Нанотехнологии в жизни человека
Основные направления использования нанотехнологий и наноматериалов в сельском хозяйстве. Разработки и успехи нанотехнологий в строительстве. Использование нанотехнологий в медицине и косметике, их влияние на развитие окружающей среды и здоровье человека.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 03.06.2013 |
| Размер файла | 35,2 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
1. Нанотехнологии, экология и сельское хозяйство
нанотехнология строительство медицина сельский
Основными направлениями использования нанотехнологий и наноматериалов в сельском хозяйстве являются биотехнология, прежде всего это относится к генной инженерии, производству и переработке продукции агропромышленного комплекса, очистке воды, а также проблемам качества продукции и защиты окружающей среды.
В отличие от промышленных и автотранспортных выбросов, загрязняющих атмосферу, выбросы мобильной сельскохозяйственной техники распространяются, хотя и неравномерно, но на все обрабатываемые площади. При этом загрязняющие вещества попадают в атмосферу на высоте до 4 м от уровня почвы, что повышает их экологическую опасность.
На первом месте по количественному содержанию и степени отрицательного воздействия на человека, животный и растительный мир стоят газообразные выбросы мобильной техники. В глобальном масштабе автотракторным парком в мире выбрасывается в атмосферу 20--27 млн т оксида углерода, 2-2,5 млн т углеводородов, 6--9 млн т оксидов азота, 200-230 млн т диоксида углерода, а также до 100 тыс. т сажи. В Российской Федерации только дизелями тракторов и комбайноЕ выбрасывается свыше 5 млн т вредных веществ в год.
Наиболее опасны сажа, бензапирен, оксиды азота, альде гиды, оксид углерода ( II) и углеводороды. Степень их воздействия на человеческий организм зависит от концентрации вредных соединений в атмосфере, состояния человека и его индивидуальных особенностей.
Одно из первых мест в общем уровне токсичности занимает сажа, так как, во-первых, ее выбросы значительны (определяют повышенную дымность) и достигают по массе 1 % от расхода топлива, во-вторых, она выступает в роли накопителя полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Выбросы сажи дизелем б х 15/18 в смену достигают 1,2--1,6 кг, а дизелем 6 х13/14 --доЗкг. Наличие сажи в отработавших газах (ОГ) приводит к появлению неприятных ощущений, загрязненности воздуха и ухудшению видимости. Частицы сажи высокодисперсны (диаметр -- 50--180 нм, масса -- не более 10~10 мг), поэтому они долго остаются в воздухе, проникают в дыхательные пути и пищевод человека. Подсчеты показывают, что частицы сажи размером до 150 нм могут находиться в воздухе во взвешенном состоянии около восьми суток. Если относительно крупные частицы сажи размером 2-10 мкм легко выводятся из организма, то мелкие (размером 50--200 нм) задерживаются в легких и вызывают аллергию.
Высокое содержание сажи (20--90%) обычно для частиц в ОГ дизельных двигателей. Частицы сажи сформированы в так называемой газовой стадии и вызваны неполным процессом сгорания. При этом частицы меньше 50 нм, обнаруживаемые в дизельной эмиссии, в основном образованы из се-ры, которая все еще входит в состав дизельного топлива.
Замена углерода элементами с более высокой удельной теплотой сгорания позволяет получать топливо с лучшими энергетическими характеристиками. Особое место занимают работы в области разработки металлического топлива, которое широко применяется в ракетных двигателях.
Выходец из бывшего Советского Союза, уехавший в США, Соломон Лабинов, предлагает концепцию нового двигателя внутреннего сгорания, работающего на твердом металлическом топливе. В этом двигателе система питания объединена с выпускной системой. Топливный бак, оснащенный специальной подвижной перегородкой, заполняется топливом на основе нанопорошка железа. Горение (окисление) топлива происходит в камерах сгорания с образованием в отработавших газах практически чистого азота, без оксидов углерода и азота, углеводородов и сажи, а сгоревшие частицы порошка улавливаются с помощью специальных фильтров или магнитов. По мере использования порошка перегородка перемещается, а в образовавшийся объем подается отработавший порошок оксидов. После израсходования всего порошка топливный бак легко снимается с автомобиля и направляется на регенерацию, где под воздействием высокой температуры оксиды разлагаются на металл и кислород. Для восстановления оксидов также можно продувать сгоревший порошок чистым водородом.
По мнению Дэвида Бича ( David Beach), руководителя группы химии материалов в Национальной лаборатории Ок-риджа штата Теннесси (США), металлическое топливо, подобно водороду, -- источник экологически чистой энергии. Однако, в отличие от водорода, металлическое топливо, например железо или алюминий, обладает более высокой удельной теплотой сгорания. Такое топливо можно хранить и транспортировать при температуре и давлении окружающей среды и эффективно использовать в двигателе без значительных затрат на водородные топливные элементы.
Коллективом лаборатории создана топливная пудра с диаметром металлических частиц около 50 нм, что обеспечивает процесс горения, аналогичный бензиновому, но с выделением почти в три раза большей энергии, чем в современном бензиновом двигателе.
Большие частицы металла не воспламеняются до тех пор, пока не будут нагреты до точки кипения металла, при которой металлический пар воспламеняется с образованием металлических оксидов. В тоже время, этот процесс приводит к очень высоким температурам сгорания, загрязнению внутренних поверхностей камеры сгорания и образованию большого количества оксидов азота. Металл в виде наночастиц сгорает значительно быстрее и полнее при более низких температурах без стадии газового горения.
Газы от металлического топлива, отработавшие в газотурбинном двигателе или двигателе Стирлинга, являются экологически чистыми: кислород берется из воздуха, а в результате получается почти чистый азот. Еще лучшим источником энергии мог бы быть бор, если бы его наночасти-цы можно было получать по разумной стоимости.
Главная проблема двигателя на металлическом топливе -- достаточно большой вес топлива, даже с учетом его большей энергетической емкости. Объем топливного бака в 33 л, заполненный порошком железа, обеспечивает пробег автомобиля, эквивалентный 50 л солярки или бензина, но весит почти в три раза больше. При этом суммарный вес автомобиля и топлива остается неизменным, так как отработавшее металлическое топливо не выбрасывается в атмосферу.
Бор и углерод -- соседи по таблице Менделеева, оба элемента -- неметаллы, различия в размерах их атомов и ионов небольшие. Главное следствие этого сходства -- быстрое развитие химии бороводородов, которая, по мнению многих ученых, может со временем стать «новой органикой». Напомним, что просто «органика», органическая химия -- это, по существу, химия углеводородов и их производных.
Удельная теплота сгорания бора (59,4 МДж/кг почти вдвое больше, чем углерода (32,7 МДж/кг). При замене углеводородных видов топлива бороводородными в воздушно-реактивных двигателях при заданной дальности полета самолета можно уменьшить его габариты, увеличить полезную нагрузку и сократить разбег при взлете.
В типичном твердом топливе для ракетно-прямоточных двигателей содержится до 50% бора; столь высокое содержание металла обеспечивает получение максимально объемного импульса. К недостаткам бороводородного топлива относятся высокая токсичность и химическая активность, а также легкая воспламеняемость на воздухе.
В то же время нанотехнологии несут ряд реальных и потенциальных опасностей. Так, в 2002 году американское Агентство по защите окружающей среды ( EPA) t NASA и международная неправительственная группа по защите прав человека в технологическую эру ( ETC Group) по результатам совместного исследования заявили, что вдыхание нанотрубок, которому случайно подверглась группа астронавтов, привело к заболеванию легких. Такие углеродные трубки весьма похожи по негативному воздействию на обычную сажу. Кроме того, наночастицы могут легко проникать в клетки через поры их стенок и накапливаться в органах.
В то же время показано, что наночастицы очень опасны для мембран клеток. Так, например, эпителиальные клетки человека и клетки печени были разрушены наполовину через 48 ч при выдерживании их в сильно разбавленном (до 20 частей на миллиард) растворе фуллеренов. Однако установлен возможный путь предотвращения потенциального токсического действия этих молекул: чем больше гидроксиль-ных групп связано с молекулами фуллеренов, тем менее токсичными они становятся (до 10 млн раз). Проблема лишь в том, что модифицированные фуллерены могут восстановить токсичность, например, под действием ультрафиолетовых лучей, разрушающих гидроксигруппы.
При работе с наноматериалами рекомендуется использовать специальные средства защиты органов дыхания и рук. Учитывая высокую проникающую способность наночастиц, кожные покровы целесообразно защищать специальными кремами, создающими буферные слои на поверхности.
Касаясь важнейшей проблемы защиты человека и окружающей среды, следует рассматривать не столько возможные негативные последствия, сколько положительное влияние, которое нанотехнологии могут оказать на развитие окружающей среды и здоровье человека.
Важнейшей проблемой является повышение урожайности в сельском хозяйстве. Согласно статистике, численность мирового населения в настоящее время составляет около 6,5 млрд человек, а к 2050 году достигнет 8,9 млрд, что вызовет существенное увеличение потребления продуктов питания.
Предполагается, что применение нанотехнологии позволит изменить технику возделывания земель за счет использования наносенсоров, нанопестицидов и системы децентрализованной очистки воды. Нанотехнологии сделают возможным лечение растений на генном уровне, позволят создать высокоурожайные сорта, особо стойкие к неблагоприятным экологическим условиям.
В растениеводстве применение нанопорошков, совмещенных с антибактериальными компонентами, обеспечивает повышение устойчивости к неблагоприятным погодным условиям и приводит к двукратному повышению урожайности многих продовольственных культур, например картофеля, зерновых, овощных и плодово-ягодных.
Нанотехнологии в сельском хозяйстве могут успешно применяться для оптической расшифровки белково-липид-но-витаминно-хлорофильного комплекса в растениеводстве (табл. 1), а также для создания биосовместимых материалов; перестройки, облагораживания и восстановления тканей; создания неотторгаемых организмом искусственных тканей и сенсоров (молекулярно-клеточная организация) в животноводстве и для снижения вредного воздействия автотракторного парка на природную среду.
Таблица 1. Идентификация сортовых нанопризнаков методами оптической флуоресценции и отражения
|
Объект распознавания |
Спектр воздействия,нм |
Спектр регистрации, нм |
|
|
Белковые структуры |
260-295 |
310...380 |
|
|
Липиды и витамины |
310-325 |
380...500 |
|
|
Пигменты и хлоропласты |
430-465 |
600...800 |
|
|
Крахмал |
380-720,1690-2200 |
380...720, 1690, 1930, 2200 |
|
|
Болезни корнеклубней и неорганические объекты |
700-2000 |
720,910,980,1100, 1200, 1440, 1750 |
|
|
Израстание столонов |
430-450 |
640,683 |
|
|
Динамика накопления урожая |
280-300 |
468, 520 |
|
|
Зрелость, заживляем ость, сохранность и всхожесть корнеклубней |
430-450 |
640,678,730 |
|
|
Продуктивность семян растений |
430-450 |
640, 678, 730 |
В животноводстве нанодобавки находят широкое применение в приготовлении кормов, где обеспечивают повышение продуктивности животных в 1,5--3 раза, а также способствуют повышению их сопротивляемости инфекционным заболеваниям и стрессам. Наноразмер частиц кормовых добавок позволяет не только значительно снизить их расход, но и обеспечить более полное и эффективное усвоение животными.
Огромное значение имеет применение нанотехнологии для очистки и дезинфекции воды. Внедрение мембранных систем очистки, а также специальных биоцидных покрытий и материалов на основе серебра способствует упрощению и повышению качества содержания сельскохозяйственных животных, обеспечению их качественной питьевой водой.
Не менее актуальна проблема обеспечения человечества достаточным количеством питьевой воды. Запасы пресной воды, пригодной для использования, составляют всего 3%, из которых только 1% потребляется населением Земли. В настоящий момент 1,1 млрд человек не имеют возможности использовать чистую пресную воду. Принимая во внимание текущие объемы потребления воды, рост населения и развитие промышленности, к 2050 году две трети населения Земли будут испытывать недостаток в пригодной для употребления пресной воде.
Следует ожидать, что нанотехнологии позволят найти решение этой проблемы за счет использования, в том числе, недорогой децентрализованной системы очистки и опреснения воды, систем отделения загрязняющих веществ на молекулярном уровне и систем фильтрации нового поколения.
2. Нанотехнологии в строительстве
Одна из отраслей промышленности, где нанотехнологии развиваются достаточно интенсивно, -- это строительство, что понятно. Естественно, что и основные разработки в этой области должны быть направлены на создание новых, более прочных, легких и дешевых строительных материалов, а также улучшение уже имеющихся материалов: металлоконструкций и бетона, за счет их легирования нанопорошками.
Определенные успехи в этой области уже достигнуты. Как сообщает Nano News Net, российские ученые из Санкт-Петербурга, Москвы и Новочеркасска создали нанобетон. Специальные добавки -- так называемые наноинициаторы -- значительно улучшают его механические свойства. Предел прочности нанобетона в 1,5 раза выше прочности обычного, морозостойкость выше на 50%, а вероятность появления трещин -- в три раза ниже. При этом вес бетонных конструкций, изготовленных с применением наноматериалов, снижается в шесть раз. Разработчики утверждают, что применение подобного бетона удешевляет конечную стоимость конструкций в 2--3 раза.
Также отмечается и ряд восстанавливающих свойств бетона. При нанесении на железобетонную конструкцию нанобетон заполняет все микропоры и микротрещины и полиме-ризуется, восстанавливая ее прочность. Если же проржавела арматура, новое вещество вступает в реакцию с коррозийным слоем, замещает его и восстанавливает сцепление бетона с арматурой.
Другой аналогичный пример приводит «Росбалт» от 16.01.08 в публикации «ГЖД (Горьковская железная дорога) испытывает новинки наноиндустрии», где указывается следующее: «Одной из интересных разработок, которые предлагает железнодорожникам Нижегородский региональный центр наноиндустрии, является керамический наноцемент, или фосфатная керамика, -- это порошкообразная смесь фосфата и оксида металла, при соединении с водой образующая пастообразный цементный раствор. Такой материал обладает высокой прочностью и огнестойкостью, устойчивым сопротивлением химическому разложению и замерзанию. В отличие от традиционного бетона, он отвердевает даже под водой. По своим свойствам фосфатная керамика превосходит привычный цемент».
Как показывает анализ различного рода публикаций по данной тематике, применение наноматериалов, в частности даже обыкновенной сажи, в количестве всего 0,001--0,1% способствует значительному повышению эксплуатационных свойств пенобетона (снижение усадки, однородная ровная поверхность, более полное заполнение пустот) при минимальной плотности пенобетона (марки D 250--300). Также обеспечивается повышение прочности и трещиностоикости пенобетона и других бетонных изделий в 1,6--2 раза при улучшении теплоизоляционных свойств в 1,2 раза.
Дополнительным преимуществом разработки является уменьшение содержания собственно цемента в пенобетоне при неизменной прочности.
Новый бетон уже начали применять в строительстве. Он Используется в строительстве моста через Волгу в г. Кимры.
В настоящее время находят достаточно широкое применение технологии, основанные на практическом реализации «лотос-эффекта», особенно в строительной индустрии.
Другое направление практического применения нанотехнологии в строительстве -- различного рода отделочные и защитные покрытия, основанные на реализации эффекта лотоса и биоцидные материалы.
Так, в 1999 году немецкая компания Nanogate Technologies GmbH из г. Саарбрюккен победила в конкурсе на разработку самоочищающегося покрытия для керамики WunderGlass, объявленном концерном DuravitAG.
На выставке CEVISAMA-2000 в Испании был показан еще один продукт -- покрытие для плитки Sekcid, разработанное в результате стратегического партнерства с испанским концерном Torrecid S. A. -- одним из мировых лидеров в сфере производства фритты (керамических сплавов) и глазурей для керамической промышленности. В настоящее время идет работа над продуктом СкаНесдля душевых кабин фирмы Duscholux GmbH.
В ассортименте окрасочных материалов немецкой фирмы Alligator появился инновационный материал, разработанный на основе нанотехнологии, -- фасадная силикатная краска Kieselit- Fusion с уникальными характеристиками. Она была впервые представлена на выставке в Кельне в апреле 2005 года. Материал с наноструктурой обеспечивает высокую адгезию покрытия не только к минеральным типам подложек, но и к органическим основаниям. Благодаря сверхмалым размерам частиц достигается также высокая прочность и стойкость покрытия к внешним воздействиям, в том числе к мокрому истиранию (класс 1 согласно EN 13300). Комбинация пигментов-наполнителей в сочетании с наноструктур-ной поверхностью является решающей для фотокаталитического действия краски -- грязь на окрашенной поверхности распадается благодаря воздействию света. Сочетание наноструктуры и светостойких пигментов обеспечивает как высокую насыщенность цвета, так и устойчивость покрытия к ультрафиолетовому излучению в целом, что позволяет фасаду зданий и сооружений долгое время сохранять первозданный внешний вид. Коэффициент влагопоглощения этой краски, равный 0,09 кг/м2 ч, гарантирует защиту от дождя. Данная характеристика очень востребована в российских климатических условиях. Коэффициент паропроницаемо-сти краски, равный 0,001 м, обеспечивает максимальную степень «дыхания» стен, полностью поддерживая естественный режим влажности.
Вследствие высокой проникающей способности к диоксиду углерода, которая крайне необходима для процессов карбонизации извести, обеспечивается упрочнение и сохранение известковых штукатурок и старых кладочных растворов.
На основе биохимического метода создана технология синтеза наночастиц серебра, стабильных в растворах и в адсорбированном состоянии. Наночастицы серебра обладают широким спектром антимикробного (биоцидного) действия, что позволяет создавать широкую номенклатуру продукции с высокой бактерицидной и вирулицидной активностью. Они могут использоваться для модифицирования традиционных и создания новых материалов, дезинфицирующих и моющих средств, а также косметической продукции при незначительном изменении технологического процесса производства.
Наночастицы серебра синтезируют в водном и органическом растворе, наносят на поверхность и вводят в структуру материалов, придавая им антимикробные свойства. Антимикробное действие лакокрасочных покрытий с наночасти-цами серебра подтверждено при натурных испытаниях. Организовано мелкосерийное производство растворов наночастиц серебра в лабораторных условиях, налажен выпуск биоцидных лакокрасочных материалов (на основе пентафта-левых эмалей и вододисперсионных красок) и зубной пасты. Антимикробные краски с наночастицами серебра по сравнению с аналогичной продукцией с добавками производных полигексаметиленгуанидина (ПГМГ) безопаснее и дешевле в производстве, поэтому в настоящее время краски с включением наночастиц серебра часто применяются для создания высокого бактерицидного эффекта.
Один из примеров использования нанотехнологии -- разработка новых окрашивающих материалов для поездов, которая призвана защитить поверхность вагонов от рисования и нанесения надписей, делая ее настолько гладкой, что никакие другие краски не могут на ней закрепиться.
Фасадные краски должны быть эластичными, чтобы перекрывать, например, трещины штукатурки на критических подложках. Эластичность, однако, всегда предполагает адгезию в определенном объеме, поэтому в таких случаях усиленное загрязнение заранее запрограммировано. Чтобы противодействовать этому, после многолетних практических испытаний фирмой Caparol было разработано новое устойчивое к загрязнению защитное покрытие Silamur.
Silamur является водным, чисто силикатным продуктом, действие которого основано на минерализации окрашенной поверхности. После высыхания материала возникает микропористый слой мельчайших кварцевых частиц диаметром порядка миллионных долей миллиметра. Материал с такой микроструктурой относится к так называемым микроскопическим поверхностным покрытиям, которые уменьшают площадь контакта «грязных» частиц, в результате чего эти частицы меньше «прилипают» к поверхности и поэтому легче смываются дождевой водой. Пористая структура поверхности придает материалу совершенно особые качества.
Микроскопические кварцевые частицы оказывают положительное воздействие и на растрескавшиеся покрытия: они обладают способностью заполнять мелкие, средние и крупные поры. Это препятствует проникновению загрязняющих частиц в пустоты. Кроме того, окрашенная поверхность при дожде смачивается по всей площади, так как микропористые кварцевые частицы поглощают воду, и она распределяется равномерно. Механизм защиты от грязи здесь принципиально отличается от гидрофобных фасадных красок. В то время как гидрофобизацию определяет большой краевой угол водных капель и водоотталкивающий эффект, новый продукт воздействует благодаря противоположному эффекту -- общему увлажнению, обеспечивающему смывание грязных частиц дождевой водой. Сравнительные испытания доказали, что этот метод эффективнее гидрофобиза-ции (рис. 43).
Из-за насыщенного цветового эффекта, который возникает при применении кварцевых частиц, рекомендуется использовать Silamur только на белых поверхностях или поверхностях пастельных цветов, что предотвращает оптические искажения, которые могут возникнуть на поверхностях насыщенных цветов.
Формирование наноструктур на поверхностях может быть выполнено с помощью нескольких основных технологий:
? лазерным лучом или плазменным травлением;
? путем анодного окисления (алюминий) с последующим покрытием, например, гексадецилтриметоксиланом;
? приданием формы и созданием микрорельефа гравировкой;
? покрытием поверхности слоем металлических класте
ров, комплексов «поверхностно-активное вещество -- полимер» или трехбочных сополимеров, самоорганизующихся в наноструктуры;
Последняя технология является наиболее многообещающей, так как позволяет образовывать большое число частиц при минимуме затрат. Подходящими материалами для формирования таких наночастиц являются полимеры, сажа, пи-рогенные кремниевые кислоты, оксиды железа и диоксид титана.
Одна из основных проблем, которую еще предстоит решить, заключается в том, чтобы уже после осаждения частицы, обладающие новым распределением по размеру и новой структурой, оказались стабильными по отношению к старению и факторам воздействия окружающей среды. Например, ультрафиолетовое излучение может инициировать окисление покрытия, что приведет к гидрофилизации поверхности за счет образования кислородсодержащих групп.
Ученым удалось показать, что нанесение дисперсий гидрофильных частиц оксида кремния размером несколько нанометров на твердые керамические поверхности приведет к самоорганизации наночастиц за счет электростатического отталкивания и минимизации свободной энергии поверхности. Полученные в результате модифицирования поверхности обладают пониженным для гидрофильных жидкостей краевым углом смачивания, что улучшает стекание и увеличивает скорость высыхания после очистки.
В отношении строительных металлоконструкций вице-премьер Сергей Иванов заявил, что пять российских компаний, получивших поддержку в рамках важнейших инновационных проектов, уже производят нанопродукцию в объеме более 8 млрд рублей в год. «Это не «нанопурга», как иногда говорят критики», -- отметил С. Иванов. Например, на «Северстали» уже приступили к серийному производству уникальных сплавов с двукратным улучшением эксплуатационных свойств. Эти материалы предназначены для сооружения конструкций, эксплуатируемых в экстремальных условиях, в частности, при разработке нефтегазовых месторождений отечественного арктического шельфа. В настоящее время объем продаж составляет около 2 млрд рублей в год, но он может быть увеличен более чем в 100 раз.
3. Нанотехнологии и медицина
«Никто не знает, что будет с вашей рукой, когда вы ее намажете. И никакого нано там нет. Просто модное слово взяли».
Сергей ИВАНОВ, вице-премьер Правительства Российской Федерации
Самый яркий и простой пример использования нанотехнологии в медицине и косметике -- обыкновенный мыльный раствор, обладающий моющим и дезинфицирующим действием. В нем образуются наночастицы, мицеллы -- частицы дисперсной фазы Золя (коллоидного раствора), окруженные слоем молекул или ионов дисперсной среды. Мыло -- чудо нанотехнологии, уже бывшее таковым, когда никто и не подозревал о существовании наночастиц (рис. 55). Однако этот наноматериал не является главным для развития современных нанотехнологии в здравоохранении и косметологии.
Другим древнейшим применением нанотехнологии в косметологии оказался тот факт, что красящие вещества, использовавшиеся аборигенами Австралии для нанесения ярких боевых раскрасок, а также краска для волос древнегреческих красавиц также содержали наночастицы, обеспечивающие очень длительный и стойкий окрашивающий эффект.
Наверное, уже многие встречали в открытой продаже так называемую шунгитовую воду, производители которой уверяют в ее уникальных оздоровительных свойствах, якобы полученных в результате воздействия на нее природных фуллеренов .
Расскажем о такой воде немного подробнее. Дело в том, что в Карелии вблизи Онежского озера многие века существовал целебный источник, возле которого еще российский император Петр I повелел построить первый в России курорт «Марциальные воды». Люди издревле использовали целебные свойства этой воды. Особенностью ее является тот факт, что такую воду нельзя долго хранить -- через несколько часов она теряет свои уникальные свойства.
Проведенные на Украине и в Карелии исследования показали, что марциальная вода является следствием воздействия на нее фуллеренов, содержащихся в природном минерале -- шунгите. Ученые считают, что происхождение шунгита, скорее всего, явилось следствием падения большого углеродного метеорита. Каждая молекула фуллерена способна формировать и удерживать вокруг себя водный кластер, размеры которого во много раз больше его собственного диаметра. Это связано с тем, что в обычной воде (Н2О) состояние и количество образующихся кластеров является нестабильным (мерцающим). Кластеры существуют миллиардные доли секунды (наносекунды) и распадаются, а затем образуются вновь, то есть мерцают.
Эти водные кластеры способны оказывать антиоксидант-ное действие, то есть улавливать свободные радикалы, являющиеся «обломками различных органических соединений» и разрушающие живой организм.
Высокими антиоксидантными свойствами обладают витамины С, Е, А, янтарная кислота и ряд других веществ.
Проведенные исследования с применением марциальных вод указывают на высокий оздоровительный эффект при раковых заболеваниях, атеросклерозе, диабете, болезнях почек и печени, нарушениях в работе мозга и т.д.
Однако у этих исследований есть и свои противники. Ряд ученых выражают озабоченность в связи с открытой продажей шунги-товой воды именно потому, что в ней, в отличие от марциальных вод, могут находиться и фрагменты фуллеренов, которые, как известно, крайне нестабильны. Употребляя воду, настоянную на шунгите, человек может выпить не только полезные кластеры. Фуллерены или их осколки с легкостью преодолевают гематоэнцефалический барьер, то есть проникают в живые ткани, в том числе и в мозг. В тоже время эти наноразмерные частицы дополнительно могут еще и транспортировать на себе самые разные вещества, которые в норме барьер не проходят и в нервные ткани не проникают.
Применение в строительстве асбестоцементных плит (например, из них изготавливают стены ванной и туалета) во многих странах мира считается опасным. Асбест состоит из мелких игольчатых микро- и наноструктур. Шахтеры, которые добывают асбест и много лет подряд вдыхают асбестовую пыль, почти гарантированно получают рак легких из-за воздействия этой пыли. В целях заботы о здоровье во многих странах мира асбестовые конструкции демонтируют.
Можно вспомнить пример со зданием правительства в бывшей Восточной Германии, которое новые власти практически снесли из-за активного применения в нем асбестовых материалов.
Нелепо предположить, что можно взять минерал (камень) из того же алюмосиликата, измельчить его, затем настоять на нем воду и предлагать потребителю. Применение шунгитовой воды должно осуществляться под строгим медицинским контролем, с длительным изучением как возможных положительных, так и отрицательных последствий.
На заседании Совета Федерации 19 марта 2008 года Сергей Иванов неоднозначно заявил, что нанотехнологии пока освоили только жулики, которые уже рекламируют всевозможные нанокремы. «Никто не знает, что будет с вашей рукой, когда вы их намажете. И никакого нано там нет. Просто модное слово взяли», -- предупредил первый вице-премьер. Другие жулики тем временем пытаются покуситься на 130 млрд рублей, которые государство выделило госкорпорации «Российские нанотехнологии», и представляют «завиральные и фактически неосуществимые проекты».
Проведенные в странах Европы социологические исследования свидетельствуют о том, что развитие нанотехнологии существенно сдерживается отсутствием высококвалифицированных специалистов в этой области и определенными опасениями общественности, в том числе научной, связанными с возможными негативными последствиями влияния наноиндустрии на человека и окружающую среду. Многие специальные медицинские исследования выявили, что нано-частицы с размерами, позволяющими им достигать наиболее чувствительных тканей легких, вызывают воспаление. Так, Джон Джеймс ( John James) из Космического центра Джонсона ( Johnson Space Center) NASA в Хьюстоне и его коллеги вводили наночастицы в дыхательные пути мышей и затем наблюдали за ними в течение трех месяцев. Фуллерены не вызвали явных повреждений тканей, однако углеродные на-нотрубки повлияли на работу легких и вызвали смерть нескольких животных.
Как отмечает научное издание Science Daily, установлено, что даже воздух, окружающий нас, часто содержит частицы, которые вредны для здоровья человека. Особенно разрушительны для ДНК частицы, находящиеся в воздухе метро, считает Ханна Карлссон ( Hanna Karlsson), ученый из Karolinska Institutet (Швеция). По ее мнению, частицы, содержащиеся в кислороде стокгольмской подземки, оказывают на ДНК человека более сильное воздействие, нежели частицы, содержащиеся в автомобильных выхлопах. Исследование показало, что воздух в метро содержит частицы железа, которые образуются вследствие трения колес о рельсы. Наибольший вред человеческому организму они наносят при попадании в легкие, когда свободные радикалы образуются в клетках организма. Свободные радикалы -- это быстродвижущиеся молекулы, которые как раз и наносят наибольший вред ДНК человека. При этом, как отмечает ученый, повреждение клетки, нанесенное радикалами, может быть устранено самой клеткой, однако если оно остается «невылеченным», это увеличивает риск заболевания раком.
Аналогичные частицы, которые были обнаружены в ходе исследования, возникают в результате трения автомобильных шин об асфальт и также приводят к различным воспалительным заболеваниям в организме.
В связи с высокой проникающей способностью наноча-стиц некоторыми учеными также высказываются опасения и относительно применения различных твердых наноразмер-ных объектов в ряде косметических препаратов: кремах, лосьонах и т.д.. Механизм и характер поведения наночастиц после нанесения на кожу полностью не изучен. Вполне вероятно, что наночастицы не пожелают надолго задерживаться в кожном покрове и отправятся в путешествие по всему организму.
Однако встающие перед человечеством глобальные проблемы требуют незамедлительных и порой кардинальных Действий. В решении многих из них именно нанотехнологии могут оказать значительную помощь. Так, за последние 20 лет было выявлено не менее 30 инфекционных заболеваний (СПИД, вирус Эбола, «птичий грипп» и др.), смертность от которых составляет 30% общего числа смертей во всем мире. Ежегодно только в США диагностируется 1,5 млн новых случаев онкологических заболеваний. Смертность от них в мире составляет не менее 500 тыс. человек в год. Согласно прогнозам, к 2020 году количество онкобольных в мире может возрасти на 50% и составить 15 млн человек в год.
Директор Лаборатории нанофотоники { Laboratory for Nanophotonics), профессор Университета Раиса в Хьюстоне, Наоми Халас ( Naomi Halas) и Питер Нордлендер ( Peter Nordlander) создали новый класс наночастиц с уникальными оптическими свойствами -- наногильзы. Имея диаметр в 20 раз меньший, чем у красных кровяных телец (эритроцитов), они свободно перемещаются по кровеносной системе. К поверхности гильз особым образом прикрепляется специальные белки -- антитела, поражающие раковые клетки. Через несколько часов после их введения организм облучают инфракрасным светом, который наногильзы преобразуют в тепловую энергию. Эта энергия и разрушает раковые клетки, причем соседние здоровые клетки при этом практически не повреждаются.
Такая уникальная нанотехнология уже успешно протестирована на подопытных мышах с раковыми опухолями. Уже через 10 дней после облучения все больные животные полностью избавились от недуга. Причем, как отмечается, последующие анализы не выявили у них никаких очагов новых злокачественных образований.
Аналогичные исследования в данной области ведет австралийская фирма pSivida. Она изобрела новый способ точной дозированной поставки лекарства к раковой опухоли. Препарат BrachySil вводится в опухоль. Он содержит лекарство, убивающее раковые клетки. Однако самое сложное в подобных способах терапии -- точная дозировка и постепенное (в течение многих дней) введение лекарства непосредственно в организм. В противном случае эффект может быть обратным желаемому. BrachySil -- это комплекс кремниевых высокопористых (размер пор -- 10 атомов) наночастиц-
В его порах помещен действующий препарат, а также определенное количество изотопа фосфора-32 (период полураспада -- 14 дней). Фосфор служит для регулировки разложения кремния, во время которого в опухоль и выпускается препарат. Вся технология базируется на том, что кремний в форме частиц нанометрового размера, в отличие от более крупных фрагментов, полностью перерабатывается организмом человека так же, как кремниевая кислота, содержащаяся в пище.
По заявлению ученых из университета штата Миссури (г. Колумбия, США), так как все человеческие болезни возникают на уровне клетки, «биологически совместимые зеленые и золотые наночастицы могут использоваться при диагностировании и даже лечении раковых и офтальмологических заболеваний».
Марк Гринстафф ( Mark Greenstaff) из Бостонского университета доложил о весьма успешных работах по созданию наноразмерных разветвленных полимеров для лечения глазных ран дендримеры.
Исследователи из Гонконгского университета -- профессора Ратледж Эллис-Бенке ( Rutledge Ellis- Behnke) и Геральд Шнайдер ( Gerald Schneider), дополнительно проинформировали научную общественность, что в ближайшее время приступят к клиническому апробированию технологии под названием «нанонейровязание разорванного глазного тракта с восстановлением его функций». Данная методика фактически является технологией завтрашнего дня и позволит решить ряд серьезных медицинских задач в области офтальмологии.
«Наша технология позволяет соорудить над разорванным глазным трактом нановолоконный мост, иногда мы можем с таким же успехом воздвигнуть строительные леса, состоящие из самособирающихся нановолоконных пептидов», -- заявил российскому агентству ИТАР-ТАСС профессор Эллис-Бенке.
Другой из важнейших задач остается увеличение продолжительности жизни. В настоящее время средняя продолжительность жизни в Европе составляет 74 года у мужчин и 8п лет у женщин. В России эти показатели значительно ниже особенно у мужчин, продолжительность жизни которых по некоторым данным, равна всего 57 лет. Эти показатели можно значительно повысить при условии применения прогрессивных средств против старения организма.
Как отмечают средства массовой информации, особенно электронные, в Америке с помощью нанотехнологий удалось вылечить инфаркт у мышек и кроликов. Такие исследования ведутся под руководством доктора Сэмюеля Стаппа ( Samuel Stupp) и его коллеги из Северо-Западного университета в Эванстоне ( Northwestern University, Evanston). Ученые вызвали сердечный приступ и инфарктное повреждение сердца у мышей. После чего все подопытные мыши были разбиты на три контрольные группы. Первой группе через полчаса после инфаркта ввели препарат на основе веществ, способных к самоорганизации в длинные и тонкие наново-локна, которые и заполняют рану в сердечной мышце. Одновременно они обладают свойством связываться с гепарином тканей, который аккумулирует на себе так называемые факторы роста, также способствующие заживлению поврежденных тканей сердца.
Вторая группа мышей получала только препараты с выделенными факторами роста. Третья группа оставалась контрольной, и ей не вводились никакие препараты. Через месяц после лечения было установлено, что у мышей первой группы введение нанопрепаратов позволило сердцу восстановиться практически полностью и функционировать так же, как у здоровых мышей. Мыши второй и третьей групп выздоравливали значительно хуже, не помогли даже факторы роста. Подобные исследования было проведены и под тверждены на подопытных кроликах.
В настоящее время для развития и коммерциализация своего изобретения доктор Стапп создал компанию Nanotope
Преимущества медицинской нанотехнологий над обычной терапией, заключающейся в химическом воздействии на заболевание посредством введения лекарственных препаратов, состоит в том, что она обеспечивает создание в орга-низме необходимой среды, в которой происходит процесс заживления.
Для подтверждения эффективности метода участникам конгресса Ассоциации исследований в области зрения и офтальмологии ( ARVO) была продемонстрирована видеозапись процесса эффективного заживления мышиной печени, рассеченной исследователями. На видеозаписи было ясно заметно, как моментально произошла остановка крови и немедленно начался процесс восстановления рассеченного органа. По мнению Эллис-Бенке, применение этой медицинской нанотехнологии может иметь неоценимое значение в нейрохирургии, так как позволит минимизировать отрицательный эффект от операций на мозге.
Ожидается, что применение этих и других нанотехнологий в области медицины будет способствовать появлению недорогих и оперативных методов диагностики заболеваний на раннем этапе, новых способов разработки и применения лекарственных препаратов, возможности восстановления поврежденной структуры ДНК.
В отчете Института биомедицинской химии РАМН указано, что российские ученые-медики в 1998--2005 годах опубликовали более 200 научных работ, доказывающих высокую эффективность нанотехнологии при лечении целого ряда заболеваний, включая рак, рассеянный склероз, менингит, СПИД, грипп и туберкулез. Указывается, что отечественная наука получила убедительные данные о возможности использования наночастиц для производства эффективных вакцин. Так, в Институте молекулярной биологии им. В. А. Энгель-гардта РАН на базе нанотехнологии создан биочип, позволяющий за несколько часов диагностировать ряд социально-опасных заболеваний, к которым относится, например, ту-беркулез. Раньше только на необходимые медицинские ис-следования требовалось не меньше месяца. Даже если не учитывать социальный фактор, то экономический эффект от снижения затрат на диагностику составляет 20 тыс. руб-лей на одно исследование. При этом в настоящее время в России исследования нанотехнологий в медицине проводятся двумя десятками научных организаций.
Следует отметить, что направление медицинских нано-технологических исследований также развивается стремительными темпами. При этом уже сейчас полученные на подопытных животных результаты обещают значительные перспективы в лечении людей. Вообще, если к нанотехноло-гиям отнести работы и достижения в области генной инженерии, то результаты окажутся фантастическими, но в целом это уже другое направление, которое потребует написания отдельной книги.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Понятие нанотехнологий и области их применения: микроэлектроника, энергетика, строительство, химическая промышленность, научные исследования. Особенности использования нанотехнологий в медицине, парфюмерно-косметической и пищевой промышленностях.
презентация [4,5 M], добавлен 27.02.2012Развитие нанотехнологий в XXI веке. Нанотехнологии в современной медицине. Эффект лотоса, примеры использования его уникального свойства. Интересное в нанотехнологиях, виды нанопродукции. Сущность нанотехнологий, достижения в этой отрасли науки.
реферат [21,4 K], добавлен 09.11.2010Понятие нанотехнологий. Нанотехнология как научно-техническое направление. История развития нанотехнологий. Современный уровень развития нанотехнологий. Применение нанотехнологий в различных отраслях. Наноэлектроника и нанофотоника. Наноэнергетика.
дипломная работа [569,7 K], добавлен 30.06.2008Использование нанотехнологий в пищевой промышленности. Создание новых пищевых продуктов и контроль за их безопасностью. Метод крупномасштабного фракционирования пищевого сырья. Продукты с использованием нанотехнологий и классификация наноматериалов.
презентация [4,6 M], добавлен 12.12.2013Материальная основа и функции технического сервиса пути его развития. Современное состояние предприятий ТС, направления их реформирования. Виды и применение наноматериалов и нанотехнологий при изготовлении, восстановлении и упрочнении деталей машин.
реферат [397,6 K], добавлен 23.10.2011Нанотехнология - высокотехнологичная отрасль, направленная на изучение и работу с атомами и молекулами. История развития нанотехнологий, особенности и свойства наноструктур. Применение нанотехнологий в автомобильной промышленности: проблемы и перспективы.
контрольная работа [3,8 M], добавлен 03.03.2011Режимы работы сканирующего туннельного микроскопа. Углеродные нанотрубки, супрамолекулярная химия. Разработки химиков Уральского государственного университета в области нанотехнологий. Испытание лабораторного среднетемпературного топливного элемента.
презентация [9,3 M], добавлен 24.10.2013Возникновение и развитие нанотехнологии. Общая характеристика технологии консолидированных материалов (порошковых, пластической деформации, кристаллизации из аморфного состояния), технологии полимерных, пористых, трубчатых и биологических наноматериалов.
реферат [3,1 M], добавлен 19.04.2010Лидерство стран в области нанотехнологий. Перспективы использования новых технологий в областях энергетики, вычислительной техники, химической и биомолекулярной технологии, в оптике и электронике, медицине. Примеры научных достижений и разработок.
презентация [1,1 M], добавлен 14.04.2011Размеры наночастиц, особенности их получения из элементов и общие свойства. Физический и химический способы получения наночастиц. Понятие наноструктур как ансамбля атомов или молекул, их разделение на сплошные и пористые. Сферы применения нанотехнологий.
презентация [28,5 M], добавлен 11.12.2012
