книги / Нанотехнологии и специальные материалы

1.25 МПа, а электропроводность составляет около 70 % от элект­ ропроводности чистой меди.

Введение металлических наночастиц в полимерные материалы позволяет существенно менять их электропроводность и прочно­ стные свойства. Существенное увеличение электропроводности по­ лимерных материалов происходит при добавлении углеродных на­ нотрубок.

3.7.4. МЕДИЦИНА И ЗДРАВООХРАНЕНИЕ

Основные области применения наноматериалов в медицине и биологии весьма разнообразны:

•хирургические и стоматологические инструменты;

•диагностика, наномоторы и наносенсоры;

•фармакология, лекарственные препараты и методы их дос­ тавки;

•искусственные органы и ткани;

•очистка питьевой воды;

•защита от биологического и радиологического оружия. Применение нанотехнологий может повысить эффективность

анализа в столь трудоемкой области биологии, как расшифровка генетического кода. Развитие методов определения индивидуаль­ ных генетических особенностей может привести к революции в диагностике и лечении болезней. Помимо оптимизации назначе­ ния лекарственных препаратов нанотехнология позволит разрабо­ тать новые методы доставки лекарств к больным органам, а так­ же значительно увеличить степень их лечебного воздействия.

Ученые из Университета штага Техас (США) сделали важ­ ный шаг в области обнаружения раковых клеток, используя зо­ лотые наностержни для получения изображений методом ’’двух­ фотонной люминесценции”

Более 85 % всех видов рака зарождаются в эпителии, толщи­ на которого в организме может достигать 500 мкм. Мощным ин­ струментом диагностики таких онкологических заболеваний на ранних стадиях является метод двухфотонной люминесценции, по­ зволяющий исследовать клетки, лежащие на сотни микрон вглубь ткани. Ученые уже приступили к изучению новых классов люми­ несцентных контрастных агентов (своего рода маркеров). Однако большинство из них содержат тяжелые металлы, непригодные для клинического применения. Зато наночастицы золота не толь­ ко совместимы с организмом человека, но и позволяют получать изображение почти в 4 тысячи раз ярче, чем при использовании метода автофлюоресценции.

С помощью нового ’’нанометода” могут быть получены изо­ бражения тканей на глубине более 75 мкм. Такая яркость дает

возможность обнаружения и диагностики рака на самых низких стадиях.

Достижения нанотехнологий могут быть использованы в ис­ следованиях по клеточной биологии и патологии. Развитие новых аналитических методик, пригодных для работы в нанометровом масштабе, значительно повысит эффективность исследований хи­ мических и механических свойств клеток (включая деление и дви­ жение), а также позволит измерять характеристики отдельных молекул. Эти новые методики станут существенным дополнением методик, связанных с исследованием функционирования живых организмов. Кроме того, регулируемое создание наноструктур должно привести к созданию новых биосовместимых материалов с повышенными характеристиками. Молекулярные составляющие биологических систем (белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы и их биологические аналоги) являются примерами ма­ териалов, структура и свойства которых определяются в наномас­ штабе. Искусственные неорганические и органические наномате­ риалы могут вводиться в клетки, использоваться для диагностики и применяться в качестве их активных компонентов.

Наноконтейнеры с антенной из антител могут перемещаться по организму, направляясь с лекарством непосредственно к источнику заболевания, чтобы свести к минимуму побочные эффекты. Это, например, означает революцию в онкологии, причем некоторые методы уже проходят клинические испытания. Возможно осуще­ ствление нейропротезирования для частотного восстановления зре­ ния и слуха. Это предполагает создание человеко-машинной уни­ фицированной системы связей и сигналов так называемого ин­ терфейса.

В реконструктивно-пластической хирургии (в частности, в он­ кологии), характеризуемой большим объемом оперативного вме­ шательства, когда при операциях уносится много ткани, сформи­ ровалось новое направление тканевого инжиниринга, требующего не только структурного, но и функционального замещения ткане­ вых дефектов. Последнее в свою очередь потребовало создания нового поколения материалов с повышенной адгезионной способ­ ностью для обеспечения интимной связи с окружающими их тка­ нями, с одной стороны, и возможность имплантации на этих ма­ териалах клеточных и тканевых культур, с другой стороны.

Большое внимание уделяется также созданию новых поли­ мерных материалов с антимикробным действием.

Одним из путей решения указанных проблем является созда­ ние и исследование двумерных и трехмерных полимерных нано­ биоматериалов. Управление свойствами поверхности таких мате­ риалов путем изменения состава, структуры, рельефа и ее заряда

а

Рис. 3.15. Экстрактор в виде петли [15]:

о, б —исходное состояние; а —рабочее состояние; г — петля подведена выше кам­ ня; д, е —захват одного и двух камней соответственно

На рис. 3.15 приведена схема работы экстрактора для извлече­ ния камней из мочеточников. Экстрактор изготовлен из нанострук­ турного нптинола. Восстановление заданной формы инструмента осуществляется за счет температуры человеческого организма или при слабом нагреве электрическим током.

Примером практического применения наноструюурного сплава Ni—Ti является устройство для клипирования кровеносных сосудов, трубчатых структур и мягкоэластичных тканей, предназначенное для остановки кровотечения при лапароскопических операциях. Клипса из УМЗ Ti—Ni имеет в 2 раза большие величины обрати­ мого ЭПФ и максимального расчетного усилия, развиваемого при срабатывании клипсы, по сравнению с клипсой из крупнозерни­ стого материала.

Здоровье человека непосредственно связано с качеством ок­ ружающей среды и энергетики. Нанотехнология в перспективе может существенно повлиять на развитие методов получения, ак­ кумулирования и эффективного использования энергии. Наноустройства могут также использоваться для контроля над состояни­ ем окружающей среды, нахождения источников загрязнения и развития экологически чистых производственных процессов с ми­ нимальным выбросом вредных отходов.

Известно, что водород является экологически чистым ис­ точником энергии. Прогресс в использовании водорода зависит от решения проблемы доступного и дешевого способа его хра­ нения. Эффективной средой для хранения водорода являются углеродные нанотрубки.

Адсорбция водорода при комнатной температуре и давлении водорода 100 атм достигает 4,2% (мае.), что соответствует атом­ ному соотношению Н /С 0,52, причем в течение первых 60 мин поглощается до 70 % водорода. При десорбции около 80 % адсор­ бированного водорода освобождалось воспроизводимым образом при нормальном давлении и комнатной температуре, что указы­ вает на высокую эффективность использования одностенных на­ нотрубок в качестве накопительной среды для водорода.

Еще более успешные результаты получены при использова­ нии жгутов одностенных нанотрубок. Диаметр жгутов составлял от 6 до 12 нм. С целью разрыхления плотной структуры в тече­ ние 10 ч их подвергали ультразвуковой обработке.

Полученный таким образом материал обладал удельной по­ верхностью 285 м"/г. Заполнение нанотрубок водородом прово­ дили при давлениях газа 160 бар (при температуре 300 К) и 130, 70, 4,5 и 0,5 бар (при 80 К). Максимальная степень заполнения достигалась при 80 К и составила 8,5% (мае.), что соответствует отношению атомов Н /С , близкому к единице. Это рекордный результат для всех материалов на основе углерода, используемых в настоящее время для хранения водорода.

Конструкция накопительных систем может быть значительно упрощена благодаря отмеченной в эксперименте способности на­ нотрубок отдавать накопленный водород при давлениях, близких к тем, при которых они заполнялись.

По данным США с нанотехнологиями связаны следующие материалы и промышленные процессы:

• Наноматериалы для катализаторов с заданным размером пор порядка 1 нм. Годовой оборот с их использованием в химиче­ ской промышленности только в США превышает 30 млрд, дол­ ларов.

•Нанопористые материалы с размером пор от 10 до 100 нм для отделения мелкодисперсных загрязняющих агентов.

•Использование нанотехнологий для разработки новых упа­

ковочных материалов для пищевых продуктов, обеспечивающих их высокую сохранность и безопасность.

• Армирование наночастицами полимерных материалов для за­ мены металлических элементов автомобильных конструкций. Ши­ рокое применение таких нанокомиозитов приведет к снижению потребления бензина в масштабах США на 1,5 млрд, л и одно­

В военном деле наноматериалы применяются в качестве радиопоглощающего покрытия самолетов-невидимок ’’Стеле”, в но­ вых видах взрывного оружия. В ’’графитовой бомбе” использу­ ются углеродные нановолокна, выводящие из строя энергосисте­ мы противника.

Производство более легких и прочных материалов, безуслов­ но, будет способствовать развитию разнообразных обычных ти­ пов стрелкового и ствольного оружия, дальность действия кото рого возрастет за счет использования более эффективных мета­ тельных средств и, соответственно, большей скорости вылета снаряда любого типа из ствола. Для баллистических ракет, само летов и разнообразных летательных аппаратов использование бо­ лее легких и прочных наноматериалов будет означать повышение скорости и дальности полета, повышение нагрузки и/или умень­ шение размеров и массы всей установки.

Предполагается, что нановолокнистые композиты постепенно вытеснят (вплоть до полной замены) сталь в качестве конструк­ ционного материала для изготовления стволов, затворов и других элементов стрелкового и легкого оружия. В близком будущем это позволит вообще избавиться от применения металла в производ­ стве стрелкового оружия любых типов, вплоть до отказа от тяже­ лых материалов (типа свинца) для изготовления пуль, так как стрельба будет производиться длинными и тонкими метательны­ ми элементами из легких материалов.

В настоящее время почти все виды сердечников бронебойных снарядов и пуль изготавливаются из материалов повышенной плот­ ности, чаще всего из сплавов вольфрама с обедненным ураном в виде цилиндрических стержней с заостренным наконечником. Подкалиберные снаряды ускоряются в оружейном стволе за счет использования гильзы, отделяющейся от снаряда после вылета из ствола. Удельный вес чистых вольфрама и урана составляет 19,3 и 19,0 г/см3, что почти соответствует предельной плотности упаков­ ки тяжелых атомов кристаллической решетки в природе. Вслед­ ствие этого любые технологии, в том числе и наноматериалы, практически не могут сколь-нибудь заметным образом изменить реальную плотность таких сердечников.

Принципиально иной путь использования наноматериалов для повышения пробивной эффективности бронебойных снарядов свя зан с применением взрывчатых зарядов заданной формы. В сна рядах такого типа металлические наночастицы могут находиться в конической обкладке, которая при ударе и взрыве трансформи­ руется, создавая высокотемпературную реактивную струю. Кроме этого, некоторого улучшения конструкции снарядов следует ожи дать и от использования новых взрывчатых веществ, производи­ мых на основе нанотехнологий.

Современные ракеты среднего класса ’’Земля—Земля” дально­ стью полета несколько сот километров имеют обычно длину более 10 м, а их боеголовка обычно весит около 1 т. Внедрение нано­ технологий в производство оружия этого класса обеспечит при сохранении массы боеголовки некоторое сокращение общей мас­ сы и размеров прежде всего за счет использования более легких конструкционных материалов.

Применение наноматериалов может привести к снижению мас­ сы беспилотного истребителя на тонны, что обеспечит повышение его боевых характеристик. Отсутствие ограничений на значения перегрузки таких самолетов повышает их эффективность.

Нанотехнологии могут, очевидно, широко использоваться при разработках многих совершенно нетрадиционных видов оружия, особенно связанных с производством новых источников энергии, новых материалов, включая электромагнитное ускорение пуль и снарядов.

В течение ближайших 10 лет можно ожидать появления но­ вых типов легкого и стрелкового оружия из наноматериалов, прак­ тически не содержащих металлов, а также новой бронебойной техники.

Возможны и другие области использования нанотехнологий. Например, армия США предполагает с помощью нанотехнологий изготовить для армейского персонала носки, которые будут выводить за пределы ткани пот, но сохранять ноги в тепле, а себя в сухости. Правда неизвестно, будут ли такие носки нуж­ даться в стирке...

Броня и средства защиты

Бронирование и средства защиты полицейских и солдат все­ гда являлись одной из важнейших задач. Применявшаяся ранее так называемая тяжелая защита традиционно представляла собой просто толстый слой прочного и плотного вещества (например, стали), иногда защищенного с внешней стороны тонким слоем другого материала.

В 60-х годах XX века американской компанией ’’Дюпон” был предложен материал высокой прочности —синтетическое волокно кевлар. Благодаря прочным межмолекулярным связям кевлар существенно прочнее стали и намного легче любого высокопроч­ ного сплава.

Кевлар был принят на вооружение для изготовления броне­ жилетов для защиты от пуль солдат и полицейских. В ткань вшивали металлические пластины для дополнительного увеличе­ ния прочности.

Все дальнейшие разработки также были направлены на по­ вышение прочности и снижение массы. Японские ученые раз работали для легких и удобных бронежилетов материал ней­ лон.

Однако ни кевлар, ни Цейлон, как показала баллистическая экспертиза, не давали полной гарантии для защиты персонала.

Нанотехнологии и создаваемые на их основе новые материа­ лы могут принципиально изменить классические виды броиезащиты.

На основе нанокомпознтов или структурированных волокон создают очень легкие и прочные костюмы, доспехи или ’’уни­ формы" из материалов, которые можно назвать легкоброннрованными. Такие вещества и материалы становятся все более по­ пулярными в сухопутных войсках и авиации. Надежную защиту от стрелкового оружия может обеспечить уже сейчас одежда из нановолокнистой ткани, предназначенной для изготовления сверх­ легкой брони или доспехов, вдвое превосходящих по характери­ стикам все существующие образцы.

Нановолокнистые материалы планируется также использовать для создания тонкослойных покрытий, содержащих нанострукту­ ры заданного типа, способных поглощать или отражать излуче­ ние заданной частоты, что должно обеспечить защиту военнослу­ жащих от возможного лазерного или микроволнового облучения.

Можно ожидать не только разработки некоторых типов усо­ вершенствованной тяжелой брони, но и значительных изменений в экипировке и обмундировании личного состава, а также средств защиты. Создаваемые на основе нанотехнологии материалы обыч­ но имеют небольшую плотность и не могут служить защитой от мощных бронебойных снарядов, осколков и других элементов с высокой кинетической энергией. Возможно, такая замена станет важной в близком будущем, когда будут созданы, например, по­ крытия из аморфных сплавов или металлических стекол.

Наиболее перспективно использование наноматериалов в об­ ласти производства так называемых легких видов брони, предна­ значенных для защиты от пуль и небольших осколков, а не от мощных бронебойных средств.

3.7.6.ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАНОСТРУКТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

ВКАЧЕСТВЕ КАТАЛИЗАТОРОВ И ФИЛЬТРОВ

Катализ химической реакции состоит в увеличении ее скоро­ сти посредством добавления вещества, называемого катализато­ ром, которое не расходуется в процессе реакции. Обычно катали­ затор участвует в реакции, соединяясь с одним или несколькими