XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Введение

Нанотехнологии — это новая область науки и инноваций, которая включает в себя проектирование, определение характеристик и манипулирование материалами на наноуровне. Уникальные физические, химические и биологические свойства материалов наномасштаба позволяют разрабатывать новые технологии с потенциальным применением в широком спектре областей, включая электронику, сенсорику, энергетику, здравоохранение и окружающую среду.

Наночастицы, представляющие собой небольшие частицы размером от двух до ста нанометров, играют решающую роль во многих современных исследованиях в области нанотехнологий. Они могут изменять физические свойства материалов, делая их более прочными или более адаптируемыми к различным средам.

Однако наряду с огромными перспективами и потенциалом нанотехнологий возникает ряд проблем, связанных с их потенциальными рисками и воздействием на здоровье человека и окружающую среду. Наноматериалы обладают уникальными физическими, химическими и биологическими свойствами, которые могут затруднить их характеристику и регулирование, поэтому важно чтобы их использование тщательно контролировалось и управлялось с целью минимизации любого потенциального вреда.

Поскольку нанотехнологии продолжают развиваться, исследователям, политикам и заинтересованным сторонам будет важно работать вместе, чтобы обеспечить максимальную выгоду, а также управлять любыми потенциальными рисками и последствиями для здоровья человека и окружающей среды.

Использование наноэлементов

Нанодиоксид титана ( ): используется в качестве белого пигмента в красках, покрытиях, чернилах и пластмассах, а также в качестве пищевой добавки.

Нано-серебро: используется в качестве антибактериального агента в различных продуктах, включая одежду, медицинские приборы и упаковку пищевых продуктов.

рис. 1. Нано-серебро [2]

Нанодиоксид кремния ( ): используется в качестве наполнителя пластика и резины, в качестве носителя для лекарств и витаминов в фармацевтической промышленности, а также в качестве покрытия на упаковке пищевых продуктов.

Наноуглеродные нанотрубки: используются в ряде применений, включая композиты, батареи и сверхпрочные материалы.

Нанооксид алюминия: используется в различных областях применения, включая абразивы, катализаторы и керамику.

Это всего лишь несколько примеров из множества существующих наноматериалов, каждый из которых имеет свои уникальные свойства и области применения. Нанотехнологии обладают потенциалом для улучшения продукции во многих отраслях, от здравоохранения до энергетики, и это интересная область исследований, за которой стоит следить.

Использование нанотехнологий

В настоящее время наноматериалы используют для изготовления защитных и светопоглощающих покрытий, спортивного оборудования, транзисторов, светоиспускающих диодов, топливных элементов, лекарств и медицинской аппаратуры, материалов для упаковки продуктов питания, косметики и одежды.

1. Медицина и здравоохранение: Нанотехнологии используются для создания нанометровых датчиков и сенсоров, которые могут быть введены в организм для мониторинга здоровья и диагностики заболеваний. Они также применяются в разработке наночастиц для доставки лекарств и генной терапии.

рис. 2. Нанотехнологии в медицине [3]

2. Электроника и фотоника: Нанотехнологии играют ключевую роль в производстве полупроводников, светодиодов и фотонных интегральных схем. Нанометровые структуры могут также использоваться для создания фотонных кристаллов и метаматериалов для приложений в оптике, электронике и фотонике.

3. Энергетика: Нанотехнологии применяются для разработки более эффективных солнечных элементов и батарей. Они также используются в хранении энергии, включая разработку суперконденсаторов и наноматериалов для хранения водорода.

4. Защита окружающей среды: Нанотехнологии могут использоваться для очистки воды и воздуха от загрязнений, а также для мониторинга и контроля качества окружающей среды.

5. Строительство и инфраструктура: Нанотехнологии позволяют создавать более прочные и долговечные материалы, такие как нанобетон и нанокомпозиты, которые могут использоваться в строительстве и инфраструктуре.

6. Космическая отрасль: Нанотехнологии имеют потенциал для улучшения характеристик космических аппаратов, облегчая их вес и улучшая их эффективность. Они могут также применяться для создания новых материалов и структур, способных выдерживать экстремальные условия космического пространства.

7. Аналитическая химия: Обычно существует два основных применения нанотехнологий в аналитической химии. Первый — анализировать наноматериалы, а второй — использовать нанотехнологии для анализа и спектроскопии. Спектроскопические приборы и другие методы сканирующей микроскопии дополняют информацию, предоставляемую другими методами, такими как электронная микроскопия, атомно-силовая микроскопия и сканирующая туннельная микроскопия, чтобы помочь охарактеризовать структуру и функции молекул, химических или биологических объектов.

Из-за сложности химической и биологической информации в биологических системах часто считается, что для выявления всей сложности системы следует использовать комбинацию различных инструментов, особенно для химической визуализации. Основная проблема при использовании таких инструментов — преобразование наноразмерных методов в инструменты, релевантные с медицинской или биологической точки зрения.

рис. 3. Нанотехнологии в аналитической химии [4]

8. Сельское хозяйство: Нанотехнологии можно использовать для разработки новых методов удобрения и защиты растений, а также в создании биосенсоров и систем автоматического полива.

9. Текстиль и одежда: Нанотехнологии улучшают свойства материалов, делая их более прочными, легкими и устойчивыми к износу.

10. Нанотранспорт: Нанотехнологии могут привести к созданию нового поколения двигателей, аккумуляторов и топливных элементов с улучшенными характеристиками и эффективностью.

11. Военная промышленность: Нанотехнологии уже используются для создания новых видов камуфляжа, защиты от радиации и электромагнитных волн, а также новых типов материалов для брони и оружия.

Исследование наноэлементов

1. Формирование наноэлементов в наносистемах

Одной из основных задач при создании нанокомпозитов является построение зависимости структуры и формы наноэлементов, составляющих основу композита, от их размеров. Это связано с тем, что с увеличением или уменьшением удельного размера наноэлементов их физико-механические свойства, такие как коэффициент упругости, прочность и параметр деформации, изменяются более чем на порядок.

Расчеты показывают, что это связано, прежде всего, со значительной перестройкой атомной структуры и формы наноэлемента. Исследование указанных параметров наноэлементов технически сложно и трудоемко из-за их малых размеров. При расчете характеристик порошковых нанокомпозитов также очень важно учитывать взаимодействие наноэлементов, поскольку изменение их исходной формы и размеров в процессе взаимодействия и в процессе формирования нанокомпозита может привести к существенному изменению его свойства и кардинальная структурная перестройка. Кроме того, исследования показывают появление процессов упорядочения и самосборки, приводящих к более организованной форме наносистемы. Вышеуказанные явления играют важную роль в нанотехнологических процессах. Они позволяют развивать нанотехнологии формирования наноструктур методом самосборки (в основе которого лежат процессы самоорганизации) и построения сложных пространственных наноструктур, состоящих из различных наноэлементов.

Исследование указанных зависимостей на основе методов математического моделирования требует решения указанной проблемы на атомном уровне. Это требует больших вычислительных средств и вычислительного времени, что делает актуальной разработку экономичных методов расчета.

2. Ключевые области исследований наноэлементов

Характеристика наноэлементов. Это предполагает использование передовых инструментов и методов для изучения свойств наноматериалов, таких как их размер, форма, площадь поверхности и химия поверхности.

Синтез наноэлементов. Это предполагает разработку новых и более эффективных методов создания наноматериалов с конкретными свойствами, а также исследование новых материалов для широкого спектра применений.

Применение наноэлементов: сюда входит изучение характеристик и потенциальных применений наноэлементов, включая их использование в датчиках, катализе, хранении энергии и медицинских устройствах.

Безопасность и воздействие на окружающую среду: сюда входит изучение потенциальной токсичности, воздействия на окружающую среду и утилизацию наноэлементов, а также разработка более устойчивых и экологически чистых методов их производства и утилизации.

Нанотехнологии для здравоохранения. Сюда входит изучение использования наноматериалов в медицинских целях, таких как доставка лекарств, биосенсоры и наномедицина, а также изучение потенциала улучшения систем здравоохранения с использованием нанотехнологий.

Это лишь несколько примеров из многих направлений исследований наноэлементов. Учитывая его потенциал совершить революцию во многих отраслях и решить некоторые из крупнейших мировых проблем, сейчас самое интересное время для участия в этой области.

3. Способы исследования наноэлементов

• Изучение влияния наночастиц на биологические процессы: исследование воздействия наночастиц различных материалов (металлов, полупроводников, полимеров) на рост и развитие клеток, а также на функционирование живых организмов.

• Разработка наносенсоров и нанодатчиков: создание миниатюрных устройств для измерения различных параметров окружающей среды, таких как температура, влажность, давление, содержание газов и т.д.

• Исследование возможности использования наноэлементов в медицине: разработка новых методов лечения и диагностики заболеваний с использованием нанотехнологий.

• Изучение возможности применения наноэлементов для очистки окружающей среды: разработка нанотехнологических методов для удаления вредных веществ и загрязнений из воды, почвы и воздуха.

• Изучение взаимодействия наноэлементов с окружающей средой: исследование того, как наночастицы могут влиять на экосистемы и как они могут быть ассимилированы живыми организмами.

• Создание новых материалов с использованием наноэлементов: разработка новых типов материалов с улучшенными свойствами, такими как прочность, электропроводность, теплопроводность и т.д.

• Исследование возможностей использования нанотехнологий в энергетике: разработка новых источников энергии, основанных на использовании нанотехнологий, таких как солнечные батареи, топливные элементы и т.п.

Экология наносистем. Нанотоксичность

Несмотря на широкую сферу применения, экономические и экологические последствия, продукты нанотехнологий обладают некоторой токсичностью. Нанотоксины – это токсическое воздействие, вызванное присутствием наноматериалов или их попаданием в окружающую среду. Нанотоксины могут проникать в организм несколькими путями, в том числе через вдыхание, проглатывание или контакт с кожей, и могут оказывать ряд неблагоприятных воздействий на здоровье человека и окружающую среду.

Некоторые из ключевых проблем, вызывающих обеспокоенность, когда речь идет о нанотоксинах, включают:

• Безопасность наночастиц. Многие наноматериалы достаточно малы, чтобы попасть в кровоток и пройти через клеточные мембраны, что вызывает обеспокоенность по поводу их потенциальной токсичности и вреда для здоровья человека.

• Воздействие на окружающую среду. Наноматериалы могут попадать в окружающую среду из различных источников, таких как промышленные выбросы, городские стоки и медицинские отходы, что может оказывать ряд негативных последствий на окружающую среду и дикую природу.

• Долгосрочные последствия: долгосрочное воздействие нанотоксинов на здоровье человека и окружающую среду до конца не изучено, и необходимы дополнительные исследования, чтобы лучше понять риски, связанные с использованием наноматериалов.

Среди исследователей и политиков растет беспокойство по поводу потенциальных рисков, связанных с нанотоксинами, и проводятся дополнительные исследования, чтобы лучше понять их долгосрочное воздействие на здоровье человека и окружающую среду. Крайне важно, чтобы исследователи и политики осознавали потенциальные риски, связанные с нанотоксинами, и работали вместе над разработкой более безопасных и устойчивых методов создания и утилизации наноматериалов.

Развитие технологий на основе наноматериалов оказывает всё большее влияние на здоровье. Переработка углеродного волокна является дорогостоящей, энергоемкой и проблематичной, но различные его виды не вызывают потери веса и не вызывают фиброза легких у экспериментальных животных, что указывает на отсутствие токсичности.

Восстановление окружающей среды с помощью нанотехноогий

Восстановление окружающей среды основано на использовании физико-химических методов: адсорбции, абсорбции, химических реакций, фотокатализ, фильтрация и технологии, удаляющие загрязнения из почвы, воды и воздуха. Новые технологии и наноматериалы в настоящее время разрабатываются для восстановления окружающей среды. Наноматериалы имеют высокое соотношение поверхности к объему и высокую реакционную способность, что делает их пригодными для очистки окружающей среды от тяжелых металлов, красителей, хлорорганических и фосфорорганических соединений, летучих органических веществ.

Развитие промышленности приводит к сильному загрязнению окружающей среды, которое может быть нейтрализовано наноматериалами из-за их небольшого размера частиц, сильной регенеративной способности, высокой поверхностной активности и большой удельной площади поверхности. Однако нам необходимо определить, могут ли сами наноматериалы влиять на окружающую среду и полностью ли они разлагаются. Описан механизм восстановления наноматериалов и меры по снижению воздействия процесса восстановления на окружающую среду.

Традиционные методы восстановления почвы и воды не всегда эффективны и экономически выгодны и имеют проблему вторичного загрязнения.

Большое количество активных центров на поверхности наноматериалов делает их пригодными для восстановления путем сорбции загрязненной воды и почвы. Современные чистящие материалы включают металлические материалы с нулевой валентностью, углеродные наноматериалы, оксиды металлов, полупроводниковые материалы, наноразмерные минералы, наноразмерные полимеры и т. д. Модифицированное наножелезо с нулевой валентностью может восстановить загрязнение кадмием. Модификация наноматериалов устраняет такие дефекты, как легкое осаждение в воде и почве и трудность восстановления, увеличивает площадь контакта между наноматериалами и источниками загрязнения, минимизирует ущерб окружающей среде и улучшает электронную передачу между наноматериалами и загрязнителями. Разные типы наноматериалов подходят для разных объектов и механизмов восстановления: наноматериалы на основе железа восстанавливаются за счет окислительно-восстановительных реакций, соосаждения и адсорбции, наноматериалы на основе углерода восстанавливаются за счет силы Ван-дер-Ваальса, электростатических взаимодействий и образования адсорбционных комплексов, межмолекулярных сил.

Для восстановления окружающей среды используются различные наноматериалы. Выбор лучшего наноматериала для смягчения или удаления конкретного загрязнителя зависит от типа загрязнителя, наличия места восстановления, количества материала, необходимого для восстановления, и способности восстановленного материала к переработке. Традиционные технологии очистки не предлагают наиболее экономически эффективного решения для удаления некоторых распространенных загрязняющих веществ и не являются экономически эффективными для удаления загрязняющих веществ, присутствующих в низких концентрациях. Наноматериалы, в отличие от традиционных технологий, способны удалять загрязняющие вещества, присутствующие в низких концентрациях, их эффективность можно повысить за счет модификации частиц, а их стоимость можно снизить за счет производства в промышленных масштабах и разработки методов синтеза, учитывающих более дешевое сырье и меньше энергии. Кроме того, нанотехнологии можно использовать повторно.

Нанотехнологии имеют преимущества и проблемы собственного использования, поэтому их выбор должен осуществляться в контексте восстановления окружающей среды, несмотря на токсическое воздействие на организмы при их поступлении и возможное загрязнение окружающей среды. Нанотехнологии широко изучаются уже долго время, но проблемы, связанные с их восстановлением, до сих пор не решены, поэтому последующие исследования должны определить состояние этих материалов после их введения в окружающую среду для восстановления, способы предотвращения новых вызванных ими загрязнений и разработать способы переработки наноматериалов без снижения их активности. Таким образом, экологический потенциал наноматериалов реализуется в полной мере, но крайне важны стратегии, подходящие для борьбы с загрязнением окружающей среды.

Вывод

Нанотехнологии являются одним из наиболее перспективных и многообещающих направлений развития науки и технологий. Они открывают новые возможности для создания материалов с уникальными свойствами, а также для разработки новых методов лечения и диагностики заболеваний. Несмотря на то, что нанотехнологии открывают множество интересных возможностей, существуют также опасения по поводу того, как их можно использовать, потенциальных рисков, которые они могут представлять для здоровья человека и окружающей среды, а также аспектов, связанных с этикой. На развитие нанотехнологий и их приложений по-прежнему будет влиять взаимодействие различных факторов, включая технологические достижения, экономические соображения, нормативную политику и этические соображения. Важно разработать и внедрить эффективные меры безопасности, правила и рекомендации для обеспечения ответственного развития и использования нанотехнологий, а также продвигая их потенциальные преимущества и принимая во внимание этические соображения. Нанотехнологии – это будущее человечества.

Список литературы:

1. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии 2016 г. Дата обращения: 02.11.2023

2. Нано-серебро(картинка) [ https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fwww.hindustantimes.com%2Fbrand-post%2Fusage-of-silver-nano-technology-is-having-a-toxic-effect-on-humans-101625664624410.html&psig=AOvVaw0iJTOhpb-x52tTzRoxt0JP&ust=1699039654242000&source=images&cd=vfe&opi=89978449&ved=0CBEQjRxqFwoTCOjZt4qGpoIDFQAAAAAdAAAAABAE ] Дата обращения: 02.11.2023

3. Аналитическая химия(картинка) [ https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fwww.azolifesciences.com%2Farticle%2FAnalytical-Chemistry-and-Nanotechnology.aspx&psig=AOvVaw0OWjFk3AH6qza54S1ufmeG&ust=1699038778859000&source=images&cd=vfe&opi=89978449&ved=0CBEQjRxqFwoTCKD-iumCpoIDFQAAAAAdAAAAABAO ] Дата обращения: 02.11.2023

4. Медицина и здравоохранение(картинка) [ https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fwww.medicaldevice-network.com%2Fcomment%2Fnanotechnology-medicine-technology%2F&psig=AOvVaw0OWjFk3AH6qza54S1ufmeG&ust=1699038778859000&source=images&cd=vfe&opi=89978449&ved=0CBEQjRxqFwoTCKD-iumCpoIDFQAAAAAdAAAAABAT ] Дата обращения: 02.11.2023

5. Гран Вебстер, Аналитическая химия и нанотехнологии [ https://www.azolifesciences.com/article/Analytical-Chemistry-and-Nanotechnology.aspx ] Дата обращения: 02.11.2023

6. Сабу Томас, Саид Рафи, Шима Магсудли, Арезо Афзали Основы нанотехнологии, Том второй: Формирование и взаимодействие наноэлементов (Исследовательские заметки AAP по нанонауке и нанотехнологиям) [ https://www.amazon.com/Foundations-Nanotechnology-Nanoelements-Interaction-Nanoscience/dp/1771880287# ] Дата обращения: 02.11.2023

7. Цехмистренко О.С., Битюцкий В.С., Цехмистренко С.И., Харчишин В.М., Мельниченко О.М., Розпутный О.И., Малина В.В., Присяжнюк Н.М., Мельниченко Ю.О., Веред П.И., Шулько О.П., Онищенко Л.С., «Нанотехнологии и окружающая среда: обзор плюсов и минусов», 2020 г. [ https://cyberleninka.ru/article/n/nanotechnologies-and-environment-a-review-of-pros-and-cons ] Дата обращения: 02.11.2023

8. Нанотехнологии [ https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fwww.ksma.ru%2Fwp-content%2Fuploads%2F2023%2F09%2F1.-PZ-4ped-7sem-Osnovy-prof-mediciny.pdf&psig=AOvVaw1wpZ_hrSO-fxWL0Nhabe0r&ust=1699048486673000&source=images&cd=vfe&opi=89978449&ved=0CBEQjRxqGAoTCMj37v2mpoIDFQAAAAAdAAAAABD6AQ ] Дата обращения: 02.11.2023

Код для цитирования: Скопировать