X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Появившиеся в последней четверти ХХ века нанотехнологии стремительно развиваются. Едва ли не каждый месяц появляются сообщения о новых проектах, казавшихся еще год-другой назад абсолютной фантастикой. По определению, данному пионером этого направления Эриком Дрекслером, нанотехнология – «ожидаемая технология производства, ориентированная на дешевое получение устройств и веществ с заранее заданной атомарной структурой». Это значит, что она оперирует с отдельными атомами для того, чтобы получить структуры с атомарной точностью. В этом коренное отличие нанотехнологий от современных «объемных» bulk-технологий, которые манипулируют макрообъектами .

Заметим, что «нано» – приставка, обозначающая 10^-9. На отрезке длиной в один нанометр можно расположить восемь атомов кислорода.

Нанообъекты (например, наночастицы металлов), как правило, имеют физические и химические свойства, отличные и от свойств более крупных объектов из того же материала и от свойств отдельных атомов. Скажем, температура плавления частиц золота размером 5–10 нм на сотни градусов ниже температуры плавления куска золота объемом 1 см³.

Исследования, проводимые в наноразмерном диапазоне, лежат на стыке наук, часто изыскания в области материаловедения затрагивают области биотехнологий, физики твердого тела, электроники.

Ведущий мировой специалист в области наномедицины Роберт Фрайтас сказал: «Будущие наномашины должны состоять из миллиардов атомов, поэтому их проектирование и построение потребуют усилий команды специалистов. Каждая конструкция наноробота потребует объединения усилий нескольких исследовательских коллективов. В проектировании и построении самолета «Боинг-777» участвовало множество коллективов во всем мире. Наномедицинский робот будущего, состоящий из миллиона (или даже больше) рабочих частей, по сложности конструкции будет не проще самолета».

Нанопродукты вокруг нас

Наномир сложен и пока еще сравнительно мало изучен, и все же не столь далек от нас, как это казалось несколько лет назад. Большинство из нас регулярно пользуются теми или иными достижениями нанотехнологий, даже не подозревая об этом. Например, современная микроэлектроника уже не микро-, а нано: производимые сегодня транзисторы – основа всех чипов – лежат в диапазоне до 90 нм. И уже запланирована дальнейшая миниатюризация электронных компонентов до 60, 45 и 30 нм.

Более того, как заявили представители компании «Хьюлетт-Паккард», транзисторы, изготавливаемые по традиционной технологии, будут заменены наноструктурами. Один такой элемент – это три проводника шириной в несколько нанометров: два из них параллельны, а третий расположен под прямым углом к ним. Проводники не соприкасаются, а проходят, как мосты, один над другим. При этом с верхних проводников на нижние спускаются молекулярные цепочки, сформированные из материала нанопроводников под воздействием приложенного к ним напряжения. Построенные по этой технологии схемы уже продемонстрировали способность хранить данные и выполнять логические операции, то есть - заменять транзисторы.

С новой технологией размеры деталей микросхем опустятся существенно ниже планки в 10–15 нанометров, в масштабы, где традиционные полупроводниковые транзисторы просто физически не могут работать. Вероятно, уже в первой половине следующего десятилетия появятся серийные микросхемы (пока еще традиционные, кремниевые), в которые будет встроено некоторое количество наноэлементов, созданных по новой технологии.

Компания «Кодак» в 2004 году выпустила бумагу для струйных принтеров Ultima. Она имеет девять слоев. Верхний слой состоит из керамических наночастиц, которые делают бумагу более плотной и блестящей. Во внутренних слоях расположены пигментные наночастицы размерами 10 нм, улучшающие качество печати. А быстрой фиксации краски способствуют включенные в состав покрытия полимерные наночастицы.

Директор Института нанотехнологий США Чэд Миркин считает, что «нанотехнологии перестроят все материалы заново. Все материалы, полученные с помощью молекулярного производства, будут новыми, так как до сих пор у человечества не было возможности разрабатывать и производить наноструктуры. Сейчас мы используем в промышленности только то, что нам дает природа. Из деревьев мы делаем доски, из проводящего металла – проволоку. Нанотехнологический подход состоит в том, что мы будем перерабатывать практически любые природные ресурсы в так называемые «строительные блоки», которые составят основу будущей промышленности».

Сейчас мы уже видим наступление нанореволюции: это и новые компьютерные чипы, и новые ткани, на которых не остается пятен, и использование наночастиц в медицинской диагностике. Даже косметическая индустрия заинтересована в наноматериалах. Они могут создать в косметике много новых нестандартных направлений, которых не было раньше.

В наноразмерном диапазоне практически любой материал проявляет уникальные свойства. Например, известно, что ионы серебра обладают антисептической активностью. Значительно более высокой активностью обладает раствор наночастиц серебра. Если обработать этим раствором бинт и приложить его к гнойной ране, воспаление пройдет и рана заживет быстрее, чем с использованием обычных антисептиков.

Отечественный концерн «Наноиндустрия» разработал технологию производства наночастиц серебра, стабильных в растворах и в адсорбированном состоянии. Получаемые препараты обладают широким спектром противомикробного действия. Таким образом, появилась возможность создания целой гаммы продуктов с антимикробными свойствами при незначительном изменении технологического процесса производителями существующей продукции.

Наночастицы серебра могут быть использованы для модификации традиционных и создания новых материалов, покрытий, дезинфицирующих и моющих средств (в том числе зубных и чистящих паст, стиральных порошков, мыла), косметики. Покрытия и материалы (композитные, текстильные, лакокрасочные, углеродные и другие), модифицированные наночастицами серебра, могут быть использованы в качестве профилактических антимикробных средств защиты в местах, где возрастает опасность распространения инфекций: на транспорте, на предприятиях общественного питания, в сельскохозяйственных и животноводческих помещениях, в детских, спортивных, медицинских учреждениях. Наночастицы серебра можно использовать для очистки воды и уничтожения болезнетворных микроорганизмов в фильтрах систем кондиционирования воздуха, в бассейнах, душах и других подобных местах массового посещения.

Выпускается аналогичная продукция и за рубежом. Одна из фирм производит покрытия с серебряными наночастицами для лечения хронических воспалений и открытых ран.

Еще один вид наноматериалов – это материалы, обладающие колоссальной прочностью углеродные нанотрубки. Это своеобразные цилиндрические полимерные молекулы диаметром примерно от половины нанометра и длиной до нескольких микрометров. Впервые их обнаружили менее 10 лет назад как побочные продукты синтеза фуллерена С₆₀. Тем не менее, уже сейчас на основе углеродных нанотрубок создаются электронные устройства нанометровых размеров. Ожидается, что в обозримом будущем они заменят многие элементы в электронных схемах различных приборов, в том числе современных компьютеров.

Впрочем, используют нанотрубки не только в электронике. В продаже уже есть ракетки для тенниса, армированные углеродными нанотрубками для ограничения скручивания и обеспечения большей мощности удара. Применяют их и в некоторых деталях спортивных велосипедов.

Россия на рынке нанотехнологий

Отечественная компания «Nanotechnology News Network» недавно представила в России другую новинку – самоочищающиеся нанопокрытия. Достаточно опрыскать стекло автомобиля специальным раствором с наночастицами диоксида кремния, и на протяжении 50 000 км к нему не будет приставать грязь и вода. На стекле остается прозрачный сверхтонкий слой, на котором воде просто не за что зацепиться, и она скатывается вместе с грязью. В первую очередь новинкой заинтересовались владельцы небоскребов - на мытье фасадов этих зданий уходят огромные деньги. Существуют такие составы для покрытия керамики, камня, дерева и даже одежды.

Необходимо сказать, что некоторые российские организации уже успешно выступают на международном нанотехнологическом рынке.

Концерн «Наноиндустрия», например, имеет в своем багаже ряд нанотехнологических продуктов, применимых в различных областях промышленности. Это восстановительный состав «РВС» и наночастицы серебра для биотехнологий и медицины, промышленная нанотехнологическая установка «ЛУЧ-1,2» и учебная нанотехнологическая установка «УМКА».

Состав «РВС», который может уберечь от износа и восстановить практически любые трущиеся металлические поверхности, готовят на основе адаптивных наночастиц. Это средство позволяет создавать модифицированный высокоуглеродистый железосиликатный защитный слой толщиной 0,1–1,5 мм в областях интенсивного трения металлических поверхностей (например, в парах трения в двигателях внутреннего сгорания). Залив такой состав в картер для масла, можно надолго забыть о проблеме износа мотора. При работе механические части нагреваются от трения, этот нагрев вызывает прилипание металлических наночастиц к поврежденным областям. Избыточное же наращивание вызывает более сильный нагрев, и наночастицы утрачивают свою способность к присоединению. Таким образом в трущемся узле постоянно поддерживается равновесие, и детали практически не изнашиваются.

Особый интерес представляет комплекс нанотехнологического оборудования «УМКА», который предназначен для проведения демонстрационных, исследовательских и лабораторных работ на атомно-молекулярном уровне в области физики, химии, биологии, медицины, генетики и других фундаментальных и прикладных наук. Например, недавно на нем было получено изображение поверхности DVD с разрешением 0,3 мкм, и это ещё не предел. Уникальная технология работы на пикоамперных токах позволяет сканировать даже слабопроводящие биологические образцы без предварительного напыления металла (обычно необходимо, чтобы верхний слой образца был проводящим). «УМКА» обладает высокой температурной стабильностью, позволяющей проводить длительные манипуляции с отдельными группами атомов, и высокой скоростью сканирования, позволяющей наблюдать быстропротекающие процессы.

Основная сфера применения комплекса «УМКА» – обучение современным практическим методам работы с наноразмерными структурами. Комплекс «УМКА» включает: туннельный микроскоп, систему виброзащиты, набор тестовых образцов, наборы расходных материалов и инструментов. Умещаются приборы в небольшом кейсе, работают в комнатных условиях и стоят менее 8 тысяч долларов. Управлять экспериментами можно с обычного персонального компьютера.

Проблемы безопасности

Недавно было установлено, что шарообразные молекулы С₆₀, называемые фуллеренами, могут вызывать серьезные заболевания и вредить окружающей среде. Токсичность водорастворимых фуллеренов при их воздействии на человеческие клетки двух различных типов была установлена исследователями из университетов Райса и Джорджии (США).

Профессор химии Вики Колвин из университета Райса и его коллеги установили, что при растворении фуллеренов в воде формируются коллоиды C₆₀, которые при воздействии на клетки кожи человека и клетки карциномы печени вызывают их гибель. При этом концентрация фуллеренов в воде была весьма низкой: ~ 20 молекул C₆₀ на 1 миллиард молекул воды. Одновременно исследователи показали, что токсичность молекул зависит от модификации их поверхности.

Как предполагают исследователи, токсичность простых фуллеренов C₆₀ связана с тем, что их поверхность способна производить супероксидные анионы. Эти радикалы повреждают клеточные мембраны и приводят к гибели клеток.

Колвин и его коллеги заявили, что такое негативное свойство фуллеренов можно использовать во благо – для лечения раковых опухолей. Необходимо лишь детально выяснить механизм образования кислородных радикалов. Очевидно, на основе фуллеренов можно будет создать и сверхэффективные антибактериальные препараты.

Вместе с тем опасность применения фуллеренов в продуктах массового потребления представляется ученым вполне реальной.

Видимо, поэтому недавно американская Комиссия по безопасности пищевых продуктов и лекарств (FDA) заявила о необходимости лицензирования и регулирования широкого спектра товаров (пищевые продукты, косметика, лекарства, аппаратура и ветеринария), изготовленных с помощью нанотехнологий и использующих наноматериалы и наноструктуры.

Нанотехнологии и необходимость поддержки их со стороны государства

К сожалению, в России государственная программа по развитию нанотехнологий появилась слишком поздно [4]. (К тому времени, в 2007 году нанотехнологической программе США, между прочим, исполнилось семь лет.) Без сомнения, существование централизованной государственной программы по развитию нанотехнологий значительно помогло бы в практической реализации результатов исследований. То, что успешные разработки в области нанотехнологий в стране есть, мы, к сожалению, узнаем из зарубежных источников. Например, летом Институт стандартов США объявил о создании наименьших в мире атомных часов. Как оказалось, над их созданием работал и российский коллектив.

Молодежное научное общество России (МНО) объединило более 500 молодых ученых, аспирантов и студентов, думающих о будущем своей страны. Для детального изучения проблематики нанотехнологий в феврале 2004 года на базе МНО создана аналитическая компания «Nanotechnology News Network (NNN)», отслеживающая сотни открытых мировых источников в этой области и обработавшая ещё в 2004 году свыше 4500 информационных сообщений зарубежных и российских СМИ, статей, пресс-релизов и экспертных комментариев.

Направленность проектов чрезвычайно разнообразна: от перспективных наноматериалов для автомобилестроения и авиации до имплантатов и нейротехнологических интерфейсов.

В декабре 2004 года в городе Фрязино (Московская обл.) прошла первая конференция, посвященная промышленному использованию нанотехнологий, где учёные представили десятки разработок, готовых к внедрению на производстве. Среди них – новые материалы на основе нанотрубок, сверхпрочные покрытия, антифрикционные составы, проводящие полимеры для гибкой электроники, сверхъёмкие конденсаторы и т.д.

Нанотехнологии в России набирают ход. Однако если исследования не будут координироваться государством или комплексной федеральной программой, в лучшую сторону, скорее всего, ничего так и не изменится. Для будущих нанотехнологов уже выпущен учебник.

Список использованных источников

1. Ким Эрик Дрекслер // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D1%80%D0%B5%D0%BA%D1%81%D0%BB%D0%B5%D1%80,_%D0%AD%D1%80%D0%B8%D0%BA.

2. Будущее медицины: биотех или нанотех? // «Наука и жизнь». – 2005. – № 2. – С. 2–7.

3. Нанотехнологии в нашей жизни // Журнал «Научная жизнь» [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://www.nkj.ru/archive/articles/1239/

4. Постановление Правительства РФ от 2 августа 2007 г. № 498 «О федеральной целевой программе «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2011 годы» [Интернет-ресурс]. Режим доступа: http://base.garant.ru/191635/#ixzz50ZskqV7g.

Код для цитирования: Скопировать