Введение
Слышали ли вы о нанотехнологиях? Я думаю да, и неоднократно. Нанотехнологии- высокотехнологичная отрасль, работающая с отдельными атомами и молекулами.Такая сверхточность позволяет на качественно новом уровне использовать законыприроды на благо человека. Разработки в области нанотехнологий находятприменение практически в любой отрасли: в медицине, машиностроении,геронтологии, промышленности, сельском хозяйстве, биологии, кибернетике,электронике, экологии. С помощью нанотехнологии возможно осваивать космосочищать нефть, победить многие вирусы, создавать роботов, защищать природу,построить сверхбыстрые компьютеры. Можно сказать, что развитие нанотехнологий вXXI веке изменит жизнь человечества больше, чем освоение письменности, паровоймашины или электричества. Наномир сложен и пока еще сравнительно мало изучен, ивсе же не столь далек от нас, как это казалось несколько лет назад. В своейработе я постараюсь популярно объяснить сущность нанотехнологий и рассказать одостижениях в этой отрасли науки. Так как считаю ее наиболее актуальной ивостребованной на сегодняшний день.
1.Что же такое нанотехнологии и «счем их едят»
Приставка «нано» (по-гречески—«карлик») означает «одна миллиардная доля». То есть один нанометр (1 нм)— однамиллиардная доля метра (10–9 м). Как представить себе такую короткуюдистанцию? Проще всего это сделать с помощью денег: нанометр и метр соотносятсяпо размеру как копеечная монета и Земной шар. Или уменьшим слона до размеровмикроба (5000 нм) — тогда блоха у него на спине станет величиной как раз внанометр. А если бы рост человека вдруг уменьшился до нанометра, то мы могли быиграть в футбол отдельными атомами! Толщина листа бумаги казалась бы нам тогдаравной 170 километрам. Нанометрами измеряются лишь самые примитивные существа —вирусы (их длина в среднем 100 нм). Живая природа заканчивается на рубежепримерно в 10 нм — такие размеры имеют сложные молекулы белков. Простыемолекулы в десятки раз меньше. Величина атомов — несколько ангстрем (1 ангстрем= 0,1 нм). Например, диаметр атома кислорода — 0,14 нм. Здесь проходит нижняяграница наномира, мира наномасштабов — от сотен до едениц нанометров. Именно внаномире идут процессы фундаментальной важности — совершаются химическиереакции, выстраивается строгая геометрия кристаллов, структуры белков. С этимипроцессами и работают нанотехнологи. Вообще говоря, нанотехнологиине являются самостоятельным разделом науки. Скорее, это именно комплексприкладных технологий, фундаментальные основы которых изучаются в такихдисциплинах, как коллоидная химия, физика поверхности, квантовая механика,молекулярная биология и т. п. Что такое нано? Приставка «нано» («нанос»по-гречески — карлик) означает «одна миллиардная доля». Один нанометр (1 нм) –одна миллиардная доля метра (10Љ м). Как представить себе такую короткуюдистанцию? Проще всего это сделать с помощью денег: нанометр и метр соотносятсяпо масштабу как копеечная монета и земной шар (кстати, если каждый житель Землидаст по монетке, этого вполне хватит, чтобы выложить цепочку вокруг экватора.Даже если некоторые, как обычно, пожадничают). Уменьшим слона до размеровмикроба (5000 нм) – тогда блоха у него на спине станет величиной как раз внанометр. Если бы рост человека вдруг уменьшился до нанометра, мы могли быиграть в футбол отдельными атомами! Толщина листа бумаги казалась бы нам тогдаравной… 170 километрам. Конечно, это только фантазии. Таких крошечныхчеловечков и даже насекомых на свете быть не может. Нанометрами измеряются лишьсамые примитивные существа – вирусы (их длина в среднем 100 нм). Живая природазаканчивается на рубеже примерно в десять нанометров – такие размеры имеютсложные молекулы белков, строительные блоки живого. Простые молекулы в десяткираз меньше. Величина атомов – несколько ангстрем (один ангстрем равен 0,1 нм).Например, диаметр атома кислорода – 0,14 нм. Здесь проходит нижняя границананомира, мира наномасштабов – от сотен до единиц нанометров. Именно в наномиреидут процессы фундаментальной важности – совершаются химические реакции,выстраивается строгая геометрия кристаллов, структуры белков. С этимипроцессами и работают нанотехнологи. Нанотехнологии – это способы созданиянаноразмерных структур, которые придают материалам и устройствам полезные, аиногда просто необыкновенные свойства. Нанотехнология позволяет поместитьчастицу лекарства в нанокапсулу и точно нацелить ее на пораженную болезньюклетку, не повредив соседние. Фильтр, пронизанный бесчисленными нанометровымиканалами, которые пропускают воду, но слишком тесны для примесей и микробов, — тоже продукт нанотехнологий. В лабораториях нанотехнологов испытываютсясуперматериалы – волокна из нанотрубок, которые в тысячи раз прочнее стали,покрытия, делающие предмет невидимым. Ну, а не столь фантастические видынанопродукции уже продаются в магазинах. Слово «нанокосметика» все чаще звучитв рекламных роликах: наночастицы, входящие в состав косметических кремов,удаляют мельчайшие загрязнения с кожи. Известно, что микробы не любят серебро,но оказывается, что в виде наночастиц оно их просто приводит в ужас и обращаетв бегство. Ткани с добавками такого серебра набирают популярность у истинныхценителей гигиены – из них даже делают «наноноски». Впрочем, многие из давнопривычных вещей тоже невозможны без «нано»: процессор вашего компьютерасодержит миллионы наноразмерных транзисторов, над дисплеем тоже, скорее всего,поработали нанотехнологи. «Нано» уже повсюду – военные используютнанотехнологии, медики используют нанотехнологии, даже производители продуктовпитания, и те используют нанотехнологии.
2. Интересное в нанотехнологиях
Эффект лотоса. Известно, что лотос действительнообладает необычными физико-химическими свойствами. Благодаря особому строению иочень высокой гидрофобности его листьев и лепестков цветы лотоса остаютсяудивительно чистыми. Но как ему удается добиться такой сверхгидрофобности. «Эффект Лотоса» был открыт в 1990-е гг. немецким ботаником,профессором Вильгельмом Бартлоттом. Он показал, что лепестки цветка покрытыкрошечными шишечками или «наночастицами». Но лист вдобавок как бы намазанвоском. Он вырабатывается в железах растения, что делает его совершенно неуязвимымдля воды. На основе этого свойства и с помощью современных нанотехнологий былисозданы, так называемые, лотосовые покрытия. При нанесении состава на поверхностьобразуется слой полимера, который преобразует молекулярную матрицу поверхности,при этом создается устойчивая атомная структура и формируется гидрофобнаяповерхность, обладающая сильными защитными свойствами. Эта поверхность способнапротивостоять любым воздействиям извне. Лотосовые покрытия незаменимы во многихсферах жизни человека. Создание стекол, с которых стекают мельчайшие капелькиводы с растворенными частичками грязи. Создание плащей и другой специальнойодежды. Создание самоочищающихся фасадов зданий. Это только единичные примерыиспользования уникального свойства лотоса.
Полезная пыль. Одним из самых массовых видовнанопродукции являются ультрадисперсные порошки. Измельчение веществ донаночастиц размерами в десятки или сотни нанометров часто придает им новыеполезные качества. Дело в том, что такая наночастица состоит всего лишь изнескольких тысяч или миллионов атомов, поэтому все они оказываются близко кповерхности, на границе с внешним миром, и энергично с ним взаимодействуют.Суммарная поверхность частиц в таком нанопорошке становится огромной.
Например,серебро в форме наночастиц становится чрезвычайно губительным для бактерий —это его свойство успешно применяется в современных ранозаживляющих повязках, а такжев антимикробных тканях. Нанопорошок из отработанных шин при добавлении в сырьедля асфальта делает дорожное покрытие чрезвычайно износоустойчивым. Нанопорошкиглины в последние годы активно используют в изолирующих покрытиях силовыхкабелей — такая изоляция очень плохо горит, и это очень хорошо для безопасностизданий. Наночастицы диоксида титана (основы всем известных титановых белил)являются очень эффективным фотокатализатором и используются как активныйэлемент в фильтрах бытовых воздухоочистителей. А наночастицы платины используютв каталитических дожигателях современных автомобилей для уменьшения выброса ватмосферу вредных веществ.
Наномедицина. К сожалению, медицинский наноробот(нанобот), описанием которого так любят щеголять в популярной литературе, — этофантастика. Однако это не умаляет успехов нанотехнологий в современной медицине.Одно из основных направлений работы — нанокапсулы для адресной доставки лекарств.Такой метод позволяет воздействовать только на пораженные клетки, не повреждая приэтом здоровые. Эта идея была сформулирована еще в начале XX столетия немецким врачомПаулем Эрлихом и названа им «волшебной пулей» — но лишь нанотехнологии (например,помещение действующего вещества в капсулу из липосом) позволили добиться ее реализации.Препараты такого типа (липосомальные) для лечения некоторых форм рака и грибковыхинфекций, гепатопротекторы и даже противогриппозные вакцины выпускаются серийноуже с середины 1990-х годов.
Заключение
Нанотехнология – без сомнения самое передовоеи многообещающее направление развития науки и техники на сегодняшний день. Возможностиеё поражают воображение, мощь – вселяет страх. Нанотехнология в корне изменит нашужизнь. Появятся новые возможности, идеи, вопросы и ответы. Описанные технологиивсе же уже пройденный этап (хотя и открывающий большие дороги развития), и взорыученых обращены к новым горизонтам. Уже сегодня имеются проекты по конструированиюустройств, состоящих всего из одной молекулы. Речь идет о переключателях, шарикоподшипниках,приводах и даже целых двигателях для нанокронштейнов. Некоторые разработки ведутсяв области самовоспроизводимых механизмов на базе человеческой молекулы ДНК.
Список литературы
1. Свидиненко Ю. Нанотехнологиив нашей жизни / Свидиненко Ю. // Наука и жизнь. — 2005. — № 5.
2. Мамонтов Д. Наука.Десять в минус девятой/ Мамонтов Д.// Популярная механика. — 2009. — № 4.
3. Нанометр / Нанознайка:эффект лотоса Нанотехнологическое сообщество [Электронный ресурс]. -Электрон.сооб.- 2009. — 12 апр. — Режим доступа: www.nanometer.ru/2009/04/12/internet_olimpiada_154173.html
4. НИАЦ «Н и Н»/Популярно о нанотехнологиях // Популярные нанотехнологии [Электронный ресурс]. -Электрон. форум. — 2008. — 16 апр. -Режимдоступа: popnano.ru/studies/index.php?task=view&id=70
5. НАНО? Это просто!//РУСНАНО [Электронный ресурс]. — Электрон. журн. — 2008. — Режим доступа:popular.rusnano.com/