ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Tapapaeea E.

ИНФОРМАЦИ

ГI

NFORMATION

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Е. Тарараева

ЦНИИАТОМИНФОРМ, лаб. ДОР (отд. 85) а/я 971, Москва, 127434 Тел. 777-96-95, доб. 33-83, e-mail: dor@ainf.ru http://www.x-atom.ru/cniiatom/dor.htm

Приведены сведения о перспективах использования нанотехнологий в биологии, медицине, электронике, физических науках, военной и других областях.

Помимо своей неразрывной связи с материаловедением, нанотехнологии вносят свой вклад в разработку новых компонентов, новых систем для различных областей применения, начиная от информатики и телекоммуникации и кончая медициной, технологией производства и методами измерений.

Благодаря тому, что наночастицы обладают квантовым размерным эффектом, малоразмерным эффектом поверхности и большим квантовым туннельным эффектом, они могут проявлять множество характеристик, таких как большая удельная поверхность, высокая поверхностная активность, большое количество поверхностно-активных центров, высокая каталитическая эффективность и сильная адсорбирующая способность. Из-за того, что поведение материалов, структур и устройств на уровне наноразмерных объектов отличается от макроскопического мира, наноструктуры проявляют уникальные механические, электрические, химические и оптические свойства.

Использование в биологии и медицине. Понимание и управление уникальными свойствами наночастиц является сложной задачей, но ее решение обеспечит уникальные новые возможности для исследования, диагностики и терапии болезней. Наноразмерные объекты преобладают в природных системах, поскольку многие важные функциональные компоненты живых клеток подходят по классификации к этому размеру, однако, пока разработано лишь немного наноразмерных лекарств, а также диагностических, терапевтичес-

ких или заживляющих средств. Наноразмерные свойства позволяют обеспечить высокую плотность выполняемых функций в небольших упаковках для сведения к минимуму инвазивности и облегчения «болезненных» терапевтических воздействий при повышенной специфичности доставки и действия лекарства и уменьшенных побочных эффектах. Развитие биологии и медицины будет ускоряться с прогрессом нанотехнологий и с пониманием природы наночастиц.

Нанобиотехнология — гибридная дисциплина, сочетающая биологию и наноэлектронику. Нанобиотехнологические лаборатории создают разнообразные диагностические инструменты из набора микроскопических датчиков, способных обнаруживать определенные биологические молекулы или отдельные спирали ДНК. Эти устройства обеспечат более быструю, дешевую и точную диагностику сложных заболеваний. Например, с помощью одного чипа можно провести полную диагностику по одной капле крови. Подключилась к работам в сфере нанобиотехнологии и компания Intel, представители которой долгое время весьма осторожно высказывались о перспективах нано-технологий. Сегодня же установка Intel Raman Bioanalyzer System, чей принцип работы основан на методе спектрометрии комбинационного рассеяния (рамановской спектрометрии), будет применена и для медицинских исследований.

Биодатчитки и диагностика. В настоящее время методы диагностики ограничены главным образом использованием методики in vitro, при этом диа-

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (56) 2007

гностические тесты проводятся индивидуально в централизованных клинических лабораториях. Нанотехнология имеет огромный потенциал как для многократного увеличения диагностических тестов, проводимых in vitro, так и для миниатюризации датчиков с целью их применения in vivo. Различные нанотехнологии позволят повысить чувствительность и расширить существующие пределы молекулярного детектирования конкретных белков или мишеней ДНК и улучшить диагностику инфекционных заболеваний и других нарушений (рак и т.д.). Миниатюрные устройства, такие как нанороботы, могли бы выполнить комплексную диагностику и терапию с использованием утонченных и минимально инвазивных процедур, например, нанохирургии, в качестве альтернативы грубой (травматической) хирургии.

томография. Установленные модальности получения изображения, такие как компьютерная томография (CT), магнитно-резонансная томография (MRI) и ультразвуковая диагностика, сфокусированы главным образом на анатомии и физиологии. В новой области молекулярной томографии используются новейшие реагенты и методы, позволяющие получить изображение конкретных молекулярных путей обмена неинвазивно, in vivo, в частности, путей обмена, связанных с процессами протекания болезни. По мере того, как эти технологии будут совершенствоваться, методы неинвазивной диагностики с использованием молекул, обладающих большим сродством к родственному окружению (хомингу), должны стать более быстрыми, дешевыми и точными, что позволит врачу обнаруживать болезнь на ранних стадиях и улучшить исход болезни для пациента.

инженерия биологических тканей и биоматериалы. Успехи в области синтетических материалов для восстановления кровяных сосудов, клапанов сердца и легочных структур оказались неутешительными, что привело к смещению акцентов в сторону альтернативного подхода, связанного с инженерией биологических тканей. Наноструктурированные материалы могут играть решающую роль в инженерии биологических тканей, однако, эта область пока еще находится на ранних стадиях развития. Имплантанты, полученные с помощью инженерии биологических тканей, могли бы привести к пониженным скоростям отторжения имплантатов и улучшенному регулированию адгезивных свойств, улучшая сцепление клеток и снижая биологическое загрязнение имплантированных устройств. Наноразмерные синтетические биоматериалы проявляют очень многообещающие свойства в качестве «строительных лесов» для регенерации поврежденных клеточных мембран, тканей и

костей. На первый взгляд кажется, что природа создала очень ограниченное количество основных строительных блоков - аминокислоты, липиды и нуклеиновые кислоты, однако, химическое разнообразие этих молекул и разнообразные способы, с помощью которых они могут полимеризоваться или группироваться в сборку, обеспечивает огромный диапазон возможных структур. Более того, достижения в области химического синтеза и биотехнологии дают возможность комбинировать эти строительные блоки почти как угодно для получения новых материалов и структур, которые еще не были созданы природой. Такие материалы, полученные в результате самосборки, часто обладают улучшенными свойствами, а также находят уникальное применение.

доставка лекарственных средств и терапия. Ожидается растущее использование нанобиотехно-логии в фармацевтической и биотехнологической отраслях промышленности. Нынешнее поколение лекарственных средств базируется главным образом на небольших молекулах, которые циркулируют по всему организму. Обычные вредные последствия биораспространения по всему организму связаны с токсичностью по отношению к нецелевым тканям, трудностью поддержания концентраций лекарственных средств в пределах терапевтических окон, а также с метаболизмом и выводом лекарственных средств из организма, все это может снизить эффективность их использования. Вопросы растворимости лекарственных средств и клеточной проницаемости также характерны для случая небольших молекул и биопрепаратов. Системы доставки, основанные на нанотехнологии, могли бы смягчить эти проблемы путем комбинирования целенаправленной на определенную ткань или орган доставки лекарства с его терапевтическим действием. Многофункциональные системы нано-доставки могли бы также сочетать целенаправленное воздействие, диагностику и терапевтическое действие.

методы определения характеристик материалов и нанотехнологии. Для доведения нанотехнологии до уровня, позволяющего осуществлять успешный бизнес, потребуется доступ к соответствующим инструментам метрологии, которые дают возможность проводить измерения в трехмерном пространстве с атомным разрешением на больших площадях поверхности. Требуется проводить измерения всех важных физических, химических и биологических величин на различных стадиях разработки нано-систем, начиная от стадии проектирования, оценки прототипа и до воплощения. Определение характеристик с помощью наноизмерений подразумевает использование чрезвычайно чувствительных и точных методик измерения.

Нанотехнология предлагает совершенно новые механизмы и приборы и способствует дальнейшему развитию существующих приборов для измерения характеристик новых явлений на субатомном уровне. К числу таких методов относятся:

• просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения (HRTEM);

• сканирующая зондовая микроскопия (SPM);

• комбинация методов сканирующей электронной и зондовой микроскопии (SEM-SPM);

• атомно-силовая микроскопия;

• сканирующая туннельная микроскопия и спектроскопия с атомным разрешением;

• безапертурная микроскопия ближнего поля;

• метод автодесорбционной микроскопии;

• разработка метода спектроскопии тонкой структуры полосы поглощения рентгеновских лучей (XAFS), предназначенного для характеристики наноматериалов;

• микрофокусная дифракция и рассеяние рентгеновских лучей;

• эмиссия электронов на краю поглощения под действием рентгеновских лучей;

• относительная рентгеновская рефлектометрия (измерение коэффициента отражения);

• малоугловое рентгеновское рассеяние;

• спектроскопия фликер-шума;

• сфокусированный ионный пучок;

• рассеяние ионов средних энергий;

• определение твердости с помощью нанометодов вдавливанием и царапанием в качестве механического испытания;

• хемилюминесценция;

• магнитно-резонансная диагностика.

В свою очередь, качество исследований и разработок в области нанотехнологий зависит от возможностей методов измерения и определения характеристик.Методы определения характеристик и контрольно-измерительные приборы будут пользоваться большим коммерческим спросом с учетом потребности в таких методах и приборах в будущем у производителей наноматериалов и наноустройств.

наноэлектроника и наноустройства. Наноэлек-троника требует проведения передовых фундаментальных исследований, главным образом, в области физики твердого тела и физики полупроводников.

Будущая электроника будет базироваться на принципиально новых физических и технологических идеях. Наиболее важным фактором является разработка наноструктур, в которых несколько молекул формируют функциональный элемент. Такая разработка основана на передовых технологиях создания ультратонких пленок и многослойных структур с определенными элект-

рическими, оптическими, магнитными и другими свойствами.

Нанотехнология призвана решить следующие задачи:

• существенное увеличение производительности электронных систем обработки данных;

• существенное повышение пропускной способности каналов связи;

• существенное увеличение информационной емкости и качества, а также снижение энергопотребления;

• существенное улучшение чувствительности датчиков и расширение измеряемых величин;

• разработка высокоэкономичных твердотельных осветительных устройств.

В основном для производства полупроводниковых чипов следующего поколения требуется литография с использованием вакуумного ультрафиолетового излучения (ВУФ), чтобы достичь необходимых критических структурных размеров. Потребности со стороны ведущих мировых производителей инструментов для литографии (компании ASML, canon, Nicon) в отношении мощности излучения в сочетании со сроком службы и стабильностью делают источник излучения наиболее критичным пунктом в разработке ВУФ-литографии.

Нано-электромеханические системы (NEMS) и микро-электромеханические системы (MEMs) в качестве интегрированных систем механических элементов, датчиков, исполнительных механизмов и средств электроники, расположенных на общем основании благодаря технологии микрообработки, по-видимому, дадут начало такой технической революции в 21 веке, какую микроэлектроника произвела в прошлом столетии. Сочетание NEMS/ MEMs обещает произвести революцию почти в каждом виде продукции, совмещая микроэлектронику с технологией микрообработки, что дает возможность реализовать полностью завершенные системы.

физические, химические и биологические датчики. Нанотехнология позволяет создать функциональные материалы, устройства и системы путем управления веществом на атомарном и молекулярном уровнях и использовать новые свойства и явления для разработки датчиков, которые будут намного меньше, менее энергоемкими и более чувствительными, чем существующие микро- или макродатчики. С учетом того, что работа большинства химических и биологических датчиков, а также многих физических датчиков зависит от взаимодействий, происходящих на этих уровнях, можно понять, какой эффект нано-технология произведет на мир датчиков. Эта область прогрессирует, однако, необходимо провести огромную работу прежде, чем будут видны результаты ее воздействия в полной мере.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (56) 2007

Нанодатчики и датчики на основе наноустройств находят применение во многих отраслях промышленности, в том числе, транспорте, связи, строительстве и оборудовании, медицине, в обеспечении национальной безопасности, включая национальную оборону и военные операции. В настоящее время лишь небольшое число датчиков основано на достижениях чистой нанонауки, а разработка датчиков на основе наноустройств находится на ранних стадиях, тем не менее, уже сейчас можно предвидеть некоторые возможные устройства и области применения.

Датчики для физических свойств находились в центре внимания некоторых, проводимых ранее разработок, однако, нанотехнология внесет существенный вклад в понимание потенциальных возможностей химических и биологических датчиков для медицины, обеспечения безопасности и других целей.

Ожидается, что и другие области получат выгоды от применения датчиков на основе нанотехноло-гии, в том числе: транспорт (наземный, морской, воздушный и космический); связь (проводная и беспроводная, оптическая и высокочастотная); здания и оборудование (дома, офисы, фабрики); люди (особенно, для здоровья и медицинского мониторинга) и робототехника всех типов.

нанотехнологии для военных применений. Военный Центр подводных исследований (Naval Undersea Warfare Center, NUWC) США заключил с Техасским университетом (Остин) в конце 2002г. соглашение о сотрудничестве в области нанотех-нологий, предусматривающее исследования и изготовление материалов и устройств с размерами порядка миллиардных долей метра.

В Центре нано- и молекулярной науки при Техасском университете занято более 60 материаловедов, физиков, инженеров-механиков и электриков, биологов и химиков. Новая программа Центра под названием NanoManTech имеет целью ввод нано-технологий в коммерческий оборот.

Специалисты NUWc по технологиям считают, что методами нанотехнологии можно готовить датчики корпускулярных габаритов, в совокупности образующие недорогие подводные сетевые системы. Сенсоры в 5-20мкм должны содержать вещества, чувствительные к факторам океана. Концепция наносенсоров удачно согласуется с тенденцией военного флота трансформироваться из «платформ-центрированного» в «сете-центрированный».

По мнению военных специалистов, нет необходимости ставить на подводной лодке или надводном корабле датчики за 20 млн. долл. - чтобы обнаружить в океане объекты, нужно лишь распространить в океане поле наночастиц. Эти наносенсоры будут сообщаться между собой, образуя единую сеть, которая позволит наблюдать за сотнями и

тысячами морских миль посредством одной платформы вместо многих.

Такая перспектива может показаться весьма отдаленной, но правительство США уже выделяет серьезные фонды на нанотехнологические центры при университетах и национальных лабораториях.

NUWC надеется подключиться к исследовательским центрам, которые уже имеют нанотехноло-гические наработки, поскольку не в состоянии делать большие финансовые вложения, чтобы вести наноисследования на мировом уровне. Поэтому центр NUWC ищет стратегических партнеров, чтобы использовать их ресурсы, установки и фундаментальные результаты применительно к задачам ВМС.

Кроме изучения наносенсоров, NUWC надеется, что сотрудничество поможет разработке беспилотных подводных платформ (Undersea Unmanned Vehicles, UUV), которые ВМС намерены испытывать и ставить на вооружение для широкомасштабных подводных наблюдений.

Одна из главных трудностей — источник энергии для UUV в длительных миссиях, поскольку от UUV требуется минимум 72ч автономного плавания, после чего она будет возвращаться к базовому судну или станции, чтобы передать информацию и, возможно, подзарядить аккумуляторы. Имеется также физическое ограничение по плотности энергии, но специалисты надеются преодолеть его средствами химии, связанными с нанотехнология-ми и особенностями молекулярной науки.

NUWc планирует образовать более широкий консорциум с вовлечением других исследовательских центров. NUWc установил контакт с Национальной лабораторией Сандиа, а недавно — с университетом штата Нью-Йорк (Стонибрук). Таким образом руководство NUWc пытается форсировать фундаментальные исследования сенсорных систем и материалов, представляющих проблемы для специалистов.

Создание резервов для накопления водорода. В Национальной Лаборатории возобновляемых источников энергии (Голден, ш.Колорадо) ученые работают над созданием носителей горючего для водородных автомобильных двигателей на основе нанотрубок.

Нанотрубки, содержащиеся в саже — полые мини-цилиндры с диаметром около 1,5нм. Их стенки представляют монослой атомов углерода. Эти сверхпрочные легкие трубки, впервые синтезированные в 1991г. С.Идзима (корпорация NEC, Япония), находят множество применений, от проводников в интегральных схемах до компонент наномоторов. Для энтузиастов «чистой» энергии заманчива возможность применения нанотрубок в качестве накопителей водородного топлива.

Водород — распространенное и экологически чистое горючее — называют топливом будущего. Батареи топливных ячеек, в которых водород и кислород вступают в реакцию, генерируют электроэнергию с выделением нагретой воды без вредных выбросов; они могут стать источником энергии для автомобилей и автобусов. Но для этого необходимо сначала разработать более легкую систему хранения, чем массивные баки сжиженного водорода, которые стоят во многих современных электромобилях.

Углеродные трубки как будто специально предназначены для этого. Их можно группировать в связки, похожие на веревку. Диаметр отдельной трубки обычно в два-три раза больше, чем атом водорода, и разработчики полагают, что водород может держаться и внутри трубок, и между ними. При этом количество абсорбированного водорода определяется давлением и температурой, поэтому, варьируя внешние условия, можно закачивать водород в эту систему и извлекать его оттуда.

Несмотря на столь соблазнительные возможности, многолетнее изучение нанотрубок не привело к однозначным выводам о возможности использования их для хранения водорода.

История хранения водорода в углероде изобилует примерами, когда многообещающие, казалось бы, открытия после тщательной проверки оказывались несостоятельными. Один из наиболее известных случаев — работа Северо-восточного университета (близ Бостона). В 1998г. было объявлено о получении графитового нановолокна - тонких нитей углерода, которые, якобы, поглощают водород в количестве собственного веса. Однако, воспроизвести эти результаты никому до сего времени не удавалось.

Другой пример. Ученые Национального университета Сингапура в 1999г. описали повышенную абсорбционную способность многостенных нанотрубок, которые находятся одна в другой, легированных литием. Вес поглощенного водорода составляет 20% веса брутто. Впоследствии другие авторы показали, что в этой работе фактически измерялось содержание не водорода, а воды.

Несмотря на подобные недоразумения, энергетические компании и автомобилестроители по-прежнему проявляют интерес к новым результатам с использованием нанотрубок, поскольку более

практичная система хранения водорода принесла бы значительные прибыли.

Для организации исследований в нужном направлении МО США сформулировало требования к системе хранения горючего: чтобы устройство имело практическое значение, оно должно вмещать 62кг водорода или 6,5масс.%, должно быстро поглощать и отдавать водород, работать в диапазоне 25-100°С и при давлениях предпочтительно не выше 200атм.

С тех пор, как появились эти требования, ученые Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии нашли новый метод изготовления более чистых нанотрубок, по которому из образца удаляется почти весь лишний углерод, не входящий в состав трубок. При этом был построен резервуар, вмещающий 7% водорода по весу при комнатной температуре и обычном давлении на трубах, чистота которых оценивается как 98%.

Однако, ученые из Института металловедения им. М.Планка (Штутгарт, Германия) сообщили, что, повторив опыты американских ученых на таких же нанотрубках, получили совершенно другие значения - нанотрубки поглощали всего 1,5%, а внутри трубок были обнаружены следы титана. Титан отлично адсорбирует водород, немецкие исследователи приписали этому металлу весь эффект. Титан поступает с зонда, которым раскрывают концы трубок, стараясь увеличить их вместимость. Когда был взят зонд из нержавеющей стали, вместимость трубок снизилась.

Таким образом, присутствующий титан можно считать не контаминантом, а полезной добавкой, действительно повышающей вместимость резервуара водорода, поскольку титан сам адсорбирует немного водорода, но гораздо важнее, что его присутствие каким-то образом катализирует поглощающую способность углеродной трубки. Однако, практическая осуществимость этого способа хранения водорода еще очень далека до завершения.

список литературы

1.Nature. 2002. Vol.410. P.734-735.

2.Defense Week. 2002. Vol.23, No.41. October 15, P.5.

3.Washington ProFile. 2003г.

4. SiliconTaiga, National Software Development Aliance.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (56) 2007

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Tapapaeea E.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Tapapaeea E.

Текст научной работы на тему «ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ»