В.А. Ткачук. Нанотехнологии в медицине: успехи и перспективы     Врачи научились вводить действующий ген взамен поврежденного внутрь живой клетки, а также наблюдать метаболизм различных веществ в режиме реального времени 

С.В. Суматохин.  Нанобиотехнологии: становление, современное состояние и практическое значение    В 1974 г. на Международной конференции по промышленному производству профессор Токийского университета Норио Танигучи ввел в научный оборот термин «нанотехнология» (от греч. «нанос» — карлик, «техне» — мастерство, «логос» — учение).

Л. Гринемейер. Запускаем наноботов! Наномедицина в ближайшие десятилетия    Первый шаг к созданию дистанционно управляемых лекарственных препаратов уже сделан: разработан альтернативный способ адресной доставки препаратов с помощью нанороботов из сегментов ДНК

М. Пеплоу. Умная повязка (новости наномедицины)    Повязку, защищающую раны,  можно использовать как систему целевой доставки лекарственных веществ, применяя наноматериалы

Дина Ф. Марон. Борцы с раком бьют точно в цель (наномедицина сегодня)
Химиотерапевтические  препараты встречают на пути к опухоли множество препятствий, часто ошибаются и атакуют не только раковые клетки, но и здоровые.  Заключение лекарственных веществ в наносферы позволяет решить эти проблемы 

В.А. Ткачук. Нанотехнологии в медицине.  В последнее время нанотехнологии все активнее внедряются во многие сферы человеческой деятельности. Эта тенденция не обошла и медицину. Сегодня макромолекулы и искусственно приготовленные частицы применяются для диагностики, лечения различных заболеваний и восстановления поврежденных тканей. Новое направление получило название наномедицина. Немалых успехов в этой области достигли отечественные ученые 

Л.Б. Пиотровский, Е.А. Кац.  «Наннотехнология», «Нанонаука» и «Нанообъекты»: что значит НАНО.    Природа непрерывна, а любое определение требует установления каких-то границ. Поэтому формулировка определений — достаточно неблагодарное занятие. Поэтому целью этого эссе является попытка разобраться в значении модных сегодня терминов с приставкой «нано» (от греческого слова «карлик») — «нанонаука», «нанотехнология», «нанообъект», «наноматериал» 
Иллюстрации к статье

 

 
 
Будем печатать... нанотрубками    Скорость появления новых разработок в мире растет. Недавно американские ученые сделали новый шаг в технологии печатной электроники — от технологии печатных схем для радиоэлектроники они перешли к наноэлектронике. Группа исследователей из Йельского университета разработала универсальную методику создания композитных материалов из одностенных углеродных нанотрубок (УНТ) и различных функциональных полимеров.

По способу, предложенному исследовательской группой во главе с Ли Сяокаем (Li Xiaokai), сначала изготавливается раствор нанотрубок в карбоксиметилцеллюлозе. Он в избытке наносится на перемещающуюся подложку, с которой излишки раствора механически удаляются при прохождении препятствия — цилиндрического вала со спиральной насечкой. При этом от размера вала и насечки значительно зависит толщина получаемого покрытия. Карбоксиме-тилцеллюлоза удаляется в свою очередь посредством кислотной обработки, и на стеклянной подложке остается покрытие из углеродных нанотрубок. После на него наносится необходимый полимер, который заполняет полости углеродного покрытия.

Все полученные покрытия по своим свойствам не уступают, а зачастую и превосходят аналоги. Кроме того, ученые утверждают, что их технология идеально подходит для создания гибких проводящих материалов (полученное проводящее покрытие можно отделить от стеклянной подложки), а значит, способна вытеснить общераспространенные в органических светоизлучающих диодах и фотоэлементах покрытия на основе ИТО-стекла (стекла, покрытого проводящим оксидом индия и олова). Таким образом, предложенная методика позволяет легко и сравнительно дешево получать композитные материалы для энергосберегающих технологий. Кроме того, она может быть масштабирована до промышленного производства и легко изменена для работы с новыми полимерами в зависимости от возникающих потребностей.
 
 
Нобелевские лауреаты открывают путь к графеновой электронике    Группа ученых под руководством Константина Новоселова (Университет Манчестера) смогла нейтрализовать основное препятствие на пути к графеновой микроэлектронике — высокие токи утечки в транзистоpax, — вставив пленки графена в «сэндвич» из тончайших листов нитрида бора или дисульфида молибдена, Максимальная производительность обычных кремниевых интегральных схем и их графеновых «наследников» ограничивается так называемыми токами утечки — «несанкционированным» движением электродов через транзисторы в выключенном состоянии. Утечка электронов генерирует энергию и вынуждает инженеров увеличивать напряжение тока, что еще более усиливает нагрев микросхемы. Дальнейшая миниатюризация кремниевых транзисторов крайне затруднена из-за роста токов утечки.

Лауреаты Нобелевской премии К. Новоселов, А. Гейм и их коллеги использовали графен в качестве электрода в так называемом туннельном транзисторе — одной из разновидностей обычных полевых транзисторов. В качестве подложки физики использовали классический диоксид кремния, к которому они прикрепили пластинку из специального диэлектрика -нитрида бора или сульфида молибдена. Затем к диэлектрику прикрепляется слой графена, поверх него укладывается новый слой изолятора, следующий металлический или графеновый электрод и последний слой диэлектрика.

Как объясняют ученые, в этом устройстве ток движется от одного слоя графена к другому под воздействием электрического поля, которое способствует «просачиванию» электронов через пластинки нитрида бора или дисульфида молибдена или блокирует его. Такая конструкция в сочетании с высокоэффективным диэлектриком позволяет избавиться от высоких токов утечки в состоянии покоя.
По оценкам исследователей, отношение тока в транзисторе во «включенном» и «выключенном» состоянии составляет 10 тысяч к одному, что открывает реальные перспективы по созданию высокочастотной и высокопроизводительной графеновой электроники.
 
 
Экологичное наномасло    Ученые из Университета Раиса применили наночасти-цы для повышения термальных свойств трансформаторного масла. Исследователи создали масло на основе наночастиц, которое может существенно повысить теплопотери таких устройств, как электрические трансформаторы и микроэлектронные компоненты, что позволит повысить эффективность трансформаторных масел на 80% рентабельным и безвредным для окружающей среды способом.

Группа ученых, возглавляемая Хаймэ Таха-Теджерина и постдокторантом Тарангатту Нараянан, сосредоточила усилия на трансформаторах энергетических систем. Трансформаторы заполнены минеральными маслами, которые охлаждают и изолируют внутренние обмотки, чтобы избежать короткого замыкания. Ученые обнаружили, что совсем чуть-чуть шестиугольных частиц нитрида бора (h-BN) — двухмерных «кузенов» углеродного графена — очень эффективно избавляют системы от высоких температур. «Нам не требуется много этих частиц, ведь даже 0,1 % от всего масла увеличивает его эффективность на 80%», — сказал Нараянан. «Если их будет всего 0,01%, то и в этом случае эффективность масла повысится на 9%», — добавил Таха-Титжерина. — Изоляционные свойства масла при этом совсем не пострадают».
 
 
Новые поколения наноматериалов: новые риски и возможности    Создавая новые наноматериалы, в том числе кремы для лица, солнцезащитные средства, ткани и пищевые добавки, не следует забывать о рисках. Национальный исследовательский совет США призвал провести незамедлительное расследование, дабы установить, безопасны ли такие продукты. Совет готов инвестировать дополнительные 24 млн долл. в год. Этой суммы должно хватить на то, чтобы получить информацию о на-ночастицах, уже применяемых в индустрии. Однако не стоит забывать и о наноматериалах нового поколения, которые должны появиться на рынке в ближайшие 10 лет. В свою очередь, Центры по контролю и профилактике заболеваний подчеркивают: есть все основания полагать, что наночастицы способны проникать через кожу или дыхательную систему, мигрируя в другие органы.
 
 
КПД солнечных батарей можно повысить за счет наноэффектов    В последние годы удалось разработать несколько путей, позволяющих серьезно утончить фотоячейки, используя вспомогательные структуры с размером, не превышающим длину волны видимого света. «Главная цель — найти пути применения столь малого количества материала для абсорбции света», — уверен адъюнкт-профессор Стэнфордского университета (США) Шанхай Фан. Высокоэффективные материалы, такие как полупроводники на основе оксидов элементов III-IV групп, а также кристаллический кремний, очень дороги. В случае других материалов, например аморфного кремния, цена может быть не столь критична, но несущие заряд электроны не успевают пройти достаточное расстояние, прежде чем «потеряться» в виде тепла. Очевидно, что чем тоньше будет рабочая среда, тем легче носители заряда достигнут нужных границ. При этом чем тоньше солнечная батарея, тем выше вероятность того, что фотон пройдет сквозь нее, не успев абсорбироваться.

Коммерчески доступные батареи на кристаллическом кремнии могут иметь толщину около 180 мкм. В то же время рынок уже высказывает серьезный спрос на 50 мкм. Поэтому, не размениваясь по мелочам, лаборатория Ш. Фана взяла курс сразу на создание солнечных батарей толщиной в 1—2 мкм. В теории специальные методики, такие как нанесение случайных текстур на поверхность фотоячеек, способны в 50 раз увеличить уровень абсорбции света ввиду изменения углов прохождения фотонов сквозь ячейку. При этом методы нанофотоники могут улучшить этот показатель еще в 10 раз. Один из таких методов — плазмоника. Фотоны, сталкиваясь с небольшими металлическими структурами, могут образовывать плазмоны — коллективные колебания свободного электронного газа в металле. Группа Вивиан Ферри из Калифорнийского технологического университета (США) создает плазмоны, используя полусферические выпуклости на контактах солнечной батареи (90 мкм) из аморфного кремния.

Еще один любопытный нанофотонный «трюк» заключается в использовании фотонных кристаллов для создания рефлектора. Благодаря периодическому изменению коэффициента преломления фотонные кристаллы позволяют получить разрешенные и запрещенные зоны для фотонов с разной энергией. Другими словами, такой кристалл способен выполнять функцию оптического фильтра или рефлектора. При попадании на него фотона с длиной волны, которая не соответствует разрешенной зоне, фотон не может распространяться в кристалле и отражается обратно (в рефлектор). Миро Зееман, глава исследовательской группы фотонных материалов и приборов Делфтского технологического университета (Нидерланды), рассказал, что его группа разместила фотонные рефлекторы как в середине батареи, так и на ее задней стороне. Постоянные переотражения света на рефлекторах приводят к световым колебаниям внутри кремния, многократно повышая вероятность конвертации фотонов света в электрический ток. Другая фотоно-кристаллическая схема базируется на использовании микрометровых структур кристаллического кремния, слой которого может быть затем легко соединен со слоем аморфного кремния.
 
 
Обзор подготовил О. Фиговский.
«Экология и жизнь» . – 2012 . - № 4 . – С. 56-57
 
 
 

Открыт путь к оптическому компьютеру?!    В Национальном исследовательском фонде Кореи сообщили, что новая лазерная технология создана в Университете Сеула. Лазерная установка может работать с очень высокой степенью точности, сам же лазер работает в субмиллиметровом диапазоне. Новый трехмерный генератор лазера сейчас активно тестируется для создания сверхтонких лучей. Ученые говорят, что на основе таких сверхтонких, быстрых лучей в будущем можно создать коммуникационные элементы узлов компьютеров, а также в еще более отдаленной перспективе и квантовые компьютеры.

Концепция оптических компьютеров предусматривает, что подобные машины будут использовать фотоны в видимом или в инфракрасном световом диапазоне, тогда как современные системы работают на базе электрических сигналов. Так как свет в электронных компонентах не испытывает сопротивления (точнее, оно крайне мало), тогда как электричество его испытывает, оптические компьютеры смогут обеспечивать и передавать информацию почти в 10 раз быстрее. Более того, оптические компьютеры могут обойтись без проводов, так как все коммуникационные системы также будут работать за счет сверхбыстрых световых фотонов. Сообщается, что в основе южнокорейской разработки находятся так называемые поверхностные плазмоны и тончайшее серебряное напыление.
 
 
Транзистор на нанотрубке     На днях специалисты IBM рассказали о том, что ими был создан и опробован транзистор, в основе которого располагалась одна-единственная на-нотрубка длиной 9 нм. Новое устройство показало отменные характеристики, позволившие заговорить о долгожданной замене кремниевым транзисторам. «Наши результаты показали, что у нанотрубок не просто есть соответствующий потенциал, они могут соперничать с кремнием», — говорит профессор Джон Роджерс (John Rogers) из Университета Иллинойса.

Чтобы узнать, как размер нанотрубки влияет на производительность устройства, Дж. Роджерс, А. Франклин (A. Franklin) и их коллеги создали несколько транзисторов разных размеров. Чтобы
на результаты исследования не повлияла разница размеров отдельных нанотрубок, ученые расположили все транзисторы на поверхности одной. Для этого на слой непроводящего материала инженеры поместили нанотрубку, на концах которой в ходе двухступенчатого процесса были закреплены контакты. Опыты показали, что нанотрубочный транзистор потребляет гораздо меньше энергии, чем его «братья» того же размера, и при напряжении 0,5 В пропускает в 4 раза больший ток.
 
 
Процессор XXI века
 
Компания «Tilега», производитель многоядерных специализированных процессоров, известна еще и тем, что в 2009 г. анонсировала прототип 64-битного 100-ядерного процессора. По всей видимости, специалистам компании потребовались эти три года для того, чтобы отработать технологию и подготовиться к массовому выпуску микропроцессоров, которые они сами называют процессорами XXI века. И совсем недавно представители компании «Тilега» объявили о начале производства своих процессоров Tile-Gx, правда, в несколько урезанном варианте, пока только с 16 и 36 вычислительными ядрами, хотя их архитектура допускает возможность использования 100 ядер. Новые чипы, изготавливаемые по 40-нм технологии, Tile-Gx 16 и Tile-Gx36 выпускались в очень ограниченных количествах, начиная с сентября месяца прошлого года. К настоящему моменту в активах компании «ТПега» состоят более 80 клиентов, которые используют процессоры Tile-Gx в серверах, обрабатывающих одновременно большое количество трансакций.

Процессор Tile-Gx36, работающий на тактовой частоте 1,2 ГГц, обеспечивает скорость обработки и передачи информации на уровне 40 гига-бит в секунду, потребляя при этом 25 Вт энергии. С точки зрения отношения единицы потребляемой мощности на единицу производительности, процессорам Tile-Gx сейчас нет равных, и они являются идеальными кандидатами на создание систем распределенных облачных вычислений. А процессор Tile-Gx36, работающий на частоте Core Mark, преодолел планку в 165 276 баллов, оставив позади весьма неслабые системы других известных производителей. Работают системы на базе процессоров Tile-Gx под управлением специализированной мультизадачной операционной системы, созданной на базе SMP Linux. Поэтому со стороны программной поддержки таких систем никаких проблем не возникает. В настоящее время под эту систему портировано более 2000 приложений, среди которых такие, как Apache, MySQL. Компания «ТПега» планирует немного позже выпустить на рынок процессоры Tile-Gxl6 и Tile-Gx36, работающие на тактовых частотах 1 и 1,4 ГГц, а процессоры Tile-Gx со 100 ядрами должны появиться на рынке к концу этого года.
 
 
Поляризатор на нанотрубках    Объединенная группа физиков из Университета Райса (США) и Университета Осаки (Япония) изготовила практически идеальный терагерцовый поляризатор на основе нанотрубок. «Хорошие терагерцовые излучатели и детекторы излучения у нас уже есть, — говорит Дзюнъитиро Коно (Junichiro Копо), руководитель лаборатории Университета Раиса, в которой был создан новый поляризатор. — Не хватает только устройства для манипулирования излучением, и именно эту проблему мы и пытались решить». Первый вариант поляризатора на основе упорядоченного массива однослойных углеродных нанотрубок ученые испытали в 2009 г., получив обнадеживающие, но все же далекие от идеала результаты. «Когда направление поляризации терагерцовой волны было перпендикулярно оси нанотрубок, никакого ослабления излучения не отмечалось, — вспоминает г-н Коно. — Однако в случае «параллельной» поляризации пропускание не снижалось до нуля, оставаясь на уровне 30—50%».

Способ устранения этого недостатка был очевиден: требовалось увеличить толщину поляризатора. В конструкцию новой версии поляризатора входят сразу три установленных друг за другом упорядоченных массива нанотрубок, размещенных на сапфировых подложках. При испытаниях на эту структуру направлялось терагерцовое излучение, полученное с помощью фемтосекундного титан-сапфирового лазера и нелинейного кристалла теллурида цинка, в котором реализуется эффект оптического выпрямления. Как оказалось, относительно простое и надежное трехслойное устройство обеспечивает степень поляризации в 99,9% в интервале частот от ~ 0,4 до 2,2 ТГц. В этой же области оно имеет коэффициент экстинкции (отношение мощности излучения, прошедшего через настроенный на пропускание поляризатор, к мощности, измеренной в случае максимального ослабления), равный ~ 30 дБ.
 
 
 
Переработка ОЯТ: новые технологии удаляют радиоактивные газы    Группа ученых, финансируемая Управлением по атомной энергетике Министерства энергетики США, разработала новый материал, способный удалять радиоактивные материалы из отработанного ядерного топлива. В будущем металлорганические структуры (MOF) смогут эффективно удалять летучие радиоактивные газы из отработанного ядерного топлива и таким образом сделать ядерную энергетику более безопасной и экологически чистой. Кроме того, появится возможность очищать от радиоактивных материалов аварийные ядерные реакторы. Отработанное ядерное топливо может перерабатываться с целью восстановления расщепляющих материалов и создания свежего топлива для атомных электростанций. Такие страны, как Франция, Россия и Индия, активно занимаются подобной переработкой, которая к тому же  уменьшает объем высокоактивных отходов.

Одной из основных проблем переработки является удаление и изоляция радиоактивных компонентов, которые не могут повторно использоваться в качестве топлива. Ученые сосредоточили  внимание на удалении йода, изотопы которого; имеют огромный период полураспада — 16 млн  лет. Исследователи изучили различные известные материалы, в том числе серебряный цеолит - кристаллический, пористый минерал с большой  площадью поверхности и высокой механической, термической и химической стабильностью. Особая структура цеолита при добавлении серебра позволяет захватить и удалить радиоактивный йод из отработанного ядерного топлива.

Однако серебро стоит дорого и само по себе загрязняет окружающую среду, поэтому ученые попытались создать материал, работающий как цеолит, но без серебра. В итоге была создана металлорганическая структура ZIF-8. MOF является кристаллическим пористым материалом, в котором металлический центр связан с органическими молекулами в процессе химического синтеза. Белый порошок MOF изготавливается из относительно дешевых коммерчески доступных веществ, позволяет эффективно удалять радиоактивный йод и помещать его в стеклянные контейнеры для длительного хранения.

Изотопы йода - разновидности атомов (и ядер) химического элемента йода, имеющие разное содержание нейтронов в ядре. Известно 37 изотопов йода с массовыми числами от 108 до 144. Единственным стабильным изотопом является Г27. Из радиоактивных изотопов наибольшее практическое значение имеют изотопы I'31 и I129, которые образуются в результате деления ядер в ядерных реакторах. Период полураспада I'29 составляет 16 млн лет. Период полураспада I131 составляет около 8 суток, основное применение он нашел в медицине и фармацевтике. Он также является одним из основных продуктов деления ядер урана и плутония, представляющих опасность для здоровья человека. Бета-распад Г31 вызывает мутации и гибель клеток, в которые он проник, и окружающих тканей на глубину нескольких миллиметров.
 
 
 
Сырье для биотоплива: переход от наземных ферм к морским    Бурые водоросли обычно игнорируются как источник горючего, поскольку содержащиеся в них сахара трудно поддаются ферментации. Преобразованные кишечные палочки «научились» напрямую конвертировать бурые водоросли в этанол, притом с хорошей эффективностью. В перспективе это достижение позволит перенести задачу получения сырья для биотоплива от наземных ферм к морским. Исследователи из калифорнийской компании «Bio Architecture Lab» научили бактерии преобразовывать полисахарид альгино-вую кислоту (альгинат), в большом количестве содержащуюся в водорослях, а затем воспользовались собственным открытием для реализации целого цикла химических реакций для получения этанола. Они идентифицировали у вибриона «Vibrio splendidus» солидный фрагмент ДНК длиной 36 тыс. пар оснований, который отвечает за синтез ферментов, необходимых для транспорта и метаболизма данных олигомеров.
Новые ферменты помогают преобразованному микробу переправлять разрозненные кусочки бывшего полисахарида внутрь клетки. Другие гены от V. Splendidus заставляют клетку выполнить целую цепь химических реакций. И как финальный штрих — еще заимствованные гены, на этот раз от бактерии Zymomonas mobilis, которые окончательно превращают промежуточные вещества в этанол. Авторы работы сообщают, что выход спирта по весу составил 0,281 от массы сухих водорослей и что это эквивалентно примерно 80% от максимального теоретически производства этанола из сахара, содержащегося в макроводорослях. Они отмечают, что бурые водоросли не содержат лигнин, а потому их сахара могут быть освобождены при помощи простой перемолки биомассы. Еще плюс: культивирование водорослей не требует пахотных земель, удобрений, пресной воды. Исходя из возможного темпа роста водорослей и КПД преобразования их в жидкое топливо, авторы технологии оценивают возможную производительность морских ферм как 19 тыс. л этанола с 1 га в год. А это примерно вдвое больше, чем соответствующий показатель для сахарного тростника, и в 5 раз выше, чем кукурузы.
 
Обзор подготовил О. Фиговский
 
«Экология и жизнь» . – 2012 . .№ 5 . – С. 37-39.