XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Введение.

Нанотехнологии, которые появились совсем недавно, все активнее включаются в область научных исследований и, следовательно, в нашу повседневную жизнь. Разработки ученых все чаще касаются объектов микрокосма, атомов, молекул, молекулярных цепей.

Наиболее важной единицей измерения в нанотехнологических исследованиях является нанометр - одна миллиардная часть метра. В таких единицах измеряются молекулы и вирусы, а теперь и элементы компьютерных чипов следующего поколения. Именно в наноразмерной области происходят все основные физические процессы, определяющие макро-взаимодействия.

Сама природа подталкивает человека к идее создания нанообъектов. Каждая бактерия - это организм, состоящий из наномашин: ДНК и РНК копируют и передают информацию, рибосомы образуют белки из аминокислот, митохондрии генерируют энергию. Очевидно, что на данном этапе развития науки ученым приходит в голову копировать и совершенствовать эти явления.

Создание сканирующего туннельного микроскопа в 1980 году позволило ученым не только различать отдельные атомы, но и перемещать их и собирать из них конструкции, в частности компоненты будущих наномашин – двигатели, манипуляторы, источники питания, органы управления. Создаются нанокапсулы для прямой доставки лекарств в организм, нанотрубки в 60 раз прочнее стали, гибкие солнечные элементы и множество других удивительных устройств. [1]

Что такое нанотехнология?

Исследованию явлений в этой области сегодня уделяется большое внимание не только в физике, химии, но и в других естественных науках. Имея это в виду, необходимо подчеркнуть, что наш организм предлагает ряд примеров «нанотехнологических» процессов, таких как дыхание или пищеварение. Работой на уровне отдельных атомов и молекул занимаются только нанотехнологи. Нобелевская премия за исследования в области квантовой электродинамики Р. П. Фейнман сказал: "Если природа миллионы лет находится на уровне атомов и молекул, почему мы не можем это сделать?". Самое интересное и сложное в наномире - это все, что связано с дикой природой. Существует множество примеров того, как человек только начинает открывать для себя явления и свойства наномира, которым давно овладел животный мир.

Есть одно из свойств природы, которое называется "эффект лотоса". Дело в том, что листья этого цветка всегда остаются чистыми. Во время дождя капли воды не смачивают листья, а просто скатываются с них, увлекая за собой частицы грязи. Это объясняется структурой поверхности листа. Он покрыт крошечными конусами высотой от 5 до 10 микрон, а на конусах также есть многочисленные нановолосы. Именно эта структура во многом обеспечивает самоочищение листа и его водоотталкивающие свойства. Теперь нанотехнологи хотят использовать »эффект лотоса" в своих разработках самоочищающихся стекол, красок и тканей.

В самом общем смысле нанотехнологии включают создание и использование материалов, устройств и технических систем, функция которых определяется наноструктурой, то есть их упорядоченными фрагментами от 1 до 100 нм. Согласно рекомендации 7-ой Международной конференции по нанотехнологиям (Висбаден, 2004 г) выделяют следующие типы наноматериалов:

– нанопористые структуры;

– наночастицы;

– нанотрубки и нановолокна;

– нанодисперсии (коллоиды);

– наноструктурированные поверхности и пленки;

– нанокристаллы и нанокластеры.

Нанотехнологии – это способы создания наноразмерных структур, которые придают материалам и устройствам полезные, часто непривычные для нас свойства. Нанотехнология позволяет поместить частицу лекарства в нанокапсулу и точно нацелить на пораженную болезнью клетку, не повредив соседние. Фильтр, пронизанный бесчисленными нанометровыми каналами, которые пропускают воду, но слишком тесны для примесей и микробов, тоже продукт нанотехнологий. В лабораториях нанотехнологов уже испытывают суперматериалы – углеродные волокна, в тысячи раз прочнее стали, покрытия, делающие предмет невидимым. Создание материалов с такими замечательными свойствами стало возможно благодаря тому, что нанотехнологи работают с веществом на атомном и молекулярном уровне.[2]

История развития нанотехнологий

1905 год. Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр. 1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты. 1959 год. Американский физик Ричард Фейнман впервые прочел лекцию на годичном собрании Американского физического общества, которая называлась "Полно игрушек на полу комнаты". Он обратил внимание на проблемы миниатюризации, которая в то время была актуальна и в физической электронике, и в машиностроении, и в информатике. Эта работа считается некоторыми основополагающей в нанотехнологии, но некоторые пункты этой лекции противоречат физическим законам.

1968 год. Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей.

1974 год. Японский физик Норио Танигучи на международной конференции по промышленному производству в Токио ввел в научный оборот слово "нанотехнологии". Танигучи использовал это слово для описания сверхтонкой обработки материалов с нанометровой точностью, предложил называть ним механизмы, размером менее одного микрона. При этом были рассмотрены не только механическая, но и ультразвуковая обработка, а также пучки различного рода (электронные, ионные и т.п.).

1982 год. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали специальный микроскоп для изучения объектов наномира. Ему дали обозначение СЗМ (Сканирующий зондовый микроскоп). Это открытие имело огромное значение для развития нанотехнологий, так как это был первый микроскоп, способный показывать отдельные атомы (СЗМ).

1985 год. Американский физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смэйли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр.

1986 год. Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрк Дрекслер, пионер молекулярной нанотехнологии, опубликовал книгу "Двигатели созидания", в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться, постулировал возможность использовать наноразмерные молекулы для синтеза больших молекул, но при этом глубоко отразил все технические проблемы, стоящие сейчас перед нанотехнологией. Чтение этой работы необходимо для ясного понимания того, что могут делать наномашины, как они будут работать и как их построить.

1989 год. Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.

1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.

1999 год. Американские физики Джеймс Тур и Марк Рид определили, что отдельная молекула способна вести себя так же, как молекулярные цепочки.

2000 год. Администрация США поддержала создание Национальной Инициативы в Области Нанотехнологии. Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено $500 млн.

2001 год. Марк Ратнер считает, что нанотехнологии стали частью жизни человечества именно в 2001 году. Тогда произошли два знаковых события: влиятельный научный журнал Science назвал нанотехнологии - "прорывом года", а влиятельный бизнес-журнал Forbes - "новой многообещающей идеей". Ныне по отношению к нанотехнологиям периодически употребляют выражение "новая промышленная революция".

«Нано» сегодня. Уже сегодня рынок нанопродукции огромен. 147 миллиардов долларов – стоимость товаров, выпущенных во всём мире в 2008 году с использованием новейших, только что созданных, нанотехнологий. Энергетика, электроника, биология и медицина, сельское хозяйство и экология – вот где прогресс в этой сфере лучше всего виден уже сейчас.[1] ,[5]

Основные особенности наноматериалов и технологии их получения

"Обычная" промышленность работает с тоннами и кубометрами, к чему все привыкли. Наноматериалы - продукт нанотехнологий - это нечто особое, что гораздо сложнее атомов и молекул, но как продукт высоких технологий не требует многотоннажного производства, поскольку даже один грамм такого вещества способен решить множество проблем. Это пример современной "гомеопатии", которая поставлена на вполне научную основу и глубоко продумана.

Наноматериалы - не один "универсальный" материал, это обширный класс множества различных материалов, объединяющий их различные семейства с практически интересными свойствами.

Заблуждением является и то, что наноматериалы - это просто очень мелкие, "нано"частицы. На самом деле, многие наноматериалы являются не отдельными частицами, они могут представлять собой сложные микро и макро объекты, которые наноструктурированы на поверхности или в объеме. Такие наноструктуры можно рассматривать в качестве особого состояния вещества, так как свойства материалов, образованных с участием структурных элементов с наноразмерами, не идентичны свойствам обычного вещества.

Изменения основных характеристик веществ и материалов обусловлены не только малостью размеров, но и проявлением квантовомеханических эффектов при доминирующей роли поверхностей раздела. Эти эффекты наступают при таком критическом размере, который соизмерим с так называемым корреляционным радиусом того или иного физического явления (например, с длиной свободного пробега электронов, размерами магнитного домена или зародыша твердой фазы и др.).

Важной особенностью металлических наноматериалов, играющей ключевую роль при их использовании медицине, косметике, пищевой промышленности, АПК, является низкая токсичность этих наноматериалов, обнаруженная российскими учеными. Так, оказалось что токсичность наночастиц металлов во много раз меньше токсичности ионов металлов: медь в 7 раз, цинк в 30 раз, а железо в целых 40 раз . Это проверено на многочисленных экспериментах с соблюдениями всех норм. [4]

Нанотехнологии и медицина

Самым ярким и простым примером использования нанотехнологий в медицине и косметике является обычный мыльный раствор, обладающий очищающим и дезинфицирующим действием. Он образует наночастицы, мицеллы - частицы диспергированной фазы золя (коллоидного раствора), окруженные слоем молекул или ионов диспергированной среды. Мыло - это чудо нанотехнологий, которое уже было таким, когда никто не подозревал о существовании наночастиц. Однако этот наноматериал не является самым важным для развития современных нанотехнологий в здравоохранении и косметологии.

Еще одним древним применением нанотехнологий в косметике был тот факт, что красители, используемые аборигенами Австралии для нанесения ярких боевых красок, а также цвет волос древнегреческих красавиц, также содержали наночастицы, которые обеспечивают очень длительный и длительный эффект окрашивания.

В наши дни многие встречали в открытой продаже так называемую шунгитовую воду, производители которой уверяют в ее уникальных оздоровительных свойствах, якобы полученных в результате воздействия на них природных фуллеренов. Дело в том, что в Карелии недалеко от Онежского озера много веков существовал целебный источник, возле которого еще русский император Петр I приказал построить первый в России курорт «Марциальная вода». Люди с древних времен пользовались целебными свойствами этой воды. Его особенностью является то, что такая вода не может долго храниться - через несколько часов она теряет свои уникальные свойства.

Исследования, проведенные на Украине и в Карелии, показали, что марциальная вода является следствием действия фуллеренов, содержащихся в природном минерале - шунгите. Ученые считают, что происхождение шунгита, вероятно, было следствием падения крупного углеродного метеорита. Каждая молекула фуллерена способна образовывать и удерживать скопление воды, размеры которой во много раз превышают ее собственный диаметр. Это связано с тем, что состояние и количество образующихся кластеров в обычной воде (H2O) нестабильны (мерцание). Кластеры существуют в миллиардных долях секунды (наносекунды) и распадаются, а затем снова образуются, поэтому мерцают.

Эти скопления воды способны оказывать антиоксидантное действие, то есть улавливать свободные радикалы, которые являются «фрагментами различных органических соединений», разрушая живой организм.

Перед человечеством глобальные проблемы требуют немедленных, а иногда и решительных действий. В решении многих из них значительную помощь могут оказать именно нанотехнологии. Таким образом, за последние 20 лет было выявлено не менее 30 инфекционных заболеваний, смертность которых составляет 30% от общего числа смертей во всем мире. Смертность их в мире составляет не менее 500 тысяч человек в год. Ожидается, что к 2020 году число больных раком во всем мире увеличится на 50 процентов до 15 миллионов человек в год.

Наоми Халас и Питер Нордландер, директор лаборатории нанофотоники, создали новый класс наночастиц с уникальными оптическими свойствами - наногиллы. При диаметре в 20 раз меньшем, чем эритроциты (эритроциты), они свободно перемещаются по кровеносной системе. На поверхности стручков особым образом прикрепляются специальные белки - антитела, поражающие раковые клетки. Через несколько часов после их введения тело облучается инфракрасным светом, который наногилсы преобразуют в тепловую энергию. Эта энергия разрушает раковые клетки, и при этом соседние здоровые клетки практически не повреждаются.

Эта уникальная нанотехнология уже была успешно протестирована на экспериментальных мышах с раковыми опухолями. Уже через 10 дней после облучения все больные животные были полностью избавлены от болезни. И, как отмечается, последующие анализы не выявили у них очагов новых злокачественных образований.

В докладе Института биомедицинской химии РАМН отмечается, что российские медики в 1998-2005 годах опубликовали более 200 научных работ, посвященных высокой эффективности нанотехнологий в лечении ряда заболеваний, включая рак, рассеянный склероз, менингит, СПИД, грипп и туберкулез. Отмечается, что отечественная наука получила убедительные данные о возможности использования наночастиц для производства эффективных вакцин. Так, в Институте молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардт РАН на основе нанотехнологий создал биочип, который в течение нескольких часов позволяет диагностировать ряд социально-опасных заболеваний, таких как туберкулез. До сих пор только на необходимые медицинские осмотры уходило не менее месяца. Даже если не учитывать социальный фактор, экономический эффект от снижения стоимости диагностики составляет 20 тысяч рублей за исследование. В то же время в настоящее время в России проводятся исследования по нанотехнологиям в медицине двумя десятками научных организаций.

Следует отметить, что направление медицинских нанотехнологий также быстро развивается. При этом результаты, достигнутые уже сейчас на подопытных животных, обещают значительные перспективы в лечении людей. В общем, если приписать нанотехнологиям работу и достижения в области генной инженерии, результаты будут фантастическими [3]

Список литературы

1.https://zen.yandex.ru/media/nauka/chto-takoe-nanotehnologii-5b99236cb4dba900ac7c66fa

2.https://www.informio.ru/publications/id174/Urok-lekcija-CHto-takoe-nanotehnologii

3. https://otherreferats.allbest.ru/medicine/00160163_0.html

4. https://revolution.allbest.ru/manufacture/00595755_0.html

5. http://newnano.ru/entsciklopediya/ponyatie-nanotehnologii/istoriya-razvitiya-nanotehnologii.html

6. https://studbooks.net/623556/tovarovedenie/opredelenie_toksichnost3

Код для цитирования: Скопировать