Реферат (1041027), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Ученые впервые смогли запустить в живой клетке крошечные управляемые наномоторы. В будущем эта технология нанороботов поможет проводить внутриклеточные операции.
Команде химиков и инженеров из Университета штата Пенсильвания удалось разместить крошечные искусственные двигатели внутри живых человеческих клеток. Двигатели приводились в движение с помощью ультразвуковых волн, а направление движения задавалось с помощью магнита.
Наномоторы, разработанные в Университете штата Пенсильвания, - это крохотные частицы, похожие по форме на ракету. «Микроракеты» имеют длину около 3 нм и представляют собой цилиндр, одна половинка которого сделана из золота, а вторая - из рутения. Под воздействием ультразвука наномоторы начинают вибрировать, вращаться вокруг продольной оси и могут передвигаться внутри живой клетки. Направление движения при этом задается с помощью магнитного поля.
Изображение живой клетки, сделанное с помощью оптического микроскопа. В клетке видны несколько наномоторов. Стрелки указывают на направление движения наномоторов и их вращения вокруг продольной оси под воздействием ультразвука. Слева внизу – изображение, сделанное с помощью электронного сканирующего микроскопа
В ходе экспериментов, ученые поместили наномоторы в человеческие клетки рака шейки матки, которые широко используются в научных исследованиях. Наномоторы легко перемещаются в жидкой среде внутри клетки, при этом низкая мощность ультразвука заставляет наномоторы двигаться очень медленно, оказывая минимальное воздействие на клетку.
При увеличении мощности ультразвука и, соответственно, скорости движения наномоторов, ученые наблюдали, как наномоторы сталкиваются с органеллами внутри клетки. При дальнейшем увеличении мощности наномоторы разрушали органеллы, перемешивая содержимое клетки, или прокалывали клеточную стенку.
Успешная демонстрация наномоторов дает надежду на скорое создание нанороботов, способных осуществлять высокоточное внутриклеточное хирургическое вмешательство. Подобная технология очень востребована, например нанороботы могли бы избирательно уничтожать раковые клетки в головном мозге, куда современная хирургия не может проникнуть. Нанороботы могут использоваться для лечения специфических болезней, например уничтожать клетки, пораженные вирусом герпеса. Также наномоторы могут адресно доставлять лекарства, стволовые клетки, исследовать клетки новым, механическим, способом, измеряя реакцию органелл на удары.
В настоящее время ученые из разных стран мира ведут успешную работу по созданию технологий, позволяющих «сбрасывать» молекулы различных веществ в определенные клетки, «цеплять» их на вирусы и бактерии, находить раковые клетки внутри живого организма. В сочетании с наномоторами, подобные технологии помогут медицине выйти на совершенно новый уровень. Управляемые нанороботы представляют собой новый способ решения множества медицинских проблем. Так, уничтожить рак очень сложно, ведь токсичная химиотерапия убивает и здоровые клетки организма. В свою очередь, нанороботы могли бы отыскать все раковые клетки и подвергнуть их химиотерапии, не вмешиваясь в жизнедеятельность соседних здоровых клеток. Кроме того, управляемые нанороботы могут применяться в совершенно новых областях, например при прокладке нейроинтерфейсов внутри живой ткани. [10]
3 Наномеханизмы
Универсальные самособирающиеся наномеханизмы
В течение многих лет ученые и инженеры пытаются создавать сложные наномеханизмы, но создание деталей таких наномеханизмов и процесс их сборки выполнялись с помощью микроскопических роботов. Изготовление микроскопических деталей выполнялось с помощью дорогой и отнимающей много времени технологии травления кремния. Даже когда на смену травлению пришла технология вырезания каждой детали с помощью лазера, это не очень сильно улучшило ситуацию, производство все равно оставалось предельно сложным и дорогостоящим.
Ученые из Университета Колумбии, похоже, нашли путь к решению вышеупомянутой задачи. Используя тонкие металлические листы и специальное полимерное покрытие, они создали материал, который под воздействием некоторых факторов превращает себя в готовые детали для наномеханизмов. Эта технология открывает новые возможности в производстве сложных наномеханизмов, делая его более быстрым, дешевым и пригодным для массового характера.
Суть этой инновационной технологии заключается в том, что на тончайший металлический лист накладывается слой горячего полимера. Когда полимер охлаждается, он сокращается и заставляет сгибаться металл, к которому он прикреплен. Методика процесса подбирается таким образом, что металл, сгибаясь, принимает форму с регулярной структурой, такой как зубья шестеренок, волнообразные поверхности и подобные этому. Используя металл различной толщины и жесткости, с помощью этой технологии, можно получить микроскопические детали различной формы и конфигурации, которые станут частями будущего наномеханизма.
В ходе экспериментов команда ученых успешно создала ряд простых наномеханизмов азмерами от одной шестой до одной двадцать пятой части миллиметра. Дальнейшие исследования направлены на то, что бы еще уменьшить размер создаваемых нанодеталей и перейти к производству наномеханизмов размерами меньше микрометра.[11]
"Обручальные кольца" из цепочек ДНК
Ученый Торштен Шмидт (Thorsten Schmidt) из университета Гете, Франкфурт, Германия, преуспел в том, что бы сделать самые маленькие в мире обручальные кольца, меньше чем тысячная доля ширины человеческого волоса, да не простые кольца, а изготовленные из цепочек молекул ДНК. Эти два сцепленных кольца сделаны из замкнутых цепей ДНК и имеют размер 18 нанометров. "Свадебная" тематика этого достижения проявляется не только из-за примечательной формы этих колец, но и из того факта, что Торштен Шмидт женился в то время как он трудился над этой работой.
Но создание этих колец является не только романтическим жестом. Поскольку эти кольца свободно вращаются друг относительно друга, они могут стать полезными компонентами наномашин и молекулярных двигателей. "У нас еще впереди длинный путь, прежде чем сложные структуры на основе ДНК будут использоваться в каждодневном обиходе" - рассказывает профессор Александр Хекель (Alexander Heckel), соавтор Шмидта. - "Но структуры из ДНК в ближайшем будущем, могут присоединяться посредством самоорганизации к другим белкам и молекулам, которые являются очень малыми для исследований и манипуляций с ними".
Этот эксперимент, описанный в журнале Nano Letters, начался с создания двух разомкнутых цепочек ДНК, форма которых напоминала форму буквы С. Затем к этим цепочкам ДНК были добавлены полиамидные связующие, с помощью которых кольца скрепились друг с другом, затем в состав был добавлен олигонуклеотид, который заставил разорванные концы сомкнуться и сформировать кольца. Эта операция была произведенная только с помощью химических реакций и превращений, никаких наноинструментов при этом не использовалось. [12]
| Биомолекулярные штекеры для переноса электронов |
| Растения, водоросли и цианобактерии (сине-зеленые водоросли) — мастера по части использования солнечной энергии, ибо умеют уловленный свет почти полностью превращать в энергию. Это происходит, в том числе, благодаря тому, что высвобожденные фотонами электроны практически в полном составе выводятся из фоторецептора, после чего служат «заводной пружиной» для химических реакций в организме растения. Японские ученые из Национального института передовой промышленной науки и технологии, Токийского университета и Университета Сидзуока придумали, как улавливать и использовать свет с практически такой же эффективностью, о чем рассказали в журнале Angewandte Chemie. Для этого они присоединили молекулярную проволочку непосредственно к биологической фотосинтетической системе, чтобы по этой проволочке отправить высвобожденные электроны на золотой электрод. КПД фотогальванического преобразования энергии имеет для гелиоустановок решающее значение. Теоретически на один принятый фотон может приходиться один высвобожденный электрон. В то время как эффективность сегодняшних солнечных элементов еще далека от таких значений, природные фотосинтетические системы демонстрируют практически стопроцентную квантовую отдачу. Для того чтобы повысить эффективность искусственных систем, предпринимаются попытки покрывать приемники тонким слоем из биологических фоторецепторов. Тем не менее, транспорт электронов из светочувствительного слоя в электрическую цепь в таких системах настолько неэффективен, что большинство электронов до цели, то есть до электрода, просто не доходит. Тайна успеха природных фотосистем заключается в удивительно точном сопряжении отдельных компонентов. Молекулы будто подогнаны друг под друга — как в штекерном соединении, благодаря чему электроны передаются напрямую и почти без потерь. В своей новой разработке японские ученые соединили замысловатую фотосистему I (PS I) сине-зеленой водоросли Thermosynechococcus elongatus с искусственно созданной периферией. Важным звеном в цепочке переноса электронов в PS I является витамин K1. Исследователи удалили этот витамин из протеинового комплекса PS I и заменили его рукотворным аналогом. Этот аналог составляют три части: 1) такой же молекулярный «штепсель», которым витамин K1 присоединяется к протеиновому комплексу (нафтохиноновая группа), используется для «втыкания» искусственного соединительного элемента в PS I (как вилка в разъем); 2) молекулярная проволочка (углеводородная цепь) той же длины, что и витамин K1, которая обеспечивает выступание соединительного элемента из протеинового комплекса; 3) на другом конце проволочки находится дополнительная «вилка» (электрохромная виологеновая группа), которая закрепляет весь комплекс на покрытом специальным составом золотом электроде. Высвобождающиеся в PS I под воздействием света электроны направляются по проволочке к виологеновой группе, которая чрезвычайно эффективно переносит их на золотой электрод. Японские ученые полагают, что применение подобной технологии может позволить другим биокомпонентам также стать основой для тех или иных искусственных систем. [13] |
| |
Список источников информации
1 http://www.unn.ru/pages/e-library/vestnik/19931778_2014_-_1-2_unicode/17.pdf
2 http://www.zelenograd.ru/news/8680/
3 http://alt-energy.org.ua/nanogeneratory-dlya-miniatyurnyx-elektronnyx-ustrojstv/
4https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B0%D0%BD%D0%BE%D0%BC%D0%BE%D1%82%D0%BE%D1%80
5 http://geektimes.ru/post/223569/
6 http://popnano.ru/analit/index.php?task=view&id=389
7 http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1054828
8 http://ria.ru/science/20150128/1044708981.html
9 http://ria.ru/science/20110904/429916452.html
10 http://www.cnews.ru/news/top/index.shtml?2014/02/11/560028
11 http://future-science.ru/uchenye-razrabotali-universalnye.htm#more-6426
12 http://www.dailytechinfo.org/nanotech/2293-uchenye-sdelali-obruchalnye-kolca-iz-cepochek-dnk.html
13 http://newnano.ru/nanotehnologii-v-tehnike/samye-malen-kie/biomolekulyarnye-shtekery-dlya-perenosa-elektronov.html
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
