Вестник гражданского общества

Маленькие частицы с большими возможностями

Популярный очерк о наночастицах и нанотехнологиях

          В мире стремительно разворачивается новый виток научно-технической революции, может быть, самой важной в истории цивилизации. На этот раз речь идёт не просто о крупных открытиях и изобретениях, вроде паровой машины, электричества или энергии атомного ядра. Они стали подлинными этапами в истории, повлияли на всю жизнь людей. Теперь же на повестке дня - такие достижения науки и техники, которые могут сделать жизнь всего человечества совершенно неузнаваемой. Они могут изменить природу самого человека. Они способны привести человечество к фантастическому расцвету, но могут стать и причиной его исчезновения с лица Земли. Речь идёт о наночастицах, о нанообъектах на их основе, о всевозможных нанотехнологиях.
          Размер наночастиц и нанообъектов измеряют в «нанометрах» (нм). Один нанометр равен одной миллиардной доле метра. Эта величина в пятьдесят тысяч раз меньше толщины человеческого волоса. Размеры такого порядка имеют атомы, молекулы и их наноагрегаты. И вот, погружаясь в мир таких маленьких частиц, наука и техника обнаружили у них совершенно новые возможности, которыми не обладают объекты, привычные нам по повседневной жизни.
          Стремительно возникают новые науки - нанофизика, нанохимия, нанобиология, наномедицина и т.д. На базе научных достижений сразу же появляются новые отрасли техники - нанотехнологии - для скорейшего применения на практике добытых знаний. Все эти науки и направления являются междисциплинарными, т.е. находятся на стыке разных наук. И это неслучайно. Во-первых, овладеть столь новыми и сложными для изучения объектами можно лишь совместными усилиями специалистов в разных областях науки и техники. И, во-вторых, достижения нанонауки и нанотехнологии применяются во многих сферах деятельности людей: в материаловедении, медицине, механике, машиностроении, электронике, оптике и т.д.
          Успехи в этой новой области были бы невозможны без изобретения в 80-х годах прошлого века совершенно новых микроскопов для «рассматривания» столь малых частиц. Это слово взято в кавычки потому, что сам процесс изучения мало похож на привычное нам рассматривание маленьких частиц в обычный оптический микроскоп. Новые микроскопы - электронные, зондовые, атомно-силовые - работают на других принципах. Кроме того, с их помощью можно не только «увидеть» эти фантастически малые объекты, но и манипулировать ими: перемещать, разделять, соединять. Обо всём этом можно прочитать в многочисленных книгах, патентах и статьях, которых за последние 25-30 лет написаны уже десятки и сотни тысяч! В этом очерке постараемся кратко рассказать лишь о некоторых наночастицах и их необычайно интересных возможностях.

 

Сумио Ииджима (Sumio Iijima) 


          В 1991 году японский учёный Сумио Ииджима открыл наночастицы, которые получили название углеродных «нанотрубок». Такая «трубка» представляет собой свёрнутую в трубку плоскость, состоящую из множества конденсированных (сочленённых между собой) углеродных шестиугольников. Нанотрубки, в зависимости от длины, содержат от тысячи до миллионов атомов углерода.
          Благодаря своей структуре они могут быть такими же хорошими проводниками электрического тока, как медь, либо полупроводниками, как кремний. Они могут проводить тепло так же хорошо, как алмаз. Здесь сразу же очевидно возможное применение - в электронике или теплотехнике. С той колоссальной разницей, что углеродная нанотрубка в миллиарды раз меньше привычных нам из повседневной жизни электрических проводов или микрочипов.
          Теперь читателю, по всей вероятности, понятно, насколько миниатюрными будут изделия из нанотрубок по сравнению с современными! Более того, химики научились присоединять к углеродным атомам нанотрубок атомы различных других веществ. Этот приём химики называют «функционализацией» углеродных нанотрубок. Благодаря этому возникает возможность использовать функционализированные углеродные нанотрубки в качестве самых различных наноразмерных материалов для композитов и биологических систем. Уже доказано, что из таких нанотрубок можно создать самые прочные волокна, которые почти в 100 раз прочнее и в 6 раз легче стали!
          Ещё более широкие возможности открывает применение многослойных нанотрубок, состоящих из нескольких углеродных однослойных цилиндров, «вложенных» друг в друга. Такие нанотрубки открыты тоже японскими учёными в 90-х годах.


          Схема однослойной углеродной нанотрубки

 

Схема многослойной углеродной нанотрубки 


          Крупным научным достижением стало открытие фуллеренов. Первый из них - фуллерен С60. Это - наночастица, имеющая форму полого шара и состоящая из 60 атомов углерода. Оболочка такого шара построена из конденсированных пяти- и шестиугольников. Фуллерен С60 был открыт группой американских и английских учёных - Ричардом Смолли, Гарольдом Крото и Робертом Кёрлом. За это открытие они в 1996 году были удостоены Нобелевской премии по химии.

 

                       

Ричард Смолли (Richard E.Smalley)          Гарольд Крото (Harold W.Kroto)           Роберт Кёрл (Robert F.Curl Jr.)

          Фуллерен считается четвёртым аллотропным видоизменением углерода (после алмаза, графита и карбина). Своё название фуллерен С60 получил по фамилии американского архитектора Ричарда Фуллера, который сконструировал для международной выставки в Монреале в1967 году шарообразный купол павильона США в виде сочленённых пяти- и шестиугольников. Молекула фуллерена С60 по внешнему виду напоминает футбольный мяч, поэтому в литературе встречается и другое название – «футболен». Кроме фуллерена С60 существуют и более сложные фуллерены: С70 с молекулой в виде эллипса, С540 с молекулой в виде икосаэдра, а также другие.


Фуллерен С60 сферический

 

Фуллерен С70 эллипсоидный


Фуллерен С540, имеющий форму икосаэдра 


          Молекулы фуллеренов содержат двойные связи между атомами углерода. Поэтому они, как и все непредельные органические соединения, способны к реакциям присоединения с самыми различными неорганическими и органическими веществами: с водородом, хлором, металлами. В частности, из фуллеренов и нанотрубок можно получать комбинированные наночастицы. Например, с помощью атомно-силовых микроскопов установлена возможность заполнения внутренних полостей нанотрубок фуллеренами, бором, солями металлов и т.д. Для таких комбинированных наночастиц разработана своя номенклатура, внешне напоминающая адреса электронной почты. Например, С60@НТ обозначает «фуллерен внутри нанотрубки».
          Кроме углеродных, получены разнообразные неуглеродные (неорганические) нанотрубки и другие наночастицы различного строения: наносферы, наностержни, нанопроволоки, нановолокна, наноленты, нанолуковицы и др.
          Наночастицей, родственной нанотрубкам и фуллеренам, является графен. Он считается ещё одной двумерной, аллотропной модификацией углерода. Ближе всего по строению графен похож на графит. Графит - это слоистый материал. Один слой графита - это и есть графен. Это - плоская структура толщиной в один углеродный атом и состоящая из конденсированных правильных шестиугольников. За получение и исследование графена Нобелевская премия по физике в 2010 году была присуждена русским учёным, работающим за рубежом, А.К.Гейму и К.С.Новосёлову. Графен обладает замечательными свойствами - необычайно высокой прочностью, а также высокой электропроводностью, что делает его очень перспективным наноматериалом.

Графен 


          Нанотехнологии имеют хорошие перспективы в машиностроении и металлообработке. В частности, это относится к производству новых металлорежущих инструментов с наноструктурированным покрытием. Это направление активно развивается в России и может быть использовано в авиадвигателестроении, самолёто- и ракетостроении, энергетическом и транспортном машиностроении, судостроении. Столь же перспективны износостойкие изделия из наноструктурированной керамики и металлокерамики. К их числу относятся подшипники скольжения и кольца торцовых уплотнений, осевой инструмент, сменные многогранные пластины, режущий инструмент на основе новых материалов и др. Очень интересны сверхвысокопрочные пружины. Эти перспективные направления реализуются ОАО «РОСНАНО» совместно со многими промышленными предприятиями и научно-исследовательскими институтами.
          Благодаря нанотехнологиям скоро можно будет производить новые материалы с таким сочетанием свойств, которое трудно себе представить. Например, в Японии получены твёрдые материалы, обладающие красивой радужностью (подобно ценному камню опалу), но в то же время мягкие и гибкие (подобно желатину). В США с помощью нанохимии создан уникальный прозрачный материал для микроэлектроники. Он похож на керамику, го гибок и устойчив к многократным нагрузкам. Такие необычные материалы имеют большое значение с целью применения в охране окружающей среды. В Германии их применяют для изготовления специальных фильтров промышленных сточных вод от вредных примесей, а во Франции - для новых устройств, очищающих автомобильные газовые выхлопы. В Японии на основе таких материалов создают новые химические источники электрического тока и солнечные батареи.
          Велико значение нанотехнологий для строительства и архитектуры. Белоснежный бетон, самоочищающееся стекло, углестеклопластик — сооружения из этих материалов уже стоят в наших городах. Нанотехнологии дали зодчим новые материалы для воплощения их идей. Наряду с известнейшими старинными памятниками архитектуры, туристов, посещающих Рим, привлекает необычное здание в духе постмодернизма — церковь Dives in Misericordia («Щедрый в милосердии»). Это белое сооружение из сборного железобетона и стекла состоит из трёх изогнутых конструкций, напоминающих раковины или лепестки цветка. Церковь возведена в 2003 году по проекту американского дизайнера Ричарда Мейера, а осуществить его замысел помогла итальянская компания Centro Technico di Gruppo. Проект церкви требовал особых технологий: её стены должны быть белоснежными и как можно дольше сохранять свою чистоту. Для решения этих задач специалисты компании выбрали цемент, изготовленный ими по новой технологии: в его состав входят наночастицы диоксида титана (TiO2). Благодаря фотокатализу поверхность из такого цемента может сама собой очищаться. Происходит это так: когда солнечные лучи касаются стен здания, диоксид титана, входящий в их состав, действует как катализатор и ускоряет химическую реакцию. Загрязнения самой различной природы — бактерии, споры бактерий, плесень, которыми покрыты стены любого здания, — просто разлагаются на воду, кислород и соли в присутствии катализатора.

 

Ослепительную белизну церкви Dives in Misericordia в Риме обеспечивают наночастицы диоксида титана 


          Ещё одно удивительное сооружение - Большой национальный театр в Пекине. Его автор — француз Поль Андрё. Под сферической оболочкой из стекла и бетона расположены три самостоятельные площадки — оперный и концертный залы и театр. Здесь же — многочисленные выставочные павильоны, рестораны и магазины. Архитектор Андрё назвал своё детище «Городом театров». Сооружение находится посреди искусственного озера, из-за формы купола и отражения в воде местные жители назвали театр «яйцом». Стеклянная поверхность купола всегда прозрачна, так как покрыта тонкой плёнкой из катализатора TiO2, благодаря которому под действием фотокатализа купол самоочищается. Через панели многослойного теплоизолирующего стекла можно наблюдать происходящее внутри.
.

Стеклянный купол Большого национального театра в Пекине покрыт самоочищающейся плёнкой 
         

          Самоочищающийся вид цемента использовали и при строительстве памятника жертвам Холокоста в Берлине в 2005 году — множество бетонных прямоугольных плит в центре города. Этот памятник не покроет плесень, благодаря наночастицам диоксида титана, входящим в состав материала бетонных плит. 

 

Памятник жертвам Холокоста в Берлине


           Перечисленные выше достижения нанотехнологий относятся не к какому-то отдалённому будущему, а к настоящему времени, и из них уже видно большое влияние этих достижений на самые различные стороны практической деятельности.
          Что же касается будущего, то здесь открываются поистине фантастические перспективы. Взять, к примеру, биологию и медицину. Здесь уже идёт активный поиск методов введения искусственных наноматериалов в живые клетки! Это открывает совершенно новые перспективы для генной терапии. Учёные создают способы получения наночастиц, способных проникать в кровеносные сосуды. Это делается с целью получения высококачественных изображений сердца, сосудов, желудочно-кишечного тракта. Фуллерены, нанотрубки, наносферы и другие наночастицы способны повышать качество имплантатов - биосовместимость, механическую прочность, срок службы и т.д. Они могут приобрести большое значение при изготовлении искусственных клапанов сердца. Новые иммунологические тесты с помощью наноматериалов помогут существенно улучшить диагностику. Полимерные нанокапсулы можно будет использовать для доставки лекарственных веществ непосредственно в больные органы и ткани.

 

Схема нанокапсулы, содержащей лекарственное средство 

 

                    В более отдалённой перспективе нанотехнологии откроют возможность создания новых материалов с заданной структурой и нужными свойствами вообще без проведения каких-либо химических реакций. Нетрудно представить себе, какое бремя свалится с человечества, если учесть дороговизну химических производств и вред, наносимый ими окружающей среде! Комфортная жизнь без химических суррогатов - извечная мечта людей, в принципе вполне осуществимая. Полномасштабный переход к нанотехнологиям будет означать качественный скачок от манипуляции с веществом к манипуляции отдельными атомами. Начало было положено созданием в 1986 году атомно-силового микроскопа. При его помощи стало возможным «подцепить» атом и переместить его в нужное место, а следовательно, непосредственно собирать из атомов любой заданный объект с нужными свойствами. Конечно, решение этой задачи в полном объёме - дело будущего. Но уже сегодня можно, например, с помощью атомно-силового микроскопа делать надписи из атомов на твёрдой подложке.

 

Надпись, собранная из стабилизированных атомов золота на кремниевой подложке 


          Дальнейшее развитие этого направления позволит собирать нужные материалы из атомов так же, как здание собирается из кирпичей. Здесь возникают две задачи. Первая - перестройка имеющихся структур. Например, перестроив порядок соединения атомов в графите, можно будет превращать его в алмаз. Вторая задача - сборка более сложных структур из менее сложных. Так, используя молекулы воды и углекислого газа, можно изготовить из них сахар или крахмал, как это делают растения. В промышленности это будет означать замену традиционных методов производства. В сельском хозяйстве осуществится замена «естественных машин» для производства пищи, растений и животных их искусственными аналогами - комплексами из наномашин. Они будут воспроизводить те же химические процессы, что происходят в живом организме, однако более коротким и эффективным путём. Например, из цепочки «почва - углекислый газ - фотосинтез - трава - корова – молоко» удалят все лишние звенья, т.е. останется «почва - углекислый газ – молоко» (творог, масло и т.д.). Подобное «сельское хозяйство» не будет зависеть от погодных условий, не будет нуждаться в тяжёлом физическом труде, а его производительность позволит навсегда решить продовольственную проблему. По предварительным оценкам, такие направления могут войти в жизнь в середине ХХI века.
          Следующее магистральное направление развития нанотехнологий на перспективу - создание «наномашин» - молекулярных роботов. Основополагающая идея здесь заключается в том, чтобы собирать из атомов и молекул некие простейшие механизмы, способные при помощи управляющих сигналов извне (акустических, электромагнитных и пр.) манипулировать другими молекулами и создавать себе подобные устройства или более сложные механизмы. Те, в свою очередь, смогут изготовить еще более сложные устройства и т.д. В конечном итоге этот экспоненциальный процесс приведет к проектированию молекулярных роботов – механизмов, сравнимых по размерам с крупной молекулой и обладающих собственным встроенным компьютером. В результате мир коренным образом преобразится. Практически все необходимое для жизнедеятельности человека может быть изготовлено молекулярными роботами непосредственно из атомов и молекул окружающей среды. Очевидно, что подобное производство будет значительно более рентабельным и экологичным, чем нынешние промышленность и сельское хозяйство. Необходимо лишь снабдить наномашины сырьем и энергией, а все остальное они сделают сами (хотя в принципе ничто не мешает наномашинам самим добывать и сырье и энергию). Человечество получит исключительно комфортную среду обитания, где не будет места ни голоду, ни болезням, ни изнурительному физическому труду.
          Сложность изготовления наномашин отнюдь не является основным фактором, сдерживающим их развитие. Ученые уже умеют собирать атомы и молекулы в некие конструкции. Главная трудность в том, что для сборки такой машины надо сначала ее сконструировать, разработать. Расчет такой конструкции настолько трудоемок и сложен, что для его осуществления не хватает даже мощности современных суперкомпьютеров. Однако, учитывая темпы развития вычислительной техники, очевидно, что появление молекулярных роботов – вопрос лишь десятилетий. Оптимисты и пессимисты, предсказывая, когда при помощи молекулярных роботов удастся поставить барьер на пути болезней и старения человека, расходятся в своих оценках незначительно. По разным прогнозам, это произойдет во второй или третьей четверти XXI века.
          Особенно большие надежды возлагаются на молекулярных роботов в медицине будущего. Крохотные механизмы, помещающиеся на кончике пальца, можно будет вводить в больные ткани, органы, нервные клетки и кровеносные сосуды. Эти устройства смогут выполнять такие функции, как всеобъемлющая диагностика, «охота» за возбудителями инфекций и раковыми клетками, разрушение атеросклеротических отложений на стенках сосудов, восстановление поврежденных или постаревших тканей и отдельных клеток.

 

Схема медицинского наноробота

 

Медицинский наноробот на пальце

 

Медицинский наноробот в кровеносном сосуде делает укол эритроциту 


          Кроме нанороботов будут применяться и многие другие «наномашины». Уже в настоящее время для них создаются миниатюрные действующие наноконструкции, которые можно будет собирать из атомов и молекул. Среди них – «планетарный редуктор», изобретённый Эриком Дрекслером, а также «неоновый насос».

Планетарный редуктор. Состоит из 3853 атомов. Размеры 4.2 x 4.2 x 4.2 нм. Автор - Эрик Дрекслер

 

Неоновый насос из 6165 атомов. Размер 6.6 x 4.3 x 6.3 нм. Устройство содержит два компонента: корпус насоса, включающий стенку камеры, где размещается ротор, а также сам ротор. Устройство может функционировать в двух режимах: собственно как насос, перегоняющий атомы неона из одной емкости в другую, или же - как мотор, который вращается под действием давления неона в нижней емкости. 
         

          И всё же, самые интересные, поистине фантастические, перспективы открываются в области наноэлектроники и нанокомпьютеров. Представим себе компьютер, в котором вместо нынешних кремниевых чипов будут работать фрагменты молекулы, роль транзисторов будут выполнять атомы или группы атомов той же молекулы, в качестве переключателей будут использоваться разные её квантовые состояния, а роль проводов станут выполнять химические связи. «Молекулярный компьютер» - компьютер из одной молекулы! По прогнозам их создадут уже через 20-25 лет, а через следующие 10-20 лет прогнозируют приход следующего поколения компьютеров - квантовых и ДНК-компьютеров. Такие объекты можно будет с достаточным основанием называть «интеллектуальными молекулами». Их прогнозируемая эффективность в 100 миллиардов раз выше, чем у нынешних компьютеров. Сообщалось, что в Израиле разрабатывается подобный «биологический компьютер». Он будет настолько маленьким, что триллион таких компьютеров смогут одновременно работать в одной капле воды! Более того, в США установлена возможность присоединения белков к углеродным нанотрубкам и фуллеренам. Методом атомно-силовой микроскопии доказано, что при этом 90% связанного белка остаётся биологически активным. Этот принципиально важный результат указывает на реальность создания молекулярных устройств путём соединения искусственно полученных наночастиц с природными белками. Отсюда - прямой путь к созданию «искусственного интеллекта»! Прогноз на 2060 год - создание компьютера, по скорости обработки данных сравнимого с человеческим мозгом.
          Но это, конечно, достаточно далёкое будущее. А пока специалисты-нанотехнологи вплотную заняты более «земными», но тоже интересными вещами. Например, созданием «наномобильников», обладающих органами чувств. Вполне серьёзно предсказывают, что к 2015 году у мобильного телефона появятся «жидкий глаз» и «электронный нос». К тому же, будущие мобильники станут миниатюрными, гибкими и очень красивыми. Их можно будет носить в качестве брошек или браслетов.

Будущий мобильник-браслет, обладающий «органами чувств» 


          Создание молекулярных компьютеров откроет человечеству невиданные возможности. Человек научится вживлять эти сверхминиатюрные устройства в свои ткани и органы. Начнётся эпоха широкого внедрения в организм датчиков и других приборов. Нынешний человек как биологический вид, конечно, им и останется. И всё-таки это будет уже другой человек. Будущий homo sapiens по своим функциональным возможностям станет равносилен тому, что может иметь название homo electronicus. Он будет качественно отличаться от нынешнего за счёт симбиоза с молекулярной электроникой, с другими продуктами высоких технологий, с Интернетом. Для будущего человека станет доступна вся информация, накопленная предками, её полностью оцифруют. В его распоряжении окажутся неограниченные резервы памяти, мощные технологии вычислений и обработки данных, надёжные оценки и прогнозы. Новые технологии можно будет использовать и для коррекции психики, ограничения агрессии, блокирования боли, мобилизации сил. Нанороботы смогут своевременно и надёжно диагностировать и излечивать самые опасные болезни. Не исключено, что, достигнув такого уровня, человек даже захочет и сможет решить проблему своего бессмертия.
          Разумеется, всё это будет сопровождаться и социальными переменами. Будущее решающим образом зависит от того, сможет ли человечество своевременно совершить исторический поворот от конфронтации к сотрудничеству, сумеет ли использовать научные достижения исключительно на пользу, а не во вред самому себе. Уже разрабатываются и «нанооружие», и концепция будущей «нановойны». Нетрудно представить себе, что произойдёт, если всё это попадёт в руки отъявленных эгоистов или безответственных политиканов. Государство и гражданское общество должны позаботиться о том, чтобы это никогда и нигде не случилось. Чем действеннее и грандиознее инструменты воздействия на природу, появляющиеся в руках людей, тем выше их общая ответственность за своё будущее в нашем общем и единственном доме - на планете Земля. Пора человечеству взять судьбу нашего неспокойного и кое-где уже горящего земного шарика в собственные руки, пора начинать жить по согласованному разумному плану! 


________________________________________

          В настоящей статье использованы материалы из книги: Ю.А.Москвичёв, В.Ш.Фельдблюм. «Химия в нашей жизни (продукты органического синтеза и их применение)». - Ярославль: Издательство ЯГТУ, 2007.- 411 с. 
         Электронный вариант книги в текстовой версии для предварительного просмотра размещён на сайте
«Единое окно доступа к образовательным ресурсам». Полная электронная версия книги размещена на сайте http://window.edu.ru/window_catalog/files/r51391/chemistry_life.pdf.


ВЛАДИСЛАВ ФЕЛЬДБЛЮМ


30.08.2011



Обсудить в блоге


На главную

!NOTA BENE!

13.10.2016
Баш на баш

0.019731998443604