Нанореальность. Часть 1

Наномир

Чтобы ответить на вопрос, что такое нанотехнологии, недостаточно взять в руки микроскоп и увеличить изображение в миллионы раз. Нужно включить воображение. Нанотехнология - это область точных и естественных наук, имеющих дело с объектами размером 10 в минус девятой степени метра. Это одна миллиардная часть метра. Наномир состоит из наночастиц размерами от 10 в минус девятой степени метра до 10 в минус шестой, от одной миллиардной метра до одной миллионной. Представить сложно, насколько это крохотный мир. «Микромир - это бактерии, эритроциты, яйцеклетки, а наномир - это ДНК, где записана вся информация о нас, РНК, которые передают эту информацию, антитела, вирусы», - рассказывает декан факультета фундаментальной медицины МГУ им. М. В. Ломоносова, академик РАН и РАМН Всеволод Арсеньевич Ткачук.

Наномир - это многофункциональная система. Область наноисследований не ограничивается деятельностью специалистов одной научной дисциплины, над изучением свойств нано трудятся как химики, биологи, так и физики. Руководитель Центра коллективного пользования МГУ им. М. В. Ломоносова по «Технологии получения новых наноструктурированных материалов и их комплексного исследования», заведующий кафедрой общей физики и молекулярной электроники физфака МГУ, заместитель руководителя Курчатовского центра синхротронного излучения и нанотехнологий Павел Константинович Кашкаров отвечает на вопрос, откуда взялся термин «нано» и в чем его смысл: «Мы знаем, что различные вещества можно создавать химическим способом, меняя состав. Оказывается, что любое вещество размером в метр можно уменьшить в миллион раз, получится микрометр, а все его оптические, теплофизические и магнитные свойства при этом останутся неизменными. Если вещество уменьшать еще до размера 20-15 нанометров, то мы увидим, что свойства вещества начнут меняться. Так, у нас появляется еще одна степень свободы в создании веществ. Не за счет композиции, а за счет размеров отдельных элементов. Вот в чем смысл нанотехнологий».

Человечество открыло еще один путь управления свойствами вещества, еще один путь создания совершенно новых объектов за счет уменьшения размера элементов.

История нано. Мыши, слоны и фотоаппарат

Оказывается, сами наночастицы - это не такая уж новость в мире науки. Человечество уже давно столкнулось с наномиром. Природа миллионы и миллиарды лет конструирует новые элементы из маленьких частиц. Биология - это, по сути, нанонаука. Размеры белков, ДНК, РНК - это все объекты, составляющие десятки нанометра.

Осмысленные работы по нанотехнологиям создавались еще во времена Древнего Рима. По мнению физиков, именно в то время люди научились изготавливать цветное стекло. Ваза Лигура - результат этих древних наноизысканий. Цвет в этом стекле появляется за счет расположенных внутри него маленьких наночастич металла, которые создают уникальный эффект.

В начале XX века с развитием квантовой механики физикам стало понятно, что же происходит в объектах такого размера. «Идеология нано была предвосхищена американским ученым, нобелевским лауреатом Ричардом Фейнманом. В 1954 году он прочитал пророческую лекцию с таким названием: «Там внизу полным-полно места». По-английски это звучит так: «There is plenty of room at the bottom». Последнее слово в названии обычно никто не произносит - in miniaturization. Ученый сформулировал идею, что можно создавать маленькие объекты, не деля большое на много частей, строить новое из отдельных атомов», - рассказывает Павел Константинович Кашкаров.

«Врачи всегда работали с молекулами такого рода, - делится мнением Всеволод Арсеньевич Ткачук, - но лечение с помощью белков или антител - это еще не нанотехнология. Идея нанотехнологий возникла у человечества тогда, когда оно осознало, что идти по пути сегодняшних технологий расточительно. Ведь, чтобы сделать фотоаппарат весом 100 граммов, необходимо затратить несколько килограммов металла и других материалов. Сначала делаются заготовки, потом они обтачиваются... Как работают скульпторы, так работает и сегодняшняя технология, удаляет все лишнее, а это очень энергозатратно. Ресурсов на Земле становится все меньше, поэтому надо идти по пути конструирования этого фотоаппарата из молекул». Всеволод Арсеньевич приводит в пример напыление деталей, которым можно конструировать форму из микрочастиц. Но лучше всего учиться у природы. «Природа сконструировала нас, слона, мышь, дерево, амебу из наночастиц, из ДНК, РНК. Не создавалась ведь мышь из слона. Сразу была создана мышь из одной клеточки. Такая же технология и у нано. Но не все, что мелкое, - это нанотехнология», - добавляет академик.

Потребление нового типа

По последним расчетам ученых, скоро численность населения земли достигнет 10 миллиардов человек, к концу века людей станет еще больше - 25 миллиардов. Очевидно, что использовать энергию так, как это происходит сейчас, по меньшей мере неосторожно, потому что энергетические ресурсы исчерпаемы. Павел Константинович Кашкаров задает вопрос: «От чего зависит наша жизнь? Наша жизнь зависит от того, какими энергетическими ресурсами мы располагаем. Основной источник передачи энергии - электричество. В России мы уже вышли на такой экономический уровень, что нам не хватает мощностей электростанций, которые могут обеспечить экономику». Ученый выделяет два пути дальнейшего развития ситуации: строить, строить и строить тепловые электростанции или экономить электроэнергию. По его словам, в стране запланирована постройка 20 блоков атомных электростанций, которые предполагается ввести в эксплуатацию в ближайшие 20 лет. Если идти путем экономии энергии, тогда не нужно будет строить 20 энергоблоков. При этом человечество тратит на освещение примерно 20% вырабатываемой электроэнергии. Можно заменить всем нам знакомые лампы накаливания на энергосберегающие лампы. Но даже это не панацея. Самым оптимальным решением на сегодняшний день могут стать полупроводниковые источники, которые созданы с использованием нанотехнологий. Жорес Алферов именно за это получил Нобелевскую премию. Полупроводниковые источники имеют КПД порядка 90%, их срок службы тоже большой. «И если законодательно перевести строящиеся сейчас дома на светодиодное освещение, то мы сможем сэкономить как минимум 50% энергии. Так что вместо 20 энергоблоков можно построить 10. А это и есть нанотехнологии», - делится соображениями Павел Кашкаров.

Энергопотребление - одна из первых проблем, которая заставила современных ученых задуматься об использовании и разработке нанотехнологий.

Наноприменение

Применением нанотехнологий занимались давно. Если опустить достижения древних и обратиться к настоящему, то первое, где мы обнаружим наночастицы, - это фильтры по очистке воздуха или воды. «Любые фильтры должны содержать мембраны с огромным количеством пор, которые будут задерживать нежелательные частички. Это широко используется сейчас в материаловедении, можно создавать конструкционные стали с исключительными свойствами. В частности, в Курчатовском институте, где был создан атомный щит, вся мирно-ядерная энергетика, ведутся работы по созданию сталей, которые смогут долго работать в ядерном реакторе», - рассказывает заместитель руководителя по научной работе Курчатовского института Павел Кашкаров.

Еще одно поле для использования наночастиц - медицина. Сегодня активно разрабатываются варианты адресной доставки лекарств. Если у нас болит голова, то мы принимаем лекарство, которое должно сработать в определенной точке и победить боль. Но так не происходит: лекарство растворяется и расходится по всему телу, и лишь малая его часть попадает в нужное место. Но ситуацию можно изменить, используя биологические методы. Заведующий кафедрой общей физики и молекулярной электроники Павел Кашкаров описывает механизм адресной доставки лекарств: «Можно взять специальный контейнер, в котором будет находиться лекарство, присоединить к нему особое антитело, которое будет двигать конструкцию в нужном направлении. Антитело найдет необходимый орган, специальные элементы помогут разрушить защитную конструкцию, и лекарство найдет своего адресата. Это мощнейшее направление в разработке нанотехнологий. Это та область, на которую тратится в десятки раз больше средств, чем на вооружение. Все хотят быть здоровыми».

Новая наука - наномедицина

Термин «наномедицина » возник 15 лет назад в национальных институтах США. Это направление медицины изучает возможности использования наночастиц в медицинских целях. «Сегодня наночастицы применяются в медицине для диагностики и лечения заболеваний. С помощью частиц стала возможна визуализация биологических процессов, что раньше было сложно себе представить. Теперь можно в живом организме видеть кровоток, раковые опухоли, осуществлять адресную доставку лекарств, создавать нанороботов», - рассказывает декан факультета фундаментальной медицины Всеволод Арсеньевич Ткачук. На факультете даже была подготовлена презентация «Наномедицина - новые пути к здоровью», в режиме слайд-шоу можно узнать о последних тенденциях и разработках в этой области. Всеволод Арсеньевич рассказал и наглядно показал «ТД», как действуют наночастицы в среде нашего организма.

В нашем организме нет железа в чистом виде, только в составе ионов, и магнит к нашему телу не притягивается. Но если измельчить магнитные частички до размеров молекул белка и ввести их в кровь, они ничему не навредят, но будут, как чужеродные, захвачены другими клетками, макрофагами, и эти клетки станут «мечеными», магнитными. Макрофаги - это клетки, которые заглатывают все чужеродное в организме, они действуют вокруг раковых опухолей, скапливаются в этой зоне. А поскольку они у нас помечены «магнитными частицами», то с помощью аппарата ЯМР, который видит все ядерно-магнитные вещества, мы можем обнаружить местонахождение опухоли. «Магнитные частицы» - это первый способ применения нанотехнологий в медицине.

«Квантовые точки» еще одна возможность, открывшаяся в этой области. Оказалось, что если измельчить полупроводник до наноразмеров, то у его частиц обнаруживаются новые свойства. Измельченные частицы в зависимости от своих размеров могут флуорисцироваться - светиться разными цветами. Цвет зависит от их размеров. Итак, мы вводим эти «квантовые точки» в кровоток. И задаем длину волны, делаем их, например, зелеными, поскольку у нас в организме этот цвет не присутствует. Прямо через кожу мы видим, что наши частицы плывут с током крови. Так можно следить за направлением сосудов, видеть, перекрыт кровоток в сосудах или нет. Сразу же можно диагностировать, есть у человека проблемы с кровоснабжением или все в порядке.

Наночастица надела темные очки и шляпу, и стала похожа на вирус. «Теперь-то клетка меня пропустит к себе», - подумала наночастица и отправилась в путь.

С помощью наночастиц можно доставлять лекарства в нужный участок организма. У людей, больных диабетом, тромбофлебитом, есть такая проблема, как трофические язвы. Эти язвы опасны тем, что они не закрываются. Они возникают из-за того, что нарушено кровоснабжение и ткань человека умирает из-за нехватки кислорода. Обычно такие случаи заканчиваются ампутацией конечностей, а если этого не сделать, человек погибнет. Как мы можем спасти человека с таким заболеванием? Нам известны все гены, и если взять ген прорастания сосудов, который по ряду причин у этих людей не работает, синтезировать его, а затем ввести в больную ткань, то человека можно спасти. Технически эту операцию можно сделать так: нужный ген мы сворачиваем в наночастичку, окружаем специальными веществами, которые легко разрушаются, придаем гену вид вируса, потому что наши клетки умеют захватывать вирус. В итоге ген под видом вируса подходит к клетке, она его захватывает и несет внутрь, в ядро. В ядре синтезированного гена считывается информация, таким образом начинает стимулироваться рост сосудов. У человека, который был в очереди на ампутацию, через восемь недель выросли новые сосуды, он пошел на поправку.

«Есть идея создания нанороботов, но это пока фантазия на том же уровне, на котором Циолковский рисовал ракеты для полета в космос за полвека до его осуществления. Но в ситуации с нанороботами путь от фантазии до реальности много короче», - считает Всеволод Арсеньевич Ткачук. В будущем нанороботов можно будет вносить в кровь и направлять в ту зону, где есть тромб, спазм или новообразование, которое можно будет ликвидировать. Это можно сделать, зная, как устроен наномир.

Здесь на экране появляется картинка, где множество маленьких веществ движутся непрерывно, строятся, делятся, взаимодействуют. Это съемка внутри клетки.

Между наночастицами действуют те же силы, что и в веществе обычных размеров. Эти силы имеют электрическую природу. Ионные, Ковалентные, Ван-дер-ваальсовы взаимодействия определяют работу внутри самих наночастиц.

В сосуде движутся красные эритроциты, катятся белые макрофаги, с помощью рецепторов клетки узнают друг друга, узнают своих и не признают чужих, все как у людей. Внутри клеток есть цитоскелет, по которому движутся все необходимые вещества. «Мы можем сделать так, чтобы наночастицы двигались не хаотично, а направленно, разумно, так мы обеспечим доставку лекарства в нужную часть клетки, - продолжает свой рассказ академик, - но есть и ряд проблем, связанных с наночастицами. Дело в том, что, когда вещество измельчаешь, оно приобретает новые свойства, которые могут быть вредны. Например, они могут вызвать агрегацию белков, изменение структуры белков. Но агрегации можно избежать, если правильно сконструировать наночастицу, задать правильный заряд и размер, придать нужную шероховатость или выбрать верную дозу. Парацельс сказал, что «все в мире есть яд, и лишь только доля делает вещество безопасным». Для этого мы их тщательно проверяем, прежде чем использовать. Смотрим, как они влияют на морфологию, структуру, на деление, движение, на жизнь клетки».

О новейших разработках в области нанотехнологий, проблемах, с этим связанных, философской интерпретации нанореальности читайте в продолжении статьи, которое в скором времени будет опубликовано на нашем сайте.