1. Современный уровень развития нанотехнологий
2. Применение нанотехнологий в различных отраслях

2.1.)   Наномедицина

2.2)    Нанобиотехнологии

2.3)   Нанокосметика

2.4)    Нанотехнологии  для легкой промышленности

2.5)   Нанотехнологии для обеспечения безопасности

2.6)   Нанотехнологии для сельского  хозяйства и пищевой промышленности 
 

 

1. Современный уровень развития нанотехнологий

 

     В настоящее время наноматериалы  используют для изготовления защитных и светопоглощающих покрытий, спортивного  оборудования, транзисторов, светоиспускающих диодов, топливных элементов, лекарств и медицинской аппаратуры, материалов для упаковки продуктов питания, косметики и одежды. Нанопримеси  на основе оксида церия уже сейчас добавляют в дизельное топливо, что позволяет на 4-5% повысить КПД  двигателя и снизить степень  загрязнения выхлопных газов.

     Общемировые затраты на нанотехнологические  проекты превышают $9 млрд. в год. На долю США приходится примерно треть  всех мировых инвестиций в нанотехнологии. Другие главные игроки на этом поле - Европейский Союз и Япония. Исследования в этой сфере активно ведутся  также в странах бывшего СССР, Австралии, Канаде, Китае, Южной Корее, Израиле, Сингапуре, Бразилии и Тайване. Прогнозы показывают, что к 2015 году общая численность персонала  различных отраслей нанотехнологической  промышленности может дойти до 2 млн. человек, а суммарная стоимость  товаров, производимых с использованием наноматериалов, составит, как минимум, несколько сотен миллиардов долларов и, возможно, приблизится к $1 трлн. В  общей сложности американская промышленность и индустрия других развитых стран  сейчас применяют нанотехнологии в  процессе производства, как минимум, 80 групп потребительских товаров  и свыше 600 видов сырьевых материалов, комплектующих изделий и промышленного  оборудования.

 

2. Применение  нанотехнологий в различных отраслях

 

      Существуют  следующие основные направления  наноэлектроники:

1. Кремниевая электроника.
2. Электроника на механотранзисторах.
3. Электроника на нанотрубках.
4. Молекулярная электроника.
5. Одноэлектроника.
6. Спинтроника.
7. Квантовая электроника.
8. Многозондовые системы.
9. Гибкая электроника.

 

      2.1. Наномедицина 

      Современная технология – нанотехнология - позволяет  работать с веществом в масштабах, еще недавно казавшихся фантастическими - микрометровых, и даже нанометровых. Именно такие размеры характерны для основных биологических структур - клеток, их составных частей (органелл) и молекул.

      Современные приложения нанотехнологий в медицине можно разделить на несколько  групп:

      1. Наноструктурированные материалы,  в т. ч., поверхности с нанорельефом, мембраны с наноотверстиями. В  настоящее время достигнуты успехи  в изготовлении наноматериала,  имитирующего естественную костную  ткань.

      2. Наночастицы (в т. ч., фуллерены  и дендримеры). Спектр возможных  применений чрезвычайно широк.  Он включает борьбу с вирусными  заболеваниями такими, как грипп  и ВИЧ, онкологическими и нейродегенеративными заболеваниями, остеопорозом, заболеваниями сосудов. Наносферы могут использоваться и в диагностике, например, как рентгеноконтрастное вещество, прикрепляющееся к поверхности определённых клеток и показывающее их расположение в организме.

      3. Микро- и нанокапсулы. Миниатюрные  (~1 мк) капсулы с нанопорами могут  быть использованы для доставки  лекарственных средств в нужное  место организма. Уже испытываются  подобные микрокапсулы для доставки  и физиологически регулируемого  выделения инсулина при диабете  1-го типа.

      4. Нанотехнологические сенсоры и  анализаторы. Использование микро-  и нанотехнологий позволяет многократно  повысить возможности по обнаружению  и анализу сверхмалых количеств  различных веществ. Одним из  вариантов такого рода устройства  является «лаборатория на чипе»  (lab on a chip). Это пластинка, на поверхности  которой упорядоченно размещены  рецепторы к нужным веществам,  например, антитела. Такое устройство, способное обнаруживать буквально  отдельные молекулы может быть  использовано при определении  последовательности оснований ДНК  или аминокислот, обнаружения  возбудителей инфекционных заболеваний,  токсических веществ. 

      5. Медицинские применения сканирующих  зондовых микроскопов. Сканирующие  микроскопы представляют собой  группу уникальных по своим  возможностям приборов. Они позволяют  достигать увеличения достаточного, чтобы рассмотреть отдельные  молекулы и атомы.

      6. Наноинструменты  и наноманипуляторы. Наноманипуляторами можно назвать  устройства, предназначенные для  манипуляций с нанообъектами  - наночастицами, молекулами и  отдельными атомами. Примером  могут служить сканирующие зондовые  микроскопы, которые позволяют перемещать  любые объекты вплоть до атомов.

      7. Микро- и наноустройства различной  степени автономности. В настоящее  время всё большее распространение  получают миниатюрные устройства, которые могут быть помещены внутрь организма для диагностических, а возможно, и лечебных целей. Современное устройство, предназначенное для исследования желудочно-кишечного тракта, имеет размер несколько миллиметров, несёт на борту миниатюрную видеокамеру и систему освещения. Полученные кадры передаются наружу. 

      2.2. Нанобиотехнологии 

      Особое  место в нанотехнологиях занимает область нанобиотехнологий. Речь идет о создании устройств с использованием биологических макромолекул в целях  изучения или управления биологическими системами.

      Нанобиотехнология объединяет достижения нанотехнологии и молекулярной биологии. В ней  широко используется способность биомолекул к самосборке в наноструктуры. Так, например, липиды способны спонтанно  объединяться и формировать жидкие кристаллы. ДНК используется не только для создания наноструктур, но и  в качестве важного компонента наномеханизмов. Предполагается, например, что вместо того, чтобы создавать кремниевую основу микросхем, нанотехнологи смогут использовать двухцепочечную молекулу ДНК, особенности которой позволяют  объединять атомы в предсказуемой  последовательности.

      По  мнению ряда ученых, нанобиотехнологии  существенно упрощают и ускоряют решение традиционных проблем генетики сельскохозяйственных видов. Таких, к  примеру, как контроль происхождения, выявление носителей неблагоприятных  мутаций или инфекций, а также  генов, связанных с желательными хозяйственно ценными признаками, включая  устойчивость к неблагоприятным  факторам окружающей среды. 

 

      2.3. Нанокосметика

 

      Использование нанотехнологий в косметике началось сравнительно недавно.

      L'Oreal, мировой лидер по производству косметики, вкладывает миллионы в исследования нанотехнологии. Компания верит в то, что будущее именно за нанокосметикой — когда-нибудь она поможет замедлить старение кожи, предотвратить появление седых волос и даже облысение.

      Несколько лет назад L'Oreal выпустила на рынок знаменитый крем Revitalift, содержащий наносомы Про-Ретинола А, и, по заверению компании, этот крем впитывается в кожу куда лучше, чем кремы других марок, за счет особых микрочастиц (см. рис. 3).Традиционные кремы лишь образовывали барьер, защищающий кожу от потери влаги, тогда как лореалевская новинка с помощью микрочастиц действовала на более глубокие слои кожи и стимулировала обновление клеток.

      

      Рисунок 1. Крем компании L'Oreal

      Dior «выступил» на рынок с «липосомами», которые по своей функции похожи на лореалевские «наносомы». Estee и Johnson & Johnson также стали производить продукцию с использованием нанотехнологий.

      Большинство обычных кремов из числа так называемой «поверхностной косметики» не достигают  глубоких слоев кожи, оставаясь на поверхности. Такие кремы могут  хорошо защищать кожу и не более  того. Нанокосметика действует на уровне атомов, доставляя увлажняющие  компоненты и антиоксиданты в так называемых «наносферах» или «наносомах» — маленьких капельках, которые в миллионы раз меньше частицы песка. В теории, эти наносомы проникают очень глубоко в кожу, принося с собой увлажняющие компоненты и удаляя мертвые клетки глубоко под поверхностным слоем кожи.

      Однако  косметологи не остановились на наносомах  и предложили потребителям так называемые «нанокомплексы», объединяющие активные вещества, измельченные до размера  «нано», в системы. Нанокомплексы  могут быть заранее «запрограммированы»  под определенную проблему и высвобождать активные вещества именно там, где это  необходимо.

      У бренда лечебной косметики для волос  Kerastase, принадлежащего компании L’Oreal, есть несколько продуктов для волос, созданных с использованием нанотехнологий.

      Нанотехнологии  используются не только при производстве увлажняющих кремов, но и солнцезащитных средств. Оказывается, солнцезащитный крем может быть практически неощутимым, но, в то же время, способным защитить от вредного солнечного излучения на самом высоком уровне. 

      2.4. Нанотехнологии для легкой промышленности  

      Наноматериалы в текстиле. Текстиль на основе наноматериалов приобретает уникальные по своим показателям водонепроницаемость, грязеотталкивание, теплопроводность, способность проводить электричество и другие свойства.

      Наноматериалы могут иметь в своем составе  наночастицы, нановолокна и другие добавки. Например, компания Nano-Tex успешно производит ткани, улучшенные с помощью нанотехнологий. Одна из таких тканей обеспечивает абсолютную водонепроницаемость: благодаря изменению молекулярной структуры волокон, капли воды полностью скатываются с полотна, которое при этом «дышит».

      А американская компания NanoSoni cразработала уникальную технологию, позволяющую создавать материалы с невозможными в природе свойствами, в частности, листы полимера, гибкие и упругие, как резина, и проводящие ток, как металл. Новый продукт назвали Metall Rubber- металлизированная резина.

      Из  «горячих новинок» текстильного нанорынка  следует отметить утеплительный материал Aspen's Pyrogel AR5401, изготовленный на основе полимерного материала с нанопорами. Благодаря им материал ведет себя как хороший теплоизолятор. Компания Aspen Aerogels в марте 2004 г. начала производство из нового материала утепляющих стелек для обуви.  Эти стельки заказывали: команда, выигравшая в 2004 г. марафон к Северному полюсу, одна из канадских лыжных команд и элитное спецподразделение армии США. Отзывы заказчиков о продукте были схожими: это универсальное решение для работы в экстремальных условиях. Нанопокрытия. Нанотехнологии также применяются для улучшения свойств традиционного текстиля и изделий из него. В этом случае на текстиль наносятся покрытия,  модифицирующие его в  микронном и субмикронном размерных диапазонах. Энергосберегающая технология фотокатализа очищает поверхность текстиля без применения химикатов и энергии, исключительно под воздействием нанокатализаторов, нанесенных с использованием традиционного текстильного оборудования, солнечного света и воды. Гонконгские ученые создали покрытие на основе наночастиц, которое предотвращает загрязнение ткани, а также способствует ее обеззараживанию. Некоторые нанопокрытия доступны и на  российском рынке. Это обеззараживающие покрытия на основе наночастиц серебра и оксида цинка а также покрытия, создающие устойчивый слой, который не пропускает ультрафиолет. Электроника и микроэлектромеханические системы (МЭМС). Интеграция в текстиль микро- и наноэлектроники, а также МЭМС существенно расширяет возможности повседневной одежды, которую можно использовать в качестве средства связи и даже персонального компьютера. А изготовление текстиля со встроенными датчиками позволит производить мониторинг состояния тела человека. Это, безусловно, откроет новые возможности в медицинской практике, спорте и жизнеобеспечении в экстремальных условиях (см. рис. 4).