1

Нанотехнологии в медицине и биологии. Направления и проблемы

Нанотехнологии в медицине и биологии. Основные направления развития нанобиотехнологии. Возможные проблемы и риски, связанные с использованием нанобиотехнологий.

1. Введение
2. История развития нанотехнологии
3. Основные направления нанотехнологии
4. Основные понятия
5. Наноматериалы
6. Наночастицы
7. Получение наночастиц
7.1. Диспергационный метод
7.2. Конденсационный метод
7.3. Химический синтез
7.3.1. Реакции в дендримерах
7.3.2. Радиационно-химическое восстановление
7.3.3. Фотохимический синтез
7.3.4. Золь-гель метод
8. Достижения нанотехнологии
8.1. Микро- и нанокапсулы
8.2. Наноконтейнеры
8.3. Нанотехнологические сенсоры и анализаторы
8.4. Зондовые наномикроскопы
8.5. Наноманипуляторы
8.6. Микро- и наноустройства
8.7. Нанороботы
9. Применение нанотехнологии
10. Терапия онкологии
11. Перспективы нанотехнологии
12. Отрицательные стороны нанотехнологии
13. Развитие нанотехнологии в странах
14. Заключение
15. Список использованной литературы

1. Нанотехнологии. ВВЕДЕНИЕ.

Человечество во все времена стремилось улучшить условия своего существования. Для этого в первобытном обществе люди использовали различные орудия труда, несколько позже они приручили диких животных, которые стали приносить пользу человеческому сообществу. Шли годы, менялся мир, менялись люди и их потребности. Теперь большинство из нас уже не может представить себе жизнь без современных благ цивилизации, достижений науки, техники, медицины. Следующим шагом в этом развитии станет освоение нанотехнологий, в частности, систем очень малого размера, способных выполнять команды людей.
Технический прогресс направлен в сторону разработки более мощных, быстрых, компактных и изящных машин. Пределом такого развития можно считать машины, размером с молекулу. Машина, построенная из ковалентно связанных атомов, чрезвычайно прочна, быстра и мала. Разработкой, созданием и управлением такими машинами занимается молекулярная нанотехнология. Эта отрасль открывает невиданные ранее, фантастические перспективы взаимодействия человека с миром.
Цель данной курсовой работы состоит в определение роли нанотехнологии в медицине и биологии, а также выявить ее положительные и отрицательные стороны.

2. Нанотехнологии. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ.

Нанотехнологии — это технологии работы с веществом на уровне отдельных атомов. Традиционные методы производства работают с порциями вещества, состоящими из миллиардов и более атомов. Это значит, что даже самые точные приборы, произведённые человеком до сих пор, на атомарном уровне выглядят как беспорядочная мешанина. Переход от манипуляции с веществом к манипуляции отдельными атомами — это качественный скачок, обеспечивающий беспрецедентную точность и эффективность.

Основные этапы в развитии нанотехнологии:

В 1959 году нобелевский лауреат Ричард Фейнман в своём выступлении предсказал, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все, что угодно.
1981 г. Долгое время ученые искали возможность перемещать атомы. Манипулирование атомами стало возможным после появления так называемого сканирующего электронного микроскопа с туннельным эффектом. Он мог перемещать отдельные атомы с помощью специальных электромагнитных полей.
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.
В 1992 году, выступая перед комиссией Конгресса США, доктор Эрик Дрекслер нарисовал картину обозримого будущего, когда нанотехнологии преобразят наш мир. Будут ликвидированы голод, болезни, загрязнение окружающей среды и другие насущные проблемы, стоящие перед человечеством. Практически все, что необходимо для жизни и деятельности человека, может быть изготовлено молекулярными роботами непосредственно из атомов и молекул окружающей среды. Продукты питания — из почвы и воздуха, точно так же, как их производят растения; кремниевые микросхемы — из песка. Очевидно, что подобное производство будет куда более рентабельным и экологичным, чем нынешние промышленность и сельское хозяйство.
1994 г. Начало применения нанотехнологических методов в промышленности.
Нанотехнологии обычно делят на три направления:
изготовление электронных схем, элементы которых состоят из нескольких атомов
создание наномашин, то есть механизмов и роботов размером с молекулу
непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них чего угодно.
Часто употребляемое определение нанотехнологии как комплекса методов работы с объектами размером менее 100 нанометров недостаточно точно описывает как объект, так и отличие нанотехнологии от традиционных технологий и научных дисциплин. Объекты нанотехнологий, с одной стороны, могут иметь характеристические размеры указанного диапазона:

  • наночастицы, нанопорошки (объекты, у которых три характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм);
  • нанотрубки, нановолокна (объекты, у которых два характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм);
  • наноплёнки (объекты, у которых один характеристический размер находится в диапазоне до 100 нм).

3. Нанотехнологии. Основными направлениями нанобиотехнологий в настоящее время рассматриваются:

  • решение фундаментальных биологических задач, нерешенных с помощью традиционных цитологических и цитохимических методик (моделирование биологических процессов, анализ поведения биомолекул и атомно-молекулярных кластеров живых клеток, мониторинг состояния процессов жизнедеятельности отдельных клеток);
  • изучение взаимодействия наночастиц с молекулами ДНК с целью разработки новых методов генной инженерии;
  • изучение механизмов транспорта биомакромолекул (белковые, липидные молекулы, нуклеиновые кислоты) и веществ (включая лекарственные средства) с применением наночастиц через мембраны и создание нанотехнологий направленной доставки лекарств к клеткам-мишеням или органам;
  • разработка и создание биосенсорных систем (индикаторные и диагностические тест-системы для биологии и медицины) на основе комплексов наномаркерных биомолекул для выявления определенного вещества в окружающей среде или организме человека, а также для определения нуклеотидных последовательностей с целью обнаружения мутаций;
  • изучение возможностей применения наночастиц как новых наноматериалов медицинского назначения: энтеросорбенты для выведения из организма или удаления с его поверхности нежелательных и токсичных соединений (продукты метаболизма, тяжелые металлы, радионуклиды, ксенобиотики);
  • создание новых высокочувствительных и удобных в применении систем для диагностики и эффективного лечения заболеваний на самых ранних стадиях развития;
  • разработка и создание на основе нанобиочастиц нанотехнологий и новых наноматериалов для выделения белков, их модификации и последующего производства белковых препаратов;
  • разработка самореплицирующихся систем на основе биоаналогов – бактерий, вирусов, простейших животных;
  • изучение влияния наночастиц на сложноорганизованные биологические системы, включая организмы животных и человека;
  • разработка на основе нанобиотехнологий лекарственных препаратов нового поколения;
    создание биологически совместимых (неотторгаемых организмом) медицинских материалов;
  • разработка нанороботов, не провоцирующих иммунные реакции и способных устранять возникающие в органах очаги поражения.

4. Нанотехнологии. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ.

Нанотехнология — междисциплинарная 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 атомарной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

«Нанотехнология» – совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, хотя бы в одном измерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба;

«наносистемная техника» – созданные полностью или частично на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям;

«наноиндустрия» – вид деятельности по созданию продукции на основе нанотехнологий, наноматериалов и наносистемной техники.

«нанобактерии» — круглые либо овальные органо-минеральные структуры размером от 30 до 200 нм, способные к самостоятельному размножению.

«наноматериал» – материал, содержащий структурные элементы, геометрические размеры которых, хотя бы в одном измерении, не превышают 100 нм, и, благодаря этому, обладающий качественно новыми свойствами, в том числе заданными функциональными и эксплуатационными характеристиками;

5. Нанотехнологии. НАНОМАТЕРИАЛЫ.

Материалы, разработанные на основе наночастиц с уникальными характеристиками, вытекающими из микроскопических размеров их составляющих.

Углеродные нанотрубки – протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и заканчиваются обычно полусферической головкой.

Фуллерены – молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода (другие — алмаз, карбин и графит) и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода.

Графен – монослой атомов углерода, полученный в октябре 2004 года в Манчестерском университете. Графен можно использовать, как детектор молекул (NO2), позволяющий детектировать приход и уход единичных молекул.

Наноаккумуляторы – в начале 2005 года компания Altair Nanotechnologies (США) объявила о создании инновационного нанотехнологического материала для электродов литий-ионных аккумуляторов. Аккумуляторы с Li4Ti5O12 электродами имеют время зарядки 10-15 минут. В феврале 2006 года компания начала производство аккумуляторов на своём заводе в Индиане. В марте 2006 Altairnano и компания Boshart Engineering заключили соглашение о совместном создании электромобиля. В мае 2006 успешно завершились испытания автомобильных наноаккумуляторов. В июле 2006 Altair Nanotechnologies получила первый заказ на поставку литий-ионных аккумуляторов для электромобилей.

6. Нанотехнологии. НАНОЧАСТИЦЫ.

Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы, размерами от 1 до 1000 нанометров обычно называют «наночастицами». При этом сами наночастицы следует понимать как системы, состоящие из еще более мелких единиц – кластеров – минимальных строительных “кирпичиков” вещества. Даже обыкновенная и всем известная вода состоит из кластеров. Размер кластера не превышает 10 нм.

Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи, хоть и обладают сравнительно низкой квантовой эффективностью, зато более дешевы и могут быть механически гибкими. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров — белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные, наночастицы могут самовыстраиваться в определенные структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства.

Проблема образования агломератов
Частицы размерами порядка нанометров или наночастицы, как их называют в научных кругах, имеют одно свойство, которое очень мешает их использованию. Они могут образовывать агломераты, то есть слипаться друг с другом. Одно из возможных решений — использование веществ — дисперсантов, таких как цитрат аммония (водный раствор), имидазолин, олеиновый спирт (нерастворимых в воде). Их можно добавлять в среду, содержащую наночастицы.

7. Нанотехнологии. ПОЛУЧЕНИЕ НАНОЧАСТИЦ.

В настоящее время разработано большое количество методов получения частиц различного размера. Принципиально все методы синтеза наночастиц, как физические так и химические, можно разделить на две большие группы:
диспергационные методы, или методы получения наночастиц путем измельчения обычного макрообразца;
конденсационные методы, или методы «выращивания» наночастиц из отдельных атомов.

7.1. Нанотехнологии. Диспергационные методы
При диспергационных методах исходные тела измельчают до наночастиц. Данный подход к получению наночастиц образно называется некоторыми учеными «подход сверху вниз». Это самый простой из всех способов создания наночастиц, своего рода «мясорубка» для макротел. Данный метод широко используется в производстве материалов для микроэлектроники, он заключается в уменьшении размеров объектов до нановеличин в пределах возможностей промышленного оборудования и используемого материала.
При диспергационном способе, в условиях достаточного поступления энергии (прежде всего механической), размер фрагментов, на которые распадается монокристалл, уменьшается. Пока приток механической энергии велик, большинство фрагментов имеют нанометровый размер и система остается в наносостоянии. Когда же «мясорубка» останавливается, нескомпенсированность поверхностных связей приводит к тому, что нанофрагменты начинают срастаться и укрупняться. Все это продолжается до тех пор, пока в системе не будет воссоздан исходный кристалл.
Чтобы предотвратить этот нежелательный эффект обратной кристаллизации, в систему вводится некоторый стабилизатор, который обычно представляет собой молекулярный раствор белков, полимеров или поверхностно активных веществ (ПАВ). На определенной стадии, когда размер кристалла выходит за рамки нанометровой области, стабилизатор вступает в действие: его молекулы облепляют растущую наночастицу со всех сторон, что препятствует ее дальнейшему росту. Регулируя состав и концентрацию стабилизатора, можно получать наночастицы любого диаметра.
Таким образом, большинство наносистем, получаемых диспергационными методами, нестабильны, и если не создать необходимых условий для их консервации, они будут стремиться вернуться в свое компактное состояние.
Как объяснить стабильность некоторых наночастиц? Ведь, несмотря на свои нанометровые размеры, они превосходно существуют и «поодиночке», отнюдь не стремясь объединяться с себе подобными.
Ввиду этой уникальной особенности, фуллерены, нанотрубки и некоторые другие наночастицы были названы «магическими», а числа входящих в них атомов – «магическими числами». Например, для щелочных металлов магические числа – 8, 20 и 40, для благородных металлов – 13, 55, 137 и 255, для углеродных кластеров – 60, 70, 90 и т.д.
Все атомы “магических” наночастиц крепко связаны между собой, что придает им необходимую стабильность.
Измельчать вещество в наночастицы можно не только механически, но и взрывая металлическую нить мощным импульсом тока.
Существуют и более экзотические способы получения наночастиц. Американские ученые в 2003 году собрали с листьев фигового дерева микроорганизмы Rhodococcus – и поместили их в золотосодержащий раствор. Бактерии действовали как химический восстановитель, собирая из ионов серебра аккуратные наночастицы диаметром около 10 нм. Строя наночастицы, бактерии чувствовали себя нормально и продолжали размножаться.

7.2. Нанотехнологии. Конденсационные методы
При конденсационных методах (“подход снизу вверх”) наночастицы получают путем объединения отдельных атомов. Метод заключается в том, что в контролируемых условиях происходит формирование ансамблей из атомов и ионов. В результате образуются новые объекты с новыми структурами и, соответственно, с новыми свойствами, которые можно программировать путем изменения условий формирования ансамблей. Этот подход облегчает решение проблемы миниатюризации объектов, приближает к решению ряда проблем литографии высокого разрешения, создания новых микропроцессоров, тонких полимерных пленок, новых полупроводников. Методом «снизу-вверх», манипулируя молекулами и атомами, можно создавать искусственные объекты (синтетические молекулы, кластеры, состоящие из сотен атомов), которых не существует в природе, и создавать из них блоки наноматериалов. В связи с этим изучение атомов и молекул проводят с точки зрения их функций.
Этот метод основан на феномене конденсации, с которым все хорошо знакомы. Конденсация (от лат. condensatio – уплотнение, сгущение) – это переход вещества из газообразного состояния в конденсированное (твердое или жидкое) вследствие его охлаждения. Если хорошенько подышать на стеклышко, оно запотеет. На самом деле это означает, что на нем образуется множество крошечных, не видимых глазу капелек воды. Если температура воздуха в помещении ниже температуры выдыхаемого нами пара, то при дальнейшем охлаждении микроскопические капельки будут собираться в более крупные и явные капли.
Примерно то же самое происходит и при конденсационном способе получения наночастиц. Исходные макротела сначала испаряют, после чего образующийся пар конденсируют до образования наночастиц нужного размера. В результате компактное вещество превращается в ультрадисперсное. Нечто похожее происходит и при восстановлении наночастиц из ионных растворов, только при этом используется не пар, а жидкость.
Во всех методах получения наночастиц требуется мощный приток энергии от внешнего источника, поскольку эти методы приводят к получению наночастиц в неравновесном метастабильном состоянии. Как только приток энергии прекращается, система стремится вернуться к равновесию. Почему это происходит?
Рассмотрим пример – монокристалл нагревают до плавления и последующего испарения. Затем образовавшийся пар резко охлаждают. По мере охлаждения зарождаются и укрупняются наночастицы. Они начинают упорядочиваться и объединяться в наноагрегаты. Если предоставить такую систему самой себе, то постепенно границы между наночастицами в агрегатах исчезают и они превращаются в микрокристаллы. При длительном выдерживании микрокристаллов в паре наиболее мелкие и дефектные из них испаряются, а более крупные и совершенные продолжают расти. И так до тех пор, пока в системе не воссоздастся исходный монокристалл.
В течение всего интервала времени от момента, когда в паре уже накопилось заметное количество наночастиц, до момента, когда большинство наночастиц достигнет размера 100 нм, система находится в наносостоянии. Затем она переходит в равновесие, появление наночастиц прекращается. И если не создать искусственные условия для их консервации, то возникшие частицы могут перейти в стадию компактного вещества.
В биохимическом, фотохимическом и радиационно химическом синтезе конденсация наночастиц происходит не из пара, а из раствора в специальных условиях, обеспечивающих защиту наночастиц от слипания и реакций с раствором.

7.3. Нанотехнологии. Химический синтез
7.3.1. Реакции в дендримерах
Для получения наночастиц металлов и их соединений используют мицеллы, эмульсии и дендримеры, которые можно рассматривать как своеобразные нанореакторы, позволяющие синтезировать частицы определенных размеров. Как исходные материалы в этом методе используют металлсодержащие соединения.
В качестве примера рассмотрим синтез на дендримерах.
Дендримеры представляют собой сильно разветвленные макромолекулы, включающие центральное ядро, промежуточные повторяющиеся единицы и концевые функциональные группы.
Дендримеры представляют новый тип макромолекул, сочетающих высокие молекулярные массы и низкую вязкость растворов с наличием объемной формы и пространственной структуры. Размеры дендримеров изменяются в пределах от 2 до 15 нм, и они являются естественными нанореакторами. Дендримеры с небольшим числом промежуточных звеньев существуют в «открытой форме», а с большим числом звеньев образуют сферические трехмерные структуры. Концевые группы дендримеров можно заменять гидроксильными, карбоксильными или углеводородными группами.
Использование дендримеров в качестве микрореактора рассмотрим на примере фотохимического восстановления ионов серебра. В данном методе используются дендримеры с концевыми амино- (-NH2) и карбоксилатными (-COO-) группами.

7.3.2. Нанотехнологии. Радиационно-химическое восстановление

Получение наночастиц металлов в условиях воздействия на химическую систему высоких энергий связано с образованием высокоактивных сильных восстановителей типа электронов, радикалов, возбужденных частиц.
Радиационно-химическое восстановление по сравнению с химическим имеет определенные преимущества. Оно отличается большей чистотой образуемых наночастиц, так как отсутствуют примеси, получающиеся при использовании химических восстановителей. Кроме того, при радиационно-химическом восстановлении возможен синтез наночастиц в твердых средах и при низких температурах.
Методом радиационно-химического восстановления (радиолиза) осуществлено получение активных частиц металлов в необычных степенях окисления. С гидратированным электроном е-(aq), имеющим высокий окислительно-восстановительный потенциал, процесс происходит по схеме:
Mn+ + e-(aq) → M(n-1)+.

При радиационно-химическом восстановлении вначале образуются атомы и малые кластеры металлов (например: Ag2+, Ag4+), которые затем превращаются в наночастицы. Для их стабилизации применяют добавки, аналогичные используемым при химическом восстановлении.
С использованием радиолиза разработаны и методы синтеза биметаллических и триметаллических наночастиц металлов со структурой ядро-оболочка. Наночастицы, состоящие из двух или большего числа разных металлов, представляют собой интерес для создания материалов с новыми свойствами.
Радиационным восстановлением растворов солей были получены наночастицы, включающие два и три металла. Например, частицы Au-Hg синтезировали в две стадии.

7.3.3. Нанотехнологии. Фотохимический синтез
Фотохимический синтез наносистем также связан с образованием высокоактивных сильных восстановителей типа электронов, радикалов, возбужденных частиц. Метод позволяет получить наночастицы, обладающие высокой чистотой, кроме того синтезировать их в твердых средах и при низких температурах. Фотохимическое восстановление в растворах наиболее часто применяют для синтеза частиц благородных металлов. При получении подобных частиц из соответствующих солей в качестве среды используют их растворы в воде, спирте и органических растворителях. В этих средах под воздействием света образуются активные частицы:
H2O → e-(aq) + H + OH.
Реагируя со спиртами, атом водорода и радикал гидроксил дают спиртовые радикалы:
H(OH) + (CH3)2CHOH → H2O(H2) + (CH3)2COH.
Сольватированный электрон (электрон, окруженный дипольными молекулами растворителя) взаимодействует, например, с ионом серебра и восстанавливает его до металла:
Ag+ + e-(aq) → Ago.
Под влиянием света в результате фотовосстановления не только осуществляются процессы получения наночастиц определенного размера, но и идет формирование более крупных агрегатов (образований). Механизм агрегации связан с возникновением под влиянием света частиц, имеющих заряды разных знаков.

7.3.4. Золь-гель метод
Относится к химическим методам получения наночастиц оксидов и сульфатов. При этом варианты этого метода могут быть самыми разнообразными, но в основе синтеза лежит процесс гидролитической поликонденсации, в результате которого образование геля (дисперсной системы, характеризующейся структурой, придающей механические свойства твердых тел) идет через стадию золя (коллоидного раствора наночастиц). Существуют две основные возможности получения золей с дальнейшим получением геля:
формирование из молекул, способных к полимеризации (поликонденсации) в результате гидролиза;
формирование из частиц, диспергированных (равномерно распределенных) в жидкой среде трехмерной сетки («частичные гели»). Эти частицы обычно получают из оксидов, производимых промышленностью, а также из алкооксидов осаждением при высоких рН (в щелочной среде).
Схематически процесс синтеза нанооксидов металлов можно представить реакциями:
M(OR)n + xH2O → M(OH)x(OR)n-x + xROH (гидролиз),
M(OH)x(OR)n-x → (m/2)MO + (2x-n)/2 · H2O + (n-x)ROH (конденсация),
где М – металл, R – алкильная группа.

Процесс катализирует изменение рН исходного раствора. Чем выше щелочность раствора, тем более разветвленные цепи молекул образуются. Заменяя алкоксиды металлов на соответствующие сульфиды M(SR)n и производя взаимодействие с сероводородом, можно получить наночастицы сульфидов металлов.
С использованием золь-гель метода могут быть получены материалы с различными функциональными свойствами в твердом агрегатном состоянии.

8. ДОСТИЖЕНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИИ.

8.1. Нанотехнологии. Микро- и нанокапсулы.
Для доставки лекарственных средств в нужное место организма могут быть использованы миниатюрные (~1 мк) капсулы с нанопорами. Уже испытываются подобные микрокапсулы для доставки и физиологически регулируемого выделения инсулина при диабете 1-го типа. Использование пор с размером порядка 6 нм позволяет защитить содержимое капсулы от воздействия иммунной системы организма. Это дает возможность помещать в капсулы инсулин-продуцирующие клетки животного, которые иначе были бы отторгнуты организмом.
Микроскопические капсулы сравнительно простой конструкции могут взять на себя также дублирование и расширение естественных возможностей организма. Примером такой концепции может послужить предложенный респироцит.

Респироциты
Респироцит представляет полую сферу, внутри которой находится сжатый кислород. Расчеты показывают, что сфера диаметром около 1 мк. с запасом по прочности способна выдержать давление кислорода более 1000 атм. Для сравнения, равновесное давление кислорода в гемоглобине крови составляет всего 0.5 атм., из которых доступно для выделения в ткани лишь 0.13 атм.
В простейшем случае суспензия респироцитов может быть инъецирована в кровеносную систему организма при нарушении нормального снабжения тканей кислородом. Расчеты показывают, что полная потребность организма в кислороде может быть обеспечена при вливании всего 0.5 мл взвеси респироцитов в минуту.
Более совершенный вариант респироцита может быть снабжен молекулярными насосами, способными запасать кислород в условиях его избытка и выделять его в условиях недостатка. Такие же респироциты могут переносить из тканей углекислый газ; либо один и тот же респироцит может попеременно заполняться то кислородом, то углекислым газом.

Клоттоциты
Клоттоциты представляют собой искусственный аналог тромбоцитов. По конструкции они напоминают респироцит, но внутри у него в свернутом состоянии находится волокнистая масса. При нарушении целостности тканей попавшие в зону ранения клоттоциты выбрасывают свое содержимое наружу. Волокна разворачиваются наподобие сети. Красные кровяные тельца попадают в эту сеть и кровотечение останавливается. Расчеты показывают, что при ране длиной 1 см и глубиной 3 мм кровопотеря составит ~ 6 мм3, что составляет всего 1/10 одной кровяной капли.

8.2. Наноконтейнеры
Мембранные нанобиотехнологии представляют интерес и для решения проблем регулируемого введения в организм лекарственных веществ. Обычный способ применения лекарств – инъекции или таблетки – резко увеличивает их концентрацию не только в больном, но и в здоровых органах, что часто вызывает в организме нежелательные побочные эффекты. В связи с этим заслуживают внимания лекарства, покрытые мембранным слоем. При этом скорость поступления лекарств в орган регулируется толщиной мембраны и остается всегда постоянной.
Многие лекарственные средства нового поколения доставляются к клеткам-мишеням с помощью особых наночастиц – липосом. Липосомы – это везикулы (пузырьки), образующиеся из фосфолипидов и предназначенные для направленного транспорта веществ. Мембрана липосом состоит не только из обычных фосфолипидов, но и особых липидов, способствующих слиянию с мембраной клетки-мишени и определяющих нетоксичность структуры. Внутри липосомы находится водный раствор и содержится лекарственное вещество или, например, молекула ДНК в случае генной терапии.
Вещество, заключенное в липосомы, защищено от воздействия ферментов, что увеличивает эффективность препаратов, подверженных разрушению в биологических жидкостях. Еще одно важное преимущество наночастиц как лекарственной формы – постепенное высвобождение заключенного в них лекарственного вещества, что увеличивает время его действия.
Размер липосом обычно больше диаметра пор капилляров, поэтому объем их распределения ограничивается участком введения. При внутривенном введении липосомы не выходят за пределы кровотока и плохо проникают в органы и ткани. С другой стороны, это же свойство может служить основой для направленной доставки химиотерапевтических препаратов в опухоли и крупные очаги воспаления. Капилляры, снабжающие кровью эти области, как правило, сильно перфорированы, поэтому липосомы легко проникают через расширенные поры и накапливаются в ткани. Это явление получило название пассивного нацеливания .
Основной недостаток липосом как лекарственной формы – относительная небольшая стабильность при хранении. Этого недостатка лишены полимерные наночастицы, имеющие практически те же области возможного применения. Но в отличие от липосом полимерные наночастицы состоят из менее безопасного материала.
Другим вариантом доставки веществ на основе биологических мембран являются так называемые наносомы, которые представляют собой мельчайшие сферы, состоящие из липидов. Однако, в отличие от липосом, они не имеют внутреннего водного резервуара и отделены от внешней водной среды монослойной липидной мембраной.

8.3. Нанотехнологии. Нанотехнологические сенсоры и анализаторы
Использование микро- и нанотехнологий позволяет многократно повысить возможности по обнаружению и анализу сверхмалых количеств различных веществ. Одним из вариантов такого рода устройства является “лаборатория на чипе”. Это пластинка, на поверхности которой упорядоченно размещены рецепторы к нужным веществам, например, антитела. Прикрепление молекулы вещества к рецептору выявляется электрическим путем или по флюоресценции. На одной пластинке могут быть размещены датчики для многих тысяч веществ.
Такое устройство, способное обнаруживать буквально отдельные молекулы может быть использовано при определении последовательности оснований ДНК или аминокислот (для целей идентификации, выявления генетических или онкологических заболеваний), обнаружения возбудителей инфекционных заболеваний, токсических веществ.
Устройство размером в несколько миллиметров может быть помещено на поверхности кожи (для анализа веществ, выделяемых с потом) или внутри организма (в полость рта, желудочно-кишечный тракт, под кожу или в мышцу). При этом оно сможет сообщать о состоянии внутренней среды организма, сигнализировать о любых подозрительных изменениях.
Интересную идею разрабатывают сразу несколько групп исследователей. Суть ее состоит в том, чтобы “пропустить” молекулу ДНК (или РНК) через нанопору в мембране. Размер поры должен быть таким, чтобы ДНК проходила в “распрямленном” виде, одно основание за другим. Измерение электрического градиента или квантового туннельного тока через пору позволило бы определить, какое основание проходит через нее сейчас. Основанный на таком принципе прибор позволил бы получить полную последовательность ДНК за один проход.

8.4. Нанотехнологии. Медицинские применения сканирующих зондовых микроскопов
Сканирующие микроскопы представляют собой группу уникальных по своим возможностям приборов. Они позволяют достигать увеличения достаточного, чтобы рассмотреть отдельные молекулы и атомы. При этом возможно изучать объекты, не разрушая их и, даже, что особенно важно с точки зрения медико-биологических применений, в некоторых случаях изучать живые объекты. Сканирующие микроскопы некоторых типов позволяют также манипулировать отдельными молекулами и атомами.

8.5. Нанотехнологии. Наноманипуляторы
Наноманипуляторами можно назвать устройства, предназначенные для манипуляций с нанообъектами – наночастицами, молекулами и отдельными атомами. Примером могут служить сканирующие зондовые микроскопы, которые позволяют перемещать любые объекты вплоть до атомов.
В настоящее время созданы прототипы нескольких вариантов “нанопинцета”. В одном случае использовались две углеродные нанотрубки диаметром 50 нм, расположенные параллельно на сторонах стеклянного волокна диаметром около 2 мкм. При подаче на них напряжения нанотрубки могли расходиться и сходиться наподобие половинок пинцета.
В другом случае использовались молекулы ДНК, меняющие свою геометрию при конформационном переходе, или разрыве связей между нуклеотидными основаниями на параллельных ветвях молекулы.
Однако манипулятор для нанообъектов может и отличаться своим устройством от макроинструментов. Так, была продемонстрирована возможность перемещать нанообъекты с помощью луча лазера. В недавней работе ученых Корнельского и Массачусетского университетов им удалось “размотать” молекулу ДНК с нуклеосомы. При этом они тянули ее за конец с помощью такого “лазерного пинцета”.

8.6. Нанотехнологии. Микро- и наноустройства
В настоящее время все большее распространение получают миниатюрные устройства, которые могут быть помещены внутрь организма для диагностических, а возможно, и лечебных целей.
Современное устройство, предназначенное для исследования желудочно-кишечного тракта, имеет размер несколько миллиметров, несет на борту миниатюрную видеокамеру и систему освещения. Полученные кадры передаются наружу.
Устройства такого рода было бы неправильно относить к области наномедицины. Однако, открываются широкие перспективы их дальнейшей миниатюризации и интеграции с наносенсорами описанных выше типов, бортовыми системами управления и связи на основе молекулярной электроники и других нанотехнологий, источниками энергии, утилизирующими вещества, содержащиеся во внутренних средах организма. В дальнейшем такие устройства могут быть снабжены приспособлениями для автономной локомоции и даже манипуляторами того или иного рода. В этом случае они окажутся способны проникать в нужную точку организма, собирать там локальную диагностическую информацию, доставлять лекарственные средства и, в еще более отдаленной перспективе, осуществлять “нанохирургические операции” – разрушение атеросклеротических бляшек, уничтожение клеток с признаками злокачественного перерождения, восстановление поврежденных нервных волокон и т. д. Подробнее такие устройства (нанороботы) будут рассмотрены ниже.

8.7. Нанотехнологии. Нанороботы.
Современная наука и инженерия нуждаются в помощи роботизированной техники для решения различных задач. При этом проблемы, все чаще встающие перед учеными, требуют создания не гигантов, способных вырыть котлован одним движением ковша, а крошечных, невидимых глазу машин. Эти продукты инженерии непохожи на роботов в привычном понимании, однако способны самостоятельно выполнять сложные задачи по имеющимся алгоритмам. Такие машины называют нанороботами. Микроскопические роботы могут решать массу важных для человечества задач, совершить переворот в медицине, уничтожать вредные отдходы и даже готовить необходимую людям инфраструктуру для жизни на других планетах. Однако любой, даже самый мизерный программный сбой может оказаться для человечества фатальным.
Нанороботы (в англоязычной литературе также используются термины «наноботы», «наноиды», «наниты») – роботы, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой. Они должны обладать функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ. Размеры нанороботов не превышают нескольких нанометров. Согласно современным теориям, нанороботы должны уметь осуществлять двустороннюю коммуникацию: реагировать на акустические сигналы и быть в состоянии подзаряжаться или перепрограммироваться извне посредством звуковых или электрических колебаний. Также важной представляются функции репликации – самосборки новых нанитов и программированного самоуничтожения, когда среда работы, например, человеческое тело, более не нуждается в присутствии в нем нанороботов. В последнем случае роботы должны распадаться на безвредные и быстровыводимые компоненты.
Однако на первое место сейчас вышел вопрос применения нанороботов в медицине. Тело человека как бы наталкивает на мысль о нанороботах, поскольку само содержит множество естественных наномеханизмов: множество нейтрофилов, лимфоцитов и белых клеток крови постоянно функционируют в организме, восстанавливая поврежденные ткани, уничтожая вторгшиеся микроорганизмы и удаляя посторонние частицы из различных органов. Путем обычной инъекции нанороботы могут быть впрыснуты в кровь или лимфу. Для наружного применения раствор с этими роботами может быть нанесен на участок ткани. Одним из разработанных направлений является транспортировка лекарства к пораженным клетками. При обычном введении лекарства лишь одна молекула из ста тысяч достигает цели, в то время как наноустройство в белковой оболочке увеличивает эффективность на два порядка, в перспективе не будет опознаваться фагоцитами как «чужой» и после выполнения функции распадается на безвредные компоненты. Такие нанороботы могут быть эффективными, например, при медикаментозном лечении раковых опухолей.
Нанороботы могу делать буквально все: диагностировать состояния любых органов и процессов, вмешиваться в эти процессы, доставлять лекарства, соединять и разрушать ткани, синтезировать новые. Фактически, нанороботы могут постоянно омолаживать человека, реплицируя все его ткани. На данном этапе учеными разработана сложная программа, моделирующая проектирование и поведение нанороботов в организме. Чрезвычайно детально разработаны аспекты маневрирования в артериальной среде, поиска белков с помощью датчиков. Ученые провели виртуальные исследования нанороботов для лечения диабета, исследования брюшной полости, аневризмы мозга, рака, биозащиты от отравляющих веществ.

9. ПРИМЕНЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ.

В области терапии наиболее существенным результатом применения нанотехнологий является решение проблем доставки препаратов и регенерации тканей. Наночастицы позволяют врачам доставлять лекарство точно к месту болезни, увеличивая эффективность и сводя к минимуму побочные эффекты; обеспечивают возможности для контролируемого вывода терапевтических веществ и их метаболитов (продуктов превращения лекарств в ходе естественных процессов обмена веществ в организме); могут использоваться для стимулирования врожденных механизмов иммунитета и регенерации (основное внимание здесь сосредоточено на искусственной активации и управлении взрослыми стволовыми клетками).
Активно проводятся работы по созданию нанокапсул и наносфер для целенаправленной доставки лекарственных препаратов в организме человека (онкологическая, противогепатитная и анти-ВИЧ-терапия). Лекарства, содержащиеся внутри наночастиц, размер которых в 70 раз меньше, чем красные кровяные тельца, переносятся с током крови к определенному органу, где происходит пролонгированное (постепенное) выделение препарата. Для достижения эффективности лекарства необходимо, чтобы его молекулы попали к нужным клеткам: антидепрессанты – в мозг, противовоспалительные средства – в места воспалений, противоопухолевые препараты – в опухоль и т.д.

Сегодня ведутся активные работы по адресной доставке лекарств, которые будут точно попадать в цель, не повреждая других органов. Для доставки лекарственных веществ непосредственно в больные органы и ткани могут быть использованы полимерные наноразмерные капсулы. В настоящее время получены нанокапсулы со средним диаметром от 10 до 5000 нм, включающие матрицу из воска или текстильного волокна и активного вещества.
Указанная структура позволяет обеспечить стабильное выделение лекарства в течение длительного периода и, если в дендримеры будут встроены миниатюрные датчики, – постоянный контроль состояния пациента, позволяющий регулировать поступление лекарства.
Обычная бактерия обладает естественной способностью проникать в живые клетки и может работать в качестве «транспортного средства» по доставке лекарств, что открывает новые возможности в области генной терапии. Наночастицы размером от 40 до 200 нм прикрепляют на поверхность бактерии специальными молекулами-линкерами. На одной бактерии можно разместить до нескольких сотен наночастиц, расширив таким образом количество и «типы» грузов, которые нужно доставить.

Одним из направлений развития нанохимии является криохимия. Криохимические методы открывают новые возможности для получения и производства лекарственных препаратов. Биофармацевтическая и терапевтическая активность лекарств зависит от их полиморфной модификации, молекулярной организации, структурной упорядоченности, размера и формы частиц. В настоящее время нанохимия занимается получением структурно-модифицированных лекарственных средств.
Фуллерены, нанотрубки, наносферы и другие наночастицы способны повышать качество имплантантов – биосовместимость, механическую прочность, срок службы (например, для искусственных клапанов сердца). Наноматериалы оказались перспективными и для зубоврачебной практики.
В отличие от антибиотиков, убивающих не только вредоносные вирусы, но и пораженные ими клетки, действие наночастиц очень избирательно: они действуют только на вирусы, клетка при этом не повреждается.
Это объясняется тем, что оболочка микроорганизмов состоит из особых белков, которые при поражении наночастицами серебра перестают снабжать бактерию кислородом, поэтому микроорганизм больше не может окислять глюкозу и гибнет, оставшись без источника энергии. Вирусы вообще не имеют никакой оболочки, поэтому погибают сразу. Клетки же человека и животных имеют более «высокотехнологичные» стенки, и наночастицы им не страшны.

10. ТЕРАПИЯ ОНКОЛОГИИ

Иммунонаносферы для избирательной фототермической терапии рака и обнаружения опухолей
Новый подход к лечению рака, основанный на двух приемах, которые безвредны сами по себе, но при совместном использовании губительны для опухолевых клеток.
Используются наносферы, представляющие собой микроскопические силиконовые шарики, покрытые тончайшим слоем золота, а также свет длиннов олновой инфракрасной области спектра.
Наносферы нетоксичны и выводятся из организма без каких-либо побочных эффектов, а длинноволновое ИК-излучение, испускаемое лазером, практически не взаимодействует с тканями организма. При введении наносфер экспериментальным животным, больным раком, происходит их накопление в опухоли. Последующее воздействие длинноволнового ИК-света разогревает золотую оболочку частиц, что приводит к гибели опухолевых клеток. Для доставки наночастиц к опухолям были сконструированы «иммунонаносферы» – наносферы, к которым, поверх золотого слоя, прикрепляются антитела, специфичные к опухолевым маркерам и позволяющие обнаружить опухоль в любой части тела.

Лечение рака груди с помощью комбинации люлиберина, цитотоксического белка и наночастиц оксида железа
С учетом большого количества рецепторов к гормону люлиберину на клетках рака молочной железы создали молекулярный комплекс, состоящий из люлиберина, цитотоксического химического препарата Гекат и суперпарамагнитной частицы оксида железа диаметром 10 нм. Комплекс эффективно уничтожает опухолевые клетки лишь в том случае, когда люлиберин и Гекат наносятся на наночастицу по отдельности, а не в виде комплекса, так как для полноценной реакции необходим контакт обоих соединений с клеточной мембраной. Обнаружение опухолевых клеток в организме и связывание с ними происходит за счет наличия на поверхности наночастицы гормона люлиберина. Кроме рака груди, он может быть использован при опухолях толстого кишечника, легких, яичников, а также меланомы.

Опухоль-ориентированные системы доставки
Созданы липосомные (собранные из молекул липидов) наночастицы, которые благодаря антителам, покрывающим их поверхность, способны находить опухоль в любой части организма. Внутри липосом содержится ген p53, кодирующий белок, запускающий апоптоз (процесс самоуничтожения клетки в случае ее генетического повреждения). При связывании антител с рецепторами трансферрина (белка, переносящего ионы железа), в избытке присутствующими на поверхности раковых клеток, содержимое липосом перемещается внутрь клеток, что приводит к их гибели. В более чем 50% случаев злокачественные клетки имеют мутацию в гене p53, являющемся «охранником» генома, так как он обеспечивает избавление от генетически измененных клеток.
Таким образом, нет оснований сомневаться, что в недалеком будущем многие проблемы диагностики и лечения онкологических заболеваний лягут на плечи маленьких, но эффективных наночастиц.

11. ПЕРСПЕКТИВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

На данный момент возможно наметить следующие перспективы нанотехнологий:

  • 1. Медицина. Создание молекулярных роботов-врачей, которые “жили” бы внутри человеческого организма, устраняя или предотвращая все возникающие повреждения, включая генетические.
    Срок реализации – первая половина XXI века.
  • 2. Геронтология. Достижение личного бессмертия людей за счет внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестройки и улучшения тканей человеческого организма. Оживление и излечение тех безнадежно больных людей, которые были заморожены в настоящее время методами крионики.
    Срок реализации: третья – четвертая четверти XXI века.
  • 3. Промышленность. Замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул.
    Срок реализации – начало XXI века.
  • 4. Сельское хозяйство. Замена природных производителей пищи (растений и животных) аналогичными функционально комплексами из молекулярных роботов. Они будут воспроизводить те же химические процессы, что происходят в живом организме, однако более коротким и эффективным путем. Например, из цепочки “почва – углекислый газ – фотосинтез – трава – корова – молоко” будут удалены все лишние звенья. Останется “почва – углекислый газ – молоко (творог, масло, мясо)”. Такое “сельское хозяйство” не будет зависеть от погодных условий и не будет нуждаться в тяжелом физическом труде. А производительности его хватит, чтобы решить продовольственную проблему раз и навсегда.
    Срок реализации – вторая – четвертая четверть XXI века.
  • 5. Биология. Станет возможным внедрение наноэлементов в живой организм на уровне атомов. Последствия могут быть самыми различными – от “восстановления” вымерших видов до создания новых типов живых существ, биороботов.
    Срок реализации: середина XXI века.
  • 6. Экология. Полное устранение вредного влияния деятельности человека на окружающую среду. Во-первых, за счет насыщения экосферы молекулярными роботами-санитарами, превращающими отходы деятельности человека в исходное сырье, а во-вторых, за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы.
    Срок реализации: середина XXI века.
  • 7. Освоение космоса. По-видимому, освоению космоса “обычным” порядком будет предшествовать освоение его нанороботами. Огромная армия роботов-молекул будет выпущена в околоземное космическое пространство и подготовит его для заселения человеком – сделает пригодными для обитания Луну, астероиды, ближайшие планеты, соорудит из “подручных материалов” (метеоритов, комет) космические станции. Это будет намного дешевле и безопаснее существующих ныне методов.
  • 8. Кибернетика. Произойдет переход от ныне существующих планарных структур к объемным микросхемам, размеры активных элементов уменьшаться до размеров молекул. Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцовых величин. Получат распространение схемные решения на нейроноподобных элементах. Появится быстродействующая долговременная память на белковых молекулах, емкость которой будет измеряться терабайтами. Станет возможным “переселение” человеческого интеллекта в компьютер.
    Срок реализации: первая – вторая четверть XXI века.

12. ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ СТОРОНЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Но все свойства наночастиц могут обернуться стихийным бедствием и уничтожить человечество.

Начнем с размера. “Нанокрохи” обладают очень высокой проникающей способностью независимо от того, из какого вещества они сделаны. То есть, в организм человека и прочих живых существ могут попасть молекулы тяжелых металлов или других токсичных веществ. Недавние исследования показали, что наночастицы способны не только проникать в ткани, но и накапливаться в них. Пока ученым не удалось непосредственно показать, что такой “запас” является вредоносным, но механизмов пагубного воздействия собранного в одном месте большого числа атомов, скажем, золота, на живые системы можно придумать немало.
Химически активные наночастицы могут образовывать прочные связи с биомолекулами (например, белками или ДНК), повреждая их, “выключая” или, наоборот, способствуя их повышенной активности. Еще один вариант отрицательного воздействия – катализ вредных для организма химических реакций. Даже если “подозреваемые” наночастицы окажутся безвредными, оказывать пагубное влияние могут содержащиеся в них примеси, которые очень трудно обнаружить (примесные вещества также могут образовывать с наночастицами прочные связи).

В противоположность высокоактивным существуют химически инертные наночастицы. Они особенно интересуют медиков, которые с их помощью рассчитывают решить проблему доставки лекарств через гематоэнцефалический барьер (ГЭБ). ГЭБ представляет собой дополнительный слой клеток, называемых глиальными, в капиллярах большинства отделов головного мозга. ГЭБ защищает мозг от проникновения вредных веществ, и он же препятствует попаданию туда лекарств или веществ, необходимых для диагностических процедур. Недавно было показано, что если “упаковать” лекарства в оболочку из определенных материалов, то полученные наночастицы способны проникать через ГЭБ.

Противники внедрения нанотехнологий указывают, что если в такую оболочку поместить не полезные вещества, а яды, то наночастицы могут стать идеальным орудием убийства.
Кроме проникновения через ГЭБ, использование нанотехнологий может повысить биодоступность некоторых необходимых человеку веществ. Но и это благо, по мнению скептиков, может обернуться злом. Нанотехнологии несут большой потенциал по продлению и улучшению качества жизни, но использовать этот потенциал, очевидно, смогут не все жители Земли. У большинства просто не хватит средств на наноэликсир долголетия. Таким образом, наночастицы могут спровоцировать рост социальной напряженности. Кроме нанолекарств раскол в обществе могут вызвать, например, альтернативные источники энергии, полученные с применением нанотехнологий. В этом случае недовольны окажутся жители стран-поставщиков традиционных энергоресурсов.

Также установлено, что наноэлементы могут легко впитывать загрязнения и распространять их в окружающей среде. А отдельные вещества, разработанные на базе нанотехнологий, могут вызывать опасные повреждения внутренних органов.
Кроме описанных выше последствий применения нанотехнологий, которые представляют потенциальную опасность, наночастицы и наноустройства могут быть прямо использованы для уничтожения человечества. Удивительные возможности новых материалов не могут остаться без внимания военных. Микроскопические бомбы невозможно обнаружить и легко доставить в нужное место. Безжалостные нанороботы будут методично уничтожать заданную цель. В идеале такое оружие могло бы само собираться на вражеских территориях.

13. РАЗВИТИЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ.

Изучением свойств наноматериалов в рамках проведения фундаментально-поисковых и прикладных научно-исследовательских работ занимаются почти во всем мире, за исключением большинства стран Африки и некоторых стран Южной Америки. Наибольшие успехи получены в США, Японии, Франции. В нашей стране исследованиями в области нанотехнологий занимаются несколько десятков лет. По отдельным направлениям российские ученые занимают приоритетные позиции в мире.
Развитие нанотехнологий в Российской Федерации является одним из приоритетных направлений науки и техники. Ускоренное развитие работ в области нанотехнологий и наноматериалов призвано обеспечить реализацию стратегических национальных приоритетов Российской Федерации, в т.ч. обеспечение национальной и экономической безопасности страны. Основной целью государства при решении данной проблемы должно стать создание и развитие научной, технической и технологической базы в области нанотехнологий и наноматериалов в Российской Федерации, обеспечивающей в т.ч., необходимый уровень обороноспособности и безопасности государства. При этом формирование наноиндустрии безопасности должно стать важнейшим стратегическим направлением, определяющим новые подходы к инновационному преобразованию отечественной промышленности.
Современные достижения в области наноматериалов и нанотехнологий открывают новые возможности для повышения в десятки раз тактико-технических характеристик систем безопасности и являются по своей сути инновационными, поскольку направлены на создание, главным образом, новой продукции, востребованной рынком систем безопасности.

14. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
Часто употребляемое определение нанотехнологии как комплекса методов работы с объектами размером менее 100 нанометров недостаточно точно описывает как объект, так и отличие нанотехнологии от традиционных технологий и научных дисциплин. Объекты нанотехнологий, с одной стороны, могут иметь характеристические размеры указанного диапазона: наночастицы, нанопорошки (объекты, у которых три характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм) нанотрубки, нановолокна (объекты, у которых два характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм) наноплёнки (объекты, у которых один характеристический размер находится в диапазоне до 100 нм).
С другой стороны, объектом нанотехнологий могут быть макроскопические объекты, атомарная структура которых контролируемо создаётся с разрешением на уровне отдельных атомов. Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические, технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул или агрегатов молекул, квантовые эффекты.
В практическом аспекте это технологии производства устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и частицами, размеры которых находятся в пределах от 1 до 100 нанометров. Однако, нанотехнология сейчас находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных результатов позволяет относить её к высоким технологиям.

При работе с такими малыми размерами проявляются квантовые эффекты и эффекты межмолекулярных взаимодействий, такие как Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия. Нанотехнология и, в особенности, молекулярная технология — новые области, очень мало исследованные. Развитие современной электроники идёт по пути уменьшения размеров устройств. С другой стороны, классические методы производства подходят к своему естественному экономическому и технологическому барьеру, когда размер устройства уменьшается не намного, зато экономические затраты возрастают экспоненциально. Нанотехнология — следующий логический шаг развития электроники и других наукоёмких производств.

Благодаря стремительному прогрессу в таких технологиях, как оптика, нанолитография, механохимия и 3D прототипировние, нанореволюция может произойти уже в течение следующего десятилетия. Когда это случится, нанотехнология окажет огромное влияние практически на все области промышленности и общества.
Немало нанотехнологических устройств уже создано и хотя они пока являются экспериментальными разработками, практические перспективы очевидны. Разработан наноэлектродвигатель, имеющий обмотку из одной длиной молекулы, способной без потерь передавать ток. При подаче напряжения начинал вращаться ротор, состоящий из нескольких молекул. Существует также устройство линейной транспортировки, способное перемещать молекулы на заданное расстояние. Разрабатываются также молекулярные биосенсоры, антенны, манипуляторы.
Сфера применения нанороботов очень широка. По сути, они могут быть необходимы при создании, отладке и поддержании функционирования любой сложной системы. Наномашины могут применяться в электронике для создания миниустройств или электрических цепей – данная технология называется молекулярной наносборкой. В перспективе любая сборка на заводе из компонентов может быть заменена простой сборкой из атомов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.
1. Асеев А.Л. Наноматериалы и нанотехнологии , А.Л. Асеев ,, Нано- и микросистемная техника. 2005. № 3. С.2-9.
2. Балабанов В.И. Нанотехнологии. Наука будущего. /В.И. Балабанов. \ – М.: Эксмо, 2008.-256 с.
3. Головин Ю.И. Введение в нанотехнологию. М., 2003.
4. Губин С.П. Что такое наночастица? Тенденции развития нанохимии и нанотехнологии / С.П. Губин // Рос. хим. журн. 2000. Ч. 2, № 6. С. 23-30.
5. Мальцева П. П. Нанотехнологии. Наноматериалы. Наносистемная техника. Мировые достижения – 2008 год [] : сборник / под ред. П. П. Мальцева. – М. : Техносфера, 2008. – 432 с

А Вам помог наш сайт? Мы будем рады если Вы оставите несколько хороших слов о нас.
Категории
Рекомендации
Можно выбрать
Интересное
А знаете ли вы, что нажав сочетание клавиш Ctrl+F - можно воспользоваться поиском по сайту?
X
Copyrights © 2015: FARMF.RU - тесты, лекции, обзоры
Яндекс.Метрика
Рейтинг@Mail.ru

Пожалуйста поддержите наш сайт.

Скроее всего Вы знаете, что Google приостановил монетизацию сайтов в РФ. Для поддержки нашего сайта пожалуйста используйте VPN соединение из любой страны кроме РФ. Нам важна Ваша помощь для продолжения публикации новых лекций и статей.