Развитие нанотехнологий (стр. 5 из 6)
Директор Лаборатории нанофотоники, профессор Университета Раиса в Хьюстоне, Наоми Халас и Питер Нордлендер создали новый класс наночастиц с уникальными оптическими свойствами - наногильзы. Имея диаметр в 20 раз меньший, чем у красных кровяных телец (эритроцитов), они свободно перемещаются по кровеносной системе. К поверхности гильз особым образом прикрепляется специальные белки - антитела, поражающие раковые клетки. Через несколько часов после их введения организм облучают инфракрасным светом, который наногильзы преобразуют в тепловую энергию. Эта энергия и разрушает раковые клетки, причем соседние здоровые клетки при этом практически не повреждаются.
Такая уникальная нанотехнология уже успешно протестирована на подопытных мышах с раковыми опухолями. Уже через 10 дней после облучения все больные животные полностью избавились от недуга. Причем, как отмечается, последующие анализы не выявили у них никаких очагов новых злокачественных образований.
Следует отметить, что направление медицинских нанотехнологических исследований также развивается стремительными темпами. При этом уже сейчас полученные на подопытных животных результаты обещают значительные перспективы в лечении людей.
4. Военные нанотехнологии.
Пожалуй, самым первым фактом применения нанотехнологии в военных целях следует считать факт, открытый учеными Дрезденского технического университета при исследовании образца дамасской стали (известной своей высочайшей прочностью), из которой в XVI веке была изготовлена сабля, хранящаяся в Историческом музее г. Берна. После травления поверхности образца металла в соляной кислоте исследователи обнаружили нитеобразные объекты нанометровых поперечных размеров (рис.12).
Рис. 12. Наноструктура дамасской стали и конструкционного материала ApNano
При детальном изучении поверхности с использованием сканирующего туннельного микроскопа оказалось, что это многослойные углеродные нанотрубки, к тому же заполненные внутри цементитом - карбидом железа Fe3C, обладающим очень высокой твердостью.
Поскольку нанотрубки обладают рекордной прочностью на растяжение (модуль упругости приблизительно равен 1012 ТПа), не приходится удивляться тому, что входящие в состав дамасской стали углеродные нанотрубки обеспечивают материалу сабли столь высокие прочностные свойства.
Создание различного рода защитных средств - одно из направлений военных исследований в области нанотехнологий. Так, израильская компания ApNano Materials недавно испытала один из наиболее стойких к удару материалов, известных человечеству (см. рис.12). Образец материала ApNano, разработанный на основе дисульфида вольфрама, подвергался ударам, которые производились стальным снарядом, выпущенным со скоростью до 1,5 км/с. Исследуемый материал выдержал удар с воздействиями до 250 т/см2, а также статическую нагрузку 350 т/см2, что приблизительно соответствует нагрузке, развиваемой четырьмя локомотивами на область размером с человеческий ноготь.
Такой материал может понадобиться для изготовления шлемов и бронежилетов, а также обшивки военного транспорта. На 11-й Международной выставке средств обеспечения безопасности государства "Интерполитех-2007" Научно-исследовательский институт стали (Москва) и Институт прикладных нанотехнологии (Зеленоград) продемонстрировали первые опытные отечественные образцы "жидкой" брони, которая в перспективе может применяться для бронежилетов и других средств индивидуальной защиты. Ее создание заключается в обработке обычной баллистической ткани гелевой композицией на основе фтора с наночастицами оксида корунда. Обработанная ткань внешне не отличается от аналога, но при ударном воздействии на нее пули или осколка находящийся внутри гель мгновенно затвердевает (см. рис.13), препятствуя разрушению ткани и снижая поражающее воздействие. Российскими специалистами исследовалась эффективность защитных свойств опытного образца ткани из "жидкой" брони и стандартного образца, изготовленного из 18 слоев баллистической ткани. Испытания проводились методом метания в них шариков массой 1,04 г и диаметром 6,3 мм (аналог пули) со скоростью 526 м/с. В результате испытаний было установлено, что "жидкая" броня обеспечивает лучшие защитные свойства, выдерживая нагрузку от шариков, летящих со скоростью до 560 м/с.
Рис. 13. Механизм образования гидрокластеров в полимерной наносистеме: 1) равновесное состояние; 2) невысокая деформация; 3) затвердение при ударном воздействии.
Другим изобретением, которое может быть в перспективе использовано для военных целей, является разработка так называемого плаща-невидимки. Как видим, некоторые фантастические сюжеты русских народных сказок о шапках невидимках и коврах-самолетах начинают сбываться.
Основная задача, стоящая перед разработчиками данного маскирующего устройства, заключается в том, чтобы сделать объект невидимым за счет выполнения двух необходимых требований: свет не должен отражаться от объекта и должен полностью обходить объект. При этом необходимо, чтобы наблюдатель видел только задний фон, а не сам предмет, замаскированный устройством-невидимкой.
Ученые и инженеры из центра нанотехнологии Бирка при университете Пердью, опираясь на теоретические расчеты, выполненные в 2006 году британскими физиками, создали виртуальную модель, состоящую из множества наноигл, торчащих наружу из центральной спицы, которая напоминает круглую массажную щетку. За счет отклонения кончиками игл видимого света объекты позади щетки становятся видны, но сам предмет, окруженный цилиндрическим массивом наноигл, - невидим.
Расчеты показывают, что устройство сделает объект невидимым только при одной строго определенной длине волны в 632,8 нм, что соответствует красному свету. Однако с помощью этой же модели можно создать "плащ-невидимку" для любой длины волны в видимом спектре, утверждает русский ученый В.М. Шалаев. По его словам, хотя модель работает только для одной частоты, ей уже сейчас можно найти практическое применение - например, производство защитной системы, позволяющей сделать солдат незаметными для приборов ночного видения, поскольку системы ночного видения определяют только конкретную длину волны.
6. Будущее нанотехнологий: проблемы и перспективы
Нанотехнологии и наноустройства являются закономерным шагом на пути совершенствования технических систем. И, возможно, не последним: за областью нановеличин лежат области пико (10-12), фемто (10-15), атто (10-18) и т.д. величин с еще неизвестными и непредсказуемыми свойствами.
В настоящее время на рынке продаются только скромные достижения нанотехнологии, вроде самоочищающихся покрытий и упаковок, позволяющих дольше сохранять свежими продукты питания. Однако ученые предсказывают триумфальное шествие нанотехнологий в недалеком будущем, опираясь на факт её постепенного проникновении во все отрасли производства.
По прогнозам американской ассоциации National Science Foundation, объем рынка товаров и услуг в мире с использованием нанотехнологий в ближайшие 10-15 лет может вырасти до 1 трлн долларов:
в сфере здравоохранения использование нанотехнологий может позволить увеличить продолжительность жизни, улучшить ее качество и расширить физические возможности человека;
в фармацевтической отрасли около половины всей продукции будет зависеть от нанотехнологий;
в химической промышленности наноструктурные катализаторы уже применяются при производстве бензина и в других химических процессах;
в транспортной промышленности применение нанотехнологий и наноматериалов позволит создавать более легкие, быстрые, надежные и безопасные автомобили;
в сельском хозяйстве и в сфере защиты окружающей среды применение нанотехнологий может увеличить урожайность сельскохозяйственных культур, обеспечить более экономичные способы фильтрации воды и ускорить развитие таких возобновляемых энергетических источников, как преобразование солнечной энергии.
Это позволит снизить загрязнение окружающей среды и сэкономить значительные ресурсы.
Согласно исследованиям, проведенным Foresight Nanotech Institute в 2005 году, использование нанотехнологий позволит в будущем решить ряд наиболее значимых для человечества проблем. Одна из них - обеспечение мировых энергетических потребностей. Согласно прогнозам, спрос на электроэнергию к 2025 году вырастет на 50%. В настоящее время около 1,6 млрд человек не обеспечены электроэнергией, а у 2,4 млрд единственными источниками энергии и тепла являются сельскохозяйственные отходы и растительные материалы. Использование ископаемого топлива растет и может удвоиться в ближайшее время. С учетом имеющихся запасов природного топлива эта проблема будет с каждым годом только усугубляться.
Предполагается, что нанотехнологии позволят решить энергетические проблемы посредством применения более эффективного освещения, топливных элементов, водородных аккумуляторов, солнечных элементов, распределения источников энергии и децентрализации производства.
Восторженно предвкушая те положительные изменения, которые принесет с собой промышленная революция, не будем столь наивны, чтобы не задуматься о возможных опасностях и проблемах. Многие крупные ученые современности не зря пытаются привлечь внимание не только к позитивным перспективам будущего, но и к возможным негативным последствиям.
Ученые утверждают, что исследования в области нанотехнологий и других областях должны быть остановлены до того, как это навредит человечеству. Но вместо простого запрета исследований в этой области они предлагают установить правительственный контроль над опасными исследованиями, что поможет предотвратить случайную катастрофу.