Нанонаука это: «Нанотехнология», «нанонаука» и «нанообъекты»: что значит «нано»?

«Нанотехнология», «нанонаука» и «нанообъекты»: что значит «нано»?

Левон Борисович Пиотровский,
НИИ экспериментальной медицины СЗО РАМН, Санкт-Петербург
Евгений Адольфович Кац,
Университет им. Бен-Гуриона в Негеве, Израиль
«Экология и жизнь» №8, №9 2010

Природа непрерывна, а любое определение требует установления каких-то границ. Поэтому формулировка определений — достаточно неблагодарное занятие. Тем не менее это надо делать, так как четкое определение позволяет отделить одно явление от другого, выявить существенные различия между ними и таким образом глубже понять сами явления. Поэтому целью этого эссе является попытка разобраться в значении модных сегодня терминов c приставкой «нано» (от греческого слова «карлик») — «нанонаука», «нанотехнология», «нанообъект», «наноматериал».

Несмотря на то что эти вопросы с той или иной степенью глубины неоднократно обсуждались в специальной и научно-популярной литературе, анализ литературы и личный опыт показывают, что до сих пор в широких научных кругах, не говоря уже о ненаучных, нет четкого понимания как самой проблемы, так и определений. Именно поэтому мы постараемся дать определения всем перечисленным выше терминам, акцентируя внимание читателя на значении базового понятия «нанообъект». Мы приглашаем читателя к совместному размышлению о том, существует ли нечто, принципиально отличающее нанообъекты от их более крупных и более мелких «собратьев», «населяющих» окружающий нас мир. Более того, мы предлагаем ему самому принять участие в серии мысленных экспериментов по конструированию наноструктур и их синтезу. Мы также попытаемся продемонстрировать, что именно в наноразмерном интервале происходит изменение характера физических и химических взаимодействий, причем происходит это именно на том же участке размерной шкалы, где проходит граница между живой и неживой природой.

Но сначала — откуда всё это появилось, почему была введена приставка «нано», что является определяющим при отнесении материалов к наноструктурам, почему нанонаука и нанотехнологии выделяются в отдельные области, что в этом выделении относится (и относится ли) к действительно научным основам?

Что такое «нано» и откуда всё началось

Это приставка, которая показывает, что исходная величина должна быть уменьшена в миллиард раз, т.  е. поделена на единицу с девятью нулями — 1 000 000 000. Например, 1 нанометр — это миллиардная часть метра (1 нм = 10^–9 м). Чтобы представить себе, насколько мал 1 нм, выполним следующий мысленный эксперимент (рис. 1). Если мы уменьшим диаметр нашей планеты (12 750 км = 12,75 × 10⁶ м ≈ 10⁷ м) в 100 миллионов (10⁸) раз, то получим примерно 10^–1 м. Это размер, приблизительно равный диаметру футбольного мяча (стандартный диаметр футбольного мяча — 22 см, но в наших масштабах такая разница несущественна; для нас 2,2 × 10^–1 м ≈ 10^–1 м). Теперь уменьшим диаметр футбольного мяча в те же 100 миллионов (10⁸) раз, и вот только теперь получим размер наночастицы, равный 1 нм (приблизительно диаметр углеродной молекулы фуллерена C₆₀, по своей форме похожего на футбольный мяч — см. рис. 1).

Примечательно, что приставка «нано» использовалась в научной литературе довольно давно, но для обозначения далеко не нанообъектов. В частности для объектов, размер которых в миллиарды раз превышает 1 нм — в терминологии динозавров. Нанотиранозаврами (nanotyrranus) и нанозаврами (nanosaurus) называются карликовые динозавры, размеры которых составляют соответственно 5 и 1,3 м. Но они действительно «карлики» по сравнению с другими динозаврами, размеры которых превышают 10 м (до 50 м), а вес может достигать 30–40 т и более. Этот пример подчеркивает, что сама по себе приставка «нано» не несет физического смысла, а лишь указывает на масштаб.

Но теперь с помощью этой приставки обозначают новую эру в развитии технологий, называемых иногда четвертой промышленной революцией, — эру нанотехнологий.

Очень часто считается, что начало нанотехнологической эре положил в 1959 г. Ричард Фейнман в лекции «There’s Plenty of Room at the Bottom» («Там внизу — много места»). Основной постулат этой лекции заключался в том, что с точки зрения фундаментальных законов физики автор не видит никаких препятствий к работе на молекулярном и атомном уровнях, манипулировании отдельными атомами или молекулами. Фейнман говорил, что с помощью определенных устройств можно сделать еще меньшие по размеру устройства, которые в свою очередь способны сделать еще меньшие устройства, и так далее вплоть до атомного уровня, т. е. при наличии соответствующих технологий можно манипулировать отдельными атомами.

Справедливости ради, однако, следует отметить, что Фейнман не первый это придумал. В частности, идея создания последовательно уменьшающихся в размере манипуляторов была высказана еще в 1931 г. писателем Борисом Житковым в его фантастическом рассказе «Микроруки». Не можем удержаться и не привести небольшие цитаты из этого рассказа, чтобы дать читателю самому по достоинству оценить прозрение писателя:

«Я долго ломал голову и вот к чему пришел: я сделаю маленькие руки, точную копию моих — пусть они будут хоть в двадцать, тридцать раз меньше, но на них будут гибкие пальцы, как мои, они будут сжиматься в кулак, разгибаться, становиться в те же положения, что и мои живые руки. И я их сделал. ..
Но мне вдруг ударила в голову мысль: а ведь я могу сделать микроруки к моим маленьким рукам. Я могу для них сделать такие же перчатки, как я сделал для своих живых рук, такой же системой соединить их с ручками в десять раз меньше моих микрорук, и тогда… у меня будут настоящие микроруки, уже в двести раз они будут мельчить мои движения. Этими руками я ворвусь в такую мелкоту жизни, которую только видели, но где еще никто не распоряжался своими руками. И я взялся за работу…
Я хотел сделать истинные микроруки, такие, которыми я мог бы хватать частицы вещества, из которых создана материя, те невообразимо мелкие частицы, которые видны только в ультрамикроскоп. Я хотел пробраться в ту область, где ум человеческий теряет всякое представление о размерах — кажется, что уж нет никаких размеров, до того всё невообразимо мелко».

Но дело не только в литературных предсказаниях. То, что теперь называют нанообъектами, нанотехнологиями, если угодно, человек давно использовал в своей жизни. Один из наиболее ярких примеров (в прямом и переносном смыслах) — это разноцветные стекла. Например, созданный еще IV веке н. э. кубок Ликурга, хранящийся в Британском музее, при освещении снаружи — зеленый, но если освещать его изнутри — то он пурпурно-красный. Как показали недавние исследования с помощью электронной микроскопии, этот необычный эффект обусловлен наличием в стекле наноразмерных частиц золота и серебра. Поэтому можно смело утверждать, что кубок Ликурга сделан из нанокомпозитного материала.

Как выясняется теперь, в Средние века металлическую нанопыль часто добавляли в стекло для изготовления витражей. Вариации окраски стекол зависят от различий добавляемых частиц — природы используемого металла и размера его частиц. Недавно было установлено, что эти стекла обладают еще и бактерицидными свойствами, т. е. не только дают красивую игру света в помещении, но и дезинфицируют среду.

Если рассматривать историю развития науки в историческом плане, то можно выделить, с одной стороны, общий вектор — проникновение естественных наук «вглубь» материи. Движение по этому вектору определяется развитием средств наблюдения. Сначала люди изучали обычный мир, для наблюдения которого не надо было особых приборов. При наблюдениях на этом уровне заложены основы биологии (классификация мира живого, К. Линней и др.), была создана теория эволюции (Ч. Дарвин, 1859 г.). Когда появился телескоп, люди смогли проводить астрономические наблюдения (Г. Галилей, 1609 г.). Результатом этого явились закон Всемирного тяготения и классическая механика (И. Ньютон, 1642–1727 гг.). Когда появился микроскоп Левенгука (1674 г.), люди проникли в микромир (размерный интервал 1 мм — 0,1 мм). Сначала это было только созерцание мелких, не видимых глазом организмов. Лишь в конце XIX века Л. Пастер первым выяснил природу и функции микроорганизмов. Примерно в это же время (конец XIX — начало XX века) происходила революция в физике. Ученые стали проникать внутрь атома, изучать его строение. Опять-таки это было связано с появлением новых методов и инструментов, в качестве которых стали применять мельчайшие частицы вещества. В 1909 г. используя альфа-частицы (ядра гелия, имеющие размер порядка 10^–13 м) Резерфорду удалось «увидеть» ядро атома золота. Созданная на основе этих опытов планетарная модель атома Бора—Резерфорда дает наглядный образ огромности «свободного» места в атоме, вполне сравнимого с космической пустотой Солнечной системы. Именно пустоты таких порядков имел в виду Фейнман в своей лекции. При помощи тех же α-частиц в 1919 г. Резерфордом была осуществлена первая ядерная реакция по превращению азота в кислород. Так физики вошли в пико- и фемторазмерные интервалы¹, и понимание строения материи на атомном и субатомном уровнях привело в первой половине прошлого века к созданию квантовой механики.

Мир потерянных величин

Исторически случилось так, что на размерной шкале (рис. 2) были «перекрыты» практически все размерные области исследований, кроме области наноразмеров. Однако мир не без прозорливых людей. Еще в начале XX века В. Оствальд опубликовал книгу «Мир обойденных величин», в которой шла речь о новой в то время области химии — коллоидной химии, которая и имела дело именно с частицами нанометровых размеров (хотя тогда еще этот термин не употреблялся). Уже в этой книге он отмечал, что дробление материи в какой-то момент приводит к новым свойствам, что от размера частицы зависят свойства и всего материала.

В начале ХХ века еще не умели «видеть» частицы такого размера, так как они лежат ниже пределов разрешимости светового микроскопа. Поэтому не случайно одной из начальных вех появления нанотехнологий считается изобретение М. Кноллем и Э. Руска в 1931 г. электронного микроскопа. Только после этого человечество смогло «видеть» объекты субмикронных и нанометровых размеров. И тогда всё становится на свои места — основной критерий, по которому человечество принимает (или не принимает) какие-либо новые факты и явления, выражен в словах Фомы неверующего: «Пока не увижу, не поверю».²

Следующий шаг был сделан в 1981 г. — Г. Бинниг и Г. Рорер создали сканирующий туннельный микроскоп, что дало возможность не только получать изображения отдельных атомов, но и манипулировать ими. То есть была создана технология, о которой говорил в своей лекции Р.  Фейнман. Вот именно тогда и наступила эра нанотехнологий.

Отметим, что и здесь мы опять имеем дело с одной и той же историей. Опять потому, что для человечества вообще свойственно не обращать внимания на то, что хоть немного, но обгоняет свое время.³ Вот и на примере нанотехнологий выясняется, что ничего нового не открыли, просто стали лучше понимать то, что происходит вокруг, то, что даже в древности люди уже делали, пусть и неосознанно, вернее, осознанно (знали, что хотели получить), но не понимая физики и химии явления. Другой вопрос, что наличие технологии еще далеко не означает понимания сути процесса. Сталь умели варить давно, но понимание физических и химических основ сталеварения пришло значительно позже. Тут можно вспомнить, что секрет дамасской стали не открыт до сих пор. Здесь уже другая ипостась — знаем, что надо получить, но не знаем, как. Так что взаимоотношения науки и технологии далеко не всегда просты.

Кто же первым занялся наноматериалами в их современном понимании? В 1981 г. американский ученый Г. Глейтер впервые использовал определение «нанокристаллический». Он сформулировал концепцию создания наноматериалов и развил ее в серии работ 1981–1986 гг., ввел термины «нанокристаллические», «наноструктурные», «нанофазные» и «нанокомпозитные» материалы. Главный акцент в этих работах был сделан на решающей роли многочисленных поверхностей раздела в наноматериалах как основе для изменения свойств твердых тел.

Одним из важнейших событий в истории нанотехнологии⁴ и развития идеологии наночастиц явилось также открытие в середине 80-х — начале 90-х годов ХХ века наноструктур углерода — фуллеренов и углеродных нанотрубок, а также открытие уже в XXI веке способа получения графена.⁵

Но вернемся к определениям.

Первые определения: всё очень просто

Сначала всё было очень просто. В 2000 г. президент США Б. Клинтон подписал документ «National Nanotechnology Initiative» («Национальная нанотехнологическая инициатива»), в котором приведено следующее определение: к нанотехнологиям относятся создание технологий и исследования на атомном, молекулярном и макромолекулярном уровнях в пределах примерно от 1 до 100 нм для понимания фундаментальных основ явлений и свойств материалов на уровне наноразмеров, а также создание и использование структур, оборудования и систем, обладающих новыми свойствами и функциями, определяемыми их размерами.

В 2003 г. правительство Великобритании обратилось в Royal Society⁶и Royal Academy of Engineering⁷ с просьбой высказать свое мнение о необходимости развития нанотехнологий, оценить преимущества и проблемы, которые может вызвать их развитие. Такой доклад под названием «Nanoscience and nanotechnologies: opportunities and uncertainties» появился в июле 2004 г., и в нем, насколько нам известно, впервые были даны отдельно определения нанонауки и нанотехнологий:

Нанонаука — это исследование явлений и объектов на атомарном, молекулярном и макромолекулярном уровнях, характеристики которых существенно отличаются от свойств их макроаналогов.

Нанотехнологии — это конструирование, характеристика, производство и применение структур, приборов и систем, свойства которых определяются их формой и размером на нанометровом уровне.

Таким образом, под термином «нанотехнология» понимается совокупность технологических приемов, позволяющая создавать нанообъекты и/или манипулировать ими. Остается только дать определение нанообъектам. Но вот это, оказывается, не так просто, поэтому бОльшая часть статьи посвящена именно этому определению.

Для начала приведем формальное определение, наиболее широко используемое в настоящее время:

Нанообъектами (наночастицами) называются объекты (частицы) с характерным размером в 1–100 нанометров хотя бы по одному измерению.

Вроде бы всё хорошо и понятно, неясно только, почему дано столь жесткое определение нижнего и верхнего пределов в 1 и 100 нм? Похоже, что выбрано это волюнтаристски, особенно подозрительно назначение верхнего предела. Почему не 70 или 150 нм? Ведь, учитывая всё многообразие нанообъектов в природе, границы наноучастка размерной шкалы могут и должны быть существенно размыты. И вообще в природе проведение любых точных границ невозможно — одни объекты плавно перетекают в другие, и происходит это в определенном интервале, а не в точке.

Прежде чем говорить о границах, попробуем понять, какой физический смысл содержится в понятии «нанообъект», почему его надо выделять отдельной дефиницией?

Как уже отмечалось выше, только в конце XX века начало появляться (вернее, утверждаться в умах) понимание того, что наноразмерный интервал строения материи всё-таки имеет свои особенности, что на этом уровне вещество обладает иными свойствами, которые не проявляются в макромире. Очень трудно переводить некоторые английские термины на русский язык, но в английском есть термин «bulk material», что приблизительно можно перевести как «большое количество вещества», «объемное вещество», «сплошная среда». Так вот некоторые свойства «bulk materials» при уменьшении размера составляющих его частиц могут начать изменяться при достижении определенного размера. В этом случае говорят, что происходит переход к наносостоянию вещества, наноматериалам.

А происходит это потому, что при уменьшении размера частиц доля атомов, расположенных на их поверхности, и их вклад в свойства объекта становятся существенными и растут с дальнейшим уменьшением размеров (рис. 3).

Но почему увеличение доли поверхностных атомов существенно влияет на свойства частиц?

Так называемые поверхностные явления известны давно — это поверхностное натяжение, капиллярные явления, поверхностная активность, смачивание, адсорбция, адгезия и др. Вся совокупность этих явлений обусловлена тем, что силы взаимодействия между частицами, составляющими тело, не скомпенсированы на его поверхности (рис.  4). Другими словами, атомы на поверхности (кристалла или жидкости — это не важно) находятся в особых условиях. Например, в кристаллах силы, заставляющие их находиться в узлах кристаллической решетки, действуют на них только снизу. Поэтому свойства этих «поверхностных» атомов отличаются от свойств этих же атомов в объеме.

Так как в нанообъектах число поверхностных атомов резко возрастает (рис. 3), то их вклад в свойства нанообъекта становится определяющим и растет с дальнейшим уменьшением размера объекта. Именно это и является одной из причин проявления новых свойств на наноуровне.

Другой причиной обсуждаемого изменения свойств является то, что на этом размерном уровне начинает уже проявляться действие законов квантовой механики, т. е. уровень наноразмеров — это уровень перехода, именно перехода, от царствования классической механики к царствованию механики квантовой. А как хорошо известно, самое непредсказуемое — это именно переходные состояния.

К середине XX века люди научились работать как с массой атомов, так и с одним атомом.

Впоследствии стало очевидно, что «маленькая кучка атомов» — это что-то иное, не совсем похожее ни на массу атомов, ни на отдельный атом.

Впервые, вероятно, ученые и технологи вплотную столкнулись с этой проблемой в физике полупроводников. В своем стремлении к миниатюризации они дошли до таких размеров частиц (несколько десятков нанометров и менее), при которых их оптические и электронные свойства стали резко отличаться от таковых для частиц «обычных» размеров. Именно тогда стало окончательно понятно, что шкала «наноразмеров» — это особая область, отличная от области существования макрочастиц или сплошных сред.

Поэтому в приведенных выше определениях нанонауки и нанотехнологий наиболее существенным является указание на то, что «настоящее нано» начинается с момента появления новых свойств веществ, связанных с переходом к этим масштабам и отличающихся от свойств объемных материалов. То есть существеннейшим и важнейшим качеством наночастиц, основным отличием их от микро- и макрочастиц является появление у них принципиально новых свойств, не проявляющихся при других размерах. Мы уже приводили литературные примеры, используем этот прием еще раз для того, чтобы наглядно показать и подчеркнуть различия между макро-, микро- и нанообъектами.

Вернемся к литературным примерам. Часто в качестве «раннего» нанотехнолога упоминается герой повести Лескова Левша. Однако это неправильно. Основное достижение Левши — это то, что он выковал маленькие гвозди [«я мельче этих подковок работал: я гвоздики выковывал, которыми подковки забиты, там уже никакой мелкоскоп взять не может»]. Но эти гвозди, хоть и очень маленькие, остались гвоздями, не потеряли своей основной функции — удерживать подкову. Так что пример с Левшой — это пример миниатюризации (если угодно, микроминиатюризации), т. е. уменьшения размеров предмета без изменения его функциональных и других свойств.

А вот уже упоминавшийся рассказ Б.  Житкова описывает как раз именно изменение свойств:

«Мне нужно было вытянуть тонкую проволоку — то есть той толщины, какая для моих живых рук была бы как волос. Я работал и глядел в микроскоп, как протягивали медь микроруки. Вот тоньше, тоньше — еще осталось протянуть пять раз — и тут проволока рвалась. Даже не рвалась — она рассыпалась, как сделанная из глины. Рассыпалась в мелкий песок. Это знаменитая своей тягучестью красная медь».

Отметим, что в Wikipedia в статье про нанотехнологии как раз увеличение жесткости меди приводится в качестве одного из примеров изменения свойств при уменьшении размеров. (Интересно, откуда узнал про это Б. Житков в 1931 г.?)

Нанобъекты: квантовые плоскости, нити и точки. Наноструктуры углерода

В конце XX века окончательно стало очевидно существование определенной области размеров частиц вещества — область наноразмеров. Физики, уточняя определение нанообъектов, утверждают, что верхний предел наноучастка размерной шкалы совпадает, по всей видимости, с размером проявления так называемых низкоразмерных эффектов или эффекта понижения размерности.

Попытаемся сделать обратный перевод последнего утверждения с языка физиков на общечеловеческий язык.

Мы живем в трехмерном мире. Все окружающие нас реальные предметы имеют те или иные размеры во всех трех измерениях, или, как говорят физики, обладают размерностью 3.

Проведем следующий мысленный эксперимент. Выберем трехмерный, объемный, образец какого-нибудь материала, лучше всего — однородный кристалл. Пусть это будет кубик с длиной ребра в 1 см. Этот образец обладает определенными физическими свойствами, не зависящими от его размеров. Вблизи внешней поверхности нашего образца свойства могут отличаться от таковых в объеме. Однако относительная доля поверхностных атомов мала, и поэтому вкладом поверхностного изменения свойств можно пренебречь (именно это требование означает на языке физиков, что образец объемный). Теперь разделим кубик пополам — два его характерных размера останутся прежними, а один, пусть это будет высота d, уменьшится в 2 раза. Что произойдет со свойствами образца? Они не изменятся. Повторим этот эксперимент еще раз и измерим интересующее нас свойство. Мы получим тот же результат. Неоднократно повторяя эксперимент, мы наконец дойдем до некоторого критического размера d*, ниже которого измеряемое нами свойство начнет зависеть от размера d. Почему? При d ≤ d* доля вклада поверхностных атомов в свойства становится существенной и будет продолжать расти с дальнейшим уменьшением d.

Физики говорят что при d ≤ d* в нашем образце наблюдается квантово-размерный эффект в одном измерении. Для них наш образец не является больше трехмерным (что для любого обычного человека звучит абсурдно, ведь наше d хоть и мало, но не равно нулю!), его размерность понижена до двух. А сам образец называется квантовой плоскостью, или квантовой ямой, по аналогии с часто употребляемым в физике термином «потенциальная яма».

Если в неком образце d ≤ d* в двух измерениях, то его называют одномерным квантовым объектом, или квантовой нитью, или квантовым проводом. У нуль-мерных объектов, или квантовых точек, d ≤ d* во всех трех измерениях.

Естественно, что критический размер d* не является постоянной величиной для разных материалов и даже для одного материала может существенно варьироваться в зависимости от того, какое из свойств мы измеряли в нашем эксперименте, или, говоря другими словами, какая из критических размерных характеристик физических явлений определяет данное свойство (свободный пробег электронов фононов, длина волны де Бройля, длина диффузии, глубина проникновения внешнего электромагнитного поля или акустических волн и пр.).

Однако оказывается, что при всём многообразии явлений, происходящих в органических и неорганических материалах в живой и неживой природе, величина d* лежит примерно в интервале 1–100 нм. Таким образом, «нанообъект» («наноструктура», «наночастица») — это просто другой вариант термина «квантово-размерная структура». Это объект, у которого d ≤ d* по крайней мере в одном измерении. Это частицы пониженной размерности, частицы с повышенной долей поверхностных атомов. А значит, классифицировать их логичнее всего по степени снижения размерности: 2D — квантовые плоскости, 1D — квантовые нити, 0D — квантовые точки.

Весь спектр сниженных размерностей можно легко объяснить и главное — экспериментально наблюдать на примере углеродных наночастиц.

Открытие наноструктур углерода явилось очень важной вехой в развитии концепции наночастиц.

Углерод — всего лишь одиннадцатый по распространенности в природе элемент, однако благодаря уникальной способности его атомов соединяться друг с другом и образовывать длинные молекулы, включающие в качестве заместителей и другие элементы, возникло громадное множество органических соединений, да и сама Жизнь. Но, даже соединяясь только сам с собой, углерод способен порождать большой набор различных структур с весьма разнообразными свойствами — так называемых аллотропных модификаций.⁸ Алмаз, например, является эталоном прозрачности и твердости, диэлектриком и теплоизолятором. Однако графит — идеальный «поглотитель» света, сверхмягкий материал (в определенном направлении), один из лучших проводников тепла и электричества (в плоскости, перпендикулярной вышеназванному направлению). А ведь оба этих материала состоят только из атомов углерода!

Но всё это на макроуровне. А переход на наноуровень открывает новые уникальные свойства углерода. Оказалось, что «любовь» атомов углерода друг к другу настолько велика, что они могут без участия других элементов образовывать целый набор наноструктур, отличающихся друг от друга, в том числе и размерностью. В их число входят фуллерены, графен, нанотрубки, наноконы и т. п. (рис. 5).

Отметим при этом, что наноструктуры углерода можно назвать «истинными» наночастицами, так как в них, как хорошо видно на рис. 5, все составляющие их атомы лежат на поверхности.

Но вернемся к самому графиту. Итак, графит — самая распространенная и термодинамически стабильная модификация элементарного углерода с трехмерной кристаллической структурой, состоящей из параллельных атомных слоев, каждый из которых представляет собой плотную упаковку шестиугольников (рис.  6). В вершинах любого такого шестиугольника расположен атом углерода, а стороны шестиугольников графически отражают прочные ковалентные связи⁹ между атомами углерода, длина которых составляет 0,142 нм. А вот расстояние между слоями достаточно велико (0,334 нм), и поэтому связь между слоями достаточно слабая (в этом случае говорят о ван-дер-ваальсовом взаимодействии¹⁰).

Такая кристаллическая структура и объясняет особенности физических свойств графита. Во-первых, низкую твердость и способность легко расслаиваться на мельчайшие чешуйки. Так, например, пишут грифели карандашей, графитовые чешуйки которых, отслаиваясь, остаются на бумаге. Во-вторых, уже упоминавшуюся ярко выраженную анизотропию физических свойств графита и прежде всего его электрической проводимости и теплопроводности.

Любой из слоев трехмерной структуры графита можно рассматривать как гигантскую плоскостную структуру, имеющую размерность 2D. Такая двумерная структура, построенная только из атомов углерода, получила название «графен». Получить такую структуру «относительно» легко, во всяком случае, в мысленном эксперименте. Возьмем графитовый карандашный грифель и начнем писать. Высота грифеля d будет уменьшаться. Если хватит терпения, то в какой-то момент величина d сравняется с d*, и мы получим квантовую плоскость (2D).

Долгое время проблема стабильности плоских двумерных структур в свободном состоянии (без подложки) в общем и графена в частности, а также электронные свойства графена были предметом только теоретических исследований. Совсем недавно, в 2004 г., группой физиков во главе с А. Геймом и К. Новосёловым были получены первые образцы графена, что произвело революцию в этой области, так как такие двумерные структуры оказались, в частности, способными проявлять поразительные электронные свойства, качественно отличающиеся от всех прежде наблюдаемых. Поэтому сегодня сотни экспериментальных групп и исследуют электронные свойства графена.

Если свернуть графеновый слой, моноатомный по толщине, в цилиндр таким образом, чтобы гексагональная сетка атомов углерода замкнулась без швов, то мы «сконструируем» одностенную углеродную нанотрубку. Экспериментально можно получать одностенные нанотрубки диаметром от 0,43 до 5 нм. Характерными особенностями геометрии нанотрубок являются рекордные значения удельной поверхности (в среднем ~1600 м²/г для одностенных трубок) и отношения длины к диаметру (100 000 и выше). Таким образом, нанотрубки представляют собой 1D нанообъект — квантовые нити.

В экспериментах наблюдались также и многостенные углеродные нанотрубки (рис. 7). Они состоят из коаксиальных цилиндров, вставленных один в другой, стенки которых находятся на расстоянии (около 3,5 Å), близком к межплоскостному расстоянию в графите (0,334 нм). Количество стенок может варьироваться от 2 до 50.

Если же поместить кусок графита в атмосферу инертного газа (гелия или аргона) и затем осветить лучом мощного импульсного лазера или концентрированного солнечного света, то можно испарить материал нашей графитовой мишени (заметим, что для этого температура поверхности мишени должна быть как минимум 2700°C). В таких условиях над поверхностью мишени образуется плазма, состоящая из индивидуальных атомов углерода, которые увлекаются потоком холодного газа, что приводит к охлаждению плазмы и образованию кластеров углерода. Так вот, оказывается, что при определенных условиях кластеризации атомы углерода замыкаются с образованием каркасной сферической молекулы C₆₀ размерностью 0D (т. е. квантовая точка), уже показанной на рис. 1.

Такое самопроизвольное образование молекулы C₆₀ в углеродной плазме было обнаружено в совместном эксперименте Г. Крото, Р. Кёрла и Р. Смоли, проведенном в течение десяти дней в сентябре 1985 г. Отошлем любознательного читателя к книге Е. А. Каца «Фуллерены, углеродные нанотрубки и нанокластеры: Родословная форм и идей», подробно описывающей увлекательную историю этого открытия и события, ему предшествующие (с краткими экскурсами в историю науки вплоть до эпохи Возрождения и даже Античности), а также объясняющей мотивацию странного на первый взгляд (и только на первый взгляд) названия новой молекулы — бакминстерфуллерен — в честь архитектора Р. Бакминстера Фуллера (см. также книгу [Пиотровский, Киселев, 2006]).

Впоследствии было обнаружено, что существует целое семейство углеродных молекул — фуллеренов — в форме выпуклых многогранников, состоящих только из шестиугольных и пятиугольных граней (рис.  8).

Именно открытие фуллеренов явилось своеобразным волшебным «золотым ключиком» в новый мир нанометровых структур из чистого углерода, вызвало взрыв работ в этой области. К настоящему времени обнаружено большое количество различных углеродных кластеров с фантастическим (в прямом смысле этого слова!) разнообразием структуры и свойств.

Но вернемся к наноматериалам.

Наноматериалами называются материалы, структурными единицами которых являются нанообъекты (наночастицы). Образно говоря, здание наноматериала сложено из кирпичей-нанообъектов. Поэтому классифицировать наноматериалы продуктивнее всего по размерности как самого образца наноматериала (внешних размеров матрицы), так и по размерности составляющих его нанообъектов. Наиболее подробная классификация такого рода приведена в работе [Pokropivny, Skorokhod, 2008]. Представленные в этой работе 36 классов наноструктур описывают всё многообразие наноматериалов, некоторые из которых (как указанные выше фуллерены или углеродный наногорох) уже успешно синтезированы, а некоторые всё еще ждут своей экспериментальной реализации.

Почему всё не так просто

Итак, мы можем строго определить интересующие нас понятия «нанонаука», «нанотехнология» и «наноматериалы» только в том случае, если понимаем, что такое «нанобъект».

«Нанообъект» же, в свою очередь, имеет два определения. Первое, более простое (технологическое): это объекты (частицы) с характерным размером приблизительно в 1–100 нанометров хотя бы по одному измерению. Второе определение, более научное, физическое: объект с пониженной размерностью (у которого d ≤ d* по крайней мере в одном измерении).

Других определений, насколько нам известно, не имеется.

Не может не бросаться в глаза, однако, тот факт, что и научное определение обладает серьезным недостатком. А именно: в нем, в отличие от технологического, определяется только верхний предел наноразмеров. Должен ли существовать нижний предел? По нашему мнению, конечно, должен. Первая причина существования нижнего предела непосредственно вытекает из физической сущности научного определения нанообъекта, так как большинство обсуждавшихся выше эффектов понижения размерности являются эффектами квантового ограничения, или явлениями резонансной природы. Иными словами, они наблюдаются при совпадении характерных длин эффекта и размеров объекта, т. е. не только для d ≤ d*, что уже обсуждалось, но в то же время только если размер d превышает некий нижний предел d** (d** ≤ d ≤ d*). При этом очевидно, что величина d* может варьироваться для разных явлений, но должна превышать размеры атомов.

Проиллюстрируем сказанное на примере соединений углерода. Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) типа нафталина, бензпирена, хризена и т. п. являются формально аналогами графена. Более того, самый большой из известных ПАУ имеет общую формулу C₂₂₂H₄₄ и содержит 10 бензольных колец по диагонали. Однако они не обладают теми удивительными свойствами, которыми обладает графен, и их нельзя рассматривать как наночастицы. То же самое относится и к наноалмазам: до ~ 4–5 нм это наноалмазы, но близко к этим границам, и даже заходя за них, подходят высшие диамандоиды (аналоги адамантана, имеющие конденсированные алмазные ячейки в качестве основы структуры).

Итак: если в пределе размер объекта по всем трем измерениям будет равен размеру атома, то, например, кристалл, сложенный из таких 0-мерных объектов будет не наноматериалом, а обычным атомарным кристаллом. Это очевидно. Как очевиден и тот факт, что количество атомов в нанообъекте должно всё-таки превосходить единицу. Если у нанобъекта все три значения d меньше, чем d**, он престает им быть. Такой объект надо описывать на языке описания индивидуальных атомов.

А если не все три размера, а только один, например? Остается ли такой объект нанообъектом? Конечно, да. Таким объектом является, например, уже не раз упоминавшийся графен. То, что характерный размер графена в одном измерении равен диаметру атома углерода, не лишает его свойств наноматериала. И свойства эти абсолютно уникальны. Были измерены проводимость, эффект Шубникова — де Гааза, квантовый эффект Холла в графеновых пленках атомарной толщины. Эксперименты подтвердили, что графен — полупроводник с нулевой шириной запрещенной зоны, при этом в точках соприкосновения валентной зоны и зоны проводимости энергетический спектр электронов и дырок линеен как функция волнового вектора. Такого рода спектром обладают частицы с нулевой эффективной массой, в частности фотоны, нейтрино, релятивистские частицы. Отличие фотонов и безмассовых носителей в графене состоит в том, что последние являются фермионами, и они заряжены. В настоящее время аналогов для этих безмассовых заряженных фермионов Дирака среди известных элементарных частиц нет. Сегодня графен представляет огромный интерес как для проверки множества теоретических предположений из областей квантовой электродинамики и теории относительности, так и для создания новых устройств наноэлектроники, в частности баллистического и одноэлектронного транзисторов.

Для нашей дискуссии весьма важно, что наиболее близким к понятию нанообъекта является размерный участок, на котором реализуются так называемые мезоскопические явления. Это минимальный размерный участок, для которого резонно говорить не о свойствах индивидуальных атомов или молекул, а о свойствах материала в целом (например, при определении температуры, плотности или проводимости материала). Мезоскопические размеры как раз попадают в интервал 1–100 нм. (Приставка «мезо-» происходит от греческого слова «средний», промежуточный — между атомарными и макроскопическими размерами.)

Всем известно, что психология занимается поведением индивидуумов, а социология — поведением больших групп людей. Так вот, отношения в группе из 3–4 человек можно по аналогии охарактеризовать как мезоявления. Точно так же, как уже упоминалось выше, маленькая кучка атомов — это что-то не похожее ни на «кучу» атомов, ни на отдельный атом.

Тут следует отметить еще одну важную особенность свойств нанообъектов. Несмотря на то, что в отличие от графена углеродные нанотрубки и фуллерены являются формально 1- и 0-мерными объектами соответственно, по существу это не совсем так. Вернее, так и не так одновременно. Дело в том, что нанотрубка — это тот же графеновый 2D одноатомный слой, свернутый в цилиндр.¹¹ А фуллерен — это углеродный 2D слой одноатомной толщины, замкнутый по поверхности сферы. То есть свойства нанообъектов существенно зависят не только от их размеров, но и от топологических характеристик — попросту говоря, от их формы.

Итак, правильное научное определение нанообъекта должно быть следующим:

это объект, у которого хотя бы один из размеров ≤ d*, при этом хотя бы один из размеров превышает d**. Иными словами, объект достаточно велик, чтобы обладать макросвойствами вещества, но в то же время характеризуется пониженной размерностью, т. е. хотя бы по одному из измерений достаточно мал, чтобы значения этих свойств сильно отличались от соответствующих свойств макрообъектов из этого же вещества, существенно зависели от размеров и формы объекта. При этом точные значения размеров d* и d** могут варьироваться не только от вещества к веществу, но и для разных свойств одного и того же вещества.

То, что эти соображения отнюдь не являются схоластическими (типа «со скольких песчинок начинается куча?»), а имеют глубокий смысл для понимания единства науки и непрерывности окружающего нас мира, становится очевидным, если мы обратим свой взор на нанообъекты органического происхождения.

Нанообъекты органической природы — супрамолекулярные структуры

Выше мы рассматривали только неорганические относительно однородные материалы, и уже там всё было не так просто. Но на Земле есть колоссальное количество материи, которую не просто трудно, а нельзя назвать однородной. Речь идет о биологических структурах и вообще о Живой материи.

В «Национальной нанотехнологической инициативе» в качестве одной из причин особого интереса к области наноразмеров указывается:

так как системная организация материи на наноуровне является ключевой особенностью биологических систем, нанонаука и технология дадут возможность включать в клетки искусственные компоненты и ансамбли, создавая тем самым новые структурно организованные материалы на основе подражания методам самосборки в природе.

Попробуем теперь разобраться, какой смысл имеет понятие «наноразмер» в приложении к биологии, памятуя о том, что при переходе к этому размерному интервалу должны принципиально или резко изменяться свойства. Но сначала вспомним, что к нанообласти можно подойти двумя путями: «сверху вниз» (дробление) или «снизу вверх» (синтез). Так вот, движение «снизу вверх» для биологии представляет собой не что иное, как образование из отдельных молекул биологически активных комплексов.

Рассмотрим коротко химические связи, которые определяют строение и форму молекулы. Первой и самой сильной является ковалентная связь, характеризующаяся строгой направленностью (только от одного атома к другому) и определенной длиной, которая зависит от типа связи (одинарная, двойная, тройная и т. п.). Именно ковалентные связи между атомами определяют «первичную структуру» любой молекулы, т. е. какие атомы и в каком порядке связаны друг с другом.

Но существуют и другие типы связей, определяющие то, что называется вторичной структурой молекулы, ее форму. Это прежде всего водородная связь — связь между полярным атомом и атомом водорода. Она ближе всего к ковалентной связи, так как также характеризуется определенной длиной и направленностью. Однако эта связь слабая, ее энергия на порядок ниже энергии ковалентной связи. Остальные типы взаимодействий являются ненаправленными и характеризуются не длиной образуемых связей, а скоростью убывания энергии связи с увеличением расстояния между взаимодействующими атомами (дальнодействием). Ионная связь является дальнодействующим взаимодействием, ван-дер-ваальсовы взаимодействия являются короткодействующими. Так, если расстояние между двумя частицами увеличивается в r раз, то в случае ионной связи притяжение снизится до 1/r² от начального значения, в случае уже не раз упоминавшегося ван-дер-ваальсового взаимодействия — до 1/r³ и более (до 1/r¹²). Все эти взаимодействия в общем случае можно определить как межмолекулярные взаимодействия.

Рассмотрим теперь такое понятие, как «биологически активная молекула». Следует признать, что молекула вещества сама по себе представляет интерес только для химиков и физиков. Их интересует ее строение («первичная структура»), ее форма («вторичная структура»), такие макроскопические показатели, как, например, агрегатное состояние, растворимость, температуры плавления и кипения и т.  п., и микроскопические¹² (электронные эффекты и взаимное влияние атомов в данной молекуле, спектральные свойства как проявление этих взаимодействий). Другими словами, речь идет об изучении свойств, проявляемых в принципе одной молекулой. Напомним, что по определению молекула — это наименьшая частица вещества, несущая его химические свойства.

С точки же зрения биологии «изолированная» молекула (в данном случае не важно, одна это молекула или какое-то количество одинаковых молекул) не способна проявлять никаких биологических свойств. Этот тезис звучит достаточно парадоксально, но попробуем его обосновать.

Рассмотрим это на примере ферментов — белковых молекул, представляющих собой биохимические катализаторы. Например, фермент гемоглобин, обеспечивающий перенос кислорода в ткани, состоит из четырех белковых молекул (субъединиц) и одной так называемой простетической группы — гемма, содержащего атом железа, нековалентно связанного с белковыми субъединицами гемоглобина.

Основной, а точнее определяющий вклад во взаимодействие белковых субъединиц и гемма, взаимодействие, приводящее к образованию и устойчивости надмолекулярного комплекса, который и называется гемоглобином, вносят силы, именуемые иногда гидрофобными взаимодействиями, но представляющие собой силы межмолекулярного взаимодействия. Связи, образуемые этими силами, значительно слабее ковалентных. Но при комплементарном взаимодействии, когда две поверхности очень близко подходят друг к другу, число этих слабых связей велико, и поэтому общая энергия взаимодействия молекул достаточно высока и образующийся комплекс достаточно устойчив. Но пока не образовались эти связи между четырьмя субъединицами, пока не присоединилась (опять-таки за счет нековалентных связей) простетическая группа (гемм), ни при каких условиях отдельные части гемоглобина связывать кислород не могут и тем более не могут никуда его переносить. И, следовательно, данной биологической активностью не обладают. (Эти же самые рассуждения можно распространить и на все ферменты в целом. )

При этом сам процесс катализа подразумевает образование в ходе реакции комплекса из как минимум двух компонентов — самого катализатора и молекулы (молекул), называемых субстратом(ами), претерпевающей(их) какие-то химические превращения под действием катализатора. Другими словами, должен образоваться комплекс как минимум из двух молекул, т. е. супрамолекулярный (надмолекулярный) комплекс.

Идея комплементарного взаимодействия впервые была предложена Э. Фишером для объяснения взаимодействия лекарственных веществ с их мишенью в организме и названа взаимодействием «ключ к замку». Хотя лекарственные (и иные биологические вещества) далеко не во всех случаях представляют собой ферменты, но и они способны вызвать какой-либо биологический эффект только после взаимодействия с соответствующей биологической мишенью. А такое взаимодействие опять-таки есть не что иное, как образование супрамолекулярного комплекса.

Следовательно, проявление «обычными» молекулами принципиально новых свойств (в рассматриваемом случае — биологической активности) связано с образованием ими надмолекулярных (супрамолекулярных) комплексов с другими молекулами за счет сил межмолекулярного взаимодействия. Именно так устроено большинство ферментов и систем в организме (рецепторы, мембраны и т. п.), в том числе такие сложные структуры, которые иногда называются биологическими «машинами» (рибосомы, АТФаза и др.). Причем происходит это именно на уровне нанометровых размеров — от одного до нескольких десятков нанометров.

При дальнейшем усложнении и увеличении размеров (более 100 нм), т. е. при переходе на другой размерный уровень (микроуровень), возникают значительно более сложные системы, способные не только к самостоятельному существованию и взаимодействию (в частности, к обмену энергией) с окружающей их средой, но и к самовоспроизведению. То есть опять происходит изменение свойств всей системы — она становится настолько сложной, что уже способна к самовоспроизведению, возникает то, что мы называем живыми структурами.

Многие мыслители неоднократно пытались дать определение Жизни. Не вдаваясь в философские дискуссии, отметим, что, на наш взгляд, жизнь есть существование самовоспроизводящихся структур, а начинаются живые структуры с отдельной клетки. Жизнь есть микро- и макроскопический феномен, а вот основные процессы, обеспечивающие функционирование живых систем, протекают на уровне наноразмеров.

Функционирование живой клетки как интегрированного саморегулирующегося устройства с ярко выраженной структурной иерархией обеспечивается миниатюризацией на наноразмерном уровне. Очевидно, что миниатюризация на уровне наноразмеров является принципиальным атрибутом биохимии, а следовательно, эволюция жизни состоит из появления и интеграции различных форм наноструктурированных объектов.¹³ Именно наноразмерный участок структурной иерархии, ограниченный по размерам как сверху, так и снизу (!), является критичным для появления и способности к существованию клеток. То есть именно уровень наноразмеров представляет собой переход от уровня молекулярного к уровню Живого.

Однако из-за того что миниатюризация на уровне наноразмеров является принципиальным атрибутом биохимии, нельзя всё-таки рассматривать любые биохимические манипуляции как нанотехнологические — нанотехнологии предполагают всё-таки конструирование, а не банальное применение молекул и частиц.

Заключение

В начале статьи мы уже пытались как-то классифицировать объекты различных естественных наук по принципу характерных размеров исследуемых ими объектов. Вернемся к этому снова и, применив эту классификацию, получим, что атомная физика, изучающая взаимодействия внутри атома, — это субангстремные (фемто- и пико-) размеры.

«Обычные» неорганическая и органическая химия — это ангстремные размеры, уровень отдельных молекул или связей внутри кристаллов неорганических веществ. А вот биохимия — это уровень наноразмеров, уровень существования и функционирования супрамолекулярных структур, стабилизированных нековалентными межмолекулярными силами.

Но биохимические структуры еще относительно просты, и функционировать они могут относительно независимо (in vitro, если угодно). Дальнейшее усложнение, образование супрамолекулярными структурами сложных ансамблей — это есть переход к самовоспроизводящимся структурам, переход к Живому. И здесь уже на уровне клеток это микроразмеры, а на уровне организмов — макроразмеры. Это уже биология и физиология.

Наноуровень представляет собой переходную область от уровня молекулярного, образующего базис существования всего живого, состоящего из молекул, к уровню Живого, уровню существования самовоспроизводящихся структур, а наночастицы, представляющие собой супрамолекулярные структуры, стабилизированные силами межмолекулярного взаимодействия, представляют собой переходную форму от отдельных молекул к сложным функциональным системам. Это можно отразить схемой, подчеркивающей, в частности, и непрерывность Природы (рис. 9). В схеме мир наноразмеров расположен между атомно-молекулярным миром и миром Живого, состоящего из тех же атомов и молекул, но организованных в сложные самовоспроизводящиеся структуры, а переход из одного мира в другой определяется не только (и не столько) размерами структур, сколько их сложностью. Природа давно придумала и использует в живых системах супрамолекулярные структуры. Мы же далеко не всегда можем понять, а тем более повторить то, что Природа делает легко и непринужденно. Но нельзя ждать от нее милостей, надо у нее учиться.

Литература:
1) Вуль А.Я., Соколов В.И. Исследования наноугле-рода в России: от фуллеренов к нанотрубкам и нано-алмазам/ Российские нанотехнологии, 2007. Т. 3 (3–4).
2) Кац Е.А. Фуллерены, углеродные нанотрубки и нанокластеры: родословная форм и идей. — М.: ЛКИ, 2008.
3) Оствальд В. Мир обойденных величин. — М.: Изд-во товарищества «Мир», 1923.
4) Пиотровский Л.Б., Киселев О.И. Фуллерены в биологии. — Росток, СПб, 2006.
5) Ткачук В.А. Нанотехнологии и медицина // Российские нанотехнологии, 2009. Т. 4 (7–8).
6) Хобза П., Заградник Р. Межмолекулярные комплексы. — М.: Мир, 1989.
7) Mann S. Life as a nanoscale phenomenon. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 5306–5320.
8) Pokropivny V.V., Skorokhod V.V. New dimensionality classifications of nanostructures // Physica E, 2008, v. 40, p. 2521–2525.

¹ Нано — 10^–9, пико — 10^–12, фемто — 10^–15.

² Притом не только увидеть, но и потрогать. «Но он сказал им: если не увижу на руках Его ран от гвоздей, и не вложу перста моего в раны от гвоздей, и не вложу руки моей в ребра Его, не поверю» [Евангелие от Иоанна, глава 20, стих 24].

³ Например, об атомах говорил еще в 430 г. до н. э. Демокрит. Затем Дальтон в 1805 г. утверждал, что: 1) элементы состоят из атомов, 2) атомы одного элемента идентичны и отличаются от атомов другого элемента и 3) атомы не могут быть разрушены в химической реакции. Но лишь с конца XIX века стали развиваться теории строения атома, что и вызвало революцию в физике.

⁴ Понятие «нанотехнология» было введено в обиход в 1974 г. японцем Норио Танигучи. Долгое время термин не получал широкого распространения среди специалистов, работавших в связанных областях, так как Танигучи использовал понятие «нано» только для обозначения точности обработки поверхностей, например, в технологиях, позволяющих контролировать шероховатости поверхности материалов на уровне меньше микрометра и т.  п.

⁵ Понятия «фуллерены», «углеродные нанотрубки» и «графен» будут подробно обсуждаться во второй части статьи.

⁶ Королевское общество — ведущее научное общество Великобритании.

⁷ Королевская инженерная академия Великобритании.

⁸ Аллотропия (от греч. alios — иной и tropos — поворот, свойство) — существование одного и того же химического элемента в виде различных по свойствам и строению структур.

⁹ Ковалентной называется химическая связь за счет образования общей для двух соседних атомов пары электронов и кулоновского притяжения между этой парой и ядрами атомов.

¹⁰ Ван-дер-ваальсово взаимодействие, или ван-дер-ваальсова связь — слабая химическая связь, основанная на силах межмолекулярного взаимодействия с энергией 0,8–8,16 кДж/моль, возникающим при поляризации молекул и образовании диполей. Открыты Я. Д. ван дер Ваальсом в 1869 г.

¹¹ Экспериментальной иллюстрацией этого утверждения является недавно опубликованная разработка технологических приемов получения графеновых листов путем «химического разрезания» и «разворачивания» углеродных нанотрубок.

¹² Слово «микроскопические» употреблено здесь лишь потому, что так эти свойства назывались ранее, хотя речь в данном случае идет о свойствах, проявляемых молекулами и атомами, т. е. о пикоразмерном интервале.

¹³ Что, в частности, привело к возникновению точки зрения, что жизнь есть феномен нанометровых размеров [Mann, 2008], что, на наш взгляд, не совсем верно.

Л.Б. Пиотровский, Е.А. Кац «НАНОТЕХНОЛОГИЯ», «НАНОНАУКА» И «НАНООБЪЕКТЫ»: что значит «НАНО»? Часть 1

Природа непрерывна, а любое определение требует установления каких-то границ. Поэтому формулировка определений — достаточно неблагодарное занятие. Тем не менее это надо делать, так как четкое определение позволяет отделить одно явление от другого, выявить существенные различия между ними и таким образом глубже понять сами явления. Поэтому целью этого эссе является попытка разобраться в значении модных сегодня терминов c приставкой «нано» (от греческого слова «карлик») — «нанонаука», «нанотехнология», «нанообъект», «наноматериал».

Несмотря на то что эти вопросы с той или иной степенью глубины неоднократно обсуждались в специальной и научно-популярной литературе, анализ литературы и личный опыт показывают, что до сих пор в широких научных кругах, не говоря уже о ненаучных, нет четкого понимания как самой проблемы, так и определений. Именно поэтому мы постараемся дать определения всем перечисленным выше терминам, акцентируя внимание читателя на значении базового понятия «нанообъект». Мы приглашаем читателя к совместному размышлению о том, существует ли нечто, принципиально отличающее нанообъекты от их более крупных и более мелких «собратьев», «населяющих» окружающий нас мир. Более того, мы предлагаем ему самому принять участие в серии мысленных экспериментов по конструированию наноструктур и их синтезу. Мы также попытаемся продемонстрировать, что именно в наноразмерном интервале происходит изменение характера физических и химических взаимодействий, причем происходит это именно на том же участке размерной шкалы, где проходит граница между живой и неживой природой. Но сначала — откуда все это появилось, почему была введена приставка «нано», что является определяющим при отнесении материалов к наноструктурам, почему нанонаука и нанотехнологии выделяются в отдельные области, что в этом выделении относится (и относится ли) к действительно научным основам? Что такое «нано» и откуда все началось Это приставка, которая показывает, что исходная величина должна быть уменьшена в миллиард раз, т. е. поделена на единицу с девятью нулями — 1 000 000 000. Например, 1 нанометр — это миллиардная часть метра (1 нм = 10–9 м). Чтобы представить себе, насколько мал 1 нм, выполним следующий мысленный эксперимент (рис. 1). Если мы уменьшим диаметр нашей планеты (12 750 км = = 12,75 × 106 м ≈ 107 м) в 100 миллионов (108) раз, то получим примерно 10–1 м. Это размер, приблизительно равный диаметру футбольного мяча (стандартный диаметр футбольного мяча — 22 cм, но в наших масштабах такая разница несущественна; для нас 2,2 × 10–1 м ≈ 10–1 м). Теперь уменьшим диаметр футбольного мяча в те же 100 миллионов (108) раз, и вот только теперь получим размер наночастицы, равный 1 нм (приблизительно диаметр углеродной молекулы фуллерена С60, по своей форме похожего на футбольный мяч — см. рис. 1). Примечательно, что приставка «нано» использовалась в научной литературе довольно давно, но для обозначения далеко не нанообъектов. В частности для объектов, размер которых в миллиарды раз превышает 1 нм — в терминологии динозавров. Нанотиранозаврами (nanotyrranus) и нанозаврами (nanosaurus) называются карликовые динозавры, размеры которых составляют соответственно 5 и 1,3 м. Но они действительно «карлики» по сравнению с другими динозаврами, размеры которых превышают 10 м (до 50 м), а вес может достигать 30–40 т и более. Этот пример подчеркивает, что сама по себе приставка «нано» не несет физического смысла, а лишь указывает на масштаб. Но теперь с помощью этой приставки обозначают новую эру в развитии технологий, называемых иногда четвертой промышленной революцией, — эру нанотехнологий. Очень часто считается, что начало нанотехнологической эре положил в 1959 г. Ричард Фейнман в лекции «There’s Plenty of Room at the Bottom» («Там внизу — много места»). Основной постулат этой лекции заключался в том, что с точки зрения фундаментальных законов физики автор не видит никаких препятствий к работе на молекулярном и атомном уровнях, манипулировании отдельными атомами или молекулами. Фейнман говорил, что с помощью определенных устройств можно сделать еще меньшие по размеру устройства, которые в свою очередь способны сделать еще меньшие устройства, и так далее вплоть до атомного уровня, т. е. при наличии соответствующих технологий можно манипулировать отдельными атомами. Справедливости ради, однако, следует отметить, что Фейнман не первый это придумал. В частности, идея создания последовательно уменьшающихся в размере манипуляторов была высказана еще в 1931 г. писателем Борисом Житковым в его фантастическом рассказе «Микроруки». Не можем удержаться и не привести небольшие цитаты из этого рассказа, чтобы дать читателю самому по достоинству оценить прозрение писателя: «Я долго ломал голову и вот к чему пришел: я сделаю маленькие руки, точную копию моих — пусть они будут хоть в двадцать, тридцать раз меньше, но на них будут гибкие пальцы, как мои, они будут сжиматься в кулак, разгибаться, становиться в те же положения, что и мои живые руки. И я их сделал… Но мне вдруг ударила в голову мысль: а ведь я могу сделать микроруки к моим маленьким рукам. Я могу для них сделать такие же перчатки, как я сделал для своих живых рук, такой же системой соединить их с ручками в десять раз меньше моих микрорук, и тогда… у меня будут настоящие микроруки, уже в двести раз они будут мельчить мои движения. Этими руками я ворвусь в такую мелкоту жизни, которую только видели, но где еще никто не распоряжался своими руками. И я взялся за работу… Я хотел сделать истинные микроруки, такие, которыми я мог бы хватать частицы вещества, из которых создана материя, те невообразимо мелкие частицы, которые видны только в ультрамикроскоп. Я хотел пробраться в ту область, где ум человеческий теряет всякое представление о размерах — кажется, что уж нет никаких размеров, до того все невообразимо мелко». Но дело не только в литературных предсказаниях. То, что теперь называют нанообъектами, нанотехнологиями, если угодно, человек давно использовал в своей жизни. Один из наиболее ярких примеров (в прямом и переносном смыслах) — это разноцветные стекла. Например, созданный еще IV веке н. э. кубок Ликурга, хранящийся в Британском музее, при освещении снаружи — зеленый, но если освещать его изнутри — то он пурпурно красный. Как показали недавние исследования с помощью электронной микроскопии, этот необычный эффект обусловлен наличием в стекле наноразмерных частиц золота и серебра. Поэтому можно смело утверждать, что кубок Ликурга сделан из нанокомпозитного материала. Как выясняется теперь, в Средние века металлическую нанопыль часто добавляли в стекло для изготовления витражей. Вариации окраски стекол зависят от различий добавляемых частиц — природы используемого металла и размера его частиц. Недавно было установлено, что эти стекла обладают еще и бактерицидными свойствами, т. е. не только дают красивую игру света в помещении, но и дезинфицируют среду. Если рассматривать историю развития науки в историческом плане, то можно выделить, с одной стороны, общий вектор — проникновение естественных наук «вглубь» материи. Движение по этому вектору определяется развитием средств наблюдения. Сначала люди изучали обычный мир, для наблюдения которого не надо было особых приборов. При наблюдениях на этом уровне заложены основы биологии (классификация мира живого, К. Линней и др.), была создана теория эволюции (Ч. Дарвин, 1859 г.). Когда появился телескоп, люди смогли проводить астрономические наблюдения (Г. Галилей, 1609 г.). Результатом этого явились закон Всемирного тяготения и классическая механика (И. Ньютон, 1642–1727 гг.). Когда появился микроскоп Левенгука (1674 г.), люди проникли в микромир (размерный интервал 1 мм — 0,1 мм). Сначала это было только созерцание мелких, не видимых глазом организмов. Лишь в конце XIX века Л. Пастер первым выяснил природу и функции микроорганизмов. Примерно в это же время (конец XIX — начало XX века) происходила революция в физике. Ученые стали проникать внутрь атома, изучать его строение. Опятьтаки это было связано с появлением новых методов и инструментов, в качестве которых стали применять мельчайшие частицы вещества. В 1909 г. используя альфа-частицы (ядра гелия, имеющие размер порядка 10–13 м ) Резерфорду удалось «увидеть» ядро атома золота. Созданная на основе этих опытов планетарная модель атома Бора—Резерфорда дает наглядный образ огромности «свободного» места в атоме, вполне сравнимого с космической пустотой Солнечной системы. Именно пустоты таких порядков имел в виду Фейнман в своей лекции. При помощи тех же α-частиц в 1919 г. у Резерфордом была осуществлена первая ядерная реакция по превращению азота в кислород. Так физики вошли в пико- и фемторазмерные интервалы*, и понимание строения материи на атомном и субатомном уровнях привело в первой половине прошлого века к созданию квантовой механики. Мир потерянных величин Исторически случилось так, что на размерной шкале (рис. 2) были «перекрыты» практически все размерные области исследований, кроме области наноразмеров. Однако мир не без прозорливых людей. Еще в начале XX века В. Оствальд опубликовал книгу «Мир обойденных величин», в которой шла речь о новой в то время области химии — коллоидной химии, которая и имела дело именно с частицами нанометровых размеров (хотя тогда еще этот термин не употреблялся). Уже в этой книге он отмечал, что дробление материи в какой-то момент приводит к новым свойствам, что от размера частицы зависят свойства и всего материала. В начале ХХ века еще не умели «видеть» частицы такого размера, так как они лежат ниже пределов разрешимости светового микроскопа. Поэтому не случайно одной из начальных вех появления нанотехнологий считается изобретение М. Кноллем и Э. Руска в 1931 г. электронного микроскопа. Только после этого человечество смогло «видеть» объекты субмикронных и нанометровых размеров. И тогда все становится на свои места — основной критерий, по которому человечество принимает (или не принимает) какие-либо новые факты и явления, выражен в словах Фомы неверующего: «Пока не увижу, не поверю».** Следующий шаг был сделан в 1981 г. — Г. Бинниг и Г. Рорер создали сканирующий туннельный микроскоп, что дало возможность не только получать изображения отдельных атомов, но и манипулировать ими. То есть была создана технология, о которой говорил в своей лекции Р. Фейнман. Вот именно тогда и наступила эра нанотехнологий. Отметим, что и здесь мы опять имеем дело с одной и той же историей. Опять потому, что для человечества вообще свойственно не обращать внимания на то, что хоть немного, но обгоняет свое время.*** Вот и на примере нанотехнологий выясняется, что ничего нового не открыли, просто стали лучше понимать то, что происходит вокруг, то, что даже в древности люди уже делали, пусть и неосознанно, вернее, осознанно (знали, что хотели получить), но не понимая физики и химии явления. Другой вопрос, что наличие технологии еще далеко не означает понимания сути процесса. Сталь умели варить давно, но понимание физических и химических основ сталеварения пришло значительно позже. Тут можно вспомнить, что секрет дамасской стали не открыт до сих пор. Здесь уже другая ипостась — знаем, что надо получить, но не знаем, как. Так что взаимоотношения науки и технологии далеко не всегда просты. Кто же первым занялся наноматериалами в их современном понимании? В 1981 г. американский ученый Г. Глейтер впервые использовал определение «нанокристаллический». Он сформулировал концепцию создания наноматериалов и развил ее в серии работ 1981–1986 гг., ввел термины «нанокристаллические», «наноструктурные», «нанофазные» и «нанокомпозитные» материалы. Главный акцент в этих работах был сделан на решающей роли многочисленных поверхностей раздела в наноматериалах как основе для изменения свойств твердых тел. Одним из важнейших событий в истории нанотехнологии**** и развития идеологии наночастиц явилось также открытие в середине 80-х — начале 90-х годов ХХ века наноструктур углерода — фуллеренов и углеродных нанотрубок, а также открытие уже в ХХI веке способа получения графена.***** Но вернемся к определениям. Первые определения: все очень просто Сначал все было очень просто. В 2000 г. президент США Б. Клинтон подписал документ «National Nanotechnology Initiative» («Национальная нанотехнологическая инициатива»), в котором приведено следующее определение: к нанотехнологиям относятся создание технологий и исследования на атомном, молекулярном и макромолекулярном уровнях в пределах примерно от 1 до 100 нм для понимания фундаментальных основ явлений и свойств материалов на уровне наноразмеров, а также создание и использование структур, оборудования и систем, обладающих новыми свойствами и функциями, определяемыми их размерами. В 2003 г. правительство Великобритании обратилось в Royal Society* и Royal Academy of Engineering** с просьбой высказать свое мнение о необходимости развития нанотехнологий, оценить преимущества и проблемы, которые может вызвать их развитие. Такой доклад под названием «Nanoscience and nanotechnologies: opportunities and uncertainties» появился в июле 2004 г., и в нем, насколько нам известно, впервые были даны отдельно определения нанонауки и нанотехнологий: Нанонаука — это исследование явлений и объектов на атомарном, молекулярном и макромолекулярном уровнях, характеристики которых существенно отличаются от свойств их макроаналогов. Нанотехнологии — это конструирование, характеристика, производство и применение структур, приборов и систем, свойства которых определяются их формой и размером на нанометровом уровне. Таким образом, под термином «нанотехнология» понимается совокупность технологических приемов, позволяющая создавать нанообъекты и/или манипулировать ими. Остается только дать определение нанообъектам. Но вот это, оказывается, не так просто, поэтому бо ‘ льшая часть статьи посвящена именно этому определению. Для начала приведем формальное определение, наиболее широко используемое в настоящее время: Нанообъектами (наночастицами) называются объекты (частицы) с характерным размером в 1–100 нанометров хотя бы по одному измерению. Вроде бы все хорошо и понятно, неясно только, почему дано столь жесткое определение нижнего и верхнего пределов в 1 и 100 нм? Похоже, что выбрано это волюнтаристски, особенно подозрительно назначение верхнего предела. Почему не 70 или 150 нм? Ведь, учитывая все многообразие нанообъектов в природе, границы наноучастка размерной шкалы могут и должны быть существенно размыты. И вообще в природе проведение любых точных границ невозможно — одни объекты плавно перетекают в другие, и происходит это в определенном интервале, а не в точке. Прежде чем говорить о границах, попробуем понять, какой физический смысл содержится в понятии «нанообъект», почему его надо выделять отдельной дефиницией? Как уже отмечалось выше, только в конце XX века начало появляться (вернее, утверждаться в умах) понимание того, что наноразмерный интервал строения материи все-таки имеет свои особенности, что на этом уровне вещество обладает иными свойствами, которые не проявляются в макромире. Очень трудно переводить некоторые английские термины на русский язык, но в английском есть термин «bulk material», что приблизительно можно перевести как «большое количество вещества», «объемное вещество», «сплошная среда». Так вот некоторые свойства «bulk materials» при уменьшении размера составляющих его частиц могут начать изменяться при достижении определенного размера. В этом случае говорят, что происходит переход к наносостоянию вещества, наноматериалам. А происходит это потому, что при уменьшении размера частиц доля атомов, расположенных на их поверхности, и их вклад в свойства объекта становятся существенными и растут с дальнейшим уменьшением размеров (рис. 3). Но почему увеличение доли поверхностных атомов существенно влияет на свойства частиц? Так называемые поверхностные явления известны давно — это поверхностное натяжение, капиллярные явления, поверхностная активность, смачивание, адсорбция, адгезия и др. Вся совокупность этих явлений обусловлена тем, что силы взаимодействия между частицами, составляющими тело, не скомпенсированы на его поверхности (рис. 4). Другими словами, атомы на поверхности (кристалла или жидкости — это не важно) находятся в особых условиях. Например, в кристаллах силы, заставляющие их находиться в узлах кристаллической решетки, действуют на них только снизу. Поэтому свойства этих «поверхностных» атомов отличаются от свойств этих же атомов в объеме. Так как в нанообъектах число поверхностных атомов резко возрастает (рис. 3), то их вклад в свойства нанообъекта становится определяющим и растет с дальнейшим уменьшением размера объекта. Именно это и является одной из причин проявления новых свойств на наноуровне. Другой причиной обсуждаемого изменения свойств является то, что на этом размерном уровне начинает уже проявляться действие законов квантовой механики, т. е. уровень наноразмеров — это уровень перехода, именно перехода, от царствования классической механики к царствованию механики квантовой. А как хорошо известно, самое непредсказуемое — это именно переходные состояния. К середине XX века люди научились работать как с массой атомов, так и с одним атомом. Впоследствии стало очевидно, что «маленькая кучка атомов» — это что-то иное, не совсем похожее ни на массу атомов, ни на отдельный атом. Впервые, вероятно, ученые и технологи вплотную столкнулись с этой проблемой в физике полупроводников. В своем стремлении к миниатюризации они дошли до таких размеров частиц (несколько десятков нанометров и менее), при которых их оптические и электронные свойства стали резко отличаться от таковых для частиц «обычных» размеров. Именно тогда стало окончательно понятно, что шкала «наноразмеров» — это особая область, отличная от области существования макрочастиц или сплошных сред. Поэтому в приведенных выше определениях нанонауки и нанотехнологий наиболее существенным является указание на то, что «настоящее нано» начинается с момента появления новых свойств веществ, связанных с переходом к этим масштабам и отличающихся от свойств объемных материалов. То есть существеннейшим и важнейшим качеством наночастиц, основным отличием их от микро- и макрочастиц является появление у них принципиально новых свойств, не проявляющихся при других размерах. Мы уже приводили литературные примеры, используем этот прием еще раз для того, чтобы наглядно показать и подчеркнуть различия между макро-, микро- и нанообъектами. Вернемся к литературным примерам. Часто в качестве «раннего» нанотехнолога упоминается герой повести Лескова Левша. Однако это неправильно. Основное достижение Левши — это то, что он выковал маленькие гвозди [«я мельче этих подковок работал: я гвоздики выковывал, которыми подковки забиты, там уже никакой мелкоскоп взять не может»]. Но эти гвозди, хоть и очень маленькие, остались гвоздями, не потеряли своей основной функции — удерживать подкову. Так что пример с Левшой — это пример миниатюризации (если угодно, микроминиатюризации), т. е. уменьшения размеров предмета без изменения его функциональных и других свойств. А вот уже упоминавшийся рассказ Б. Житкова описывает как раз именно изменение свойств: «Мне нужно было вытянуть тонкую проволоку — то есть той толщины, какая для моих живых рук была бы как волос… Я работал и глядел в микроскоп, как протягивали медь микроруки. Вот тоньше, тоньше — еще осталось протянуть пять раз — и тут проволока рвалась. Даже не рвалась — она рассыпалась, как сделанная из глины. Рассыпалась в мелкий песок. Это знаменитая своей тягучестью красная медь». Отметим, что в Wikipedia в статье про нанотехнологии как раз увеличение жесткости меди приводится в качестве одного из примеров изменения свойств при уменьшении размеров. (Интересно, откуда узнал про это Б. Житков в 1931 г.?) *** Например, об атомах говорил еще в 430 г. до н. э. Демокрит. Затем Дальтон в 1805 г. утверждал, что: 1) элементы состоят из атомов, 2) атомы одного элемента идентичны и отличаются от атомов другого элемента и 3) атомы не могут быть разрушены в химической реакции. Но лишь с конца XIX века стали развиваться теории строения атома, что и вызвало революцию в физике. **** Понятие «нанотехнология» было введено в обиход в 1974 г. японцем Норио Танигучи. Долгое время термин не получал широкого распространения среди специалистов, работавших в связанных областях, так как Танигучи использовал понятие «нано» только для обозначения точности обработки поверхностей, например, в технологиях, позволяющих контролировать шероховатости поверхности материалов на уровне меньше микрометра и т. п. ***** Понятия «фуллерены», «углеродные нанотрубки» и «графен» будут подробно обсуждаться во второй части статьи.

Часть первая статьи «Что такое нано» опубликована в августовском номере журнала «Экология и жизнь» ЭиЖ №   8, 2010

Как развивается нанонаука в АлтГУ — Пресса — Новости — Наука и инновации

29 мая 2014
Отдел по связям с общественностью

Нанотехнологии привлекают внимание, о них часто говорят, но что-нибудь относительно того, как продвинулись ученые, известно немногим. Алтайский край также активно подключился к работе в этом направлении, недавно разработка по очистке наноалмаза исследователей из АлтГУ получила «бронзу» на международной выставке в Женеве.

Чем занимаются в университетских лабораториях и как развивается нанонаука, рассказал профессор, доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой физической и коллоидной химии Сергей Безносюк:

«Теория в нашей нанотехнологической области развивается активнее эксперимента, она ушла далеко вперед. Много шума около нанотехнологий, но в экспериментальной области мало что сделали, потому, что нужно было сначала разобраться в теории, понять, что там происходит. Мы в АлтГУ занимаемся этой прорывной тематикой, и с помощью компьютерного моделирования описываем быстропротекающие процессы в крошечных объемах материалов. И когда мы поймем, как выглядит эта физика, экспериментаторы могут попробовать что-то воспроизвести, но не методом тыка, а уже целенаправленно. Мы устанавливаем давление, температуру, химический состав, моделируем ситуацию на компьютере. В Алтайском государственном университете работает учебно-исследовательская лаборатория компьютерного нано-био-дизайна. Мы с помощью компьютеров производим расчеты различных маленьких квантовых частиц. По сути, сейчас нет приборов, которые могли бы проконтролировать нанопроцессы, а расчетным путем это сделать можно. Сами исследователи сталкиваются только с конечной формой, а понять, как это произошло, увидеть, они не могут. Теория как раз все это объясняет, то, что даже померить нельзя.

Нанообъекты по размерам близки к молекулам, но они не молекулярные, это частицы с другой физикой, нежели у молекул. Наночастицы более шустрые, выполняют больше операций в единицу времени. Если мы хотим управлять биологическим процессом в нашем организме, например метаболизмом, нам необходима помощь каких-то быстрых устройств. Отношения молекул и наночастиц-роботов, как между стадом и овчаркой. Наноробот гонит молекулы куда следует, кроме того, он управляем, а молекулы движутся туда, куда хотят. Получается, у нанотехнологий больше преимуществ».

Мария Трубина.

Версия для печати

Подписаться

поделиться

Подписка на рассылку новостей раздела

Наука и инновации

https://www.asu.ru/science/news/

Подписка добавлена

Вам отправлено письмо для подтверждения адреса.

Ошибка подписки

Сентябрь 2022

Профессор Гляйтер: «В будущем все материалы будут сделаны из наностекла»

Профессор Гляйтер выступил с докладом «Nanoscience/Nanotchnology — The Door to New Developments in Science and Technology» на Ученом совете СПбГУ, принял участие в междисциплинарном международном семинаре «Interfaces and properties of Nanomaterials» и круглом столе, посвященном развитию образования и международного научного сотрудничества. Кроме того, он ответил на несколько вопросов о современной нанонауке и ее перспективах. 

Профессор Гляйтер, как вы оцениваете итоги своего визита в Санкт-Петербургский университет?

Существует традиционная практика визитов в другие университеты, когда ученый приезжает и рассказывает коллегам о своих достижениях. Я встретился с молодыми исследователями, студентами Санкт-Петербургского университета, с которыми обсудил направления научных исследований, представляющие взаимный интерес. В скором времени они получат возможность присоединиться к совместной научной работе в сфере нанотехнологий. Таким образом, налаживание контактов и общение с молодыми специалистами — два основных результата моего визита в СПбГУ.

Вы встречались с молодыми учеными СПбГУ. Какие темы вам удалось обсудить?

Для меня было очень интересно поговорить с молодыми учеными, посмотреть на то, какие научные перспективы они для себя видят. Также мне хотелось оценить, как ваши исследователи могли бы подключиться к той деятельности, которой я занимаюсь.

За последние десятилетия термин «нано» стал неотъемлемой частью нашей жизни. Но далеко не все точно представляют себе, что такое нанотехнологии и нанонаука.

Нанонаука — это изучение природы на уровне элементарных частиц. На самом деле это примерно то же, что мы делали в прошлом, изучая атомы. Сейчас мы изучаем те же частицы, но для этого появились новые возможности. Например, используя электронные микроскопы и другое современное оборудование, мы можем развивать новые направления.

Расскажите о них подробнее.

Есть несколько направлений, которые сейчас развиваются. Во-первых, это исследование применения нанотехнологий в медицине и лечении онкологических заболеваний. Во-вторых, квантовая механика позволила глубже заглянуть в суть процессов, происходящих на субатомном уровне, что дало толчок развитию нанонауки. Нельзя не упомянуть и исследования в области наностекол.

Наностекла — это совершенно новый вид материалов. Какой интерес для изучения они представляют в перспективе?

Область этой науки молода, ей менее 30 лет. Сейчас можно лишь предположить, что в будущем все используемые нами материалы будут сделаны не из кристаллических структур, а из наностекла.

В начале 1980-х годов Герберт Гляйтер первым сформулировал концепцию нового класса материалов, которые были названы нанокристаллическими (или наноструктурированными). Герберт Гляйтер — профессор Технологического института Карлсруэ, выдающийся ученый и организатор науки, член семи национальных академий по всему миру, в том числе вице-президент Немецкой академии наук (2007–2012), обладатель более 40 наград. В настоящее время профессор Гляйтер является признанным мировым авторитетом в области нанотехнологий и основателем нескольких крупных нанотехнологических институтов. Кроме того, в Нанкинском университете науки и технологии в 2012 году был организован уникальный междисциплинарный Институт нанонауки имени Г. Гляйтера, директором-учредителем которого был назначен Г. Гляйтер.

Мы живем в мире, где все материалы имеют кристаллическую структуру — состоят из кристаллов, соединенных определенными связями. Структура этих кристаллов и связей определяет свойства материалов. Наностекла — это тоже структура, только вместо кристаллов в ней маленькие, меньше нанометра, частицы стекла. Таким образом, мы можем задать любую структуру и создать любой прочности и свойств материал из наночистиц стекла. Благодаря этой особенности мы можем управлять свойствами таких материалов.

На встрече с коллегами из Санкт-Петербургского университета вы обсуждали сотрудничество в области нанонауки и нанотехнологий. Каким оно вам видится? 

В ходе переговоров я упоминал, какие модели сотрудничества существуют между Китаем, Гонконгом, Соединенными Штатами и другими странами. Это как раз та форма, которая может нам подойти и помочь реализовывать наши будущие научные проекты. Например, в Китае при поддержке правительства был создан институт нанотехнологий им. Герберта Гляйтера. В работе принимают участие несколько университетов из Германии, Сингапура, США и Китая. Они вносят интеллектуальный и финансовый вклад, который необходим для проведения исследований. Однако первостепенным условием является «идея», вокруг которой будет строиться вся работа института.

Как вам кажется, как скоро нанотехнологии помогут обществу совершить прорыв в области науки и техники?

Мы делаем это уже сейчас. Если вы возьмете мобильные телефоны, различные системы управления в автомобилях, телекоммуникационные системы, то увидите, что нанотехнологии присутствуют везде, просто люди не всегда осознают это. Так что этот прорыв происходит уже сегодня.

Восемь учёных получили медали ЮНЕСКО «За вклад в развитие нанонауки и нанотехнологий»

5 февраля 2016

Last update:
21 апреля 2022

5 февраля 2016 года восемь видных учёных получили медали ЮНЕСКО «За вклад в развитие нанонауки и нанотехнологий» в ходе церемонии награждения в штаб-квартире ЮНЕСКО в Париже. Медаль вручается ежегодно Генеральным директором ЮНЕСКО ведущим ученым, общественным деятелям и организациям, способствующим развитию нанонауки и нанотехнологий в духе приоритетных задач ЮНЕСКО. Среди лауреатов этого года был профессор Исаму Акасаки, лауреат Нобелевской премии по физике 2014 года.

Медаль ЮНЕСКО была учреждена в 2010 году по инициативе Международной комиссии по разработке раздела «Нанонаука и нанотехнологии» в «Энциклопедии систем жизнеобеспечения» (ЭСЖ). С момента учреждения, 24 медали были вручены выдающимся учёным, организациям и общественным деятелям, таким как Жорес Алфёров, лауреат Нобелевской премии по физике 2000 года, и Чуньли Бай, президент Китайской академии наук.

«Эта медаль призвана привлечь внимание к огромным преимуществам прогресса в области нанонауки и нанотехнологий для наших обществ, наших экономик, и всех нас», — пояснила Генеральный директор ЮНЕСКО Ирина Бокова. «Это новая отрасль науки, которая расширяет границы познания. ЮНЕСКО в полной мере привержена развитию потенциала нанонауки в интересах оказания поддержки каждой женщине и каждому мужчине, особенно наиболее уязвимым».

В 2016 году Медали ЮНЕСКО «За вклад в развитие нанонауки и нанотехнологий» были удостоены:

Профессор Исаму Акасаки (Япония)
Лауреат Нобелевской премии по физике 2014 года, почетный профессор Университета Нагоя, профессор университета Мэйдзё, член Японской академии
Удостоен награды за его выдающийся вклад в создание в синих светоизлучающих диодов, что привело к открытию источников белого света для освещения.

Профессор Лей Цзян (Китай)
Профессор Технического института физики и химии Китайской академии наук, член Всемирной академии наук (ТВАС)
Удостоен награды за его исследования в области разработки и производства биотехнологических поверхностей с определенной смачиваемостью.

Профессор Филипп Перно (Франция)
Декан исследований и профессор École Centrale de Lille, основатель и руководитель исследовательской группы «Айман-Филмс» в Институте электроники, микроэлектроники и нанотехнологий
Удостоен награды за его деятельность в области активных магнитных, мультиферроидных наноструктур, микро-магнето-электро-механических систем и их применений, а также мультиустойчивых наноструктур.

Профессор Николай Котов (Соединенные Штаты Америки)
Профессор Мичиганского университета, член Королевского химического общества, член Американского института инженеров-химиков
Удостоен награды за его деятельность в области самоорганизации наноколлоидов, сверхпрочных нанокомпозитов, тканевой инженерии с использованием наноматериалов, а также наноразмерных препаратов.

Академик Геннадий Красников (Российская Федерация)
Генеральный директор Микрон и Научно-исследовательского института молекулярной электроники (НИИМЭ), член Российской академией наук 
Удостоен награды за его усилия по расширению использования нанотехнологий в обрабатывающей промышленности и деятельность в области физики полупроводников и полупроводниковых приборов.

Профессор Игорь Ашурбейли (Российская Федерация)
Доктор технических наук, действительный член Российской инженерной академии, председатель президиума ВЭС ВКО (Некоммерческое партнерство «Вневедомственный экспертный совет по проблемам Воздушно-космической обороны»)
Удостоен награды за его деятельность в области применения нового поколения микроэлектронных устройств, информационных систем и технологий.

Доктор Михаил Дубина (Российская Федерация)
Директор Центра нанотехнологий Санкт-Петербургского академического университета, доктор медицинских наук, член-корреспондент Российской академии наук
Удостоен награды за его научные работы в области исследования и развития новых медицинских технологий, основанных на использовании наноструктур в ранней диагностике, а также создание новых биотехнологических наноустройств, которые могут повлиять на биологические процессы в организме человека.

Доктор Наталья Михайлова (Российская Федерация)
Президент Евразийского объединения специалистов инъекционных методов, член Американской академии дерматологии и Американского общества лазерной медицины и хирургии
Удостоена награды за её деятельность в области применения нанотехнологий в эстетической медицине, в области косметологии, модификации полисахаридов, терапии рака, реконструктивной и пластической хирургии.

Об Энциклопедии систем жизнеобеспечения (ЭСЖ)

Энциклопедия систем жизнеобеспечения (ЭСЖ)является одной из самых обширных в мире баз данных и архивных материалов в Интернете, а также междисциплинарной научной основой для изучения проблем устойчивого развития. Она была создана усилиями более 8 тысяч специализированных авторов из более чем 100 стран мира. Энциклопедия представляет собой виртуальную динамическую библиотеку, предназначенную для широкой аудитории, как для студентов со средним образованием, так и для педагогов и профессионалов-практиков, а также политических аналитиков и лиц, принимающих решения. Путем предоставления всеобъемлющей и общедоступной базы данных, ЭСЖ стремится удовлетворить человеческие потребности, учитывая одновременно социально-экономический и технологический прогресс, что может привести к сохранению природных экосистем Земли.

• Более подробная информация: http://www.eolss.net/

Инофрмация по теме:

• Жорес Алферов и Чуньли Бай стали первыми учеными, удостоенными медали ЮНЕСКО «За вклад в развитие нанонауки и нанотехнологий»
• Шесть специалистов в области нанонауки и нанотехнологий получат медали ЮНЕСКО
• Ещё восемь медалей ЮНЕСКО присуждены за заслуги в области нанонауки и нанотехнологий

Нанотехнологии — TryEngineering.org При поддержке IEEE

КАРЬЕРНЫЕ ПУТИ СТАЖИРОВКИ

Нанотехнологии

Нанотехнологии — это наука, инженерия и технологии, проводимые в наномасштабе, который составляет от 1 до 100 нанометров. Нанонаука и нанотехнология — это изучение и применение очень маленьких вещей, и их можно использовать во всех других областях науки, таких как химия, биология, физика, материаловедение и инженерия.

Работа, выполненная в наномасштабе, повлияла на большинство отраслей промышленности. И хотя многие из этих приложений все еще находятся на различных стадиях исследования, многие продукты и методы повлияли на все, от одежды до доставки лекарств, диагностики и энергии, и они коммерчески доступны.

Что делает его уникальным?

Эта область находится на стадии быстрого роста, и исследователи применяют нанотехнологии во многих отраслях. Тех, кто работает с нанотехнологиями, воодушевляет разработка приложений, и они видят, как они претворяются в жизнь, оказывая влияние на мир.

Степени связи

Ниже приведены примеры некоторых аккредитованных степеней, ведущих к карьере в области нанотехнологий:

• Нанотехнологии
• Нанотехнологии, инженерные технологии
• Машиностроение
• биоинженерия
• Электротехника
• Химическая инженерия

Выполните поиск в нашей глобальной базе данных аккредитованные инженерные программы.

Хотите узнать больше?

Нажмите на синие вкладки, чтобы изучить поле более подробно и узнать о подготовке и трудоустройстве, на зеленые вкладки, чтобы вдохновить людей, работающих в наномасштабе, и на то, как они влияют на мир, и оранжевые вкладки для идей о том, как узнать больше и вы можете принять участие в мероприятиях, лагерях и соревнованиях!

Технологии

День из жизни

bigstock.com/ Евгений Сергеев

Те, кто работает в сфере нанотехнологий, работают в офисах или лабораториях, где проводят исследования, или могут работать в компании, производящей медицинские продукты, и предлагать новые продукты, в которых используются нанотехнологии. Те, у кого есть степень в области нанотехнологий, часто будут работать в командах с другими специалистами по другим инженерным специальностям, таким как химическая, электротехническая или другие, над совместным проектом. Они могут путешествовать по разным рабочим местам, таким как больницы или производственные центры, в зависимости от области их интересов.

Их проекты будут сосредоточены на изменении продуктов и услуг, работая на наноуровне. Так что на горизонте всегда есть новый проект.

Средняя рабочая неделя, как правило, составляет 40 часов в этой области, с дополнительным временем, необходимым, если есть крайний срок или запуск нового продукта или услуги.

Исторический снимок

Сканирующий электронный микроскоп

bigstock.com/ юразага

Электронный микроскоп является неотъемлемой частью исследования материалов. Десятки тысяч используются во всем мире, потому что они открыли мир материалам в очень малых масштабах. Университет штата Айова предлагает пояснительный веб-сайт, показывающий как работает SEM. По сути, пучок электронов фокусируется на образце, а изображение и данные генерируются из электронов, прошедших через образец, что дает представление о его свойствах.

В качестве раннего примера, в 1967 году Лаборатория реактивного движения НАСА заказала сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) Stereoscan Mark VI. Поскольку они были новыми и пользовались большим спросом, JPL пришлось ждать почти год, прежде чем они прибыли. Он использовался лабораторией анализа отказов отдела проектирования электронных компонентов для проверки микросхем на наличие дефектов.

СЭМ используются в медицине для сравнения образцов здоровых и нездоровых тканей или для наблюдения за действием лекарств при лечении болезней. Они используются в судебно-медицинской экспертизе для сравнения образцов краски, чернил и волос, причастных к преступлению. Они используются для исследования металлов и других материалов на предмет дефектов или изменений, вызванных стрессом или химическими веществами.

Самым известным является то, что Ford Motor Company создала и продвигала свою сборочную линию для производства автомобилей, которая включала в себя движущийся конвейер для ускорения производства. Их сборочный конвейер в 1913 году сократил время производства Ford Model T до 93 минут и разделил работу на 45 этапов. Говорят, что они могут произвести машину быстрее, чем высохнет краска на машине!

Узнайте больше:

• Обзор электронной микроскопии (1931-настоящее время)
• Сканирующий электронный микроскоп
• Использование сканирующего электронного микроскопа

Отрасли и занятость

bigstock. com/ Тираннозавр

Исследования и разработки в области нанотехнологий приводят к разработке новых нанотехнологических процессов или

прототипы новых или измененных материалов и / или продуктов, которые могут использоваться в различных отраслях промышленности — от медицины до материалов и электроники. Автомобильные и аэрокосмические фирмы работают с нанотехнологиями для улучшения поверхностей и прочности. В медицине нанопроцессы используются для доставки лекарств от целевых видов рака.

Ниже приведены лишь некоторые компании, помимо государственных учреждений, которые нанимают тех, кто работает в сфере нанотехнологий:

• Аэробус Группа
• Bausch & Lomb
• Beechcraft
• Boeing
• Boston Scientific
• Cessna
• Dassault Aviation
• Филлауэр
• Ford Motor Company
• GE Healthcare
• General Motors
• Системы ГНФ
• Херши
• Хитачи Здравоохранение
• Hologic
• INovio
• Intel
• Люсент Медикал
• Medtronic
• Нортроп Грумман
• Орто ЕвропаPiaggio
• SpaceX
• Texas Instruments
• Virgin Galactic

Подготовка и степени

bigstock. com/cherezoff

Для большинства инженерных профессий:

• требуется степень бакалавра
• степень магистра может быть рекомендована для тех, кто специализируется или интересуется менеджментом
• студенты также могут начать со связанной степени младшего специалиста, а затем перейти к бакалавриату, когда они выберут курс для получения степени.
• многие студенты должны участвовать в совместной программе во время учебы в университете, чтобы получить реальный мировой опыт в выбранной ими области.
• образование на самом деле не прекращается… инженерам необходимо оставаться в курсе, поскольку технологии меняются, а материалы и процессы со временем улучшаются.
• многие профессиональные общества предлагают сертификаты и курсовую работу для поддержки непрерывного образования своих членов.

На уровне бакалавриата примеры курсов по нанотехнологиям могут быть посвящены биомедицинским нанотехнологиям, нанотехнологиям для энергетики и окружающей среды или другим областям. Базовые курсы будут включать физические свойства материалов, кристаллографию, электронные устройства и схемы для наноинженеров, многомасштабный транспорт, а также вероятность и статистику. Дипломы, специально посвященные нанотехнологиям, стали новостью за последнее десятилетие. Вы также можете поступить в эту область со степенью бакалавра в другой области науки или техники, а затем получить степень магистра или доктора наук в области нанотехнологий.

Важно выбрать степень в области инженерии или нанотехнологий, которая была аккредитована в соответствии с основными стандартами. Узнайте больше и просмотрите глобальную базу данных TryEngineering о аккредитованные инженерные и вычислительные программы.

Будьте в восторге

Замечательные инженеры!

Один из лучших способов изучить, на что может быть похожа работа в области нанотехнологий, — это узнать о людях, которые исторически внесли свой вклад или в настоящее время работают в этой области.

• Макс Нолл был немецким инженером-электриком, который вместе со своим коллегой, Эрнст Руска, изобрел электронный микроскоп в 1931 году.
• TryNano.org предоставляет профили многих профессионалов, работающих в сфере нанотехнологий. Вот несколько примеров:
  • Джон Йоу является кафедрой университетских исследований Университета Ватерлоо в Канаде, чьи исследования посвящены пониманию, моделированию, проектированию, интеграции и разработке микро / наноустройств для медицинских и промышленных приложений.
  • Ченнупати Джагадиш является заслуженным профессором Австралийского национального университета, работает над составными полупроводниковыми наноструктурами для приложений оптоэлектроники, энергетики и нейробиологии. Его совет студентам? «Выберите то, чем вы увлечены, мечтаете о большом, стремитесь к высшему, научитесь как можно большему количеству навыков и верьте в себя!» в видео справа он объясняет свой фон и голографические телефоны!
  • Герберт Беннетт является научным сотрудником Национального института стандартов и технологий и исполнительным советником отдела полупроводниковой и размерной метрологии NIST. Он много лет работал в области теоретической физики твердого тела, измерения характеристик электроники, магнитных и оптических материалов и устройств, а также разработки международных стандартов для таких материалов и устройств.

Глобальное влияние: наномедицина

bigstock.com/ KEN

Наномедицина — это применение нанотехнологий в традиционной медицине, включающее множество примеров, которые уже повлияли на наш мир. Поскольку это новая область, мы ожидаем дальнейшего положительного воздействия на медицину, поскольку исследователи разрабатывают новые способы применения нанотехнологий для доставки лекарств и лечения заболеваний.

Например, химиотерапия для лечения рака традиционно подвергает лечению многие здоровые части тела. Используя нанотехнологии, химиотерапия может быть направлена ​​непосредственно на опухоль и минимизировать воздействие на остальную часть тела.

В качестве другого примера, современное лечение продвинутой возрастной дегенерации желтого пятна требует ежемесячных инъекций в глаз. Но если вместо этого лекарство будет медленно высвобождаться изнутри наночастицы, пациенту может потребоваться инъекция только два раза в год.

Нанотехнологии также становятся захватывающим и многообещающим новым средством лечения неврологических заболеваний, колоректального рака и воспалительных заболеваний кишечника. Пока все они находятся на стадии исследования, наномедицина показывает, как взгляд на что-то маленькое может немного повлиять на мир!

Узнайте больше:

• Изучите более подробную информацию и приложения на сайте Центр наномедицины в Университете Джона Хопкинса.
• КАК Я: 10 способов, которыми нанотехнологии влияют на нашу жизнь
• «Стежки» из углеродных нанотрубок укрепляют композиты
• Новый подход к изготовлению деталей для самолетов без огромной инфраструктуры.

Присоединяйтесь

Продолжай учиться

Соревнования и события

bigstock. com/ktsdesign

Клубы, соревнования и лагеря — одни из лучших способов изучить карьерный путь и проверить свои навыки в дружественной конкурентной среде.

Клубы:

• Во многих школах есть химические или электронные клубы или возможности для студентов собраться вместе и поработать над задачами, которые обеспечивают хорошую основу для получения любой степени инженера.

Соревнования: 

• Конкурс EnvisioNano Конкурс для студентов и аспирантов, проводящих исследования в области нанотехнологий.
• Нано фильм это видеоконкурс для студентов и аспирантов, которые проводят исследования в области нанотехнологий.
• Дженнано В этом конкурсе учащимся средних и старших классов предлагается использовать научные исследования для управления автомобилем или экипировки оригинального супергероя. Студенты могут представить себе науку, которая основана на текущих исследованиях, но пока что невозможна, что позволяет им узнать о потенциалах и ограничениях реальной науки и технологий.
• Международная олимпиада по нанотехнологиям это ежегодный конкурс среди студентов университетов, нацеленный на предложение идей и планов решений глобальных проблем на основе нанотехнологий /

лагеря:

• TryEngineering Летний институт, США: посетите Летний институт TryEngineering, чтобы улучшить свои основные инженерные навыки.
• НИСЕНЕТ Рамки летнего лагеря по нанотехнологиям для старших классов
• Летний институт лаборатории нанонауки UCLA
• Европейская школа по нанонаукам и нанотехнологиям
• Многие университеты предлагают летний инженерный опыт. Обратитесь в технический отдел вашего местного университета, чтобы узнать, что они предлагают.

Местные подключения

bigstock.com/ тонакватик

Знаете ли вы, что можете изучать нанотехнологии в своем сообществе? Хотя сканирующие электронные микроскопы обычно недоступны в вашей местной школе, попробуйте виртуальный! Визит http://myscope-explore.org/virtualSEM. html изучите руководство и примите во внимание следующее:

• Зачем нужно удалять воздух?
• Как ускоряющее напряжение влияет на окончательное изображение?
• На что ориентирован размер пятна?
• Почему высота образца влияет на окончательное разрешение изображения?
• Как вы думаете, какие образцы были бы интересны для соревнований на SEM? Что бы вы искали?
• Какие медицинские приложения вы можете придумать для использования SEM? Что бы врач хотел увидеть на снимке? Как вы думаете, к каким изображениям врач мог иметь доступ до появления технологии SEM? Как это могло повлиять на диагноз или лечение?

Узнайте больше:

• Виртуальный сканирующий электронный микроскоп

Группы и ассоциации

bigstock.com/ ронстик

Обязательно обратитесь к профессиональным сообществам, занимающимся нанотехнологиями, там, где вы живете. Не все будут предлагать членство доуниверситетским студентам, но большинство предлагают группы для студентов университетов и, конечно же, предлагают онлайн-ресурсы, которые помогут вам изучить эту область.

Некоторые примеры групп, специализирующихся на нанотехнологиях:

• Совет по нанотехнологиям IEEE
• Индийская ассоциация нанобиологов
• Международная ассоциация нанотехнологий
• Общество материаловедения
• Ассоциация нанотехнологической промышленности
• Всемирная ассоциация нанотехнологий
• Nanoworld, Российское общество сканирующей зондовой микроскопии и нанотехнологий

Некоторые ресурсы на этой странице предоставлены или адаптированы из Бюро статистики труда США и Центр карьеры Cornerstone.

Поделиться:

Нанонаука: думать масштабно, работать мало

Нанонаука — это развивающаяся область науки, которая включает в себя изучение материалов в сверхмалых масштабах и новые свойства, которые демонстрируют эти материалы.

Нанонаука может изменить мир вокруг нас. Это может привести к революционным прорывам в различных областях, от производства до здравоохранения. Но что такое нанонаука, как она работает и как может помочь изменить нашу жизнь?

Нанонаука против нанотехнологий

Прежде чем мы продолжим, мы должны кое-что прояснить. Термины нанонаука и нанотехнология часто используются взаимозаменяемо, но на самом деле это две совершенно разные вещи.

Нанонаука

Нанонаука — это изучение структур и материалов в сверхмалых масштабах, а также уникальных и интересных свойств, которые демонстрируют эти материалы. Нанонаука является междисциплинарной, а это означает, что ученые из разных областей, включая химию, физику, биологию, медицину, вычислительную технику, материаловедение и инженерию, изучают ее и используют для лучшего понимания нашего мира.

Нанотехнология

С другой стороны, нанотехнология (также иногда называемая молекулярным производством) – это проектирование, производство и применение структур, устройств и систем в наномасштабе. Таким образом, по сути, один изучает наноматериалы и их свойства, а другой использует эти материалы и свойства для создания чего-то нового или необычного. Понял? Хорошо, продолжим.

открывашка

Стеклянная наночастица, подвешенная в оптической полости. Источник изображения: Джеймс Миллен (UCL Physics and Astronomy) / Flickr

Наномасштаб

Насколько мал наноразмер?

Наномасштаб представляет собой диапазон размеров примерно от 1 до 100 нанометров. Но что это на самом деле означает?

Ну, он такой крошечный, что может потребоваться некоторое время, чтобы собраться с мыслями — давайте потихоньку. Для начала взгляните на тыльную сторону ладони. Используя только ваши глаза, вы можете сфокусироваться в масштабе от 1 сантиметра до 1 миллиметра. В этом масштабе кожа выглядит плоской. Тем не менее, возьмите увеличительное стекло, и вы увидите, что оно на самом деле морщинистое с трещинами и складками. Увеличительное стекло позволяет изучить тонкую структуру кожи с расстояния менее миллиметра (или одной тысячной метра).

Если бы вы посмотрели в микроскоп поближе, то смогли бы исследовать клетки, из которых состоит ваша кожа. Теперь вы работаете в масштабе микрометров (одна тысячная миллиметра), который иногда называют микромиром. Клетки и бактерии измеряются в микрометрах, а электронные компоненты на кремниевом чипе обычно имеют размер около 1 микрометра.

Чтобы добраться до наномира, вам нужно снова стать меньше. Нанометр (нм) равен 10 ^-9 , что составляет одну тысячную микрометра или одну миллиардную часть метра. Это шкала, по которой мы измеряем атомы и молекулы, которые они образуют.

Чтобы дать вам некоторое представление о наноразмерах, скажем, что 10 атомов водорода, лежащих рядом друг с другом, имеют размер нанометр в поперечнике, нить ДНК имеет диаметр 2,5 нм, а ширина эритроцита составляет около 7000 нм. Нужно еще несколько примеров? Толщина человеческого волоса составляет от 50 000 до 100 000 нанометров, толщина одного листа бумаги составляет около 75 000 нанометров, а ширина булавочной головки составляет около миллиона нанометров. Если бы каждый человек на Земле был размером с нанометр, каждый на планете поместился бы в одну машинку из спичечных коробков Hot Wheels. Итак, вы поняли: нано — это супер, супер крошечный.

Видеть наноразмеры

Хотя это может быть прямо у нас под носом, мир сверхмалых, с практической точки зрения, очень далек. Он существует за пределами любого из наших чувств. Так как же ученые видят то, что происходит в наномире?

По иронии судьбы, чтобы увидеть сверхмалые, нужны большие машины. Еще в 1930-х годах ученые смогли увидеть наноразмеры с помощью таких инструментов, как сканирующий электронный микроскоп (СЭМ), просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) и полевой ионный микроскоп (ПИМ). Эти электронные микроскопы использовали пучок частиц электронов для освещения образца и обеспечивали гораздо более высокое разрешение, чем традиционные световые микроскопы. Они могли получить увеличение до одного миллиона раз, тогда как традиционные световые микроскопы были ограничены увеличением примерно в 1500 раз.

Однако только за последние три десятилетия технология дала ученым инструменты, которые действительно позволяют им начать работать непосредственно в этом странном маленьком мире. Эта технология положила начало нанотехнологиям. Самыми последними достижениями в микроскопии являются сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), атомно-силовой микроскоп (АСМ) и голография, которые позволяют нам видеть наноразмерные материалы в 3D.

Сканирующие туннельные микроскопы позволяют ученым просматривать трехмерные изображения объектов на атомном уровне и манипулировать наноразмерными частицами, малыми молекулами и атомами. Сканирующий туннельный микроскоп можно использовать в воздухе, воде, сверхвысоком вакууме и различных других жидких или газовых средах при температурах от нуля до нескольких сотен градусов Цельсия. Атомно-силовые микроскопы получают информацию о наномире, «ощупывая» поверхность механическим зондом. Они обеспечивают изображения с очень высоким разрешением, чтобы отличить образец на основе его механических свойств (таких как твердость или шероховатость), а также могут выполнять атомные манипуляции.

открыватель

Установка по производству нанотехнологий в Брукхейвенском центре функциональных Наноматериалы. Источник изображения: Брукхейвенская национальная лаборатория / Flickr.

Нанонаука меняет вещи

Одним из самых захватывающих элементов работы в наномире является то, что вещи ведут себя по-другому, когда вы становитесь сверхмалыми. По сути, меняются физические и химические свойства вещества. Рассмотрим кусок золота желтого цвета. Если бы вы разбили этот кусок на наноразмерные куски, золото изменило бы цвет в зависимости от размера кусков. В диапазоне от 10 до 100 нанометров он может казаться красноватым (а также оранжевым, фиолетовым или зеленым в зависимости от размера или формы частицы). Золото также является катализатором в этом размерном режиме, но химически инертно в микро/макромасштабе.

Действительно, разбивая «объемный» материал на наноразмерные частицы, часто можно изменить многие его свойства. Контролируя способ формирования молекулярных структур нанометрового размера, можно контролировать основные свойства материалов, которые строят эти молекулы: такие свойства, как цвет, электропроводность, температура плавления, твердость, трещиностойкость и прочность.

Это довольно удивительно, если учесть, что мы не меняем химический состав или кристаллическую структуру вещества. Мы не добавляем красный пигмент к золоту, а просто работаем с гораздо меньшими кусочками. Физические и химические свойства меняются, потому что мы открываем и обнажаем большую часть площади поверхности материала.

Когда размеры частиц уменьшаются до наноразмера, отношение площади поверхности к объему резко возрастает. Поскольку многие важные химические реакции, в том числе с участием катализаторов, происходят на поверхности, неудивительно, что очень маленькие частицы проявляют поразительную реакционную способность. Это одна из причин, по которой химики очень увлечены нанонаукой: если они смогут создать большую площадь поверхности, они смогут добиться большего каталитического действия с потенциалом ускорения почти всех физических и производственных процессов, одновременно увеличивая ресурсоемкость и энергоэффективность нанотехнологий. эти процессы и продукты. Квантовые свойства также проявляются в наномасштабе. Классическая физика не может объяснить, почему материалы меняют цвет при изменении размера.
квантовая механика

ГЛОССАРИЙ
квантовая механика наука о самом малом; совокупность научных принципов, объясняющих поведение материи и ее взаимодействие с энергией в масштабе атомов и субатомных частиц.

понять это. Вот почему наночастицы иногда называют
квантовые точки

ГЛОССАРИЙ
Квантовые точки (КТ) представляют собой кристаллические наночастицы полупроводниковых материалов диаметром от 2 до 10 нм.

.

Термин «наноматериалы» имеет особое значение. «Наноматериалы» — это материалы в наномасштабе, свойства которых (такие как проводимость, цвет и механическая твердость) изменяются из-за их наноразмеров.

«Наноматериалы» охватывают все наноразмерные материалы или материалы, которые содержат по крайней мере одну наноразмерную структуру либо на их поверхности, либо внутри. Они могут быть неорганическими, органическими или биологическими. Наноматериалы, такие как нанопластины, наночастицы, нанопроволоки и нанотрубки, могут быть созданы в лабораториях. Наноматериалы также могут встречаться в природе — встречающиеся в природе наночастицы включают дым, морские брызги и вулканический пепел, а также минералы, почвы, частицы соли и биогенные частицы.

Наночастицы, нанопроволоки, нанотрубки и нанопластины — это все типы наноматериалов, отличающиеся индивидуальной формой и размерами. Общим для этих материалов является то, что они имеют одно или несколько измерений на наноуровне.

• Наночастицы имеют все три измерения в пределах наномасштаба.
• Нанопроволоки/трубки имеют диаметр в наномасштабе, но могут иметь длину в несколько сотен нанометров или даже больше.
• Толщина нанопластин соответствует наномасштабу, но два других их измерения могут быть довольно большими. Примером нанопластины является графен, лист углерода толщиной в один атом.

открывашка

Углеродные нанотрубки. Источник изображения: St. Stev / Flickr.

Куда отсюда?

Десятилетия исследований и разработок в области нанонауки и нанотехнологий принесли как ожидаемые, так и неожиданные выгоды для нашего общества. Нанотехнологии помогают улучшать продукты в ряде областей, включая безопасность пищевых продуктов, медицину и здравоохранение, энергетику, транспорт, связь, защиту окружающей среды и производство. Он используется в автомобильной, электронной и компьютерной промышленности, а также в производстве товаров для дома, текстиля, косметики — этот список можно продолжить. На рынке уже представлено более 800 продуктов, улучшенных с помощью нанотехнологий.

В основе нанотехнологий лежит способность адаптировать основные структуры материалов на наноуровне для достижения определенных свойств. Вот несколько примеров современных нанотехнологий.

Пищевая безопасность

Наносенсоры в упаковке могут обнаруживать сальмонеллу и другие загрязнители в пищевых продуктах.

Медицина

Некоторые из самых захватывающих прорывов в области нанотехнологий происходят в области медицины, позволяя медицине стать более персонализированной, дешевой, безопасной и простой в доставке. Потенциал нанотехнологий для улучшения систем доставки лекарств от ряда заболеваний, включая рак, болезни сердца, диабет и другие возрастные заболевания, является областью интенсивных исследований для ученых. Например, прорыв 2014 года привел к разработке наноклеток, которые теоретически могут доставлять лекарства, убивающие рак, непосредственно на молекулярном уровне.

Этот метод доставки лекарств позволит снизить необходимую дозировку, воздействовать на раковые клетки, а не на здоровые клетки, и уменьшить побочные эффекты. Технология все еще проходит испытания и одобрения, но уже в 2016 году она может найти практическое применение.

Другие интересные разработки включают возможность использования нанотехнологий для увеличения роста нервных клеток (например, в спинной мозг) и использование нановолокон для восстановления поврежденных спинномозговых нервов (в настоящее время тестируется на мышах).

Энергия

Нанотехнологии используются в ряде областей энергетики — для повышения эффективности и рентабельности солнечных панелей, создания новых типов батарей, повышения эффективности производства топлива с использованием улучшенного катализа и создания более совершенных систем освещения.

Автомобилестроение

Наноинженерные материалы используются в ряде продуктов, включая мощные перезаряжаемые батареи, присадки к топливу, топливные элементы и усовершенствованные каталитические нейтрализаторы, которые производят более чистые выхлопные газы в течение более длительного времени.

Окружающая среда

Исследователи разрабатывают наноструктурированные фильтры, которые могут удалять вирусные клетки и другие примеси из воды, что в конечном итоге может помочь создать чистую, доступную и обильную питьевую воду.

Бумажное полотенце из наноткани, которое может впитать в себя масло в 20 раз больше собственного веса, может использоваться для операций по очистке от разливов нефти.

Каждая разработка учит нас чему-то о технологии, о том, на что она способна, и о том, как мы можем ее усовершенствовать. Эти разработки — только начало.

Электроника

Многие новые экранные устройства (телевизоры, телефоны, iPad и т. д.) содержат наноструктурированные полимерные пленки, известные как органические светоизлучающие диоды (OLED). Эти экраны, среди прочего, ярче, легче и имеют лучшее качество изображения.

Текстиль

Наноразмерные добавки в ткани помогают противостоять окрашиванию, образованию складок и росту бактерий.

Косметика

Наноразмерные материалы в ряде косметических средств обеспечивают такие функции, как улучшенное покрытие, впитывание или очищение.

Наночастицы придают поверхности этих текстильных волокон структуру, напоминающую листья лотоса, делая волокна водоотталкивающими и грязеотталкивающими. Источник изображения: BASF/Flickr.

Опасения по поводу нанотехнологий

Как и в случае с распространением любой новой мощной технологии, с нанотехнологиями, вероятно, будет связан как ряд негативных, так и позитивных последствий.

Поскольку инвестиции в нанонауку и нанотехнологии продолжаются, некоторые люди высказывают этические, экологические и экономические опасения. Хотя научно-фантастические теории о «серой слизи» (миллионы самовоспроизводящихся наномашин) с потенциалом уничтожить мир далеки от истины, существуют обоснованные опасения по поводу других областей нанонауки.

Например, как производимые наночастицы взаимодействуют с биологическими системами человеческого тела и какие последствия для здоровья это может иметь? В лабораторных тестах было показано, что некоторые наноматериалы влияют на образование волокнистых белковых клубков, подобных тем, которые наблюдаются при некоторых заболеваниях головного мозга. Есть некоторые доказательства того, что наночастицы могут привести к генетическому повреждению. Наночастицы также были исследованы на предмет их воздействия на сердце и кровеносные сосуды.

Необходимо контролировать длительное воздействие наночастиц, особенно по мере того, как они становятся все более распространенными в предметах повседневного обихода. Доктор Сэм Бруски, токсиколог и член Консультативной группы по нанотехнологиям Национальной схемы уведомления и оценки промышленных химикатов (NICNAS), отметил, что углеродные нанотрубки, около 5000 тонн которых ежегодно производятся для коммерческого использования, вызывают рак у животных. испытания, и многие из них по форме и размеру напоминают волокна асбеста.

То, как наноматериалы взаимодействуют с окружающей средой , также нуждается в дальнейшем изучении. То, как частица ведет себя в лаборатории, может сильно отличаться от того, как она ведет себя в воде, воздухе или почве, и от того, как она взаимодействует с органическим веществом. Действительно, поведение наночастиц в окружающей среде зависит не только от их индивидуальных физико-химических свойств, но и от характера принимающей среды (горячая, влажная, кислая и т. д.). При воздействии окружающей среды наночастицы могут оставаться неповрежденными или подвергаться одному из следующих процессов:

• растворение

  ГЛОССАРИЙ
  растворение действие или процесс разделения или растворения на части или элементы

• видообразование (ассоциация с другими ионными или молекулярными растворенными химическими веществами)
• отстой
• агломерация

  ГЛОССАРИЙ
  агломерация масса или собрание вещей; сборка.

  /
  деагломерация

  ГЛОССАРИЙ
  деагломерация Процесс разрушения или диспергирования того, что агломерировалось, агрегировалось или сгруппировалось.

• Биологическое или химическое преобразование в другие химические вещества.

Необходимы дальнейшие исследования в этих областях и создание соответствующих средств контроля в отношении оценки риска.

Существует также вероятность того, что наноматериалы могут перемещаться от организма к организму или по пищевым цепям. Тот факт, что существует множество различных типов наноматериалов, означает, что существует потенциал для широкого спектра эффектов. Некоторые эксперименты показали, что они могут оказывать вредное воздействие на беспозвоночных и рыб, включая изменения в их поведении, развитии и размножении.

Оценка рисков и тестирование должны идти в ногу с технологиями, особенно по мере того, как использование наноматериалов распространяется на производство все большего количества потребительских товаров. Тестирование должно включать методы оценки воздействия и выявления опасностей. В настоящее время наночастицы, представляющие наибольший потенциальный риск, представляют собой свободные нерастворимые наночастицы, например, диспергированные в пыли или жидкости.

Как мы видели, уникальные физико-химические свойства наноматериалов также часто отличаются от свойств объемных материалов и требуют специальной оценки. Несмотря на эти опасения, большинство ученых считают, что нанонаука приведет к огромным достижениям в медицине, биотехнологии, производстве, информационных технологиях и других столь же разнообразных областях.

• Регулирование нанотехнологий в Австралии

  В Австралии существует семь различных органов, регулирующих нанотехнологии и использование наноматериалов в коммерческих продуктах. Каждый из них работает в рамках своей законодательной базы, относящейся к их конкретной области, такой как медицина, продукты питания, пестициды, ветеринария, косметика и так далее.

  • Национальная схема уведомления и оценки промышленных химикатов отвечает за регулирование промышленных наноматериалов, используемых в таких продуктах, как краски, красители, чернила, пластмассы, косметика, потребительские товары и поверхностные покрытия.
  • Пищевые стандарты Австралии и Новой Зеландии регулируют использование нанотехнологий в пищевых продуктах, их упаковке и материалах, контактирующих с пищевыми продуктами.
  • Администрация терапевтических товаров управляет наночастицами в терапевтических товарах и медицинских устройствах.
  • Австралийское управление по пестицидам и ветеринарным препаратам регулирует использование нанотехнологий в сельском хозяйстве (включая пестициды) и животноводстве.
  • Worksafe Australia отвечает за регулирование использования наноматериалов на рабочем месте, таких как углеродные нанотрубки.
  • Австралийская комиссия по конкуренции и защите прав потребителей регулирует все потребительские товары, содержащие наноматериалы, которые не подпадают под действие других регулирующих юрисдикций.
  • Государственный департамент Австралии по охране окружающей среды отвечает за регулирование выбросов, которые могут повлиять на «вопросы, имеющие экологическое значение».

  Австралия относительно активно разрабатывала подходы к регулированию этих новых типов наноматериалов. Например, в отличие от многих других стран, у нас есть рабочее определение наноматериалов, что является важным первым шагом к правовой конструкции, обеспечивающей надлежащее регулирование.

  По мере того, как технология продолжает меняться и совершенствоваться, перед регулирующими органами стоит важная задача — быть впереди всех. Существует тонкий баланс между чрезмерной осторожностью и введением излишне обременительного регулирования и избеганием неконтролируемых, потенциально вредных инноваций. Регулирующие органы постоянно пересматривают и пересматривают свою деятельность, стандарты и законодательство по мере появления новых данных, инструментов мониторинга и проблем.

jpg» alt=»Вид на вулкан Твид с рекой на переднем плане» > открывалка

Наночастицы естественным образом встречаются в окружающей среде, но влияние искусственных наноматериалов на окружающую среду до сих пор неизвестно. Источник изображения: Ричард Ридж / Flickr.

Заключение

Нанонаука касается сверхмалого, но она может оказать огромное влияние на нашу жизнь. Мы уже используем и наслаждаемся многими продуктами, усовершенствованными с помощью нанотехнологий, но потенциал революционизировать такие области, как медицина, или помочь решить некоторые из сложных мировых экологических проблем, делает будущее нанонауки и нанотехнологии наиболее захватывающим.

Однако нанотехнологии, как и все новые появляющиеся технологии, создают столько же проблем, сколько и решений. Как регулирование и тестирование могут идти в ногу с технологиями и какое влияние эти новые наноматериалы могут оказать на здоровье человека или окружающую среду в целом? Это вопросы, которые еще предстоит решить. Поскольку в нанотехнологии продолжают вкладываться все большие средства и все больше наночастиц попадают в нашу среду, продукты и даже тела, жизненно важно, чтобы потенциальные преимущества этой технологии были тщательно взвешены и сопоставлялись с неизвестными рисками.

История нанонауки и нанотехнологии: от химико-физических применений к наномедицине

1. Мансури Г., Фаузи Солейман Т. Нанотехнология — введение для сообщества стандартов. Дж. ASTM междунар. 2005; 2:1–22. [Google Scholar]

2. Гнач А., Липински Т., Беднаркевич А., Рыбка Ю., Капобьянко Ю.А. Преобразование наночастиц с повышением частоты: оценка токсичности. хим. соц. 2015; 44:1561–1584. doi: 10.1039/C4CS00177J. [PubMed] [CrossRef] [Академия Google]

3. Национальная инициатива по нанотехнологиям (NNI) [(по состоянию на 22 июля 2019 г.)]; Доступно на сайте: www.nano.gov

4. Аллхофф Ф. Об автономии и обосновании наноэтики. Наноэтика. 2007; 1:185–210. doi: 10.1007/s11569-007-0018-3. [CrossRef] [Google Scholar]

5. Фейнман Р. П. Внизу полно места. англ. науч. 1960; 23: 22–36. [Google Scholar]

6. Танигути Н., Аракава К., Кобаяши Т. Об основах нанотехнологии; Труды Международной конференции по технологии производства; Токио, Япония. 26–29Август 1974 г. [Google Scholar]

7. Икбал П., Прис Дж.А., Мендес П.М. Супрамолекулярная химия. Джон Уайли и сыновья, ООО; Чичестер, Великобритания: 2012. Нанотехнологии: подходы «сверху вниз» и «снизу вверх». [Google Scholar]

8. Дрекслер Э.К. Двигатели творения: грядущая эра нанотехнологий. якорный пресс; Гарден-Сити, Нью-Йорк, США: 1986. [Google Scholar]

9. Дрекслер Э.К., Петерсон К., Пергамит Г. Неограниченное будущее: Нанотехнологическая революция. Уильям Морроу и компания, Inc.; Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США: 1991. [CrossRef] [Google Scholar]

10. Британский музей. [(по состоянию на 22 июля 2019 г.)]; Доступно на сайте: www.britishmuseum.org/research/collection_online/collection_object_details.aspx?objobjec=61219&partId=1

11. Барбер Д.Дж., Freestone I.C. Исследование происхождения цвета чаши Ликурга с помощью аналитической просвечивающей электронной микроскопии. Археометрия. 1990; 32:33–45. doi: 10.1111/j.1475-4754.1990.tb01079.x. [CrossRef] [Google Scholar]

12. Фристоун И., Микс Н., Сакс М., Хиггит С. Чаша Ликурга — римская нанотехнология. Золотой Бык. 2007; 40: 270–277. дои: 10.1007/BF03215599. [CrossRef] [Google Scholar]

13. Вагнер Ф.Э., Хаслбек С., Стеевано Л., Калоджеро С., Панкхерст К.А., Мартинек К.-П. Прежде чем чеканить золото в золото-рубиновом стекле. Природа. 2000; 407: 691–692. doi: 10.1038/35037661. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

14. The New York Times. [(по состоянию на 22 июля 2019 г.)]; Доступно на сайте: www.nytimes.com/imagepages/2005/02/21/science/20050222_NANO1_GRAPHIC.html

15. Pradell T., Climent-Font A., Molera J., Zucchiatti A., Ynsa M.D., Roura P. , Креспо Д. Металлический и неметаллический блеск в блеске: исследование обратного рассеяния упругих ионов. Дж. Заявл. физ. 2007;101:103518. дои: 10.1063/1.2734944. [CrossRef] [Google Scholar]

16. Пул С. П., Оуэнс Ф. Дж. Введение в нанотехнологии. Джон Уайли и сыновья; Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США: 2003. [Google Scholar]

17. Reibold M., Paufler P., Levin A.A., Kochmann W., Pätzke N., Meyer D.C. Материалы: углеродные нанотрубки в древней дамасской сабле. Природа. 2006; 444:286. doi: 10.1038/444286a. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

18. Фарадей М. Бейкеровская лекция: экспериментальные отношения золота (и других металлов) к свету. Филос. Транс. Р. Соц. Лонд. 1857; 147: 145–181. [Академия Google]

19. Бинниг Г., Рорер Х., Гербер К., Вайбель Э. Туннелирование через контролируемый вакуумный зазор. заявл. физ. лат. 1982; 40:178. дои: 10.1063/1.92999. [CrossRef] [Google Scholar]

20. Бинниг Г., Рорер Х., Гербер К., Вейбель Э. Исследования поверхности с помощью сканирующей туннельной микроскопии. физ. Преподобный Летт. 1982; 49: 57–61. doi: 10.1103/PhysRevLett. 49.57. [CrossRef] [Google Scholar]

21. Бинниг Г., Рорер Х., Гербер К., Вейбель Э. Реконструкция 7 × 7 на Si(111), разрешенная в реальном пространстве. физ. Преподобный Летт. 1983;50:120–123. doi: 10.1103/PhysRevLett.50.120. [CrossRef] [Google Scholar]

22. Институт физики Польской академии наук. [(по состоянию на 22 июля 2019 г.)]; Доступно на сайте: http://info.ifpan.edu.pl/~wawro/subframes/Surfaces.htm

23. Эйглер Д.М., Швейцер Э.К. Позиционирование отдельных атомов с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Природа. 1990; 344: 524–526. doi: 10.1038/344524a0. [CrossRef] [Google Scholar]

24. Binnig G., Quate C.F., Gerber C. Атомно-силовой микроскоп. физ. Преподобный Летт. 1986;56:930–933. doi: 10.1103/PhysRevLett.56.930. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

25. Бинниг Г. Атомно-силовой микроскоп и метод визуализации поверхностей с атомарным разрешением. 4724318А. Патент США. 1990 16 октября

26. Крото Х.В., Хит Дж.Р., О’Брайен С.К. , Керл Р.Ф., Смолли Р.Е. C60: Бакминстерфуллерен. Природа. 1985; 318: 162–163. дои: 10.1038/318162a0. [CrossRef] [Google Scholar]

27. Иидзима С. Спиралевидные микротрубочки графитового углерода. Природа. 1991; 354: 56–58. doi: 10.1038/354056a0. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

28. Xu X., Ray R., Gu Y., Ploehn H.J., Gearheart L., Raker K., Scrivens W. Электрофоретический анализ и очистка флуоресцентных одностенных фрагментов углеродных нанотрубок. Варенье. хим. соц. 2004; 126:12736–12737. doi: 10.1021/ja040082h. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

29. Бейкер С.Н., Бейкер Г.А. Люминесцентные углеродные наноточки: появление наносвета. Ангью. хим. Междунар. Эд. англ. 2010;49:6726–6744. doi: 10.1002/anie.200

3. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

30. Esteves da Silva J.C.G., Gonçalves H.M.R. Аналитическое и биоаналитическое применение углеродных точек. Анализ тенденций TrAC. хим. 2011;30:1327–1336. doi: 10.1016/j.trac.2011.04.009. [CrossRef] [Google Scholar]

31. Yang S.-T., Cao L., Luo P.G., Lu F., Wang X., Wang H., Meziani M.J., Liu Y., Qi G., Sun Y. .-П. Углеродные точки для оптической визуализации in Vivo. Варенье. хим. соц. 2009; 131:11308–11309. doi: 10.1021/ja

3x. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

32. Yang S.-T., Wang X., Wang H., Lu F., Luo P.G., Cao L., Meziani M.J., Liu J. .-H., Лю Ю., Чен М. и др. Углеродные точки как нетоксичные и высокоэффективные агенты флуоресцентной визуализации. Дж. Физ. хим. С. 2009 г.;113:18110–18114. doi: 10.1021/jp

69. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

33. Cao L., Wang X., Meziani M.J., Lu F., Wang H., Luo P.G., Lin Y., Harruff B.A., Veca L.M. , Мюррей Д. и др. Углеродные точки для многофотонного биоимиджинга. Варенье. хим. соц. 2007; 129:11318–11319. дои: 10.1021/ja073527l. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

34. Ли К., Охулчанский Т.Ю., Лю Р., Койнов К., Ву Д., Бест А., Кумар Р., Боною А., Прасад П.Н. Фотолюминесцентные углеродные точки как биосовместимые нанозонды для нацеливания на раковые клетки in vitro. Дж. Физ. хим. С. 2010; 114:12062–12068. дои: 10.1021/jp

9р. [CrossRef] [Google Scholar]

35. Байда С., Хадла М., Палаццоло С., Кумар В., Калиджури И., Амбрози Э., Понтоглио Э., Агостини М., Туччинарди Т., Бенедетти А. , и другие. Восходящий синтез углеродных наночастиц с более высокой эффективностью доксорубицина. Дж. Контроль. Выпускать. 2017; 248:144–152. doi: 10.1016/j.jconrel.2017.01.022. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

36. Wang X., Cao L., Lu F., Meziani MJ, Li H., Qi G., Zhou B., Harruff B.A., Kermarrec F., Sun Y .-П. Фотоиндуцированный перенос электрона с углеродными точками. хим. коммун. 2009 г.;25:3774–3776. doi: 10.1039/b2a. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

37. Li Y., Hu Y., Zhao Y., Shi G., Deng L., Hou Y., Qu L. Электрохимический путь к Зеленые люминесцентные графеновые квантовые точки как потенциальные акцепторы электронов для фотовольтаики. Доп. Матер. 2011; 23:776–780. doi: 10.1002/adma.201003819. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

38. Zhou L., Lin Y., Huang Z., Ren J., Qu X. Углеродные наноточки в качестве флуоресцентных зондов для быстрого, чувствительного и безметочного обнаружения Hg2+ и биотиолы в сложных матрицах. хим. коммун. 2012;48:1147–1149. doi: 10.1039/C2CC16791C. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

39. Liu L., Li Y., Zhan L., Liu Y., Huang C. Одностадийный синтез флуоресцентных углеродных точек, покрытых гидроксилами, с помощью гидротермальной реакции и ее применение. к оптическому зондированию ионов металлов. науч. Китай хим. 2011;54:1342–1347. doi: 10.1007/s11426-011-4351-6. [CrossRef] [Google Scholar]

40. Киннер К., Мур Т.Л., Родригес-Лоренцо Л., Ротен-Рутисхаузер Б., Петри-Финк А. Форма следует за функцией: форма наночастиц и ее значение для наномедицины. хим. 2017; 117:11476–11521. doi: 10.1021/acs.chemrev.7b00194. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

41. Вайсиг В. , Петтингер Т.К., Мердок Н. Нанофармацевтика (часть 1): Продукты на рынке. Междунар. Дж. Наномед. 2014;9:4357–4373. doi: 10.2147/IJN.S46900. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

42. Rothemund P.W.K. Сворачивание ДНК для создания наноразмерных форм и узоров. Природа. 2006; 440: 297–302. doi: 10.1038/nature04586. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

43. Seeman NC Соединения и решетки нуклеиновых кислот. Дж. Теор. биол. 1982;99:237–247. doi: 10.1016/0022-5193(82)

-9. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

44. Кумар В., Байда С., Хадла М., Калиджиури И., Руссо Спена К., Палаццоло С., Кемптер С., Корона Г., Тоффоли Г. , Риццолио Ф. Улучшенное химиотерапевтическое поведение наноструктур ДНК с доксорубицином в открытой клетке для раковых клеток. Дж. Селл. Физиол. 2016; 231:106–110. doi: 10.1002/jcp.25057. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

45. Кумар В., Палаццоло С., Байда С., Корона Г., Тоффоли Г., Риццолио Ф. Нанотехнология ДНК для лечения рака. Тераностика. 2016; 6: 710–725. doi: 10.7150/thno.14203. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

46. Palazzolo S., Hadla M., Spena C.R., Bayda S., Kumar V., Lo Re F., Adeel M., Caligiuri I., Romano F., Corona G., et al. Доказательство концепции многоступенчатой ​​биомиметической липосомальной ДНК-оригами наносистемы для удаленной загрузки доксорубицина. АКС Мед. хим. лат. 2019;10:517–521. doi: 10.1021/acsmedchemlett.8b00557. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

47. Палаццоло С., Хадла М., Руссо Спена К., Калиджури И., Ротондо Р., Адил М., Кумар В., Корона Г. ., Канцоньери В., Тоффоли Г. и др. Эффективная многоступенчатая наносистема оригами с липосомальной ДНК для терапии рака in vivo. Раки. 2019;11:1997. doi: 10.3390/cancers11121997. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

48. Lee P.Y., Wong K.K.Y. Наномедицина: новый рубеж в терапии рака. Курс. Наркотик Делив. 2011; 8: 245–253. [PubMed] [Google Scholar]

49. Юань Ю., Гу З., Яо С., Луо Д., Ян Д. Функциональные наноматериалы на основе нуклеиновых кислот как передовые методы лечения рака. Маленький. 2019;15:1

2. doi: 10.1002/smll.201

2. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

50. Cordani M., Somoza Á. Ориентация на аутофагию с использованием металлических наночастиц: многообещающая стратегия лечения рака. Клетка. Мол. Жизнь наук. 2019;76:1215–1242. doi: 10.1007/s00018-018-2973-y. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

51. Шарма Н., Шарма М., Саджид Джамал К.М., Камал М.А., Ахтар С. Наноинформатика и биомолекулярное наномоделирование: новый шаг на пути к эффективному раку лечение. Окружающая среда. науч. Загрязн. Рез. Междунар. 2019: 1–15. doi: 10.1007/s11356-019-05152-8. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

52. Халла Дж., Саху С., Хейс А. Нанотехнологии. Гум. Эксп. Токсикол. 2015; 34:1318–1321. дои: 10.1177/0960327115603588. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

53. Шау П. Доставка наночастиц. ИнТех; Риека, Хорватия: 2012. Наночастицы в древних материалах: украшения с металлическим блеском средневековой керамики. [CrossRef] [Google Scholar]

54. Mie G. Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallösungen. Анна. физ. 1908; 330: 377–445. doi: 10.1002/andp.1

00302. [CrossRef] [Google Scholar]

55. Synge E.H. XXXVIII. Предлагаемый метод расширения микроскопического разрешения в ультрамикроскопическую область. Лонд. Эдинб. Дублин Филос. Маг. J. Sci. 1928;6:356–362. doi: 10.1080/14786440808564615. [CrossRef] [Google Scholar]

56. Knoll M., Ruska E. Beitrag zur geometrischen Elektronenoptik. И. Энн. физ. 1932; 404: 607–640. doi: 10.1002/andp.19324040506. [CrossRef] [Google Scholar]

57. Knoll M., Ruska E. Beitrag zur geometrischen Elektronenoptik. II. Анна. физ. 1932; 404: 641–661. doi: 10.1002/andp.19324040602. [CrossRef] [Google Scholar]

58. Müller EW Experimente zur Theorie der Elektronenemission unter dem Einfluß starker Felder. физ. З. 1936;37:838–841. [Google Scholar]

59. Шокли В. Элемент схемы, использующий полупроводниковый материал. 2569347А. Патент США. 1951 г., 25 сентября;

60. Мюллер Э. В. Das Feldionenmikroskop. З. Физ. 1951; 131: 136–142. doi: 10.1007/BF01329651. [CrossRef] [Google Scholar]

61. Мюллер Э.В., Бахадур К. Полевая ионизация газов на поверхности металла и разрешающая способность полевого ионного микроскопа. физ. 1956; 102: 624–631. doi: 10.1103/PhysRev.102.624. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

62. Уотсон Дж.Д., Крик Ф.Х.К. Молекулярная структура нуклеиновых кислот: структура нуклеиновой кислоты дезоксирибозы. Природа. 1953; 171: 737–738. дои: 10.1038/171737a0. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

63. Фон Хиппель А. Молекулярная инженерия. Наука. 1956; 123: 315–316. doi: 10.1126/science.123.3191.315. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

64. Эсаки Л. Новое явление в узких германиевых p-n переходах. физ. 1958; 109: 603–604. doi: 10. 1103/PhysRev.109.603. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

65. Планк С.Дж., Росински Э.Дж. Каталитический крекинг углеводородов с использованием композитного катализатора на основе кристаллического цеолита. 3140249А. Патент США. 1964 г., 7 июля;

66. Папелл С.С. Маловязкая магнитная жидкость, полученная коллоидной суспензией магнитных частиц. 3215572А. Патент США. 1965 г., 2 ноября;

67. Мур Г.Е. Втиснуть больше компонентов в интегральные схемы. Электроника. 1965; 38: 114–117. doi: 10.1109/JPROC.1998.658762. [CrossRef] [Google Scholar]

68. Осава Э. Суперароматичность. Кагаку Киото. 1970;25:854–863. [Google Scholar]

69. Авирам А., Ратнер М.А. Молекулярные выпрямители. хим. физ. лат. 1974; 29: 277–283. doi: 10.1016/0009-2614(74)85031-1. [CrossRef] [Google Scholar]

70. Jeanmaire D.L., Van Duyne R.P. Поверхностная рамановская спектроэлектрохимия. Дж. Электроанал. хим. Межфазная электрохимия. 1977; 84: 1–20. doi: 10.1016/S0022-0728(77)80224-6. [CrossRef] [Google Scholar]

71. Сагив Дж. Организованные монослои путем адсорбции. 1. Формирование и структура олеофобных смешанных монослоев на твердых поверхностях. Варенье. хим. соц. 1980;102:92–98. doi: 10.1021/ja00521a016. [CrossRef] [Google Scholar]

72. Бинниг Г., Рорер Х. Сканирующий туннельный микроскоп. 4343993А. Патент США. 10 августа 1982 г .;

73. Екимов А., Онущенко А. Квантовый размерный эффект в оптических спектрах полупроводниковых микрокристаллов. сов. физ. Полуконд. 1982; 16: 775–778. [Google Scholar]

74. Дрекслер Э.К. Молекулярная инженерия: подход к развитию общих возможностей молекулярных манипуляций. проц. Натл. акад. науч. США. 1981;78:5275–5278. doi: 10.1073/pnas.78.9.5275. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

75. Пинейро А.В., Хан Д., Ши В.М., Ян Х. Проблемы и возможности структурной нанотехнологии ДНК. Нац. нанотехнологии. 2011; 6: 763–772. doi: 10.1038/nnano.2011.187. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

76. Россетти Р., Накахара С., Брус Л.Е. Квантово-размерные эффекты в окислительно-восстановительных потенциалах, резонансных спектрах комбинационного рассеяния и электронных спектрах кристаллитов CdS в водном растворе. Дж. Хим. физ. 1983;79:1086. doi: 10.1063/1.445834. [CrossRef] [Google Scholar]

77. Steigerwald M.L., Alivisatos A.P., Gibson J.M., Harris T.D., Kortan R., Muller A.J., Thayer A.M., Duncan T.M., Douglass D.C., Brus L.E. Поверхностная дериватизация и изоляция полупроводниковых кластерных молекул. Варенье. хим. соц. 1988; 110:3046–3050. doi: 10.1021/ja00218a008. [CrossRef] [Google Scholar]

78. Аверин Д.В., Лихарев К.К. Кулоновская блокада одноэлектронного туннелирования и когерентные колебания в малых туннельных переходах. J. Низкотемпературный. физ. 1986;62:345–373. doi: 10.1007/BF00683469. [CrossRef] [Google Scholar]

79. Kresge C.T., Leonowicz M.E., Roth W.J., Vartuli J.C., Beck J.S. Упорядоченные мезопористые молекулярные сита, синтезированные по механизму жидкокристаллического темплата. Природа. 1992; 359: 710–712. дои: 10.1038/359710a0. [CrossRef] [Google Scholar]. Новое семейство мезопористых молекулярных сит, изготовленных с использованием жидкокристаллических шаблонов. Варенье. хим. соц. 1992;114:10834–10843. doi: 10.1021/ja00053a020. [CrossRef] [Google Scholar]

81. Иидзима С., Ичихаси Т. Однослойные углеродные нанотрубки диаметром 1 нм. Природа. 1993; 363: 603–605. doi: 10.1038/363603a0. [CrossRef] [Google Scholar]

82. Bethune D.S., Klang C.H., de Vries M.S., Gorman G., Savoy R., Vazquez J., Beyers R. Катализируемый кобальтом рост углеродных нанотрубок с одноатомными стенками . Природа. 1993; 363: 605–607. doi: 10.1038/363605a0. [CrossRef] [Академия Google]

83. Миркин С.А., Летсингер Р.Л., Муцич Р.К., Шторхофф Дж.Дж. Основанный на ДНК метод рациональной сборки наночастиц в макроскопические материалы. Природа. 1996; 382: 607–609. doi: 10.1038/382607a0. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

84. Zyvex Technologies. [(по состоянию на 22 июля 2019 г. )]; Доступно на сайте: www.zyvex.com

85. Tans S.J., Verschueren A.R.M., Dekker C. Транзистор комнатной температуры на основе одной углеродной нанотрубки. Природа. 1998; 393:49–52. дои: 10.1038/29954. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

86. Пинер Р.Д., Чжу Дж., Сюй Ф., Хонг С., Миркин С.А. Нанолитография «Dip-Pen». Наука. 1999; 283:661–663. doi: 10.1126/science.283.5402.661. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

87. Hersam M.C., Guisinger N.P., Lyding J.W. Выделение, визуализация и электрическая характеристика отдельных органических молекул на поверхности Si(100) с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Дж. Вак. науч. Технол. Вак. Серф. Фильмы. 2000;18:1349. дои: 10.1116/1.582352. [CrossRef] [Академия Google]

88. Лок С. Нанотехнологии: Маленькие чудеса. Природа. 2010; 467:18–21. doi: 10.1038/467018a. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

89. Montemagno C.D. Наномашины: дорожная карта для реализации видения. J. Рез. наночастиц. 2001; 3:1–3. doi: 10.1023/A:1011452612805. [CrossRef] [Google Scholar]

90. Williams K.A., Veenhuizen P.T.M., de la Torre B.G., Eritja R., Dekker C. Нанотехнология: углеродные нанотрубки с распознаванием ДНК. Природа. 2002; 420:761. doi: 10.1038/420761a. [PubMed] [CrossRef] [Академия Google]

91. Закон об исследованиях и разработках в области нанотехнологий XXI века. [(по состоянию на 22 июля 2019 г.)]; Доступно на сайте: https://www.congress.gov/bill/108th-congress/senate-bill/189

92. Loo C., Lin A., Hirsch L., Lee M.-H., Barton J. , Халас Н., Уэст Дж., Дрезек Р. Фотонная визуализация и терапия рака с использованием нанооболочек. Технол. Рак рез. Удовольствие. 2004; 3:33–40. doi: 10.1177/153303460400300104. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

93. Hirsch L.R., Stafford R.J., Bankson J.A., Sershen S.R., Rivera B., Price RE, Hazle J.D., Halas N.J., West J.L. Тепловая терапия в ближнем инфракрасном диапазоне с помощью нанооболочек опухоли под магнитно-резонансным контролем. проц. Натл. акад. науч. США. 2003;100:13549–13554. doi: 10.1073/pnas.2232479100. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

94. Новоселов К.С., Гейм А.К., Морозов С.В., Цзян Д., Чжан Ю., Дубонос С.В., Григорьева И.В., Фирсов А.А. Эффект электрического поля в атомарно тонких углеродных пленках. Наука. 2004; 306: 666–669. doi: 10.1126/science.1102896. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

95. Шираи Ю., Осгуд А.Дж., Чжао Ю., Келли К.Ф., Тур Дж.М. Направленное управление в термоуправляемых одномолекулярных нанокарах. Нано Летт. 2005;5:2330–2334. дои: 10.1021/nl051915к. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

96. Морин Дж.-Ф., Шираи Ю., Тур Дж. М. На пути к моторизованному нанокару. Орг. лат. 2006; 8: 1713–1716. doi: 10.1021/ol060445d. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

97. Du G., Moulin E., Jouault N., Buhler E., Giuseppone N. Мышечноподобные супрамолекулярные полимеры: интегрированное движение от тысяч молекулярных машин. Ангью. хим. 2012;124:12672–12676. doi: 10.1002/ange.201206571. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

98. Сандерс Дж.К.М., Джексон С.Е. Открытие и разработка зеленого флуоресцентного белка GFP. хим. соц. Версия 2009 г.;38:2821. doi: 10.1039/b917331p. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

99. Zheng J., Birktoft J.J., Chen Y., Wang T., Sha R., Constantinou P.E., Ginell S.L., Mao C., Seeman N.C. От молекулярного к макроскопическому через рациональная конструкция самособирающегося трехмерного кристалла ДНК. Природа. 2009; 461:74–77. doi: 10.1038/nature08274. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

100. Knoll A.W., Pires D., Coulembier O., Dubois P., Hedrick J.L., Frommer J., Duerig U. Probe-Based 3-D Нанолитография с использованием самоусиливающихся деполимеризационных полимеров. Доп. Матер. 2010;22:3361–3365. doi: 10.1002/adma.200

6. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

101. Lafferentz L., Ample F., Yu H., Hecht S., Joachim C., Grill L. Проводимость одного сопряженного полимера как непрерывная функция Его Длина. Наука. 2009; 323:1193–1197. doi: 10.1126/science.1168255. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

102. Ричардс В. Нобелевская премия по химии 2016 г.: молекулярные машины. Нац. хим. 2016;8:1090. doi: 10.1038/nchem.2687. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

103. Нобелевский фонд. Нобелевская премия по физике 2017 года: гравитационные волны. [(по состоянию на 22 июля 2019 г.)]; Доступно на сайте: www.sciencedaily.com/releases/2017/10/171003095828.htm

104. Петерсен П., Тихомиров Г., Цянь Л. Информационная автономная реконфигурация в системах взаимодействующих наноструктур ДНК. Нац. коммун. 2018;9:5362. doi: 10.1038/s41467-018-07805-7. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

105. Оран Д., Родрикес С.Г., Гао Р., Асано С., Скайлар-Скотт М.А., Чен Ф., Тиллберг П.В., Марблстоун А.Х., Бойден Э.С. Трехмерное нанопроизводство путем объемного осаждения и контролируемой усадки узорчатых каркасов. Наука. 2018; 362:1281–1285. doi: 10.1126/science. aau5119. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

Nanoscience Instruments | На службе мира нанотехнологий

Настольный электронный электронный микроскоп Pharos G2 FE

НОВЫЙ Phenom Pharos компании Thermo ScientificTM — это единственный настольный электронный электронный микроскоп с источником полевой эмиссии (FEG), что делает его электронным электронным электронным микроскопом с самым высоким разрешением в своем классе. Получите изображения высокой яркости и разрешения 2 нм в компактном корпусе. Усовершенствованная аппаратная конструкция и детекторы обеспечивают быстрое получение изображения и простое и надежное обращение.

НОВЫЙ Thermo Scientific™ Phenom Pharos — это единственный настольный РЭМ с источником полевой эмиссии (ФЭГ), что делает его РЭМ с самым высоким разрешением в своем классе. Получите изображения высокой яркости и разрешения 2 нм в компактном корпусе. Усовершенствованная аппаратная конструкция и детекторы обеспечивают быстрое получение изображения и простое и надежное обращение.

НОВЫЙ Thermo Scientific™ Phenom Pharos — это единственный настольный РЭМ с источником полевой эмиссии (ФЭГ), что делает его РЭМ с самым высоким разрешением в своем классе. Получите изображения высокой яркости и разрешения 2,0 нм в компактном корпусе. Усовершенствованная аппаратная конструкция и детекторы обеспечивают быстрое получение изображения и простое и надежное обращение.

Fluidnatek Electro-spinning

Fluidnatek от Bioinicia производит микро- и наноразмерные волокна и частицы с помощью методов электропрядения и электрораспыления. Универсальные и мощные, эти инструменты создают точный, контролируемый, воспроизводимый и масштабируемый продукт для нужд вашего приложения.

Fluidnatek от Bioinicia производит микро- и нановолокна и частицы с помощью методов электропрядения и электрораспыления. Универсальные и мощные, эти инструменты создают точный, контролируемый, воспроизводимый и масштабируемый продукт для нужд вашего приложения.

Fluidnatek от Bioinicia производит микро- и нановолокна и частицы с помощью методов электропрядения и электрораспыления. Универсальные и мощные, эти инструменты создают точный, контролируемый, воспроизводимый и масштабируемый продукт для нужд вашего приложения.

Phenom XL Desktop SEM

НОВЫЙ Thermo Scientific ^TM Phenom XL G2 Desktop SEM обеспечивает полноэкранные изображения и среднее время получения изображения 60 секунд. Уникальный источник электронов CeB6 отличается длительным сроком службы и меньшими затратами на техническое обслуживание. Небольшой форм-фактор требует небольшого пространства в лаборатории, что позволяет разместить микроскоп именно там, где он вам нужен.

НОВЫЙ компьютер Thermo Scientific ^TM Phenom XL G2 Desktop SEM обеспечивает полноэкранные изображения и среднее время получения изображения 60 секунд. Уникальный источник электронов CeB6 отличается длительным сроком службы и меньшими затратами на техническое обслуживание. Небольшой форм-фактор требует небольшого пространства в лаборатории, что позволяет разместить микроскоп именно там, где он вам нужен.

НОВЫЙ настольный РЭМ Thermo Scientific™ Phenom XL G2 обеспечивает полноэкранные изображения и среднее время получения изображения 60 секунд. Уникальный CeB _{6 9Источник электронов 0478 обеспечивает долгий срок службы при меньшем техническом обслуживании. Небольшой форм-фактор требует небольшого пространства в лаборатории, что позволяет разместить микроскоп именно там, где он вам нужен.}

Оптический тензиометр Theta Flow

Attension Theta Flow представляет собой высокоавтоматизированный и универсальный измеритель контактного угла для точных измерений статического и динамического контактного угла, трехмерной шероховатости поверхности, свободной поверхностной энергии, поверхностного и межфазного натяжения и межфазной реологии.

Attension Theta Flow представляет собой высокоавтоматизированный и универсальный измеритель контактного угла для точных измерений статического и динамического контактного угла, трехмерной шероховатости поверхности, свободной энергии поверхности, поверхностного и межфазного натяжения и межфазной реологии.

Attension Theta Flow представляет собой высокоавтоматизированный и универсальный измеритель контактного угла для точных измерений статического и динамического контактного угла, трехмерной шероховатости поверхности, свободной энергии поверхности, поверхностного и межфазного натяжения и межфазной реологии.

Микровесы QSense QCM-D

Анализ молекулярных взаимодействий и свойств поверхности в режиме реального времени с помощью QSense® и QCM-D. Уникальный параметр рассеяния получен в условиях отсутствия напряжения. Это обеспечивает быстрые и точные измерения, подходящие для широкого спектра образцов, включая водные и органические растворители.

Анализируйте молекулярные взаимодействия и свойства поверхности в режиме реального времени с помощью QSense® и QCM-D. Уникальный параметр рассеяния получен в условиях отсутствия напряжения. Это обеспечивает быстрые и точные измерения, подходящие для широкого спектра образцов, включая водные и органические растворители.

Анализируйте молекулярные взаимодействия и свойства поверхности в режиме реального времени с помощью QSense ^® и QCM-D. Уникальный параметр рассеяния получен в условиях отсутствия напряжения. Это обеспечивает быстрые и точные измерения, подходящие для широкого спектра образцов, включая водные и органические растворители.

Генератор наночастиц VSParticle

Используя технологию искровой абляции, инструменты VSParticle помогают легко создавать наночастицы и осаждать их различными способами. Этот простой в использовании настольный генератор наночастиц позволяет создавать кластеры и частицы при атмосферном давлении и комнатной температуре.

Производит Fluidnatek от Bioinicia Используя технологию искровой абляции, инструменты VSParticle помогают легко создавать наночастицы и наносить их различными способами. Этот простой в использовании настольный генератор наночастиц позволяет создавать кластеры и частицы при атмосферном давлении и комнатной температуре.

Используя технологию искровой абляции, инструменты VSParticle помогают легко создавать наночастицы и наносить их различными способами. Этот простой в использовании настольный генератор наночастиц позволяет создавать кластеры и частицы при атмосферном давлении и комнатной температуре.

VitroJet CryoEM Sample Prep

VitroJet™ — это революционно новое решение для подготовки образцов для исследований CryoEM с отдельными частицами. Это обеспечивает контроль и автоматизацию подготовки сетки. Такой подход обеспечивает более контролируемый и воспроизводимый метод подготовки образцов, максимально увеличивает производительность и устраняет потери ценного высококачественного белка. VitroJet обладает всеми этими преимуществами в компактном решении, разработанном для каждой крио-ЭМ-лаборатории.

VitroJet™ — это революционно новое решение для пробоподготовки для исследований КриоЭМ отдельных частиц. Это обеспечивает контроль и автоматизацию подготовки сетки. Такой подход обеспечивает более контролируемый и воспроизводимый метод подготовки образцов, максимально увеличивает производительность и устраняет потери ценного высококачественного белка. VitroJet обладает всеми этими преимуществами в компактном решении, разработанном для каждой крио-ЭМ-лаборатории.

VitroJet™ — это революционно новое решение для пробоподготовки для исследований КриоЭМ отдельных частиц. Это обеспечивает контроль и автоматизацию подготовки сетки. Такой подход обеспечивает более контролируемый и воспроизводимый метод подготовки образцов, максимально увеличивает производительность и устраняет потери ценного высококачественного белка. VitroJet обладает всеми этими преимуществами в компактном решении, разработанном для каждой крио-ЭМ-лаборатории.

DENS Solutions

DENSsolutions использует устройства MEMS, называемые наночипами, для контроля окружающей среды образца и воспроизведения реальных условий применения внутри вашего TEM. Внедрение возможностей на месте в ПЭМ превращает систему из статического инструмента визуализации в многофункциональную лабораторию.

Компания DENSsolutions использует устройства MEMS, называемые наночипами, для управления окружающей средой образца и воспроизведения реальных условий применения внутри вашего TEM. Внедрение возможностей на месте в ПЭМ превращает систему из статического инструмента визуализации в многофункциональную лабораторию.

Компания DENSsolutions использует устройства MEMS, называемые наночипами, для управления окружающей средой образца и воспроизведения реальных условий применения внутри вашего TEM. Внедрение возможностей на месте в ПЭМ превращает систему из статического инструмента визуализации в многофункциональную лабораторию.

1. Что такое нанотехнологии?

Нанотехнология — это термин, обозначающий те области науки и техники, в которых явления, происходящие в нанометровых размерах, используются при проектировании, определении характеристик, производстве и применении материалов, конструкций, устройств и систем. Хотя в естественном мире существует множество примеров структур, которые существуют с нанометровыми размерами (далее именуемые наноразмерами), включая важные молекулы в организме человека и компоненты пищевых продуктов, и хотя многие технологии случайно использовали наноразмерные структуры в течение многих лет, только в последнюю четверть века стало возможным активно и преднамеренно модифицировать молекулы и структуры в пределах этого диапазона размеров. Именно этот контроль в нанометровом масштабе отличает нанотехнологию от других областей техники.

Очевидно, что различные формы нанотехнологий могут оказать очень значительное влияние на общество. В целом можно предположить, что применение нанотехнологий будет очень полезным для отдельных лиц и организаций. Многие из этих приложений связаны с новыми материалами, которые обеспечивают радикально иные свойства за счет работы в наномасштабе, где новые явления связаны с очень большим отношением площади поверхности к объему, наблюдаемым при этих размерах, и с квантовыми эффектами, которые не наблюдаются при больших размерах. К ним относятся материалы в виде очень тонких пленок, используемых в катализе и электронике, двумерных нанотрубок и нанопроволок для оптических и магнитных систем, а также в виде наночастиц, используемых в косметике, фармацевтике и покрытиях. Отраслями промышленности, наиболее активно использующими нанотехнологии, являются сектор информации и связи, включая электронные и оптоэлектронные области, технологии пищевых продуктов, энергетические технологии и сектор медицинских изделий, включая множество различных аспектов фармацевтики и систем доставки лекарств, диагностики и медицинских технологий, где термины наномедицина и бионанотехнологии уже стали обычным явлением. Нанотехнологические продукты могут также поставить новые задачи по снижению загрязнения окружающей среды.

Однако так же, как явления, происходящие в наномасштабе, могут сильно отличаться от явлений, происходящих в более крупных измерениях, и могут быть использованы на благо человечества, так и эти недавно выявленные процессы и их продукты могут подвергать воздействию тех же людей и окружающую среду в в целом, к новым рискам для здоровья, возможно, с участием совершенно разных механизмов вмешательства в физиологию человека и видов из окружающей среды. Эти возможности вполне могут быть сосредоточены на судьбе свободных наночастиц, образующихся в процессах нанотехнологии и преднамеренно или непреднамеренно выбрасываемых в окружающую среду или фактически доставляемых непосредственно людям посредством функционирования продукта, основанного на нанотехнологии. Особую озабоченность вызывают те люди, чья работа приводит к регулярному и продолжительному контакту со свободными наночастицами. Центральное место в этих проблемах риска для здоровья занимает тот факт, что эволюция определила, что человеческий вид выработал механизмы защиты от агентов окружающей среды, как живых, так и мертвых, причем этот процесс определяется природой обычно встречающихся агентов, размер которых является важным фактором. фактор. Воздействие наночастиц с ранее не встречавшимися характеристиками вполне может нарушить нормальные защитные механизмы, связанные, например, с иммунной и воспалительной системами. Возможно также воздействие продуктов нанотехнологий на окружающую среду, связанное с процессами диспергирования и стойкости наночастиц в окружающей среде.

Везде, где выявляется потенциал совершенно нового риска, необходимо провести обширный анализ характера риска, который затем, при необходимости, можно использовать в процессах управления рисками. Широко признано, что риски, связанные с нанотехнологиями, необходимо анализировать именно таким образом. Многие международные организации (например, Азиатско-Тихоокеанский форум по нанотехнологиям, 2005 г. ), правительственные органы Европейского Союза (Европейская комиссия, 2004 г.), национальные учреждения (например, Де Йонг и др., 2005 г., Розек и др., 2005 г., Национальный совет по науке и технологиям США, 2004 г., IEEE 2004 г.). , Национальный институт наук об окружающей среде США, 2004 г.), неправительственные организации (например, UN-NGLS, 2005 г.), научные учреждения и общества (например, Институт нанотехнологий, 2005 г., Австралийская академия наук, 2005 г., METI, 2005 г., Королевское общество Великобритании и Королевская академия наук). Engineering 2004) и отдельные лица (например, Oberdörster et al 2005, Donaldson and Stone 2003) опубликовали отчеты о текущем состоянии нанотехнологий, и большинство из них обращают внимание на необходимость тщательного анализа рисков.

Европейский совет подчеркнул необходимость уделять особое внимание потенциальным рискам на протяжении всего жизненного цикла продуктов, основанных на нанотехнологиях, а Европейская комиссия заявила о своем намерении работать на международной основе над созданием общих принципов безопасности, устойчивое, ответственное и социально приемлемое использование нанотехнологий.

3.2 Определения и область применения

Существует несколько определений нанотехнологии и продуктов нанотехнологии, часто они были созданы для конкретных целей.

В этом Мнении основополагающие научные концепции нанотехнологии считаются более важными, чем семантика определения, поэтому они рассматриваются в первую очередь. Комитет считает, что объем нанонауки и нанотехнологии, используемый Королевским обществом Великобритании и Королевской инженерной академией в их отчете за 2004 год (Royal Society and Royal Academy of Engineering 2004), адекватно выражает эти концепции. Это говорит о том, что диапазон наномасштаба находится от атомного уровня, примерно от 0,2 нм до примерно 100 нм. Именно в этом диапазоне материалы могут иметь существенно отличающиеся свойства по сравнению с теми же веществами при больших размерах, как из-за существенно увеличенного отношения площади поверхности к массе, так и из-за того, что при этих размерах начинают играть роль квантовые эффекты, приводящие к существенные изменения в некоторых типах физических свойств.

В настоящем Мнении различные термины нанотехнологии используются в соответствии с недавно опубликованной общедоступной спецификацией словаря наночастиц Британского института стандартов (BSI 2005), в которой предлагаются следующие определения основных общих терминов:

Наноразмеры : , имеющие один или несколько размеров порядка 100 нм или меньше.

Нанонаука : изучение явлений и манипулирование материалами на атомном, молекулярном и макромолекулярном уровнях, где свойства значительно отличаются от свойств в более крупном масштабе.

Нанотехнология : проектирование, характеристика, производство и применение структур, устройств и систем путем контроля формы и размера на наноуровне.

Наноматериал : материал с одним или несколькими внешними размерами или внутренней структурой, который может проявлять новые характеристики по сравнению с тем же материалом без наноразмерных характеристик.

Наночастица : частица с одним или несколькими размерами в наномасштабе. (Примечание: в настоящем отчете считается, что наночастицы имеют два или более размеров в наномасштабе).

Нанокомпозит : Композит, в котором по крайней мере одна из фаз имеет по крайней мере одно измерение в наномасштабе.

Наноструктурный : имеющий структуру в наномасштабе,

Следует отметить, что нанонаука и нанотехнология быстро развивались в последние годы, и что словарный запас, используемый в соответствующих дисциплинах, не был последовательным в течение этого времени. Кроме того, как отмечается в этом отчете, были и остаются серьезные трудности с точным измерением параметров наномасштаба, так что не всегда можно быть полностью уверенным в данных и выводах, сделанных в отношении конкретных явлений, касающихся к особенностям наноструктур и наноматериалов. Это Мнение признает неизбежность такой ситуации и делает некоторые общие выводы, зная, что литература может содержать несоответствия и неточности. Таким образом, несмотря на то, что в этом Заключении используется определение, согласно которому наноразмеры теперь следует рассматривать как охватывающие размеры до 100 нм, в нем признается, что в некоторых источниках наноразмеры представляются как имеющие размеры, превышающие 100 нм. В большей части литературы, посвященной частицам, особенно в том, что касается аэрозолей, загрязнения воздуха и ингаляционной токсикологии, частицы упоминаются как сверхтонкие, мелкодисперсные или обычные. В этом отчете предполагается, что, если не указано иное, «сверхмелкие частицы» по существу эквивалентны наночастицам.

Также в отношении наночастиц необходимо иметь в виду, что образец вещества, который содержит наночастицы, не будет монодисперсным, а обычно будет содержать частицы разного размера. Это еще больше затрудняет точную оценку параметров наноразмера, особенно при рассмотрении доз для токсикологических исследований. В этом мнении часто делается ссылка на исследования воздействия и токсикологические данные, касающиеся частиц, и размер частиц, указанный в документах, указывается либо в виде отдельных цифр (например, 40 нм), либо в виде диапазонов (например, 40–80 нм), признавая, что они будут приближения.

Более того, в некоторых ситуациях наночастицы имеют тенденцию к агрегации. Можно предположить, что совокупность наночастиц, размеры которых могут измеряться в микронах, а не в нанометрах, будет вести себя иначе, чем отдельные наночастицы, но в то же время нет оснований ожидать, что совокупность будет вести себя как одна крупная частица. В равной степени можно ожидать, что поведение наночастиц будет зависеть от их растворимости и склонности к разложению, и что ни химический состав, ни размер частиц не гарантированно останутся постоянными во времени.

Принимая во внимание приведенные выше определения и предостережения, становится ясно, что в том, что касается внутренних свойств и рисков для здоровья, необходимо учитывать два типа наноструктур: те, в которых сама структура представляет собой свободную частицу, и те, в которых наноструктура является неотъемлемым признаком более крупного объекта.

В последнюю группу входят нанокомпозиты, представляющие собой твердые материалы, в которых одна или несколько дисперсных фаз присутствуют в виде наноразмерных частиц, и нанокристаллические твердые вещества, в которых отдельные кристаллы имеют наноразмерные размеры. В эту группу также входят объекты, которым придан рельеф поверхности с чертами наноразмерного размера, и функциональные компоненты, имеющие критические черты нанометрового размера, в первую очередь в том числе электронные компоненты. . Для медицинских целей модификацию поверхности можно получить, используя специальные покрытия, состоящие из наноразмерных материалов (Roszek et al 2005). Это Мнение признает существование таких материалов и продуктов, а также признает, что свойства материалов наноразмеров могут влиять на взаимодействие с живыми системами. Однако, хотя наука о взаимодействиях между биологическими системами и нанотопографическими элементами быстро развивается, очень мало известно о том, что такие взаимодействия могут вызывать неблагоприятные последствия. Риск будет зависеть от силы сцепления с материалом носителя и связан с высвобождением во время использования или в конце срока службы продукта. Пока наноматериалы закреплены на поверхности носителя, в настоящее время нет оснований предполагать, что иммобилизованные наночастицы представляют больший риск для здоровья или окружающей среды, чем материалы большего размера.

Именно первая группа, включающая свободные наночастицы, вызывает большую обеспокоенность в отношении риска для здоровья и является предметом основной части настоящего заключения. Термин «свободный» следует уточнить, поскольку он подразумевает, что на каком-то этапе производства или использования рассматриваемое вещество состоит из отдельных частиц наноразмерных размеров. При применении вещества эти отдельные частицы могут быть включены в некоторое количество другого вещества, которое может быть газом, жидкостью или твердым веществом, обычно для получения пасты, геля или покрытия. Эти частицы по-прежнему можно считать свободными, хотя их биодоступность зависит от природы фазы, в которой они диспергированы. Ультрадисперсные аэрозоли и коллоиды, косметика на основе крема и фармацевтические препараты могут быть включены в эту категорию, и именно этим примерам посвящена большая часть недавней работы по рискам для здоровья, связанным с нанотехнологиями.

В этом заключении в основном обсуждаются потенциальные риски, связанные с производством и использованием продуктов, содержащих инженерные наноматериалы. Наноструктуры биологического происхождения, такие как белки, фосфолипиды, липиды и т. д., в данном контексте не рассматриваются.

Источник & ©: SCENIHR  Пригодность существующих методологий для оценки потенциальных рисков, связанных с искусственными и случайными продуктами нанотехнологий (2006 г.),
3.1 Введение, стр. 7

Почему я написал детскую книгу о нанонауке

Инновации, основанные на нанонауке, могут изменить жизнь людей, помогая получать чистую питьевую воду и более экологичный общественный транспорт, а также продвигая достижения в области здравоохранения и медицинских исследований. Но для успешного переноса нанонауки из лаборатории в реальный мир требуется общество, которое доверяет, принимает и ценит наши открытия. «Нанофобия», описывающая страх и нервозность, связанные с сверхмалыми размерами, является подлинным явлением, и некоторые из надуманных ранних прогнозов в отношении нанотехнологий не помогли укрепить общественную поддержку.

«Наноботы», например, потенциально могут применяться для адресной доставки лекарств и очистки окружающей среды. Когда о них было объявлено в начале 2000-х, средства массовой информации сравнили их механизмы репликации с вирусами. Предсказания о том, что они могут завладеть человеческим мышлением и уничтожить мир, разжигали ненужный страх.

Nature Index 2022 Нанонаука и нанотехнологии

Вакцина мРНК COVID-19 — еще один пример, который показывает, как много работы нам предстоит проделать. Вакцина доставляет мРНК через липидные наночастицы, которые сообщают иммунной системе о необходимости вырабатывать антитела для борьбы с COVID-19.. Наноразмер липосом позволяет им эффективно перемещаться в определенные места внутри клеток, где они переносят мРНК, которая инструктирует клетки производить белки, запускающие иммунный ответ. Липосомы безвредно разлагаются после выполнения своей работы.

Пандемия COVID-19 была первым случаем, когда подобная технология вакцины на основе наночастиц была произведена в глобальном масштабе, и усилия по просвещению общественности в отношении ее безопасности и эффективности не оправдались, поскольку правительства поспешили вакцинировать население. В Интернете распространялась вводящая в заблуждение информация о здоровье, а необоснованный страх перед очень маленькими людьми способствовал широко распространенной нерешительности в отношении вакцин, что, вероятно, привело к сотням тысяч предотвратимых смертей.

Эффективные образовательные кампании требуют междисциплинарной сети коммуникаторов с различными точками зрения, чтобы рассказать людям о преимуществах нанотехнологий. Они также могут помочь в повышении осведомленности о реальных проблемах, связанных с окружающей средой и здоровьем, таких как токсичность наночастиц, которые выщелачиваются в окружающую среду, для обеспечения того, чтобы работа по их решению освещалась и финансировалась.

Взаимодействие с общественностью — это не только борьба с дезинформацией. Как ученые, большая часть наших исследований финансируется налогоплательщиками: мы несем моральную ответственность за то, чтобы сообщать о результатах наших открытий людям, которые платят нам зарплату. Мы также несем ответственность за то, чтобы вдохновлять и мотивировать будущие поколения наноученых, которые, как мы надеемся, будут более разнообразными, чем предыдущие поколения.

В Имперском колледже Лондона моя работа сосредоточена на наноструктурах хиральных полупроводников и на том, как эти наноструктуры влияют на их электронные и фотофизические свойства. Я работаю в Лондонском центре нанотехнологий, одном из крупнейших, самых междисциплинарных и наиболее тесно взаимодействующих нанотехнологических центров в мире. Когда я учился в школе, я понятия не имел, что такие профессии, как моя, вообще существуют. Теперь я хочу, чтобы все увидели, насколько захватывающей и полезной может быть карьера в нанонауке.

Я использовал множество подходов к научной коммуникации, включая фестивали науки, подкасты, школьные семинары и поэтические слэмы. Я писал страницы по темам, связанным с нанонаукой, для Википедии и совсем недавно решил объяснить нанонауку в детской книжке с картинками. Вместе с отмеченным наградами иллюстратором Мелиссой Кастрильон я написал книгу Nano: The Spectacular Science of the Very (Very) Small (опубликована Walker в феврале). Nano — первая научно-популярная книга Мэл, и она почти не взялась за нее, так как ее друзья-иллюстраторы предупредили, что нанонаука будет очень скучным предметом.

Моим редакторам пришлось немало потрудиться, чтобы убедить меня в том, что не каждый шестилетний ребенок хочет знать о рамановской спектроскопии столько же, сколько я, но наблюдая за тем, как Мел расшифровывает красоту наноразмерных структур и визуализирует хаотичную и прекрасную атмосферу лаборатория была захватывающей. Это все равно, что снова и снова открывать, насколько невероятна нанонаука.

С тех пор мы проводим онлайн и очные интерактивные семинары по нано для детей, обучая самых, очень молодых исследователей тому, как рисовать сложные кристаллические структуры и углеродные аллотропы, а также обсуждать их через отношения структура-свойство. Дети читают эти книги в библиотеках, классах и дома, делясь тем, что они узнают, с учителями и родителями. Обновление школьных и университетских программ с учетом открытий и применений нанонауки может помочь вдохновить научных лидеров завтрашнего дня. Благодаря детальным обсуждениям рисков и преимуществ сверхмалой науки и новых способов обучения следующего поколения мы повысим общественное доверие, понимание и энтузиазм.

Эта статья является частью журнала Nature Index 2022, посвященного нанонауке и нанотехнологиям, независимого редакторского дополнения. Рекламодатели не имеют никакого влияния на содержание.

Конкурирующие интересы

Автор заявляет об отсутствии конкурирующих интересов.

Nanoscience in Dermatology — 1st Edition

Select country/regionUnited States of AmericaUnited KingdomAfghanistanÅland IslandsAlbaniaAlgeriaAmerican SamoaAndorraAngolaAnguillaAntigua and BarbudaArgentinaArmeniaArubaAustraliaAustriaAzerbaijanBahamasBahrainBangladeshBarbadosBelgiumBelizeBeninBermudaBhutanBoliviaBonaire, Sint Eustatius and SabaBosnia and HerzegovinaBotswanaBrazilBritish Indian Ocean TerritoryBritish Virgin IslandsBruneiBulgariaBurkina FasoBurundiCambodiaCameroonCanadaCanary IslandsCape VerdeCayman IslandsCentral African RepublicChadChileChinaChristmas IslandCocos (Keeling) IslandsColombiaComorosCongoCook IslandsCosta RicaCroatiaCubaCuraçaoCyprusCzech RepublicDemocratic Republic of КонгоДанияДжибутиДоминикаДоминиканская РеспубликаЭквадорЕгипетСальвадорЭкваториальная ГвинеяЭритреяЭстонияЭфиопияФолклендские (Мальвинские) островаФарерские островаФедеративные Штаты МикронезияФиджиФинляндияФранцияФранцузская ГвианаФранцузская ПолинезияГабонГамбияГрецияГерманияГанаГибралтарГреция eGreenlandGrenadaGuadeloupeGuamGuatemalaGuernseyGuineaGuinea-BissauGuyanaHaitiHondurasHong KongHungaryIcelandIndiaIndonesiaIranIraqIrelandIsle of ManIsraelItalyJamaicaJapanJerseyJordanKazakhstanKenyaKiribatiKuwaitKyrgyzstanLaoLatviaLesothoLiberiaLibyaLiechtensteinLuxembourgMacaoMacedoniaMadagascarMalawiMalaysiaMaldivesMaliMaltaMarshall IslandsMartiniqueMauritaniaMauritiusMayotteMexicoMoldovaMonacoMongoliaMontenegroMontserratMoroccoMozambiqueMyanmarNamibiaNepalNetherlandsNew CaledoniaNew ZealandNicaraguaNigerNiueNorfolk IslandNorth KoreaNorthern Mariana IslandsNorwayOmanPakistanPalauPanamaPapua New GuineaParaguayPeruPhilippinesPitcairnPolandPortugalPuerto RicoQatarRéunionRomaniaRwandaSaint BarthélemySaint HelenaSaint Kitts and NevisSaint LuciaSaint Martin (French part)Saint Pierre and MiquelonSaint Vincent and the GrenadinesSamoaSan MarinoSao Tome and PrincipeSaudi ArabiaSenegalSerbiaSeychellesSierra LeoneSingaporeSint Maarten (Dutch part)SlovakiaSloveniaSolomon IslandsSomaliaSouth Afri caSouth Georgia and the South Sandwich IslandsSouth KoreaSouth SudanSpainSri LankaSudanSurinameSvalbard and Jan MayenSwazilandSwedenSwitzerlandSyriaTaiwanTajikistanTanzaniaThailandTimor LesteTogoTokelauTongaTrinidad and TobagoTunisiaTurkeyTurkmenistanTurks and Caicos IslandsTuvaluUgandaUkraineUnited Arab EmiratesUruguayUS Virgin IslandsUzbekistanVanuatuVatican CityVenezuelaVietnamWallis and FutunaWestern SaharaYemenZambiaZimbabwe

Варианты покупки

Bundle (в мягкой обложке, электронная книга) 50% скидка $ 340,00 $ 170,00

Печать — в мягкой обложке $ 170,00 AviaLable

$ 170. 00

. Нет минимального заказа

Описание

Нанонаука в дерматологии охватывает одну из двух наиболее быстро развивающихся областей дерматологической науки, нанонауку и нанотехнологию в дерматологии. В последнее время достигнут большой прогресс в исследованиях и разработках нанотехнологий и наноматериалов, связанных с различными приложениями в медицине и в целом в науках о жизни. Растет энтузиазм в отношении применения нанотехнологий в дерматологии (доставка лекарств, диагностика, терапия, визуализация, датчики и т. д.) для понимания биологии кожи, улучшения раннего выявления и лечения кожных заболеваний, а также для разработки и оптимизации косметики. Недавно были исследованы светочувствительные наночастицы, что открыло новую эру для комбинированного применения света с нанотехнологиями, также называемой фотонанодерматологией. Однако были высказаны опасения относительно неблагоприятных последствий преднамеренного и непреднамеренного воздействия наночастиц и их токсичности. Эта книга, написанная экспертами, работающими в этих захватывающих областях, широко охватывает приложения нанотехнологий, а также основы и аспекты токсичности. В нем не только рассматриваются текущие применения нанотехнологий, но также обсуждаются будущие тенденции в этих постоянно растущих и быстро меняющихся областях, что дает ученым и дерматологам четкое представление о преимуществах и проблемах нанотехнологий в медицине кожи.

Основные характеристики

• Предоставляет знания о текущих и будущих применениях нанонауки и нанотехнологий в дерматологии
• Описывает основы, методы, аспекты токсичности и другие важные аспекты применения нанотехнологий в дерматологии
• Последовательно структурированная книга, написанная экспертами, работающими в охватываемых областях

Читательская аудитория

Исследователи и аспиранты в области биомедицины, дерматологии, нанотехнологии/наномедицины, медицины/биоинженерии, биотехнологии, фармацевтики, молекулярной биологии и лечения рака. Дерматологи и другие врачи

Table of Contents

• • Dedication
  • Preface
  • Chapter 1. Anatomy and Function of the Skin
    • Introduction
    • The Epidermis
    • Dermis
    • Hypodermis
    • Epidermal Appendages
    • Functions of the Skin
    • Заключение
  • Глава 2. Основы нанонауки (и нанотехнологии)
    • Введение
    • Различные виды наноматериалов
    • Physical and Chemical Properties
    • Synthesis of Nanomaterials
    • Conclusion
  • Chapter 3. An Overview of Nanomaterials in Dermatology
    • Introduction
    • Therapeutic Roles of Nanomaterials
    • Cosmetic Roles of Nanomaterials
    • Diagnostic Roles of Nanomaterials
    • Вопросы безопасности
    • Выводы
    • Глоссарий
    • Список сокращений и сокращений
  • Глава 4. Клиническое воздействие и безопасность пациентов: потенциал микроигл в изменении формы и восприятия чрескожной доставки лекарств
    • Введение
    • Материалы для микроигл: от концепции до настоящего времени
    • Возможное применение в будущем
    • Обеспечение доверия пациентов к микроиглам
    • Мнения пациентов и медицинских работников о микроиглах
    • Обеспечение безопасности пациентов: риск инфекции и иммунная реакция
    • Вопросы регулирования: новая лекарственная форма или существующая система доставки?
    • Microneedles as a Viable Commercial Technology
    • Conclusion
    • Expectations for Microneedle Technology
  • Chapter 5. Inorganic Nanoparticles for Transdermal Drug Delivery and Topical Application
    • Introduction
    • Design Criteria of Inorganic Nanoparticles
    • Inorganic Nanoparticles Used for Transdermal Доставка лекарств
    • Неорганические наночастицы для местного применения
    • Заключение
  • Глава 6. Биоразлагаемые, биосовместимые и биоконъюгатные материалы в качестве агентов доставки в дерматологии: безопасная доставка лекарств для кожи
    • ВВЕДЕНИЕ
    • Типы Nanocarriers
    • Nanocarrier Biodegabilitible и Biosparios Listemabile и Biogripi -Liation
    • .
  • Глава 7. Пептидные дендримеры в доставке биоактивных молекул к коже
    • Введение
    • Структура дендримеров
    • Типы дендримеров
    • Применение дендримеров для доставки лекарств
    • Что отличает дендримеры от других наночастиц?
    • Повышение растворимости лекарств с помощью дендримера
    • Пептидные дендримеры: альтернативный класс дендримеров
    • Синтез пептидных дендримеров
    • Преимущества пептидных дендримеров
    • Трансдермальная доставка лекарств
    • 6
    • Ideals0096
    • Stratum Corneum: Impediment to Transdermal Drug Delivery
    • Transdermal Drug Delivery Approaches
    • Peptide Dendrimers in Transdermal Drug Delivery
    • Conclusion
    • List of Acronyms and Abbreviations
    • Glossary
  • Chapter 8. Insights Into Interactions of Gold Nanoparticles Воздействие на кожу и потенциальное применение в дерматологии
    • Введение
    • Применение наночастиц золота в дерматологии
    • Взаимодействие наночастиц золота с кожным барьером
    • Потенциальные механизмы проникновения кожи наночастиц золота
    • будущие перспективы и рекомендации
    • Заключение
    • СПИСОК ИСПРАВЛЕНИЯ И ВСЕГО НАЗАЦИИ

    6

    • СПИСОК ИСПРАВЛЕНИЯ И СПАСИДЕНИЯ
    • .
    • Наночастицы и кожа
    • Нанопрепараты для кожи
    • Гибкие наночастицы и нановезикулы
    • Metal Oxide Nanoparticles
    • Solid Lipid Nanoparticles
    • Nanostructured Lipid Carriers
    • Polymer-Based Nanoparticles
    • Combination of Nanoparticles With Penetration Enhancers
    • Nanoparticles for Targeted Delivery to the Hair Follicles and Sebaceous Glands
    • Conclusion
  • Chapter 10. Высвобождающие оксид азота наночастицы в качестве противомикробного терапевтического средства
    • Введение
    • Оксид азота: физические характеристики и физиологическая роль
    • Наночастицы оксида оксида азота: характеристики
    • Наночастицы, высвобождающие оксид азота, в качестве антибактериального агента
    • Освобождения оксида азота. : пробелы, факты и перспективы
      • Краткое введение в кожный лейшманиоз: текущее состояние болезни и терапии
      • Функции кожи в кожных поражениях лейшманиоза: хроническое воспаление
      • Обращение вокруг эффективности паромомицина: оптимизация терапии
      • наночастиц в тематической терапии кожных лишманиозов
      • 999999999 гг.
    • Глава 12. Нанопули на основе нанотехнологий для доставки противопсориатических препаратов: современное состояние
      • Introduction
      • Pathophysiology and Pharmacotherapy for Psoriasis
      • Nanomedicines for Antipsoriatic Drug Therapy
      • Conclusion
    • Chapter 13. Nanoparticles for Treatment of Atopic Dermatitis
      • Atopic Dermatitis
      • Pathophysiology
      • Clinical Features
      • Epidemiology
      • Treatment
    • Глава 14. Проблемы и возможности тераностики на основе наночастиц при раке кожи
      • Introduction
      • Nanoparticles in Cancer Theranostics
      • Nanoparticles for Transdermal Drug Delivery
      • Skin Cancers
      • Conclusions
      • Glossary
      • List of Acronyms and Abbreviations
    • Chapter 15. Nanodelivery of Anticancer Agents in Melanoma: Encouraging, But Долгий путь
      • Введение
      • Потенциальные преимущества нанодоставки в терапии меланомы
      • Примеры систем доставки лекарств с помощью наночастиц, имеющих отношение к меланоме
      • Nanotechnology in the Chemotherapy of Melanoma
      • Nanotechnology in Targeted Therapy Against Melanoma
      • Nanotechnology in Targeting Mitochondrial Apoptotic Pathway
      • Nanotechnology in Melanoma Immunotherapy
      • Nanotechnology in Combination Therapy of Melanoma
      • Conclusions
    • Chapter 16. Targeted Nanoparticles для доставки лекарств к меланоме: от скамейки до постели больного
      • Введение
      • Направленная доставка лекарств наночастицами для терапии меланомы
      • Наномедицина в меланоме Клинические испытания
      • Заключение и перспективы
      • Список аббревиатуры и сокращений
    • Глава 17. Потенциал для увеличенных наночастных наночастных

    999 гг. воздействия металлических наночастиц на опухолевые ткани

    • Применение металлических наночастиц в брахирадиации при немеланомном раке кожи
    • Заключение и перспективы
    • Список сокращений и сокращений
  • Глава 18. Нанотехнология в фотозащите
    • ВВЕДЕНИЕ
    • ИНОРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТЕТРЫ: NANO TIO2 и ZNO
    • ONRANICLIOL FORTOLOL
    • NANALOL.
    • Нормативная база наночастиц в солнцезащитных кремах
    • Заключение
  • Глава 19. Наноэмульсии для предотвращения фотостарения
    • Introduction
    • Skin Permeability
    • Skin Aging
    • Antiaging Cosmetics
    • Nanoemulsions
    • Other Nanocarriers: Liposomes, Nisosomes, and Dendrimers
    • Nanoemulsions Applied for Prevention and Treatment of Photoaging
    • Conclusion
    • Glossary
    • List of Acronyms и сокращения
  • Глава 20. Отделение опасности от риска при использовании солнцезащитных средств, содержащих наночастицы оксидов металлов
    • Введение
    • Отделение нанотоксичности in vitro от риска для здоровья человека
    • Исследования ex vivo, изучающие прохождение наночастиц через здоровую неповрежденную кожу, практически не показывают проникновение частиц
    • Исследования in vivo, изучающие прохождение наночастиц через кожу, выделяют переменные, которые могут Влияние проникновения наночастиц
    • Остающиеся пробелы в знаниях
    • Выводы
    • Список сокращений и сокращений
    • Glossary
  • Chapter 21. Nanoparticle Oxygen Sensing in Skin
    • Introduction
    • Oxygen Sensing Based on Phosphorescence Quenching
    • Oxygen Sensing Based on Magnetic Resonance Techniques
    • Conclusions and Future Directions
  • Chapter 22. Investigating the Intracellular Динамика наночастиц, нагруженных гиперицином, и поливинилпирролидон-гиперицин с помощью корреляционной спектроскопии изображений
    • Введение
    • Distribution of the Nanoparticles and Hypericin in the Living Cells
    • Image Correlation Spectroscopy
    • Image Collection for Different Variants of ICS
    • Intracellular Dynamics of PLLA-Hyp Nanoparticles and PVP-Hyp
    • Conclusion
    • List of Acronyms and Abbreviations
  • Глава 23. Ускоренное заживление ран с помощью наночастиц
    • Заживление ран
    • Наночастицы
    • Применение наночастиц в заживлении ран
    • Антимикробные применения
    • воспаление Stemming
    • Стимулирование пролиферации
    • Доставка и элюирование биологических факторов
    • ГЕНИЯ ТЕРАПРИЯ
    • ЗРИЗАЦИЯ
    • NITRIC.
    • Список сокращений и сокращений
  • Глава 24. Миграция квантовых точек через естественные барьеры и распределение в коже
    • Введение
    • кожа в качестве барьера
    • Quantum Dots
    • Заключение
  • Глава 25. Наномедицины для глаз: текущее состояние и будущее развитие
    • Введение
    • Барьеры.
    • Нанопрепараты для глазного применения
    • Новые нанопрепараты для глазного введения
    • Производство нанопрепаратов
    • Характеристика нанопрепаратов
    • Выпуск наркотиков
    • Заключение и перспективы будущих
  • Глава 26. Нанотехнологии биоинспирации для регенерации кожи
    • Введение в кожу Анатомию
    • Границы. каркасов для регенерации кожи
    • Заключение
  • Глава 27. Визуализация проникновения наночастиц в кожу человека
    • ВВЕДЕНИЕ
    • Структура кожи и барьерные функции при проникновении наночастиц
    • Неинвазивные методы микроскопии
    • Заключения и перспективы
    • . Механизмы действия эпидермального фактора роста
    • Местная доставка эпидермального фактора роста
    • Нановолокна, загруженные эпидермальным фактором роста
    • Заключение
    • Глоссарий
  • ИНДЕКС

Детали продукта

• № Страницы: 402
• Язы Выходные данные: Academic Press
• ISBN в мягкой обложке: 9780128029268
• ISBN электронной книги: 9780128029459

О редакторах

Майкл Хэмблин

Майкл Р. Хэмблин, доктор философии является главным исследователем в Центре фотомедицины Веллмана в Массачусетской больнице общего профиля, доцентом дерматологии в Гарвардской медицинской школе и членом дочернего факультета Гарвардского отделения Массачусетского технологического института медицинских наук и технологий. Он получил образование химика-органика и получил докторскую степень в Трентском университете в Англии. Его исследовательские интересы лежат в области фотодинамической терапии (ФДТ) при инфекциях, раке и сердечных заболеваниях, а также низкоуровневой светотерапии (НИЛТ) для заживления ран, артрита, черепно-мозговой травмы и восстановления роста волос. Он руководит лабораторией из шестнадцати докторантов, приглашенных ученых и аспирантов. Его исследовательская программа поддерживается NIH, CDMRP, USAFOSR и CIMIT среди других финансирующих агентств. Он опубликовал 252 рецензируемых статьи, более 150 материалов конференций, глав книг и международных рефератов и имеет 8 патентов. Он является заместителем редактора 7 журналов, входит в редакционную коллегию еще 12 журналов и работает в исследовательских секциях NIH. За последние 9лет доктор Хамблин возглавлял ежегодную конференцию SPIE Photonics West под названием «Механизмы низкоуровневой светотерапии» и редактировал 9 томов трудов вместе с четырьмя другими крупными учебниками по ФДТ и фотомедицине. У него есть несколько других книжных проектов, находящихся на разных стадиях завершения. В 2011 году д-р Хэмблин был избран членом SPIE.

Принадлежности и опыт

Гарвардская медицинская школа, Кембридж, Массачусетс, США

Пинар Авчи

Пинар Авчи, доктор медицинских наук, научный сотрудник Центра фотомедицины Веллмана Массачусетской больницы общего профиля и отделения дерматологии Гарвардской медицинской школы, Бостон, США. Она получила степень доктора медицинских наук в области общей медицины в Университете Земмельвайса и в настоящее время работает над докторской диссертацией на кафедре дерматологии, венерологии и дерматоонкологии Университета Земмельвейса, Будапешт, Венгрия. В настоящее время она проводит исследования в области фотодинамической терапии (ФДТ) — локального подхода к лечению рака и инфекций и его влияния на развитие противоопухолевого иммунитета.

Принадлежности и опыт

Научный сотрудник кафедры дерматологии Гарвардской медицинской школы, Кембридж, Массачусетс, США

Тарл Проу

В 2004 году доктор Проу получил докторскую степень. из Техасского университета в области наномедицины. Затем он получил постдокторскую степень, финансируемую T32, в Институте глаза Уилмера в больнице Джона Хопкинса и работал там до тех пор, пока в 2007 году не переехал в Университет Квинсленда в Брисбене, Австралия. В 2011 году доктор Проу стал заместителем директора отдела дерматологических исследований.