Нанотехнологии — перспективное направление науки, которое становится основой для развития новых технологий. За последние 10–15 лет нанотехнологии прочно вошли в повседневную жизнь человека: наночастицы используются в различных отраслях индустрии, в том числе в пищевой промышленности, фармакологии, медицине, косметологии, входят в состав широко используемых биологически активных добавок, гигиенических и упаковочных средств. Весь год «Научная Россия» следила за достижениями области и рассказывала о них своим читателям. Яркие разработки ученых в области нанотехнологий — в нашем материале.
Квантовые точки помогут создавать наноматериалы нового типа (для сенсоров, датчиков, информационных систем)
Квантовые точки — наноматериал нового типа
Общая тенденция к миниатюризации приборов и устройств развивает область наноструктурирования, то есть уменьшения размеров до нанометрового масштаба, и мотивирует ученых по всему миру искать наноматериалы нового типа.
Так, в этом году физики из России и Китая получили необычные квантовые точки: им удалось совместить наночастицы углерода с трехмерной тетраэдрической связью, как в алмазе, которые имеют плоскую 2D-структуру. Такие наноточки можно использовать для получения углеродных наноматериалов нового типа, для изготовления электронных, фотонных, оптических, комбинированных оптоэлектронных компонентов, устройств, датчиков, сенсоров, в информационных системах, а также в биологии и медицине.
«Полученные нами квантовые точки обеспечат ускорение обработки большого массива данных, высокоскоростное управление измерительными приборами и техническими устройствами. Особую актуальность это имеет для космической техники, в квантовых технологиях, при разработке датчиков и сенсорных устройств, в биомедицине», — рассказал соавтор работы, руководитель лаборатории «Гибридные технологии и метаматериалы» УрФУ Анатолий Федорович Зацепин.
Кроме того, квантовые точки совместимы с тканями человека, что позволяет использовать их в том числе как маркеры и биосенсоры при обнаружении и визуализации раковых опухолей: вводить в организм человека в виде суспензий, доставлять до больного органа и осуществлять процесс лечения методом фотонной терапии.
Наночастицы серебра в борьбе с раком
Наночастицы серебра — наиболее изученный объект нанотехнологий, применяемый в том числе в медицине. Ученые Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политеха совершили значительный прорыв, обнаружив, что наночастицы серебра, полученные в результате облучения, демонстрируют высокую эффективность в уничтожении раковых клеток.
Исследователи получали наночастицы серебра диаметром менее 100 нм с помощью ускоренного электронного пучка высокоэнергетических электронов и стабилизировали поливинилпирролидоном или гидролизатом коллагена. Полученные таким образом наночастицы обладают различными биологическими свойствами — остаются стабильными в водных растворах, что обеспечивает их биологическую активность. Они эффективно уничтожают активно растущие клетки, в том числе опухолевые, оставаясь при этом минимально токсичными для здоровых клеток организма.
Наночастицы серебра, полученные при помощи облучения, способны эффективно уничтожать раковые клетки
«Наночастицы серебра запускают особый механизм гибели клеток — апоптоз. Погибая, клетка как бы “упаковывает” себя в компактные фрагменты, которые начинают поглощать окружающие ткани и макрофаги. Это не сопровождается большим воспалительным процессом, поскольку не происходит выхода из цитоплазмы, как это бывает при гибели клетки путем некроза. Таким образом, наночастицы позволяют уничтожать мягким способом опухолевые клетки широкого спектра. Полученные под действием электронного пучка наночастицы серебра оказывают более выраженное токсическое воздействие на опухолевые клетки», — пояснил доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Евгений Владимирович Плотников.
Импланты из наночастиц
Еще одно медицинское направление, перспективное для применения нанотехнологий, — трансплантология. Например, коллектив ученых из Санкт-Петербургского университета, Института высокомолекулярных соединений РАН и Университета Ганновера разработал инновационную технологию 3D-печати для тканевой инженерии. Объединить частицы в трехмерные структуры стало возможно за счет реакции фотосшивания — специального процесса образования ковалентных связей (так называемых сшивок) между частицами при облучении их ультрафиолетом. «Чернила» для 3D-печати состоят из наночастиц на основе полимолочной кислоты, представляющей собой биоразлагаемый полимер, и нанокристаллической целлюлозы.
Наночастицы в отличие от массивных материалов, применяемых в трансплантологии, позволяют создавать структуры, имитирующие сложные неоднородные биологические ткани. Так, например, они могут использоваться при создании импланта человеческой кости.
«Мы использовали суспензии наночастиц и с их помощью напечатали скаффолды на 3D-принтере. Испытания на клетках in vitro показали достаточную механическую прочность этих материалов, а также их биосовместимость», — пояснил руководитель лаборатории биоматериалов СПбГУ, доцент СПбГУ (кафедра медицинской химии) Виктор Александрович Коржиков-Влах.
Нанотрубки впервые восстановили поврежденные нервы
Новые возможности в медицине открывают углеродные наноматериалы. Ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого разработали способ замещения дефектов периферических нервных волокон с помощью композитных волокон на основе хитозана с применением углеродных нанотрубок.
Главной задачей было создать вещество, которое заместит поврежденный нерв — композитные волокна на основе хитозана с применением углеродных нанотрубок
«Мы получили трубчатую матрицу, так называемый кондуит, длина которого составила 1–1,5 см. Отдельно получали хитозановые волокна с различным содержанием углеродных нанотрубок. Затем кондуит и волокна совмещали, то есть волокна вводили во внутренний просвет трубки и закрепляли. И с помощью данной конструкции соединяли два конца периферического нерва», — рассказала аспирантка ИБСиБ СПбПУ Нурджемал Тагандурдыева.
Испытание уже проведено на животных, вырезанная часть седалищного нерва была замещена образцом. Результаты показали высокую эффективность разработки: образованные нервы проросли через трубку с волокнами и восстановили двигательную активность зверька, а биосовместимость волокон позволила избежать воспалительной реакции организма.
Нанотрубки преобразуют городской шум в заряд для электроники
Сегодня активно реализуется концепция создания самоподдерживающихся источников питания для персональной электроники с использованием наногенераторов, собирающих энергию из окружающей среды без необходимости подзарядки. Это направление активно развивают сотрудники Института нанотехнологий, электроники и приборостроения ЮФУ. Сейчас ученые занимаются разработкой наногенераторов на основе углеродных нанотрубок, способных эффективно преобразовывать небольшие деформации и вибрации от городского шума, человеческих движений и разговоров в электрическую энергию для питания таких устройств, как часы, телефоны и наушники.
Результаты исследований показали, что легирование нанотрубки пиррольным азотом увеличивает как механические, так и пьезоэлектрические свойства и приводит к значительному увеличению генерируемого тока во время деформации.
Москва-Сити
«Идея по разработке наногенераторов на основе преобразования механической энергии окружающей среды в электрическую энергию с помощью пьезоэлектрического эффекта в наноразмерных структурах была заложена в 2006 г. И с тех пор идет поиск подходящего материала для ее реализации. Классические пьезокерамические структуры не подходят, так как они хрупки и, как правило, токсичны из-за наличия в составе свинца, а пьезоэлектрические полупроводниковые наноструктуры (оксид цинка, нитрид галлия) обладают недостаточно высоким значением пьезоэлектрического модуля для эффективного преобразования энергии <…> Результаты данного исследования показывают, что легированные азотом углеродные нанотрубки — превосходный кандидат для разработки высокоэффективных наногенераторов благодаря сочетанию высоких механических и пьезоэлектрических свойств, что позволяет сделать существенный шаг вперед для практической реализации данной идеи», — рассказала кандидат технических наук, доцент Марина Владимировна Ильина.
Еще больше об углеродных нанотрубках читайте в интервью «Научной России» с заведующей лабораторией углеродных наноматериалов Российского нового университета Ольгой Валентиновной Демичевой.
Компьютерная память сохранит данные при пожаре
Ученые Новосибирского государственного университета разработали материал для компьютерной памяти — майенитовый электрид, способный хранить данные при высоких температурах с большим циклом их перезаписи.
Речь идет о материале майенит. Он существует и в природе ― это природный минерал, состоящий из кальция, алюминия и кислорода
В основе материала — природный минерал майенит, состоящий из кальция, алюминия и кислорода, который не способен проводить ток. Однако новосибирские ученые заменили часть кислорода электронами и его электрическая проводимость увеличилась на 14 порядков. По словам ученых, на основе материала возможно создать мемристоры. Созданная компьютерная память энергонезависима, то есть данные сохранятся при отключении питания. А способность материала выдерживать высокие температуры позволит не потерять данные даже при пожаре.
«Сегодня актуален вопрос передачи и безопасного хранения данных. Со временем данные с запоминающего устройства, например флеш-накопителя, могут стереться из-за механического воздействия или высоких температур. У майенитного электрида есть ряд преимуществ перед другими материалами. Он достаточно прост по составу, состоит из кальция, алюминия и кислорода, а значит, экологически безопасен. Кроме того, кристаллическая решетка материала сохраняет структуру до 1,3 тыс. ℃. Это значит, что даже при сильном нагреве, например при пожаре в серверной, данные должны сохраниться», ― рассказал заведующий молодежной лабораторией Новосибирского государственного университета Павел Викторович Гейдт.
Портал «Научная Россия» продолжит знакомить вас с открытиями отечественных и зарубежных ученых и в новом году! С наступающим праздником!
Фото на странице: iaremenko / Фотобанк 123RF
Фото на главной странице сайта: ThisisEngineering RAEng / Фотобанк Unsplash