Нанотехнологии и современность

 

 

2.1 Нанотехнологии «в деле».

 

 Нанотехнологии в медицине.

«Наномедицина» – это слежение, исправление, конструирование и  контроль над биологическими системами  человека на молекулярном уровне, используя  разработанные нанороботы и наноструктуры (Р. Фрейтас).

В настоящее время наномедицины пока не существует, есть только проекты, воплощение которых в реальность и приведет к наномедицине. Через  несколько лет, когда уже, наконец, будет создан первый наноробот, знания накопленные наномедициной воплотятся в жизнь. А тогда за считанные минуты вы избавитесь от вируса гриппа или избавитесь от раннего атеросклероза. Нанороботы смогут вернуть даже очень старого человека в то состояние, в котором он был в молодости. От операции в органах мы перейдем на операции на молекулах и таким образом стане «бессмертными».

Уже сейчас нанотехнологии применяются  в медицине. Основными областями  ее применения являются: технологии диагностики, лекарственные аппараты, протезирование и имплонтанты.

Ярким примером является открытие профессора Азиза. Людям, страдающим болезнью Паркинсона, через два крошечных отверстия в черепе внедряют в мозг электроды, которые подключены к стимулятору. Примерно через неделю больному вживляют и сам стимулятор в брюшную полость. Регулировать напряжение пациент может сам с помощью переключателя. С болью удается справиться уже в 80 % случаях:

У кого-то боль исчезает совсем, у кого-то затихает. Через метод глубокой стимуляции мозга прошло около четырех десятков людей.

Многие коллеги Азиза говорят, что этот метод не эффективен и может иметь негативные последствия. Профессор же убежден, что метод действенен. Ни то ни другое сейчас не доказано. Мне кажется надо верить лишь сорока пациентам, которые избавились от невыносимой боли. И снова захотели жить. И если уже 8 лет этот метод практикуется и не сказывается негативно на здоровье больных, почему бы тогда не расширить его применение.

Еще одним революционным открытием  является биочип – небольшая пластинка  с нанесенными на нее в определенном порядке молекулами ДНК или белка, применяемые для биохимических анализов. Принцип работы биочипа прост. На пластиковую пластинку наносят определенные последовательности участков расщепленной ДНК. При анализе на чип помещают исследуемый материал. Если он содержит такую же гинетическую информацию, то они сцепливаются. В результате чего можно наблюдать. Преимуществом биочипов являются большое количество биологических тестов со значительной экономией исследуемого материала, реактивов, трудозатрат и время на проведение анализа.

Нанотехнологии в строительстве.

Результаты использования в  строительстве достижений фундаментальных  исследований в области нанотехнологий уже сегодня выглядят впечатляюще. Это конструкционные композиционные материалы с уникальными прочностными характеристиками, новые виды арматурных сталей, уникальные нанопленки для покрытия светопрозрачных конструкций, самоочищающиеся и износостойкие покрытия, паропроницаемые и гибкие стекла. Фантастически выглядят перспективы дальнейшего развития. Например, основания зданий с саморегулирующей системой компенсации усадок грунтов, несущие конструкции зданий, осуществляющие мониторинг собственного напряженно-деформированного состояния, ограждающие конструкции и кровли, аккумулирующие энергию солнца, покрытия, реагирующие на психофизическое состояние людей, фотокаталитические покрытия, — все это должно стать основой современного «умного дома» нового поколения.

Между тем практическое использование  достижений фундаментальной науки  в области нанотехнологий для  строительства является стратегическим направлением развития прикладной строительной науки. В данном случае показателен зарубежный опыт. Так, например, современное производство бетонов и строительных растворов в развитых странах мира ориентировано именно на применение модифицированных составов. В отдельных странах уровень использования модифицированных бетонов и растворов достигает 100 процентов. Применение модификаторов позволяет создавать бетоны и строительные растворы различного функционального назначения с широким спектром заданных свойств. Индустрия модификаторов на сегодняшний день является высокоинтеллектуальной отраслью строительного производства, своего рода хай-теком строительства. Новым направлением в модификации бетонов и строительных растворов является применение ультрадисперсных, наноразмерных частиц. Работы в данном направлении проводятся в крупнейших компаниях, таких, как «Зика» (Швейцария), BASF (Германия), «Майти» (Япония), «Элкем» (Норвегия). Анализ публикаций и материалов конференций и симпозиумов, проводимых за рубежом по проблемам практического применения наноматериалов и технологий в последние годы, показал, что данному направлению уделяется особое внимание. В российских источниках также большое внимание уделяется использованию наночастиц при производстве строительных материалов, в том числе бетонов и строительных растворов. Однако в публикациях рассматриваются составы бетонов модифицированных наночастицами, зачастую не имеющие перспектив практического применения в силу высокой стоимости наномодификаторов.

Реализация данных подходов в области строительных нанотехнологий предполагается на базе «Инновационного научно-образовательного центра», создаваемого в рамках инновационной образовательной программы МГСУ «Подготовка нового поколения специалистов в области строительства, создающих безопасную и комфортную среду жизнедеятельности». Основными задачами центра являются: создание общедоступной материально-технической базы коллективного пользования для проведения научных исследований и научного сопровождения инновационных строительных технологий и материалов; формирование открытой научно-образовательной сети в области строительства. И уже сегодня все заинтересованные предприятия и организации, ученые, преподаватели и студенты, работающие в области строительства, могут принять участие в формировании будущего российской строительной науки.

 

Нанотехнологии в косметологии.

Сейчас в косметологии началась эпоха нанокомплексов. Это означает, что появилась возможность в лабораторных условиях создавать вещества с заранее запрограммированными свойствами. Нанокомплесы содержат измельченные до размера нано биологически активные вещества, каждый из которых доставляется в строго определенном количестве в строго определенные слои кожи в строго определенное время. Зная, в каких питательных веществах нуждается кожа разных людей в разных состояниях, можно создавать нанокомплексы, содержащие именно те компоненты, в которых нуждается кожа, и которые отвечают за поддержание обмена веществ в клетках кожи на должном уровне.

Благодаря измельчению до размера нано активные вещества легче взаимодействуют с клетками и воспринимаются ими как естественные, родственные компоненты.

Благодаря нанокомплексам кожа запускает  естественные процессы регенерации, восстанавливает  собственную структуру и высокий уровень энергии, усиливает свои защитные способности и повышает жизнеспособность, как следствие замедляются процессы преждевременного старения.

Уровень нано биологически активных компонентов позволяет восстанавливать  самые тонкие механизмы поддержания  здоровья клетки. Таким образом, при помощи нанокомплексов возможно создавать оптимальные, практически идеальные условия для жизнедеятельности различных клеток и структур кожи. Косметика, которая содержит нанокомплексы, получила название нанокосметика.

Действие нанокомплексов не ограничивается хранением и перевозкой биологически активных веществ. Разные нанокомплексы осуществляют разные задачи.

 

Нанокомплексы действуют подобно  губке, удерживая активные вещества и витамины, несут их точно к  цели и высвобождают их только там, где надо по сигналу от клеток, испытывающих потребность в этих веществах.

 

Нанокомплексы притягивают и удерживают отмершие клетки, и поверхностные  загрязнения, вредные для кожи.

 

Нанокомплексы, имея двухмерную структуру  вне кожи, моментально, сразу после наложения косметического средства, проникают под кожу и тут же превращаются в трехмерные структуры, и образуют структурированную «решетку», что приводит к разглаживанию морщин, рубцов, шрамов, кожных «растяжек» и повышению эластичности кожи, связыванию свободных радикалов и защите кожи.

Нанокомплексы благодаря особым биологическим  механизмам выводят токсины из глубинных  слоев кожи.

Таким образом, достигается не только поверхностное, но и глубинное очищение. У современной нанокосметологии есть возможность заниматься профилактикой и лечением преждевременного старения кожи путем мягкой, адекватной коррекции процессов, происходящих в клетках кожи, как на самой ранней стадии, так и на поздних стадиях возрастных изменений.

 

Нанотехнологии в сельском хозяйстве.

В нашу эпоху все более ясным  становится, что превосходство будет  у тех стран, которые развивают  электронику, нанотехнологии и биотехнологии. У России есть значительные возможности, так как имеется существенный научный задел с советских  времен по нанонауке. В нашу эпоху нанотехнологии великолепно управляют нанометровыми объектами и позволяют изготовать так называемые супермолекулы из крупных селективно связанных молекул.

 

Большие надежды в применении нанотехнологий обнаруживаются и в агропромышленном комплексе. Увеличение производства и качества переработки сельскохозяйственного сырья, увеличение ресурса работы спецтехники, повышения сроков хранения, получение высококачественной пищевой продукции и кормов – все эти задачи агробизнеса могут решить нанотехнологии.

Употребление нанотехнологий в  овощеводстве.

Мониторинг разработанных нанотехнологических  процессов и наноматериалов подтверждает, что применение нанопрепаратов в  растениеводстве обеспечивает повышение  устойчивости к неблагоприятным  погодным условиям и увеличение выхода готовой продукции. Почти для всех технических и продовольственных культур – картофеля, зерновых, овощных, плодово-ягодных, хлопка и льна показатели урожая увеличились в 1,5-2 раза. Нанотехнологии уже активно внедряются при послеуборочной обработке подсолнечника, табака и картофеля, хранении яблок в регулируемых средах, озонировании воздушной среды.

В свете последних открытий нанотехнологий была изучена биологическая роль кремния в живых организмах и  изучена биологическая активность органических соединений кремния – силатранов. Силатраны, являющиеся клеточным образованием и содержащие кремний, оказывают физиологическое действие на живые организмы на всех этапах эволюционного развития от микроорганизмов до человека. Применение кремнеорганических биостимуляторов в растениеводстве позволяет повысить холодостойкость, выносливость к жаре и засухе, помогает благополучно выйти из стрессовых погодных ситуаций (возвратные заморозки, резкие перепады температуры и т. д. ), усиливает защитные функции растений к болезням и вредителям. Препараты снимают угнетающее, седативное действие химических реагентов по защите растений при комплексных обработках.

Суперсовременное направление  нанобиотехнологии (нанотехнологии в  биологии) в растениеводстве –  это создание культурных растений, особенно устойчивых к насекомым вредителям.

Нанотехнологии в животноводстве.

В животноводстве нанотехнологии целесообразно  использовать в технологических  процессах, где они дают вспомогательное  превосходство. При формировании микроклимата в помещениях, где содержатся животные и птицы, их использование позволяет заменить энергоемкую приточно-вытяжную систему вентиляции электрохимической очисткой воздуха с обеспечением нормативных параметров микроклимата: температура, влажность, газовый состав, микробиообсемененность, запыленность, скорость движения воздуха, устранение запахов с сохранением тепловыделений животных. Российские ученые применяют на практике экологически чистую нанотехнологию электроконсервирования силосной массы зеленых кормов электроактивированным консервантом. Делается это взамен дорогостоящих органических кислот, требующих соблюдения строгих мер техники безопасности. Такая новая нанотехнология повышает сохранность кормов до 95%. В животноводстве и птицеводстве при приготовлении кормов нанотехнологии обеспечивают повышение продуктивности в 1, 5-3 раза, сопротивляемость стрессам, и падеж уменьшается в 2 раза. Наноустройства, которые могут имплантироваться в растения, животных, позволяют автоматизировать многие процессы и передавать в реальном времени необходимые данные.

Нанотехнологии в переработке  агропродукции.

Новая наноэлектротехнология комбинированной  сушки зерна основана на том, что  в нагретом зерне создается избыточное давление влаги при температуре  ниже температуры кипения воды. Вследствие этого ускоряется фильтрационный перенос влаги из зерновки на поверхность в капельножидком состоянии. С поверхности влага выпаривается горячим воздухом. Расход энергии на сушку зерна по сравнению с традиционной конвективной сокращается в 1, 3 раза и более, снижаются микроповреждения семян до 6%, их посевные качества улучшаются на 5%. Для низкотемпературной досушки и обеззараживания зерна дополнительно использовали озон, что уменьшило количество бактерий в 24 раза и снизило в 1, 5 раза энергозатраты.

 

2.2 Прогноз развития нанотехнологий

 

Основной проблемой в наноиндустрии  на сегодняшний день является управляемый  механосинтез, т.е. составление молекул  из атомов с помощью механического  приближения до тех пор, пока не вступят  в действие соответствующие химические связи. Для обеспечения механосинтеза необходим наноманипулятор, способный захватывать отдельные атомы и молекулы и манипулировать ими в радиусе до 100 нм. Наноманипулятор должен управляться либо макрокомпьютером, либо нанокомпьютером, встроенным в робота-сборщика (ассемблера), управляющего манипулятором.

На сегодня подобные манипуляторы не существуют. Зондовая микроскопия, с помощью которой в настоящее  время производят перемещение отдельных  молекул и атомов, ограничена в  диапазоне действия, и сама процедура сборки объектов из молекул из-за наличия интерфейса «человек – компьютер – манипулятор» не может быть автоматизирована на наноуровне.

Институтом Молекулярного Производства (IMM) разработан предварительный дизайн наноманипулятора с атомарной точностью. За изготовление такого устройства назначена премия только из фонда IMM в размере $250,000. Как только будет получена система «нанокомпьютер – наноманипулятор» (эксперты прогнозируют это в 2010–2020 гг.), можно будет программно произвести еще один такой же комплекс – он соберет свой аналог по заданной программе, без непосредственного вмешательства человека.

Такая «самосборка» называется репликацией, а репликатор – ассемблером. Бактерии, используя репликативные свойства ДНК, способны развиваться за считанные часы от нескольких особей до миллионов. Таким образом, получение ассемблеров в массовом масштабе не потребует никаких затрат со стороны, кроме обеспечения их энергией и сырьем.

На основе системы «нанокомпьютер – наноманипулятор» можно будет организовать сборочные автоматизированные комплексы, способные собирать любые макроскопические объекты по заранее снятой либо разработанной трехмерной сетке расположения атомов. Компания Xerox в настоящее время ведет интенсивные исследования в области нанотехнологий, что наводит на мысль о ее стремлении создать в будущем дубликаторы материи. Комплекс роботов (дизассемблеров) будет разбирать на атомы исходный объект, а другой комплекс (ассемблеры) будет создавать копию, идентичную, вплоть до отдельных атомов, оригиналу (эксперты прогнозируют это в 2020–2030 гг).