НАНОТЕХНОЛОГІЇ ВНАШОГО ЖИТТЯ, Наука та життя
Журнал додано до кошика.
НАНОТЕХНОЛОГІЇ У НАШОМУ ЖИТТІ
Ю. СВІДИНЕНКО, інженер-фізик
Нанотехнології, що з'явилися в останній чверті ХХ століття, стрімко розвиваються. Чи не щомісяця з'являються повідомлення про нові проекти, які здавалися ще рік-другий тому абсолютною фантастикою. За визначенням, даним піонером цього напряму Еріком Дрекслером, нанотехнологія - "очікувана технологія виробництва, орієнтована на дешеве отримання пристроїв та речовин із заздалегідь заданою атомарною структурою". Це означає, що вона оперує з окремими атомами у тому, щоб отримати структури з атомарною точністю. У цьому корінна відмінність нанотехнологій від сучасних "об'ємних" bulk-технологій, що маніпулюють макрооб'єктами.
Нагадаємо читачеві, що нано - приставка, що позначає 10-9. На відрізку завдовжки один нанометр можна розташувати вісім атомів кисню.
Нанооб'єкти (наприклад, наночастинки металів), як правило, мають фізичні та хімічні властивості, відмінні і від властивостей великих об'єктів з того ж матеріалу і від властивостей окремих атомів. Скажімо, температура плавлення частинок золота розміром 5-10 нм на сотні градусів нижче за температуру плавлення шматка золота об'ємом 1 см 3 .
Дослідження, що проводяться в нанорозмірному діапазоні, лежать на стику наук, часто дослідження в галузі матеріалознавства торкаються галузі біотехнологій, фізики твердого тіла, електроніки.
Ведучий світовий фахівець у галузі наномедицини Роберт Фрайтас сказав: "Майбутні наномашини повинні складатися з мільярдів атомів, тому їх проектування та побудова потребуватимуть зусиль команди фахівців. Кожна конструкція наноробота вимагатиме об'єднання зусиль кількох дослідницьких колективів.проектуванні та побудові літака "Боїнг-777" брало участь безліч колективів у всьому світі. Наномедичний робот майбутнього, що складається з мільйона (або навіть більше) робочих частин, за складністю конструкції буде не простіше за літак".
НАНОПРОДУКТИ НАВКОЛІ НАС
Наномир складний і поки що порівняно мало вивчений, та все ж не настільки далекий від нас, як це здавалося кілька років тому. Більшість із нас регулярно користуються тими чи іншими досягненнями нанотехнологій, навіть не підозрюючи про це. Наприклад, сучасна мікроелектроніка вже не мікро-, а нано: транзистори - основа всіх чіпів - лежать в діапазоні до 90 нм. І вже заплановано подальшу мініатюризацію електронних компонентів до 60, 45 та 30 нм.
Більше того, як нещодавно заявили представники компанії "Хьюлетт-Паккард", транзистори, що виготовляються за традиційною технологією, будуть замінені наноструктурами. Один такий елемент - це три провідники завширшки кілька нанометрів: два з них паралельні, а третій розташований під прямим кутом до них. Провідники не стикаються, а проходять, як мости, один над одним. При цьому з верхніх провідників на нижні спускаються молекулярні ланцюжки, сформовані з нанопровідників матеріалу під впливом прикладеної до них напруги. Побудовані за цією технологією схеми вже продемонстрували здатність зберігати дані та виконувати логічні операції, тобто замінювати транзистори.
З новою технологією розміри деталей мікросхем опустяться суттєво нижче за планку в 10-15 нанометрів, у масштаби, де традиційні напівпровідникові транзистори просто фізично не можуть працювати. Ймовірно, вже в першій половині наступного десятиліття з'являться серійні мікросхеми (поки що традиційні, кремнієві), в які буде вбудованодекілька наноелементів, створених за новою технологією.
Компанія "Кодак" у 2004 році випустила папір для струменевих принтерів Ultima. Вона має дев'ять шарів. Верхній шар складається з керамічних наночастинок, які роблять папір більш щільним і блискучим. У внутрішніх шарах розташовані пігментні наночастки розмірами 10 нм, що покращують якість друку. А швидкій фіксації фарби сприяють включені до складу покриття полімерні наночастинки.
Директор Інституту нанотехнологій США Чед Міркін вважає, що "нанотехнології перебудують усі матеріали заново. Усі матеріали, отримані за допомогою молекулярного виробництва, будуть новими, оскільки досі людство не мав можливості розробляти та виробляти наноструктури. Зараз ми використовуємо в промисловості тільки те Нанотехнологічний підхід полягає в тому, що ми перероблятимемо практично будь-які природні ресурси в так звані "будівельні блоки", які складуть основу майбутньої промисловості".
Зараз ми вже бачимо настання нанореволюції: це і нові комп'ютерні чіпи, і нові тканини, на яких не залишається плям, і використання наночасток у медичній діагностиці (див. також "Наука і життя" №№ 2, 4, 2005 р.). Навіть косметична промисловість зацікавлена в наноматеріалах. Вони можуть створити в косметиці багато нових нестандартних напрямів, яких раніше не було.
У нанорозмірному діапазоні практично будь-який матеріал виявляє унікальні властивості. Наприклад, відомо, що іони срібла мають антисептичну активність. Значно більш високою активністю має розчин наночастинок срібла. Якщо обробити цим розчином бинт і прикласти його до гнійної рани, запаленняпройде і рана загоїться швидше, ніж з використанням звичайних антисептиків.
Вітчизняний концерн "Наноіндустрія" розробив технологію виробництва наночастинок срібла, стабільних у розчинах та адсорбованому стані. Отримувані препарати мають широкий спектр протимікробної дії. Таким чином, з'явилася можливість створення цілої гами продуктів з антимікробними властивостями за незначної зміни технологічного процесу виробниками існуючої продукції.
Наночастинки срібла можуть бути використані для модифікації традиційних та створення нових матеріалів, покриттів, дезінфікуючих та миючих засобів (у тому числі зубних та чистячих паст, пральних порошків, мила), косметики. Покриття та матеріали (композитні, текстильні, лакофарбові, вуглецеві та інші), модифіковані наночастинками срібла, можуть бути використані як профілактичні антимікробні засоби захисту в місцях, де зростає небезпека поширення інфекцій: на транспорті, на підприємствах громадського харчування, у сільськогосподарських та тваринницьких приміщеннях , у дитячих, спортивних, медичних закладах. Наночастинки срібла можна використовувати для очищення води та знищення хвороботворних мікроорганізмів у фільтрах систем кондиціювання повітря, басейнах, душах та інших подібних місцях масового відвідування.
Випускається аналогічна продукція за кордоном. Одна з фірм виготовляє покриття зі срібними наночастинками для лікування хронічних запалень та відкритих ран.
Ще один вид наноматеріалів - вуглецеві нанотрубки, що мають колосальну міцність (див. "Наука і життя" № 5, 2002 р.; № 6, 2003 р.). Це своєрідні циліндричні полімерні молекули діаметром приблизно від половини нанометра та довжиною до кількох мікрометрів.Вперше їх виявили менш як 10 років тому як побічні продукти синтезу фулерену С60. Тим не менш, вже зараз на основі вуглецевих нанотрубок створюються електронні пристрої нанометрових розмірів. Очікується, що в найближчому майбутньому вони замінять багато елементів в електронних схемах різних приладів, у тому числі сучасних комп'ютерів.
Втім, використовують нанотрубки не лише в електроніці. У продажу вже є ракетки для тенісу, армовані вуглецевими нанотрубками для обмеження скручування та забезпечення більшої потужності удару. Застосовують їх у деяких деталях спортивних велосипедів.
Україна НА РИНКУ НАНОТЕХНОЛОГІЙ
Вітчизняна компанія "Nanotechnology News Network" нещодавно представила в Україні іншу новинку - нанопокриття, що самоочищаються. Достатньо обприскати скло автомобіля спеціальним розчином з наночастинками діоксиду кремнію, і протягом 50 000 км до нього не чіплятиметься бруд і вода. На склі залишається прозорий надтонкий шар, на якому воді просто нема за що зачепитися, і вона скочується разом із брудом. Насамперед новинкою зацікавилися власники хмарочосів - на миття фасадів цих будівель йдуть величезні гроші. Існують такі склади для покриття кераміки, каменю, дерева та навіть одягу.
Слід сказати, що деякі українські організації вже успішно виступають на міжнародному нанотехнологічному ринку.
Концерн "Наноіндустрія", наприклад, має у своєму багажі ряд нанотехнологічних продуктів, що застосовуються в різних галузях промисловості. Це відновлювальний склад "РВС" та наночастинки срібла для біотехнологій та медицини, промислова нанотехнологічна установка "ПРОМІНЬ-1,2" та навчальна нанотехнологічна установка "УМКА".
Склад "РВС", який може вберегти від зносу тавідновити практично будь-які металеві поверхні, що труться, готують на основі адаптивних наночастинок. Цей засіб дозволяє створювати модифікований високовуглецевий залізосилікатний захисний шар товщиною 0,1-1,5 мм в областях інтенсивного тертя металевих поверхонь (наприклад, парах тертя в двигунах внутрішнього згоряння). Залив такий склад в картер для масла, можна надовго забути про проблему зносу мотора. При роботі механічні частини нагріваються від тертя, це нагрівання викликає прилипання металевих наночастинок до пошкоджених областей. Надмірне ж нарощування викликає сильніше нагрівання, і наночастки втрачають свою здатність до приєднання. Таким чином в вузлі, що труться, постійно підтримується рівновага, і деталі практично не зношуються.
Особливий інтерес представляє комплекс нанотехнологічного обладнання "УМКА", який призначений для проведення демонстраційних, дослідницьких та лабораторних робіт на атомно-молекулярному рівні в галузі фізики, хімії, біології, медицини, генетики та інших фундаментальних та прикладних наук. Наприклад, нещодавно на ньому було отримано зображення поверхні DVD з роздільною здатністю 0,3 мкм, і це ще не межа. Унікальна технологія роботи на пікоамперних струмах дозволяє сканувати навіть слабопровідні біологічні зразки без попереднього напилення металу (зазвичай необхідно, щоб верхній шар зразка був провідним). "УМКА" має високу температурну стабільність, що дозволяє проводити тривалі маніпуляції з окремими групами атомів, і високою швидкістю сканування, що дозволяє спостерігати швидкоплинні процеси.
Основна сфера застосування комплексу "УМКА" – навчання сучасним практичним методам роботи з нанорозмірними структурами. Комплекс "УМКА" включає:тунельний мікроскоп, систему віброзахисту, набір тестових зразків, набори витратних матеріалів та інструментів. Вміщуються прилади у невеликому кейсі, працюють у кімнатних умовах та коштують менше 8 тисяч доларів. Керувати експериментами можна зі звичайного персонального комп'ютера.
Нещодавно було встановлено, що кулясті молекули С60, звані фулеренами, можуть викликати серйозні захворювання та шкодити навколишньому середовищу. Токсичність водорозчинних фулеренів при їх вплив на людські клітини двох різних типів була встановлена дослідниками з університетів Райса та Джорджії (США).
Професор хімії Вікі Колвін з університету Райса та його колеги встановили, що при розчиненні фулеренів у воді формуються колоїди C60, які при впливі на клітини шкіри людини та клітини карциноми печінки викликають їхню загибель. При цьому концентрація фулеренів у воді була дуже низькою:
20 молекул C60 на 1 мільярд молекул води. Одночасно дослідники показали, що токсичність молекул залежить від модифікації їхньої поверхні.
Як припускають дослідники, токсичність простих фулеренів C60 пов'язана з тим, що їхня поверхня здатна виробляти супероксидні аніони. Ці радикали ушкоджують клітинні мембрани та призводять до загибелі клітин.
Колвін та його колеги заявили, що таку негативну властивість фулеренів можна використовувати на благо - для лікування ракових пухлин. Необхідно лише детально з'ясувати механізм утворення кисневих радикалів. Очевидно, на основі фулеренів можна буде створити і надефективні антибактеріальні препарати.
Водночас небезпека застосування фулеренів у продуктах масового споживання є вченим цілком реальною.
Мабуть, тому нещодавно американська Комісія з безпекихарчових продуктів та ліків (FDA) заявила про необхідність ліцензування та регулювання широкого спектру товарів (харчові продукти, косметика, ліки, апаратура та ветеринарія), виготовлених за допомогою нанотехнологій та використовують наноматеріали та наноструктури.
НАНОТЕХНОЛОГІЯМ ПОТРІБНА ПІДТРИМКА ДЕРЖАВИ
На жаль, в Україні державної програми розвитку нанотехнологій досі немає. (У 2005 році нанотехнологічній програмі США, між іншим, виповнилося п'ять років.) Без сумніву, існування централізованої державної програми розвитку нанотехнологій значно допомогло б у практичній реалізації результатів досліджень. Те, що успішні розробки в галузі нанотехнологій у країні є, ми, на жаль, дізнаємось із зарубіжних джерел. Наприклад, влітку Інститут стандартів США оголосив про створення найменшого у світі атомного годинника. Як виявилось, над їх створенням працював і український колектив.
КОНКУРС МОЛОДІЖНИХ ПРОЕКТІВ
За підтримки банку розроблено та готується до видання науково-популярний підручник "Нанотехнології для всіх", який заслужив на високу оцінку провідних учених.
Мета конкурсу – залучити талановиту молодь до розвитку нанотехнологій у своїй країні, а не за кордоном.
Спрямованість проектів надзвичайно різноманітна: від перспективних наноматеріалів для автомобілебудування та авіації до імплантатів та нейротехнологічних інтерфейсів. Детальні матеріали конкурсу знаходяться на сайті www.nanonewsnet.ru.
Нанотехнології в Україні набирають хід. Однак, якщо дослідження не координуватимуться державою чи комплексною федеральною програмою, на краще, швидше за все, нічого так і не зміниться. Для майбутніх нанотехнологів уже випущено підручник.