В молекулах фуллеренов атомы углерода расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида. Самый симметричный и наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов — [60]фуллерен (C60), в котором углеродные атомы образуют усеченный икосаэдр, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и напоминающий футбольный мяч. Так как каждый атом углерода фуллерена С60 принадлежит одновременно двум шести- и одному пятиугольнику, то все атомы в С60 эквивалентны, что подтверждается спектром ядерного магнитного резонанса (ЯМР) изотопа 13С — он содержит всего одну линию. Однако не все связи С-С имеют одинаковую длину. Связь С=С, являющаяся общей стороной для двух шестиугольников, составляет 1.39 Å, а связь С-С, общая для шести- и пятиугольника, длиннее и равна 1.44 Å [5]. Кроме того, связь первого типа двойная, а второго — одинарная, что существенно для химии фуллерена С60.
Следующим по распространённости является фуллерен C70, отличающийся от фуллерена C60 вставкой пояса из 10 атомов углерода в экваториальную область C60, в результате чего молекула C70 оказывается вытянутой и напоминает своей формой мяч для игры в регби.
Так называемые высшие фуллерены, содержащие большее число атомов углерода (до 400), образуются в значительно меньших количествах и часто имеют довольно сложный изомерный состав. Среди наиболее изученных высших фуллеренов можно выделить C n, n =74, 76, 78, 80, 82 и 84.
[править] Синтез фуллеренов
Первые фуллерены выделяли из конденсированных паров графита, получаемых при лазерном облучении твёрдых графитовых образцов. Фактически, это были следы вещества. Следующий важный шаг был сделан в 1990 году В. Кретчмером, Лэмбом, Д. Хаффманом и др., разработавшими метод получения граммовых количеств фуллеренов путём сжигания графитовых электродов в электрической дуге в атмосфере гелия при низких давлениях.[6]. В процессе эрозии анода на стенках камеры оседала сажа, содержащая некоторое количество фуллеренов. Довольно скоро удалось подобрать оптимальные параметры испарения электродов (давление, состав атмосферы, ток, диаметр электродов), при которых достигается наибольший выход фуллеренов, составляющий в среднем 3-12 % материала анода, что, в конечном счёте, определяет высокую стоимость фуллеренов.
На первых порах все попытки экспериментаторов найти более дешёвые и производительные способы получения граммовых количеств фуллеренов (сжигание углеводородов в пламени[7], химический синтез[8] и др.) к успеху не привели и метод «дуги» долгое время оставался наиболее продуктивным (производительность около 1 г/час)[9]. Впоследствии, фирме Мицубиси удалось наладить промышленное производство фуллеренов методом сжигания углеводородов, но такие фуллерены содержат кислород и поэтому дуговой метод по-прежнему остаётся единственным подходящим методом получения чистых фуллеренов.
Механизм образования фуллеренов в дуге до сих пор остаётся неясным, поскольку процессы, идущие в области горения дуги, термодинамически неустойчивы, что сильно усложняет их теоретическое рассмотрение. Неопровержимо удалось установить только то, что фуллерен собирается из отдельных атомов углерода (или фрагментов С2). Для доказательства в качестве анодного электрода использовался графит 13С высокой степени очистки, другой электрод был из обычного графита 12С. После экстракции фуллеренов, было показано методом ЯМР, что атомы 12С и 13С расположены на поверхности фуллерена хаотично. Это указывает на распад материала графита до отдельных атомов или фрагментов атомного уровня и их последующую сборку в молекулу фуллерена. Данное обстоятельство заставило отказаться от наглядной картины образования фуллеренов в результате сворачивания атомных графитовых слоёв в замкнутые сферы.
Сравнительно быстрое увеличение общего количества установок для получения фуллеренов и постоянная работа по улучшению методов их очистки привели к существенному снижению стоимости С60 за последние 17 лет — с 10000$ до 10-15$ за грамм[10], что подвело к рубежу их реального промышленного использования.
К сожалению, несмотря на оптимизацию метода Хаффмана — Кретчмера (ХК), повысить выход фуллеренов более 10-20 % от общей массы сожжённого графита не удаётся. Если учесть относительно высокую стоимость начального продукта — графита, становится ясно, что этот метод имеет принципиальные ограничения. Многие исследователи полагают, что снизить стоимость фуллеренов, получаемых методом ХК, ниже нескольких долларов за грамм не удастся. Поэтому усилия ряда исследовательских групп направлены на поиск альтернативных методов получения фуллеренов. Наибольших успехов в этой области достигла фирма Мицубиси, которой, как уже говорилось выше, удалось наладить промышленный выпуск фуллеренов методом сжигания углеводородов в пламени. Стоимость таких фуллеренов составляет около 5$/грамм (2005 год), что никак не повлияло на стоимость электродуговых фуллеренов.
Необходимо отметить, что высокую стоимость фуллеренов определяет не только их низкий выход при сжигании графита, но и сложность выделения, очистки и разделения фуллеренов различных масс из углеродной сажи. Обычный подход состоит в следующем: сажу, полученную при сжигании графита, смешивают с толуолом или другим органическим растворителем (способным эффективно растворять фуллерены), затем смесь фильтруют или отгоняют на центрифуге, а оставшийся раствор выпаривают. После удаления растворителя остается тёмный мелкокристаллический осадок — смесь фуллеренов, называемый обычно фуллеритом. В состав фуллерита входят различные кристаллические образования: мелкие кристаллы из молекул С60 и С70 и кристаллы С60/С70, являются твёрдыми растворами. Кроме того, в фуллерите всегда содержится небольшое количество высших фуллеренов (до 3 %). Разделение смеси фуллеренов на индивидуальные молекулярные фракции производят с помощью жидкостной хроматографии на колонках и жидкостной хроматографии высокого давления (ЖХВД). Последняя используется главным образом для анализа чистоты выделенных фуллеренов, так как аналитическая чувствительность метода ЖХВД очень высока (до 0.01 %). Наконец, последний этап — удаление остатков растворителя из твёрдого образца фуллерена. Оно осуществляется путём выдерживания образца при температуре 150—250 oС в условиях динамического вакуума (около 0.1 торр).
Соединения, подобные фуллеренам, образуются при авариях на ядерных объектах с графитовыми стержнями-ограничителями (возможно, например, в Чернобыльской катастрофе). Учитывая достаточно высокую биологическую проницаемость этих углеродных соединений и возможность несения в своей полости атома урана или другого неустойчивого элемента, они могут нести ответственность за некоторые аутосоматические формы лучевой болезни.
[править] Физические свойства и прикладное значение фуллеренов
[править] Фуллериты
Конденсированные системы, состоящие из молекул фуллеренов, называются фуллеритами. Наиболее изученная система такого рода — кристалл С60, менее — система кристаллического С70. Исследования кристаллов высших фуллеренов затруднены сложностью их получения. Атомы углерода в молекуле фуллерена связаны σ- и π- связями, в то время как химической связи (в обычном смысле этого слова) между отдельными молекулами фуллеренов в кристалле нет. Поэтому в конденсированной системе отдельные молекулы сохраняют свою индивидуальность (что важно при рассмотрении электронной структуры кристалла). Молекулы удерживаются в кристалле силами Ван-дер-Ваальса, определяя в значительной мере макроскопические свойства твёрдого C60.
При комнатных температурах кристалл С60 имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) решётку с постоянной 1.415 нм, но при понижении температуры происходит фазовый переход первого рода (Ткр≈260 К) и кристалл С60 меняет свою структуру на простую кубическую (постоянная решётки 1.411 нм)[11]. При температуре Т > Ткр молекулы С60 хаотично вращаются вокруг своего центра равновесия, а при её снижении до критической две оси вращения замораживаются. Полное замораживание вращений происходит при 165 К. Кристаллическое строение С70 при температурах порядка комнатной подробно исследовалось в работе[12]. Как следует из результатов этой работы, кристаллы данного типа имеют объёмноцентрированную (ОЦК) решётку с небольшой примесью гексагональной фазы.
[править] Нелинейные оптические свойства фуллеренов
Анализ электронной структуры фуллеренов показывает наличие π-электронных систем, для которых имеются большие величины нелинейной восприимчивости. Фуллерены действительно обладают нелинейными оптическими свойствами. Однако из-за высокой симметрии молекулы С60 генерация второй гармоники возможна только при внесении асимметрии в систему (например внешним электрическим полем). С практической точки зрения привлекательно высокое быстродействие (~250 пс), определяющее гашение генерации второй гармоники. Кроме того фуллерены С60 способны генерировать и третью гармонику[5].
Другой вероятной областью использования фуллеренов и, в первую очередь, С60 являются оптические затворы. Экспериментально показана возможность применения этого материала для длины волны 532 нм[10]. Малое время отклика даёт шанс использовать фуллерены в качестве ограничителей лазерного излучения и модуляторов добротности. Однако, по ряду причин фуллеренам трудно конкурировать здесь с традиционными материалами. Высокая стоимость, сложности с диспергированием фуллеренов в стёклах, способность быстро окисляться на воздухе, далеко не рекордные коэффициенты нелинейной восприимчивости, высокий порог ограничения оптического излучения (не пригодный для защиты глаз) создают серьёзные трудности в борьбе с конкурирующими материалами.
[править] Гидратированный фуллерен (HyFn);(С60@{H2O}n)
Молекула фуллерена, окруженная устойчивой гидратной оболочкой. Гидратная оболочка образуется вследствие донорно-акцепторного взаимодействия неподеленных пар электронов кислорода молекул воды с акцепторными центрами на поверхности фуллерена. При этом, молекулы воды, ориентированные вблизи поверхности фуллерена связаны между собой объёмной сеткой водородных связей. Таким образом, HyFn представляет собой сферический кластер, состоящий из упорядоченных слоёв водных молекул с молекулой фуллерена в центре[13] [1]
[править] Фуллерен в качестве материала для полупроводниковой техники
Молекулярный кристалл фуллерена является полупроводником с шириной запрещённой зоны ~1.5 эВ и его свойства во многом аналогичны свойствам других полупроводников. Поэтому ряд исследований был связан с вопросами использования фуллеренов в качестве нового материала для традиционных приложений в электронике: диод, транзистор, фотоэлемент и т. п. Здесь их преимуществом по сравнению с традиционным кремнием является малое время фотоотклика (единицы нс). Однако существенным недостатком оказалось влияние кислорода на проводимость плёнок фуллеренов и, следовательно, возникла необходимость в защитных покрытиях. В этом смысле более перспективно использовать молекулу фуллерена в качестве самостоятельного наноразмерного устройства и, в частности, усилительного элемента[14].
[править] Фуллерен как фоторезист
Под действием видимого (> 2 эВ), ультрафиолетового и более коротковолнового излучения фуллерены полимеризуются и в таком виде не растворяются органическими растворителями. В качестве иллюстрации применения фуллеренового фоторезиста можно привести пример получения субмикронного разрешения (≈20 нм) при травлении электронным пучком кремния с использованием маски из полимеризованной плёнки С60[10].
[править] Фуллереновые добавки для роста алмазных плёнок методом CVD
Другой интересной возможностью практического применения является использование фуллереновых добавок при росте алмазных плёнок CVD-методом (Chemical Vapor Deposition). Введение фуллеренов в газовую фазу эффективно с двух точек зрения: увеличение скорости образования алмазных ядер на подложке и поставка строительных блоков из газовой фазы на подложку. В качестве строительных блоков выступают фрагменты С2, которые оказались подходящим материалом для роста алмазной плёнки. Экспериментально показано, что скорость роста алмазных плёнок достигает 0.6 мкм/час, что в 5 раз выше, чем без использования фуллеренов. Для реальной конкуренции алмазов с другими полупроводниками в микроэлектронике необходимо разработать метод гетероэпитаксии алмазных плёнок, однако рост монокристаллических плёнок на неалмазных подложках остаётся пока неразрешимой задачей. Один из возможных путей решения этой проблемы — использование буферного слоя фуллеренов между подложкой и плёнкой алмазов. Предпосылкой к исследованиям в этом направлении является хорошая адгезия фуллеренов к большинству материалов. Перечисленные положения особенно актуальны в связи с интенсивными исследованиями алмазов на предмет их использования в микроэлектронике следующего поколения. Высокое быстродействие (высокая насыщенная дрейфовая скорость); максимальная, по сравнению с любыми другими известными материалами, теплопроводность и химическая стойкость делают алмаз перспективным материалом для электроники следующего поколения[10].
[править] Сверхпроводящие соединения с С60
Как уже говорилось, молекулярные кристаллы фуллеренов — полупроводники, однако в начале 1991 г. было установлено, что легирование твёрдого С60 небольшим количеством щелочного металла приводит к образованию материала с металлической проводимостью, который при низких температурах переходит в сверхпроводник. Легирование С60 производят путём обработки кристаллов парами металла при температурах в несколько сотен градусов Цельсия. При этом образуется структура типа X3С60 (Х — атом щелочного металла). Первым интеркалированным металлом оказался калий. Переход соединения К3С60 в сверхпроводящее состояние происходит при температуре 19 К. Это рекордное значение для молекулярных сверхпроводников. Вскоре установили, что сверхпроводимостью обладают многие фуллериты, легированные атомами щелочных металлов в соотношении либо Х3С60, либо XY2С60 (X,Y — атомы щелочных металлов). Рекордсменом среди высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) указанных типов оказался RbCs2С60 — его Ткр=33 К[15].
[править] Влияние малых добавок фуллереновой сажи на антифрикционные и противоизносные свойства ПТФЭ
Следует отметить, что присутствие фуллерена С60 в минеральных смазках инициирует на поверхностях контртел образование защитной фуллерено-полномерной пленки толщиной - 100 нм. Образованная пленка защищает от термической и окислительной деструкции, увеличивает время жизни узлов трения в аварийных ситуациях в 3-8 раз, термостабильность смазок до 400-500ºС и несущую способность узлов трения в 2-3 раза, расширяет рабочий интервал давлений узлов трения в 1,5-2 раза, уменьшает время приработки контртел.
[править] Другие области применения фуллеренов
Среди других интересных приложений следует отметить аккумуляторы и электрические батареи, в которых так или иначе используются добавки фуллеренов. Основой этих аккумуляторов являются литиевые катоды, содержащие интеркалированные фуллерены. Фуллерены также могут быть использованы в качестве добавок для получения искусственных алмазов методом высокого давления. При этом выход алмазов увеличивается на ≈30 %. Фуллерены могут быть также использованы в фармации для создания новых лекарств. Кроме того, фуллерены нашли применение в качестве добавок в интумесцентные (вспучивающиеся) огнезащитные краски. За счёт введения фуллеренов краска под воздействием температуры при пожаре вспучивается, образуется достаточно плотный пенококсовый слой, который в несколько раз увеличивает время нагревания до критической температуры защищаемых конструкций. Так же фуллерены и их различные химические производные используются в сочетании с полисопряжёнными полупроводящими полимерами для изготовления солнечных элементов.
Применение
Наноэлектроника
Диод
Полупроводниковые диоды изготавливаются из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c одним типом проводимости вплавляют капельки материала с другим типом проводимости.
Полупроводниковые диоды используются в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный.
Транзистор
На работе транзистора основаны все логические микросхемы. Название происходит от сочетания английских слов transfer – переносить и resistor – сопротивление. Для создания транзисторов обычно используют германий или кремний.
Обычный плоскостной (планарный) транзистор представляет собой тонкую полупроводниковую пластинку с электронным или дырочным типом проводимости, на которую нанесены участки другого полупроводника с противоположным типом проводимости. Пластинку транзистора называют базой (Б), одну из областей с противоположным типом проводимости – коллектором (К), а вторую – эмиттером (Э). В условных обозначениях транзистора стрелка эмиттера показывает направление тока через него.
В транзисторе маленький ток управляет большим. Это суть электроники.
Но управление не обязательно подразумевает усиление. Можно управлять сигналами, несущими информацию – логические нули и единицы. А это значит, что можно целенаправленно изменять хранимую информацию – то есть обрабатывать ее, что и делает микропроцессор, работая на двоичной логике.
Обычно транзистор включен так, что нулевое или положительное напряжение кодирует “0”, а отрицательное “1”. Пока цепь базы разомкнута, ток в цепи эмиттера практически не идет, так как для основных носителей свободного заряда переход заперт. Это состояние соответствует логическому “0”. При подаче отрицательного напряжения на базу дырки – основные носители заряда в эмиттере – переходят из него в базу, создавая в цепи ток, что соответствует логической “1”.
Таким образом, “0” на входе схемы запирает транзистор, а на выходе мы имеем опять “0”. Если же подать “1” на вход (базу транзистора), он откроется и выдаст “1” на эмиттере.
Современная технология производит полупроводниковые приборы – диоды, транзисторы, фотосенсоры размером в несколько микрометров.
Однако для дальнейшего развития техники возникла необходимость перехода на транзисторы нанометровых размеров. Ведь быстродействие компьютера напрямую зависит от количества транзисторов, которое удается разместить на единице площади. И первые попытки перешагнуть нанометровый рубеж уже дали хорошие результаты.
Cоединяя несколько транзисторов, можно получить все базовые логические схемы, необходимые для работы микропроцессора: "И", "ИЛИ", и "НЕ".
Первый нанотранзистор
Транзистор состоит из шести атомов углерода, помещенных между двумя золотыми электродами. Такой транзистор позволит уменьшить размер микросхем, тем самым повысив их производительность, и снизить энергопотребление, надеются авторы проекта. Однако повсеместное применение таких транзисторов отложено на несколько лет. Во-первых, из собранных образцов рабочими оказываются лишь 15%, во-вторых, пока нет технологии, позволяющей строить микросхемы с использованием таких транзисторов.
Ученые из Йельского университета и Южной Кореи впервые создали молекулярный транзистор, состоящий из шести атомов углерода, помещенных между двумя золотыми электродами. Хотя транзисторы, функция которых заключается в усилении или переключении направления тока, уже много десятилетий являются базовыми структурными элементами, эта разработка, как говорят ученые, является даже не техническим прорывам, а настоящим научным открытием.
Использование такого рода транзисторов позволит значительно миниатюризировать электронные схемы, а также почти исключить потерю энергии.
Следует отметить, что чаще всего ученых занимает именно второй аспект – потеря энергии, которая уходит на нагрев схемы. «Обывателю порой кажется, что конечная цель ученых, работающих с транзисторами – сделать их как можно меньше», - говорит профессор Йельского университета Марк Рид (Mark Reed), участвовавший в разработке транзистора, «в то время как основной проблемой является то, сколько электроэнергии рассеется и как и из чего делать транзисторы, чтобы уменьшить эту потерю».
М. Рид и его коллеги сделали две экспериментальных модели транзистора, одна из которых почти не работает, а другая функционирует нормально. Первая, неработающая модель состоит из восьми атомов углерода, расположенных в линию, по бокам которой располагаются атомы водорода. Целью ее создания была простая демонстрация того, что можно сделать транзистор таких размеров. Электрон проходит через цепочку атомов, но для его продвижения необходимо слишком много энергии и устройство становится неэффективным.
Во втором случае ученые взяли шесть атомов углерода и водорода и разместили их циклически, создав, таким образом, молекулу бензола. В этом случае ток легко течет через нее от одного золотого электрода к другому.
Поскольку атомы углерода образуют кольцо, они легко могут делиться электронами. Это и позволяет току легко течь через транзистор. Современные кремниевые транзисторы достигают размеров 45 нм, некоторые исследователи создавали и еще меньшие работающие образцы. Но когда из них собирается микросхема, она все равно сильно греется из-за энергопотерь. В молекулярном транзисторе атомы углерода образуют кольцо, они легко могут делиться электронами. Это и позволяет току легко течь через транзистор. Использование таких транзисторов поможет, по мнению разработчиков, создать негреющиеся и гораздо более долговечные электронные устройства.
Впрочем, как замечают ученые, хотя это и открытие, но до его применения в производстве электроники еще далеко. Во-первых, нуждается в доработке технология производства – из всех создаваемых М. Ридом и его коллегами транзисторов рабочими оказывается только 15%, что заставляет усомниться в надежности устройства. Во-вторых, необходимо разработать сборку микросхемы, ведь в нее должны входить тысячи таких транзисторов, а как заявляют многие специалисты, такая технология может не появиться еще лет десять. Впрочем, ученые настроены вполне оптимистично. В их планы входит дальнейшая отладка работы устройства и схемы его сборки. Согласно их словам, то, что они разработали «в любом случае является научным прорывом».
500 терабайт в одном дюйме
Ученые разработали систему переключения на молекулярном уровне, которая приводит к радикальному увеличению объема хранимой информации без увеличения размера устройства. Благодаря прорыву в области нанотехнологий ученых объем памяти на единицу площади может увеличиться в 150 тыс раз.
Ученые добились размещения объема информации в 500 терабайт, записанных на одном квадратном дюйме (около шести кв. см.), в то время как при текущей технологии на аналогичном пространстве умещалось лишь 3.3 гигабайта информации. По мнению ученых, главным преимуществом молекулярного переключателя является увеличенная плотность транзисторов, что увеличит объем хранимой информации до четырех петабайт (1 петабайт = 1024 терабайт) на квадратный дюйм. По словам ученых, с помощью их разработки количество транзисторов, размещаемых на одном чипе, может быть увеличено с текущего предела в 200 миллионов до одного миллиарда транзисторов.
Аккумулятор из рубашки
Кому не случалось, выйдя из дома, обнаружить, что зарядить свои гаджеты он забыл и теперь не только не удастся послушать музыку в дороге, но и совершить нужные звонки? Калифорнийские ученые заявляют, что это неудобство может остаться в прошлом, поскольку скоро можно будет подзарядить мобильное устройство от собственной одежды. С помощью нанотехнологий обычный хлопок и полиэстер может превратиться в электропроводную ткань, которая будет работать в роли аккумулятора.
«Электроника, которую человек может носить на себе, представляет собой динамично развивающуюся отрасль, в рамках которой электронные устройства приобретают гибкость, растяжимость и малый вес, что позволяет создавать устройства, ранее невозможные,» - заявляет исследователь: «Высокотехнологичная спортивная одежда, встроенные дисплеи, новые виды переносных аккумуляторов, встроенные системы контроля биологических параметров – вот примеры таких устройств».
В основе создания электропроводной ткани лежит пропитка хлопковой или полиестеровой ткани краской, насыщенной углеродными нанотрубками. После этого ткань приобретает необычное свойство – способность накапливать электрический ток. При этом ткань не теряет своей эластичности и, как показали опыты, сохраняет новое свойство после многократных стирок.
Нанороботы
Современная наука и инженерия нуждаются в помощи роботизированной техники для решения различных задач. При этом проблемы, все чаще встающие перед учеными, требуют создания не гигантов, способных вырыть котлован одним движением ковша, а крошечных, невидимых глазу машин. Эти продукты инженерии непохожи на роботов в привычном понимании, однако способны самостоятельно выполнять сложные задачи по имеющимся алгоритмам. Такие машины называют нанороботами. Микроскопические роботы могут решать массу важных для человечества задач, совершить переворот в медицине, уничтожать вредные отдходы и даже готовить необходимую людям инфраструктуру для жизни на других планетах. Однако любой, даже самый мизерный программный сбой может оказаться для человечества фатальным.
Нанороботы (в англоязычной литературе также используются термины «наноботы», «наноиды», «наниты») - роботы, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой. Они должны обладать функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ. Размеры нанороботов не превышают нескольких нанометров. Согласно современным теориям, нанороботы должны уметь осуществлять двустороннюю коммуникацимю: реагировать на акустические сигналы и быть в состоянии подзаряжаться или перепрограммироваться извне посредством звуковых или электрических колебаний. Также важной представляются функции репликации – самосборки новых нанитов и программированного самоуничтожения, когда среда работы, например, человеческое тело, более не нуждается в присутствии в нем нанороботов. В последнем случае роботы должны распадаться на безвредные и быстовыводимые компоненты.
Сфера применения нанроботов очень широка. По сути, они могут быть необходимы при создании, отладке и поддержании функционирования любой сложной системы. Наномашины могут применяться в электронике для создания миниустройств или электрических цепей - данная технология называется молекулярной наносборкой. В перспективе любая сборка на заводе из компонентов может быть заменена простой сборкой из атомов.
Однако на первое место сейчас вышел вопрос применения нанороботов в медицине. Тело человека как бы наталкивает на мысль о нанороботах, поскольку само содержит множество естественных наномеханизмов: множество нейтрофилов, лимфоцитов и белых клеток крови постоянно функционируют в организме, восстанавливая поврежденные ткани, уничтожая вторгшиеся микроорганизмы и удаляя посторонние частицы из различных органов. Путем обычной инъекции нанороботы могут быть впрыснуты в кровь или лимфу. Для наружного применения раствор с этими роботами может быть нанесен на участок ткани. Одним из разработанных направлений является транспортировка лекарства к пораженным клетками. При обычном введении лекарства лишь одна молекула из ста тысяч достигает цели, в то время как наноустройство в белковой оболочке увеличивает эффективность на два порядка, в перспективе не будет опознаваться фагоцитами как «чужой» и после выполнения функции распадается на безвредные компоненты. Такие нанороботы могут быть эффективными, например, при медикаментозном лечении раковых опухолей.
Нанороботы могу делать буквально все: диагностировать состояния любых органов и процессов, вмешиваться в эти процессы, доставлять лекарства, соединять и разрушать ткани, синтезировать новые. Фактически, нанороботы могут постоянно омолаживать человека, реплицируя все его ткани. На данном этапе учеными разработана сложная программа, моделирующая проектирование и поведение нанороботов в организме. Чрезвычайно детально разработаны аспекты маневрирования в артериальной среде, поиска белков с помощью датчиков. Ученые провели виртуальные исследования нанороботов для лечения диабета, исследования брюшной полости, аневризмы мозга, рака, биозащиты от отравляющих веществ.
Наноконкурент металла
Нанокомпозит оксида алюминия и полимера оказался прочен, как металл, но при этом значительно легче. Ученые включили крошечные пластинки оксида алюминия в полимер для получения легкого, эластичного и прочного материала. Результатом его применения могут стать долговечные протезы костей и зубов, легкие почти не изнашивающиеся детали автомобилей и самолетов, эластичные и прозрачные печатные платы и электронные элементы.
Пытаясь создать такой материал, ученые старались скопировать наноструктуры, наблюдаемые в природе. Раковины, кости, зубная эмаль – все эти материалы состоят из прочных микропластинок, находящихся в полимерной матрице, как кирпичи в растворе. Такая структура позволяет соединить гибкость полимера с прочностью керамики.
Исследователи из Мичиганского университета работали с керамополимерами, которые были исключительно прочны, но хрупки и ломались при деформации. По словам профессора Швейцарского технологического университета, ведущего работу над полимерами с оксидом алюминия, их материал впятеро прочней разработанного мичиганской группой, и при этом более эластичен. Пленка композита прочна как алюминевая фольга, однако может растянуться на 25%, тогда как фольга рвется при растяжении на 2%.
Другим преимуществом нового материала является его вес. Материал вчетверо легче стали той же прочности. Он может стать заменой стекловолокну, используемому в автомобилестроении. Материал будет прочен не в одном измерении, как материалы на основе волокна, а во всех, в силу его структуры – распределенных в полимере микропластинок. Кроме того, новый материал полупрозрачен, что позволяет применить его в электронике.
Для производства материала исследователи насыщают микропластинками этанол, который затем вливают в воду. Пластинки образуют слой на поверхности воды. Затем этот слой переносится на поверхность опускаемого в раствор стекла. Затем на него наносится слой полимера. Операция повторяется, пока толщина материала не достигает десятых долей миллиметра, и затем он снимается со стекла.
При разработке материала ученым помогло изучение механической структуры перламутра. В перламутре находятся пластинки, состоящие из карбоната кальция, располагающиеся слоями в белковом полимере.
Нанокапсулы
Белки являются наиболее важными элементами в нашем организме. Каждая клетка сдержит тысячи белков, которые контролируют физиологические реакции, метаболизм, обмен клеточной информацией, защитные механизмы и многое другое. В свете этого неудивительно, что многие наши болезни объясняются нарушением работы отдельных белков. Один из примеров использования нанотехнологий в медицине - белковая терапия, когда белок, поступающий в клетку, заменяет собой дефектный элемент - такое возможно при использовании нового вида биотранспорта - нанокапсул.
В противовес генной терапии, при которой ген помещается в клетку, заменяя дефектный ген или увеличивая количество генов чтобы увеличить выработку определенного белка, белковая терапия заключается в помещении четко определенных и структурированных белков в клетку для замены дефектного белка. Такой подход позволяет избежать проблем, свойственных генной терапии и считается наиболее безлопастным способом решения болезней.
Затруднением, однако, является способ доставки белка. Такие традиционные способы, как оральное, внутримышечное, внутриартериальное или внутривенное введение весьма малоэффективны, поскольку введенный белок перерабатывается до того, как он успевает достигнуть целевой клетки.
Группе ученых из Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе удалось разработать высокоэффективный и низкотоксичный способ доставки белка, основанный на использовании нанокапсул – хорошо известного вида искусственного биотранспорта, причем капсула несет один белок. Как сообщает профессор кафедры химии и биомолекулярной инженерии Татьяна Сегура, - «В настоящее время белковая терапия предполагает транспортировку нескольких белков в больших наночастицах или присоединение белков к полимерам для увеличения уровня эндоцитоза. Нам же хотелось разработать более эффективную технологию доставки, поэтому разработанная нами наночастица представляет собой капсулу не более 20 нм в диаметре, состоящую из молекул белка и тонкой полимерной оболочки».
Нагретые наночастицы убивают раковые опухоли
Ученые изучили поведение наночастиц, покрытых сахаром, которые при высокой температуре оказались полезными для терапии раковых опухолей. Исследователи провели опыт на мышах - у трех из четырех подопытных животных нагретые наночастицы уничтожили раковые опухоли без последующего восстановления.
Совместная группа исследователей из двух биотехнических компаний, Micromod Partikeltechnologie и Aduro BioTech, а также ученые из Национального Института Стандартов и Технологий (NIST) изучили поведение покрытых сахаром наночастиц при гипертермии, как потенциальную терапию раковых опухолей. Они выяснили, что между созданными наночастицами наблюдается тонкий баланс, повышающий их эффективность, как лекарственного средства. Образно выражаясь, наночастицы работают, как люди в группе, находящиеся близко друг к другу, но не чересчур близко.
Исследователи выяснили, что покрытые декстраном - водорастворимым высокомолекулярным полимером глюкозы - наночастицы оксида железа диаметром около 100 нм уничтожают раковую опухоль вследствие возникающего между ними взаимодействия, которого не наблюдается между наночастицами меньшего размера. Это взаимодействие было замечено и раньше, однако считалось негативным побочным эффектом. Оно заключается в том, что в переменном магнитном поле крупные наночастицы сильней нагреваются. Исследователей привлек тот факт, что нагрев наночастиц эффективно разрушает раковые клетки, не повреждая здоровые. Текущее наблюдение позволяет разработать на базе таких наночастиц терапию, имеющую гораздо меньше последствие для здоровья, чем химиотерапия или лучевая терапия.
В ходе исследований в NIST выяснилось, что хотя наночастицы оксида железа притягиваются друг к другу, декстрановое покрытие образует волоконца, делающие частицу похожей на одуванчик, как ее назвал один из ученых, и эти волоконца отталкивают наночастицы, если те приближаются слишком близко к друг другу. Таким образом, наночастицы находятся на расстоянии друг от друга, но при этом это расстояние слишком мало, чтобы их могли уничтожить клетки-антитела организма. Кроме того, если данные наночастицы все-таки сближаются, под влиянием магнитного поля они начинают вращаться и, таким образом, нагреваются и сбрасывают тепло в окружающую среду. В ходе опытов на четырех лабора