123754 (Применение нанотехнологий в различных отраслях народного хозяйства), страница 2

До недавнего времени полимеры создавала только природа. Но в 20-х годах прошлого столетия человек узнал ее секрет и научился синтезировать их самостоятельно. Искусственные полимеры прочно вошли в наш быт под видом таких привычных веществ, как полиэтилен, капрон, нейлон и другие виды пластмасс. Сегодня благодаря своим ценным свойствам пластмассы повсеместно заменяют древесину, металл, стекло. Пластмассы не боятся влаги и едких кислот, не подвержены ржавчине и гнили и к тому же изготавливаются из дешевого углеводородного сырья.

Меняя длину и способы переплетения цепочек-полимеров, можно управлять прочностью и эластичностью пластмасс. Стоит к цепочке добавить еще хотя бы одно звено или ввести небольшое количество примесей — и у полимера появляются новые свойства. Одни пластмассы по прочности сравнимы с самой лучшей сталью, другие эластичнее резины, третьи прозрачны, как хрусталь, но не разбиваются. Одни пластмассы мгновенно разрушаются под действием тепла, другие способны выдерживать очень высокую температуру. Зная все это, ученые на сегодняшний день создали сотни тысяч различных синтетических полимеров. Отличительным свойством синтетических полимеров до недавнего времени считалось их нулевая электропроводность. Все привычные типы пластмасс являются хорошими диэлектриками благодаря прочным ковалентным связям, образующим макромолекулярные соединения.

Однако эпохальное достижение трех нобелевских лауреатов 2000 года - Алана МакДайармида (США), Алана Хигеру (США) и Хидеки Ширакаве (Японии) – круто изменило общепринятую точку зрения. Этим ученым впервые удалось превратить пластмассу в электрический проводник. Студент Ширакавы как-то по ошибке добавил слишком много катализатора, в результате чего бесцветный пластик вдруг стал отражать свет подобно серебру, и это навело на мысль о том, что он перестал быть изолятором. Дальнейшие исследования привели к открытию полимера с проводимостью, в десятки миллионов раз превосходящей обычный пластик. Это открывает путь к новой электронике ХХI века, основанной на органических материалах. Ведь органические материалы легче и гибче традиционного кремния, им проще придать нужную форму, в том числе и трехмерную.

На проводящих полимерах основана молекулярная электроника. Например, ученые из Аризонского университета создали ограничитель напряжения из семи анилиновых фрагментов. Разрабатываются молекулярные транзисторы, конденсаторы, диоды. Американская компания Superconnect разработала материал, который в будущем поможет ускорить передачу данных в Интернете в сто раз! Это особый полимер, позволяющий управлять потоками света при помощи других потоков (т.е. чисто фотонный транзистор).

Уже в начале нашего века появились серьезные преграды на пути развития электроники. Один из возможных путей дальнейшего прогресса – разработка миниатюрных интегральных устройств, в которых роль электронов частично или полностью передана фотонам. Это должно привести к созданию вычислительной техники, превосходящей по быстродействию и информационной емкости современные электронные устройства. Для реализации приборов с квантовой связью или устройств оптической обработки информации могут быть использованы квантовые плоскости на основе множества чередующихся сверхтонких (толщиной в один атом) полупроводниковых пленок. Замена электронов на фотоны породило новое направление в электронике – нанофотонику.

Перспективное направление развития нанотехники, отмеченное еще Эриком Дрекслером, – переход, как это ни кажется парадоксальным, от электронных устройств к механическим компьютерам. Обычный механический компьютер с элементами макроскопического масштаба, разумеется, очень громоздок и работает чрезвычайно медленно. Однако с компонентами размером в несколько атомов такой механический компьютер оказался бы в миллиарды раз компактней современной микроэлектроники. И хотя механические сигналы передаются в 100 тыс. раз медленнее, им нужно было бы «преодолевать» путь в 1 млн. раз меньший, чем электронам в современных микросхемах. Поэтому простой механический нанокомпьютер был бы более быстродействующим.

Прототип такого устройства уже существует. Компанией IBM создана удивительная «многоножка», которая стала первым квантовым коммерческим устройством хранения данных.

1. Инструменты нанотехнологии

Главный инструмент нанотехнолога – его мозг. Получая новую информацию, мы анализируем, систематизируем и осмысливаем ее, и лишь потом ставим вопросы, ищем доказательства, формулируем законы, выдвигаем гипотезы и теории. Поэтому огромную роль в познании природы играют инструменты получения информации о ней, первыми среди которых были наши удивительные органы чувств: глаза, уши, нос – сами по себе сложные устройства, достойные восхищения инженера. А ведь знания о природе не самоцель, а тоже своего рода инструменты, с помощью которых человек решает различные задачи: от постройки дома до полета на Луну. Но научных знаний тоже недостаточно. Чтобы воспользоваться ими, надо создать соответствующую технику, для чего опять-таки необходимы инструменты; сначала ими была просто пара лохматых рук.

Познание природы и развитие инструментов глубоко взаимосвязаны. Чем совершеннее инструменты, тем более точную информацию мы можем получать, тем достовернее наши знания о природе. Так, например, до открытия телескопа человеку были недоступны сведения ни о форме, ни о структуре нашей Галактики. А до изобретения сканирующих микроскопов никто и не подозревал о существовании уникальных углеродных соединений – фуллеренов и нанотрубок. С другой стороны, более совершенное мышление позволяет изобретать более точные инструменты и приборы, порой на порядки превосходящие возможности существующей технологии. Так, многие изобретения величайшего гения Леонардо да Винчи (типа цепного привода или шарикоподшипника) были теоретически вполне работоспособны, однако же не использовались в XVI веке. Для их реализации была необходима высокоточная обработка деталей, которая хоть и не представляет сложности сегодня, но была совершенно нереальна для той эпохи. Проникнув в невидимый мир атомов и молекул, мы еще острее нуждаемся в развитии инструментов, способных не только обеспечить получение новой информации, но и привести к потрясающему прогрессу во многих областях.

Как бы человек ни гордился своей изобретательностью, все же следует признать, что в основе многих его достижений лежат принципы, так или иначе «подсмотренные» у природы. В частности, речь идет о самом популярном инструменте ученых – микроскопе.

Микроскоп (от греч. “micros”–малый, и “scopeo”–смотреть) – оптический прибор для получения увеличенных изображений объектов, не видимых невооруженным глазом, оказал по истине революционное действие на развитие многих наук, и в особенности, биологии. Увеличение изображения происходит за счет преломления света, проходящего сквозь стеклянную линзу, способную в зависимости от своей формы фокусировать или рассеивать световой пучок. Самым простым прибором, демонстрирующим это явление, является обыкновенная лупа – плосковыпуклая линза. Один из первых микроскопов сконструирован в 1609-1610 гг. Галилеем. Он состоит из двух систем линз - окулярa и объективa. Объектив, расположенный близко к образцу, создает первое увеличенное изображение объекта, которое еще раз увеличивается окуляром, который помещают ближе к глазу наблюдателя.

С XVIII столетия развитие микроскопии шло главным образом по пути улучшения конструкции механических частей. Совершенствование шлифовки и подгонки линз привело к тому, что микроскопы начала XIX в. давали увеличение до 1000 раз. Изучение доселе недоступных деталей строения животных, растений и грибов показало, что в основе всего живого лежит универсальное крошечное образование – клетка.

Для изучения нанообъектов разрешения оптических микроскопов (даже использующих ультрафиолет) явно недостаточно. В связи с этим в 1930-х гг. возникла идея использовать вместо света электроны, длина волны которых, как мы знаем из квантовой физики, в сотни раз меньше, чем у фотонов.

Весами, на которых можно взвешивать тела с массой в несколько милли и микрограмм, давно уже никого не удивишь – они используются в любом школьном кабинете физики. Но нельзя непосредственно взвесить как очень большой, так и очень маленький объекты, поскольку для них не существует эталонных мер.В основе работы нановесов лежит эффект, хорошо известный из школьной физики: собственная частота колебаний пружины зависит от массы груза и ее жесткости.

В последнее время бурное развитие электронной, атомно-силовой и туннельной микроскопии, равно как и развитие информационных технологий, привело к тому, что сегодня наблюдения за поведением отдельных атомов стали доступны широкому кругу исследователей.

В наномире действуют иные величины: миллиардные доли метра и миллиардные доли секунды. Если б мы были нанометровыми человечками, то вращение сверла бормашины в зубном кабинете казалось бы нам таким же медленным, как обычному человеку – вращение Земли вокруг Солнца. А ведь Земля вращается не так уж и медленно – 30 км/с! А за то время, пока обычный человек успел бы моргнуть своим «громадным» глазом, мы бы успели основать и построить наноскопический Санкт-Петербург, такой же, как тот, на сооружение которого у обычных людей ушло около 300 лет!

Таким образом, нанометровые инструменты и манипуляторы, в отличие от современных макроскопических, могли бы быть очень быстрыми. Если движение большой и тяжелой «руки» макроскопического робота-сборщика занимает секунды и тратит киловатты энергии, то наноробот способен перебирать своими «ручонками» за миллиардные доли секунды, затрачивая всего лишь миллиардные доли ватт. Кроме того, промышленная установка весом всего 1 грамм, как показывают расчеты, может иметь более 1017 наноманипуляторов. С помощью такой установки те же батареечки, которые при макроскопическом подходе нереально собрать из атомов, можно будет штамповать десятками тысяч штук в секунду!

1. Наномедицина

С развитием биотехнологии тесно связано качественно новое направление медицинской науки – молекулярная наномедицина. С ней связывают такие уникальные вещи, как:

• Лаборатории на чипе;

• Адресная доставка лекарств к пораженным клеткам;

• Новые бактерицидные и противовирусные средства;

• Диагностика заболеваний с помощью квантовых точек;

• Нанороботы для ремонта поврежденных клеток;

• Нейроэлектронные интерфейсы и многое другое.

В настоящее время подобные проекты – уже не только плод воображения писателей-фантастов, но и реальные средства современной медицины.

Было бы здорово, если бы врачи или даже сами пациенты могли мгновенно проводить сложнейшие анализы и получать результаты в течение нескольких минут! Представьте себе, какой потрясающе компактной и эффективной могла бы быть лаборатория, если б все ее пространство (включая инструменты, столы, проходы, клавиатуры, мониторы, и т. д.) можно было бы «сжать» до размеров обыкновенного микрочипа, а все производимые в ней человеческие действия по доставке, перемещению и анализу образца полностью автоматизировать!

А теперь представьте, что такие лаборатории уже существуют! Называются они лабораториями на чипе. Один чип размером порядка 4х4 см может заменить целый комплекс оборудования, необходимого для анализа ДНК/РНК, установления родства, определения генетически модифицированных организмов, ранней диагностики онкологических заболеваний, изучения эффективности трансфекции клеток, количественного определения белков, определения уровня экспрессии генов и многого другого! При этом такая кроха-лаборатория умеет анализировать одновременно до 12 разных образцов, а время анализа, занимавшего раньше недели, сокращается до 15-30 минут.

Серебряные наночастицы – не единственные наноматериалы, пригодные для борьбы с бактериями. Недавно ученые из Питсбургского университета создали нанокатализатор, который производит углеродные нанотрубки одинакового размера и заставляет их собираться в структуру, напоминающую ковер. При добавлении к «ковру» различных биологических агентов он меняет свой цвет – от красного до желтого.

Самым удивительным оказалось то, что этим «наноковром» можно убивать различные микроорганизмы! В эксперименте на бактериях отдельные нанотрубки «ковра» проткнули их клеточные мембраны, чем вызвали гибель микроорганизмов. «Наноковер» может быть использован в качестве биологического детектора либо бактерицидной поверхности в фильтрах для очистки воды, воздуха и т. д.

Чтобы лекарство было эффективным важно, чтобы его молекулы попали к нужным клеткам: антидепрессанты попали в мозг, противовоспалительные средства – в места воспалений, антираковые препараты – в опухоль и т. д. Способность молекул вещества попадать в теле пациента туда, где они необходимы, называется биологической усвояемостью.