Статьи

В сущности, наноструктурные материалы и наночастицы уже давно производятся и используются в различных промышленных производствах (нанопористые фильтры, материалы для фотографии, полистирольные шарики для электронной микроскопии и многое другое). Нанометровые размеры многих про-мышленно выпускаемых материалов и частиц играют важнейшую роль в их использовании, но само применение наноматериалов в практических целях (как уже отмечалось выше) не является чем-то принципиально новым или необычным. Строго говоря, истинную значимость НТ (для промышленности и общества вообще) скорее можно усмотреть в новых перспективах, функциональных возможностях и методиках, описанных  в других статьях на этом сайте.

Говоря о возможных стратегиях производства наноструктур, следует четко различать исходные материалы и индивидуальные компоненты. Некоторые из стандартных компонентов (например, фуллерены) могут использоваться как самостоятельно, так и для создания более сложных объектов (нанослоев и т. п.). Отдельные наночастицы, в определенном смысле, также можно рассматривать как в качестве «рабочих* компонентов или материалов, так и в качестве специальных устройств и элементов (например, для направленной доставки лекарственных препаратов, маркеров для анализа биомолекул и т. п.). При этом следует проводить принципиальное различие между физическими и химическими методами изготовления структур. Очень развитые химические методы охватывают классические приемы коллоидной химии, а также новейшие подходы, например использование мицеллярных микроэмульсий. Обычно цель заключается в синтезе частиц данного соединения, включая и органические частицы с заданным диаметром и возможно более узким распределением размеров самих частиц.

Строго говоря, комплексное измерение параметров структуры любого объекта состоит, прежде всего, в точном количественном описании его трехмерной геометрии с достаточной точностью, а следующий этап аналитического изучения сводится к определению требуемых функциональных свойств данной структуры (например, ее химического состава, электропроводности, механических и оптических свойств и т. п.). Описание геометрических или функциональных свойств исследуемой структуры осуществляется, формально говоря, соответствующими приборами или зондами. Как показано на рис. 6.1, общий процесс исследований и анализа заключается в том, чтобы вызвать «реакцию» образца на «спровоцированные» зондом воздействия, что позволяет получить информацию относительно его физико-химических свойств. В оптическом микроскопе «реакция» образца определяется с помощью комбинаций падающего на него или проходящего видимого света, то есть регистрируется в форме интенсивности распределения отраженного света (с помощью глаза или камеры). Оптические измерения дают возможность не только получать информацию о геометрических размерах достаточно крупных объектов, но и позволяют, кроме того, оценить некоторые другие характеристики, связанные, например, с цветом объекта или его способностью к флуоресценции.

...
В настоящее время в качестве пьезоэлемента в таких устройствах широкое применение находят пьезотрубки, трехмерное перемещение которых (с помощью перпендикулярно направленных электродов на внешней стороне) может регулироваться довольно сложным образом, что схематически представлено на рис. 6.10. При надлежащей настройке (подборе размеров пье-зотрубок,  температуры  и т. д.) такие  устройства  позволяют осуществлять   точные   манипуляции   во   всех   направлениях пространства.

Любое производство материалов или их компонентов предполагает предварительную разработку соответствующих подготовительных и аналитических методов (последние нужны для оценки намечаемых и получаемых характеристик и их сравнения с заданными величинами). Разумеется, при массовом производстве подготовительные и аналитические методы должны, конечно, отвечать особым условиям, которые вовсе не требуются при изготовлении изделий в штучном или специальном производстве. Аналитические методы имеют особое значение для обеспечения эффективности производства и гарантии качества изделий.

Самой фундаментальной, честолюбивой и долгосрочной целью в этом направлении остается использование биологических принципов и стратегий для производства технических нано-систем. Биологические объекты в процессе эволюции добились замечательной эффективности и оптимальности функций, использование которых могло бы стать основой новой научной революции в технике. В качестве примера можно привести схематически представленный на рис. 5.5 процесс самосборки (самоорганизации) известного вируса табачной мозаики. В этом конкретном случае речь идет о биологическом синтезе наночас-тиц в форме сложного завитка (с характерными размерами 300 нм на 18 нм), составленных из 2130 одинаковых белковых элементов, каждый из которых содержит 158 аминокислотных остатков, а нить РНК состоит из 6400 нуклеотидов.

Использование технических нанокомпонентов или систем для оптимизации биологических и биотехнологических процессов связано, в основном, со следующими областями практического применения:
—  медицина и фармацевтика,
—  агротехника и производство продуктов питания,
—  экология и технологии, связанные с охраной окружающей среды,
—  военные технологии.

Необходимо сразу оговорить, что в литературе нет единого и четкого определения термина «нанобиотехнология» (НБТ), так что он отчасти лишен строгого смысла. В любом случае, НБТ определяют не как раздел самой нанотехнологии, а скорее (как уже отмечалось во введении) как некую промежуточную область между биотехнологией, медициной, чистой биологией и фармацевтикой. С нанотехнологиями (в строгом смысле этого термина) НБТ объединяют следующие основополагающие принципы:

Во многих отношениях организм человека демонстрирует эффективность действия наноструктур и связанных с ними технических решений, созданных самой природой. Использование уже существующих в природе биологических стратегий для решения технических проблем называют бионикой или биомеханикой (Nachtigall и Bluchel, 2002), а по отношению к НТ это означает биотехнологический подход, позволяющий создавать, например, молекулярные механизмы, подобные тем, которые успешно работают в биологических клетках. Фундаментальная стратегия в этой области состоит не только в стремлении создавать нужные материалы и нанокомпоненты, но и изучать принципы их действия и самоорганизации, а также использования биологических или биохимических компонентов в конкретных технических системах.

Комбинируя состав и строение атомных соединений, а также размерности создаваемых на этой основе структур, можно изменять свойства вещества в нанометровом масштабе и получать физические характеристики, которые вообще не имеют аналогов в рамках классических методик и подходов. Примерами успешного применения таких комбинированных и неожиданных комбинаций могут служить упомянутые выше специфические материалы и компоненты (создаваемые на основе фуллеренов), механические вибраторы с очень высокой частотой колебаний или зависящая от размера флуоресценция полупроводниковых квантовых точек.