Появившись совсем недавно, нанотехнологии все активней входят в область научных исследований, а из нее – в нашу повседневную жизнь. Разработки ученых все чаще имеют дела с объектами микромира, атомами, молекулами, молекулярными цепочками.

Основной единицей измерения в нанотехнологических исследованиях является нанометр – миллиардная доля метра. В таких единицах измеряются молекулы и вирусы, а теперь и элементы компьютерных чипов нового поколения. Именно в наномасштабе протекают все базовые физические процессы, определяющие макровзаимодействия.

Природа сама наталкивает человека на идею создания нанообъектов. Любая бактерия, по сути, представляет собой организм, состоящий из наномашин: ДНК и РНК копируют и передают информацию, рибосомы формируют белки из аминокислот, митохондрии вырабатывают энергию. Очевидно, что на данном этапе развития науки ученым приходит в голову копировать и совершенствовать эти явления. 

Туннельный микроскоп: в 1980 году ученые впервые научились двигать отдельные атомы

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

Наноматериалы

Одним из основных видов нанообъектов являются наночастицы. При разделении вещества на частицы размером в десятки нанометров общая суммарная поверхность частиц в веществе увеличивается в сотни раз, а вследствие этого усиливается взаимодействие атомов материала с внешней средой, ведь теперь они почти все на поверхности. Это явление используется в современной технике. Например, в медицине применяется нанопорошок серебра, которое обладает антисептическими свойствами. Наночастицы диоксида титана отталкивают грязь и позволяют создать самоочищающиеся поверхности. Нанопророшок алюминия ускоряет сгорание твердого ракетного топлива. Новые литиево-ионные аккумуляторы, содержащие наночастицы заряжаются буквально за пару минут. Подобных примеров много уже сейчас. Еще одним элементом, открытым в восьмидесятых годах стали фуллерены. Эти конструкции напоминают мячи, состоящие из атомов углерода.

 

Наноматериал графен - сверхпрочное вещество, подобное алмазу

Другим хорошо известным наноэлементом является углеродная нанотрубка. Это одноатомный слой углерода, свернутый в цилиндр диаметром в несколько нанометров. Впервые эти объекты был получены в 1952 году, но лишь в 1991 году они привлекли внимание ученых. Прочность этих трубок превышает прочность стали в десятки раз, они выдерживают нагрев до 2500 градусов и давление в тысячи атмосфер. Эта прочность свойственна и изготовленным на их основе материалам. В электронике нанотрубки могут применяться как хорошие проводники , а также и полупроводники. Это станет прорывом в электронике, позволив микросхемам уменьшаться согласно закономерности Мура.

Еще одним наноматериалом является графен – двумерный углеродный слой, плоскость, состоящая из атомов углерода. Этот материал был впервые получен русскими физиками, работающими в Англии. Многие ученые полагают, что этот материал, обладающий уникальными свойствами, в будущем станет основой микропроцессоров, вытеснив современные полупроводники. Кроме того, этот материал также невероятно прочен.

Все эти наноэлементы все чаще находят применение в различных областях технологии – от медицины до космических исследований.  Еще одним объектом наноразработок является так называемая квантовая точка, наноразмерный кристалл полупроводника. Они представляют собой удобный источник света, окраска которого зависит от размеров точки: большие точки испускают красное свечение, маленкие – голубое. Такие точки могут быть использованы в медицине для точной визуализации очагов болезни при диагностике, например, в онкологии. Ими можно будет отслеживать даже различные биомолекулы. Также квантовые точки считаются перспективным материалом для солнечных батарей и дисплеев на полимерных пленках.

Нанотехнологии в медицине

 

Нанороботы смогут точечно доставлять лекарства туда, где они нужны

Одной из наиболее перспективных областей применения нанотехнологий остается, безусловно, медицина. Ученые не первый год работают над проблемой доставки лекарственных препаратов непосредственно к клеткам, пораженным инфекцией или болезнью. Основная конструкция транспорта такова: капсула из биоматериала размером 50-200 нанометров, в которой находятся молекулы лекарства. Снаружи капсула покрыта полимерными цепочками, с помощью которых определяется, когда капсула достигнет целевых тканей, после чего произойдет вбрасывание лекарства и распадение оболочки. Последние стадии можно откладывать и контролировать их наступление дистанционно, например, нагревом или ультразвуком. На прошедшем недавно форуме демонстрировался механизм администрирования локальной радиации к клеткам пораженной опухолью печени с помощью наноструктурированного пористого кремния. Кроме того, планируется использовать нанотехнологии при диагностике различных, в том числе онкологических, заболеваний, а также при работе с геномом человека.

Все эти и многие другие идеи находятся сейчас не только на стадии разработок, но и на этапе практического применения. Результаты некоторых тестов потрясают воображение, некоторые заканчиваются провалом. Вместе с тем растет энтузиазм ученых по поводу приближения эры воплощения самых фантастических идей, например, полного контроля над всеми природными процессами или нанофабрик, собирающих любые предметы непосредственно из атомов. Создано множество сценариев развития будущего нанотехнологий, включая и те, которые не сулят человечеству ничего хорошего. Однако можно сказать, что интерес к нанотехнолгиям сейчас настолько велик, что именно он подчас и определяет направление, которое они принимают.

Лучшие разработки нанотехнологий

Нанотехнологии - это современные разработки на микроуровне. В мире появилось много самых удивительных изобретений в этой сфере. Мы расскажем о самых примечательных.

Наномашина. Группа исследователей из университета Гронингена в Нидерландах и Швейцарской научно-исследовательской лаборатории материаловедения и технологии создала прототип наноразмерного «авто», представляющего собой большую молекулу, с четырьмя симметричными элементами, которые играют роль колес. Топливом ему служит электрический заряд, поступающий от щупа электронного микроскопа.

Плащ-невидимка из графена. Ученые из Университета Далласа в Техасе изобрели плащ-невидимку, использовав известное природное явление – мираж. Новый материал, созданный на базе графена, обладает свойствами, сходными с раскаленным песком в пустыне, что позволяет "отводить глаз" от предмета, делая его невидимым. При этом невидимость можно включать и выключать, пуская по наноматериалу электрический ток.

Мираж в природе появляется при резких скачках температуры на поверхности небольшой площади. Лучи света преломляются и попадают на сетчатку глаза, не отражаясь при этом от поверхности. Поэтому если в пустыне у человека перед глазами возникает образ озера, то это часто оказывается лишь отражением голубого неба, которое отразилось от горячей прослойки воздуха у раскаленного песка.

Наноэлектроника. Исследователи из Японии и Швейцарии продемонстрировали возможность связывания между собой отдельных молекул с помощью проводящих ток молекулярных нанопроводов. Это открытие является важным шагом к созданию мономолекулярной электроники, что позволит во много раз уменьшить размеры привычных нам электронным устройств. Ключом к мономолекулярной электронике является объединение функциональных молекул в единую цепь с помощью токопроводящих нанопроводов. Наноэлектроника получит новый импульс после этой разработки. Сложностей в этой задаче две: как расположить нанопровода в нужных местах и как соединить их с функциональными молекулами химической связью.

В качестве исходного субстрата японцы взяли мономолекулярную пленку из диацетилена, нанесенного на графитовую подложку. Затем на него было нанесено небольшое количество фталоцианина, из которого на поверхности субстрата образовались нанокластеры. На заключительном этапе исследователи переместили щуп сканирующего туннельного микроскопа к одной молекуле фталоцианина и, подав на щуп пульсирующее напряжение, инициировали цепную полимеризацию диацетилена, в результате чего образовался полимерный нанопровод, который можно дотянуть до другой молекулы фталоцианина. По мнению создателей, данная схема будет функционировать как диод.

Наномозг. Мозг человека по многим параметрам превосходит современные вычислительные системы. 

Его структурными элементами, как известно, служат нейроны, количество которых у человека приближается к ста миллиардам. Уникальной характеристикой соединяющих нейроны синапсов является их способность изменять эффективность связи. В это связи ученые уже много лет ведут поиск способа искусственно смоделировать нейронную сеть мозга. Недавно сотрудники Стэнфордского университета (США) заявили о создании функциональной модели синапса на основе материала с лёгким изменением фазового состояния.

Такие материалы часто применяются  при конструировании элементов памяти. Значения «0» и «1» в этом случае кодируются разными уровнями сопротивления, между которыми можно переключаться, подавая электрические импульсы, которые нагревают материал и вызывают фазовое превращение. При высоком сопротивлении состояние вещества аморфно, а  при низком переходит в  кристаллическое. Ученым удалось добиться на порядок более высокой разницы сопротивления в обоих состояниях, что было необходимым условием для моделирования синапса и, как показали последующие опыты, схема на базе узлов из такого вещества действительно работает подобно фрагменту сетки нейронов.

Наногенератор. Вскоре достаточно будет просто носить гаджет в кармане и он подзарядится от движений – с таким заявлением выступили создатели плоских «наногенераторов», которые при сжатии, сгибании или тряске вырабатывают то же напряжение, что и обычная батарейка АА или ААА. Исследователи из Технологического Института Джорджии добились значительного успеха в области понижения размеров пьезоэлектрических генераторов, при это сохраняя их высокую энергоемкость. Ученые разработали два типа наногенераторов, помещенных в полимер. Каждый из них представляет собой стопку тонких листков, соединенных нанопроводами из пьезоэлектрического оксида цинка, толщиной в  несколько сотен нанометров. 

Наномедицина и профилактика. Ученым из Университета Айовы удалось с помощью наночастиц пролить свет на сложные процессы, происходящие внутри элементов живой клетки. Все элементы клетки,  по сути, можно назвать природными наномеханизмами, однако в настоящее время ученые имеют весьма смутное представление о том, как именно они их выполняют. Американцы выделили и исследовали несколько типов базовых перемещений, происходящих во внутриклеточных наномашинах.

Наномедицина позволяет разработать новые методы диагностики. Поступательное перемещение несложно отследить с помощью современных микроскопов. Однако вращательное движение наблюдать намного сложнее вследствие ограничений наблюдательной техники, вследствие чего многие процессы, в основе которых лежат вращательные молекулярные перемещения, до сих пор слабо изучены.

Затем ученые ввели в клетку наностержни из золота, размеры которых составляют 25 нм в диаметре и 75 нм в длину, которые рассредоточились по клетке. Затем с помощью микроскопии по методу интерференционного контраста они смогли замерить и их положение и перемещение и смоделировать на компьютере полную трехмерную картину происходящих в клетке перемещений. Результаты их исследований могут помочь в лечении различных тяжелых заболеваний, таких, как болезнь Альцгеймера, а также продвинуть исследования в области искусственного моделирования внутриклеточных процессов.

Наносенсор. Ученые из Стенфордского университета разработали инновационный чип-биосенсор, позволяющий диагностировать рак на ранних стадиях.  Сенсор, сконструированный профессором Шаном Вонгом и его коллегами основан на технологии магнитного детектирования и способен обнаруживать заданный протеин-биомаркер рака при концентрации один к ста миллиардам (то есть 30 молекул на один  кубический миллиметр крови). Такой сенсор почти в тысячу раз чувствительнее, чем применяющиеся в настоящее время технологии диагностики начальных стадий развития опухолей.

Кроме того, его работа одинаково эффективна в любой биологической жидкости, в которой врачам нужно определить нахождение ракового биомаркера – в слюне, плазме и сыворотке  крови, моче или лимфе. Эффективность наносенсорного чипа была подтверждена опытами на мышах. При этом, как сообщают ученые, сенсор можно настроить на поиск самых различных протеинов-биомаркеров и, соответственно, обнаруживать не только рак, но и многие другие заболевания.

Нанобот. Корейские ученые заявили о разработке новой технологии управления медицинскими микророботами в теле человека. 

О перспективах микроботов писали многие, как ученые, так и фантасты. Перемещаясь с током крови, микромашины могли бы выполнять сложнейшую работу, доставлять лекарственные препараты, убивать раковые клетки и бактерии, разрушать тромбы и другие образования, до которых невозможно добраться никаким другим способом. Однако на настоящее время проблемой остается не только конструирование некоторых узлов микроботов, но и управление ими.

Исследователи из Южной Кореи предложили использовать внешнее магнитное поле для создания двух различных типов движений наноробота: «винтового» или штопорообразного и поступательного. В первом случае робот сможет перемещаться вперед/назад и «бурить» или другим образом разрушать тромбы. Во втором – сворачивать в нужный кровеносный сосуд в месте разветвления артерии и выполнять другие маневры, связанные с перемещением в кровеносной системе. В ходе проведенных испытаний в макете кровеносного сосуда, заполненного водой, ученые подтвердили эффективность такого способа управления микророботом.

Выращивание органов. Мысль о том, что органы для трансплантации можно выращивать, не нова, однако к ее осуществлению есть ряд препятствий. Органы нельзя вырастить, как кусочек кожи в чашке Петри, им нужна объемная матрица, своего рода каркас для роста.  Однако ученые из университета Райса предложили совершенно иной способ – выращивать органы в подвешенном положении с помощью магнитного поля. Осуществлением этого метода занимается лаборатория n3D Biosciences. С помощью вирусов бактериофагов в клетку доставляется запатентованная смесь наночастиц под названием Nanoshuttle. Эти частицы внутри клеток реагируют на воздействие магнитного поля, что позволяет контролировать рост ткани в трех измерениях. В таком подвешенном положении клетки могут жить и размножаться, образуя объёмные структуры, согласно заложенной в ДНК программе. Культура клеток будет развиваться естественно, гораздо лучше, чем на дне плоской чашки Петри. А значит, и функционировать в лабораторных условиях клетки будут как в живой природе. В ходе экспериментов специалистам n3D Biosciences уже удалось вырастить эмбриональные клетки почки (HEK293), которые можно использовать для скорейшего заживления ран и тестирования определенных лекарств.

Восстановление ткани позвоночника. Совместной группе ученых из Италии и США удалось добиться значительных успехов в области восстановления ткани позвоночника после травм. Обычно после переломов в месте повреждения образуется рубец, не передающий биотоки, вследствие чего человек оказывается частично или полностью парализован. Ученые выдвинули идею выращивания с помощью опорных наноструктур множества крошечных параллельных трубочек, в которых нарастала бы новая нервная ткань. Такие конструкции из трубочек 2-3 мм длиной и 0,5 мм в диаметре удалось сформировать из биоразложимых полимеров, при этом внутренняя поверхность канальцев покрыта молекулами, играющими роль химических зацепов для самосборки пептидов. Действенность терапии уже доказана экспериментами на крысах, которые восстановили подвижность задних лапок после травмы в течение шести месяцев, что возвращает надежду людям с параплегией.

Восстановление сетчатки глаза. Другое  достижение из области наномедицины снова из Италии, из института технологий в Милане. Ученые нашли способ восстановления повреждённой сетчатки глаза восстановить с помощью светочувствительного пластика. 

Нетрудно заметить, что большая часть наиболее интересных инноваций связана с наномедициной. Быть может, в этом есть некий символизм, поскольку сложнейшие элементы человеческих клеток, по сути, и есть природные наномашины, и ученые чаще всего не придумывают новое, а копируют подсмотренное у природы. Возможно же, что такое внимание к медицинским разработкам дает надежду на то, что будущее нанотехнологий это все же не военные наноботы, а медицинские роботы, и что новые технологии сделают человека более сильным, ловким и здоровым, а не превратят его в рабочий механизм.