МИКРОМИР: ЧЕМ ОН МЕНЬШЕ, ТЕМ ЛУЧШЕ РАБОТАЕТ

Природа окружает нас в виде макро- и микромира. Макромир состоит из объектов, соразмерных человеку, которые он может воспринимать органами чувств, как к примеру животные, растения и различные физические тела. Микромир же представляет собой совокупность из предельно малых объектов, таких как молекулы, атомы и элементарные частицы. В двух этих “мирах” действуют свои закономерности, но они тесно связаны между собой^[1]. В своем стремлении к познанию человечество пришло к освоению системы наименьших частиц, то есть нанотехнологии. Нанотехнология (от древне-греческого”нанос” ‑ гном, карлик), означает одну миллиардную долю (1нм=10⁻⁹ м) – ключевое понятие начала XXI века, символ научно-технической революции и логический шаг в развитии всех высоконаучных отраслей.

Еще 400 лет до н.э. греческий философ Демокрит (Demokrit) использовал впервые термин “атом” для описания самой малой частицы вещества^[2]. Более чем через 2000 лет Исаак Ньютон (Isaac Newton) выдвинул предположения о возможности исследования объектов на атомном уровне, которые описал в своем труде “Opticks”, вышедшем в 1704 году. В книге Ньютон выражает надежду, что микроскопы будущего когда-нибудь смогут исследовать “тайны корпускул”^[3]. Альберт Эйнштейн (Albert Einstein) стал первым ученым, использовавшим измерения в нанометрах. В 1905 году он писал в своих научных трудах, что размер молекулы сахара представляет примерно 1 нанометр^[4].

Развития нанотехнологий было бы невозможно без технических инструментов. Так создание первого просвечивающего электронного микроскопа в 1932 году и позже в 1938 году – сканирующего электронного микроскопа стало важным шагом в формировании технологической базы, для получения и применения наноструктур и наноструктурированных материалов^[5]. Следующим важным скачком с точки зрения технического оснащения стала разработка сканирующего туннельного микроскопа в 1981 году, которая принесла его создателям Нобелевскую премию по физике, и в 1986 году ими же был разработан атомно-силовой микроскоп^[6].

В 1959 году американский физик и нобелевский лауреат Ричард Филипс Фейнман (Richard Phillips Feynman) впервые упомянул методы, которые впоследствии будут названы нанотехнологиями^[7]. Фейнман рассмотрел возможность создания наноразмерных деталей и устройств путем поштучной «атомарной» сборки. Ученый заявил: «Пока мы вынуждены пользоваться атомарными структурами, которые предлагает нам природа». И далее добавил: «Но в принципе физик мог бы синтезировать любое вещество по заданной химической формуле»^[8]. Если бы только у него был инструмент, способный достаточно сильно увеличить “корпускулы” и таким образом перенести их из микромира в макромир, в котором мы воспринимаем реальность.

Впервые термин «нанотехнология» ввел в научный оборот Норио Танигути (Norio Taniguchi) в 1974 году на Международной конференции по промышленному производству в Токио. Он назвал этим термином производство изделий размером несколько нанометров, а также использовал для описания процессов обработки материалов с нанометровой точностью^[9].

Так сформировалась новое направление науки и техники – нанотехнолигия. Это междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения материалов, устройств и технических систем, функционирование которых определяется наноструктурой, то есть ее упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нанометров^[10]. Проще говоря, нанотехнология включает в себя манипуляции с материалами и устройствами настолько маленькими, что они не могут быть восприняты иначе как с помощью специальных инструментов. К примеру размеры большинства атомов лежат в интервале от 0,1 до 0,2 нм, ширина молекулы ДНК примерно 2 нм. По сравнению с этим типичный размер клетки крови (около 7500 нм) или человеческого волоса (80 000 нм) кажется огромным^[11].

Очень маленькие размеры частиц приобретают специфические свойства на уровне наномасштабов, т.к. при уменьшении размера возрастает отношение поверхности к объему. Поэтому наночастицы намного легче вступают в химические реакции и на них проявляются эффекты квантовой физики. Квантовые эффекты могут влиять на оптические, электрические или магнитные свойства материалов непредсказуемым образом^[12].

Нанотехнологии среди нас

Процесс “прядения” нановолокон ^[13]

Многие из нас ежедневно пользуются достижениями нанотехнологий, даже не задумываясь об этом. Современная электроника уже перешла из “микро-” на “нано-” и производимые сегодня транзисторы – основа всех чипов – находятся в диапазоне до 90 нм и будут становиться только меньше^[14]. На пластыре, который мы используем для заклеивания мелких повреждений на коже, нанесен тонкий слой наносеребра, помогающий быстрее залечить рану. А производители зубных паст всё чаще используют наночастицы минералов на основе гидроксиапатитов кальция, которые заполняют микротрещины в эмали и защищают зубы от кариеса^[15].

Одним из самых известных и успешных проектов в сфере нанотехнологий стал “Nanospider”. Это технология электростатического прядения, которая используется для создания нановолокон. Она была разработана в начале 2000-х годов учеными из Чешской республики и позволяет создавать нановолокна из различных материалов, таких как полимеры, керамика и металлы. Процесс создания нановолокон с помощью технологии “Nanospider” основан на электростатической силе, и позволяет прясть из тонкого слоя полимерного раствора по прядильному электроду. Другими словами, под действием сильного электрического поля полимер “налипает” тонким слоем на электродную проволоку, формируя таким образом нановолокно. Этот процесс позволяет создавать нановолокна с диаметром от нескольких нанометров до нескольких микрометров.

Нановолокна, созданные с помощью технологии “Nanospider”, могут использоваться в различных областях, таких как медицина, электроника, текстильная промышленность и другие. Например, они могут использоваться для создания воздушных фильтров и фильтров для воды, биомедицинских материалов, литий-ионных батарей и тканей с улучшенной воздухопроницаемостью и водоотталкивающими свойствами^[16]. Нанотехнологии имеют широкие перспективы в области солнечной энергетики, поскольку они позволяют создавать более эффективные и дешевые солнечные панели. Создание тонких пленок из наночастиц позволяет производить более гибкие и легкие солнечные панели, которые могут использоваться в широком диапазоне. Фотоэлементы могут быть нанесены на любые поверхности, в том числе и на гибкие материалы, такие как пластик, что позволяет производить гибкие и легкие солнечные панели, которые могут быть установлены на различных поверхностях. Этот материал в 100 раз легче обычных солнечных панелей, но может генерировать в 18 раз больше энергии^[17].

Наноугроза

Сценарий серая слизь^[18]

Идея имитации природы для решения сложных задач реализуется во всех областях науки и техники, и нанотехнологии не исключение. Одна из важных задач нанотехнологии – создание наноробота, ассамблера, способного «строить» из атомов различные объекты, предварительно заданные человеком, а также создание репликатора, такой структуры, которая способна воспроизводить себя из тех же атомов – т.е. «размножаться» (реплицироваться). Природа использует репликаторы повсеместно – как в клеточной машинерии клетки, так и при воспроизведении живых организмов^[19].

Фундаментом теории самореплицирующихся структур является теория Джона фон Неймана (Johann von Neumann), написанная в 1940 году. Опираясь на его модель можно представить себе репликатор как «конструктора», при изготовлении третьего репликатора двумя другими репликаторами процесс воспроизведения будет вдвое быстрее, и далее, увеличение числа репликаторов будет происходить в геометрической прогрессии. Так при помощи репликаторов, несколько роботов микронных размеров могут превратиться в орбитальную станцию за относительно небольшой промежуток времени^[20]. Теория создания самовоспроизводящихся нанороботов породила гипотетический сценарий глобальной катастрофы “серая слизь” (англ. Gray goo), в которой неуправляемые самовоспроизводящиеся машины потребляют всю биомассу на Земле. Этот термин стал благодатной почвой в научной фантастике и популярной прессе^[21].

Ким Эрик Дрекслер (Kim Eric Drexler), пионер молекулярной нанотехнологии, впервые применил этот термин в своей книге “Машины созидания” (1985 год), в которой описывает наномашины, которые могут работать только при наличии специального сырья: «Первый репликатор собирает свою копию за одну тысячу секунд, затем уже два репликатора собирают еще два за следующую тысячу секунд, теперь уже четыре собирают еще четыре, а восемь собирают еще восемь. Через десять часов их уже не тридцать шесть, а свыше 68 миллиардов. Менее чем за день они наберут вес в тонну, менее чем за два дня они будут весить больше, чем Земля, еще за четыре часа их вес превысит массу Солнца и всех планет вместе взятых — если только бутылка с химикатами не опустеет задолго до того времени»^[22].

Несмотря на то что в 2015 году ученым удалось создать самореплицирующуюся ДНК-молекулу, которая могла производить копии самой себя в специальной среде^[23], эти технологии находятся на ранней стадии исследований и разработок, и имеют некоторые ограничения и недостатки. Например, они могут быть неэффективными или неустойчивыми в реальных условиях. По мнению многих ученых, процесс самовоспроизведения очень непрост в реализации, хотя и не противоречит никаким физическим законам, и современные нанотехнологии все еще далеки от саморепликации. А “неудержимых” самовоспроизводящихся нанороботов создать еще сложнее^[24]. Но не невозможно…

На чьей стороне нанохимия?

3D иллюстрация как наноробот поражает вредоносную клетку^[25]

Нанотехнологии затрагивают практически все отрасли науки, и химия стоит в первом ряду. Химические свойства и реакционная способность значительно меняются в зависимости от размера вещества. Это создает новые перспективы, в частности для разработки новых лекарственных препаратов и способа их доставки^[26].

Это многообещающее направление в медицине обещает такие перспективы как: новые возможности в исследовании генетических кодов, что представляет интерес для диагностики и лечения; нанороботы, функционирующие внутри организма, смогут повысить эффективность медицинского обслуживания; новые методы введения и распределения лекарственных препаратов; разработка более стойких и не отторгаемых организмом искусственных тканей и органов при протезировании и разработке имплантатов; сенсорные системы смогут вывести превентивную медицину на качественно новый уровень^[27]. Кроме того нанотехнологии выглядят особенно перспективно, когда речь заходит о более надежных с точки зрения эффективности и безопасности методах лечения раковых заболеваний.

К наиболее распространенным методам наномедицины, которые на сегодня используются в клинической онкологии, относится нано-сформулированная химиотерапия: белковые или липидные наночастицы доставляют химиотерапевтические агенты непосредственно в злокачественные клетки. Такие лекарства обладают улучшенными фармакологическими показателями и сниженной токсичностью по сравнению со стандартной «химией». Таким образом есть вероятность достичь баланса между эффективностью и токсичностью противораковой терапии^[28].

Одним из главных преимуществ наноматериалов является их способность легко взаимодействовать с иммунной системой человека. Наночастицы могут доставлять несколько разных антигенов или их комбинацию, что может значительно повысить эффективность лечения^[29]. Но несмотря на перспективность области исследований, существует совсем немного наномедицинских препаратов, которые успешно используют нанотехнологии таким образом. С каждым новым использованием, проблема заключается в сложности определения правильного соотношения или комбинации наночастиц с интересующим лекарственным средством^[30]. При больших перспективах и растущем интересе к лекарствам на основе наночастиц большое внимание нужно приделить исследованию их фармакокинетике и фармакодинамике, чтобы оптимизировать доставку лекарства к месту назначения и минимизировать побочные действия,поскольку наночастицы нацелены на накопительный эффект, длительное действие с минимальным выведением из организма^[31].

В последнее десятилетие визуализация сделала революцию в сфере диагностики, такие методы как магнитно-резонансная терапия и компьютерная томография дают впечатляющие результаты. Нанотехнологии же предлагают инструменты для диагностики in vitro и in vivo (диагностика искусственных и живых клеток соответственно) , которые многократно превосходят возможности современного оборудования по точности и чувствительности^[32]. Нанотехнология готова вывести диагностику на качественно новый уровень, сделав клеточную и, возможно, субклеточную диагностику доступной к повсеместному применению, что позволит врачам максимально быстро определять заболевания^[33].

Семь ключевых направлений программы Министерства обороны США по нанотехнологиям ^[34]

Нановолокна находят применение от перевязочных материалов до трансплантационной хирургии. Ученые создают интеллектуальные повязки для ран, в которых встроенные нановолокна могут выделять лекарственные препараты, стимулировать свертываемость и определять воспалительные процессы при помощи нанодатчиков^[35]. А в тканевой инженерии при помощи наноматериалов возможно создавать ткани, функция и структура которых подобны естественным для организма^[36]. По прогнозам экспертов рынок наномедицины достигнет 433,9 млрд долларов уже к 2027 году. Разработки ведутся по многим направлениям. Но любая инновация в сфере медицины проходит длинный и дорогостоящий путь от изобретения до клинического испытания.

У наномедицины есть потенциал для совершенствования существующих препаратов и изобретения новых. Однако продуктам наномедицины требуется больше доказательной базы и исследований для понимания, как они взаимодействуют с другими биомолекулами организма и к какому биологическому эффекту это взаимодействия может привести в долгосрочной перспективе^[37]. Кроме того, вероятная эффективность нанотерапевтических препаратов и нанометодов превентивной медицины может быть нежелательна для фармацевтической промышленности. И еще есть вопрос о военном использовании этих технологий.

Революция в вооружении возможна благодаря способности нанотехнологии менять физико-химические свойства частиц, что в свою очередь дает возможность получить высокопрочные, легкие, коррозионно- и жаростойкие конструкционные материалы с уникальными механическими, тепловыми и оптическими свойствами (металлы, сплавы, керамика, полимеры, композиты), которые могут вывести вооружение на новый уровень. Так современный бронежилет весит в среднем 14-15 кг, а нанокомпозитный материал (комбинация графен и углеродных нанотрубок) позволит создать броню на 70% легче но с гораздо большей прочностью, которая будет не только защищать от ранений, а также рассеивать энергию удара^[38]. Композиты из наноматериалов могут дать возможность создавать самолеты, корабли, наземную технику и оружие легкими, прочными и экономичными^[39].

Беспилотные дроны в наши дни уже обыденность, и очень активно используется в боевых действиях. С применением нанотехнологий достижения в беспилотных летательных аппаратах могут выйти на абсолютно другой уровень. Дроны, размером с насекомое, с полным функциональным набором наблюдения и сбора информации, могут полностью изменить сценарии разведывательных и боевых действий^[40]. Наноразмерные взрывчатые вещества могут быть использованы для создания более мощных и эффективных взрывчатых веществ, наносенсоры – для обнаружения химических, биологических или радиологических агентов в окружающей среде, что, в свою очередь, дает преимущество в разработке более эффективных военных стратегий.

Военные корабли, спутники, сбор и хранение энергии, кибербезопасноть, радарная и сонарная невидимость: нанотехнологии способны кардинально изменить каждый аспект в системе обороны^[41]. Однако развитие нанотехнологий в оборонной промышленности связано со значительными рисками. Ввиду высокой реакционной способности наночастиц очень сложно спрогнозировать последствия их взаимодействия с биологическими системами, начиная от воздействия на человеческий организм при вдыхании или абсорбции через кожу и заканчивая влиянием на окружающую среду. Ведь в контексте вооружения речь идёт не о безвредных и безопасных веществах^[42].

Военные летательные аппараты размером с насекомое собираются произвести революцию в военной промышленности[43]

Напротив, применение нанотехнологий в оборонительной индустрии в контексте повышения уровня безопасности может сыграть очень позитивную роль, как использование наносенсоров для обнаружения наркотиков и взрывчатых веществ в аэропортах, или наноматериалы для создания более эффективного и прочного снаряжения для полицейских. Но если взглянуть на этот вопрос в контексте использования наноразработок в современном оружии, то остро становится этический вопрос. Существует большой риск, что использование достижений нанотехнологий в разработке оружия, может быть направлено на определенные этнические или генетические группы населения, что приведет по сути к истреблению части населения^[44]. В контексте современных технологий гонка вооружения может получить совсем другой вид, опаснее не тот кто больше, а то кто “нано”.

НаноГМО?

Схема, показывающая наноматериалы, разработанные для биотехнологии растений и генной инженерии^[45]

Аграрный сектор обеспечивает продовольствием растущее население и поставляет сырье для пищевой промышленности. Для того чтобы справиться с этой задачей – с учетом разнообразных климатических условий, разной родичестью почвы, вредителей и болезней растений, и к тому же производить больше при меньших затратах – в сельском хозяйстве давно используются генетически модифицированные организмы (ГМО), удобрения, пестициды и пр. Быстрый рост населения создает проблемы для продовольственной безопасности и требует эффективных методов улучшения урожая. В последние годы нанотехнологии стали предметом пристального внимания, поскольку их можно применять на различных этапах ведения сельского хозяйства, от посева семян до выращивания растения и хранения и транспортировки сельскохозяйственной продукции^[46].

Наноудобрения, наногербициды (химические вещества, применяемые для уничтожения растительности), нанофунгициды (химические вещества для борьбы с грибковыми болезнями растений), нанобиосенсоры, наноразмерные генетические носители и нанокомпозиты для упаковки — это новые области применения нанотехнологий в области улучшения сельскохозяйственных культур. Применение нанотехнологий позволит добиться более эффективной доставки питательных веществ в целевую область растений, а уникальные свойства наночастиц может расширить действие пестицидов и удобрений, существенно усилив борьбу с болезнями и вредителями сельскохозяйственных культур. Биосенсоры могут послужить для создания высокотехнологичных ферм, что выведет сельское хозяйство на новый технологический уровень^[47].

Обычные методы генной инженерии растений в основном доставляют ДНК в ядро, где она интегрируется в геном, что приводит к миграции генов из трансгенных растений и повышению устойчивости растений. С развитием нанотехнологий в последнее время в центре внимания оказалось использование наночастиц для переноса генов. Метод доставки варьируется в зависимости от наночастиц, поскольку каждая из них имеет разные характеристики, как например магнитофекция (трансформация на основе магнитных наночастиц, а именно переноса генов в ядро клетки путем приложения магнитного поля^[48]), использование углеродных нанотрубок, которые могут проникать через мембраны клеток растений и имеют много преимуществ в генетической инженерии растений^[49], применение наноструктур ДНК, которые без помощи извне могут проникать внутрь растительных клеток^[50] или, например, использование пептидных наноматериалов, которые восстанавливают химический состав поврежденных растений^[51].

Нанопродукты и наноматериалы помогают фермерам создавать экономически выгодные методы ведения сельского хозяйства, а также способно существенно снизить применение агрохимикатов, благодаря более точечному использованию. Нанотехнологии находят свое применение и в генной инженерии: быстро развивается генетическая трансформация, опосредованная наночастицами, что позволяет исследователям преодолевать барьер клеточной стенки и проникать через клеточную мембрану растений, а также уменьшает недостатки, связанные с существующими системами доставки трансгенов. Однако предстоит решить еще много проблем. Самой большой проблемой генной модификации с использованием наноэлементов, является отсутствие стабильной генетической трансформации и невозможность получения трансгенных растений, т.е. растения, в которых ген, искусственно перенесенный из других видов, успешно функционирует и размножается^[52].

Кроме того существует огромная нехватка знаний о долгосрочном воздействии наноматериалов на растения, негативное воздействие наночастиц, накапливающихся в окружающей среде, что может вызвать экотоксичность и основное – это влияние на человека, при употреблении продуктов выращенных или модифицированных с применением нанотехнологий.

Нанотехнологии и супер способности

Контурная иллюстрация футуристической умной одежды, изготовленной из волокон, обработанных наноматериалом, для многофункциональных устройств на теле^[53]

Институт солдатских нанотехнологий (ISN Institute for Soldier Nanotechnology)^[54] сотрудничает с армией США и Массачусетским технологическим институтом в рамках проекта по разработке солдатского боевого костюма, оснащенного нанодатчиками для обнаружения биологических и химических агентов, отслеживания показателей основных показателей организма, из энергопоглощающего материала, для защиты от взрывов и пуль, со сверхлегкой и гибкой броней^[55].

Благодаря применению нанотехнологий в текстильной промышленности «умные» ткани обещают прорыв в области здравоохранения и безопасности. Кроме того, что уже на данный момент текстиль может обладать противомикробными, водо-, жиро- и грязеотталкивающими качествами и иметь антистатические свойства, а с использованием проводящих нанополимеров становится возможным наделить текстиль электропроводностью. При дальнейших исследованиях вполне реальной становится идея, что ткань сможет аккумулировать энергию, как солнечную, так и тепловую и биохимическую энергию человеческого тела^[56]. К примеру, человек идет в жаркий солнечный день, он задействует биомеханическую энергию, солнечную энергию, тепло тела, а также биохимическую энергию от пота. Поэтому необходим гибридный генератор, эффективно использующий эти виды энергии одновременно. Такая интеграция с текстилем рассматривается как многообещающая исследовательская перспектива в будущем для разработки устойчивого источника питания для нательной электроники^[57]. Это будет похоже на супергероя из комиксов.

Адаптивный камуфляж становится реальным благодаря разработкам в

направлении использования наноматериалов, демонстрирующих хромогенность (изменение цвета при воздействии внешних раздражителей, таких как световые (фотохромные), тепловые (термохромные), электрические (электрохромные) или магнитные (магнитохромные) поля)^[58]. Потенциальные области применения этой технологии огромны: от создания легкой и прочной брони до контроля основных жизненных показателей и разработки медицинских решений для быстрого лечения травм на поле боя. Хотя многое еще неизвестно о том, как эти технологии будут реализованы, существует перспектива создания более защищенного и эффективного специального обмундирования, но всё же в него будет одет обычный человек^[59].

Переход от «микро» к «нано» — это уже не количественный, а качественный переход, скачок от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами. Хотя активным исследованиям в области применения нанотехнологий чуть более двух десятилетия, эволюция области с тех пор поражает. Уникальное поведение наночастиц побуждает использовать их в различных сферах. Сейчас буквально для каждой науки существует отдельное направление с приставкой “нано-”: нанохимия, наномедицина, наноэкология, нанобезопасность, наноинженерия, нанобиология и пр.

Несомненно развитие нанотехнологий уже меняет наш мир, а в будущем окажет еще большее влияние, поскольку эта междисциплинарная область является своего рода связующим звеном между физическими, цифровыми и биологическими системами. Использование наноразмеров позволяет этим системам взаимодействовать друг с другом, устанавливать связи.

Как любая новая технология, она поднимает много спорных вопросов, как озабоченность токсичностью и воздействием наноматериалов на окружающую среду и человеческий организм; потенциальное влияние на мировую экономику; вопросы безопасности; контроль и качество производства и внедрения; вопросы ответственного и безопасного развития в каждом секторе; вопросы социального и этического аспекта, начиная от потери рабочих мест до вопросов о возможности “вечной” жизни или спекуляции по поводу различных сценариев конца света и многие другие^[60].

Нанотехнологии вероятно способны вывести все сферы нашей жизни на качественно другой уровень и сейчас мы до сих пор не можем понять большую часть возможностей этой технологии^[61]. Как и не можем оценить риски и последствия ее полномасштабного вторжения в нашу жизнь. Но одно можно сказать наверняка. Пути назад нет, человечество продолжает ускоряться.

^[1] https://ashgabat.in/2021/09/20/istoriya-razvitiya-nanotehnologii/

^[2] https://www.timetoast.com/timelines/32beef89-1a4c-4333-bbe4-d8312f6370ff

^[3] https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1054838

^[4] https://ashgabat.in/2021/09/20/istoriya-razvitiya-nanotehnologii/

^[5] http://innosfera.by/node/340

^[6] http://innosfera.by/node/340

^[7] https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1054838

^[8] http://innosfera.by/node/340

^[9] https://www.timetoast.com/timelines/02b4ede2-7055-43dc-9d54-0f7f6c646121

^[10] https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1054838

^[11] https://newizv.ru/news/2008-01-29/chto-takoe-nanotehnologii-prosto-o-slozhnom-81165

^[12] https://newizv.ru/news/2008-01-29/chto-takoe-nanotehnologii-prosto-o-slozhnom-81165