Нанотехнологии

ИДЕИ СИБИРСКИХ УЧЕНЫХ В НАНООБЛАСТИ

Главной темой одного из последних заседаний Общего собрания СО РАН стали исследования наноматериалов, наноструктур и создания на их основе ноу-хау для резкого роста промышленности, сельского хозяйства и социальной сферы. Первую часть основного доклада "Наноматериалы, наноэлектроника и нанобиотехнологии" представил академик Александр Асеев (Институт физики полупроводников им. А. Ржанова СО РАН, Новосибирск).

Начав с истории вопроса, он заметил, что на практике человечество использовало такие эффекты уже давно. Примеры тому - прекрасные витражи в средневековых церквах Германии, Италии, других стран. Для их создания применяли цветные стекла, изготовленные путем добавления ультрадисперсных частиц различных металлов.

В настоящее время изыскания в рассматриваемой области во всем мире идут широким фронтом. Чего можно достичь на этом пути, показывает, например, продемонстрированное докладчиком "дерево" полупроводниковой микро- и наноэлектроники. Весьма впечатляет перечень разработок новосибирцев по данной тематике*. Особо хотелось бы отметить предложенный ими в сотрудничестве со специалистами санкт-петербургского Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН и берлинского Технического университета самый миниатюрный в мире полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором. Нельзя не упомянуть и проект "Разработка технологии получения и создания опытных производств нового поколения адсорбционно-каталитических материалов для разделения и очистки природных и техногенных газов и жидкостей" (головная организация - Институт проблем переработки углеводородов СО РАН, Омск)**, доведенный до практического применения.

"Дерево" полупроводниковой микро- и наноэлектроники.

Вторая часть основного доклада, зачитанная директором Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН (Новосибирск) академиком Валентином Власовым, была посвящена бионанотехнологии (конструированию материалов, устройств из синтетических или естественных макромолекул и построению новых биологических структур на основе искусственных биополимеров). Сотрудники возглавляемого им коллектива*** создали несколько диагностических систем для медицины, получили наноразмерные неорганические структуры - "квантовые капли" разных цветов, которые можно использовать как метки для распознавания болезней, а также предложили новые подходы к доставке в клетку нуклеиновых кислот****.

Диатомовые водоросли мелозира и пинуллярия.

Современная биология и медицина уже не мыслимы без методики анализа генетического материала с помощью биочипов, базирующейся на последних достижениях химии, биологии, физики, микроэлектроники, информатики и т.д. Речь идет о пластинках, на поверхности которых в строгом порядке размещено множество различных зондов (скажем, фрагментов нуклеиновых кислот), позволяющих наблюдать за функционированием всех генов человека*****. Но для повседневной врачебной практики требуются упрощенные варианты этих миниатюрных изделий. Так, в возглавляемом Власовым институте созданы биочипы, способные обнаруживать разные генотипы вируса гепатита С, а совместно с учеными Государственного научного центра вирусологии и биотехнологии "Вектор" (Новосибирская область)****** - вируса оспы.

Директор Лимнологического института СО РАН (Иркутск) академик Михаил Грачев сосредоточил внимание собравшихся на структурах, создаваемых диатомовыми водорослями - крошечными одноклеточными, появившимися на Земле сотни миллионов лет назад, представляющими собой основную массу фитопланктона*******. И каждый из почти 100 тыс. их видов, формируя из кремнезема (двуокиси кремния) свой экзоскелет, создает определенный трехмерный узор. Происходит это очень быстро, причем при комнатной температуре (впрочем, механизм биосинтеза образуемых ими наноструктур до сих пор не выяснен). В результате миниатюрные "труженики" сооружают обширные заросли диатомитов, состоящие из одинаковых систем. В настоящее время во многих научных центрах мира, в том числе в возглавляемом Грачевым, пристально изучают указанные и другие окремняющие организмы, стремясь использовать их для получения разнообразных наноматериалов.

Доктор физико-математических наук Владимир Кузнецов (Институт теплотехники им. С. Кутателадзе СО РАН, Новосибирск) сообщил о результатах использования нанотехнологий для выработки водорода********. Принципиально новое решение проблемы его генерирования - основанные на созданных новосибирцами наноструктурных катализаторах химические микрореакторы с высокой производительностью, не уступающей лучшим мировым образцам.

В различных областях биологии и медицины могут найти применение полученные при детонации сильных взрывчатых веществ наноалмазы, приоритет в разработке синтеза которых принадлежит нашей стране. Как рассказал член-корреспондент РАН Андрей Дегерменджи, в Институте биофизики СО РАН (Красноярск)********* предложены их модификации, не имеющие мировых аналогов. Они обладают высокой устойчивостью в дисперсионных средах (т. е. жидкой фазе суспензий) и адаптированы для медико-биологических экспериментов. Сейчас главные направления исследований - изучение воздействия нового материала на сложные биологические организмы, выделение и очистка с его помощью белков и т.д. Достигнутые к настоящему времени результаты позволили выявить некоторые важные механизмы взаимодействия их молекул с поверхностью наночастиц, в частности ионообменные, гидрофобные, а также образование координационных связей белок-металл.

Благодаря уникальным свойствам модифицированные наноалмазы можно рассматривать как полифункциональные сорбенты, незаменимые в белковой химии. Их преимущества по сравнению с традиционными - быстрота, простота обращения, эффективность (выход целевого продукта 35 - 60%), возможность многократного использования для очистки белка, к тому же параллельного проведения его концентрирования. Вероятно, предложенный материал найдет распространение и в медицине, скажем, для выведения из организма токсичных соединений (тяжелых металлов, радионуклидов, продуктов метаболизма), доставки в зоны патологий лечебных препаратов (лекарств, ферментов, изотопов). Тем более что в пользу его биосовместимости и малой токсичности свидетельствуют опыты, проведенные с животными.

Академик Василий Фомин привел результаты совместных работ сибирских ученых, в частности из руководимого им Института теоретической и прикладной механики им. С. Христиановича СО РАН (Новосибирск). Во взаимодействии с сотрудниками Института ядерной физики им. Г. Будкера СО РАН (Новосибирск)********** они сконструировали опытно-промышленную установку для изготовления нанодисперсных порошков производительностью до 6 - 7 кг/ч. А с коллегами из Института химии твердого тела и механохимии (Новосибирск) предложили метод получения полых сферических частиц порошков металлов и сплавов (в том числе модифицированных тугоплавкими механическими наночастицами), предназначенных для нанесения покрытий методом напыления.

На лазерных установках возглавляемого Фоминым научного центра идут опыты по сварке материалов с добавлением наночастиц, нацеленные на достижение прочности сварного шва, не уступающей самому металлу. Это открывает перспективы при строительстве самолетов перейти от клепки к сварке, что сделает их значительно более легкими.

В связи с ростом производства наноматериалов в мире существует опасность их распространения в воздухе и поступления в легкие человека. Поэтому одной из проблем, решаемых специалистами института, стало построение математической модели движения газа в дыхательных путях. В настоящее время сделаны расчеты прохождения его по сложным каналам носа, что уже получило признание медиков: появилась возможность провести на его ходах виртуальную операцию, чтобы определить целесообразность настоящей. Кроме того, создана экспериментальная установка для ингаляции наночастиц, а опыты на животных показали ее необычайную эффективность: подача непосредственно в легкие позволяет уменьшить дозу лекарства в 1 млн. раз по сравнению с использованием таблеток. Нельзя не упомянуть и такую совместную разработку, как датчик термоанемометра*********** нового типа, предложенный специалистами Института теоретической и прикладной механики и Института физики полупроводников СО РАН на основе нанотрубок (наружный диаметр 0,1 - 10 мкм, толщина стенки 1 - 100 нм), покрытых слоем электропроводного материала. Массивы таких миниатюрных измерителей, в десятки раз более чувствительных по сравнению с ныне используемыми, можно разместить на большой площади, что открывает путь к реализации, например, "думающей" поверхности летательного аппарата, способной подстраиваться под аэродинамический поток, снижая тем самым сопротивление среды.

Общее собрание СО РАН завершилось принятием постановления, определившего приоритеты поисков по нанотехнологиям. В частности, решено сформировать соответствующий научно-координационный совет, центр экспериментальных исследований для освоения разработок институтов в промышленности, подготовить проект создания инфраструктуры для изысканий в области нанобиомедицины, нанофармакологии и нанобиобезопасности.

* См.: Прорывные технологии. - Наука в России, 2007, N 6.

** См.: В. Пармон. Управляемые превращения. - Наука в России, 2007, N 5.

*** См.: В. Власов и др. Лекарства, адресованные генам. - Наука в России, 2005, N 2.

**** См.: В. Ткачук. Медицина будущего. В этом номере журнала.

***** См.: С. Лапа, Д. Грядунов. Диагноз ставит... биочип. - Наука в России, 2004, N 6.

****** См.: Н. Красников. Научный "вектор" Сибири. - Наука в России, 2001, N 3.

******* См.: Н. Добрецов. Науки о Земле в Сибири: итоги за 50 лет. - Наука в России, 2007, N 6.

******** См.: В. Русанов. Водород и водородная энергетика. - Наука в России, 2004, N 6; Наноструктурная защита металлов. - Наука в России, 2007, N 4.

********* См.: В. Шумный. Приоритеты биологии. - Наука в России, 2007, N 5.

********** См.: А. Скринский. Познание материи. - Наука в России, 2007, N 6.

*********** Термоанемометр - прибор для измерения скорости потока жидкости или газа.

Ольга БАЗАНОВА