Нанотехнологии для школьников (стр. 7 из 11)

На рис. 42. показано, как меняется среднее число ближайших соседей у атома платины при увеличении диаметра частицы. Когда число атомов в частице невелико, значительная их часть расположена на поверхности, а значит, среднее число ближайших соседей гораздо меньше того, которое соответствует кристаллической решетке платины (11). При увеличении размеров частицы среднее число ближайших соседей приближается к пределу, соответствующему данной кристаллической решётке. Из рис. 42 следует, что ионизовать (оторвать электрон) атом тяжелее, если он находится в частице малых размеров, т.к. в среднем у такого атома мало ближайших соседей.

Рисунок 43. Зависимость потенциала ионизации (работы выхода, в эВ) от числа атомов N в наночастице железа. Взято из лекции E. Roduner (Stuttgart, 2004).

На рис. 43 показано, как изменяется потенциал ионизации (работа выхода, в эВ) для наночастиц, содержащих различное число атомов железа N. Видно, что при росте N работа выхода падает, стремясь к предельному значению, соответствующему работе выхода для образцов обычных размеров. Оказалось, что изменение А_вых с диаметром частицы D можно довольно хорошо описать формулой:

А_вых = А_вых0 + 2Ze²/D , (6)

где А_вых0 - работа выхода для образцов обычных размеров, Z – заряд атомного ядра, а e– заряд электрона.

Очевидно, что ширина «запрещённой зоны» ΔЕ зависит от размеров полупроводниковой частицы таким же образом, как и работа выхода из металлических частиц (см. формулу 6) – уменьшается с ростом диаметра частицы. Поэтому длина волны флюоресценции полупроводниковых наночастиц растёт с ростом диаметра частиц, что и иллюстрирует рисунок 41.

Квантовые точки – рукотворные атомы

Полупроводниковые наночастицы часто называют «квантовыми точками». Своими свойствами они напоминают атомы – «искусственные атомы» имеющие наноразмеры. Ведь электроны в атомах, переходя с одной орбиты на другую, тоже излучают квант света строго определённой частоты. Но в отличие от настоящих атомов, внутреннюю структуру которых и спектр излучения мы изменить не можем, параметры квантовых точек зависят от их создателей, нанотехнологов.

Квантовые точки уже сейчас являются удобным инструментом для биологов, пытающихся разглядеть различные структуры внутри живых клеток. Дело в том, что различные клеточные структуры одинаково прозрачны и не окрашены. Поэтому, если смотреть на клетку в микроскоп, то ничего, кроме её краёв и не увидишь. Чтобы сделать заметной определённую структуру клетки, были созданы квантовые точки, способные прилипать к определённым внутриклеточным структурам (рис. 44).

Чтобы раскрасить клетку на рис. 44 в разные цвета, были сделаны квантовые точки трёх размеров. К самым маленьким, светящимся зелёным светом, приклеили молекулы, способные прилипать к микротрубочкам, составляющим внутренний скелет клетки. Средние по размеру квантовые точки могли прилипать к мембранам аппарата Гольджи, а самые крупные – к ядру клетки. Когда клетку окунули в раствор, содержащий все эти квантовые точки, и подержали в нём некоторое время, то они проникли внутрь и прилипли туда, куда могли. После этого клетку сполоснули в растворе, не содержащем квантовых точек, и положили под микроскоп. Как и следовало ожидать, вышеупомянутые клеточные структуры стали разноцветными и хорошо заметными (рис. 44).

Рисунок 44. Раскрашивание разных внутриклеточных структур в разные цвета с помощью квантовых точек. Красное – ядро; зелёные – микротрубочки; жёлтый – аппарат Гольджи.

Нанотехнологии в борьбе с раковыми заболеваниями

В 13 % случаев люди умирают от рака. Эта болезнь убивает ежегодно около 8 миллионов человек во всём мире. Многие типы раковых заболеваний до сих пор считаются неизлечимыми. Научные исследования показывают, что привлечение нанотехнологий может стать мощным инструментом в борьбе с этим заболеванием.

Нанотехнологии и медицина

Золотые наночастицы – тепловые бомбы для раковых клеток

Наночастицу из кремния сферической формы диаметром около 100 нм покрывают слоем золота толщиной 10 нм. Такая золотая наночастица обладает способностью поглощать инфракрасное излучение длиной волны 820 нм, нагревая при этом тонкий слой жидкости вокруг себя на несколько десятков градусов.

Излучение длиной волны 820 нм практически не поглощается тканями нашего организма. Поэтому, если изготовить золотые наночастицы, прилипающие только к раковым клеткам, то, пропуская через тело человека излучение этой длины волны, можно нагревать и уничтожать эти клетки, не повреждая при этом здоровые клетки организма.

Учёные обнаружили, что мембрана нормальных клеток отличается от мембран раковых, и предложили наносить на поверхность золотых наночастиц молекулы, облегчающие их прилипание к раковым клеткам. Такие наночастицы, обладающие способностью прилипать к раковым клеткам были изготовлены для нескольких видов рака.

В опытах на мышах была доказана эффективность золотых наночастиц, уничтожающих раковые клетки. Сначала у мышей вызывали раковые заболевания, потом им вводили соответствующие наночастицы, а затем подвергали облучению определённой длины волны. Оказалось, что после нескольких минут такого облучения большинство раковых клеток погибали от перенагрева, а нормальные клетки оставались неповреждёнными. Учёные возлагают большие надежды на этот метод борьбы с раковыми заболеваниями.

Дендримеры – капсулы с ядом для раковых клеток

Раковые клетки для деления и роста нуждаются в большом количестве фолиевой кислоты. Поэтому к поверхности раковых клеток очень хорошо прилипают молекулы фолиевой кислоты, и если внешняя оболочка дендримеров будет содержать молекулы фолиевой кислоты, то такие дендримеры будут избирательно прилипать только к раковым клеткам. С помощью таких дендримеров можно раковые клетки сделать видимыми, если к оболочке дендримеров прикрепить ещё какие-нибудь молекулы, светящиеся, например, под ультрафиолетом. Прикрепив к внешней оболочке дендримера лекарство, убивающее раковые клетки, можно не только обнаружить их, но и убить (рис. 45).

Рисунок 45. Дендример, к внешней оболочке которого прикреплены молекулы фолиевой кислоты (фиолетовые), прилипает только к раковым клеткам. Светящиеся молекулы флюоресцеина (зелёные) позволяют обнаружить эти клетки, молекулы метотрексата (красные) убивают раковые клетки. Это даёт возможность избирательно убивать только раковые клетки.

Наночастицы серебра – яд для бактерий

Физические свойства многих веществ зависят от размеров образца. Наночастицы вещества часто обладают свойствами, которых вообще нет у образцов этих веществ, имеющих обычные размеры.

Известно, что золото и серебро не участвуют в большинстве химических реакций. Однако наночастицы серебра или золота не только становятся очень хорошими катализаторами химических реакций (ускоряют их протекание), но и непосредственно участвуют в химических реакциях. Например, обычные образцы серебра не взаимодействуют с соляной кислотой, а наночастицы серебра реагируют с соляной кислотой, и эта реакция протекает по следующей схеме: 2Ag + 2HCl ® 2AgCl + H₂ .

Высокой реактивной способностью наночастиц серебра объясняют тот факт, что они обладают сильным бактерицидным действием – убивают некоторые виды болезнетворных бактерий. Ионы серебра делают невозможным протекание многих химических реакций внутри бактерий, и поэтому в присутствии наночастиц серебра многие бактерии не размножаются. Так называемые грамотрицательные бактерии, которые нельзя окрасить по методу Грама (кишечная палочка, сальмонелла и др.), наиболее чувствительны к действию наночастиц серебра (рис. 47).

Рисунок 47. Действие различных концентраций наночастиц серебра размером 10-15 нм на размножение бактерий кишечной палочки (Escherichia coli) – (a) и сальмонеллы (Salmonella typhus) – (b). Слева-направо на обеих панелях показаны фотографии чашек Петри с концентрациями наночастиц серебра 0, 5, 10, 25 и 35 мкг/мл. Бактерии окрашивают питательный раствор чашек в желтоватый цвет (см. три крайних левых чашки). В отсутствии бактерий чашки Петри окрашены в тёмно-коричневый цвет из-за присутствия наночастиц серебра. Взято из Shrivastava с сотр. (Nanotechnology, 18:225103, 2007).

Чтобы использовать бактерицидное свойство наночастиц серебра, их стали включать в традиционные материалы, например, ткани для постельного белья. Было обнаружено, что носки, изготовленные из тканей, содержащих наночастицы серебра, препятствуют возникновению грибковых заболеваний стопы.

Слоем наночастиц серебра стали покрывать столовые приборы, дверные ручки и даже клавиатуру и мышки для компьютеров, которые, как было установлено, служат рассадниками болезнетворных бактерий. Наночастицы серебра стали использовать при создании новых покрытий, дезинфицирующих и моющих средств (в том числе зубных и чистящих паст, стиральных порошков)

Бактерии и эритроциты перевозчики нанокапсул с лекарствами

Болезнь человека, как правило, связана с заболеванием не всех, а часто небольшой части его клеток. Но, когда мы принимаем таблетки, то лекарство растворяется в крови, а потом с кровотоком действует на все клетки – больные и здоровые. При этом у здоровых клеток ненужные лекарства могут вызывать так называемые побочные эффекты, например, аллергические реакции. Поэтому давнишней мечтой врачей было выборочное лечение только больных клеток, при котором лекарство доставляется адресно и очень маленькими порциями. Нанокапсулы с лекарством, способные прилипать только к определённым клеткам может быть решением этой проблемы медицины.