Ерёмин В.В ,Дроздов А.А.Нанохимия и нанотехнология(часть 3)

В.В.ЕРЕМИН,
А.А.ДРОЗДОВ

ЛЕКЦИЯ № 3
Нанотехнология

Фундаментальные и прикладные исследования: связь нанонауки и нанотехнологии

Предложенные физиками и химиками методы получения наночастиц (см. лекцию № 2) можно сравнить с лабораторными способами получения аммиака или серной кислоты. Очевидно, что производство ставит перед учеными и технологами более крупномасштабные задачи. Возьмем в качестве примера беспроводное наноустройство, излучающее свет. Оно состоит из тончайшего слоя полупроводника – нитрида галлия – толщиной всего 3 нм, т.е. состоящего лишь из десятка атомных слоев. Сверху на него нанесены наносферы – модифицированные молекулы фуллеренов, которые, принимая электроны, излучают свет. Первоначальная химическая задача состоит в том, чтобы получить вещества в наносостоянии, но гораздо сложнее задача технологическая – сформировать их так, чтобы получилось устройство и это устройство работало.

В процессе развития наших представлений о наномире понятие о нанотехнологии претерпело несколько изменений. Впервые термин «нанотехнология» употребил в 1974 г. японский инженер Норио Танигучи, который определил его как «технологию производства, позволяющую достигать сверхвысокую точность и ультрамалые размеры ...порядка 1 нм» [1].

Под влиянием американского ученого К.Э.Дрекслера [2] нанотехнологией в 1980-е и 1990-е гг. стали называть создание различных устройств из отдельных молекул. В качестве перспектив нанотехнологии описывались, например, миниатюрные автономные нанороботы, которые запускались в человеческий организм и, плавая по кровеносной системе, находили больные органы, а затем осуществляли их «ремонт». При этом под нанотехнологией понимали область науки. Однако более близким к истине стало определение нанотехнологии, данное А.Франксом в 1987 г. [3]: «Нанотехнология – это производство с размерами и точностями в области 0,1–100 нм».

Действительно, пока «молекулярные машины» Дрекслера создавались с помощью формул и компьютерного моделирования, происходило неуклонное совершенствование традиционных технологий, которые за счет повышения точностных характеристик вступили в область нанотехнологии. Нагляднее всего это проявилось в развитии микроэлектроники: с субнанометровой точностью уже производятся микросхемы, характерные размеры активных электронных элементов в которых менее 100 нм. Микроэлектронные технологии послужили также основой создания микроэлектромеханических устройств, требования к точности изготовления которых существенно превзошли порог 100 нм. Поэтому в последние годы термин «нанотехнология» связан, в первую очередь, с практическим применением объектов наномира.

Четкое определение нанотехнологии дано госкорпорацией Роснанотех [4], которая занимается финансированием инновационных проектов в области нанотехнологии*:

Нанотехнологии – совокупность методов и приемов, применяемых при изучении, проектировании, производстве и использовании структур, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и модификацию формы, размера, интеграции и взаимодействия составляющих их наномасштабных элементов (1–100 нм) для получения объектов с новыми химическими, физическими, биологическими свойствами.

В этом длинном определении несколько ключевых выражений. Во-первых, определен масштаб наноэлементов – от 1 до 100 нм хотя бы в одном измерении. Во-вторых, подчеркнуто, что эти наноэлементы должны обусловливать новые свойства по сравнению с объектами, состоящими из макрофазы вещества такого же состава. На самом деле, в составе любого вещества есть наноструктуры, но далеко не всегда они определяют свойства вещества. Например, размер элементарных ячеек кристаллов фуллерена превышает 1 нм, а в составе обычной жидкой воды существуют нанометровые кластеры; но порошок фуллерена и воду не относят к объектам нанотехнологии.

В-третьих, определение отражает междисциплинарный характер нанотехнологии – в ее развитии участвуют все ключевые естественные науки, а также математика и информационные технологии. Научное содержание нанотехнологии передается словом «изучение». Все существующие технологии, и «нано» – не исключение, основаны на достижениях фундаментальной науки.

И, наконец, в определении указаны цели нанотехнологии – проектирование, производство и использование наноструктур. Главное слово в определении цели – последнее, «использование». Основная цель нанотехнологии, как и любой другой технологии, – производство товара и получение прибавочной стоимости, поэтому состояние и развитие нанотехнологии определяются рыночными механизмами. В контексте нанотехнологий часто употребляют слово «инновация», означающее научное открытие, доведенное до уровня практического использования. Инновационный путь включает ряд этапов (схема).

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Нанотехнология, в принципе, охватывает все этапы этой цепочки, тем самым объединяя в себе научную, производственную и экономическую стороны деятельности.

Какие же достижения нанонауки уже нашли свое применение или обещают это сделать в ближайшем будущем? Рассмотрим несколько примеров из разных областей науки.

Механические наноустройства

Одну из научных основ нанотехнологии составляет наномеханика, исследующая механические свойства наносистем. Для управления свойствами наномира надо овладеть, в первую очередь, механическим движением и научиться контролировать перемещения отдельных наночастиц – поступательные или вращательные. К числу самых интересных проблем наномеханики относится создание наномоторов – устройств, способных превращать тепловую, электрическую или световую энергию в движение. Другое название этих устройств – актюаторы (от англ. act – действовать). Такие моторы существуют и в природе – с их помощью перемещаются некоторые бактерии. К клетке бактерии прикреплен миниатюрный жгутик, колебания которого и приводят микроорганизм в движение. «Вал» этого двигателя представляет собой белковую молекулу, а «топливом» служит аденозинтрифософат (АТФ).

Простейший искусственный наномотор работает под действием разности температур [5]. Он представляет собой длинную цилиндрическую нанотрубку, на которую надета более короткая полая нанотрубка (рис. 1). Обе нанотрубки собраны из атомов углерода. Вторая трубка может перемещаться относительно первой под действием разницы температур – от более теплого края первой трубки к более холодному, причем амплитуду перемещения можно контролировать с точностью до диаметра одного атома. Более того, к движущейся нанотрубке можно прикрепить «груз» и тем самым превратить данное механическое устройство в наноконвейер. Движение в данной системе осуществляется за счет колебаний атомов в первой (неподвижной) нанотрубке.

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Рис. 1. Тепловой наномотор на основе углеродных нанотрубок

А вот пример искусственного актюатора, преобразующего энергию света в механическую работу. Его действие основано на способности азобензола изомеризоваться под действием света. При УФ-облучении трансизомер превращается в цисформу, а обратная реакция происходит при нагревании или под действием видимого (синего) света:

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

При изомеризации одна часть молекулы поворачивается относительно другой, при этом совершается механическая работа, которая может быть использована в наномоторе.

Американские ученые создали наномотор из небольшой молекулы ДНК (31 пара нуклеотидов), к которой присоединены несколько молекул азобензола [6]. В собранном виде эта структура напоминает шпильку (рис. 2, а). При УФ облучении «шпилька» раскрывается за счет изомеризации азобензола (рис. 2, б), а при действии видимого света происходит обратное превращение – «шпилька» собирается. В собранном виде размер такого наномотора (L₁) составляет от 2 до 5 нм, а в открытом (L₂) – 10–12 нм. Его КПД, т.е. степень конверсии световой энергии, достигает 40–50 %. Наномотор работает обратимо, в мягких условиях и не дает отходов.

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Рис. 2. Наномотор, работающий на энергии света. В закрытой структуре азобензол находится в трансформе (а). При изомеризации азобензола структура раскрывается (б). Белым шариком изображена метка, черным – тушитель флуоресценции


Для наблюдения за ходом реакции к концам нуклеотидной цепи прикрепили две молекулы – одна (флуоресцирующая метка) способна испускать свет при облучении, а другая (тушитель флуоресценции) препятствует этому процессу. В закрытом состоянии тушитель и метка находятся рядом, поэтому флуоресценции не происходит. Когда структура раскрывается, тушитель и метка расходятся и уже не взаимодействуют друг с другом, что приводит к появлению флуоресценции.

Американские ученые создали наноаналог настоящего электродвигателя. Он состоит из крошечной золотой пластинки, размещенной на «нановалу» – углеродной нанотрубке. Вся эта система находится в окружении электродов. При подаче на них переменного электрического напряжения пластинка начинает вращаться – электромагнитная энергия преобразуется в механическую работу.

Механическое движение можно осуществлять и за счет химической энергии. На этом основана работа каталитического наномотора, созданного в 2004 г. [7]. Он состоит из цилиндрических стержней, содержащих сегменты платины и золота длиной по 1 мкм и диаметром 370 нм (рис. 3, см. с. . Топливом служит пероксид водорода, который в присутствии платины разлагается на кислород и воду. Выделяющийся газ создает избыточное давление, которое обеспечивает поступательное движение стержней со скоростью до 20 мкм/с.

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Рис. 3. Каталитический наномотор

Ученые создали и молекулярный прототип лунохода – молекулу, способную прямолинейно перемещаться по ровной поверхности [8]. Химическое название этого соединения – 9,10-дитиоантрацен:

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Его молекула содержит два атома серы, которые выступают из циклического остова и действуют как «ноги». Большинство других молекул перемещаются по поверхности хаотично, т.е. в произвольном направлении, а данная молекула – исключение. Два атома серы работают как ноги, поочередно переступая которыми молекула передвигается по подложке вдоль прямой линии (рис. 4), не изменяя своего направления. Такие «ходячие молекулы» могут быть использованы для создания новых молекулярных средств хранения данных чрезвычайно большой емкости. Но с их помощью можно и переносить вещества – ученым удалось нагрузить ходячую молекулу, присоединив к ней две молекулы CO₂.

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Рис. 4. «Нанопешеход» – 9,10-дитиоантрацен
на поверхности меди (изображение с сайта [Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]


В последнее время созданы и «самоходные устройства», по внешнему виду отдаленно напоминающие автомобили [9]. В роли корпуса автомобиля выступает органическая молекула, а колесами служат фуллерены С₆₀ (рис. 5). По ширине такой «наноавтомобиль» чуть превосходит толщину молекулы ДНК. На поперечном срезе человеческого волоса способны разместиться около 20 тысяч наноавтомобилей! При помощи сканирующего микроскопа ученые точно установили, что наноавтомобили не шагают, а именно катятся по поверхности благодаря вращению фуллереновых колес. Сейчас их приводят в движение, нагревая золотую пластинку, которая играет роль дороги. Однако это неудобно – ведь нагрев приводит в движение сразу все автомобили. В настоящее время ученые работают над созданием антенн, которые позволяли бы машинам получать световую энергию извне.

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Рис. 5. Структурная формула «наноавтомобиля»


Созданы и машины с мотором, по принципу действия напоминающим колесные пароходы. Роль вращающегося колеса, служащего мотором, играет молекула карборана, напоминающая шар с лопастями. Такой «лопастный» двигатель может вращаться только в одну сторону – «задний ход» молекулы не дают.

Пока сборку подобных устройств проводят практически «вручную». Для этого чаще всего используют иглу атомно-силового микроскопа. Так, шаг за шагом, молекула за молекулой ученые и создают интересные и полезные наноструктуры.

Магнитные наноматериалы

Другое важное применение наночастиц связано с явлением магнетизма. Напомним, как подразделяют вещества по их магнитным свойствам.

Частицы, в которых нет неспаренных электронов, образуют вещества, не имеющие собственного магнитного момента. Они намагничиваются лишь под действием внешнего магнитного поля. При внесении такого вещества в магнитное поле в каждом его атоме, в силу закона электромагнитной индукции, возникают индуцированные круговые токи – круговое движение электронов вокруг направления магнитного поля. Это приводит к тому, что в каждом атоме возникает индуцированный магнитный момент, направленный навстречу внешнему магнитному полю. Описанное явление назвали диамагнетизмом, а вещества, которые намагничиваются таким образом, – диамагнетиками. При внесении в магнитное поле диамагнетик ориентируется перпендикулярно силовым линиям поля, что приводит к его выталкиванию из неоднородного магнитного поля.

Атомы с неспаренными электронами обладают собственным магнитным моментом. Вещества, в состав которых входят такие атомы, под действием внешнего магнитного поля намагничиваются и втягиваются в него. Такое свойство называют парамагнетизмом, а вещества – парамагнетиками. Частицы, из которых построены парамагнетики (атомы, молекулы, ионы), обладают собственным магнитным моментом, но в отсутствие внешнего поля моменты отдельных частиц ориентированы случайным образом, так что их сумма равна нулю. Во внешнем поле магнитные моменты атомов парамагнитных веществ упорядочиваются и ориентируются преимущественно по полю. Это создает в веществе небольшой суммарный магнитный момент.

В некоторых веществах и материалах, например железе, магнитные моменты отдельных атомов ориентированы в одну и ту же сторону даже в отсутствие внешнего магнитного поля. Это свойство называют ферромагнетизмом, а вещества – ферромагнетиками. Они притягиваются к постоянным магнитам и обладают самопроизвольной намагниченностью. К их числу принадлежат некоторые металлы (железо, кобальт, никель, гадолиний), сплавы, интерметаллиды (Fe3Al, Ni3Mn), а также оксиды (магнетит Fe3O4). Ферромагнитные свойства вещества исчезают при нагревании его до определенной температуры, называемой температурой Кюри. Для железа она составляет 770 °С, для никеля – 358 °С. При низких температурах ферромагнетизмом обладают и некоторые соли, комплексные соединения. Наиболее сильные постоянные магниты получают сплавлением железа, неодима и бора. Их применяют в электромоторах, генераторах, различных датчиках.

В последние годы вместо массивных магнитов, получаемых прессованием или спеканием, часто используют магнитопласты, представляющие собой смесь магнитного порошка и полимерного связующего. Всем пользующимся общественным транспортом хорошо знакомы нанесенные на билет гибкие пластиковые ленты, покрытые тонким магнитным слоем магнетита или ферритов. Эти ленты предварительно намагничивают, превращая их в носитель информации, которую и считывает валидатор. Магнитные материалы используют и для хранения информации в компьютерных элементах памяти. Основной механизм хранения информации заключается в намагничивании в определенном направлении малой области магнитного материала, называемой битом. Объем сохраняемой информации принято выражать в байтах, один байт позволяет хранить 8 бит информации.

При плотности хранения информации в 1 гигабит (т.е. один миллиард бит) на квадратный дюйм (1 дюйм = 2,54 см, 1 дюйм2 = 6,45 см2) отдельный бит занимает область длиной 45 нм и шириной 1 мкм. Для увеличения плотности записи информации требуется производить наноразмерные магнитные порошки, т.е. состоящие из наночастиц. Каждая частица (домен) должна находиться в одном из двух состояний (их называют «логический 0» и «логическая 1») и при внешнем воздействии переключаться с одного состояния на другое. Отдельные домены, взаимодействуя между собой, формируют структуру, которая и выступает хранителем информации.

Чем меньше размер магнитных частиц, тем большей плотности информации удается достичь. Сейчас уже созданы диски с плотностью записи более 20 Гбит на квадратный дюйм. Это позволяет хранить на 3,5-дюймовом жестком диске около 27 Гбайт данных, что составляет более 25 тыс. книг карманного формата или 20 кинофильмов, записанных с высоким качеством. Такой успех оказался возможным благодаря использованию магнитных нанозерен сплава железа с платиной. Для их получения соединения железа и платины нагревали в присутствии восстановителя. Для стабилизации образовавшихся наночастиц использовали поверхностно-активное вещество (ПАВ) – олеиновую кислоту. Молекулы олеиновой кислоты адсорбировались на поверхности наночастиц сплава, препятствуя их слипанию и образованию более крупных агрегатов. Раствор, содержащий наночастицы, наносили на подложку и упаривали. При этом на подложке образовывалась тонкая пленка, состоящая из отдельных наночастиц. Для упрочнения ее нагревали. Размер наночастиц сплава, образующих пленку, составляет всего три нанометра!

Особый тип магнитных наноматериалов представляют собой пористые диамагнетики, в пустотах которых находятся ферромагнитные наночастицы. Примером может служить ферритин – особый белок, ответственный за хранение железа в организме. Молекула ферритина имеет форму шара диаметром 12 нм, составленного из 24 субъединиц – полипептидных фрагментов (pиc. 6). Внутри шара имеется полость диаметром 8 нм, заполненная наночастицами оксогидроксида железа FeOOH. Одна молекула ферритина удерживает в полости более 4000 атомов железа. Ферритин – это универсальное хранилище железа в организме. При необходимости через поры, имеющиеся внутри белковой оболочки, наночастицы оксогидроксида железа размером 5 нм выходят наружу и попадают в кровь. Они расходуются на синтез гемоглобина. Как ферритин «узнает» о необходимости отдать железо в кровь, пока не установлено. Ученые работают над созданием искусственных наноматериалов, в которых частицы оксогидроксида железа или магнетита входят в состав пористой матрицы. О перспективах использования ферромагнитных частиц в медицине мы расскажем в следующем разделе.

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Рис. 6. Ферритин


В ряду ферромагнитных наноматериалов особое место занимают ферромагнитные жидкости. Может ли жидкость притягиваться магнитом? На первый взгляд кажется, что нет. Ведь ферромагнетизмом обладают лишь некоторые металлы и их соединения, а они все при комнатной температуре представляют собой твердые вещества. Однако ферромагнитные жидкости все-таки существуют [10]. Только представляют собой они не индивидуальные вещества, а коллоидные растворы, в которых ферромагнитные частицы равномерно распределены в жидкой фазе. Обычно используют наночастицы магнетита Fe3O4 или ферриты. А чтобы они не оседали на дно, к ним прикрепляют молекулы ПАВ. Размеры коллоидных частиц меняются в широких пределах – от пяти до десятков тысяч нанометров. В качестве жидкой фазы при создании магнитных жидкостей используют воду, этанол, а также неполярные растворители – углеводороды, силиконы. Магнитные жидкости сохраняют устойчивость в течение нескольких лет. Они обладают не только хорошими магнитными свойствами, но и высокой текучестью.

Магнитные жидкости уже сейчас находят применение в технике. С их помощью можно осуществлять преобразование механической энергии в электрическую. Если ампулу с магнитной жидкостью поместить внутрь индукционной катушки, соединенной с конденсатором, то при каждом сотрясении ампулы жидкость будет перемешиваться, а ее частицы располагаться вдоль магнитного поля. Выделяющейся при этом энергии может хватить на работу небольшого радиоприемника, карманных часов. Предлагается создать основанные на этом принципе устройства, преобразующие энергию капель дождя в электрический ток. А если магнитную жидкость пустить по специальным каналам, вырытым в земле, то ее частицы будут ориентироваться под действием магнитного поля Земли, а затем отдавать эту энергию катушке. Так энергия магнитного поля Земли преобразуется в электрическую. Подобные системы уже с успехом применяются для снабжения электроэнергией отдельных загородных домов.

Для приготовления магнитной жидкости необходимо получение нано- или микрочастиц магнитного вещества, которое ее образует. Используют для их получения как физические (измельчение или лазерное испарение металла), так и химические методы. В школьной лаборатории можно осуществить синтез магнитной жидкости, представляющей собой коллоидный раствор магнетита в воде. Правда, частицы магнетита, полученные этим способом, имеют размер примерно один микрон, т.е. 1000 нм.

Лабораторный опыт. Приготовление и свойства магнитной жидкости – коллоидного раствора магнетита Fe₃O₄ в воде.

Смешайте 3 мл свежеприготовленного 5%-го раствора сульфата железа(II) и 4 мл 5%-го раствора сульфата железа(III). К полученной смеси добавьте несколько капель раствора олеата натрия (или другого ПАВ, например каплю моющего средства Fairy), а затем прибавляйте водный раствор аммиака. Колбу с полученным коллоидным раствором поставьте на постоянный магнит (лучше взять кольцевой магнит из динамика), выдержите несколько часов, а затем слейте верхний слой, удерживая густую массу магнитом. Полученная масса и представляет собой магнитную жидкость. Налейте магнитную жидкость тонким слоем в плоскую чашку и поднесите к ней магнит так, чтобы магнитные линии входили в нее вертикально. Жидкость меняет свою форму, покрываясь «шипами», напоминающими колючки ежа. Опустите в жидкость постоянный магнит. Что с ним происходит? Тонет ли он? При проведении опытов старайтесь не сотрясать магнитную жидкость и не оставляйте ее рядом с магнитом на длительное время.

Нанотехнологии в медицине

Одна из главных задач, которые человечество решает на протяжении почти всей своей истории, – улучшение качества жизни. Решающая роль здесь принадлежит медицине.

В основе здоровья человека лежат биологические процессы и явления, которые, в свою очередь, имеют молекулярную основу. Современная медицина, формировавшаяся на протяжении всего XX в., базируется на молекулярном подходе. Он начался с появления антибиотиков, вошедших в практику в 1935–1945 гг. и широко применяющихся по сей день. Антибиотики активно препятствуют метаболизму и росту микробов на молекулярном уровне. Вслед за антибиотиками были созданы противогрибковые, противопаразитные и противовирусные препараты более направленного действия. Другим поворотным моментом была революция в генетике, которая началась с открытия в 1953 г. двойной спиральной структуры ДНК. Она получила продолжение в 1980-х гг. в связи с появлением возможности анализа генетического кода, выделения отдельных генов и их клонирования. Новая революция в медицине ожидается в XXI в. с появлением приборов и систем, работающих полностью на молекулярном уровне. Путь к этой цели лежит через нанотехнологию и молекулярное производство.

В книге «Engines of Creation» («Машины созидания») К.Э.Дрекслер предсказал, что нанотехнология приведет к фундаментальным открытиям и радикальным изменениям в медицине. Отмечая, что врачи ХХ в. полагались, главным образом, на хирургию и лекарства, Дрекслер пишет: «От зашивания ран и ампутации органов хирурги перешли на более высокую ступень – они научились восстанавливать работу сердца и приживлять конечности. При помощи микроскопов и точных микроинструментов они соединяют тонкие кровеносные сосуды и нервы. Но даже самый искусный микрохирург не может разрезать и сшивать более тонкие тканевые структуры. Современные скальпели и материалы для швов слишком грубы, чтобы оперировать капилляры, клетки и молекулы… С точки зрения клетки, даже самая деликатная хирургическая операция, выполненная мастерски и самыми тонкими инструментами, – работа мясника. Заживление становится возможным только благодаря способности клеток отторгать мертвые клетки, перегруппировываться и размножаться. Лекарственная терапия, в отличие от хирургии, имеет дело с самыми тонкими структурами в клетках. Молекулы лекарств – это простые молекулярные машины. Они оказывают воздействие на конкретные молекулы клеток… Однако действие молекул лекарственных препаратов не носит направленного характера… Хотя молекулы лекарств оказывают воздействие на ткани на молекулярном уровне, они слишком примитивны, чтобы чувствовать, планировать и действовать самостоятельно. Молекулярные машины, управляемые нанокомпьютерами, откроют перед врачом новые возможности. Они представляют собой системы, объединяющие сенсоры, программы и молекулярные инструменты, которые могут проводить обследование и «чинить» элементарные компоненты конкретных клеток. С их появлением хирургия перейдет в молекулярную область. Если в течение десяти-пятнадцати лет в разработке [молекулярных] ассемблеров произойдет качественный скачок, то к 2020 г. можно ожидать появления совершенно новой области – наномедицины».

Сейчас под наномедициной скромно понимают «применение макромолекул и наночастиц для диагностики и лечения заболеваний, а также восстановления поврежденных тканей»** [11, 12]. Однако ожидается, что в будущем наномедицина может обеспечить всесторонний мониторинг, контроль, построение, восстановление, защиту и усовершенствование всех биологических систем человека на молекулярном уровне с использованием наноразмерных технических устройств и наноструктур.

В XXI в. наномедицина вооружит врача новейшими техническими средствами. Они облегчат и ускорят процедуру лечения и существенно повысят его эффективность, результативность и точность. Однако клиническая практика сохранит классический характер. Как и прежде, она будет состоять из шести традиционных этапов:

• обследование;

• диагностика;

• прогноз;

• лечение (терапия);

• оценка эффективности лечения;

• профилактика.

На сегодняшний день наномедицина повлияла наибольшим образом на диагностику и лечение некоторых заболеваний.

В последние десятилетия важнейшими средствами диагностики стали магнитный резонанс и компьютерная томография. Нанотехнология помогает резко увеличить порог чувствительности этих методов, довести его до клеточного или даже субклеточного уровня и, как следствие, обнаружить заболевание на его самой ранней стадии. Так, вводя в кровь магнитные наночастицы железа, которые вследствие своего размера свободно перемещаются по кровеносной и лимфатической системам, можно с помощью магнитного резонанса обнаружить области с нарушенным кровотоком, например метастазы.

Суть этого метода такова: в организм внутривенно вводят наночастицы железа, организм реагирует на их присутствие как на инородное тело, и макрофаги (клетки иммунной системы) пытаются его «скушать». При этом, по сути, происходит метка макрофагов железом. Далее макрофаги циркулируют по лифматической системе, попадают в кровоток в яремную вену, а оттуда – в метастаз (рис. 7), где и обнаруживаются. Недостатком метода является то, что он неспецифичен, поскольку макрофаги как средства защиты организма могут накапливаться не только в метастазах и опухолях, но и в любом очаге воспаления.

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Рис. 7. Обнаружение метастаза
с помощью магнитных наночастиц


Другие частицы, например квантовые точки, способны накапливаться в злокачественных опухолях. При облучении квантовые точки начинают светиться – флуоресцируют, благодаря чему их можно обнаружить даже в очень малой концентрации. Широкому применению квантовых точек препятствует их токсичность, однако в последние годы ученые научились наносить на них защитные покрытия без потери флуоресцентных свойств.

В области терапии наибольшие перспективы наномедицины связаны с доставкой лекарств. В первую очередь это относится к противоопухолевым препаратам. Для некоторых видов рака уже созданы технологии доставки традиционных лекарств в нанокапсулах непосредственно к клеткам опухоли. Разрабатываемые в настоящее время лекарства нового поколения будут проникать непосредственно внутрь пораженных клеток и уничтожать их.

Исследователи из Южной Кореи предложили способ обнаружения и уничтожения раковых клеток с использованием полых наночастиц золота [13]. К поверхности наночастиц прикреплены антитела, которые позволяют присоединяться к раковым клеткам. В них также содержится гадолиний, который служит контрастным агентом для магнитного резонанса и позволяет увидеть пораженные клетки. При облучении наночастиц ИК-лазером они нагреваются, и тепло уничтожает окружающие раковые клетки. Такие наноструктуры лишены недостатков обычных контрастных агентов на основе оксида железа. Железо приводит к интерференции и негативным контрастным эффектам, что дает ошибки в диагнозе. Конструкция на основе наночастиц золота дает более четкий сигнал и более правильный диагноз.

Новый метод может быть эффективным на ранней стадии заболевания, поскольку, в отличие от химиотерапии, которая действует на весь организм, он предусматривает обработку отдельных его участков.

Другой перспективный подход основан на использовании специально сконструированных супрамолекулярных*** наночастиц, ядро которых составляют дендримеры – сильно разветвленные объемные молекулы, содержащие на внешней поверхности большое число активных функциональных групп (рис. 8, см. с. 14).

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Рис. 8. Схема дендримера – молекулы,
сконструированной для доставки лекарств


К некоторым из этих групп присоединяют молекулы фолиевой кислоты. Опухолевые клетки связывают фолиевую кислоту значительно прочнее, чем здоровые. А с другими функциональными группами дендримера соединены молекулы противоопухолевого вещества, и когда пораженная клетка поглощает дендример с фолиевой кислотой, она вместе с ним принимает смертоносное для себя лекарство. Кроме того, лекарственное средство, как в капсуле, может располагаться и в пространстве между цепочками дендримера (так называемая внутренняя сфера). Попадая внутрь опухоли, молекула дендримера меняет конформацию цепей, и лекарство высвобождается. Эксперименты на мышах показали, что применение таких супрамолекулярных лекарственных средств оказывается намного эффективнее традиционной химиотерапии. Клинические испытания на людях начнутся в ближайшее время, а широкое использование препарата ожидается не ранее, чем через 10 лет.

Достижения наномедицины пока еще довольно скромны. Однако огромные инвестиции в эту перспективную область неизбежно приведут к тому, что через несколько десятков лет медицину так же невозможно будет представить без нанотехнологий, как сейчас – без анализа крови или рентгеновских аппаратов.

Развитие нанотехнологий

Мы рассмотрели результаты только небольшой части исследований в области нанонауки и нанотехнологий. О некоторых других достижениях, тесно связанных с нанохимией, пойдет речь в последующих лекциях. Количество работ в сфере «нано» резко увеличивается с каждым годом. Многие из проектов имеют под собой реальную основу, например эффективный водородный двигатель, системы детектирования злокачественных опухолей, устройства хранения информации со сверхвысокой плотностью записи. Другие, такие, как космический лифт или медицинские нанороботы, более фантастичны и, скорее всего, так и останутся нереализованными. Однако до сих пор общество возлагает на нанотехнологии большие надежды, связанные с созданием новых источников энергии, обеспечением потребностей в чистой воде и воздухе, улучшением здоровья и увеличением продолжительности жизни, развитием информационных технологий.

Зависимость реакции общества на появление новых технологий от времени всегда одинакова: быстрый рост неоправданных ожиданий сменяется таким же быстрым разочарованием, за которым наступает долгий период стабилизации, планомерной работы и эволюционного развития (рис. 9). В настоящий момент мы находимся вблизи пика необоснованных ожиданий, хотя непонятно, с какой стороны – слева или справа.

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]


Рис. 9. Этапы, сопровождающие развитие новой технологии
(из лекции акад. Ю.Д.Третьякова для руководства Роснанотех)


Перспективы развития нанотехнологий будут определяться многими факторами, суммарное воздействие которых предсказать невозможно. Однако некоторые утверждения, связанные с будущим нанотехнологий, выглядят бесспорными.

1. Объем знаний в нанонауке постоянно растет. Небольшая часть этих знаний может быть трансформирована в технологии, остальные представляют собой достижения фундаментальной науки.

2. Экономический рост и развитие технологий, в первую очередь, определяются образованием как процессом приобретения и применения знаний в различных областях.

3. В основе нанотехнологий лежат естественные науки: физика, химия, биология и математика. Поэтому развитие нанотехнологий потребует от общества распространения и поддержки естественно-научного образа мышления. Это повлияет на систему образования и приведет к сокращению роли гуманитарных знаний, которые в современном обществе доминируют над естественно-научными.

Нам, как преподавателям химии, очень хочется надеяться на повышение роли нашей научной дисциплины в обществе в целом и в школе в частности. Нанотехнологии обещают в этом помочь.

Вопросы

1. Объясните, чем отличается нанонаука от нанотехнологии.

2. Какие этапы включает инновационная цепочка?

3. Что может служить источником энергии для наномоторов?

4. Приведите пример природного нанодвигателя.

5. Опишите устройство наномотора, преобразующего световую энергию в механическую работу.

6. Что вызывает перемещение наноавтомобиля по поверхности?

7. Среди перечисленных ниже веществ выберите: а) диамагнетики; б) парамагнетики; в) ферромагнетики.

Кислород, железо, натрий, оксид углерода(IV), алюминий, оксид железа(II, III).

8. Что такое ферритин? Какую роль он играет в организме?

9. Дайте определение наномедицине.

10. В чем, на ваш взгляд, может состоять преимущество наномедицины перед традиционной?

11. Верите ли вы в будущее нанотехнологий?

Л и т е р а т у р а

1. Taniguchi N. On the Basic Concept of NanoTechnology. Proc. ICPE Tokyo, 1974, v. 2, p. 18–23.

2. Drexler K.E. Molecular engineering: An approach to the development of general capabilities for molecular manipulation. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1981, v. 78, № 9, p. 5275–5278.

3. Franks A. Nanotechnology. J. Phys. E: Sci. Instrum., 1987, v. 20, p. 1442–1451.

4. [Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку] – сайт госкорпорации Роснанотех.

5. Barreiro A. e. a. Subnanometer Motion of Cargoes Driven by Thermal Gradients Along Carbon Nanotubes. Science, 2008, v. 320, p. 775–778.

6. Kang H. e. a. Single-DNA Molecule Nanomotor Regulated by Photons. Nano Lett., 2009, June 5.

7. Paxton W.F. e. a. Catalytic Nanomotors: Autonomous Movement of Striped Nanorods. J. Am. Chem. Soc., 2004, v. 126, № 41, p. 13 424–13 431.

8. Kwon K. e. a. Unidirectional Adsorbate Motion on a High-Symmetry Surface: «Walking» Molecules can Stay the Course. Phys. Rev. Lett., 2005, v. 95, № 16, p. 166 101.

9. Shirai Y. e. a. Directional Control in Thermally Driven Single-Molecule Nanocars. Nano Lett., 2005, v. 5, p. 2330–2334.

10. Сенатская И., Байбуртский Ф. Магнитная жидкость. Наука и жизнь, 2002, № 11.

11. [Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]

12. [Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]

13. Yong Taik Lim e. a. Paramagnetic gold nanostructures for dual modal bioimaging and phototherapy of cancer cells. Chem. Commun., 2008, p. 4930.

* [Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]

** Определение, данное Национальным институтом здоровья (NIH) США.

*** Супрамолекулярной называют составную частицу (супермолекулу), собранную из отдельных молекул за счет слабых нековалентных взаимодействий.