Нанотехнологии, возникнув в последние десятилетия, стремительно проникают в сферу научных изысканий и постепенно становятся неотъемлемой частью повседневного бытия. Исследователи все чаще оперируют объектами микромира — атомами, молекулами и молекулярными структурами.
Иллюстрация: freepik
Основной мерой в нанотехнологических штудиях служит нанометр — миллиардная часть метра. В этих крошечных единицах измеряются молекулы и вирусы, а ныне и компоненты передовых компьютерных чипов. Именно на наноуровне разворачиваются фундаментальные физические процессы, формирующие макровзаимодействия.
Природа сама вдохновляет на сотворение нанообъектов. Каждая бактерия — это, по сути, организм, состоящий из наномеханизмов: ДНК и РНК реплицируют и передают данные, рибосомы синтезируют белки из аминокислот, митохондрии генерируют энергию. Очевидно, что на текущем этапе эволюции науки ученые стремятся имитировать и усовершенствовать эти природные явления.
Создание сканирующего туннельного микроскопа в 1980 году открыло возможность не только различать индивидуальные атомы, но и перемещать их, конструируя из них структуры — от компонентов будущих наномашин, таких как двигатели, манипуляторы, источники энергии и элементы контроля, до нанокапсул для точной доставки медикаментов в организм, нанотрубок, превосходящих сталь прочностью в 60 раз, гибких солнечных элементов и иных изумительных устройств.
Наноматериалы
Одним из ключевых типов нанообъектов выступают наночастицы. При дроблении вещества на частицы порядка десятков нанометров суммарная поверхность частиц возрастает в сотни раз, усиливая взаимодействие атомов материала с окружающей средой, поскольку почти все они оказываются на поверхности. Это свойство находит применение в современной технике. В медицине, например, используется нанопорошок серебра с антисептическими качествами. Наночастицы диоксида титана отторгают загрязнения, позволяя создавать самоочищающиеся поверхности. Нанопророшок алюминия ускоряет горение твердого ракетного топлива. Современные литиево-ионные аккумуляторы с наночастицами заряжаются за считанные минуты. Подобных иллюстраций уже немало. Еще одним открытием восьмидесятых стали фуллерены — структуры, напоминающие сферы из атомов углерода.
Другим широко известным наноэлементом является углеродная нанотрубка — одноатомный слой углерода, свернутый в цилиндр диаметром в несколько нанометров. Эти объекты впервые получили в 1952 году, но лишь в 1991 году привлекли внимание исследователей. Прочность этих трубок превосходит сталь в десятки раз; они выдерживают нагрев до 2500 градусов и давление в тысячи атмосфер. Эта прочность передается и материалам на их основе. В электронике нанотрубки могут служить превосходными проводниками или полупроводниками, что сулит прорыв, позволяя микросхемам уменьшаться в соответствии с законом Мура.
Еще одним наноматериалом является графен — двумерный углеродный слой, плоскость из атомов углерода. Этот материал был впервые синтезирован русскими физиками, работающими в Англии. Многие эксперты считают, что графен с его уникальными свойствами в будущем станет основой микропроцессоров, вытеснив традиционные полупроводники. Кроме того, он обладает невероятной прочностью.
Все эти наноэлементы все чаще интегрируются в разнообразные технологические сферы — от медицины до космических изысканий. Еще одним объектом наноразработок выступает квантовая точка — наноразмерный кристалл полупроводника. Они служат удобным источником света, цвет которого варьируется в зависимости от размера точки: крупные излучают красное свечение, мелкие — голубое. Такие точки могут применяться в медицине для прецизионной визуализации очагов заболеваний, например, в онкологии, позволяя отслеживать даже отдельные биомолекулы. Также они рассматриваются как перспективный материал для солнечных батарей и дисплеев на полимерных пленках.
Нанотехнологии в медицине
Одной из наиболее обещающих областей применения нанотехнологий остается медицина. Исследователи давно работают над задачей доставки фармацевтических препаратов прямо к клеткам, пораженным инфекцией или недугом. Базовая конструкция транспорта: капсула из биоматериала размером 50–200 нанометров, содержащая молекулы лекарства. Снаружи капсула покрыта полимерными цепочками, которые определяют момент достижения целевых тканей, после чего происходит высвобождение препарата и распад оболочки. Финальные стадии можно отсрочивать и контролировать удаленно, например, посредством нагрева или ультразвука. На недавнем форуме демонстрировался механизм локального облучения радиацией клеток пораженной опухолью печени с использованием наноструктурированного пористого кремния.
