А. Л. Наумов Москва 2009-2010 - реферат

ГОУ гимназия № 1505

Реферат на тему:

Работа ученицы 9 класса «Б»

Королевой Насти

Руководитель: А.Л.Наумов

Москва 2009-2010

Оглавление

1. Введение

2. Основная часть

· Наночастицы

· Прикладная нанотехнология

3. Заключение

4. Словарь

5. Список литературы. Ссылки

Введение

Нанотехнология - высокотехнологичная отрасль, направленная на изучение и работу с атомами и молекулами. Прикладная нанотехнология рассматривает задачи и конкретные способы практического применения (реализации) нанотехнологий для нужд человечества. Область науки и техники, именуемая нанотехнологией, как и соответствующая терминология, появились сравнительно недавно. Однако её перспективы настолько грандиозны для нашей цивилизации, что необходимо широкое распространение основных идей нанотехнологии, прежде всего среди молодежи.

Изучение наноструктур знаменует новый этап в развитии физики и биологии, поскольку по своему размеру они занимают промежуточное положение между молекулами и микроскопическими объектами (т. е. объектами размером порядка 1 мкм). Они содержат поддающееся счету число атомов и, следовательно, подходят для решения технологических задач на атомном уровне.

Наноструктуры ведут себя подобно хамелеонам: если рассматривать их как молекулы, то ввиду своего сравнительно большого размера они проявляют своеобразные квантовые особенности поведения; если рассматривать их как материалы, то они обнаруживают характеристики, которые не наблюдаются у более крупных (даже порядка 1 мкм) структур. Нанообъекты характеризуются малыми размерами, сложной внутренней организаций и способностью к очень плотной упаковке.

Разработки в области нанотехнологии ведут к революционным успехам в медицине, электронике, машиностроении и создании искусственного интеллекта. Если 10 лет назад единицы людей представляли себе, что такое нанотехнологии, то, через 5 лет, по оценкам экспертов, вся промышленность будет развиваться, используя технологии работы с атомами и молекулами.

С помощью нанотехнологий можно очищать нефть и победить многие вирусные заболевания, можно создать микроскопических роботов и продлить человеческую жизнь, можно победить СПИД и контролировать экологическую обстановку на планете, можно построить в миллион раз более быстрые компьютеры и освоить Солнечную систему.

В своем реферате описанны наиболее интересные примеры применения нанотехнологии в нашей жизни, такие как и многие другие.

Основная часть

Теория

Нанотехнология

Фундаментальные положения

Атомно-силовая микроскопия

Одним из методов, используемых для изучения нанообъектов, является атомно-силовая микроскопия. С помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) можно не только увидеть отдельные атомы, но также избирательно воздействовать на них, в частности, перемещать атомы по поверхности. Учёным уже удалось создать двумерные наноструктуры на поверхности, используя данный метод. Например, в исследовательском центре компании IBM, последовательно перемещая атомы ксенонa на поверхности монокристалла никеля, сотрудники смогли выложить три буквы логотипа компании, используя 35 атомов ксенона ^[4] .

При выполнении подобных манипуляций возникает ряд технических трудностей. В частности, требуется создание условий сверхвысокого вакуума (10⁻¹¹ тор), необходимо охлаждать подложку и микроскоп до сверхнизких температур (4-10 К), поверхность подложки должна быть атомарно чистой и атомарно гладкой, для чего применяются специальные методы её приготовления. Охлаждение подложки производится с целью уменьшения поверхностной диффузии осаждаемых атомов.

Наночастицы

Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы, размерами от 1 до 100 нанометров обычно называют «наночастицами». Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи, хоть и обладают сравнительно низкой квантовой эффективностью, зато более дёшевы и могут быть механически гибкими. Удается добиться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров — белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные наночастицы могут самовыстраиваться в определенные структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства.

Нанообъекты делятся на 3 основных класса: трёхмерные частицы, получаемые взрывом проводников, плазменным синтезом, восстановлением тонких плёнок и т. д.; двумерные объекты — плёнки, получаемые методами молекулярного наслаивания, CVD, ALD, методом ионного наслаивания и т. д.; одномерные объекты — вискеры, эти объекты получаются методом молекулярного наслаивания, введением веществ в цилиндрические микропоры и т. д. Также существуют нанокомпозиты — материалы, полученные введением наночастиц в какие-либо матрицы. На данный момент обширное применение получил только метод микролитографии, позволяющий получать на поверхности матриц плоские островковые объекты размером от 50 нм, применяется он в электронике; метод CVD и ALD в основном применяется для создания микронных плёнок. Прочие методы в основном используются в научных целях. В особенности следует отметить методы ионного и молекулярного наслаивания, поскольку с их помощью возможно создание реальных монослоёв.

Самоорганизация наночастиц

Одним из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологией — как заставить молекулы группироваться определенным способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы или устройства. Этой проблемой занимается раздел химии — супрамолекулярная химия. Она изучает не отдельные молекулы, а взаимодействия между молекулами, которые способны упорядочить молекулы определённым способом, создавая новые вещества и материалы. Обнадёживает то, что в природе действительно существуют подобные системы и осуществляются подобные процессы. Так, известны биополимеры, способные организовываться в особые структуры. Один из примеров — белки, которые не только могут сворачиваться в глобулярную форму, но и образовывать комплексы — структуры, включающие несколько молекул протеинов (белков). Уже сейчас существует метод синтеза, использующий специфические свойства молекулы ДНК. Берётся комплементарная ДНК, к одному из концов подсоединяется молекула А или Б. Имеем 2 вещества: ----А и ----Б, где ---- — условное изображение одинарной молекулы ДНК. Теперь, если смешать эти 2 вещества, между двумя одинарными цепочками ДНК образуются водородные связи, которые притянут молекулы А и Б друг к другу. Условно изобразим полученное соединение: ====АБ. Молекула ДНК может быть легко удалена после окончания процесса.

Проблема образования агломератов

Частицы размерами порядка нанометров или наночастицы, как их называют в научных кругах, имеют одно свойство, которое очень мешает их использованию. Они могут образовывать агломераты, то есть слипаться друг с другом. Так как наночастицы многообещающи в отраслях производства керамики, металлургии, эту проблему необходимо решать. Одно из возможных решений — использование веществ — дисперсантов, таких как цитрат аммония (водный раствор), имидазолин, олеиновый спирт (нерастворимых в воде). Их можно добавлять в среду, содержащую наночастицы. Подробнее это рассмотрено в источнике "Organic Additives And Ceramic Processing, ", D. J. Shanefield, Kluwer Academic Publ., Boston (англ.).

Углеродные нанотрубки

Основные свойства

[править] Классификация нанотрубок

Для получения нанотрубки (n, m), графитовую плоскость надо разрезать по направлениям пунктирных линий и свернуть вдоль направления вектора R .

Как следует из определения, основная классификация нанотрубок проводится по способу сворачивания графитовой плоскости. Этот способ сворачивания определяется двумя числами n и m , задающими разложение направления сворачивания на вектора трансляции графитовой решётки. Это проиллюстрировано на рисунке справа.

По значению параметров (n, m) различают

прямые (ахиральные) нанотрубки

«кресло» или «зубчатые» (armchair) n=m
зигзагообразные (zigzag) m=0 или n=0

спиральные (хиральные) нанотрубки

При зеркальном отражении (n, m) нанотрубка переходит в (m, n) нанотрубку, поэтому, трубка общего вида зеркально несимметрична. Прямые же нанотрубки либо переходят в себя при зеркальном отражении (конфигурация «кресло»), либо переходят в себя с точностью до поворота.

Различают металлические и полупроводниковые углеродные нанотрубки. Металлические нанотрубки проводят электрический ток при абсолютном нуле температур, в то время как проводимость полупроводниковых трубок равна нулю при абсолютном нуле и возрастает при повышении температуры. Полупроводниковые свойства у трубки появляются из-за щели на уровне Ферми. Трубка оказывается металлической, если (n-m) , делённое на 3, даёт целое число. В частности, металлическими являются все трубки типа «кресло». Более подробно см. раздел про электронные свойства нанотрубок.

[править] Однослойные и многослойные нанотрубки

Сказанное относится к простейшим однослойным нанотрубкам. В реальных условиях трубки нередко получаются многослойными, то есть представляют собой несколько однослойных нанотрубок, вложенных одна в другую (так называемые «матрёшки» (russian dolls)).

Структурные свойства

упругие свойства; дефекты при превышении критической нагрузки:

- в большинстве случаев представляют собой разрушенную ячейку-гексагон решётки – с образованием пентагона или септогона на её месте. Из специфических особенностей графена следует, что дефектные нанотрубки будут искажаться аналогичным образом, т.е. с возникновением выпуклостей (при 5-и) и седловидных поверхностей (при 7-и). Наибольший же интерес в данном случае представляет комбинация данных искажений, особенно расположенных друг напротив друга – это уменьшает прочность нанотрубки, но формирует в её структуре устойчивое искажение, меняющее свойства последней: иными словами, в нанотрубке образуется постоянный изгиб.

открытые и закрытые нанотрубки

Электронные свойства нанотрубок

[править] Электронные свойства графитовой плоскости

Обратная решётка, первая зона Бриллюэна

Все точки K первой зоны Бриллюэна отстоят друг от друга на вектор трансляции обратной решётки, поэтому все они на самом деле эквивалентны. Аналогично, эквивалентны все точки K'.

Спектр в приближении сильной связи (См. более подробно Графен)

Спектр углеродной плоскости в первой зоне Бриллюэна. Показана только часть E(k)>0 , часть E(k)<0 получается отражением в плоскости k_x , k_y .

Дираковские точки (См. подробнее Графен)

Дираковские точки в периодически продолженном за пределы первой зоны Бриллюэна спектре графитовой плоскости

Графит — полуметалл, что видно невооружённым глазом по характеру отражения света. Можно убедиться, что электроны p-орбиталей полностью заполняют первую зону Бриллюэна. Таким образом, оказывается, что уровень Ферми графитовой плоскости проходит точно по дираковским точкам, т.о. вся поверхность Ферми (точнее, линия в двумерном случае) вырождается в две неэквивалентные точки.

Если энергия электронов мало отличается от энергии Ферми, то можно заменить истинный спектр электронов вблизи дираковской точки на простой конический, такой же как спектр безмассовой частицы, подчиняющейся уравнению Дирака в 2+1 измерениях.

SU(4) симметрия

[править] Преобразование спектра при сворачивании плоскости в трубку

граничные условия Борна-Кармана
Эффективное уравнение Дирака
Металлические и полупроводниковые трубки
Поведение спектра при приложении продольного магнитного поля

[править] Учёт взаимодействия электронов

Бозонизация
Латтинжеровская жидкость
Разделение спина и заряда
Экспериментальный статус

[править] Сверхпроводимость в нанотрубках

Экспериментальный статус

Сверхпроводимость углеродных нанотрубок открыта исследователями из Франции и России (ИПТМ РАН, Черноголовка). Ими были проведены измерения вольт-амперных характеристик:

- отдельной однослойной нанотрубки диаметром ~1нм;

- свёрнутого в жгут большого числа однослойных нанотрубок;

- также индивидуальных многослойных нанотрубок.

При температуре, близкой к 4К, между двумя сверхпроводящими металлическими контактами наблюдался ток. В отличие от обычных трёхмерных проводников, перенос заряда в нанотрубке имеет ряд особенностей, которые, судя по всему, объясняются одномерным характером переноса (как, например, квантование сопротивления R: см. статью, опубликованной в Science ^[10] ).

Теория

[править] Экситоны и биэкситоны в нанотрубках

[править] Оптические свойства нанотрубок

Полупроводниковые модификации углеродных нанотрубок (разность индексов хиральности не кратна трём) являются прямозонными полупроводниками. Это означает, что в них может происходить непосредственная рекомбинация электрон-дырочных пар, приводящая к испусканию фотона. Прямозонность автоматически включает углеродные нанотрубки в число материалов оптоэлектроники.

[править] Свойства интеркалированных нанотрубок

[править] Возможные применения нанотрубок

Механические применения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы
Применения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы
Для создания соединений между биологическими нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках
Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки
Оптические применения: дисплеи, светодиоды
Медицина (в стадии активной разработки)
Одностенные нанотрубки (индивидуальные, в небольших сборках или в сетях) являются миниатюрными датчиками для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью — при адсорбции на поверхности нанотрубки молекул её электросопротивление, а также характеристики нанотранзистора могут изменяться. Такие нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях.
Трос для космического лифта, так как нанотрубки теоретически, могут держать и больше тонны… но только в теории. Потому как получить достаточно длинные углеродные трубки с толщиной стенок в один атом не удавалось до сих пор^[11] .
Листы из углеродных нанотрубок можно использовать в качестве плоских прозрачных громкоговорителей, к такому выводу пришли китайские учёные^[12]

[править] Получение углеродных нанотрубок

В настоящее время наиболее распространенным является метод термического распыления графитовых электродов в плазме дугового разряда. Процесс синтеза осуществляется в камере, заполненной гелием под давлением около 500 торр. При горении плазмы происходит интенсивное термическое испарение анода, при этом на торцевой поверхности катода образуется осадок, в котором формируются нанотрубки углерода. Наибольшее количество нанотрубок образуется тогда, когда ток плазмы минимален и его плотность составляет около 100 А/см2. В экспериментальных установках напряжение между электродами обычно составляет около 15-25 В, ток разряда несколько десятков ампер, расстояние между концами графитовых электродов 1-2 мм. В процессе синтеза около 90% массы анода осаждается на катоде.

Образующиеся многочисленные нанотрубки имеют длину порядка 40 мкм. Они нарастают на катоде перпендикулярно плоской поверхности его торца и собраны в цилиндрические пучки диаметром около 50 мкм. Пучки нанотрубок регулярно покрывают поверхность катода, образуя сотовую структуру. Ее можно обнаружить, рассматривая осадок на катоде невооруженным глазом. Пространство между пучками нанотрубок заполнено смесью неупорядоченных наночастиц и одиночных нанотрубок. Содержание нанотрубок в углеродном осадке (депозите) может приближаться к 60%.

Для разделения компонентов полученного осадка используется ультразвуковое диспергирование. Катодный депозит помещают в метанол и обрабатывают ультразвуком. В результате получается суспензия, которая (после добавления воды) подвергается разделению на центрифуге. Крупные частицы сажи прилипают к стенкам центрифуги, а нанотрубки остаются плавающими в суспензии. Затем нанотрубки промывают в азотной кислоте и просушивают в газообразном потоке кислорода и водорода в соотношении 1 : 4 при температуре 750?C в течение 5 мин. В результате такой обработки получается достаточно легкий и пористый материал, состоящий из многослойных нанотрубок со средним диаметром 20 нм и длиной около 10 мкм. Технология получения нанотрубок довольно сложна, поэтому в настоящее время нанотрубки - дорогой материал: один грамм стоит несколько сот долларов США.

Согласно публикации в журнале NanoLetters, физикам из нескольких китайских исследовательских центров удалось доработать технологию, которой пользовались ученые по всему миру – технологию химического осаждения атомов углерода из газовой среды. Им удалось синтезировать углеродные нанотрубки длиной до 18,5 сантиметров.

Цуньшень Ванг (Xueshen Wang) и его коллеги использовали смесь веществ, которые многим известны отнюдь не в качестве химреактивов: свои рекордные нанотрубки китайцы вырастили в атмосфере паров спирта и воды. Правда, эти вещества находились в несколько нестандартных по алкогольным меркам пропорциях: 4 части спирта на 1 часть воды.

Кроме того, китайские ученые использовали водород, продуваемый через специальный реактор, а также сверхтонкий порошок железа и молибдена – это были зерна для затравки реакции. Также пригодилась им пленка из обычных, меньшей длины, нанотрубок, – для эффективного удаления «мусора» в виде растущих в неправильных направлениях углеродных цилиндров вкупе с аморфным и потому неинтересным углеродом.^[13]

Фуллерены

Структурные свойства фуллеренов

В молекулах фуллеренов атомы углерода расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида. Самый симметричный и наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов — [60]фуллерен (C₆₀ ), в котором углеродные атомы образуют усеченный икосаэдр, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и напоминающий футбольный мяч. Так как каждый атом углерода фуллерена С₆₀ принадлежит одновременно двум шести- и одному пятиугольнику, то все атомы в С₆₀ эквивалентны, что подтверждается спектром ядерного магнитного резонанса (ЯМР) изотопа ¹³ С — он содержит всего одну линию. Однако не все связи С-С имеют одинаковую длину. Связь С=С, являющаяся общей стороной для двух шестиугольников, составляет 1.39 Å, а связь С-С, общая для шести- и пятиугольника, длиннее и равна 1.44 Å ^[5] . Кроме того, связь первого типа двойная, а второго — одинарная, что существенно для химии фуллерена С₆₀ .

Следующим по распространённости является фуллерен C₇₀ , отличающийся от фуллерена C₆₀ вставкой пояса из 10 атомов углерода в экваториальную область C₆₀ , в результате чего молекула C₇₀ оказывается вытянутой и напоминает своей формой мяч для игры в регби.

Так называемые высшие фуллерены, содержащие большее число атомов углерода (до 400), образуются в значительно меньших количествах и часто имеют довольно сложный изомерный состав. Среди наиболее изученных высших фуллеренов можно выделить C_n , n =74, 76, 78, 80, 82 и 84.

[править] Синтез фуллеренов

Первые фуллерены выделяли из конденсированных паров графита, получаемых при лазерном облучении твёрдых графитовых образцов. Фактически, это были следы вещества. Следующий важный шаг был сделан в 1990 году В. Кретчмером, Лэмбом, Д. Хаффманом и др., разработавшими метод получения граммовых количеств фуллеренов путём сжигания графитовых электродов в электрической дуге в атмосфере гелия при низких давлениях.^[6] . В процессе эрозии анода на стенках камеры оседала сажа, содержащая некоторое количество фуллеренов. Довольно скоро удалось подобрать оптимальные параметры испарения электродов (давление, состав атмосферы, ток, диаметр электродов), при которых достигается наибольший выход фуллеренов, составляющий в среднем 3-12 % материала анода, что, в конечном счёте, определяет высокую стоимость фуллеренов.

На первых порах все попытки экспериментаторов найти более дешёвые и производительные способы получения граммовых количеств фуллеренов (сжигание углеводородов в пламени^[7] , химический синтез^[8] и др.) к успеху не привели и метод «дуги» долгое время оставался наиболее продуктивным (производительность около 1 г/час)^[9] . Впоследствии, фирме Мицубиси удалось наладить промышленное производство фуллеренов методом сжигания углеводородов, но такие фуллерены содержат кислород и поэтому дуговой метод по-прежнему остаётся единственным подходящим методом получения чистых фуллеренов.

Механизм образования фуллеренов в дуге до сих пор остаётся неясным, поскольку процессы, идущие в области горения дуги, термодинамически неустойчивы, что сильно усложняет их теоретическое рассмотрение. Неопровержимо удалось установить только то, что фуллерен собирается из отдельных атомов углерода (или фрагментов С₂ ). Для доказательства в качестве анодного электрода использовался графит ¹³ С высокой степени очистки, другой электрод был из обычного графита ¹² С. После экстракции фуллеренов, было показано методом ЯМР, что атомы ¹² С и ¹³ С расположены на поверхности фуллерена хаотично. Это указывает на распад материала графита до отдельных атомов или фрагментов атомного уровня и их последующую сборку в молекулу фуллерена. Данное обстоятельство заставило отказаться от наглядной картины образования фуллеренов в результате сворачивания атомных графитовых слоёв в замкнутые сферы.

Сравнительно быстрое увеличение общего количества установок для получения фуллеренов и постоянная работа по улучшению методов их очистки привели к существенному снижению стоимости С₆₀ за последние 17 лет — с 10000$ до 10-15$ за грамм^[10] , что подвело к рубежу их реального промышленного использования.

К сожалению, несмотря на оптимизацию метода Хаффмана — Кретчмера (ХК), повысить выход фуллеренов более 10-20 % от общей массы сожжённого графита не удаётся. Если учесть относительно высокую стоимость начального продукта — графита, становится ясно, что этот метод имеет принципиальные ограничения. Многие исследователи полагают, что снизить стоимость фуллеренов, получаемых методом ХК, ниже нескольких долларов за грамм не удастся. Поэтому усилия ряда исследовательских групп направлены на поиск альтернативных методов получения фуллеренов. Наибольших успехов в этой области достигла фирма Мицубиси, которой, как уже говорилось выше, удалось наладить промышленный выпуск фуллеренов методом сжигания углеводородов в пламени. Стоимость таких фуллеренов составляет около 5$/грамм (2005 год), что никак не повлияло на стоимость электродуговых фуллеренов.

Необходимо отметить, что высокую стоимость фуллеренов определяет не только их низкий выход при сжигании графита, но и сложность выделения, очистки и разделения фуллеренов различных масс из углеродной сажи. Обычный подход состоит в следующем: сажу, полученную при сжигании графита, смешивают с толуолом или другим органическим растворителем (способным эффективно растворять фуллерены), затем смесь фильтруют или отгоняют на центрифуге, а оставшийся раствор выпаривают. После удаления растворителя остается тёмный мелкокристаллический осадок — смесь фуллеренов, называемый обычно фуллеритом. В состав фуллерита входят различные кристаллические образования: мелкие кристаллы из молекул С₆₀ и С₇₀ и кристаллы С₆₀ /С₇₀ , являются твёрдыми растворами. Кроме того, в фуллерите всегда содержится небольшое количество высших фуллеренов (до 3 %). Разделение смеси фуллеренов на индивидуальные молекулярные фракции производят с помощью жидкостной хроматографии на колонках и жидкостной хроматографии высокого давления (ЖХВД). Последняя используется главным образом для анализа чистоты выделенных фуллеренов, так как аналитическая чувствительность метода ЖХВД очень высока (до 0.01 %). Наконец, последний этап — удаление остатков растворителя из твёрдого образца фуллерена. Оно осуществляется путём выдерживания образца при температуре 150—250 ^o С в условиях динамического вакуума (около 0.1 торр).

Соединения, подобные фуллеренам, образуются при авариях на ядерных объектах с графитовыми стержнями-ограничителями (возможно, например, в Чернобыльской катастрофе). Учитывая достаточно высокую биологическую проницаемость этих углеродных соединений и возможность несения в своей полости атома урана или другого неустойчивого элемента, они могут нести ответственность за некоторые аутосоматические формы лучевой болезни.

[править] Физические свойства и прикладное значение фуллеренов

[править] Фуллериты

Конденсированные системы, состоящие из молекул фуллеренов, называются фуллеритами. Наиболее изученная система такого рода — кристалл С₆₀ , менее — система кристаллического С₇₀ . Исследования кристаллов высших фуллеренов затруднены сложностью их получения. Атомы углерода в молекуле фуллерена связаны σ- и π- связями, в то время как химической связи (в обычном смысле этого слова) между отдельными молекулами фуллеренов в кристалле нет. Поэтому в конденсированной системе отдельные молекулы сохраняют свою индивидуальность (что важно при рассмотрении электронной структуры кристалла). Молекулы удерживаются в кристалле силами Ван-дер-Ваальса, определяя в значительной мере макроскопические свойства твёрдого C₆₀ .

При комнатных температурах кристалл С₆₀ имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) решётку с постоянной 1.415 нм, но при понижении температуры происходит фазовый переход первого рода (Т_кр ≈260 К) и кристалл С₆₀ меняет свою структуру на простую кубическую (постоянная решётки 1.411 нм)^[11] . При температуре Т > Т_кр молекулы С₆₀ хаотично вращаются вокруг своего центра равновесия, а при её снижении до критической две оси вращения замораживаются. Полное замораживание вращений происходит при 165 К. Кристаллическое строение С₇₀ при температурах порядка комнатной подробно исследовалось в работе^[12] . Как следует из результатов этой работы, кристаллы данного типа имеют объёмноцентрированную (ОЦК) решётку с небольшой примесью гексагональной фазы.

[править] Нелинейные оптические свойства фуллеренов

Анализ электронной структуры фуллеренов показывает наличие π-электронных систем, для которых имеются большие величины нелинейной восприимчивости. Фуллерены действительно обладают нелинейными оптическими свойствами. Однако из-за высокой симметрии молекулы С₆₀ генерация второй гармоники возможна только при внесении асимметрии в систему (например внешним электрическим полем). С практической точки зрения привлекательно высокое быстродействие (~250 пс), определяющее гашение генерации второй гармоники. Кроме того фуллерены С₆₀ способны генерировать и третью гармонику^[5] .

Другой вероятной областью использования фуллеренов и, в первую очередь, С₆₀ являются оптические затворы. Экспериментально показана возможность применения этого материала для длины волны 532 нм^[10] . Малое время отклика даёт шанс использовать фуллерены в качестве ограничителей лазерного излучения и модуляторов добротности. Однако, по ряду причин фуллеренам трудно конкурировать здесь с традиционными материалами. Высокая стоимость, сложности с диспергированием фуллеренов в стёклах, способность быстро окисляться на воздухе, далеко не рекордные коэффициенты нелинейной восприимчивости, высокий порог ограничения оптического излучения (не пригодный для защиты глаз) создают серьёзные трудности в борьбе с конкурирующими материалами.

[править] Гидратированный фуллерен (HyFn);(С₆₀ @{H₂ O}n)

Молекула фуллерена, окруженная устойчивой гидратной оболочкой. Гидратная оболочка образуется вследствие донорно-акцепторного взаимодействия неподеленных пар электронов кислорода молекул воды с акцепторными центрами на поверхности фуллерена. При этом, молекулы воды, ориентированные вблизи поверхности фуллерена связаны между собой объёмной сеткой водородных связей. Таким образом, HyFn представляет собой сферический кластер, состоящий из упорядоченных слоёв водных молекул с молекулой фуллерена в центре^[13] [1]

[править] Фуллерен в качестве материала для полупроводниковой техники

Молекулярный кристалл фуллерена является полупроводником с шириной запрещённой зоны ~1.5 эВ и его свойства во многом аналогичны свойствам других полупроводников. Поэтому ряд исследований был связан с вопросами использования фуллеренов в качестве нового материала для традиционных приложений в электронике: диод, транзистор, фотоэлемент и т. п. Здесь их преимуществом по сравнению с традиционным кремнием является малое время фотоотклика (единицы нс). Однако существенным недостатком оказалось влияние кислорода на проводимость плёнок фуллеренов и, следовательно, возникла необходимость в защитных покрытиях. В этом смысле более перспективно использовать молекулу фуллерена в качестве самостоятельного наноразмерного устройства и, в частности, усилительного элемента^[14] .

[править] Фуллерен как фоторезист

Под действием видимого (> 2 эВ), ультрафиолетового и более коротковолнового излучения фуллерены полимеризуются и в таком виде не растворяются органическими растворителями. В качестве иллюстрации применения фуллеренового фоторезиста можно привести пример получения субмикронного разрешения (≈20 нм) при травлении электронным пучком кремния с использованием маски из полимеризованной плёнки С₆₀ ^[10] .

[править] Фуллереновые добавки для роста алмазных плёнок методом CVD

Другой интересной возможностью практического применения является использование фуллереновых добавок при росте алмазных плёнок CVD-методом (Chemical Vapor Deposition). Введение фуллеренов в газовую фазу эффективно с двух точек зрения: увеличение скорости образования алмазных ядер на подложке и поставка строительных блоков из газовой фазы на подложку. В качестве строительных блоков выступают фрагменты С₂ , которые оказались подходящим материалом для роста алмазной плёнки. Экспериментально показано, что скорость роста алмазных плёнок достигает 0.6 мкм/час, что в 5 раз выше, чем без использования фуллеренов. Для реальной конкуренции алмазов с другими полупроводниками в микроэлектронике необходимо разработать метод гетероэпитаксии алмазных плёнок, однако рост монокристаллических плёнок на неалмазных подложках остаётся пока неразрешимой задачей. Один из возможных путей решения этой проблемы — использование буферного слоя фуллеренов между подложкой и плёнкой алмазов. Предпосылкой к исследованиям в этом направлении является хорошая адгезия фуллеренов к большинству материалов. Перечисленные положения особенно актуальны в связи с интенсивными исследованиями алмазов на предмет их использования в микроэлектронике следующего поколения. Высокое быстродействие (высокая насыщенная дрейфовая скорость); максимальная, по сравнению с любыми другими известными материалами, теплопроводность и химическая стойкость делают алмаз перспективным материалом для электроники следующего поколения^[10] .

[править] Сверхпроводящие соединения с С₆₀

Как уже говорилось, молекулярные кристаллы фуллеренов — полупроводники, однако в начале 1991 г. было установлено, что легирование твёрдого С₆₀ небольшим количеством щелочного металла приводит к образованию материала с металлической проводимостью, который при низких температурах переходит в сверхпроводник. Легирование С₆₀ производят путём обработки кристаллов парами металла при температурах в несколько сотен градусов Цельсия. При этом образуется структура типа X₃ С₆₀ (Х — атом щелочного металла). Первым интеркалированным металлом оказался калий. Переход соединения К₃ С₆₀ в сверхпроводящее состояние происходит при температуре 19 К. Это рекордное значение для молекулярных сверхпроводников. Вскоре установили, что сверхпроводимостью обладают многие фуллериты, легированные атомами щелочных металлов в соотношении либо Х₃ С₆₀ , либо XY₂ С₆₀ (X,Y — атомы щелочных металлов). Рекордсменом среди высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) указанных типов оказался RbCs₂ С₆₀ — его Т_кр =33 К^[15] .

[править] Влияние малых добавок фуллереновой сажи на антифрикционные и противоизносные свойства ПТФЭ

Следует отметить, что присутствие фуллерена С₆₀ в минеральных смазках инициирует на поверхностях контртел образование защитной фуллерено-полномерной пленки толщиной - 100 нм. Образованная пленка защищает от термической и окислительной деструкции, увеличивает время жизни узлов трения в аварийных ситуациях в 3-8 раз, термостабильность смазок до 400-500ºС и несущую способность узлов трения в 2-3 раза, расширяет рабочий интервал давлений узлов трения в 1,5-2 раза, уменьшает время приработки контртел.

[править] Другие области применения фуллеренов

Среди других интересных приложений следует отметить аккумуляторы и электрические батареи, в которых так или иначе используются добавки фуллеренов. Основой этих аккумуляторов являются литиевые катоды, содержащие интеркалированные фуллерены. Фуллерены также могут быть использованы в качестве добавок для получения искусственных алмазов методом высокого давления. При этом выход алмазов увеличивается на ≈30 %. Фуллерены могут быть также использованы в фармации для создания новых лекарств. Кроме того, фуллерены нашли применение в качестве добавок в интумесцентные (вспучивающиеся) огнезащитные краски. За счёт введения фуллеренов краска под воздействием температуры при пожаре вспучивается, образуется достаточно плотный пенококсовый слой, который в несколько раз увеличивает время нагревания до критической температуры защищаемых конструкций. Так же фуллерены и их различные химические производные используются в сочетании с полисопряжёнными полупроводящими полимерами для изготовления солнечных элементов.

Применение

Наноэлектроника

Диод

Полупроводниковые диоды изготавливаются из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c одним типом проводимости вплавляют капельки материала с другим типом проводимости.

Полупроводниковые диоды используются в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный.

Транзистор

На работе транзистора основаны все логические микросхемы. Название происходит от сочетания английских слов transfer – переносить и resistor – сопротивление. Для создания транзисторов обычно используют германий или кремний.

Обычный плоскостной (планарный) транзистор представляет собой тонкую полупроводниковую пластинку с электронным или дырочным типом проводимости, на которую нанесены участки другого полупроводника с противоположным типом проводимости. Пластинку транзистора называют базой (Б), одну из областей с противоположным типом проводимости – коллектором (К), а вторую – эмиттером (Э). В условных обозначениях транзистора стрелка эмиттера показывает направление тока через него.

В транзисторе маленький ток управляет большим. Это суть электроники.

Но управление не обязательно подразумевает усиление. Можно управлять сигналами, несущими информацию – логические нули и единицы. А это значит, что можно целенаправленно изменять хранимую информацию – то есть обрабатывать ее, что и делает микропроцессор, работая на двоичной логике.

Обычно транзистор включен так, что нулевое или положительное напряжение кодирует “0”, а отрицательное “1”. Пока цепь базы разомкнута, ток в цепи эмиттера практически не идет, так как для основных носителей свободного заряда переход заперт. Это состояние соответствует логическому “0”. При подаче отрицательного напряжения на базу дырки – основные носители заряда в эмиттере – переходят из него в базу, создавая в цепи ток, что соответствует логической “1”.

Таким образом, “0” на входе схемы запирает транзистор, а на выходе мы имеем опять “0”. Если же подать “1” на вход (базу транзистора), он откроется и выдаст “1” на эмиттере.

Современная технология производит полупроводниковые приборы – диоды, транзисторы, фотосенсоры размером в несколько микрометров.

Однако для дальнейшего развития техники возникла необходимость перехода на транзисторы нанометровых размеров. Ведь быстродействие компьютера напрямую зависит от количества транзисторов, которое удается разместить на единице площади. И первые попытки перешагнуть нанометровый рубеж уже дали хорошие результаты.

Cоединяя несколько транзисторов, можно получить все базовые логические схемы, необходимые для работы микропроцессора: "И", "ИЛИ", и "НЕ".

Первый нанотранзистор

Транзистор состоит из шести атомов углерода, помещенных между двумя золотыми электродами. Такой транзистор позволит уменьшить размер микросхем, тем самым повысив их производительность, и снизить энергопотребление, надеются авторы проекта. Однако повсеместное применение таких транзисторов отложено на несколько лет. Во-первых, из собранных образцов рабочими оказываются лишь 15%, во-вторых, пока нет технологии, позволяющей строить микросхемы с использованием таких транзисторов.

Ученые из Йельского университета и Южной Кореи впервые создали молекулярный транзистор, состоящий из шести атомов углерода, помещенных между двумя золотыми электродами. Хотя транзисторы, функция которых заключается в усилении или переключении направления тока, уже много десятилетий являются базовыми структурными элементами, эта разработка, как говорят ученые, является даже не техническим прорывам, а настоящим научным открытием.

Использование такого рода транзисторов позволит значительно миниатюризировать электронные схемы, а также почти исключить потерю энергии.
Следует отметить, что чаще всего ученых занимает именно второй аспект – потеря энергии, которая уходит на нагрев схемы. «Обывателю порой кажется, что конечная цель ученых, работающих с транзисторами – сделать их как можно меньше», - говорит профессор Йельского университета Марк Рид (Mark Reed), участвовавший в разработке транзистора, «в то время как основной проблемой является то, сколько электроэнергии рассеется и как и из чего делать транзисторы, чтобы уменьшить эту потерю».

М. Рид и его коллеги сделали две экспериментальных модели транзистора, одна из которых почти не работает, а другая функционирует нормально. Первая, неработающая модель состоит из восьми атомов углерода, расположенных в линию, по бокам которой располагаются атомы водорода. Целью ее создания была простая демонстрация того, что можно сделать транзистор таких размеров. Электрон проходит через цепочку атомов, но для его продвижения необходимо слишком много энергии и устройство становится неэффективным.

Во втором случае ученые взяли шесть атомов углерода и водорода и разместили их циклически, создав, таким образом, молекулу бензола. В этом случае ток легко течет через нее от одного золотого электрода к другому.

Поскольку атомы углерода образуют кольцо, они легко могут делиться электронами. Это и позволяет току легко течь через транзистор. Современные кремниевые транзисторы достигают размеров 45 нм, некоторые исследователи создавали и еще меньшие работающие образцы. Но когда из них собирается микросхема, она все равно сильно греется из-за энергопотерь. В молекулярном транзисторе атомы углерода образуют кольцо, они легко могут делиться электронами. Это и позволяет току легко течь через транзистор. Использование таких транзисторов поможет, по мнению разработчиков, создать негреющиеся и гораздо более долговечные электронные устройства.

Впрочем, как замечают ученые, хотя это и открытие, но до его применения в производстве электроники еще далеко. Во-первых, нуждается в доработке технология производства – из всех создаваемых М. Ридом и его коллегами транзисторов рабочими оказывается только 15%, что заставляет усомниться в надежности устройства. Во-вторых, необходимо разработать сборку микросхемы, ведь в нее должны входить тысячи таких транзисторов, а как заявляют многие специалисты, такая технология может не появиться еще лет десять. Впрочем, ученые настроены вполне оптимистично. В их планы входит дальнейшая отладка работы устройства и схемы его сборки. Согласно их словам, то, что они разработали «в любом случае является научным прорывом».

500 терабайт в одном дюйме

Ученые разработали систему переключения на молекулярном уровне, которая приводит к радикальному увеличению объема хранимой информации без увеличения размера устройства. Благодаря прорыву в области нанотехнологий ученых объем памяти на единицу площади может увеличиться в 150 тыс раз.

Ученые добились размещения объема информации в 500 терабайт, записанных на одном квадратном дюйме (около шести кв. см.), в то время как при текущей технологии на аналогичном пространстве умещалось лишь 3.3 гигабайта информации. По мнению ученых, главным преимуществом молекулярного переключателя является увеличенная плотность транзисторов, что увеличит объем хранимой информации до четырех петабайт (1 петабайт = 1024 терабайт) на квадратный дюйм. По словам ученых, с помощью их разработки количество транзисторов, размещаемых на одном чипе, может быть увеличено с текущего предела в 200 миллионов до одного миллиарда транзисторов.

Аккумулятор из рубашки

Кому не случалось, выйдя из дома, обнаружить, что зарядить свои гаджеты он забыл и теперь не только не удастся послушать музыку в дороге, но и совершить нужные звонки? Калифорнийские ученые заявляют, что это неудобство может остаться в прошлом, поскольку скоро можно будет подзарядить мобильное устройство от собственной одежды. С помощью нанотехнологий обычный хлопок и полиэстер может превратиться в электропроводную ткань, которая будет работать в роли аккумулятора.

«Электроника, которую человек может носить на себе, представляет собой динамично развивающуюся отрасль, в рамках которой электронные устройства приобретают гибкость, растяжимость и малый вес, что позволяет создавать устройства, ранее невозможные,» - заявляет исследователь: «Высокотехнологичная спортивная одежда, встроенные дисплеи, новые виды переносных аккумуляторов, встроенные системы контроля биологических параметров – вот примеры таких устройств».

В основе создания электропроводной ткани лежит пропитка хлопковой или полиестеровой ткани краской, насыщенной углеродными нанотрубками. После этого ткань приобретает необычное свойство – способность накапливать электрический ток. При этом ткань не теряет своей эластичности и, как показали опыты, сохраняет новое свойство после многократных стирок.

Нанороботы

Современная наука и инженерия нуждаются в помощи роботизированной техники для решения различных задач. При этом проблемы, все чаще встающие перед учеными, требуют создания не гигантов, способных вырыть котлован одним движением ковша, а крошечных, невидимых глазу машин. Эти продукты инженерии непохожи на роботов в привычном понимании, однако способны самостоятельно выполнять сложные задачи по имеющимся алгоритмам. Такие машины называют нанороботами. Микроскопические роботы могут решать массу важных для человечества задач, совершить переворот в медицине, уничтожать вредные отдходы и даже готовить необходимую людям инфраструктуру для жизни на других планетах. Однако любой, даже самый мизерный программный сбой может оказаться для человечества фатальным.

Нанороботы (в англоязычной литературе также используются термины «наноботы», «наноиды», «наниты») - роботы, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой. Они должны обладать функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ. Размеры нанороботов не превышают нескольких нанометров. Согласно современным теориям, нанороботы должны уметь осуществлять двустороннюю коммуникацимю: реагировать на акустические сигналы и быть в состоянии подзаряжаться или перепрограммироваться извне посредством звуковых или электрических колебаний. Также важной представляются функции репликации – самосборки новых нанитов и программированного самоуничтожения, когда среда работы, например, человеческое тело, более не нуждается в присутствии в нем нанороботов. В последнем случае роботы должны распадаться на безвредные и быстовыводимые компоненты.

Сфера применения нанроботов очень широка. По сути, они могут быть необходимы при создании, отладке и поддержании функционирования любой сложной системы. Наномашины могут применяться в электронике для создания миниустройств или электрических цепей - данная технология называется молекулярной наносборкой. В перспективе любая сборка на заводе из компонентов может быть заменена простой сборкой из атомов.

Однако на первое место сейчас вышел вопрос применения нанороботов в медицине. Тело человека как бы наталкивает на мысль о нанороботах, поскольку само содержит множество естественных наномеханизмов: множество нейтрофилов, лимфоцитов и белых клеток крови постоянно функционируют в организме, восстанавливая поврежденные ткани, уничтожая вторгшиеся микроорганизмы и удаляя посторонние частицы из различных органов. Путем обычной инъекции нанороботы могут быть впрыснуты в кровь или лимфу. Для наружного применения раствор с этими роботами может быть нанесен на участок ткани. Одним из разработанных направлений является транспортировка лекарства к пораженным клетками. При обычном введении лекарства лишь одна молекула из ста тысяч достигает цели, в то время как наноустройство в белковой оболочке увеличивает эффективность на два порядка, в перспективе не будет опознаваться фагоцитами как «чужой» и после выполнения функции распадается на безвредные компоненты. Такие нанороботы могут быть эффективными, например, при медикаментозном лечении раковых опухолей.

Нанороботы могу делать буквально все: диагностировать состояния любых органов и процессов, вмешиваться в эти процессы, доставлять лекарства, соединять и разрушать ткани, синтезировать новые. Фактически, нанороботы могут постоянно омолаживать человека, реплицируя все его ткани. На данном этапе учеными разработана сложная программа, моделирующая проектирование и поведение нанороботов в организме. Чрезвычайно детально разработаны аспекты маневрирования в артериальной среде, поиска белков с помощью датчиков. Ученые провели виртуальные исследования нанороботов для лечения диабета, исследования брюшной полости, аневризмы мозга, рака, биозащиты от отравляющих веществ.

Наноконкурент металла

Нанокомпозит оксида алюминия и полимера оказался прочен, как металл, но при этом значительно легче. Ученые включили крошечные пластинки оксида алюминия в полимер для получения легкого, эластичного и прочного материала. Результатом его применения могут стать долговечные протезы костей и зубов, легкие почти не изнашивающиеся детали автомобилей и самолетов, эластичные и прозрачные печатные платы и электронные элементы.

Пытаясь создать такой материал, ученые старались скопировать наноструктуры, наблюдаемые в природе. Раковины, кости, зубная эмаль – все эти материалы состоят из прочных микропластинок, находящихся в полимерной матрице, как кирпичи в растворе. Такая структура позволяет соединить гибкость полимера с прочностью керамики.

Исследователи из Мичиганского университета работали с керамополимерами, которые были исключительно прочны, но хрупки и ломались при деформации. По словам профессора Швейцарского технологического университета, ведущего работу над полимерами с оксидом алюминия, их материал впятеро прочней разработанного мичиганской группой, и при этом более эластичен. Пленка композита прочна как алюминевая фольга, однако может растянуться на 25%, тогда как фольга рвется при растяжении на 2%.

Другим преимуществом нового материала является его вес. Материал вчетверо легче стали той же прочности. Он может стать заменой стекловолокну, используемому в автомобилестроении. Материал будет прочен не в одном измерении, как материалы на основе волокна, а во всех, в силу его структуры – распределенных в полимере микропластинок. Кроме того, новый материал полупрозрачен, что позволяет применить его в электронике.

Для производства материала исследователи насыщают микропластинками этанол, который затем вливают в воду. Пластинки образуют слой на поверхности воды. Затем этот слой переносится на поверхность опускаемого в раствор стекла. Затем на него наносится слой полимера. Операция повторяется, пока толщина материала не достигает десятых долей миллиметра, и затем он снимается со стекла.

При разработке материала ученым помогло изучение механической структуры перламутра. В перламутре находятся пластинки, состоящие из карбоната кальция, располагающиеся слоями в белковом полимере.

Нанокапсулы

Белки являются наиболее важными элементами в нашем организме. Каждая клетка сдержит тысячи белков, которые контролируют физиологические реакции, метаболизм, обмен клеточной информацией, защитные механизмы и многое другое. В свете этого неудивительно, что многие наши болезни объясняются нарушением работы отдельных белков. Один из примеров использования нанотехнологий в медицине - белковая терапия, когда белок, поступающий в клетку, заменяет собой дефектный элемент - такое возможно при использовании нового вида биотранспорта - нанокапсул.

В противовес генной терапии, при которой ген помещается в клетку, заменяя дефектный ген или увеличивая количество генов чтобы увеличить выработку определенного белка, белковая терапия заключается в помещении четко определенных и структурированных белков в клетку для замены дефектного белка. Такой подход позволяет избежать проблем, свойственных генной терапии и считается наиболее безлопастным способом решения болезней.

Затруднением, однако, является способ доставки белка. Такие традиционные способы, как оральное, внутримышечное, внутриартериальное или внутривенное введение весьма малоэффективны, поскольку введенный белок перерабатывается до того, как он успевает достигнуть целевой клетки.

Группе ученых из Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе удалось разработать высокоэффективный и низкотоксичный способ доставки белка, основанный на использовании нанокапсул – хорошо известного вида искусственного биотранспорта, причем капсула несет один белок. Как сообщает профессор кафедры химии и биомолекулярной инженерии Татьяна Сегура, - «В настоящее время белковая терапия предполагает транспортировку нескольких белков в больших наночастицах или присоединение белков к полимерам для увеличения уровня эндоцитоза. Нам же хотелось разработать более эффективную технологию доставки, поэтому разработанная нами наночастица представляет собой капсулу не более 20 нм в диаметре, состоящую из молекул белка и тонкой полимерной оболочки».

Нагретые наночастицы убивают раковые опухоли

Ученые изучили поведение наночастиц, покрытых сахаром, которые при высокой температуре оказались полезными для терапии раковых опухолей. Исследователи провели опыт на мышах - у трех из четырех подопытных животных нагретые наночастицы уничтожили раковые опухоли без последующего восстановления.

Совместная группа исследователей из двух биотехнических компаний, Micromod Partikeltechnologie и Aduro BioTech, а также ученые из Национального Института Стандартов и Технологий (NIST) изучили поведение покрытых сахаром наночастиц при гипертермии, как потенциальную терапию раковых опухолей. Они выяснили, что между созданными наночастицами наблюдается тонкий баланс, повышающий их эффективность, как лекарственного средства. Образно выражаясь, наночастицы работают, как люди в группе, находящиеся близко друг к другу, но не чересчур близко.

Исследователи выяснили, что покрытые декстраном - водорастворимым высокомолекулярным полимером глюкозы - наночастицы оксида железа диаметром около 100 нм уничтожают раковую опухоль вследствие возникающего между ними взаимодействия, которого не наблюдается между наночастицами меньшего размера. Это взаимодействие было замечено и раньше, однако считалось негативным побочным эффектом. Оно заключается в том, что в переменном магнитном поле крупные наночастицы сильней нагреваются. Исследователей привлек тот факт, что нагрев наночастиц эффективно разрушает раковые клетки, не повреждая здоровые. Текущее наблюдение позволяет разработать на базе таких наночастиц терапию, имеющую гораздо меньше последствие для здоровья, чем химиотерапия или лучевая терапия.

В ходе исследований в NIST выяснилось, что хотя наночастицы оксида железа притягиваются друг к другу, декстрановое покрытие образует волоконца, делающие частицу похожей на одуванчик, как ее назвал один из ученых, и эти волоконца отталкивают наночастицы, если те приближаются слишком близко к друг другу. Таким образом, наночастицы находятся на расстоянии друг от друга, но при этом это расстояние слишком мало, чтобы их могли уничтожить клетки-антитела организма. Кроме того, если данные наночастицы все-таки сближаются, под влиянием магнитного поля они начинают вращаться и, таким образом, нагреваются и сбрасывают тепло в окружающую среду. В ходе опытов на четырех лабораторных мышах в трех случаях нагрев введенных наночастиц привел к полному разрушению раковых опухолей без последующего ее восстановления.

Водоросли избавят человечество от рака

Группа американских ученых обнаружила новый потенциальный препарат против рака. Этот препарат, названный сомоцистинамид А (СцА), выделяется из ядовитой сине-зеленой водоросли и позволянет замедлять образование кровеносных сосудов, питающих раковые опухоли. При этом лекарства на основе этого препарата не будут иметь побочные токсические эффекты. Исследования ученых могут стать базой для ряда нанотехнологических исследований и привести к созданию средства, способного эффективно бороться с раковыми опухолями.

Группа ученых обнаружила новый потенциальный препарат против рака, выделенный из ядовитой сине-зеленой водоросли.

По прогнозам ученых, результаты этих открытий должны стать базой для нанотехнологических исследований, которые могут привести к созданию средства, которое поможет «справиться с раковыми опухолями, не вызывая побочных токсических эффектов»

Компонент Сца был найден в составе цианобактерии L. Majuscula, известной также под названием цианофита, или «русалочий волос», обитающей в водах близ островов Фиджи в Тихом океане. Питание эти бактерии получают путем фотосинтеза. Цианофиты являются перспективным источником биологического сырья для многих областей науки. Исследователи обнаружили, что Сца замедляет процесс образования кровеносных сосудов, питающих опухоли, а также положительно влияющих на разрастание тканей опухоли. По выражению ученого, если в плавательный бассейн средних размеров, заполненный опухолевой тканью добавить три миллиграмма препарата – столько весит одно рисовое зернышко – вся эта масса нездоровых клеток погибнет.

Вульф Врасидло, доктор наук, глава проекта в Онкологическом Центре USCD и инициатор всех работ добавил, что уникальная структура этого сложного вещества позволяет использовать его в нанотехнологиях, поскольку структура «спонтанно включается» в наночастицы молекулярного размера, что особенно важно для развивающейся сейчас комплексной терапии для лечения рака. В то же время его структура достаточно проста, чтобы ученые могли ее воспроизвести. «СцА – первый и наиболее мощный из опознанных нами компонентов» - говорит Ступак, добаляя, что из бактерии L. Majuscula уже выделено 250 уникальных компонентов. «Однако, мы не знаем, в каком количестве СцА содержится в естественной среде и перспективно ли добывать его, поэтому важно сделать возможным его производство в лабораторных условиях», - заключил ученый.

Наночастицы могут вызывать рак

Нанотехнологии, безусловно, способствуют техническому прогрессу человечества - ученые регулярно рапортуют о новых успехах, способных изменить жизнь и быт людей к лучшему. Однако проблема нанотехнологий в экологии по-прежнему актуальна и исследования в этой сфере - тревожный сигнал к тому, что следует аккуратно относиться к каждой инновации. "Нано Дайджест" уже не раз писал о том, что лекарства, разработанные с использованием нанотехнологий, могут помочь в лечении раковых заболеваний (см Нагретые наночастицы убивают раковые опухоли и Водоросли избавят человечество от рака). Однако некоторые наночастицы, напротив, могут вызывать рак в организме человека. Недавно высказали свое мнение по проблеме нанотехнологий в экологии и ученые из Онкологического центра Йонссона при Университете Калифорнии. По их словам, наночастицы из диоксида титана (TiO2), которые сейчас встречаются во множестве продуктов, накапливаются в организме и приводят к системным генетическим повреждениям.

Как сообщает Роберт Шистл (Robert Schiestl), профессор университета, специалист по патологиям, радиационной онкологии, воздействии среды на живые организмы, наночастицы из диоксида титана (TiO2) приводят к разрыву одно- и двухцепочечных ДНК, а также приводят к повреждению хромосом.
Попадая в организм титановые наночастицы накапливаются в различных органах, поскольку в организме нет механизмов их выведения. Вследствие своих малых размеров они легко проникают в клетки и начинают влиять на их элементы.

Ранее наночастицы диоксида титана считались безопасными, поскольку они не вступают ни в какие химические реакции. На самом деле, заявляет Роберт Шистл, эти наночастицы вступают в поверхностные взаимодействия, которые, как показали опыты на лабораторных мышах, приводят к генетическим повреждениям. В частности, наночастицы вызывают так называемый оксидативный стресс - физиологический стресс или повреждение организма, вследствие протекания нехарактерных для собственного метаболизма окислительных реакций. Таким образом, ученым следует исследовать новый источник опасности для организма – физико-химические реакции.

В ходе исследований лабораторные мыши получали воду с наночастицами диоксида титана. На пятый день у них появились признаки генетических повреждений. В случае человека аналогичное количество наночастиц диоксида титана накопится в организме в течение 1,6 года при современном их содержании в различной продукции.

Как сообщается в результатах исследования, «полученные данные заставляют задуматься о риске возникновения раковых заболеваний или генетических нарушений в случае регулярного получения организмом большого количества наночастиц диоксида титана, а также о необходимости ограничения использования таких наночастиц в лекарствах, добавках, красителях и т.д.». Ученый отметил: «Сам по себе титан химически инертен. Однако чем меньше частицы, тем больше их суммарная поверхность и вследствие контакта окружения клетки с ней возникает оксидитативный стресс. Вследствие роста применения этих наночастиц повсюду наше исследование поднимает вопрос об их небезопасности».

Производство наночастиц диоксида титана представляет собой целую индустрию. Их создается уже около двух миллионов тонн в год. Они находятся в красках, косметике, витаминах, зубной пасте, пищевых красителях, добавках и сотнях других повседенвыных продуктов. А ведь именно они, утверждает Шистл, могут быть источником определенного количества раковых заболеваний.

В настоящее время группа ученых под руководством Роберта Шистла ведет дальнейшие исследования на лабораторных мышах с целью выявить все аспекты воздействия на организм наночастиц диоксида титана а также найти способы защитить от него человека.

Наночастицы вместо химиотерапии

В очередной раз ученые добились успеха, решая частные аспекты лечения раковых опухолей с помощью наночастиц. Как утверждают ученые из Университета Северной Флориды, работавшие под руководством профессора Х. М. Переса, их новая методика позволяет полностью отказаться от использования химиотерапии.
Х.М. Перес и его коллеги работали с распространенным препаратом таксолом - синтетическим веществом, обладающим митогенными свойствами в отношении лимфоцитов. Этот препарат широко применяется в химиотерапии. Однако, он обладает рядом побочных эффектов, в частности, проходя через тело, он повреждает здоровые ткани.

Ученые создали наночастицы, задачей которых является транспортировка таксола непосредственно к опухолевой ткани. Такого результата удалось добиться, присоединив к наночастицам молекулы производных фолиевой кислоты, которые потребляются раковыми клетками в большом количестве. Помимо этого, наночастицы также несут молекулы флуоресцентной краски и намагниченное ядро оксида железа, что дает возможность легко наблюдать за их перемещениями в организме с помощью оптического или магнитно-резонансного отображения. Таким образом, врачи могут наблюдать за тем, как протекает лечение опухоли.

Частицы могут вовсе не содержать лекарственного препарата и использоваться в качестве контрастивных агентов для диагностики опухоли. Если таковая не будет обнаружена, наночастицы будут без вреда для организма разложены в печени, а оксид железа переработан организмом, как железо, поступающее с пищей. Как заявил профессор Х.М. Перес: «Новаторским в нашей разработке является то, что наши наночастицы могут использоваться как для диагностики, так и для лечения».

Лечение происходит следующим образом. Наночастицы присоединяются к раковым клеткам через рецепторы, затем проникают через клеточную мембрану и выбрасывают находящиеся в ядре оксид железа, флуоресцентную краску и препарат, запуская процесс лечения и делая возможным наблюдение за ним. Использованная в стуктуре оболочки наночастицы фолиевая кислота обеспечивает быстрое и безошибочное присоединение к структуре клетки.

Наноалмазы борются с тяжелыми заболеваниями

Наночастицы, названные учеными наноалмазами, могут использоваться для эффективной транспортировки здоровых генов в больные клетки организма. Это один из перспективных методов борьбы с тяжелыми заболеваниями, включая рак. Согласно результатам исследования японских и американских ученых, наноалмазы менее токсичны для организма, чем углеродные нанотрубки и полностью биосовместимы.

В настоящее время генная терапия считается новаторским направлением, с которым связывают надежды излечения многих тяжелых заболеваний, от врожденных болезней до рака. Суть лечения заключается в помещении здорового генного материала в клетку, которая функционирует ненормально, что оздоравливает клетку и иногда дает ей новые свойства. Однако одним из затруднении на пути развития этого направления медицины является вопрос транспортировки генов к клеткам.

В настоящее время чаще всего применяется метод транспортировки генов с помощью вирусов, поскольку вирусы в ходе эволюции выработали очень эффективные механизмы проникновения в клетку. Однако обратной стороной процесса является возможность развития раковых процессов или даже смерти клетки.

Другой метод доставки основан на применении полимерных оболочек, которые менее опасны, но и гораздо хуже проникают в клетки. Разрешить задачу, по мнению исследователей, помогут наноалмазы, которые легко дисперсируют в воде и так же легко проникают в клетки и, в отличие от других наночастиц, не вызывают раздражений внутри клетки. Ученые покрыли поверхность наноалмазов полиэтиленимином 800 - полимером, который используется при генной терапии. В результате уровень доставки генного материала увеличился в 70 раз по сравнению с результатами доставки при использовании только полиэтиленимина 800. Для фиксации результатов ученые использовали элементы цепочки ДНК, вызывающие флуоресценцию и количество клеток, проявивших свечение, позволило судить об объеме доставленных генов.

В настоящее время команда ученых занимается разработкой многофункциональных наноалмазов, которые могут использоваться для отображения и последующей доставки препарата. Также подготавливается база для проведения клинических испытаний.

Наночастица-охотник убивает колонии бактерий

Когда бактерия эпидермального стафилококка находится на человеческой коже, она не является источником серьезной опасности, но является источником инфекций в больницах, поскольку бактерии образуют колонии на всевозможных устройствах и инструментах, от катетеров до протезов, вводимых в тело больного. Однако ученым удалось решить эту проблему, создав наночастицы, которые проникают в колонию бактерий и разрушают ее.

Попадая внутрь человеческого тела бактерии образуют на поверхности имплантата слизистую пленку, которая защищает их колонию и сопротивляется воздействию антибиотиков. Согласно исследованию журнала Clinical Infectious Diseases, до 2,5% всех бедренных и коленных имплантатов оказываются поражены эпидермальным стафилококком, что зачастую приводит к фатальным последствиям. Колонии бактерий не боятся антибиотиков и единственный способ лечения – удалить имплантат.

К решению проблемы борьбы с этими бактериями подошел доцент Университета Брауна Эрик Тейлор, создавший наночастицу-убийцу, которая проникает через защитную пленку колонии и уничтожает бактерии. Результаты лабораторных тестов показали, что в течение 48 часов после введения в тело больного 10 микрограммов наноагента погибает до 28% бактерий. Повторение этой операции трижды в течение шести дней привело к полной гибели болезнетворной колонии.

Кроме того ученые заметили интересный побочный эффект – магнитные свойства наночастиц стимулируют рост костной ткани на месте импланта, хотя, как заявляет Эрик Тейлор, данные наблюдения нуждаются в подтверждении. Наночастицы, использованные в этом эксперименте, созданы на основе оксида железа и имеют около 8 нм в поперечнике. Учение назвали их суперпарамагнетиками. Оксид железа был взят за основу из-за его магнитных свойств, которые позволяют довести наночастицы до очага поражения с помощью электромагнитного поля и наблюдать за процессом лечения при помощи магнитно-резонансного отображения. Достигнув колонии клеток, наночастицы проникают через созданный колонией биощит. Ученые объясняют это проникновение высоким уровнем магнитного заряда, поскольку в ходе эксперимента позади конечности больно с пораженным имплантатом размещался сильный электромагнит. Затем наночастицы проникают в клетки бактерий и разрушают их.

Как полагают ученые, их разработка может стать очередной вехой в разработке наночастиц, самостоятельно борющихся с различными болезнетворными бактериями.

Нанотехнологии против менингита

Как сообщают исследователи из Сингапура, ими разработан эффективный способ борьбы с лекарственно-устойчивыми бактериями и грибковыми инфекциями. Лекарство создано с использованием нанотехнологий. Пептидные наночастицы, разработанные Сингапурским Институтом Бионижинерии и Нанотехнологий (Institute of Bioengineering and Nanotechnology, IBN) позволяют успешно находить вредоносные бактерии и грибковые культуры, вызывающие опасные для жизни инфекции.

Такие опасные заболевания, как менингит и энцефалит часто приводят к потере слуха, мозговым расстройствам, а в отдельных случаях к смерти заболевшего. Поиски эффективного лекарства от таких заболеваний ведутся уже не одно десятилетие. Созданные учеными пептидные наночастицы способны проникать через клеточные мембраны, что дает им возможность пересекать гематоэнцефалический барьер* между кровью и мозговым веществом и, таким образом, достигать пораженного участка. Такая способность делает их намного перспективней существующих препаратов, поскольку большинство применяемых на сегодняшний день антибиотиков состоят из слишком крупных молекул, которые не могут проникнуть через клеточную мембрану.

«Наш препарат в буквальном смысле разрывает болезнетворный микроорганизм на куски», - заявляет глава проекта доктор Йиян Янг (Yiyan Yang). «На поверхности наших наночастиц находится компонент, обеспечивающий проникновение через мембрану бактерии или грибковой клетки. Затем наночастица убивает клетку, повреждая ее внутреннюю структуру», - пояснил он. В ходе доклинических испытаний было выяснено, что разработанные наночастицы, циркулирующие в крови, не причиняют вреда почкам или печени. Также они безвредны для клеток крови. В настоящее время ученые готовятся к проведению клинических испытаний препарата.

Ткань из нановолокна копирует биоматериалы

Исследователям из Вашингтонского Университета удалось создать искусственный материал, подобный костной ткани с дифференцированным содержанием минеральных веществ. Идеальной основой для выращивания ткани стал каркас из фосфата кальция на подложке из нановолокна, поскольку его механическая жесткость неоднородна в разных точках поверхности. Вследствие этой неоднородности становится возможным соединение различных биологических материалов, таких как костная ткань и сухожилие.

Соединение двух различных биоматериалов является сложной задачей, поскольку в месте поверхности контакта этих материалов появляются места нарастающего давления. Решением этой проблемы стало использование такого материала, плотность поверхности которого способна варьироваться. Примером такого вещества в природе служит прослойка между сухожилием (мягкой тканью) и костью (твердой тканью).

Однако когда ткань нездорова, воспалена или повреждена, она уже не в состоянии обеспечивать подстройку под изменяющееся давление на границе костной ткани и ткани сухожилия, в результате чего оказывается неэффективным даже хирургическое вмешательство.
Исследователям под руководством Ставроса Томполуса и Юнана Кси удалось разработать технологию производства ткани на основе нановолокна, которая будет проявлять необходимое свойство локально изменения плотности. Сутью технологии является нанесение минерального фосфата кальция в различных количествах на поверхность подложки из нановолокна.

Как сообщил Юнан Кси, плотность полученной ткани изменяется именно в силу неоднородности распределения минерального вещества и потому такая ткань может использоваться для соединения двух различных биотканей в живом организме, в частности для соединения кости и сухожилия.
В настоящее время ученые перешли к апробации новой технологии на лабораторных животных. Их текущей целью является поиск способа соединения наноткани с мезенхимальными клетками в процессе лечения травм плечевого пояса.

Словарь

Полупроводники – это нечто среднее между проводниками и диэлектриками. К ним относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.), огромное количество сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.

Гематоэнцефалический барьер - полупроницаемый барьер между кровью и нервной тканью, препятствующий проникновению в мозг крупных или полярных молекул, включая клетки крови и иммунной системы.