Значення хімії для развитку біо- та нанотехнологій

 

 

Є думка, що в світі немає на сьогоднішній день стандарту, що таке нанотехнології, що таке нанопродукціі. У Єврокомісії створена спеціальна група, якій дали два роки на те, щоб розробити класифікацію нанопродукціі. Серед підходів до визначення поняття «нанотехнології» є наступні: 1. В Технічному комітеті ISO / ТК 229 під нанотехнологіями мається на увазі наступне:

знання та управління процесами, як правило, в масштабі 1 нм, але не виключає масштаб менше 100 нм, в одному або більше вимірах, коли введення в дію розмірного ефекту (явища) призводить до можливості нових застосувань;

використання властивостей об'єктів і матеріалів у нанометровому масштабі, які відрізняються від властивостей вільних атомів або молекул, а також від об'ємних властивостей речовини, що складається з цих атомів або молекул, для створення більш досконалих матеріалів, приладів, систем, що реалізують ці властивості.

2. Згідно «Концепції розвитку в Російській Федерації робіт в області нанотехнологій на період до 2010 року» (2004 р.) нанотехнологія визначається як сукупність методів і прийомів, що забезпечують можливість контрольованим чином створювати і модифікувати об'єкти, що включають компоненти з розмірами менше 100 нм, хоча б в одному вимірі, і в результаті цього отримали принципово нові якості, що дозволяють здійснювати їх інтеграцію в повноцінно функціонують системи більшого масштабу.

Практичний аспект нанотехнологій включає в себе виробництво пристроїв і їх компонентів, необхідних для створення, обробки і маніпуляції атомами, молекулами і наночастинками. Мається на увазі, що не обов'язково об'єкт повинен мати хоч одним лінійним розміром менше 100 нм – це можуть бути макрооб'єкти, атомарна структура яких контрольовано створюється з дозволом на рівні окремих атомів, або ж містять в собі нанооб'єктів. У більш широкому сенсі цей термін охоплює також методи діагностики, характерології і досліджень таких об'єктів. Нанотехнології якісно відрізняються від традиційних дисциплін, оскільки на таких масштабах звичні, макроскопічні технології поводження з матерією часто непридатні, а мікроскопічні явища, зневажливо слабі на звичних масштабах, стають набагато значніше: властивості та взаємодії окремих атомів і молекул або агрегатів молекул (наприклад, сили Ван-дер-Ваальса), квантові ефекти.

Нанотехнології і особливо молекулярна технологія – нові, дуже мало досліджені дисципліни. Основні відкриття, що передбачаються в цій області, поки не зроблені. Тим не менше, проведені дослідження вже дають практичні результати. Використання в нанотехнології передових наукових досягнень дозволяє відносити її до високих технологій. Розвиток сучасної електроніки йде по шляху зменшення розмірів пристроїв. З іншого боку, класичні методи виробництва підходять до свого природного економічного та технологічного бар'єру, коли розмір пристрою зменшується ненабагато, зате економічні витрати зростають експоненціально. Нанотехнології – наступний логічний крок розвитку електроніки та інших наукоємних виробництв.

Властивості

 

Властивості наносистем багато в чому відрізняються від властивостей крупніших об'єктів, що складаються з тих же самих атомів і молекул. Наприклад, наночастки платини набагато ефективніше очищають автомобільні вихлопи від токсичних забруднювачів, ніж звичні платинові каталізатори. Одношарові і багатошарові графітні циліндри нанометрової товщини, так звані вуглецеві нанотрубки, прекрасно проводять електрику і тому можуть стати заміною мідним дротам. Нанотрубки також дозволяють створювати композитні матеріали виняткової міцності і принципово нові напівпровідникові і оптоелектронні пристрої. На сучасному етапі нанотехнології використовують під час виробництва особливих сортів скла, на яких не осідає бруд (застосовується в автомобіле- і авіабудуванні), під час виробництва чорнил; для виробництва одягу, який неможливо забруднити і пом'яти і так далі.

Нанотехнології на перетині сфер життєдіяльності

Нанотехнології знаходяться на передньому краю різноманітних наукових, економічних та соціальних напрямків розвитку.

Медицина та нанобіотехнології

В даний час вже є дослідні зразки наноконтейнерів для прицільної доставки ліків до уражених органів і нановипромінювачів для знищення злоякісних пухлин; для створення матеріалів, необхідних при лікуванні опіків і ран; у стоматології; у косметології.

За прогнозами журналу Scientific American, вже в найближчому майбутньому з'являться медичні пристрої розміром з поштову марку. Їх достатньо буде накласти на рану. Цей пристрій самостійно проведе аналіз крові, визначить, які медикаменти необхідно використовувати, і уприсне їх в кров.

Експерти Європейської комісії склали наступний перелік найбільш важливих на їхню думку розділів нанобіотехнологій на майбутні 15-20 років[1]:

прицільне постачання ліків;

молекулярна візуалізація;

косметика;

створення нових лікарських засобів;

методи діагностіки;

хірургія, в тому числі трансплантація тканин та органів;

тканева інженерія;

харчові технології;

геноміка і протеоміка;

молекулярні біосенсори;

інші розділи.

Фундаментальні положення

Нещодавно було з'ясовано, що закони тертя в макро-і наносвіті виявилися схожими.

Скануюча зондовая мікроскопія

Одним з методів, які використовуються для вивчення нанооб'єктів, є скануюча зондовая мікроскопія. У рамках скануючої зондової мікроскопії реалізовані як не оптичні, так і оптичні методики.

Дослідження властивостей поверхні за допомогою скануючого зондового мікроскопа (СЗМ) проводяться на повітрі при атмосферному тиску, у вакуумі і навіть в рідині. Різні СЗМ методики дозволяють вивчати як провідні, так і не проводять об'єкти. Крім того, СЗМ підтримує суміщення з іншими методами дослідження, наприклад з класичною оптичної мікроскопії і спектральними методами.

За допомогою скануючого зондового мікроскопа (СЗМ) можна не тільки побачити окремі атоми, але також вибірково впливати на них, зокрема, переміщати атоми по поверхні. Вченим вже вдалося створити двовимірні наноструктури на поверхні, використовуючи даний метод. Наприклад, в дослідницькому центрі компанії IBM, послідовно переміщаючи атоми ксенонa на поверхні монокристала нікелю, співробітники змогли викласти три букви логотипу компанії, використовуючи 35 атомів ксенону.

При виконанні подібних маніпуляцій виникає ряд технічних труднощів. Зокрема, потрібно створення умов надвисокого вакууму (10−11 тор), необхідно охолоджувати підкладку і мікроскоп до наднизьких температур (4-10 К), поверхню підкладки повинна бути одна транзакція чистою і атомарно гладкою, для чого застосовуються спеціальні методи її приготування. Охолодження підкладки проводиться з метою зменшення поверхневої дифузії загрожених атомів, охолодження мікроскопа дозволяє позбутися від термодрейфа. Проте, в більшості випадків немає необхідності маніпулювати окремими атомами або наночастинками і достатньо звичайних лабораторних умов для вивчення об'єктів, що цікавлять.

 

 

Сучасна тенденція до мініатюризації показала, що речовина може мати зовсім нові властивості, якщо взяти дуже маленьку частинку цієї речовини. Частинки розмірами від 1 до 100 нанометрів зазвичай називають «наночастинками». Так, наприклад, виявилося, що наночастки деяких матеріалів мають дуже хороші каталітичні і адсорбційні властивості. Інші матеріали показують дивовижні оптичні властивості, наприклад, надтонкі плівки органічних матеріалів застосовують для виробництва сонячних батарей. Такі батареї, хоч і мають порівняно низькою квантової ефективністю, зате більш дешеві і можуть бути механічно гнучкими. Вдається домогтися взаємодії штучних наночасток з природними об'єктами нанорозмірів – білками, нуклеїновими кислотами і іншими. Ретельно очищені наночастинки можуть самовистраіваться в певні структури. Така структура містить строго впорядковані наночастинки і також часто проявляє незвичайні властивості.

 

 

Наноматеріали

Матеріали, розроблені на основі наночасток з унікальними характеристиками, що випливають з мікроскопічних розмірів їх складових.

Вуглецеві нанотрубки – протяжні циліндричні структури діаметром від одного до декількох десятків нанометрів і завдовжки до декількох сантиметрів, що складаються з однієї або декількох згорнутих в трубку гексагональних графітових площин (графеном) і зазвичай закінчуються напівсферичної голівкою.

Фулерени – молекулярні сполуки, що належать класу аллотропних форм вуглецю (інші – алмаз, карбін і графіт) і які становлять опуклі замкнені багатогранники, складені з парного числа трехкоордінірованних атомів вуглецю.

Графен – моношар атомів вуглецю, отриманий у жовтні 2004 року в Манчестерському університеті (The University Of Manchester). Графен можна використовувати, як детектор молекул (NO 2), що дозволяє детектувати прихід і відхід одиничних молекул. Графен має високу рухливість при кімнатній температурі, завдяки чому як тільки вирішать проблему формування забороненої зони цього напівметал, обговорюють графен як перспективний матеріал, який замінить кремній в інтегральних мікросхемах.

Нанокристали

Аерогель

Наноаккумулятори – на початку 2005 року компанія Altair Nanotechnologies (США) оголосила про створення інноваційного нанотехнологічного матеріалу для електродів літій-іонних акумуляторів. Акумулятори з Li 4 Ti 5 O 12 електродами мають час зарядки 10-15 хвилин. У лютому 2006 року компанія почала виробництво акумуляторів на своєму заводі в Індіані. У березні 2006 Altairnano і компанія Boshart Engineering уклали угоду про спільне створення електромобіля. У травні 2006 успішно завершилися випробування автомобільних наноаккумуляторов. У липні 2006 Altair Nanotechnologies отримала перше замовлення на поставку літій-іонних акумуляторів для електромобілів.

Самоочисні поверхні на основі ефекту лотоса

Напрямки розвитку нанотехнологій

Нанотехнології розвиваються за такими основними напрямами:

створення матеріалів з ексклюзивними, наперед заданими властивостями шляхом оперування окремими молекулами;

конструювання нанокомп'ютерів, які використовують замість звичайних мікросхем набори логічних елементів з окремих молекул;

збирання нанороботів – систем, що саморозмножуються і призначені для ведення будівництва на молекулярному рівні.

Ставлення суспільства до нанотехнологій

Прогрес в області нанотехнологій викликав певний суспільний резонанс. Ставлення суспільства до нанотехнологій вивчалося ВЦВГД та європейської службою «Євробарометр». Ряд дослідників вказують на те, що негативне ставлення до нанотехнології у неспеціалістів може бути пов'язано з релігійністю, а також з-за побоювань, пов'язаних з токсичністю наноматеріалів. Особливо це актуально для широко розрекламованого колоїдного срібла, властивості і безпека якого знаходяться під великим питанням.

 

 

ВАК України. Паспорт спеціальності

Сасон А. Біотехнологія: Здійснення і надії: Пер. з англ. М., 1987.

Єгоров Н. С., Олескін А. В., Самуїлов В. Д. Біотехнологія: Проблеми і перспективи. М., 1987.

Bains W. Biotechnology from A to Z. Oxford, 1993.

William Sims Bainbridge. Nanoconvergence: The Unity of Nanoscience, Biotechnology, Information Technology and Cognitive Science, June 27, 2007, Prentice Hall, ISBN 0-13-244643-X

Lynn E. Foster. Nanotechnology: Science, Innovation, and Opportunity. December 21, 2005, Prentice Hall, ISBN 0-13-192756-6

Hari Singh Nalwa. Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology (10-Volume Set), American Scientific Publishers. 2004. – ISBN 1-58883-001-2

Akhlesh Lakhtakia (ed) The Handbook of Nanotechnology. Nanometer Structures: Theory, Modeling, and Simulation, SPIE Press, Bellingham, WA, USA, 2004. ISBN 0-8194-5186-X.

Fei Wang & Akhlesh Lakhtakia (eds) Selected Papers on Nanotechnology-Theory & Modeling (Milestone Volume 182), SPIE Press, Bellingham, WA, USA, 2006. ISBN 0-8194-6354-X.

Jumana Boussey, Georges Kamarinos, Laurent Montès (editors)  (2003), Towards Nanotechnology, «Nano et Micro Technologies», Hermes Sciences Publ., Paris, ISBN 2-7462-0858-X.