Нанотехнології: поняття і сутність

Очікується, що вже 2025 року з'являться перші роботи, створені на основі нанотехнологій. Теоретично можливо, що вони зможуть конструювати з готових атомів будь-який предмет. Нанотехнології спроможні зробити революцію в сільському господарстві. Молекулярні роботи здатні будуть готувати їжу, замінивши сільськогосподарські рослини і тварин. Приміром, теоретично можливо виробляти молоко безпосередньо з трави, минаючи проміжну ланку -- корову. Нанотехнології здатні також стабілізувати екологію планети. Нові види промисловості функціонуватимуть без відходів, що отруюють планету, а нанороботи зможуть знищувати наслідки старих забруднень. Неймовірні перспективи відкриваються також у галузі інформаційних технологій. Нанороботи здатні втілити в життя мрію фантастів про колонізацію інших планет -- ці пристрої зможуть створити на них середовище, придатне для життя людини.

Нанотехнології  мають блискуче військове майбутнє. Мілітарні дослідження у світі  проводяться в шести основних сферах: технології створення і протидії “невидимості” (літаки-невидимки, створені на основі технології stealth), енергетичні ресурси, самовідновлюючі системи (вони, наприклад, дозволяють автоматично ремонтувати пошкоджену поверхню панцерника або літака), зв'язок, а також пристрої виявлення хімічних і біологічних забруднень. На військові нанодослідження в 2003 році США планують витратити 201 млн. доларів. Передбачається, що 2008 року будуть представлені перші бойові наномеханізми.

Виробники вже  одержують перші замовлення на нанопристрої. Військове відомство США замовило компанії Friction Free Technologies розробити армійську форму майбутнього. Компанія, приміром, повинна виготовити шкарпетки з використанням нанотехнологій, які ліквідовуватимуть запах поту, але зберігатимуть ноги в теплі, а шкарпетки в сухості. Щоправда невідомо, чи потрібно буде прати такі шкарпетки, пише Washington ProFile.

Нанотехнологиії здатні виробити революцію в сільському господарстві. Молекулярні роботи здатні виробляти їжу, замінивши сільськогосподарські рослини і тварин. Наприклад, теоретично можливо виробляти молоко прямо з трави, минувши проміжну ланку -- корову. Нанотехнології здатні також стабілізувати екологічну обстановку. Нові види промисловості не вироблятимуть відходів, що отруюють планету, а нанороботи зможуть знищувати наслідки старих забруднень.

Особливі надії  на нанотехнології покладають фахівці  у області електроніки і інформаційних  технологій. У 1965 році було можливим умістити на одному чипі лише 30 транзисторів. У 1971 році -- 2 тис. Нині один чіп містить  близько 40 млн. транзисторів величиною 130--180 нанометрів, і з'явилися повідомлення, що вдалося створити транзистор розміром в 90 нанометрів. Цей процес зробив складну електронну і комп'ютерну техніку доступним для більшості споживачів: у 1968 році один транзистор коштував у США $1, нині за ці гроші можливо придбати 50 млн. транзисторів.

У 1965 році Гордон Мур, фахівець у сфері фізичної хімії, зробив знамените передбачення, яке  було названо «Закон Мура». «Закон Мура»  проголошує, що число транзисторів на чіпі буде можливо подвоювати кожні 18 місяців. На протязі декількох десятиріч цей прогноз доводив свою точність. Нині виробники комп'ютерних чіпів зіштовхнулись із складностями мініатюризації: аби ділом підтверджувати «Закон Мура», потрібно, щоб транзистор був величиною не більше 9 нанометрів. За прогнозом Міжнародного Консорціуму Напівпровідникових Компаній, цей рівень розвитку технології буде досягнуто до 2016 року. 

Позитивні та негативні сторони  нанотехнологій 
 

Позитивні сторони: фізики з університету штату Джорджія розробили нанодвигун, який працює на хімічному пальному. Хіміки з універу Едінбурга створили ротаксан - молекулярну машину, яка дозволяє „обійти” другий закон термодинаміки. Спеціалісти з американський лабораторій Белла та з німецького інституту колоїдів Макса Планка розробили своєрідний „молекулярний м'яз”. Новітні технології обіцяють подолати нові й поки що невиліковні хвороби. Передбачається, що наночастинки використовуватимуться для доставки до потрібних органів корисних речовин та ліків.

За оцінками експертів, уже до 2010 року 50% медикаментів вироблятимуться за допомогою нанотехнологій.

Нестримно розвиваються наукові ідеї „наноїжі”. Нанотехнології надають харчовикам унікальні можливості з тотального моніторингу у реальному  часі якості та безпеки продуктів.

Відвертого удару нанотехнології можуть завдати індустрії мийних засобів. Поява нових, стійких до забруднень та ушкоджень, матеріалів, зменшить потребу в них.

Нанотехнології  дозволять наділити інтелектом найзвичніші  предмети побуту.

Люди носитимуть одяг, який змінює колір, обмінюватимуться візитівками з нанесеною на них відеорекламою, передаватимуть свої емоції за допомогою імплантатів, що відображають настрій.

Жінки милуватимуться собою у комп'ютеризованих дзеркалах, котрі коригуватимуть зображення до ідеального, а на своїх нігтях матимуть манікюр із запрограмованим кольором та візерунками.

Світ майбутнього  буде різнобарвним, насиченим життям.

Він перейде  на наступний рівень, де багато сучасних проблем будуть розв'язані...

Негативні сторони: 1987 року американський вченого Ерік Деркслер висунув теорію „сірого слизу”. За його прогнозом у майбутньому з'являться нанороботи завбільшки з бактерію, здатні самостійно компонувати молекули в певних комбінаціях. Вихід таких систем з ладу - катастрофа. Самовідтворюючі роботи в разі програмного збою почнуть продукувати нові й нові організми, беручи за матеріал усю доступну біомасу. Внаслідок нанохаосу планету вкриє однорідний шар липких елементів.

Ще одна шокуюча  оцінка перспектив нанотехнологій в  тому, що використання нанороботів  у медицині стане початком переходу людини з еволюційно-біологічної  форми Homo Sapiens у технологічну істоту, що само розвивається - Nano Sapiens. Розумне життя на Землі завершить свій еволюційний етап і надалі розвиватиметься в наноформі, за законами саморегуляції. Можливості нанороботів, а також недовершеність людського тіла приведуть до його радикальної „перебудови”. Nano Sapiens будуть набагато пристосованішими до життя. У них не буде статі, статевого розмноження, інстинктів. Їм не потрібні будуть сьогоднішні технічні пристосування - частина з них буде інтегрована в їхні організми. Спільне у Nano Sapiens і людини лише одне - здатність мислити. У перспективі „людство”, що складається з індивідів Nano Sapiens, інтегруючись на інформаційному рівні, зіллється в єдину особистість - Megasapiens, „плоть” якої може бути загалом не визначене у просторі.

Також, проблемою  є - складність розроблення наноречовин, мається на увазі те, що їхній вплив буде залежати більш ніж просто від хімії... одна тільки мікроскопічна величина наночастинок могла б дозволяти їм легше проникати й вражати людські органи... той факт, що речовини наномасштабу можуть мати надзвичайні властивості - властивості, котрі не узгоджуються із «прописними» фізикою та хімією, - може являти собою потенційну загрозу 
У той час як уряд і промисловість вкладають мільярди у те, щоб швидко наживати капітал на торговельному потенціалі нанотехнології, виявляти й аналізувати потенційні загрози видається малоцікавим, тому дослідники  не впевнені у тому, як безпечно працювати із новими наноречовинами, нанокомпаніям невідомо повністю, як створювати безпечну продукцію, і суспільна довіра до цієї нової технології ризикує бути підірваною. 
 

Безпека наноматеріалів 

Система нанобезпеки, як це вже не одноразово відбувалося  в історії людства, відстає на крок від впровадження наноматеріалів, проте залишається дуже важливою в умовах швидкого розповсюдження нанотехнологій у всьому світі, ймовірного впливу на людей безпосередньо або через виділення в навколишнє природне середовище (повітря, воду, ґрунт). Синтезовані наноматеріали здатні потрапити в навколишнє середовище різними шляхами. При виробництві, обробці та перевезенні, використанні або утилізації.

Оцінка безпеки  наноматеріалів вимагає тісного  співробітництва вчених різних галузей. Традиційно пов'язані з оцінкою  безпеки науки - токсикологія, патологія, молекулярна і клітинна біологія, фармакокінетика і біохімія –  повинні з'єднати зусилля з досвідченими матеріалознавцями і ученими інших галузей науки для забезпечення того, щоб дослідження щодо безпеки та біосумісності дали точні та зрозумілі (що можна інтерпретувати) результати для оцінки безпеки.

Зустріч біологічних  систем з наноматеріалами не виключає катастрофічних змін перших. У цьому зв'язку глобальний нанотехнологічний проект повинен передбачити такі небезпеки і поставити під тотальний контроль генотоксикологічну оцінку продуктів, створюваних на базі маніпуляцій з атомами, молекулами, молекулярними системами. Інакше кажучи, фахівці, що займаються проблемами нанотехнологій, повинні добиватися строгого вивчення ефектів наночастинок на генетичні та біологічні системи. З поглядів фундаментальної мутаційної генетики, нанотехнології, зберігаючи вірність принципу міждисциплінарності, будуть зобов'язані вивчити питання про те, які варіанти розвитку можливі після того, як наночастинки досягнуть апарату спадковості. Дуже може бути, що у випадку інтеграції наночастинок у хромосомні матриці їхній вплив на процеси мутагенезу виявиться катастрофічним. У цілому ж результати досліджень структурно-функціональних наслідків дії наночастинок на гени, хромосоми, білки, ферменти і органели в клітині, а також інтерпретація і теоретичний аналіз цих результатів відкриють нову сторінку в біології і генетиці, стануть самостійним тематичним розділом в нанонауці та сінергетиці, розділом дуже важливим і цікавим.

Вивчення властивостей наночастинок та їхнього наступного впливу на біологічні структури можливе за двома основними напрямами: мікроскопічному і термодинамічному. При використанні першого підходу вивчення особливостей поведінки нанооб’єктів здійснюється від одиничних атомів або молекул речовини до гігантських наноструктур, щодо яких можуть застосовуватися усі наближення з фізики твердого тіла. Другий напрям має зворотний підхід, коли від макроскопічного об'єкта переходять до нанокластерів за рахунок дроблення або наноструктурування.

Застосування  термодинамічного підходу до вивчення властивостей нанокластерів дозволяє встановити закономірності зміни їх властивостей у процесі фазового переходу. Крім того, необхідно оцінити можливість синергетичного впливу наночастинок із токсичними забруднювачами, що також може впливати на біооб'єкти.

Спільний аналіз електрофізичних, фізико-хімічних і хімічних процесів, що протікають у водному середовищі та біологічних рідинах у присутності наночастинок, дозволить виявити механізм їхньої дії на біооб'екти і оцінити можливості проявлення нанотоксичного впливу на організм.

Так як наноматеріали  можуть володіти зовсім іншими фізико-хімічними  властивостями та біологічною (у  тому числі токсичним) дією, ніж речовини у звичайному фізико-хімічному стані, тому вони повинні у всіх випадках бути віднесені до нових видів  матеріалів і продукції, характеристика потенційного ризику яких для здоров'я людини і стану середовища перебування у всіх випадках є обов'язковою.

При оцінці безпеки  наноматеріалів у першу чергу  варто враховувати їхній вплив  на такі найважливіші біологічні характеристики, як проникність біомембран, генотоксичність, активність окислювально-відновних процесів, включаючи перекісне окислювання ліпідів, біотрансформація і елімінація з організму.

Існуюча сьогодні методологія оцінки ризику ґрунтується  на повній токсикологічній оцінці кожної конкретної речовини, визначенні залежності "доза-ефект", даних про зміст речовини в об'єктах навколишнього середовища і харчових продуктів, розрахунку навантаження на населення, що дозволяє розрахувати наявні ризики. Однак для наноматеріалів у зв'язку з особливостями їхньої будови і поведінки дана методологія може бути застосована обмежено (або незастосовна) у зв'язку з наступними причинами:

- токсичність  наночастинок не може бути  виведена в порівнянні з аналогами  в макродисперсній формі або у вигляді суцільних фаз, тому що токсикологічні властивості наноматеріалів є результатом не тільки їхнього хімічного складу, але й розмаїтості їхніх інших особливостей, таких як поверхневі характеристики, розмір, форма, сполука, хімічна реактивність та ін;

- наявні токсикологічні  методології засновані на визначенні  токсичності речовини щодо масової  концентрації, що не прийнятно  для наноматеріалів, для яких  основними визначальними властивостями  можуть бути величина площі  поверхні або наночастинки;

- відсутні стандартизовані індикатори нанотоксичності, які повинні обов'язково враховувати внесок таких характеристик, як поверхневі властивості, розмір, форма, сполука, хімічна реактивність складових їхніх часток;

- відсутні надійні  дані про органи-мішені дії  конкретних наноматеріалів;

- методи виявлення,  ідентифікації й кількісного  визначення наноматеріалів у  об'єктах навколишнього середовища, харчових продуктах і біосередовищах, які могли б вірогідно відрізнити  їх від хімічних аналогів у  макродисперсній формі, недостатньо розроблені;

- відсутні або  недоступні нові бази даних  і математичні моделі, що опираються  на досягнення біоінформатики  і на експериментальні дані  по токсичності окремих наноматеріалів.

Незважаючи на те, що наноматеріали використаються досить тривалий час, жоден вид не був вивчений у повному об'ємі безпеки. Фактично, безпеки наноматеріалів не дозволяють точно оцінити їхні потенційні ризики.