В марте 2008 г. более ста ученых из разных стран мира встретились в Швейцарии на конференции «nanoECO» для обсуждения проблем, связанных с воздействием синтезированных наночастиц на окружающую среду . Хотя нано-экотоксикология является молодой областью исследований, были представлены интересные и важные результаты. Конечно, в центре внимания были нерешенные проблемы: как и в каких количествах наночастицы из «нанопродуктов» попадают в окружающую среду; какой будет, к примеру, уровень загрязнений рек, почвы; какие аналитические методы могут быть эффективно использованы?
Вопрос о применимости методов исследований очень важен. H.Krug в своем докладе подчеркнул, что на данные о токсичности углеродных нанотрубок (УНТ) наряду с присутствующими в них примесями металлов (признанный эффект) могут повлиять и реактивы, применяемые для экспериментов in vitro ! В этом случае выводы о вреде нанотрубок могут оказаться ложными. Поэтому при оценке токсичности очень важно правильно охарактеризовать не только сами наноматериалы, но и аналитические методы, используемые в исследованиях.
«Зеленая» химия, «зеленая» энергетика… Эти термины появились в конце прошлого века и сразу стали очень популярными. В последние годы чрезвычайно возрос интерес к ресурсосберегающим экологически чистым зеленым технологиям, инвестиции в фирмы зеленых технологий постоянно увеличиваются. «Зеленой нанотехнологии» посвящен доклад B.Karn . Зеленая нанотехнология, как объясняет автор, – это способ создания и использования наноматериалов и нанопродукции без нанесения ущерба окружающей среде и здоровью человека. Таким образом, с одной стороны к зеленой нанотехнологии относится производство наноматериалов и продуктов с использованием принципов зеленой химии и зеленых технологий (что улучшает окружающую среду косвенным образом), а с другой – создание нанопродуктов, которые непосредственно участвуют в решении прошлых, настоящих и будущих проблем, связанных с защитой природы и здоровьем людей (например, сорбенты для очистки сточных вод или питьевой воды, новые катализаторы, энергетические системы).
Результаты компьютерного моделирования транспорта трех наиболее распространенных видов наночастиц (нано-Ag, нано-TiO 2 и УНТ), представленные в докладе швейцарских ученых B.Nowack и N.Mueller оказались настолько интересными, что были полностью опубликованы в журнале «Environmental Science & Technology» и прокомментированы в июньском выпуске «Nature Nanotechnology» . Рассмотрим их подробнее.
Наночастицы Ag и TiO 2 наиболее широко представлены в потребительских товарах. Считается, что нано-серебро обладает противомикробными, противогрибковыми и другими полезными свойствами, а нано-TiO 2 производится в больших количествах для использования в самоочищающихся, необрастающих, противомикробных покрытиях и красках, а также в косметических средствах как поглотитель УФ (только в Австралии имеется более 300 зарегистрированных солнцезащитных продуктов, содержащих наночастицы TiO 2). Третий изученный наноматериал – углеродные нанотрубки – не нуждается в представлении нашим постоянным читателям.
В модели использовались следующие входные данные: оценки объемов мирового производства, концентрации наночастиц в различных продуктах, выход наночастиц из продуктов и параметры потоков в окружающую среду (от установок для сжигания отходов, мусорных свалок, и/или установок для очистки сточных вод) и между ее областями (воздух, почва, вода). Рассмотрен весь цикл использования продуктов, содержащих наночастицы, – от производства до утилизации. Модель такого типа обычно применяется в определении воздействия химических продуктов.
Авторы сделали оценку риска для трех областей окружающей среды – воды (реки и озера), воздуха, почвы в Швейцарии (рис.1). Было рассмотрено два сценария – реалистичный (RE – realistic ), основанный на имеющейся информации, и худший (HE – high exposure ), основанный на оценках, предполагающих наличие более высоких концентраций. Результаты сравнивались с величинами, которые по данным токсикологических исследований не вызывают негативных эффектов (PNEC – predicted no-effect concentration ). Риск выражался как отношение прогнозируемой концентрации в окружающей среде PEC (PEC – predicted environmental concentrations ) к PNEC. Материалы, для которых это отношение меньше единицы, считаются безопасными.
Рис.1. Возможное распределение наноматериалов в окружающей среде (воздух; почва, растительность; почва, покрытая растительностью; вода; отложения)
К сожалению, невозможно найти перечень всей продукции, содержащей наночастицы. Многие производители не информируют об их наличии. Вероятно, в ближайшие годы ситуация изменится к лучшему, а пока авторы использовали для анализа параметры, некоторые из которых представлены в таблице 1.
Таблица 1. Параметры, использованные при моделировании транспорта наночастиц в Швейцарии
| Наночастицы | Категория продукции | % от общего колич. | Способ выделения | % | Область выделения |
| нано-Ag | текстиль | 10 | истирание при использовании
истирание при стирке утилизация разложение |
5 | воздух
очистка сточных вод сжигание мусора живая система живая система живая система |
|
косметика |
25 | использование
утилизация |
95 | очистка сточных вод
сжигание мусора |
|
| аэрозоли
чистящиесредства |
15 |
использование утилизация истирание |
95 | воздух, стоки, почва
сжигание мусора очистка сточных вод |
|
| металлическаяпродукция | 5 |
утилизация разложение истирание |
47,5 | живая система
сжигание мусора живая система очистка сточных вод |
|
| пластмассы | 10 | утилизация
разложение |
50 | сжигание мусора
живая система почва, сточные воды |
|
| разложение
утилизация |
45 | живая система
место утилизации |
|||
| нано-TiO 2 | пластмассы | 2 | истирание
утилизация |
5 | воздух, сточные воды
сжигание мусора |
|
косметика |
60 | использование
утилизация |
95 | сточные воды, вода
сжигание мусора |
|
| покрытия | 2 |
использование утилизация |
95 | сточные воды, воздух
сжигание мусора |
|
| металлы | 1 |
истирание утилизация |
5 | сточные воды
живая система сжигание мусора |
|
|
хранение/ производствоэнергии |
10 |
утилизация |
25 | сжигание мусора
живая система |
|
| 25 |
утилизация |
50 | сточные воды, почва
место утилизации |
||
| УНТ | пластмассы,
спортивное Оборудование |
50 | истирание
утилизация |
5 | воздух
сжигание мусора |
| электроника,батареи | 50 | рецикл
утилизация |
40 | живая система
сжигание мусора место утилизации |
|
| экспорт | 50 | живая система |
В таблице 2 приведены величины PEC, полученные в для двух сценариев (RE и HE).
Таблица 3
| Оценка риска (PEC/PNEC) в окружающей среде | ||||||
| Нано – Ag | Нано – TiO 2 | УНТ | ||||
| RE | HE | RE | HE | RE | HE | |
| Воздух | н/o | н/o | 0,0015 | 0,004 | 1,5х10 -5 | 2,3х10 -3 |
| Вода | 0,0008 | 0,002 | >0,7 | >16 | 0,005 | 0,008 |
| Почва | н/о | н/о | н/о | н/о | н/о | н/о |
н/о – не определен из-за отсутствия экотоксикологических данных
Как видно из табл. 2, величины PEC для УНТ являются самыми низкими (хотя, конечно, в будущем при росте производства ситуация может измениться). Содержание в воздухе мало для всех трех типов наночастиц. Частицы наносеребра и нанооксида титана в основном находятся в воде и почве, при этом содержание нано-Ag в 20–200 раз ниже, чем нано-TiO 2 . УНТ в воду практически не попадают.
На основе полученных величин РЕС теперь можно определить, какие наночастицы и где представляют наибольший риск (табл. 3).
Результаты моделирования показывают, что в настоящее время УНТ не представляют риска для окружающей среды. Основная часть продуктов, содержащих нанотрубки, или идет в повторный цикл, или попадает в установки для сжигания мусора, где УНТ в присутствии кислорода сгорают практически полностью (температура в установках примерно 850 о С). А вот отношение PEC/PNEC для нано-TiO 2 в воде приближается к единице или даже больше нее, указывая на наличие значимого риска.
Конечно, это предварительные результаты. Например, сознательно не рассматриваются трансформация, деградация, биоаккумулирование наночастиц, хотя эти процессы могут играть важную роль. Не учтены выбросы из мест производства. Тем не менее, результаты дают оценку риска и могут служить отправной точкой для последующих исследований, в которых, в том числе, будут более полно отражены специфические свойства наночастиц.
- 1. nanoECO. Nanoparticles in the Environment . Implications and Applications 2–7 March, 2008 Centro Stefano Franscini Monte Verità Ascona, Switzerland
- 2. H.F. Krug et al., nanoECO Book of Abstracts 2–7 March, 2008, p.53
- 3. B. Karn. nanoECO Book of Abstracts 2–7 March, 2008, p.77
- 4. N. Mueller, B. Nowack., Environ. Sci. Technol. 42, 4447 (2008)
- 5. M. Scheringer, Nature Nanotechnol., 3, 332 (2008)
Нанотехнология – область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.
История
Многие источники, в первую очередь англоязычные, первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением Ричарда Фейнмана «Внизу полным-полно места» (англ. «There’s Plenty of Room at the Bottom»), сделанным им в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества. Ричард Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы при помощи манипулятора соответствующего размера, по крайней мере, такой процесс не противоречил бы известным на сегодняшний день физическим законам.
Этот манипулятор он предложил делать следующим способом. Необходимо построить механизм, создававший бы свою копию, только на порядок меньшую. Созданный меньший механизм должен опять создать свою копию, опять на порядок меньшую и так до тех пор, пока размеры механизма не будут соизмеримы с размерами порядка одного атома. При этом необходимо будет делать изменения в устройстве этого механизма, так как силы гравитации, действующие в макромире, будут оказывать все меньшее влияние, а силы межмолекулярных взаимодействий и Ван-дер-Ваальсовы силы будут все больше влиять на работу механизма.
Последний этап – полученный механизм соберёт свою копию из отдельных атомов. Принципиально число таких копий неограниченно, можно будет за короткое время создать произвольное число таких машин. Эти машины смогут таким же способом, поатомной сборкой, собирать макровещи. Это позволит сделать вещи на порядок дешевле – таким роботам (нанороботам) нужно будет дать только необходимое количество молекул и энергию, и написать программу для сборки необходимых предметов. До сих пор никто не смог опровергнуть эту возможность, но и никому пока не удалось создать такие механизмы. В ходе теоретического исследования данной возможности появились гипотетические сценарии конца света, которые предполагают, что нанороботы поглотят всю биомассу Земли, выполняя свою программу саморазмножения (так называемая «серая слизь» или «серая жижа»).
Первые предположения о возможности исследования объектов на атомном уровне можно встретить в книге «Opticks» Исаака Ньютона, вышедшей в 1704 году. В книге Ньютон выражает надежду, что микроскопы будущего когда-нибудь смогут исследовать «тайны корпускул».
Впервые термин «нанотехнология» употребил Норио Танигути в 1974 году. Он назвал этим термином производство изделий размером несколько нанометров. В 1980-х годах этот термин использовал Эрик К. Дрекслер в своих книгах: «Машины создания: Грядущая эра нанотехнологии» («Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology») и «Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation».
На что способны нанотехнологии?
Вот только некоторые области, в которых нанотехнологии обещают прорыв:
Медицина
Наносенсоры обеспечат прогресс в ранней диагностике заболеваний. Это увеличит шансы на выздоровление. Мы сможем победить рак и другие болезни. Старые лекарства от рака уничтожали не только больные клетки, но и здоровые. С помощью нанотехнологий лекарство будет доставляться непосредственно в больную клетку.
ДНК‑нанотехнологии – используют специфические основы молекул ДНК и нуклеиновых кислот для создания на их основе четко заданных структур. Промышленный синтез молекул лекарств и фармакологических препаратов четко определенной формы (бис‑пептиды).
В начале 2000‑го года, благодаря быстрому прогрессу в технологии изготовления частиц наноразмеров, был дан толчок к развитию новой области нанотехнологии –наноплазмонике . Оказалось возможным передавать электромагнитное излучение вдоль цепочки металлических наночастиц с помощью возбуждения плазмонных колебаний.
Строительство
Нанодатчики строительных конструкций будут следить за их прочностью, обнаруживать любые угрозы целостности. Объекты, построенные с использованием нанотехнологий, смогут прослужить в пять раз дольше, чем современные сооружения. Дома будут подстраиваться под потребности жильцов, обеспечивая им прохладу летом и сохраняя тепло зимой.
Энергетика
Мы меньше будем зависеть от нефти и газа. У современных солнечных батарей КПД около 20%. С применением нанотехнологий он может вырасти в 2-3 раза. Тонкие нанопленки на крыше и стенах смогут обеспечить энергией весь дом (если, конечно, солнца будет достаточно).
Машиностроение
Всю громоздкую технику заменят роботы – легко управляемые устройства. Они смогут создавать любые механизмы на уровне атомов и молекул. Для производства машин будут использоваться новые наноматериалы, которые способны снижать трение, защищать детали от повреждений, экономить энергию. Это далеко не все сферы, в которых могут (и будут!) применяться нанотехнологии. Ученые считают, что появление нанотехнологий – начало новой Научно-технической революции, которая сильно изменит мир уже в ХХI веке. Стоит, правда, заметить, что в реальную практику нанотехнологии входят не очень быстро. Не так много устройств (в основном электроника) работает «с нано». Отчасти это объясняется высокой ценой нанотехнологий и не слишком высокой отдачей от нанотехнологической продукции.
Вероятно, уже в недалёком будущем с помощью нанотехнологий будут созданы высокотехнологичные, мобильные, легко управляемые устройства, которые успешно заменят пусть и автоматизированную, но сложную в управлении и громоздкую технику сегодняшнего дня. Так, например, со временем биороботы, управляемые посредством компьютера, смогут выполнять функции нынешних громоздких насосных станций.
- ДНК‑компьютер – вычислительная система, использующая вычислительные возможности молекул ДНК. Биомолекулярные вычисления – это собирательное название для различных техник, так или иначе связанных с ДНК или РНК. При ДНК‑вычислениях данные представляются не в форме нулей и единиц, а в виде молекулярной структуры, построенной на основе спирали ДНК. Роль программного обеспечения для чтения, копирования и управления данными выполняют особые ферменты.
- Атомно‑силовой микроскоп – сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения, основанный на взаимодействии иглы кантилевера (зонда) с поверхностью исследуемого образца. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), может исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности даже через слой жидкости, что позволяет работать с органическими молекулами (ДНК). Пространственное разрешение атомно‑силового микроскопа зависит от размера кантилевера и кривизны его острия. Разрешение достигает атомарного по горизонтали и существенно превышает его по вертикали.
- Антенна‑осциллятор – 9 февраля 2005 года в лаборатории Бостонского университета была получена антенна‑осциллятор размерами порядка 1 мкм. Это устройство насчитывает 5000 миллионов атомов и способно осциллировать с частотой 1,49 гигагерц, что позволяет передавать с ее помощью огромные объемы информации.
10 нанотехнологий с удивительным потенциалом
Попробуйте вспомнить какое-нибудь каноническое изобретение. Вероятно, кто-то сейчас представил себе колесо, кто-то самолет, а кто-то и «айпод». А многие ли из вас подумали об изобретении совсем нового поколения – нанотехнологиях? Этот мир малоизучен, но обладает невероятным потенциалом, способным подарить нам действительно фантастические вещи. Удивительная вещь: направление нанотехнологий не существовало до 1975 года, даже несмотря на то, что ученые начали работать в этой сфере гораздо раньше.
Невооруженный глаз человека способен распознать объекты размером до 0,1 миллиметра. Мы же сегодня поговорим о десяти изобретениях, которые в 100 000 раз меньше.
Электропроводимый жидкий металл
За счет электричества можно заставить простой сплав жидкого металла, состоящий из галлия, иридия и олова, образовывать сложные фигуры или же наматывать круги внутри чашки Петри. Можно с некоторой долей вероятности сказать, что это материал, из которого был создан знаменитый киборг серии T-1000, которого мы могли видеть «Терминаторе 2».
«Мягкий сплав ведет себя как умная форма, способная при необходимости самостоятельно деформироваться с учетом изменяющегося окружающего пространства, по которому он движется. Прямо как мог делать киборг из популярной научно-фантастической киноленты», – делится Джин Ли из университета Цинхуа, один из исследователей, занимавшихся данным проектом.
Этот металл биомиметический, то есть он имитирует биохимические реакции, хотя сам не является биологическим веществом.
Управлять этим металлом можно за счет электрических разрядов. Однако он и сам способен самостоятельно передвигаться, за счет появляющегося дисбаланса нагрузки, которое создается разностью в давлении между фронтальной и тыльной частью каждой капли этого металлического сплава. И хотя ученые считают, что этот процесс может являться ключом к конвертации химической энергии в механическую, молекулярный материал в ближайшем будущем не собираются использовать для строительства злых киборгов. Весь процесс «магии» может происходить только в растворе гидроксида натрия или соляном растворе.
Нанопластыри
Исследователи из Йоркского университета работают над созданием специальных пластырей, которые будут предназначаться для доставки всех необходимых лекарств внутрь организма без какого-либо использования иголок и шприцов. Пластыри вполне себе обычного размера приклеиваются к руке, доставляют определенную дозу наночастиц лекарственного средства (достаточно маленькие, чтобы проникнуть через волосяные фолликулы) внутрь вашего организма. Наночастицы (каждая размером менее 20 нанометров) сами найдут вредоносные клетки, убьют их и будут выведены из организма вместе с другими клетками в результате естественных процессов.
Ученые отмечают, что в будущем такие нанопластыри можно будет использовать при борьбе с одним из самых страшных заболеваний на Земле – раком. В отличие от химиотерапии, которая в таких случаях чаще всего является неотъемлемой частью лечения, нанопластыри смогут в индивидуальном порядке находить и уничтожать раковые клетки и оставлять при этом здоровые клетки нетронутыми. Проект нанопластыря получил название «NanJect». Его разработкой занимаются Атиф Сайед и Закария Хуссейн, которые в 2013 году, еще будучи студентами, получили необходимое спонсирование в рамках краудсорсинговой компании по привлечению средств.
Нанофильтр для воды
При использовании этой пленки в сочетании с тонкой сеткой из нержавеющей стали нефть отталкивается, и вода в этом месте становится первозданно чистой.
Что интересно, на создание нанопленки ученых вдохновила сама природа. Листья лотоса, также известного как водяная лилия, обладают свойствами, противоположными свойствам нанопленки: вместо нефти они отталкивают воду. Ученые уже не первый раз подглядывают у этих удивительных растений их не менее удивительные свойства. Результатом этого, например, стало создание супергидрофобных материалов в 2003 году. Что же касается нанопленки, исследователи стараются создать материал, имитирующий поверхность водяных лилий, и обогатить его молекулами специального очищающего средства. Само покрытие невидимо для человеческого глаза. Производство будет недорогим: примерно 1 доллар за квадратный фут.
Очиститель воздуха для подводных лодок
Вряд ли кто-то задумывался о том, каким воздухом приходится дышать экипажам подводных лодок, кроме самих членов экипажа. А между тем очистка воздуха от двуокиси углерода должна производиться немедленно, так как за одно плаванье через легкие команды подлодки одному и тому же воздуху приходится проходить сотни раз. Для очистки воздуха от углекислого газа используют амины, обладающие весьма неприятным запахом. Для решения этого вопроса была создана технология очистки, получившая название SAMMS (аббревиатура от Self-Assembled Monolayers on Mesoporous Supports). Она предлагает использование специальных наночастиц, помещенных внутрь керамических гранул. Вещество обладает пористой структурой, благодаря которой оно поглощает избыток углекислого газа. Различные типы очистки SAMMS взаимодействуют с различными молекулами в воздухе, воде и земле, однако все из этих вариантов очисток невероятно эффективны. Всего одной столовой ложки таких пористых керамических гранул хватит для очистки площади, равной одному футбольному полю.
Нанопроводники
Исследователи Северо-Западного университета (США) выяснили, как создать электрический проводник на наноуровне. Этот проводник представляет собой твердую и прочную наночастицу, которая может быть настроена на передачу электрического тока в различных противоположных направлениях. Исследование показывает, что каждая такая наночастица способна эмулировать работу «выпрямителя тока, переключателей и диодов». Каждая частица толщиной 5 нанометров покрыта положительно заряженным химическим веществом и окружена отрицательно заряженными атомами. Подача электрического разряда реконфигурирует отрицательно заряженные атомы вокруг наночастиц.
Потенциал у технологии, как сообщают ученые, небывалый. На ее основе можно создавать материалы, «способные самостоятельно изменяться под определенные компьютерные вычислительные задачи». Использование этого наноматериала позволит фактически «перепрограммировать» электронику будущего. Аппаратные обновления станут такими же легкими, как и программные.
Нанотехнологическое зарядное устройство
Когда эту штуку создадут, то вам больше не потребуется использовать никакие проводные зарядные устройства. Новая нанотехнология работает как губка, только впитывает не жидкость. Она высасывает из окружающей среды кинетическую энергию и направляет ее прямо в ваш смартфон. Основа технологии заключается в использовании пьезоэлектрического материала, который генерирует электричество, находясь в состоянии механического напряжения. Материал наделен наноскопическими порами, которые превращают его в гибкую губку.
Официальное название этого устройства – «наногенератор». Такие наногенераторы могут однажды стать частью каждого смартфона на планете или же частью приборной панели каждого автомобиля, а возможно, и частью каждого кармана одежды – гаджеты будут заряжаться прямо в нем. Кроме того, технология имеет потенциал использования на более масштабном уровне, например, в промышленном оборудовании. По крайней мере так считают исследователи из Висконсинского университета в Мадисоне, создавшие эту удивительную наногубку.
Искусственная сетчатка
Израильская компания Nano Retina разрабатывает интерфейс, который будет напрямую подключатся к нейронам глаза и передавать результат нейронного моделирования в мозг, заменяя сетчатку и возвращая людям зрение.
Эксперимент на слепой курице показал надежду на успешность проекта. Нанопленка позволила курице увидеть свет. Правда, до конечной стадии разработки искусственной сетчатки для возвращения людям зрения пока еще далеко, но наличие прогресса в этом направлении не может не радовать. Nano Retina – не единственная компания, которая занимается подобными разработками, однако именно их технология на данный момент видится наиболее перспективной, эффективной и адаптивной. Последний пункт наиболее важен, так как мы говорим о продукте, который будет интегрироваться в чьи-то глаза. Похожие разработки показали, что твердые материалы непригодны для использования в подобных целях.
Так как технология разрабатывается на нанотехнологическом уровне, она позволяет исключить использование металла и проводов, а также избежать низкого разрешения моделируемой картинки.
Светящаяся одежда
Шанхайские ученые разработали светоотражающие нити, которые можно использовать при производстве одежды. Основой каждой нити является очень тонкая проволока из нержавеющей стали, которую покрывают специальными наночастицами, слоем электролюминесцентного полимера, а также защитной оболочкой из прозрачных нанотрубок. В результате получаются очень легкие и гибкие нитки, способные светиться под воздействием своей собственной электрохимической энергии. При этом работают они на гораздо меньшей мощности, по сравнению с обычными светодиодами.
Недостаток технологии заключается в том, что «запаса света» у ниток хватает пока всего лишь на нескольких часов. Однако разработчики материла оптимистично считают, что смогут увеличить «ресурс» своего продукта как минимум в тысячу раз. Даже если у них все получится, решение другого недостатка пока остается под вопросом. Стирать одежду на основе таких нанониток, скорее всего, будет нельзя.
Наноиглы для восстановления внутренних органов
Нанопластыри, о которых мы говорили выше, разработаны специально для замены игл. А что, если сами иглы были бы размером всего несколько нанометров? В таком случае они могли бы изменить наше представление о хирургии, или по крайней мере существенно ее улучшить.
Совсем недавно ученые провели успешные лабораторные испытания на мышах. С помощью крошечных игл исследователи смогли ввести в организмы грызунов нуклеиновые кислоты, способствующие регенерации органов и нервных клеток и тем самым восстанавливающие утерянную работоспособность. Когда иглы выполняют свою функцию, они остаются в организме и через несколько дней полностью в нем разлагаются. При этом никаких побочных эффектов во время операций по восстановлению кровеносных сосудов мышц спины грызунов с использованием этих специальных наноигл ученые не обнаружили.
Если брать в расчет человеческие случаи, то такие наноиглы могут использоваться для доставки необходимых средств в организм человека, например, при трансплантации органов. Специальные вещества подготовят окружающие ткани вокруг трансплантируемого органа к быстрому восстановлению и исключат возможность отторжения.
Трехмерная химическая печать
Химик Иллинойского университета Мартин Берк – настоящий Вилли Вонка из мира химии. Используя коллекцию молекул «строительного материала» самого разного назначения, он может создавать огромное число различных химических веществ, наделенных всевозможными «удивительными и при этом естественными свойствами». Например, одним из таких веществ является ратанин, который можно найти только в очень редком перуанском цветке.
Потенциал синтезирования веществ настолько огромен, что позволит производить молекулы, использующиеся в медицине, при создании LED-диодов, ячеек солнечных батарей и тех химических элементов, на синтезирование которых даже у самых лучших химиков планеты уходили годы.
Возможности нынешнего прототипа трехмерного химического принтера пока ограничены. Он способен создавать только новые лекарственные средства. Однако Берк надеется, что однажды он сможет создать потребительскую версию своего удивительного устройства, которая будет обладать куда большими возможностями. Вполне возможно, что в будущем такие принтеры будут выступать в роли своеобразных домашних фармацевтов.
Представляет ли нанотехнология угрозу здоровью человека или окружающей среде?
Информации о негативном воздействии наночасттиц не так уж и много. В 2003 г. в одном из исследований было показано, что углеродные нанотрубки могут повреждать легкие у мышей и крыс. Исследование 2004 г. показало, что фуллерены могут накапливаться и вызывать повреждения мозга у рыб. Но в обоих исследованиях были использованы большие порции вещества при необычных условиях. По словам одного из экспертов, химика Кристена Кулиновски (США), «было бы целесообразно ограничить воздействие этих наночастиц, невзирая на то, что в настоящее время информация об их угрозе человеческому здоровью отсутствует».
Некоторые комментаторы высказываются также относительно того, что широкое использование нанотехнологий может привести к рискам социального и этического плана. Так, к примеру, если использование нанотехнологий инициирует новую промышленную революцию, то это приведет к потере рабочих мест. Более того, нанотехнологии могут изменить представление о человеке, поскольку их использование поможет продлевать жизнь и существенно повышать устойчивость организма. «Никто не может отрицать, что широкое распространение мобильных телефонов и интернета привело к огромным изменениям в обществе», – говорит Кристен Кулиновски. – Кто возьмет на себя смелость сказать, что нанотехнологии не окажут более сильного воздействия на общество в ближайшие годы?»
Место России среди стран, разрабатывающих и производящих нанотехнологии
Мировыми лидерами по общему объему капиталовложений в сфере нанотехнологий являются страны ЕС, Япония и США. В последнее время значительно увеличили инвестиции в эту отрасль Россия, Китай, Бразилия и Индия. В России объем финансирования в рамках программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008 – 2010 годы» составит 27,7 млрд.руб.
В последнем (2008 год) отчете лондонской исследовательской фирмы Cientifica, который называется «Отчет о перспективах нанотехнологій», о российских вложениях написано дословно следующее: «Хотя ЕС по уровню вложений все еще занимает первое место, Китай и Россия уже обогнали США».
В нанотехнологиях существуют такие области, где российские ученые стали первыми в мире, получив результаты, положившие начало развитию новых научных течений.
Среди них можно выделить получение ультрадисперсных наноматериалов, проектирование одноэлектронных приборов, а также работы в области атомно‑силовой и сканирующей зондовой микроскопии. Только на специальной выставке, проводившейся в рамках XII Петербургского экономического форума (2008 год), было представлено сразу 80 конкретных разработок. В России уже производится целый ряд нанопродуктов, востребованных на рынке: наномембраны, нанопорошки, нанотрубки. Однако, по мнению экспертов, по комммерциализации нанотехнологических разработок Россия отстает от США и других развитых стран на десять лет.
Нанотехнологии в искусстве
Ряд произведений американской художницы Наташи Вита-Мор касается нанотехнологической тематики.
В современном искусстве возникло новое направление «наноарт» (наноискусство) – вид искусства, связанный с созданием художником скульптур (композиций) микро- и нано-размеров (10 −6 и 10 −9 м, соответственно) под действием химических или физических процессов обработки материалов, фотографированием полученных нано-образов с помощью электронного микроскопа и обработкой черно-белых фотографий в графическом редакторе.
В широко известном произведении русского писателя Н. Лескова «Левша» (1881 год) есть любопытный фрагмент: «Если бы, – говорит, – был лучше мелкоскоп, который в пять миллионов увеличивает, так вы изволили бы, – говорит, – увидать, что на каждой подковинке мастерово имя выставлено: какой русский мастер ту подковку делал». Увеличение в 5 000 000 раз обеспечивают современные электронные и атомно-силовые микроскопы, считающиеся основными инструментами нанотехнологий. Таким образом, литературного героя Левшу можно считать первым в истории «нанотехнологом».
Изложенные Фейнманом в лекции 1959 г. «Там внизу много места» идеи о способах создания и применения наноманипуляторов совпадают практически текстуально с фантастическим рассказом известного советского писателя Бориса Житкова «Микроруки», опубликованным в 1931 году. Некоторые отрицательные последствия неконтролируемого развития нанотехнологий описаны в произведениях М. Крайтона («Рой»), С. Лема («Осмотр на месте» и «Мир на Земле»), С. Лукьяненко («Нечего делить»).
Главный герой романа «Трансчеловек» Ю. Никитина – руководитель нанотехнологической корпорации и первый человек, испытавший на себе действие медицинских нанороботов.
В научно-фантастических сериалах «Звёздные врата: SG-1» и «Звёздные врата: Атлантида» одними из самых технически развитых рас являются две расы «репликаторов», возникших в результате неудачных опытов с использованием и описанием различных вариантов применения нанотехнологий. В фильме «День, когда Земля остановилась» с Киану Ривзом в главной роли, инопланетная цивилизация выносит человечеству смертный приговор и чуть было не уничтожает всё на планете при помощи самовоспроизводящихся нанорепликантов-жуков, пожирающих всё на своём пути.
В перспективе нанотехнология может сыграть значительную роль в решении многих проблем, связанных с охраной окружающей среды. Речь идет, в первую очередь, об использовании наноустройств в системах исследования и контроля продуктов и отходов различных химических производств, о создании новых "чистых" технологий с минимальным выходом вредных отходов производства, а также о переработке мусора на свалках и очистке загрязненных водоемов. В дальнейшем предполагается осуществление непрерывного контроля и обработки обширных участков окружающей среды с целью их очистки от очень мелких частиц загрязняющих веществ, содержащихся в воде (размер < 300 нм) и в воздухе (< 20 нм).
Необходимо также учитывать, что наноструктурные материалы могут сами вызывать загрязнение окружающей среды, угрожающее здоровью человека. Загрязнение может быть связано как с существующей техникой (например, наночастицы в выхлопных газах дизельных двигателей), так и с новыми веществами или технологическими процессами. Во многих случаях нанотехнологии
представляют собой новые производственные процессы, и их потенциальная опасность для окружающей среды должна быть тщательно оценена.
Сложные физико-химические процессы с участием наноструктур играют существенную роль во многих явлениях, определяющих изоляцию, высвобождение, подвижность и биологическую доступность различных веществ (полезных и вредных) в окружающей среде. Микропроцессы, происходящие на границах раздела природных физических и биологических систем, определяют разные проблемы медицины и биологии. Изучение динамики процессов, специфичных для наноструктур в природных системах, позволит не только понять механизмы переноса и биологического усвоения веществ, но и использовать для улучшения экологической обстановки.
В атмосфере, геологических породах, водной среде и биологических системах присутствует большое количество разнообразных естественных наночастиц и наноструктурных веществ, однако их влияние на здоровье человека пока не изучалось систематически. В некоторых случаях (например, при использовании кварцевых и асбестовых волокон) было обнаружено вредное воздействие наночастиц, в других — потенциальные опасности кажутся незначительными. Кроме того, следует учитывать, что аэрозоли из наноразмерных частиц постоянно участвуют в разнообразных атмосферных физико-химических процессах.
Нанотехнологии
уже оказали значительное влияние на многие производства, связанные с окружающей средой и энергетикой. Некоторые примеры таких технологий приводятся ниже.
Сокращение отходов производства и повышение энергетического к.п.д.
Наиболее заметные успехи достигнуты в разработке новых методов катализа, где использование наноразмерных реагентов во многих случаях позволило резко повысить эффективность каталитических реакций (скорость, выход) как в гомогенных, так и гетерогенных системах. Использование наноразмерных материалов (например, аэрогеля или ксерогеля V205) в катодах литиевых аккумуляторов значительно повышает их емкость, срок службы и скорость зарядки/разряда.
Экологически безопасные композитные материалы
Совместимость композиционных материалов с наномасштабными инородными включениями открывает возможность производить высококачественные материалы специального назначения (например, для систем фильтрования). На основе таких композитов можно создавать системы, отличающиеся повышенной стойкостью к воздействию окружения, длительным сроком службы, низкой стоимостью обслуживания и ремонта, малым воздействием на окружающую среду. На их базе можно производить легкие и небольшие конструкции и устройства, характеризующиеся низким энергопотреблением. Композиционные наноматериалы отличаются большим структурным разнообразием и могут быть как очень простыми (сталь с включениями из оксидов или нитридов), так и очень сложными (гетерогенные композиты, обладающие заранее заданной, высокофункциональной структурой).
Переработка отходов
Наноструктурные материалы находят все возрастающее применение в процессах переработки и обезвреживания отходов, от окисления органических загрязнителей с помощью частиц ТЮг до связывания атомов тяжелых металлов наномасштабными поглотителями. Во многих случаях в качестве агентов окисления могут использоваться активированные облучением частицы (в растворах или аэрозолях). Недавно было обнаружено, что наноразмерные частицы ТЮг, подвергнутые УФ-облучению, могут очищать воздух от различных загрязнителей, включая опасные органические соединения, клетки, вирусы и ядовитые химикаты. Наноразмерные частицы, после соответствующей химической обработки их поверхности (образования производных соединений) лигандами или реагентами, могут эффективно связывать атомы тяжелых металлов или пассивировать загрязненные поверхности. Кроме того, предполагается, что нанотехнологии
позволят так организовать химические производственные процессы, что в ходе их будет образовываться меньше отходов. В химии поверхностных явлений проводится изучение материалов со специально сконструированными наноструктурными поверхностями, которые обеспечат проведение требуемых реакций с образованием минимального количества отходов.
Преобразование энергии
Процессы, связанные с получением энергии (включая как непосредственное производство электрической энергии, так и добычу топлива, подлежащего транспортировке), наносят непоправимый вред окружающей среде. Наносистемы могут составить основу энергетических производств на возобновляемых источниках энергии, при функционировании которых образуется гораздо меньше вредных отходов. Примером может служить упомянутое выше использование наноразмерных или мезоразмерных материалов в электродах аккумуляторов или топливных элементах для транспортных средств.
В наше безумное время, когда человека отовсюду окружают современные технологии, когда с каждым днем всё больше совершенствуются технологии, а мы не успеваем следить за их новинками, вообще не представляем жизнь без них, стало появляться новое, часто звучащее на слуху, направление «нанотехнология». Что же такое нанотехнология? Чтобы в этом разобраться я провел небольшой опрос среди знакомых и друзей, что же они знают о нанотехнологиях:
25% ответили, что не знают;
65% ответили, что их применяют в компьютерах;
10% - что в военной промышленности.
Цель моей работы рассказать, что могут дать нанотехнологии людям и конкретно: как они могут быть использованы в моей будущей профессий. Мною был проведен обобщающий анализ статей, выступлений, теоретического материала в области нанотехнологий. Данная тема заинтересовала меня своими перспективами, которые открываются для человечества способностью вывести жизнь на абсолютно новый уровень.
Так что же такое нанотехнологии? Разберем само слово «нано» - это переход от микро к нано, «нано - это наименьшая часть микро», или 1нм = 10-9 м.
В наше время мы уже давно сталкиваемся с нанотехнологиями. Возьмем первый компьютер, который занимал целый спортзал, или современный сотовый телефон и сравним их возможности, так же уже давно знакомые нам CD диски производятся с применением нанотехнологий.
Нанотехнология – без сомнения самое передовое и многообещающее направление развития науки и техники на сегодняшний день. В настоящее время нанотехнологии развиваются в разных направлениях.
Медицина. Создаются и уже созданы «молекулярные роботы-врачи», которые внедряются вовнутрь человека, устраняют или предотвращают как бы из нутрии, возникающие заболевания. Так же это позволит доносить организму те вещества, которые ему надо, они смогут восстанавливать поврежденные ткани.
Промышленность. Замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул.
Сельское хозяйство. Мы сможем заменять природных производителей пищи (растения, животных) аналогичными компонентами из молекул роботов, они будут воспроизводить те же химические процессы, что в нашем организме
Биология. Уже стало возможно внедрять в живые организмы наноэлементы, что позволит восстанавливать вымершие виды животных, даже создавать новые.
Экология. Внедрение нанотехнологий позволит устранить вредное влияние деятельности человека на окружающую среду. Это возможно с помощью роботов санитаров, которые превращают отходы в исходное сырье, что позволит перейти на безотходное производство.
Космос. Нанотехнологии позволят быстрому и лучшему освоению космоса. С помощью нанотехнологий станет возможным создать огромную армию нанороботов, и они смогут подготовить ближайшие планеты к проживанию на них людей.
Кибернетика. Уже происходит переход рабочей системы микросхем к уменьшению в размерах до величины белковой молекулы, что позволит увеличить в себе объем памяти от байта к терабайтам.
Основные этапы в развитии нанотехнологии.
Что такое нанотехногии мы уже разобрались. Давайте же узнаем, как давно они существуют. Рассмотрим основные этапы развития нанотехнологий.
1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.
1959 г. Лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман в своей лекции «Полно игрушек на полу комнаты» высказал мысль, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все, что угодно.
1981 г. Создание Бинигом и Рорером сканирующего туннельного микроскопа - прибора, позволяющего осуществлять воздействие на вещество на атомарном уровне.
1982-85 гг. Достижение атомарного разрешения.
1986 г. Создание атомно-силового микроскопа, позволяющего, в отличие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодействие с любыми материалами, а не только с проводящими.
1990 г. Манипуляции единичными атомами.
1994 г. Начало применения нанотехнологических методов в промышленности.
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. СМИ назвали нанотехнологии "прорывом года" (Science) и "новой многообещающей идеей" (Forbes).
Ныне по отношению к нанотехнологиям периодически употребляют выражение "новая промышленная революция".
Электронные элементы на основе нанотехнологий
Новые потенциальные технологические возможности нанотехнологии открыли новые типы транзисторов и электронных функциональных устройств, выполняющих соответствующие радиотехнические функции за счет особенности взаимодействия электронов с наноструктурами. К транзисторам новых типов относятся одноэлектронные транзисторы. Достоинством транзистора данного типа и функциональных приборов на его основе является исключительно низкое энергопотребление. К сравнительным недостаткам - наивысшие по трудности реализации требования создания нанометровых областей наименьших размеров, позволяющих осуществить работу данных устройств при комнатной температуре. К достоинствам транзисторов данного типа следует отнести сверхвысокое быстродействие, достигающее терагерцового диапазона, а к недостаткам - наивысшие требования к однородности материалов.
Так же было разработано новое семейство цифровых переключающих приборов на атомных и молекулярных шнурах. На этой основе разработаны логические элементы. Размер такой структуры ~ 10 нм, а рабочая частота ~ 1012 Гц. По своим размерам современные транзисторы могут быть всего в несколько раз больше молекулы. Однако даже эти компоненты намного больше, чем новое поколение наноэлементов, в которых вместо кремния будут использоваться органические соединения и углеродные нанотрубки. Нанотехнологии позволят не только уменьшить размеры микросхем, но и увеличить количество транзисторов в них, что значительно повысит производительность.
Электроника на нанотрубках.
Размеры углеродных нанотрубок сопоставимы с размерами молекул. Средний диаметр однослойной углеродной нанотрубки составляет около 1 нанометра. Если же удастся «заставить» одну нанотрубку хранить один бит информации, то память на их основе будет хранить колоссальные объемы информации, ведь современные ячейки flash-памяти, хранящие один бит информации, имеют размеры от 50 до 90 нанометров.
Квантовая электроника.
Так же удалось перенести старую технологию механоэлектрических выключателей на квантовый уровень. Создан миниатюрный механический выключатель, подобный тем,
7 которые по сей день используется во многих бытовых приборах. Принцип работы выключателя прост - при подаче напряжения на устройство, между двумя нанопроводниками возникает или распадается мостик из серебра, который выполняет роль проводника. Длина мостика, по которому протекает ток - всего 1 нанометр. На отрезке длиной 1 нанометр можно расположить 10 атомов водорода. Одной из перспективнейших отраслей применения нанотехнологий является компьютерная техника. Несмотря на значительную миниатюризацию и оптимизацию современных устройств, имеющихся на рынке, нанотехнологии смогут совершить в этой сфере настоящую революцию. В этом случае размеры действующих элементов микропроцессоров и устройств памяти приближаются к квантовым пределам, то есть границам мельчайших единиц материи и энергии - когда работает один электрон, один спин, квант магнитного потока, энергии и т. д. Это сулит быстродействие порядка ТГц (~1012 операций в секунду), плотность записи информации ~103 Тбит/см2, что намного порядков выше, чем достигнутые сегодня, а энергопотребление - на несколько порядков ниже. При такой плотности записи в жестком диске - размерами с наручные часы - можно было бы разместить громадную библиотеку национального масштаба или фотографии, отпечатки пальцев, медицинские карты и биографии всех жителей Земли.
Солнечные батареи.
Солнечную батарею толщиной в бумажный лист, которую можно гнуть и сворачивать, батарея в виде пленки имеет толщину от 1 до 3 микрометров - то есть, от одной до трех тысячных миллиметра. Это меньше современных аналогов примерно в сто раз. Слоями солнечных батарей планируется покрывать мобильные телефоны, автомобили и даже специальную одежду. Пленка площадью в две визитные карточки весит всего один грамм и обладает мощностью в 2,6 ватт, этого уже достаточно, чтобы обеспечить электропитанием велосипедный фонарь.
Батарейки и аккумуляторы.
Создана батарея, которая заряжается примерно в 60 раз быстрее обычной. За одну минуту её можно заправить на 80%, а полная ёмкость аккумулятора в 600 миллиампер-часов заполняется через несколько минут.
Технологическое машиностроение (на примере автомобильной промышленности).
Нанотехнологии открыли целый ряд выгод от широкомасштабного внедрения в массовое производство автомобилей. Так буквально каждый узел или компонент в конструкции автомобиля может быть в значительной степени усовершенствован.
Уже существуют легко очищающиеся и водоотталкивающие покрытия для материалов, основанные на использовании диоксида кремния
В форме наночастиц это вещество приобретает новые свойства, в частности, высокую поверхностную энергию, что и позволяет частицам SiO2 при высыхании коллоидного раствора прочно присоединяться к различным поверхностям, в первую очередь к родственному им по составу стеклу, образуя, тем самым, сплошной слой наноразмерных выступов.
Покрытие из наночастиц кремнезема делает обработанную поверхность гидрофобный - на поверхности с плёнкой из SiO2 капля воды касается субстрата лишь немногими точками, что во много раз уменьшает Ван-дер-ваальсовые силы и позволяет силам поверхностного натяжения жидкости сжать каплю в шарик, который легко скатывается по наклоненному стеклу, унося с собой накопившуюся грязь.
В силу наноразмерной толщины, такие покрытия совершенно невидимы, а благодаря биоинертности кремнезема - безвредны для человека и окружающей среды. Они устойчивы к ультрафиолету и выдерживают температуры до 400 °C, а действие водоотталкивающего эффекта длится в течение 4 месяцев.
Что касается в прямом понимании самоочищающихся поверхностей, то такая технология основана на использовании диоксида титана. Принцип действия материала с таким покрытием заключается в следующем: при попадании ультрафиолетового излучения на нанопокрытие из TiO2 происходит фотокаталитическая реакция. В ходе этой реакции испускаются отрицательно заряженные частицы - электроны, а на их месте остаются положительно заряженные ионы. Благодаря появлению комбинации плюсов и минусов на поверхности, покрытой катализатором, содержащиеся в воздухе молекулы воды превращаются в сильные окислители - радикалы гидроокиси (HO ), которые в свою очередь окисляют и расщепляют грязь, а также нейтрализуют различные запахи и убивают микроорганизмы.
Кроме покрытий для стёкол также разработаны и выпускаются составы с аналогичным действием для тканей, металла, пластика, керамики - и все они имеют потенциал для применения в автомобильной промышленности. Так же созданы самоочищающихся покрытия на основе нанопорошков, прозрачных лаков, изготовленных с использованием нанотехнологий. Новое лакокрасочное покрытие защищает кузов от царапин в три раза эффективнее, чем обычный лак
По результатам испытаний оказалось, что покрытые лаком нового типа машины сохраняют блеск на 40% сильнее, чем покрашенные обычной краской.
Новое лаковое покрытие не только защищает кузов от механических повреждений, но еще и полностью отвечает экологическим требованиям.
В настоящее время с использованием нанотехнологических подходов уже производятся высокоэффективные антифрикционные и противоизносные покрытия для автотранспорта. Состав предназначен для обработки механических деталей, испытывающих трение - двигатели, трансмиссия.
При применении состав позволяет создавать модифицированный высокоуглеродистый железосиликатный защитный слой (МВЗС) толщиной 0,1-1,5 мм в областях интенсивного трения металлических поверхностей, что дает возможность избирательной компенсации износа мест трения и контакта деталей за счет образования в этих местах нового модифицированного поверхностного слоя. Его использование позволяет увеличивать ресурс работы узлов и деталей в 2-3 раза; на 70-80% снижает токсичность выхлопа автомобиля без применения каких-либо других мер; за счет замены плановых ремонтов предупредительной обработкой снижаются вибрации и шум.
В аэрокосмической промышленности уже широко применяется семейство наноструктурированных аэрогелей. Так кремниевый аэрогель - лучший в мире твердый теплоизолятор, когда-либо обнаруженный или полученный. Для промышленности он представляет интерес, так как обладает высокой термической изоляцией - до 800° С (2,5-сантиметровый лист из силиконового аэрогеля надежно защищает руку человека от огня паяльной лампы) и акустической изоляцией - скорость звука при прохождении через аэрогель составляет лишь 100 м/сек. Развитие нанотехнологии позволит снизить себестоимость производства аэрогелей и сделает этот вид материалов доступным для применения в различных отраслях промышленности, в том числе автомобильной.
Большие перспективы имеются в улучшении электронных компонентов автомобиля: с помощью нанотехнологий позволяют объединять в одной микросхеме элементы, обеспечивающие как механическое перемещение физических частей, так и электронов в электрической схеме, которые уже широко используются в качестве сенсоров автомобильных подушек безопасности.
Вращающиеся акселерометры также используются для расширения возможностей антиблокировочных систем автомобиля (ABS). Кроме того, в автомобилях они находят применение в датчиках продольных и поперечных ускорений, датчиках крена и т. д. Определяя положение кузова, они служат источником информации для работы различных электронных систем стабилизации и контроля курсовой устойчивости. Также представляют интерес для
10 создания датчиков давления, температуры. В дорогих автомобилях количество датчиков и сенсоров АВS может составлять до нескольких десятков штук. Кроме измерения ускорений и детектирования перемещений, используется в системах GPS-навигации.
В результате эволюции происходит уменьшение до нано размеров механических компонентов систем, снижается их масса, при этом увеличивается их резонансная частота и уменьшаются константы взаимодействия, что сказывается на значительном повышении функциональности данного рода устройств. Точность измерения перемещения у лучших образцов таких устройств составляет 10 нанометров.
Также наиболее перспективными являются углеродные нанотрубки. Они обладают самым широким набором уникальных свойств, делающих их чрезвычайно перспективными для машиностроения.
Углеродные нанотрубки (УНТ) уже находят применение в конструкции современных автомобилей. Например, пластиковые бамперы и дверные панели автомобилей. Помимо повышения прочности и снижения массы, пластик со смолой из УНТ становится электропроводным, и его можно покрывать теми же красками с электрическим нанесением, что и металлические детали.
Практически всё, что обещает нам сегодня нанотехнология, можно ощутить благодаря смежным технологическим разработкам. Можно пожить в интеллектуальной техносреде – уже разработаны целые интеллектуальные дома, набитые умной техникой, включая пресловутый холодильник с доступом в интернет. Микроробототехникой занимается множество лабораторий по всему миру. Медицина – биоимплантаты, вживляемые в организм, несущие на борту от чипов с личной информацией до электронных органов. Нейропроцессоры и системы с параллельными алгоритмами. Они пусть медленно, но успешно работают. Конечно, эти разработки слишком велики по габаритам, чтобы сравниться с наноустройствами, однако уже сейчас мы можем оценить, как мы будем жить в будущем, причём не слишком отдалённом.
Возможности нанотехнологий поражают воображение, мощь – вселяет страх. Видимо будущее развитие технологии будет основываться на балансе между созиданием и разрушением. Я думаю, обязательно появятся военные и, более того, подпольно-хакерские, применения. Но и многообразие мирных задач, поставленных перед нанотехнологией сегодня, не даст покоя учёным. Нанотехнология в корне изменит нашу жизнь. Появятся новые возможности, идеи, вопросы и ответы.
Нанороботы в будущем создадут интеллектуальную среду обитания. Буквально все пространство будет пронизано ими, они, связываясь между собой, создадут глобальную сеть, с которой можно будет взаимодействовать без всяких терминалов. Благодаря огромному количеству этих роботов, сеть будет «распаралелленной», что позволит передавать информацию с невообразимой сегодня скоростью.
Мы используем достижения новой технологии сегодня и уже не можем отказаться от них. Нам уже сложно помыслить даже день без компакт-дисков, а также всего того, что мы не видим. Это то, что упрятано в корпуса машин, систем безопасности, контроля окружающей среды. Датчики на основе наноэлементов используются уже далеко не первый год.
Подводя итог своей работы, я бы хотел заметить, что нанотехнологии незаметно входят в нашу жизнь - хотим мы этого или нет. Я считаю, что нанотехнологии в моей будущей профессии дадут большое развитие, облегчат работу и повысят производительность. Произойдет переход от большого громоздкого оборудования, к его уменьшению, это облегчит его обслуживание и продлит работоспособность. Я считаю, что нанотехнологии, как и все новое в нашей жизни, делается для того, чтобы облегчить и улучшить жизнь человечества.
В ходе конференции посвященной проблемам биобезопасности нанотехнологии ученые предложили правительству принять определенный регламент по контролю за продуктами наноиндустрии.
Правительства многих стран в наше время организуют специальные конференции и выделяют значительные суммы на изучение влияния нанотехнологии на окружающую среду.
Одним из вопросов, которым задаются как ученые, так и обыватели, в особенности жители мегаполисов, является воздух, который мы вдыхаем. Ни для кого не секрет, что наличие гигантского количества заболеваний хроническим бронхитом и астмой, включая врожденные случаи данной болезни, объясняются токсическими и загрязненными выбросами в атмосферу промышленных предприятий и бытовых устройств.
В данной связи ученые проводят исследование поведения наночастиц в атмосфере и последствия их вдыхания человеком. В результате опытов над лабораторными грызунами была выявлена высокая чувствительность клеток эпителия дыхательной системы к наночастицам, которые накапливались в носовых путях подопытных животных, вызывая риниты и другие, более тяжелые заболевания.
Не меньшее внимание привлекает проблема влияния наноматериалов на окружающую среду. Так было проведено исследование о риске для окружающей среды пяти основных типов наноматериалов, включая нанотрубки, квантовые точки и бакиболы. Исследователи определяли различные типы рисков загрязнения для разных технологических операций, включая производство лекарств, очистку нефти. На основании полученых данных профессор по охране окружающей среды делает в статье вывод, что создание наноматериалов представляет меньший риск, чем текущие индустриальные процессы.
Наночастицы, попадающие в почву не причинят экосистеме никакого заметного вреда. Был проведен ряд опытов, в которых фуллерены помещали в различные виду почв и затем исследовали их поведение и их влияние на микроорганизмы и минеральные вещества. Фуллерены представляют собой каркасные сферические многогранники, составленные из правильных пяти- и шестиугольников с атомами углерода в вершинах. Существенные изменения могли бы стать фатальными для элементов пищевых цепочек растений. Однако результаты наблюдений показали, что никакой негативной динамики не производит: микроорганизмы живут и здравствуют, баланс веществ не затронут.
Нанотехнологии, безусловно, способствуют техническому прогрессу человечества - ученые регулярно рапортуют о новых успехах, способных изменить жизнь и быт людей к лучшему. Разработанные с использованием нанотехнологий наночастицы могут помочь в лечении раковых заболеваний, Однако некоторые наночастицы, напротив, могут вызывать рак в организме человека. Наночастицы из диоксида титана (TiO2), которые сейчас встречаются во множестве продуктов, накапливаются в организме и приводят к системным генетическим повреждениям. Наночастицы из диоксида титана (TiO2) приводят к разрыву одно- и двухцепочечных ДНК, а также приводят к повреждению хромосом.
Попадая в организм титановые наночастицы накапливаются в различных органах, поскольку в организме нет механизмов их выведения. Вследствие своих малых размеров они легко проникают в клетки и начинают влиять на их элементы.
Масштабы использования наночастиц в производстве косметики растут с каждым годом, и, как считают производители, в этом нет ничего дурного. Иной позиции придерживаются некоторые экологи. Использование наночастиц в косметике не менее вредно, чем добавки мышьяка и свинца, полагают австралийские представители международной экологической организации «Друзья Земли». Во всех выбранных наугад тестовых группах продуктов, исследователи обнаружили наночастицы.
Нанотехнологии применяются в косметике куда шире, чем полагают потребители. Помимо наличия наночастиц, семьдесят процентов протестированных продуктов содержит химические усилители, которые облегчают проникновение наночастиц через кожу в кровь. Не избежали обвинений многие популярные производители и марки косметики. Наночастицы нашли в продуктах Клиник, Лаком, Л"Ореаль, Макс Фактор, Ревлон, Ив Сан Лоран, при том, что в составе они не были указаны. А вот производитель косметики Кристиан Диор не только включил наночастицы в состав продукции, но и указал их в списке ингредиентов.
Результаты исследования явно указывают на опастность новой косметики. В 2009 году в Евросоюзе был введен закон, согласно которому все кремы от загара, содержащие наноматериалы и наночастицы, должны пройти тестирование до 2012 года.
Этот случай - далеко не первый, когда экологи и ученые поднимают вопрос опасности, которую могут представлять современные нанотехнологии. В частности, некоторые ученые полагают, что появление наночастиц в атмосфере в промышленных масштабах может изменить климат Земли, а также предупреждают об опасности употребления пищи, созданной с использованием нанотехнологий
Американские ученые обнаружили в атмосфере Земли значительное количество наночастиц, которое продолжает увеличиваться. По их мнению, наночастицы, отражая солнечные лучи, могут серьезно изменить климат на планете, вызвав очередной Ледниковый период.
По последним наблюдениям американских ученых, в атмосфере нашей планеты уже находится значительное количество наночастиц, невидимых глазом, но могущих оказать влияние как на погодные процессы.
Количество наночастиц в разных частях света увеличивается, но почему это происходит остается загадкой. Ученые занимались вопросом того, как образуются наночастицы и каким образом происходит увеличение их количества, когда они вступают во взаимодействия с различными органическими испарениями.
Однако, им удалось выяснить, что некоторые виды органики быстро растут в атмосфере. Собираясь в больших количествах, они отражают солнечный свет назад в космос - своего рода обратный парниковый эффект. Кроме того, отмечают ученые, распространение наночастиц в воздухе может обострить такие заболевания, как астму, эмфизему и другие легочные заболевания.