Основы синтеза интеллектуальных нанотехнологий

 

рис. 3. Геккон

 

Геккон и  нановолокна. Исследователи использовали несколько методов для имитации природных материалов на нанометровом уровне.  Один из подходов – создание материалов с уникальными свойствами с использованием примеров, уже имеющихся в природе. Так, например, маленькая ящерица геккон может ползать практически по любой поверхности.

 Для того, чтобы имитировать  свойства геккона, необходимо  было сначала разобраться в  механизме работы его лапок.  Эта работа была проделана  в центре нанотехнологий в  Манчестере. Результаты исследований показали, что на лапках у геккона расположен ряд кератиновых волосков размерами около 200 нм. Капиллярные силы помогают геккону ползать по влажным поверхностям, а силы Ван-Дер-Ваальса – по сухим. Каждая волосинка связывается с поверхностью с силой в 7 – 10 Н. Благодаря высокой плотности волосков на лапках геккона сила связи значительно увеличивается. Так поверхность размерами 10х10 см, состоящая из волосков кератина, может удерживать груз в 100 кг.

рис. 4. Кожа геккона (справа) и изготовленные по «технологии геккона» искусственные волокна (слева).

 

Команда из Манчестера решила продолжить исследования, попробовав сконструировать такой же массив нановолокон. Однако в изготовленном  с помощью электронно-лучевой  литографии образце только некоторые  волокна смогли эффективно соединяться с поверхностью. Это связано с тем, что выращенные исследователями пластиковые волокна жестче, чем аналогичные у геккона. Далее, экспериментируя, исследователи нашли оптимальный вариант геометрии поверхности – диаметр волокон 500 нм, расстояние между волокнами – 1,6 мкм, и длина – 2 мкм. Полученная поверхность 10х10 см смогла удержать всего 30 кг, то есть была хуже природной. Дальнейшие эксперименты с гекконом показали, что присоединение лапок к поверхности происходит в несколько приемов. Исследователи решили материалы в будущем делать гидрофобными (подобно кератину геккона). В теории, волокна из такого материала не будут прилипать друг к другу. И, конечно же, встал вопрос о массовом выпуске «гекконовых лапок» с помощью не столь дорогих технологий, как электронно-лучевая литография.

Белковые  структуры. Живые организмы конструируют необходимые продукты из белков, поэтому исследователи заинтересовались тем, как с помощью белков можно искусственно создать различные наноматериалы. Некоторые белки, например, могут формировать регулярные структуры в виде кристаллических решеток, которые можно использовать при конструировании наномашин и в наноэлектронных устройствах. Бактерии на своей поверхности формируют одномолекулярные слои кристаллического белка (рис. 5), называемые S-слои, которые повторяются с 10 нм шагом. Исследователи из наноцентра в Вене, Австрия, решили использовать эти естественные «сверхрешетки» для построения искусственных белковых структур. В первую очередь S-слой был удален с поверхности бактерии и разбит на «субъединицы».

рис. 5. Реконструкция рельефа кристализированного белка Bacillus sphaericus CCM2177 с помощью сканирующего электронного микроскопа. Расстояния между центрами решетки - 13.1 нм.

 

Далее, поместив субъединицы в раствор, исследователи  добились их реорганизации на кремниевых и металлических подложках, а также на других синтетических полимерах. Как только S-слой помещен на подложку, к нему можно добавить специальные сенсорные молекулы, которые вместе со слоем образуют точный биоаналитический сенсор. Так, например, исследователями был создан сенсор глюкозы на основе S-слоя и молекулы фермента оксидазы глюкозы. Исследователи измеряли величину электрического тока,  проходящего через сенсор, в то время как фермент реагировал с глюкозой. Исследователи также использовали S-слой в качестве фоторезиста в современной фотолитографии. Выдерживание слоя в ультрафиолетовом излучении полностью уничтожает его. Однако толщина слоя – всего 5-10 нм. Современные фоторезистивные материалы имеют гораздо большую толщину.

Гибридные материалы. Другие исследователи поставили перед собой цель, которой достичь еще сложнее. Они решили конструировать из белков и неорганических соединений такие структуры, которых в природе еще не существует. Однако до сих пор исследователи не могут точно определить, как именно белки будут собираться из аминокислот (это назвали проблемой фолдинга белка), и поэтому нельзя аналитически просчитать необходимую структуру белка. Исследователи выбрали альтернативный подход: сборку случайного белка из большого количества разных аминокислот. Это можно сделать с помощью генной инженерии бактериофагов. Исследователи из Массачусетского технологического института (МТИ) взяли молекулу ДНК со случайной последовательностью нуклеотидов, кодирующих различные белки, и включили ее в состав ДНК бактериофага в таком участке, что белки ДНК-донора синтезировались на поверхности вируса. Колония таких бактериофагов была помещена в среду, к которой исследователи хотели добиться адгезии белков. Потом поверхность была промыта. После этого на ней остались только те вирусы, на поверхности которых белки были адгезивны субстрату. Отобранные вирусы поместили в новую среду и добились роста их колонии. Так опытным путем можно создать белки, которые будут соединяться с различными материалами, образуя новые структуры. Исследователи надеются создать «библиотеку» вирусов, производящих белки, адгезивные к золоту, платине, серебру, оксиду цинка, арсениду галлия. На основе таких белков, соединенных с неорганическими веществами, можно сконструировать ряд квантовых точек, которые получают сегодня с помощью вакуумных технологий. Сборка квантовых точек с помощью гибридных белков может происходить при комнатной температуре и быть гораздо дешевле. Также такие белки могут пригодиться при создании наномашин. Исследователи из МТИ обнаружили, что бактериофаги «собираются» в длинные нити. Их внешние белки, соединенные с сульфидом цинка (или сульфидом кадмия), образуют длинные (600 нм) электропроводящие нанонити диаметром 20 нм. Нагревая полученную структуру до 350 °C, исследователи обнаружили, что бактериофаги удаляются, оставляя одну металлическую нить. Использованные в этом опыте вирусы состоят всего из шести белков, два из которых соединяются с неорганикой. Исследователи хотят продолжить эксперименты с более сложными (в белковом составе) вирусами для того, чтобы получить трехмерные проводящие структуры.

Вирусный  наноматериал. Живая материя часто самособирается в сложные структуры и организмы, которые состоят из миллиардов клеток. Исследователи давно пытаются на базе молекул ДНК, клеточных мембран и вирусов создать новые виды полезных наноматериалов. Ученые из университета Иллинойса показали, что механизмы самосборки, такие необходимые при построении наносистем, могут быть полезны при создании организованных биологических структур на основе вирусов и клеточных мембран. Новый наноматериал  характеризуется малыми размерами пор, поэтому может использоваться в различных биологических сенсорах, а также при точной доставке лекарств. Механизм самосборки в данном случае работает на основе электростатического взаимодействия положительно заряженных клеточных мембран и отрицательно - биологических полимеров. Эти полимеры находятся в составе вирусных оболочек. Вирусы и клеточные мембраны собираются в «слоеный пирог» (рис. 6), в котором слои клеточной мембраны перемежаются с вирусами.

рис. 6. Структура вирусного наноматериала (длинные зеленые трубки - вирусы).

Существующие  мембранные ДНК-структуры имеют  поры нанометровых размеров. Эти поры не могут сортировать большие  молекулы, например, белковые. Поры же нового наноматериала (на основе вируса), имеют размер около 10 нм. Это в 10 раз больше размера пор обычных мембранных ДНК-структур. Исследователи использовали новую структуру для того, чтобы сортировать и упорядочить рутениевые ионы  размерами 1,2 нанометра. Ионы использовались в качестве флуоресцентных меток. Так что новый материал можно будет использовать и в качестве высокоточного фильтра, который отделяет молекулы определенного размера. Этим отчасти решается проблема «захвата» молекул, которая так актуальна в современной нанотехнологии. Как говорят исследователи, практическое применение вирусно-мембранных систем будет не ранее чем через 10-20 лет. Но, тем не менее,  исследования по самосборке материалов важны для нанотехнологий, так как они открывают новые методы в создании наносистем.

4.Квантовые  точки и программируемая материя

Квантовая точка  – это электронное устройство, способное «захватывать» электроны  и удерживать их в малом пространстве (рис. 7).

 

 

Рис. 7. Германиевая  квантовая точка  на кремниевой основе

(фотография  получена при помощи электронного  сканирующего микроскопа)

 

 Отдельная  квантовая точка представляет  собой объект, сформированный из  наноразмерных островков одного  полупроводникового материала (с  меньшей шириной запрещенной  зоны) в матрице другого (с большей шириной запрещенной зоны). Из-за различия ширины запрещенных зон носители заряда оказываются локализованы в пределах островка, следствием чего и является квазиатомный (представляющий собой набор отдельных уровней) энергетический спектр. Электроны при этом ведут себя как отдельные стоячие волны, так же, как они ведут себя в атомах. Электронное облако, удерживаемое вышеуказанным образом, называют «искусственным атомом». «Искусственный атом», в отличие от обыкновенных, не имеет ядра, однако его свойства в целом схожи с обычным атомом. Если из большого количества «искусственных атомов» произвести объемную структуру по типу кристаллической решетки полупроводника, то новый материал будет иметь другие свойства. Например, такой «полупроводник» может вести себя и как металл, и как диэлектрик. При этом такие характеристики как цвет, прозрачность, теплопроводность, и магнитные свойства вещества также могут изменяться в реальном времени.

«Квантовая  точка» такой же термин, как и  «ключ», который  описывает большой класс разнообразных устройств, характеризующихся одним и тем же назначением. Полупроводниковые нанокристаллы хороший метод для захвата электронов, так как химики могут выращивать их, добиваясь высокой точности. В полученном химиками растворе будут моли (1 моль – 6,23х1023 молекул)  этих одинаковых кристаллов. Их выгодно использовать в оптических устройствах благодаря их свойству поглощать белый свет, а излучая определенный яркий свет. Они нашли использование как в  биологии, заменяя флуоресцентные метки, так и в оптических приборах - лазерах и т.д. С их помощью, например, возможно создание сверхмалых лазеров, способных оперировать органеллы живых клеток.

Но это только один тип квантовой точки. Также  можно «поймать» на поверхности  металлической частицы большое количество электронов, но свойства этой системы будут резко отличаться от свойств вышеописанной квантовой точки. Фуллерены и нанотрубки также могут послужить основой для создания подобных квантовых точек. Но исследователи склоняются к представлению о квантовых точках как о системе электромагнитных полей, удерживающих электроны внутри полупроводника, как о так называемой «квантовой стене». Этот метод, так как позволяет контролировать количество электронов, попавших в ловушку, с помощью изменения напряжения, подводимого к металлическим электродам. Фактически это означает изменение атомного числа «искусственного атома». Вот здесь и можно применить термин «программируемая материя», так как такой процесс легко можно контролировать с помощью современной микроэлектроники, создавая материалы, которых в природе не существует.

 

 

 

 

 

5. Перспективы использования нанотехнологий

в сельском хозяйстве

 

Важной особенностью металлических наноматериалов, играющей ключевую роль при их использовании  в АПК, является низкая токсичность этих наноматериалов, обнаруженная российскими учёными.

Оказалось, что  токсичность наночастиц металлов во много раз меньше, чем токсичность  ионов металлов: медь - в 7 раз, цинк –  в 30 раз, а железо – в 40 раз. Это  проверено на многочисленных экспериментах с соблюдением всех норм.

Металлические наноматериалы, полученные с помощью  химических способов, практически всегда несут в себе не лучшую «наследственность» исходных химических соединений, что  делает проблем их использование  в отраслях с жёсткими требованиями к чистоте применяемых материалов, в том числе и в АПК.

Наиболее приемлемыми  для таких отраслей является применение металлических наночастиц, полученных с помощью технологий, основанных на использовании физических явлений. Физическими способами получения металлических наноматериалов владеет лишь незначительная часть компаний-производителей наноматериалов, расположенных, в основном, в США, Великобритании, Германии, России, Украине. В частности, с помощью эрозионно-взрывных технологий получены такие новые наноматериалы:

1) неионные  коллоидные растворы наночастиц  металлов;

3)гадратированные наночастицы биогенных металлов;

4)электрически  заряженные коллоидные наночастицы  металлов;

5)элекрически  нейтральные и электрически заряженные металлические наночастицы в аморфном состоянии и др.

 К настоящему  времени применительно к большей  группе наноматериалов на основе  металлов Ag, Cu, Co, Mn, Mg, Zn, Mo, получены технические  условия (ТУ У 24.6-35291116-001:2007) и  налажено их производство отечественным производителем – компанией «Наноматериалы и нанотехнологии».

Особый интерес  среди новых наноматериалов, синтезированных  с помощью эрозионно-взрывных технологий, представляют для АПК высококоординационные  анионоподобные аквахелаты нанометаллов, которые являются наиболее перспективными для применения в биосистемах в силу не токсичности, хорошей биосовместимости с живой клеткой, а также своих антиоксидантных свойств.

На сегодняшний  день наноматериалы и нанотехнологии находят применение практически во всех областях сельского хозяйства: растениеводстве, животноводстве, птицеводстве, рыбоводстве, ветеринарии, перерабатывающей промышленности.

В растениеводстве  применение нанопрепаратов, в качестве микроудобрений, обеспечивает повышение  устойчивости к неблагоприятным погодным условиям и увеличение урожайности (в среднем в 1,5-2 раза) почти всех продовольственных (картофель, зерновые, овощные и плодово-ягодные) и технических (хлопок, лён) культур. Эффект здесь достигается благодаря более активному проникновению микроэлементов в растение за счёт наноразмера частиц и их нейтрального (в электрохимическом смысле) статуса.

Ожидается также  положительное влияние наномагния на ускорение (вернее увеличение продуктивности) фотосинтеза у растений.

 Нанотехнологии применяются при послеуборочной обработки подсолнечника, табака и картофеля, хранении яблок в регулируемых средах, озонировании воздуха.

 По мнению  учёных, применение нанотехнологий  в сельском хозяйстве (при выращивании  зерна, овощей, растений и животных) и на пищевых производствах (при переработке и упаковке) приведёт к рождению совершенно нового класса пищевых продуктов – «нанопродуктов», которые со временем вытеснят с рынка генномодифицированные продукты. К примеру, такое мнение высказывается экспертами международной исследовательской организации ЕТС Group.

 Согласно  общепринятой научной терминологии, продукт может считаться «нанопродуктом»,  если при его выращивании, производстве, переработке или упаковке использовались  наночастицы, нанотехнологические разработки и инструменты. Разработчики нанопродуктов обещают более совершенный процесс производства и упаковки продуктов питания, их улучшенный вкус и новые питательные свойства. Ожидается также производство «функциональных продуктов (продукт будет содержать лекарственные или дополнительные питательные вещества). Ожидается также увеличение производительности и уменьшение цен на пищевые продукты. Уже через пару десятков лет использование нанопродуктов будет повсеместным, говорится в докладе, подготовленным для Королевского научного общества Великобритании (Royal Society).