Размещено: Елена Жановна Трибунская - сб, 28/11/2009 - 14:05
За последние несколько лет в мировое сознание быстро вошло короткое слово с большим потенциалом. Это слово — "нано". Оно будит в воображении догадки о сильнейших сдвигах практически во всех аспектах науки и техники, имеет последствия для этики, экономики, международных отношений, повседневной жизни и даже понимания человеком своего места во Вселенной. Мечтатели расхваливают его как панацею от всех бед. Паникеры видят в нем новый этап биологических и химических войн или, в крайних случаях, возможность создания биологических типов, которые, в конце концов, заменят человечество.
Президентская инициатива, направленная на развитие нанотехнологий в России, была озвучена относительно недавно. Для сравнения: отставание России от США в области развития нанотехнологий составляет 10 лет, хотя за прошедшее время государство приняло ряд системных решений, которые обеспечат создание нового сегмента индустрии – индустрии наносистем и наноматериалов.
Название новой науки возникло просто, в результате добавления к понятию «технология» - приставки «нано», означающей уменьшение масштаба в 109 (миллиард) раз. Для наглядности: 1 нанометр = 1 нм = 10-9 м, составляет одну миллионную привычного нам миллиметра и примерно в 100 тысяч раз меньше толщины человеческого волоса.
Разумеется, человеческое воображение и используемые нами слова, образы или термины почти неспособны сколько-нибудь адекватно описывать «мир» со столь крошечными объектами, так как к нанотехнологии принято относить процессы и объекты с характерной длиной от 1 до 100 нм. Верхняя граница нано-области соответствует минимальным элементам в так называемых БИС (больших интегральных схемах), широко применяемых в полупроводниковой и компьютерной технике. С другой стороны, нанотехнология позволит создавать абсолютно любые объекты, манипулируя отдельными атомами и молекулами вещества. Она, заменив другие технологии, позволит не только победить старение и болезни, но и обеспечит человечество фантастическими материальными богатствами.
Так, нанотехнология в медицине, фармацевтике и смежных с ними областях, решает сегодня следующую основную задачу: создание твёрдых тел и поверхностей с измененной молекулярной структурой. На практике это даст металлы, неорганические и органические соединения, нанотрубки, биологически совместимые полимеры (пластмассы) и другие материалы имитирующих ткани живых организмов, служащие транспортными средствами доставки лекарств, либо имплантатами.
Вообще, человек воссоздает только то, что уже есть в природе. Однако по совершенству мы ее вряд ли когда - нибудь обгоним. Например, если изделие человеческих рук рассчитано в основном на прочность, которая тоже относительна, то для природы сочетание красоты и прочности естественно и органично. Природа открывает перед инженерами и учеными бесконечные возможности по заимствованию технологий и идей. Благодаря современным техническим средствам и компьютерному моделированию человеку удаётся понемногу разобраться в том, как устроен окружающий мир, и скопировать из него некоторые детали для собственных нужд.
Возьмем, например, обыкновенную паутину. По своим характеристикам паутина является уникальным материалом. Она в пять раз прочнее стали. Паутину можно растянуть на 15%, и она снова примет исходную форму. Такими свойствами не может похвастаться ни один искусственный полимер. Прочность паутины на разрыв - до 260 килограмм на квадратный миллиметр (более чем в 6 раз прочнее натурального шелка, и в 4 раза – нейлона). Паутина выдерживает нагрузки до 450 МПа, как и стеклопластик.
Паутинная нить - настоящее технологическое чудо. Она имеет внутреннее ядро из белка - фиброина, и концентрических слоев - гликопротеидных нановолокон. Таким образом, в ней соединены белки двух разных видов - твердые и эластичные. Эффект напоминает качества булатного клинка - сочетание прочности и гибкости. Эти феноменальные свойства паутины объясняются еще и повышенной молекулярной подвижностью входящих в ее состав молекул воды, доля которых составляет 60—70% волокна. Без водной составляющей она стала бы хрупкой и ломкой. Паутина не разрывается при ударе с энергией до 10 ГДж/м³ (энергия пули), что делает ее самым крепким материалом из известных человечеству. Например, если создать паутинную нить диаметром 0,7—0,8 мм, то сетка из таких канатиков сможет остановить летящий самолет. Да, нанотехнологии пока отдыхают! Пока природа не перестаёт удивлять, а человеку остаётся только смотреть, воспринимать и записывать.
И еще одна отличительная особенность паутины — ее экологичность. Она состоит из легко усваиваемых природной средой веществ, которые легко разлагается микроорганизмами, что делает проекты по созданию паутины в промышленных масштабах одними из наиболее перспективных направлений современной биоинженерии.
В естественных условиях получить нить такой толщины невозможно. Для производства всего 1 м ткани из паутины требуется «работа» более 400 пауков. Но пауки в отличие от шелкопрядов не могут «работать в коллективе», недаром существует выражение «пауки в банке». Поэтому, если два паука окажутся на одной территории, они просто съедят друг друга. В искусственных же условиях создать аналог паутины еще сложнее.
Но получить белок паутины — это только полдела. Оказывается, свойства этого материала зависят не только от особенной природы паутины, но и от способа плетения нитей. Паук может выделять до семи разных по строению и свойствам нитей: одни – для ловчих «сетей», другие – для собственного перемещения, третьи – для сигнализации и т. д.
Конечно, возможность создания искусственной паутины в промышленных масштабах откроет для ученых новые возможности. Использование прочнейших и тончайших волокон позволит создать сверхлегкие бронежилеты, микропроводники, страховочные канаты, оптические волокна и даже «паутинную» зубную нить.
Так, созданные высококачественные салфетки из микроволокна идеально подходят к полировке и очищению поверхностей, на которые были нанесены нанопокрытия. Используя такую салфетку, можно легко очистить любую поверхность, не применяя химические моющие средства: внутреннюю поверхность автомобиля из нержавеющей стали и хрома, фаянс и керамику, мрамор. Даже мытье окон и зеркал не представляет никаких проблем. Дело в том, что салфетка состоит из микроволокна, которое примерно в 100 раз тоньше человеческого волоса. При его производстве применяется техника плетения паутинного волокна. Водяными струями эти тончайшие нити в течение долгого времени перекручиваются и расщепляются, так, что, в конце концов, получается прочное волокно с особыми свойствами и принципиально новыми достоинствами.
Но приоритетным направлением применения паутины, станет конечно медицина. Паутина как кровоостанавливающее средство хорошо известна с древних времен. Вот как говорили жители русских деревень: "А у нас так останавливали кровь. Вот где паутинка, вот паук наводит, заводит, этой паутинкой накидывают это место и кровь перестает... Как обрежем палец, так скорей за паутинку, накрыли ей и всё. И ничего никогда не болело особенно".Иногда паутину использовали для лечения и других недугов, не только порезов. Во времена, когда была распространена лихорадка, для облегчения при тяжелых приступах паутину скатывали в шарики и давали проглотить больному. Подобные «пилюли» принимали от астмы и сонливости. Топсел (181) описывает магическое средство от бородавок. «Имеются такие хирурги, — пишет он, — что излечивают бородавки вот каким манером: берут паутину, скатывают в круглый комок наподобие шарика и накладывают на бородавку; затем ее поджигают и сжигают дотла, и таким путем бородавки удаляются так, что уже не вырастают снова».
А как же дело обстоит сейчас? Паутину можно трансплантировать в места переломов или других серьезных повреждений и использовать как каркас, на который будет наращиваться новая ткань, так как ткань паутины совместима с тканями человеческого организма, она не будет вызывать отторжение. С этой целью медики используют белки каркасной нити паутины — спидроины, которые не растворяются в воде, слабых кислотах и щелочах, устойчивы к воздействию внешней среды. Для этого специалисты создают трехмерные матриксы, «заселенные» соответствующими клетками. Их имплантируют в поврежденное место, после чего ускоряется процесс заживления.
Паутина обладает и антибиотическими свойствами. Особенно та, которая идет на изготовление кокона, предохраняя яйца от губительного действия бактерий и плесневых грибков. Можно ли использовать эти знания для получения лекарств? Да! Индустрия направленного конструирования новых лекарственных препаратов, или, драг-дизайн (drug — лекарственный препарат, design — проектирование, конструирование) имеет прямое отношение к предмету нанотехнологий, поскольку взаимодействующие объекты — лекарство и мишень являются молекулярными объектами. Основные понятия, используемые в драг-дизайне — это мишень и лекарство. Мишень — это макромолекулярная биологическая структура, предположительно связанная с определённой функцией, нарушение которой приводит к заболеванию и на которую необходимо совершить определённое воздействие. Наиболее часто встречающиеся мишени — это рецепторы и ферменты. Лекарство — это химическое соединение (как правило, низкомолекулярное), специфически взаимодействующее с мишенью и тем или иным образом модифицирующее клеточный ответ, создаваемый мишенью. Так, технология включения лекарственных веществ в нанокапсулы позволит использовать многие лекарственные соединения, доставка которых в органы и ткани была бы сильно затруднена из-за их нерастворимости в воде или нестабильности. Эта технология позволит снизить токсичность и добиться направленного действия доставки биологически-активных веществ в определенные ткани.
Невозможно в одной лекции осветить даже в минимально необходимом объеме проблемы развития нанотехнологии. Я коснулись лишь очень ограниченного круга вопросов, лежащих, что называется, на поверхности.
Анализ современного состояния показывает, что, с одной стороны, на основе научных разработок в области нанотехнологии создаются новые «прорывные» эффективные технологии и материалы. С другой стороны, развитие нанотехнологий может привести к созданию нового класса химического и биологического оружия, использующего свойства наночастиц. В настоящее время не существует систематических методов детектирования наночастиц в окружающей среде и биологических объектах. Поэтому развитие технологий для определения рисков от использования наночастиц и наноматериалов, их сертификации по этому признаку имеет важнейшее значение не только для развития новых отраслей промышленности, но и с точки зрения обеспечения национальной безопасности. Особое значение имеет химическая и биологическая безопасность в современных условиях ввиду усиления террористических проявлений, которые могут быть направлены на селективное воздействие на биологические системы и организмы.
В итогехотелось бы подчеркнуть большую общность наномира. В частности, основные «кирпичики», из которых построены живые организмы, являются яркими представителями этого наномира. Ферменты, рецепторы, ионные каналы, ДНК, РНК, рибосомы и множество других составляющих клетки, и организма в целом, являются в смысле своего размера, наночастицами, но при этом чрезвычайно «умными» и с функциональной точки зрения очень рационально сделанными нанообъектами. И, конечно, не следует забывать, что природа – храм, а не мастерская, а человек в ней – служитель и сотрудник.
.jpg){kind=small}
На: Это не чудо, это природа.
Предлагаю презентацию к материалу "Это не чудо, это природа"
На: Это не чудо, это природа.
Спасибо, Елена Жановна, за содержательный материал!
На: Это не чудо, это природа.
Увидела и подумала, что Вас, Елена Жановна, это заинтересует
На: Это не чудо, это природа.
Здорово, спасибо!