Нанотехнологии в химии.

1. Терминология. Что значит слово «нанотехнологии» или с чем мы вообще имеем дело?

Нанотехнологии – это технологии сверхмикроскопических конструкций из мельчайших частиц материи.

Слово «нано» (от греческого nanos – карлик) это приставка, означающая одну миллиардную долю чего-либо.

Атом (греч. Atomos – неделимый) – это очень маленькая частица химического элемента. Однако, вопреки названию атом не является неделимым, ведь сам он состоит из ядра и электронов. Для удобства ученые считают, что атом имеет форму шара. В объединении несколько атомов создают молекулу, которую можно представить как совокупность шариков (атомы) и соединяющих их палочек (межатомные связи). Все вещества в природе, включая нас с вами, состоят из атомов и молекул. А все атомы, а также некоторые молекулы, имеют размеры около одного нанометра. Соответственно, Нанотехнологии включают создание и использование материалов, устройств и технических систем, функционирование которых определяется наноструктурой, то есть ее упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нанометров.

Например, современная микроэлектроника уже не микро-, а нано: производимые сегодня транзисторы – основа всех чипов – лежат в диапазоне до 90 нм. И уже запланирована дальнейшая миниатюризация электронных компонентов до 60, 45 и 30 нм. Сейчас мы уже видим наступление нанореволюции: это и новые компьютерные чипы, и новые ткани, на которых не остается пятен, и использование наночастиц в медицинской диагностике. Даже косметическая индустрия заинтересована в наноматериалах. Они могут создать в косметике много новых нестандартных направлений, которых не было раньше

1. История возникновения

Многие источники, впервые – англоязычные, первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением Фейнмана «Внизу полным-полно места», 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 очень интересным 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 примерно доходить до размера одного. 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.

1.3 Нанотехнологии в жизни человека.

Глобальные планы и ожидания таковы: Ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые могут «жить» внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая возникновение таковых. Манипулируя отдельными атомами и молекулами, наноботы смогут осуществлять ремонт клеток. В действительности наномедицины пока еще не существует, существуют лишь нанопроекты, воплощение которых в медицину, в конечном итоге, и позволит отменить старение. Прогнозируемый срок создания роботов-врачей- первая половина XXI века. Наши современные методы лечения не совсем хороши. Хирургия в большинстве случаев происходит грубым образом, а многие лекарства малоэффективны или плохо развиты. В очень редких лишь случаях можно рассчитать правильную дозу маленького объема содержимого. Но наука, к счастью, не стоит на месте, быстро набирает обороты и активно развивается.

В настоящее время наночастицы можно разделить на следующие группы:

1. Естественные наночастицы.

2. Полимерные наночастицы

3. Дендримеры

4. Углеродные нанотрубки

5. Неорганические частицы

6. Нанороботы

Для начала, скажем, что сам мир состоит из одних лишь естественных наночастиц в первую очередь. Это молекулы белков, РНК, ДНК, вирусы и т.д. Яркий и очень узнаваемый пример таких частиц – липосомы.

Известно, что заболевания поражают не весь организм, а развиваются в отдельных органах и тканях. Так, например, при раке главные события происходят в месте расположения опухоли, при инфаркте миокарда – в мышце сердца, при дизентерии – в кишечнике. Поэтому и лечение пойдет быстрее и успешнее, если лекарства будут действовать непосредственно в очаге заболевания. Особенно это важно в тех случаях, когда приходится иметь дело с весьма ядовитыми препаратами, которые хорошо лечат саму болезнь, но при этом плохо влияют на другие системы организма. Часто это заставляет отказываться от использования подобных веществ и применять менее эффективные. Конечно же, создать такой способ транспортировки лекарства в организм человека – задача не из простых. Сам человек это сделать не может из-за своих же размеров. Поэтому ученые пришли к выводу, что необходим какой-то носитель, который бы мог их туда доставить. Не всегда это могут быть «изобретения» искусственного происхождения. В современной медицине пока что очень важную роль играют липосомы. Почему? Липиды, входящие в состав мембран, занимают от 20 до 80 процентов их массы. Поэтому при правильном подборе компонентов липосом их введение в организм не вызывает негативных реакций. Липосомы могут слиться с мембранами клеток и стать их частью. Очень важную роль липосомы приобрели в лечении такого заболевания, как онкология. Суть в том, что существует ряд препаратов, весьма эффективно разрушающих злокачественные клетки или тормозящих их рост. Однако применить их в терапевтических целях не всегда возможно из-за их большой токсичности или плохой растворимости в воде. С помощью липосом эти трудности можно преодолеть. Так, в одной лаборатории с помощью липосом вводили мышам, больным лейкемией, нерастворяющиеся препараты и наблюдали замедление роста числа злокачественных клеток. Другие исследователи нагружали липосомы антрациклинами: эти вещества активны против широкого круга злокачественных опухолей, но весьма ядовиты для остальных тканей, особенно для сердечной мышцы, – и вредное воздействие этих соединений значительно снижалось, что, как следствие, позволяло существенно увеличивать их дозы. Формы взаимодействия липосом с клетками, о которых мы говорили вначале, во многом объясняют их способность преодолевать некоторые анатомические барьеры организма, в частности, стенки желудочно-кишечного тракта, Это обстоятельство ученые попытались использовать для лечения сахарного диабета, то есть попробовали вводить инсулин в липосомах через рот. Дело в том, что инсулин больным дают с помощью уколов, что, конечно, и неприятно, и неудобно. В таблетках же инсулин неэффективен, ибо разрушается в желудочно-кишечном тракте раньше, чем попадает «к месту работы» – в кровь. Не выручат ли тут липосомы?

Опыты проводились на крысах, у которых предварительно искусственным путем вызывали сахарный диабет, И оказалось, что введение инсулина в липосомах вызывало снижение сахара в крови животных, ибо липосомы защищают этот гормон от разрушения желудочно-кишечном тракте. В настоящее время исследования в этом направлении продолжаются. Цель их – добиться возможности лечения диабета введением инсулина через рот, что будет большим подарком для больных этой тяжелой болезнью. С течением времени ученые возлагают большие надежды на наномедицину, ведь только с помощью нее мы сможем добиться больших успехов лечении пациентов от неизлечимых на данный момент болезней. Смертность по неизлечимым заболеваниям очень высока. Например, от малярии ежегодно в мире заражаются около 400 миллионов человек. Если больному своевременно не оказать медикаментозную помощь, симптомы (лихорадка, анемия и кома) неминуемо приведут к летальному исходу.

Также нанотехнологии могут предотвратить появление эпидемиологических болезней. (Таблицу о смертности смотреть в приложении 2)

Полимерные наночастицы создают из больших молекул (полимеров), которые имеют ряд преимуществ, определяющих эффективность их применения в прицельной доставке лекарств, — способность не вызывать ответ иммунной системы и разлагаться в организме. Например, те же раковые клетки.

Дендримеры — уникальный класс полимеров с сильно разветвленной структурой. При этом их размер и форма могут быть точно заданы при синтезе. Такие молекулы сейчас получают из меньших молекул, проводя их соединение, задавая характер ветвления. Контролируемые размеры и свойства такой большой молекулы, а также стабильность делают ее вполне пригодной для переноски лекарств.

Когда речь заходит о нанотехнологиях, их почти всегда упоминают в связи с необычными свойствами и прочностью, в триста раз превосходящей сталь. У нанотрубок есть огромный потенциал для диагностики и лечения рака, за разработку которого взялась компания CARBIO. Согласно их плану, лекарства будут надежно изолированы оболочкой, которая препятствует взаимодействию со здоровыми тканями, чтобы «всем весом» атаковать болезнь.

Неорганические наночастицы. К ним относят структуры на основе оксида кремния или различных металлов, использование которых позволяет создавать переносчики, обладающие рядом уникальных свойств.

Нанороботы. Люди давно мечтали о крошечных роботах, которые перемещаются по обширной системе кровообращения организма, словно космические корабли. Потенциал, казалось, огромен: крошечные роботы могли бы, например, передавать радиоактивные препараты в раковые скопления, выполнять операции внутри тела или очищать сгустки крови, находящиеся глубоко внутри сердца или мозга, менять гены, погружаться прямо в кровоток, выжигать лазером все на своем пути, стирать воспоминания, добавлять навыки… Однако есть одно «но» — такие роботы по большей части являются фантазией писателей. Сейчас концепция переработана, и нынешние наниты уже не похожи на те «космические корабли», о которых велась речь в книгах. Они скорее напоминают обычные наночастицы.

Областей применения наночастиц с каждым днём становиться всё больше. Например, есть много методов борьбы с ожирением, но оптимального решения пока не найдено. Диеты и нагрузки малоэффективны, а расщепление жира при помощи специальных препаратов имеет побочные эффекты, так как действует на весь организм. Действие некоторых препаратов направлено на превращение белого жира в бурый, который намного быстрее переходит в энергию. Эта идея показалась перспективной ученым из США и Китая, которые придумали, как избавиться от побочных эффектов: медикаменты должны действовать локально, и если поместить их прямо на «проблемные зоны», они не принесут вреда.

Для этого разработали пластырь, содержащий наночастицы с «грузом» нужного препарата. Это был препарат Rosi, стимулирующий рецепторы PPARγ (peroxisome proliferator activated receptor gamma), запускающие жиросжигание. Пластырь с десятками крошечных микроигл крепится на кожу, иглы проникают в ткани, разлагаются в течение трех дней и высвобождают препарат в кожу.

Для очистки крови от токсинов используются особые наномагниты. Каждый наномагнит имеет 30 нанометров в диаметре и одного грамма таких магнитов достаточно, чтобы очистить кровь одного человека от конкретного токсина за несколько часов.

Ученые всего мира занимаются поисками материала-основы, который может обеспечивать адекватное окружение для выращивания костной ткани. После того, как кость выращена, эта основа должна разлагаться, либо продолжать быть матрицей, на которой будет функционировать кость. После синтеза кость можно пересадить больному. Обычно для этих целей используют гидроксилапатит. Также, вероятно, многие уже слышали о выращивании «кожи» в химических лабораториях. Ученые этим активно занимаются в сфере тканевой инженерии на данный момент и сейчас уже проходит множество экспериментов, благодаря которым можно будет выращивать, а затем и пересаживать нужные участки кожи на нужные места за короткое время так, чтобы ткань хорошо прижилась к месту. Сфера нанотехнологий активно занимается созданием протезов, которые с легкостью могут заменить различные органы. Именно эта сфера развивается максимально быстро. Протезирование зубов, рук, ног… Ученые стремятся в ближайшем будущем разработать протезы для более важных органов, таких как сердце, легкие, печень, чтобы заменить их полностью при повреждении. Нанотехнологии активно развиваются не только в медицине.

В перспективе 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.

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. Ученые уверяют, что станет возможным «переселение» человеческого интеллекта в компьютер.

Одним из главных планов станет 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. Люди, работающие в сфере нанотехнологий займутся тем, чтобы станции, выпускающие в окружающую среду вредные отходы перестали это делать, снижая вредные вещества и мусор до минимума. Также планируется убрать из производства долго разлагающиеся материалы и производить те, которые быстро разлагаются.

Не стоит забывать, что нанотехнологии – это не только глобальные и редкие изобретения. Технологиями в этой сфере каждый день пользуется каждый из нас. По крайней мере 300 видов потребительских товаров, включая солнцезащитные кремы, зубные пасты и шампуни, делаются с использованием нанотехнологий. Нанодатчик вибрации на телефонах – это тоже нанотехнологии. Теннисные мячи теряют упругость, так как их резиновая основа пористая и пропускает газ, вследствие чего они со временем выпускают воздух (именно потому сдуваются шарики). Чтобы решить эту проблему, ученые покрывают резиновую основу нанослоем глиняного композита, что делает мячики герметичнее и позволяет им дольше оставаться на корте. Грязезащитная одежда представляет собой совершенно невидимое грязе- и водоотталкивающее средство для одежды из шерсти, шелка или синтетики. При этом воздухопроницаемость ткани остается прежней, на вид и на ощупь она остается совершенно без изменений.

Индустрия косметики также активно пользуется нанотехнологиями, но в большей степени естественными, чем искусственными. С помощью них нанотехнологии доставляют важные ферменты не только на поверхность, но и в самые глубокие слои кожи. Обычный размер молекул косметических кремов, лосьонов составляет 3000 нанометров. Через кожу может пройти лишь молекула размером – 15 нанометров. Размер молекул гиалуроновой кислоты - 5 нанометров. Все остальные косметические средства лишь просто закрывают кожу, не проникая внутрь и не способствуют достижению желаемого результата – сохранению нашей молодости кожи. Коэнзим Q10, который тормозит процесс увядания клеток, а также устраняет мелкие морщины. Однако, если на тюбике написано «Q10», но не указано – «липосомы», то быстрого и чудесного эффекта ждать не стоит. Есть кремы, в составе которых находится наилучший антиоксидант – витамин Е, оказывающий омолаживающее действие. Но дело в том, что под воздействием кислорода он быстро окисляется, и ожидаемый результат сводится на нет. В кремах с липосомами этого не произойдёт – витамин Е будет ими доставлен до места назначения в целости и сохранности. В России первые липосомальные кремы – гели с витаминами А и Е выпущены в 1992году фирмой «Низар». Всего насчитывается около 100 наименований процедур. Среди них наиболее популярными являются: биоцеллюлозная 3-D маска, космацевтические линии для омоложения, регенерация, увлажнение, лифтинг, отбеливание кожи, химический нанопилинг, наномезотерапия, микротоковый массаж. Активные ингредиенты всех средств инкапсулированы в липосомы наноразмера, представляющие собой двухслойные структуры, по составу идентичные клеточной мембране человека. Благодаря данному сходству, липосомы стабилизируют инкорпорированные в них активные ингредиенты и обеспечивают высокую биологическую совместимость с клетками кожи.

С применением нанотехнологий ученые создали контактные линзы.

Нанотехнологиям нашлось применение и в еде. Представьте шоколадный коктейль без сахара с усиленным вкусом шоколада. Такой напиток уже есть. Содержащиеся в нем наноразмерные кластеры какао имеют большую площадь поверхности, и как только они сталкиваются с вкусовыми сосочками на языке, то производят громадное вкусовое воздействие. При этом нет необходимости добавлять подсластители.

Оксид алюминия – активный ингредиент в солнцезащитных средствах, поглощающих ультрафиолетовые лучи – распадается при смешивании с другими молекулами, такими как пот на коже. Поместите эти активные ингредиенты в наноэмульсию, и они останутся отделенными от окружающей среды и смогут выполнять свою поглощающую функцию.

Многие белки и витамины не растворяются в воде, а потому их сложно добавлять в еду. Но если разбить их на нанокапли, проблема будет решена. Каноловое масло содержит нанокапли фитостеролов, которые позволяют держать на низком уровне содержание холестерина, а потому можно есть жареных цыплят круглые сутки и при этом не страдать от последствий накопления холестерина в организме.

Существует такая технология, как Silver Nano от компании Samsung Electronics. Она актуальна не только для стиральных машин, но и для холодильников. Эта технология поддерживает санитарию в холодильном агрегате посредством применения последнейших нанотехнологий. Технология Silver Nano предусматривает покрытие бытовой техники Samsung тонким слоем серебра, что в холодильниках продлевает срок хранения продуктов, а в стиральных машинах уничтожает бактерии при стирке даже в холодной воде.

Таким образом, можно сказать, что нанотехнологии присутствуют в нашей жизни ежедневно. Иногда мы это не замечаем, но это и не значит, что они отсутствуют вовсе.

Статистика капиталовложений стран в область нанотехнологий:

В 2004 году мировые инвестиции в сферу разработки нанотехнологий почти удвоились по сравнению с 2003 годом и достигли $10 млрд. На долю частных доноров — корпораций и фондов — пришлось примерно $6,6 млрд инвестиций, на долю государственных структур — около $3,3 млрд. Налоговые отчисления портфельных компаний превысили 152 млрд рублей накопленным итогом на конец 2019 года и уже в 2018 году окупили вклад государства при создании РОСНАНО в 130 млрд руб. Только в прошедшем году нанотехнологическими компаниями было выплачено 20 млрд рублей налогов. Россия делает ставку на нанотехнологии. Основным игроком на этом рынке стало государство. С участием бюджетных денег реализуются уже десятки проектов с инвестициями свыше 300 млрд рублей.

Согласно годовому отчету РОСНАНО, в 2018 году выручка от реализации продукции отечественных предприятий наноиндустрии составила 2 трлн рублей и такой же уровень ожидается по итогам 2019 года. Всего мировой рынок наноиндустрии на текущий момент составляет примерно 6 трлн долларов и прирастает на 15% ежегодно.

Возможности использования нанотехнологий практически неисчерпаемы - начиная от микроскопических компьютеров, убивающих раковые клетки, и заканчивая автомобильными двигателями, не загрязняющими окружающую среду.

Нанотехнологии на сегодняшний день находятся в младенческом возрасте, тая в себе огромный потенциал. В дальнейшем ученым предстоит решить множество вопросов, связанных с нанонаукой, и постигнуть ее глубочайшие тайны. Но, несмотря на это, нанотехнологии уже оказывают очень серьезное влияние на жизнь современного человека.

Ссылки на интернет-ресурс

Нанотехнологии [Википедия] свободная энциклопедия 2001. № 1. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B0%D0%BD%D0%BE%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D1%8F

Нанотехнологии и области их применения. Справка [РИА новости] информационное агенство 1941. URL: https://ria.ru/20081203/156376525.html