XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

В металлических системах магнетизм возникает вследствие действий электронов в атомной структуре металлов, а в органических магнитах магнитные качества появляются от неметаллических химических радикалов, которые перемещают свободные электроны.

В 1895 году Артур Эпштейн из Огайо и Джоэль Миллер из университета штата Юта открыли первый органический магнит. В 1991 году в Японии создали более сложный магнит под названием «нитрофенил нитронил нитроксид». В его структуру входят кислород, водород, азот и углерод – те же самые компоненты, что входят в структуру кофеина и множество других веществ.

Эти открытия не нашли себе фактического применения, поскольку магнитные свойства элемента начинали проявляться вблизи абсолютного температурного минимума. Однако в 1997 году те же Эпштейн и Миллер выявили еще один органический магнит, «намагничивающий» вплоть до 75 градусов по Цельсию. Он состоит из металла ванадия, окруженного молекулами тетрацианоэтилена.

Исследователи из Франции под руководством Мишеля Вердаже из института Пьера и Марии Кюри тоже создали органический магнит, но при этом он работал при комнатной температуре. По составу он похож на краситель «Прусская голубизна». Состоит этот магнит из ванадия и хрома, которые окружают органические группы.

Ученые Мигель Югеда, Иван Брехега, Хосе Гомес-Родригес из Мадридского университета вместе с Франциско Гвинеа из университета материаловедения сумели первыми превратить графит в материал с магнитными свойствами. Исследования физиков выявили, что устранение одиночного атома с поверхности графита приводит к возникновению локальных магнитных факторов в графите. По словам Ивана Брехеги, в простых углеродных системах они пытались отыскать следы магнетизма из-за того, что все электронные пары связаны ковалентными связями, но при удалении одного атома ковалентная связь разрушается, что приводит к возникновению локального магнетизма.[1]

Открытие удалось совершить и чешским ученым из университета Палацкого. Магнит из углерода и графена сохраняет свои свойства даже при комнатной температуре. Прежде достичь подобного результата не удавалось ни одной группе экспертов.

Графен является двухмерной конфигурацией углерода. Если на него оказывать воздействие кислородом, фтором и водородом, то он способен быть источником магнетизма.

Ученые полагают, что данное свойство графена можно применять в электронике и медицине. К примеру, при помощи органического магнита можно будет более точно доводить фармацевтические препараты в отдельные доли организма.

Но для эффективного применения неметаллических магнитов необходимо провести еще ряд исследований, позволяющих установить другие качества графена.[2]

В 2010 году Нобелевская премия по физике досталась ученым Константину Новоселову и Андрею Гейму, которые обнаружили простой способ изолировать плоские слои (решетки) графита, названные графеном. По сути, графен представляет собой плоский лист из атомов углерода, организованных в шестигранную кристаллическую решетку. Благодаря такой структуре графен стал самым тонким, электро- и теплопроводящим материалом в мире, который еще и отличается эластичностью и прочностью. Графен обладает большим количеством уникальных качеств, из-за которых ученые называют его чудо-материалом. Многие люди уверены, что нынешний век нарекут веком графена.

Материал, о котором мы приводим столько эпитетов, на самом деле может привести к революции в технике и науке. С ним можно найти решение проблемы питьевой воды на планете, уменьшить размеры и увеличить производительность электронных устройств, создать источники энергии нового поколения. Однако возможности графена не ограничиваются только солнечными батареями. Графен может изменить облик современной медицины и фармации: биосенсоры, медицинская микроэлектроника, имплантаты и т.д.

Специалисты в сфере биомедицинского инжиниринга заявляют, что значимость графена для медицины обуславливается хорошей биосовместимостью, химической устойчивостью, и так же большой площадью поверхностей графеновых изделий. Графен в скором времени сыграет важную роль в развитии искусственных имплантатов. Благодаря биологической совместимости и выдающимися механическими свойствами графен можно применять для производства искусственных тканей и элементов позвоночника. В Мичиганском техническом университете уже начали работу по 3D-печати искусственных нервов, для которых наиболее подходящим материалом является графен.

Ученые создали полимер, который является каркасом для живых тканей, а сейчас стремятся интегрировать графен, как хорошо проводящий материал. Биосенсоры на сегодняшний день являются одной из наиболее развиваемой медицинских технологий. Биосенсоры с графеном показывают исключительную точность при выявлении пищевых токсинов, микроорганизмов, загрязнителей окружающей среды и т.д. Оксид графена, окисленная форма графена, способен устанавливать связь с белковыми структурами некоторых токсинов, вследствие чего сверхчувствительные сенсоры могут регистрировать концентрации этих веществ на порядок меньшие, чем любые инновационные устройства. Биосенсоры в оксиде графена могут предсказывать инфаркт миокарда, обнаруживая биомаркеры очень малых концентрациях за много часов до приступа. Микрочипы на основе оксида графена на сегодняшний день пытаются применять для ранней диагностики рака, а так же для излечивания некоторых онкозаболеваний. Ученые из Китая разработали биосенсор из графена, который фиксирует единичные раковые клетки. Одним из самых интересных альтернативных вариантов использования графена стало открытие ученых из Манчестерского университета. Они установили, что оксид графена избирательно уничтожает раковые стволовые клетки. В комбинации с существующими методами лечения, возможен настоящий прорыв в лечении рака. Графен пытаются применять в доставке онкологических фармацевтических веществ. Благодаря большой площади поверхности графен дает возможность доставить значительное количество лекарства прямо в опухоль. А умение графена проводить тепло и трансформировать неионизирующее электромагнитное излучение в тепловую энергию позволит уничтожать протеины и ДНК внутри раковых клеток.

Секвернирование РНК и ДНК, либо расшифровка генетического кода, играет значимую роль в биологии и медицине. Благодаря секвированию мы лучше представляем природу болезней и работу своего организма. Не так давно ученые создали метод секвирования ДНК с помощью графеновой мембраны – это так называемое нанопоровое секвирование с твердотельными нанопорами. Новый способ сделал секвирование наиболее легким и результативным процессом. Наномедицина на сегодняшний день находится в зарождающемся состоянии, как и применение графена в медицине в целом. Однако можно сказать без сомнений, что благодаря графену в ближайшие годы наше поколение станет свидетелем крупных перемен.[3]

Список литературы:

Магниты бывают и неметаллические…[Электронный ресурс]: Электронный научный журнал / С.-Петербург, 2008-.- Режим доступа: http://bitspb.ru/ru-magazine-010-03.html/ , свободный. Загл. с экрана. (дата обращения: 25.02.2019).

Графен: следующая медицинская революция [Электронный ресурс].- Режим доступа: https://farmamir.ru/2015/05/grafen-sleduyushhaya-medicinskaya-revolyuciya/ , свободный. Загл. с экрана. (дата обращения: 25.02.2019).

Монаков К. Графен: новая революция в медицине [Электронный ресурс]: Режим доступа: https://medbe.ru/news/nauka-i-tekhnologii/grafen-novaya-revolyutsiya-v-meditsine/ , свободный. Загл. с экрана. (дата обращения: 26.02.2019).