Сутність нанотехнологій

nano2

Для поняття нанотехнологія, мабуть, не існує вичерпного означення, але за аналогією з існуючими нині мікротехнологіями випливає, що нанотехнології — це технології, що оперують величинами порядку нанометра. Тому перехід від «мікро» до «нано» — це якісний перехід від маніпуляції речовиною до маніпуляції окремими атомами [176].

Коли мова йде про розвиток нанотехнологій, маються на увазі три напрямки:

— виготовлення електронних схем (у тому числі й об’ємних) з активними елементами, розмірами порівнянними з розмірами молекул і атомів;

— розробка і виготовлення наномашин;

— маніпуляція окремими атомами і молекулами і складення з них макрооб’єктів.

Розробки за цими напрямками ведуться вже давно. У 1981 році був створений тунельний мікроскоп, який дозволяє переносити окремі атоми. З тих пір технологія була значно удосконалена. Сьогодні ці досягнення ми використовуємо в повсякденному житті: виробництво будь-яких лазерних дисків, а тим більше DVD неможливе без використання нанотехнічних методів контролю.

На даний момент можливо намітити такі перспективи нанотехнологій.

Медицина. Створення молекулярних роботів-лікарів, що «жили» би усередині людського організму, усуваючи або запобігаючи усім ушкодженням, які виникають, включаючи генетичні.

Завдяки нанороботам відпаде необхідність у хворобливих діагностичних маніпуляціях, просвічуванні органів рентгенівськими променями. Медичні лабораторії в тому вигляді, у якому вони існують зараз, виявляться не потрібні. Ніяких томографів, ультразвукових сканерів, електронних мікроскопів, пробірок із кров’ю — всі аналізи будуть робити усередині тіла і притому у лічені секунди!

Уже зараз у Массачусетському технологічному інституті під керівництвом професора Сільвина Мартеля щосили йде робота над проектом «NanoWalker». Його ціль — повести медицину від давно застарілої практики переміщення цілого органа або його фрагмента з тіла пацієнта до вимірювального пристрою, як це буває, коли у вас беруть на аналіз спинномозкову рідину або роблять пункцію молочної залози. Тепер сам діагностичний інструментарій мініатюризується до розміру клітини і проникає в орган, щоб провести аналіз на місці — у тому середовищі, де зародилася хвороба.

Мікроскопічним діагностам буде не важко знайти аномальні клітини за 3-5 років до утворення злоякісної пухлини. Жоден надчутливий мамограф не зафіксує в грудях вузлики менші 0,1 мм, а для нанороботів це не проблема. Вони виявляють хворобу не тільки на клітинному, але і на молекулярному рівні і теоретично здатні відразу пролікувати їх — переставити фрагменти «неправильних» (мутантних) генів у межі хромосом, пролікувати хворі молекули або навіть поміняти місцями окремі атоми. Творцеві молекулярного нанохірурга обіцяна премія 250 тисяч доларів. І, схоже, претендент на неї з’явиться в найближчі рік-два.

Згрупована команда мікроскопічних цілителів (вчені охрестили її «армією Мартеля») уже уміє виконувати до 200 тисяч найточніших рухів, кожен з яких перелічений мікропроцесором. Крім усього іншого, вони обладнані надчутливим «безміном» — вуглецевими нанотрубками: з їхньою допомогою можна зважувати віруси. Діють нанопроходчики не на свій страх і ризик, а під твердим контролем фахівців: мініатюрні камери транслюють зображення на зовнішній екран, а інфрачервоні датчики фіксують положення кожного наноробота, введеного в організм. Залишилося тільки перевірити «армію Мартеля» у справі — і відправлятися за гонораром!

Стингер (від англійського «stinger» — «жало комахи») – це пристрій, який знаходить у крові хворого снідом заражені вірусом Т-лимфоцити і впорскує в них препарат, який знищує ВІЧ. Клітинну хіміотерапію можна застосовувати і при лікуванні онкологічних захворювань. Вона вигідно відрізняється від інших методів високою вибірковістю впливу. Стингери «відстрілюють» тільки хворі клітини, тому загальний стан пацієнта не страждає — немає слабості, нудоти, блювоти, втрати апетиту, як при променевій або хіміотерапії. Не дивно, що Національний інститут раку (США) і керування космонавтики НАСА виділили 36 мільйонів доларів на дослідження в цій області. Через яких-небудь 15 років, обіцяють учені, усе лікування онкологічних захворювань зведеться до прийому таблетки, що містить мільйони мікропристроїв, здатних знешкодити злоякісні клітини.

Але от питання: як нанороботи будуть пересуватися у внутрішньому середовищі? Їм будуть потрібні могутні міні-моторчики, щоб на високій швидкості «борознити» неосяжні простори організму. Якщо нанороботи будуть плазувати по тканинах і судинах, як равлики, на зцілення підуть десятиліття! Учені вже створили двигуни на бактеріальній тязі, хлорофілі і навіть механізм шарнірного типу на основі ДНК. Розмір шарнірного пристрою неймовірно малий — чотири десятитисячні товщини людського волоска! Пристрій складається з двох спіралей ДНК, з’єднаних таким же містком. Якщо додати в розчин кілька молекул певної хімічної речовини, частина цієї структури зігнеться на зразок коліна — тепер мікроскопічні роботи можуть ходити як справжні.

Японці навчили крихітні циліндрики з загостреними кінцями вкручуватися в електромагнітне поле — туди, куди потрібно. Вони розробили два варіанти таких пристроїв — для рідкого і твердого середовища. Перші успішно прокладають шлях у силіконовому гелі, а другі запросто пробираються через двухсантиметровий біфштекс. Співробітники Аризонського університету доставляють нанороботів до місця призначення за допомогою світла. Досить обладнати їх мініатюрними сонячними батарейками і направити звичайний промінь — і мікроскопічні цілителі побіжать у потрібному напрямку.

Але, мабуть, найдотепніше рішення знайшли французькі вчені з університету в Лідсі, що заклали в наномоторчик принцип руху сперматозоїдів, які жваво переміщуються завдяки особливому білкові -динеїну. Його молекули приєднані до малюсіньких трубочок у хвостовій частині чоловічих статевих клітин і діють на зразок поршнів і клапанів автомобільного двигуна. Міні-роботів на «спермотязі» збираються використовувати для лікування чоловічої і жіночої безплідності. Приєднуючись до яйцеклітин і сперматозоїдів, вони будуть підштовхувати їх одну до одного аж до повного злиття.

З переливанням крові — одні проблеми. Велика небезпека внутрішньосудинного згортання з трагічним результатом, навіть якщо вам ввели кров тієї ж групи і того ж резус-фактора. Адже крім групи і резус-фактора існують ще 250 параметрів, за якими чужа кров може не підійти пацієнтові. Тому цільну кров (якщо тільки вона не ваша власна, завчасно здана в банк) зараз не переливають узагалі: використовують окремі компоненти — еритроцитарну масу, плазму, білкові фракції. Але й у цьому випадку не виключені ускладнення і несприятливі реакції, є ризик заразитися снідом і сироватковим гепатитом. Уникнути всіх цих проблем допоможуть нанороботи-васкулоїди (з англійської «vascular» — «судинний»), що зможуть переносити кисень до клітин не гірше еритроцитів, використовуючи як джерело енергії розчинену в крові глюкозу.

Сенсаційний проект американських учених так і називається «Robotblood». 500 трильйонів наномедичних пристроїв, виточених з дорогоцінних каменів — сапфірів і фіонітів, загальною вагою два кілограми послужать повною заміною природної крові. Вони не тільки виступлять посередниками між легенями і тканинами, але і миттю звільнять червону рідину, яка протікає у ваших жилах, від будь-якої інфекції, що проникнула в неї, очистять судини від атеросклеротичних бляшок, зміцнять артерії в тих місцях, де виникли випинання — аневризми, відновлять знівечені варикозом вени. У результаті ми станемо набагато здоровіші і виносливіші, забудемо про хвороби цивілізації — інсульти й інфаркти, що сьогодні тримають у напрузі людство. От така райдужна вирисовується перспектива! Чи здійсняться надії вчених? Поживемо — побачимо! Адже до обіцяного нам масового впровадження нанотехнологій у медицину залишилося зовсім небагато — яких-небудь 10-15 років…

Термін реалізації- перша половина XXI століття.

Геронтологія. Досягнення особистого безсмертя людей за рахунок впровадження в організм молекулярних роботів, які запобігають старінню клітин, а також перебудови і поліпшення тканин людського організму.

Пожвавлення і лікування тих безнадійно хворих людей, які були заморожені в наш час методами кріоніки.

Термін реалізації: третя — четверта чверті XXI століття.

Промисловість. Заміна традиційних методів виробництва складанням молекулярними роботами предметів споживання безпосередньо з атомів і молекул.

Термін реалізації — початок XXI століття.

Сільське господарство. Заміна природних виробників їжі (рослин і тварин) аналогічними функціональними комплексами з молекулярних роботів. Вони будуть відтворювати ті ж хімічні процеси, що відбуваються в живому організмі, однак більш коротким і ефективним шляхом. Наприклад, з ланцюжка «ґрунт — вуглекислий газ — фотосинтез — трава — корова — молоко» будуть вилучені всі зайві ланки. Залишиться «ґрунт — вуглекислий газ — молоко (сир, олія, м’ясо)». Таке «сільське господарство» не буде залежати від погодних умов і не буде мати потребу у важкій фізичній праці. А продуктивності його вистачить, щоб вирішити продовольчу проблему раз і назавжди.

У рамках вивчення вражаючої дії і наслідків ядерного вибуху на сільськогосподарські рослини і тварини вченими інституту були отримані результати, що лягли в основу нового наукового напрямку. Вивчення впливу електромагнітних випромінювань (ЕМВ) на біологічні об’єкти дозволило створити екологічно чисті технології на основі застосування СВЧ, УФ, лазерних випромінювань для різних галузей агропромислового комплексу (рослинництво, тваринництво, харчова і переробна промисловість).

Дослідження з вивчення біологічної дії ЕМВ зажадали створення оригінальних установок для опромінення сільськогосподарських об’єктів.

Були розроблені і створені спеціалізовані установки з джерелами СВЧ- і УФ-радіації для опромінення рослин і тварин у лабораторних і виробничих умовах. У результаті проведених досліджень установлені позитивні ефекти неіонізуючих випромінювань СВЧ- і УФ-діапазона, які залежать від довжини хвилі і потужності випромінювань. Показано, що застосування комбінованого (УФ+ІК) випромінювання, дозволяє збільшити добовий приріст ваги свиней і телят до 10% і знизити витрати корму на одиницю продукції.

Знезаражуюча дія теплових рівнів СВЧ- і високих доз УФ-випромінювання лягли в основу розробки комплексних методів і установок. Виготовлено досвідчений зразок СВЧ-установки для пастеризації молока і молокопродуктів УПМ-50В.

На установці УПМ-50В здійснюється нагрівання і пастеризація білково-молочного концентрату й інших рідких продуктів у потоці. СВЧ-енергія, вироблювана магнетроном, проходячи по хвильовому тракті, взаємодіє з рідиною. Використання мікрохвильового нагрівання виключає локальний перегрів молока й утворення пригарів, забезпечує схоронність вітамінів, дієтичні і харчосмакові властивості готового продукту. Установка може бути використана також для пастеризації вина, пива, фруктових соків. Продуктивність її 1000-2000 л/годину.

Ультрафіолетовий стерилізатор води виготовлений на основі бактерицидних ламп УФ-випромінювання, що робить вражаючу дію на бактерії, віруси, дріжджові грибки, цвіль і водорості і, як правило, установлюється після фільтра очищення води. Продуктивність його 3-5 м3/годину. Має відомі переваги перед іншими способами знезаражування водних розчинів.

Установлено, що хронічне УФ-опромінення ярої пшениці протягом вегетації збільшує врожайність у порівнянні з неопроміненою не менш, ніж на 20%. Особливо слід зазначити той факт, що в пшениці другого покоління відзначене таке ж збільшення врожаю, як і в материнських рослин, але без УФ-опромінення, тобто спостерігався ефект післядії.

Дослідження, проведені в двох радгоспах Нижегородської області, показали, що комбіноване УФ- і лазерне опромінення посівів ячменя, кукурудзи і соняшника привело до значного збільшення врожаю. Так, у ячменю — від 10 до 40%, кукурудзи на силос — до 50%, соняшника на силос — у 3 рази більше, ніж у контрольних рослин.

В останні роки інститут плідно співпрацює з насінницьким картопляним господарством ТОВ «Клон-Агро» Жуковського району Калузької області. На УФ-установці проводиться опромінення бульб картоплі різних сортів перед посадкою і закладанням на зимове збереження. Результати польових випробувань УФ-установки і технології показали, що збільшення врожаю з усіх вивчених сортів (11 сортів) склало від 10 до 40%. Установлене також зниження (до 25%) ступеня пораження бульб картоплі вірусними і грибковими захворюваннями.

Технологія УФ-обробки картоплі є економічно ефективною. Поданий розрахунок економічної ефективності технології на прикладі сорту Жуковського раннього. При середній врожайності 200 ц/га і збільшенні врожаю на 20% (середній експериментальний показник з цього сорта) врожай з 100 га складає 2400000 кг. Якщо вартість 1 кг картоплі 5 карбованців, то прибуток становитиме 12,0 млн. карбованців.

З огляду на те, що відходи при збереженні картоплі в зимовий період складають не менш 25%, тобто близько 600000 кг, то при збереженні усього врожаю додатковий прибуток становитиме 3,0 млн карбованців. Разом загальний прибуток може скласти 5 млн. карбованців.

Слід зазначити, що обробка хімічними препаратами від вірусних захворювань значно забруднює навколишнє середовище і приводить до подорожчання одержуваної сільськогосподарської продукції. Для обробки 1 тонни картоплі хімічним препаратом «Максим» витрачається близько 1500 карбованців, вартість УФ-обрабки цієї ж кількості картоплі складе тільки 100 карбованців. Таким чином, крім передпосівної обробки хімпрепаратом ми домагаємося не тільки більшої економії засобів, але й одержання екологічно чистої продукції.

Установка для обробки коренебульбоплодів на основі СВЧ-випромінювання (2,45 Ггц) виявилася менш затребувана в сільськогосподарському виробництві внаслідок дорогих комплектуючих, строгих вимог захисту від СВЧ-випромінювання і малої продуктивності. Слід зазначити, що сам метод СВЧ-обробки сільськогосподарської продукції перед посадкою заслуговує подальшої розробки, наприклад, для опромінення насінь овочевих і зернових культур.

В установці для розпуску меду в металевій тарі УРМ-1 за допомогою СВЧ-випромінювання здійснюється пошарове нагрівання продукту з одночасним його розливом у металеву тару. Продуктивність установки 60 кг/годину. Пропонована технологія дозволяє контролювати температуру нагрівання, що дає можливість зберегти біологічні і смакові якості меду.

Таким чином, захисні розробки в області дослідження біологічної дії неіонізуючих випромінювань (СВЧ-, УФ-, ІК-діапазонів) різних інтенсивностей стали основою нових технологій і установок для агропромислового виробництва — екологічно чистих, енергозберігаючих і економічно ефективних

Оставьте комментарий к статье