 имеет ненулевой ядерный магнитный момент. Медицинские наноустройства могут быть введены в тело человека, а затем отправиться на работу в нужный орган или ткань. Врач будет наблюдать за прогрессом и проверять, что наноустройства выбрали правильный регион для лечения. Врач также сможет просканировать секцию тела и увидеть наноустройства, сгруппировавшиеся вокруг своей цели (например, опухоли), чтобы убедиться, что процедура прошла успешно.

Машины ремонта клеток

Используя лекарства и хирургию, врачи могут только помогать тканям чинить себя. Эрик Дрекслер утверждает, что с молекулярными машинами станет возможен ремонт напрямую.Клеточный ремонт будет включать те задачи, которые уже доказаны живыми системами как возможные. Доступ в клетки возможен, поскольку биологи могут вставлять иглы в клетки, не убивая их. Таким образом, молекулярные машины могут входить в клетку. Также все специфические биохимические взаимодействия показывают, что молекулярные системы могут распознавать другие молекулы при соприкосновении, строить или перестраивать каждую молекулу в клетке, и могут разбирать повреждённые молекулы. Наконец, существование размножающихся клеток доказывает, что молекулярные системы могут собирать каждую систему, которая есть в клетке. Следовательно, так как природа демонстрирует простые операции, которые требуются для ремонта клетки на молекулярном уровне, в будущем системы на базе наномашин будут построены так, чтобы умели входить в клетки, находить различия со здоровой клеткой, и вносить модификации в структуру.

Медицинские возможности таких машин ремонта клеток впечатляют. По размеру они сравнимы с вирусами или бактериями, а их компактные части могут помочь им быть более сложными. Ранние машины будут специализированными. Проходя через мембраны, путешествуя через ткани и входя в клетки и вирусы, машины смогут только починить какое-то молекулярное повреждение вроде повреждения ДНК или нехватку энзимов. Позднее, молекулярные машины будут запрограммированы на большее число возможностей с помощью продвинутых систем ИИ.

Нанокомпьютеры потребуются, чтобы управлять этими машинами. Эти компьютеры будут давать машинам команды осматривать, разбирать и перестраивать повреждённые молекулярные структуры. Машины ремонта смогут чинить целые клетки, структуру за структурой. Далее, обрабатывая клетку за клеткой и ткань за тканью, смогут починить целые органы. Наконец, обрабатывая орган за органом, они восстановят здоровье всего тела. Клетки, повреждённые до состояния неактивности, могут быть отремонтированы ввиду возможности наномашины строить клетки с нуля. Исходя из этого, наномашины смогут освободить медицину от зависимости от саморемонта организма.

Известные научные исследования по борьбе с раком

Абраксан, утверждённый FDA для лечения рака груди и рака лёгких NSCLC, это наночастица альбумина, связанная с паклитакселом.

Doxil был изначально одобрен FDA для использования на связанной с ВИЧ саркомой Капоши. Сейчас он также используется для лечения рака яичников и многих миелом. Лекарство заключено в липосомах, что помогает продлить жизнь распределяемого лекарства. Липосомы самособирающиеся сферические закрытые коллоидальные структуры, состоящие из двойных липидных слоёв, которые окружает жидкость. Липосомы также улучшают функциональность и помогают уменьшить ущерб, который лекарство наносит сердечным мышцам

В исследованиях мышей учёные из Университета Райса и из ракового центра д-ра мед. наук Андерсона из Техасского Университета сообщили об улучшении эффективности и снижении токсичности существующего лечения рака головы и шеи, когда использовали наночастицы для доставки лекарства. Гидрофильные углеродные кластеры, соединённые с полиэтиленгликолем или PEG-HCC, были смешаны с химиотерапевтическим лекарством паклитакселом (Таксолом) и нацеленным на эпидермальный рецептор ростового фактора (EGFR) цетуксимабом, и введены внутривенно. Они обнаружили, что опухоли были более эффективно уничтожены радиацией, а здоровые ткани получили меньший токсичный эффект, чем без нанотехнологической доставки лекарства. Стандартное лекарство содержит Kolliphor EL, который позволяет гидрофобному паклитакселу доставляться внутривенно. Замена токсичного Kolliphor углеродными наночастицами ликвидирует его побочный эффект и улучшает нацеливание лекарства, в результате требуется меньшая доза токсичного паклитаксела.

Исследователи из Западного резервного университета Кейза сообщили об использовании цепочки наночастиц для доставки доксорубицина к клеткам рака груди в исследовании на мышах. Три магнитных наносферы с оксидом железа были химически связаны с одной заряженной доксорубициномлипосомой и сформировали 100-нанометровую цепочку наночастиц. Когда наночастицы проникли в опухоль, было сгенерировано радиочастотное поле, которое заставило наночастицы вибрировать и разрывать липосомы, высвобождая лекарство в свободной форме внутри опухоли. Результат показал, что нанолечение было более эффективным в остановке роста опухоли, чем стандартное лечение доксорубицином. Это было также менее вредоносно для здоровых клеток, так как использовалось только 5-10 % от стандартной дозы доксорубицина.

Наночастицы, сделанные из полиэтиленгликоля (PEG), несущие заряды антибиотиков внутри себя, могут быстро заряжаться, что позволяет им нацеливаться на бактериальную инфекцию более точно внутри тела, как сообщила группа исследователей из Массачусетского технологического института. Наночастицы, содержащие суб-слой pH-чувствительных цепочек из аминокислоты гистидина, несут небольшой отрицательный заряд, когда циркулируют в потоке крови, и могут избегать обнаружения и уничтожения иммунной системой. Когда они замечают очаг заражения, частицы получают небольшой положительный заряд, спровоцированный небольшой кислотной средой в очаге заражения, что позволяет им приклеиваться к отрицательно заряженным стенкам клеток бактерий и высвобождать антибиотики в локально высокой концентрации. Эта система нанодоставки может потенциально уничтожить бактерию, даже если она выработала сопротивление к антибиотикам, благодаря высокой направленной дозе и длительному воздействию лекарства. Хотя предстоит ещё много работы, исследователи верят, что это ведёт к новому направлению использования нанотехнологии для лечения инфекционных заболеваний.

Используя бионическую стратегию, исследователи из Гарвардского университета продемонстрировали на модели мыши, что покрытые лекарствами наночастицы могут растворять сгустки крови, выборочно прикрепляясь к узким местам в сосудах, так же, как делают тромбоциты. Агрегаты биоразлагаемыхнаночастиц, покрытыеm тканевым активатором плазминогена (tPA), каждый размером примерно с тромбоцит, были введены внутривенно. В месте сужения сосуда, поперечная сила расщепляет агрегаты и высвобождает покрытые tPAнаночастицы, которые прикрепляются и деградируют сгустки крови. С помощью точного нацеливания и концентрации лекарства в месте закупорки удалось использовать дозу в 50 раз меньше нормальной. Нанотерапия существенно снижает сильные побочные эффекты в виде кровотечений, которые обычно обнаруживаются у стандартных видов лечения тромбозов.

Наночастицы в виде РНК X-формы, способные нести четыре функциональных модуля, были созданы исследователями из Университета Кентукки. Эти молекулы РНК химически и термодинамически стабильны и способны оставаться неизменными в теле мыши в течение более 8 часов и сопротивляться деградации рибонуклеазой в потоке крови. Когда к четырём рукам этой молекулы присоединена комбинация различных активных агентов, например, малая интерферирующая РНК (для приглушения генов), микроРНК (для регуляции экспрессии генов), аптамер (для направления на цель) и рибозим (как катализатор), РНК X-формы может выполнять терапевтические и диагностические функции, регулируя экспрессию генов и функционирование клеток, и присоединяясь к раковым клеткам с точностью, улучшенной её поливалентной природой и синергичными эффектами дизайна.

Ранняя фаза клинических испытаний платформы наночастиц «Миниклетка» для доставки лекарств была протестирована на пациентах с прогрессирующим и неизлечимым раком. Сделанные из мембран мутантных бактерий, миниклетки были заряжены паклитакселом и обёрнуты цетуксимабом антителами, которые прикрепляются крецептору эпидермального фактора роста (EGFR), который часто чрезмерно экспрессируется в раковых клетках; это служит устройством нацеливания на клетки опухоли. Клетки опухоли распознают бактерию, из которой были взяты миниклетки, считают её вторгающимся микроорганизмом и поглощают её. Когда миниклетка оказывается внутри, заряд противораковых лекарств убивает клетки опухоли. Миниклетка имеет размер 400 нм и больше, чем синтетические частицы, разработанные для доставки лекарств. Исследователи отметили, что большой размер даёт миниклеткам лучшие характеристики в плане побочных эффектов, поскольку миниклетки в основном просачиваются наружу из пористых кровеносных сосудов вокруг клеток опухоли и не достигают печени, пищеварительной системы и кожи. Эта фаза 1 клинических испытаний продемонстрировала, что лечение хорошо оценивается пациентами. Как платформенная технология, миниклеточная система доставки лекарств может быть использована для лечения множества различных видов рака разными противораковыми лекарствами в малых дозах и с меньшими побочными эффектами. Исследователи в исследовательском институте Методистского госпиталя в Хьюстоне создали «Лейкоподобные векторы» или LLV. LLV это лекарствопереносящие кремниевые наночастицы, обёрнутые в липопротеин, снятый с мембран белых кровяных клеток, лейкоцитов. Обёрнутые наночастицы вели себя как лейкоциты и были способны избегать иммунной системы тела и гораздо дольше выживать invivo, когда изучались на мышах. Учёные отметили, что LLV способен победить большое препятствие для наномедицинской доставки, обходя системы очистки в потоке крови, пересекая биологические барьеры и локализуясь на тканях цели благодаря лейкоцитоподобным компонентам. Ожидается, что в будущем синтетические мембраны заменят собранные с белых кровяных телец из-за ограниченности источников лейкоцитов.

Нанотехнологии в строительстве

Строительный сектор имеет дело с огромным количеством сырья и различные инновационные материалы уже находят применение в современном строительстве и начинают вносить свою долю в формирование архитектуры будущего.

Но пока фактическое использования нанотехнологий в строительстве является довольно ограниченным, поскольку инновационные идеи в большинстве своем ориентированы на поверхностные эффекты, а не на формирование новых структур строительных матералов. Тем не менее, достижения фундаментальных исследований в области нанотехнологий постепенно находят свой путь в строительную отрасль.

Уже получены конструкционные композиционные материалы с уникальными прочностными характеристиками, новые виды арматурных сталей, уникальные нанопленки для покрытия светопрозрачных конструкций, самоочищающиеся и износостойкие покрытия, паропроницаемые и гибкие стекла.

Фантастически выглядят перспективы дальнейшего развития.

Например:

• основания зданий с саморегулирующей системой компенсации усадок грунтов

• несущие конструкции зданий, осуществляющие мониторинг собственного напряженно-деформированного состояния

• ограждающие конструкции и кровли, аккумулирующие энергию солнца

• покрытия, реагирующие на психофизическое состояние людей

• фотокаталитические и другие функциональные покрытия

Все это должно стать основой современного «умного дома» нового поколения.

Без применения нанотехнологий невозможна и полноценная реализация проектов энергонезависимого «пассивного дома». Основной особенностью «пассивного дома» (экодома, англ. passivehouse) является малое энергопотребление и почти полная энергонезависимость, что обеспечивается использованием всего спектра возможностей сохранения тепла и самопроизводства энергии.

Будущее строительного материаловедения во многом связано с применением нанотехнологических подходов внедрения процессов формирования структуры современных строительных материалов, предусматривающих их сборку или самосборку «снизу-вверх», то есть дизайн материала или изделия, который заключается в контролируемом и управляемом воздействии на процесс структурообразования, начиная с наноразмерного уровня. Результатом такого подхода будет получение новых по составу и качественно отличающихся по структуре и свойствам конструкционных, теплоизоляционных, отделочных и других материалов, в полной мере отвечающих современным тенденциям развития архитектурных форм, конструктивных решений и технологии возведения объектов промышленного и гражданского назначения.

И уже в настоящее время планируются и проводятся теоретические и экспериментальные исследования, направленные на разработку методов наноструктурного модифицирования материалов, изучение количественных и качественных изменений их важнейших свойств и разработку технологических процессов получения различных видов строительных материалов, изделий и конструкций с улучшенными по сравнению с аналогами физико-механическими характеристиками.

Несмотря на то, что новые технологии и материалы уже внедряются в строительную отрасль, их доля еще достаточно мала менее 1% в общем объеме материалов строительного сектора.

Разработки, которые производятся в настоящее время

В настоящее время в прогрессивных странах мира более 20% строительных компаний активно применяют в своей работе различные материалы, созданные с использованием нанотехнологий.

Высокопрочный бетон

Использование нанотехнологий в строительстве позволяет добавлять к традиционным строительным материалам определенные свойства, достижение которых еще недавно считалось небывалым. Так, одним из актуальных разработок последнего времени является создание долговечного и высокопрочного бетона.

Согласно расчетам, такой бетон может без проблем просуществовать до 500 лет. Для создания высокопрочного бетона применяются ультрадисперсные, наноразмерные частицы. Данные свойства наноматериалов позволяют использовать высокопрочный бетон для строительства небоскребов, большепролетных мостов, защитных оболочек атомных реакторов и тому подобного.

Высокопрочная сталь

Исследования ученых в области наномодификаций металлов и их сплавов позволили получить высокопрочную сталь, которая не имеет в настоящее время аналогов по параметрам прочности и вязкости. Применение таких наноматериалов самым идеальным образом подходит для строительства различных гидротехнических и дорожных объектов.

При этом нанотехнологии в строительстве позволяют создать на стальных конструкциях полимерные и композитные нанопокрытия: они в десятки раз повышают стойкость стали от коррозии и в несколько раз увеличивают срок службы металла, даже если ожидается работа в агрессивных средах.

Конструкционные композиты

Отдельно хочется обратить внимание на конструкционные композиты, которые представляют собой широкий класс конструкционных материалов, имеющих полимерную, металлическую или керамическую матрицу. Наиболее типичным примером таких композитов являются углепластики - это композиты с углеволокнами и с полимерной матрицей.

Нанопокрытия

В настоящее время выдающиеся свойства наноматериалов позволяют применять в строительстве новые теплоизоляционные материалы, краски, эмали, лаки и многое другое. Большим достижением в области нанопокрытий стала имитация эффекта лепестков лотоса, которые совершенно неуязвимы для воды. В результате в Пекине появилось здание Большого национального театра, огромный яйцеобразный купол которого, созданный из стекла и титана, обработан нанопокрытием, которое не подвержено загрязнению и смачиванию осадками.

По мнению специалистов, внедрение нанотехнологий в строительство в ближайшем будущем создаст настоящий бум по использованию таких наноматериалов как фасадные водонепроницаемые краски. Также одним из актуальных направлений применения наноматериалов является энергосбережение.

Например, полупрозрачные нанопокрытия обладают свойством накапливать солнечную энергию. Данные пленки предназначены для применения их на окнах и стенах зданий: нанопленки придадут фасадам стильный вид, и в тоже время будут работать как солнечные батареи, значительно снижающие расходы на электрическую энергию.

Интересные свойства имеют такие наноматериалы как прозрачные наногели (аэрогели). Они обладают высокими звуко- и теплоизоляционными характеристиками, и в настоящее время их начинают применять в энергосберегающих кровельных системах с верхним светом.

Инновационная пленка

Настоящим открытием в строительной индустрии стали свойства наноматериалов инновационной пленки, предназначенной для защиты цветных пластиковых окон от инфракрасного (теплового) излучения. Инновационные пленки имеют особые пигменты, позволяющие отражать до 80% инфракрасных лучей и не позволяющие конструкциям перегреваться. В результате данная пленка защищает как окна, так и само помещение от перегрева, продлевая этим срок службы конструкции и снижая затраты на кондиционирование.

При этом цветная инновационная пленка, которая наносится при ламинации на профиль, способна придавать раме визуальный 3D-эффект. Это происходит благодаря использованию особого компонента пленки – бриллиантовых красок. Также такие краски на поверхности пленки создают микропоры, которые дают покрытию ощущение шагрени. В ходе ламинации инновационная нанопленка способна полностью покрыть сложные по геометрии ПВХ-профили и в точности повторить их формы.

Нанокомпозитные трубы

В нашей стране уже начали применять нанокомпозитные трубы: они предназначены для систем водоснабжения, отопления и газоснабжения. Нанокомпозитные трубы в несколько десятков раз превосходят свои привычные аналоги по эксплуатационным свойствам, а также отличаются невысокой стоимостью.

Стеклопластиковая композитная арматура

Перспективной альтернативой привычному стальному аналогу, специалисты считают строительную, стеклопластиковую композитную арматуру. Такой наноматериал имеет целый ряд уникальных свойств. Так, стеклопластиковая композитная арматура обладает малым уделенным весом, который в 4 раза меньше, чем у стали, химической стойкостью и высокой прочностью. При этом композитная арматура относится к диэлектрикам, имеет низкую теплопроводность и не подвержена коррозии. Такой материал можно использовать в любом виде строительства.

Нанотехнологии в энергетики

Улучшение топлив при помощи наночастиц

В поисках повышения энергетических параметров жидких топлив, ученые обнаружили, что добавление наночастиц алюминия или окиси алюминия к дизельному топливу повышает его зажигательные свойства.

В простых экспериментах с нагревательным прибором, инженер-механик из Аризонского государственного университета Патрик Е. Фелан с сотрудниками обнаружили, что дизельное топливо, содержащее 0.1% наночастиц алюминия или окиси алюминия зажигается более легко при низких температурах, чем чистое дизельное топливо. Исследователи подозревают, что добавление наночастиц к дизельному топливу увеличивают испускающие свойства топлива и его способности к тепло - и массопереносу.

Наночастицы увеличивают вероятность того, что одна капля топлива будет возгораться всего лишь около 700°C. Вероятность увеличивается с 15% для чистого дизельного топлива до 50-60% для обогащенного наночастицами дизельного топлива. Группа Фелана также обратила внимание на разные размеры частиц Al2O3 и обнаружила, что 50-нанометровые частицы были немного лучше для разжигания дизельного топлива чем 15-нанометровые частицы, однако эти измерения были проведены только в интервалах низких температур.

Энвирокс, катализатор на основе наночастиц окиси церия, о котором сообщали как об эффективном для повышения топливных характеристик, уже коммерчески используется; его выпускает фирма наноматериаловОксоника.

Устройство, работающее от солнечной энергии, преобразует CO₂ в топливо

Устройство из нанотрубок, питаемое только лишь энергией естественного солнечного света, способно превращать смесь углекислого газа и водного пара в природный газ в небывалых количествах.

Такое устройство предлагает новый способ извлекать углекислый газ из атмосферы и преобразовывать его в топливо или другие химические вещества, чтобы снизить влияние выбросов от ископаемого топлива на глобальный климат, утверждает КрейгГраймс (CraigGrimes) из университета штата Пенсильвания, чья команда учёных спроектировала устройство.

Ранее другие группы исследователей разрабатывали методы превращения диоксида углерода в органические соединения, такие как метан, часто с применением наночастиц диоксида титана в качестве катализатора, но для поддержания реакций им был необходим ультрафиолетовый свет.

Настоящим научным открытием является разработка метода, который действует для более широкого диапазона видимых частот, включая солнечный свет.

Учёные выяснили, что могут увеличить каталитическую способность диоксида титана, сформировав его в нанотрубки, каждая приблизительно 135 нанометров в ширину и 40 микрон в длину, чтобы увеличить площадь поверхности. Для усиления их активности нанотрубки были покрыты каталитической медью.

Внутрь металлической камеры с кварцевым отверстием были помещены трубки, туда накачивалась смесь диоксида углерода и водного пара, после чего камера подвергалась воздействию солнечного света в течение трёх часов.

Энергия солнечного света трансформировала диоксид углерода и водный пар в метан и сопутствующие органические соединения, такие как этан и пропан, с частотой 160 микролитров в час на грамм нанотрубок. Эти результаты в 20 раз превышают все описанные ранее методы, но пока ещё слишком низкие для непосредственного практического применения.

Если реакцию остановить раньше, устройство производит смесь оксида углерода (СО) и водорода, известную как синтетический газ, который можно преобразовывать в дизель.

Граймс уверен, что со временем учёным удастся получить коммерчески рентабельные результаты.

Электроэнергия из тепла человеческого тела

Инженеры из Фраунгоферовского института интегральных схем IIS разработали единственный в своем роде трансформатор напряжения, который может работать от входного напряжения в 20 милливольт. То есть этот миниатюрный электроприемник приводят в действие самые малые энергии, и получить их можно из окружающей среды.

Mp3-плеер, который больше не нужно подзаряжать от розетки? Спортсмен-любитель, следящий за своим пульсом и частотой дыхания просто по показаниям на запястном ремешке? И то, и другое совсем без каких-либо аккумуляторов или батареек? Это вовсе не утопия, а современное состояние исследований во Фраунгоферовском институте. Необходимый для функционирования ток это устройство может получать… из тепла человеческого тела.

При разнице температур в 2 °C (например, между человеческой кожей и окружающим пространством) теплогенератор размером 2х2 см с новым трансформатором напряжения IC генерирует до 4 мВ. Другой возможный источник энергии для IC солнечные элементы при малом освещении. Если получаемую таким образом энергию аккумулировать в течение некоторого времени, ею можно питать и большие устройства, такие как mp3-плеер или карманный компьютер.

Трансформатор напряжения IC размером 1.5х1.5 мм может снабжать энергией в 3.3 В сенсоры, беспроводные приемопередатчики радиосигналов и дисплеи. При этом КПД, в зависимости от нагрузки и входного напряжения, составляет от 30 до 80 %. Это первое в мире решение, когда устройство обходится питающим напряжением всего в 20 милливольт. Такие миниатюрные и, соответственно, экономичные в изготовлении трансформаторы напряжения имеют большое преимущество во многих областях применения, например, в медицинской технике, в инженерных системах зданий и сооружений, в автомобилях, в системах автоматизации и логистике.

Разработка была осуществлена в рамках Фраунгоферовского проекта «Термоэлектрические нанокомпозиты», направленного на разработку теплогенераторов специально для децентрализованной выработки энергии, которая должна обеспечивать работу автономных устройств типа «сенсор-актуатор». Для этого будут реализованы подходы к решению задач производства высокоэффективных поликристаллических термоэлектрических материалов и конструктивных элементов, а также вопросов применения не менее необходимых высокоинтегрированных электронных схем.

Нанотехнологии в атомной энергетике

По мнению специалистов, современные нанотехнологии в атомной отрасли направлены, прежде всего, на создание и внедрение:

·специальной наносистемной техники для обеспечения гарантированной безопасности использования атомной энергии, повышения уровня экологической безопасности и комфортности среды обитания;

·интеллектуальных наноматериалов и нанотехнологий для повышения эффективности физической защиты радиационно-опасных объектов;

·принципиально новых радиационно-стойких конструкционных материалов и высокоэффективного ядерного топлива для атомной энергетики;

·электротехнических, магнитных и сверхпроводящих материалов и изделий для широкого внедрения в энергетику, прежде всего, атомную;

·средств и методов медицинской диагностики, лекарственных средств нового поколения и лечебной аппаратуры.

В атомной отрасли технологии, основанные на качественном изменении свойств материалов при переходе к нанометровому размеру, стали активно разрабатываться в середине XX века, практически одновременно с первым испытанием советского ядерного оружия. Начало нанотехнологиям в атомной отрасли положили ультрадисперсные порошки, используемые в промышленных технологиях разделения изотопов урана. В 1965 г. коллективу разработчиков ультрадисперсных порошков была присуждена Ленинская премия. Еще раньше, в 1962 г. академику А.А. Бочвару было поручено создание технологий получения сверхпроводников, в которых были широко использованы ультрадисперсные структуры, а в 1970–1980-х гг. многие сотрудники отрасли были удостоены государственных наград, премий и почетных званий за исключительно перспективные технологии получения сверхпроводников. С тех пор исследования ультрадисперсных и нанодисперсных структур в интересах атомной отрасли практически не прекращались.

В настоящее время усилиями сотрудников ФГУП ВНИИ неорганических материалов успешно разрабатываются опытно-промышленные технологии получения функциональных веществ и изделий с использованием нанотехнологий и наноматериалов для ядерной, термоядерной, водородной и традиционной энергетики, медицины, а также для других отраслей экономики.

Перспективы развития атомной энергетики на базе идей науки наноразмерного состояния связаны в первую очередь со снижением удельного потребления природного урана, в основном за счет увеличения глубины выгорания ядерного топлива. Для этого исследуется создание крупнокристаллических структур ядерных материалов с контролируемой и строго определенной пористостью. Такие материалы будут способствовать эффективному удержанию продуктов деления и препятствовать транспорту осколков деления к оболочке тепловыделяющего элемента и ее внутреннему повреждению. Кроме этого активация процесса спекания за счет добавок нанометрического размера рассматривается специалистами как одно из перспективных направлений создания новых видов уран-плутониевых оксидов и нитридов для ядерной энергетики.

С нанотехнологиями специалисты также связывают решение проблемы обеспечения радиационной стойкости материала оболочки при повышенных характеристиках жаропрочности. Например, решение данной проблемы может базироваться на использовании нового класса конструкционных материалов для элементов активных зон перспективных ядерных реакторов феррито-мартенситных радиационно-стойких сталей, упрочненных частицами оксидов нанометрового размера (так называемая ДУО-сталь). Разработанная в настоящее время отечественная технология производства ДУО-стали включает в себя: получение гомогенных быстро-закаленных ультрадисперсных порошков со сферической и чешуйчатой формой методом центробежного распыления расплава; твердофазное легирование матричного материала нанодисперсными оксидами иттрия в высокоэнергетическом аттриторе; компактирование ультрадисперсных или нанодисперсных порошков и термомеханическая обработка изделия для создания в матрице стали выделений оксидов иттрия нанометрового размера. Исследования показали, что наноструктурированная ДУО-сталь сохраняет достаточно высокое остаточное удлинение после обработки со степенями деформации до 60 %. Кроме этого дореакторные испытания этих сталей в опытно-промышленных условиях показали многократное (до 8 раз) увеличение параметров жаропрочности по сравнению с традиционно применяемой сталью.

Особые перспективы нанотехнологий можно связывать и с созданием так называемых бористых нержавеющих сталей. Например, выделения боридов нанометрового уровня (от 5 до 100 нм), позволяют увеличить содержание бора в 3–4 раза при сохранении пластичности и свариваемости нержавеющих сталей. В целом, новые конструкционные материалы способны продлить срок службы атомных реакторов.

В последнее время специалисты атомной отрасли установили, что наиболее эффективный способ обеспечения радиационной стойкости может быть связан с образованием в твердом растворе наноструктурной подрешетки кластеров ближнего упорядочения ловушек вакансий и интерстиций с периодом 5–10 нм, соизмеримым с длиной свободного пробега радиационных точечных дефектов. В отличие от обычной деградации реакторных материалов, связанной с появлением хрупкости при радиационном воздействии, высокодозное облучение подобных сплавов, наоборот приводит к повышению их прочности при сохранении вязкости. Таким образом, нанотехнологии, по сути, дают жизнь новому направлению радиационного материаловедения созданию конструкционных материалов, «положительно» реагирующих на фактор радиации.

Не менее перспективным для ядерной энергетики является создание универсальной фильтрующей системы от микро- до нанометрического размеров. Такие металлические объемные нанофильтры весьма перспективны для применения в системах водоподготовки и очистки теплоносителя реакторов АЭС.

Переход к нанометрическим структурам позволил увеличить токонесущую способность сверхпроводников, применяемых в атомной отрасли. При этом магнитные нанокомпозиты улучшают технические параметры магнитных систем при одновременном уменьшении их габаритов.

Пористые нанокаркасы из функциональных материалов (металлы, интерметаллиды и керамика) с размером ячейки микронного масштаба и толщиной стенки порядка 10-40 нм используются для получения сверхпрочных и сверхлегких конструкционных материалов, и создания высокопрочных пористых емкостей для хранения высокоэнергетических веществ, включая водород. Такие материалы могут быть использованы для перспективной атомно-водородной энергетики.

Нанотехнологии в машиносторении

Технологические особенности применения нанотехнологий в машиностроении (на примере автомобильной промышленности)

Нанотехнологии обещают целый ряд выгод от широкомасштабного внедрения в массовое производство автомобилей. Так буквально каждый узел или компонент в конструкции автомобиля может быть в значительной степени усовершенствован при помощи нанотехнологий.

Одним из наиболее перспективных и многообещающих направлений применения (в том числе коммерческого) достижений современной нанотехнологии является область наноматериалов и электронных устройств.

Уже существуют легко очищающиеся и водоотталкивающие покрытия для материалов, основанные на использовании диоксида кремния.

В форме наночастиц это вещество приобретает новые свойства, в частности, высокую поверхностную энергию, что и позволяет частицам SiO2 при высыхании коллоидного раствора прочно присоединяться к различным поверхностям, в первую очередь к родственному им по составу стеклу, образуя, тем самым, сплошной слой наноразмерных выступов.

Покрытие из наночастиц кремнезема делает обработанную поверхность гидрофобный - на поверхности с плёнкой из SiO2 капля воды касается субстрата лишь немногими точками, что во много раз уменьшает Ван-дер-ваальсовые силы и позволяет силам поверхностного натяжения жидкости сжать каплю в шарик, который легко скатывается по наклоненному стеклу, унося с собой накопившуюся грязь.

В силу наноразмерной толщины, такие покрытия совершенно невидимы, а благодаря биоинертности кремнезема - безвредны для человека и окружающей среды. Они устойчивы к ультрафиолету и выдерживают температуры до 400 °C, а действие водоотталкивающего эффекта длится в течение 4 месяцев.

Несколько зарубежных фирм уже выпускают подобные покрытия в промышленных масштабах. На российском рынке их продукцию представляет эксклюзивный дистрибутор - компания NanotechnologyNewsNetwork.

Что касается в прямом понимании самоочищающихся поверхностей, то такая технология основана на использовании диоксида титана. Принцип действия материала с таким покрытием заключается в следующем.

При попадании ультрафиолетового излучения на нанопокрытие из TiO2 происходит фотокаталитическая реакция. В ходе этой реакции испускаются отрицательно заряженные частицы - электроны, а на их месте остаются положительно заряженные дырки. Благодаря появлению комбинации плюсов и минусов на поверхности, покрытой катализатором, содержащиеся в воздухе молекулы воды превращаются в сильные окислители - радикалы гидроокиси (HO), которые в свою очередь окисляют и расщепляют грязь, а также нейтрализуют различные запахи и убивают микроорганизмы.

Кроме покрытий для стекол также разработаны и выпускаются составы с аналогичным действием для тканей, металла, пластика, керамики - и все они имеют потенциал для применения в автомобильной промышленности.

Из серийных моделей автомобилей гидрофобное покрытие наносится на боковые стекла NissanTerrano II. Оно не создает полноценный водоотталкивающий эффект, но уменьшает пятно контакта поверхности с каплями воды, благодаря чему во время дождя стекло остается вполне прозрачным.

По некоторым сообщениям, концерн BMW работает над созданием самоочищающихся покрытий на основе нанопорошков.

Компания Mercedes-Benz с конца 2003 года выпускает модели А, С, E, S, CL, SL, SLK покрытых новым поколением прозрачных лаков, изготовленных с использованием нанотехнологии. В состав верхнего слоя такого лакокрасочного покрытия вводят наноскопические керамические частицы. По утверждению создателей, новое лакокрасочное покрытие защищает кузов от царапин в три раза эффективнее, чем обычный лак.

По результатам испытаний оказалось, что покрытые лаком нового типа машины сохраняют блеск на 40% сильнее, чем покрашенные обычной краской.

Новое лаковое покрытие не только защищает кузов от механических повреждений, но еще и полностью отвечает требованиям Mercedes относительно устойчивости к воздействию химических элементов, находящихся в воздухе.

В настоящее время с использованием нанотехнологических подходов уже производятся высокоэффективные антифрикционные и противоизносные покрытия для автотранспорта. Так российский концерн «Наноиндустрия» наладил серийное производство ремонтно-восстановительного состава «Нанотехнология». Состав предназначен для обработки механических деталей, испытывающих трение - двигали, трансмиссия.

При применении состав позволяет создавать модифицированный высокоуглеродистый железосиликатный защитный слой (МВЗС) толщиной 0,1-1,5 мм в областях интенсивного трения металлических поверхностей, что дает возможность избирательной компенсации износа мест трения и контакта деталей за счет образования в этих местах нового модифицированного поверхностного слоя. Использование РВС позволяет увеличивать ресурс работы узлов и деталей в 2-3 раза за счет замены плановых ремонтов предупредительной обработкой, снижает вибрации и шум, на 70-80% снижает токсичность выхлопа автомобиля без применения каких-либо других мер.

В аэрокосмической промышленности уже широко применяется семейство наноструктурированных аэрогелей. Так кремниевый аэрогель - лучший в мире твердый теплоизолятор, когда-либо обнаруженный или полученный. Для промышленности он представляет интерес, так как обладает высокой термической изоляцией - до 800° С (2,5-сантиметровый лист из силиконового аэрогеля надежно защищает руку человека от огня паяльной лампы) и акустической изоляцией - скорость звука при прохождении через аэрогель составляет лишь 100 м/сек. Развитие нанотехнологии позволит снизить себестоимость производства аэрогелей и сделает этот вид материалов доступным для применения в различных отраслях промышленности, в том числе автомобильной.

Большие перспективы имеются в улучшении электронных компонентов автомобиля с помощью нанотехнологий. Так МикроЭлектроМеханические системы (MEMS) уже расширяют стандартную технологию микроэлектроники, позволяет объединять в одной микросхеме элементы, обеспечивающие как механическое перемещение физических частей, так и электронов в электрической схеме.

Это позволяет вместо раздельного производства микроактуаторов и сенсоров, делать их в виде интегрированного в микросхему единого изделия. При этом для их производства используется уже апробированная традиционная технология производства интегральных микросхем и полупроводников.

Идею подвижного кремния (еще так называют MEMS) прекрасно иллюстрируют MEMS-акселерометры, которые уже широко используются в качестве сенсоров автомобильных подушек безопасности.

Вращающиеся акселерометры также используются для расширения возможностей антиблокировочных систем автомобиля (ABS). Кроме того, в автомобилях MEMS находят применение в датчиках продольных и поперечных ускорений, датчиках крена и т.д. Определяя положение кузова, они служат источником информации для работы различных электронных систем стабилизации и контроля курсовой устойчивости. Также MEMS представляют интерес для создания датчиков давления, температуры. В дорогих автомобилях количество датчиков и сенсоров на основе MEMS-технологии может составлять до нескольких десятков штук. Кроме измерения ускорений и детектирования перемещений, MEMS используется в системах GPS-навигации.

История развития MEMS насчитывает более сорока лет, но широкое практическое распространение эти системы получили только с середины 90-ых годов прошлого века. В настоящее время уже идет речь о развитии NEMS - NanoElectroMechanicalSystems. В результате эволюции MEMS происходит уменьшение до нано размеров механических компонентов систем, снижается их масса, при этом увеличивается их резонансная частота и уменьшается константы взаимодействия, что сказывается на значительном повышении функциональности данного рода устройств. Точность измерения перемещения у лучших образцов таких устройств составляет 10 нанометров.

Развитие нанотехнологий обещает массовое распространение новых конструкционных материалов с порою уникальными свойствами и характеристиками. Наибольший интерес для инженеров и исследователей представляют углеродные материалы, из которых в настоящее время наиболее изученными, а также наиболее перспективными для целей практического применения являются углеродные нанотрубки (УНТ). Они обладают самым широким набором уникальных свойств, делающих их чрезвычайно перспективными для использования, в том числе в автомобилестроении.

Баллистический характер электропроводности УНТ (электроны движутся, как бы скользя по поверхности, не встречая препятствий) позволит создавать высокоэффективные электропроводящие узлы различных машин и механизмов, в том числе автомобилей.

Углеродные нанотрубки уже находят применение в конструкции современных автомобилей. Например, инженеры компании Toyota добавляет композиционный материал на основе УНТ в пластиковые бамперы и дверные панели своих автомобилей. Помимо повышения прочности и снижения массы, пластик со смолой из УНТ становится электропроводным, и его можно покрывать теми же красками с электрическим нанесением, что и металлические детали.

Электронные системы все более тесно интегрируются в конструкцию автомобиля. Существует тенденция дальнейшего расширения использования электроники в автомобилях с одновременным усовершенствованием самой полупроводниковой техники и появлении наноэлектроники и молекулярной электроники.

Нанотранзисторы, в том числе с нанотрубками в конструкции будут обладать рядом улучшенных характеристик и бесспорных преимуществ по сравнению с традиционными кремниевыми:

· Повышенное быстродействие;

· термо - и радиационная стойкость;

· миниатюрность;

· низкое энергопотребление и как следствие - незначительное тепловыделение при работе.

Большой интерес представляют нанотехнологии для создания перспективных автомобилей на топливных элементах.

С помощью нанотрубок предполагается решить проблему надежного и безопасного хранения водорода на борту транспортного средства, так как наряду с металлами и жидкостями углеродные нанотрубки могут заполняться газообразными веществами и связывать большое его количество.

Китайские и американские ученые совместно разработали нанолампочку, в которой нитью накаливания служит не вольфрамовая проволочка, а углеродные нанотрубки. Лампочка с УНТ более экономичная - при равном напряжении она испускает больше света.

Сейчас конструкторы «гибридных» автомобилей уже сталкиваются с потребностью в компактных, легких и высокоемких аккумуляторных батареях. Стоит напомнить, что ставшие традиционными кислотные аккумуляторы не годятся, в силу большой массы, громоздкости, экологической «небезупречности». С ростом парка гибридов, а также с массовым появлением водородных автомобилей на ТЭ потребность в автономных источниках хранения электрической энергии возрастет еще больше. Нанотехнологии предлагают ряд решений данной проблемы.

В силу того, что большинство автомобилей будущего будет работать на электрической тяге, гораздо больший интерес станет представлять использование фотоэлементов в конструкции автомобиля. В этом отношении нанотехнология позволяет создавать долговечные, ультратонкие и гибкие преобразователи солнечного света. Кроме того, использование нанотехнологических принципов позволит получать солнечные панели с КПД до 80-90%.Кроме конструкции автомобиля, измениться структура самой автомобильной промышленности.

Так с появлением автоматизированной молекулярной нанотехнологии получит новое развитие уже наметившаяся тенденция - разделение функций разработки/проектирования автомобилей и их производства с окончательным закреплением приоритета за первой из перечисленных двух функций. Собственно, в будущем автомобильные концерны будут только разрабатывать конструкции тех или иных моделей автомобилей для последующей продажи права на их производство методами поатомной сборки сторонним организациям.

Тем самым не автомобиль будет товаром, а информация об особенности его конструкции, что будет полностью соответствовать модели новой экономической формации, где единственным предметом обмена станет информация

Вывод

Сегодня трудно предвидеть все социальные последствия внедрения нанотехнологий, так же как в середине ХХ в. трудно было предсказать, что повлекут за собой разработки в области электроники и информатики. Предполагается, что в ближайшие годы бюджетные ассигнования ведущих индустриальных стран на изыскания в области нанотехнологий существенно возрастут. При этом намеченные исследования будут нацелены на решение ряда конкретных задач: создание сверхминиатюрных запоминающих устройств с мультитерабитовым объемом памяти; повышение быстродействия компьютеров в миллион раз; создание сверхпрочных материалов и на их основе новых транспортных средств; выпуск генетических и медицинских препаратов для диагностики и лечения раковых заболеваний, СПИДа; разработка новых материалов и процессов для защиты окружающей среды и др.

Код для цитирования: Скопировать