ВСЕ В НАШИХ РУКАХ

Фантастика происходит на наших глазах. Люди стали складывать из отдельных атомов, как из кубиков, устройства и механизмы необычайно малых размеров, невидимые обычным глазом. Так появилась целая отрасль знаний - нанотехнология (ННТ) (греч. nanos - "карлик" + "техно" - искусство + "логос" - учение, понятие). Она впитывала в себя новейшие достижения физики, химии и биологии. Ученые-нанотехнологи работают с ничтожно малыми объектами, размеры которых измеряются в нанометрах. Нанотехнология не просто количественный, а качественный скачок от работы с веществом к манипуляции отдельными атомами. В переводе с греческого слово "нано" означает карлик. Один нанометр (нм) - это одна миллиардная часть метра (10-9 м). Размер объектов, с которыми имеют дело нанотехнологи, лежит в диапазоне от 0,1 до 100 нм. Большинство атомов имеют диаметр от 0,1 до 0,2 нм, а толщина нитей ДНК - около 2 нм. Диаметр эритроцитов - 7000 нм, а толщина человеческого волоса - 80 000 нм. Нанометр очень и очень мал. Он во столько же раз меньше одного метра, во сколько толщина пальца меньше диаметра Земли. На микроуровне явления, пренебрежительно слабые в обычных масштабах, становятся намного более значительными и непредсказуемыми: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул (или агрегатов молекул), квантовые эффекты принимают совершенно новый характер. Применение ННТ позволяет искусственно связывать наночастицы с определенными характеристиками, образующими микро- и макрообъекты, в которых определяющими становятся новые свойства и типы взаимодействия между отдельными атомами и молекулами, что определяет свойства получаемого в итоге вещества или объекта. 

С чего вся начиналось

Самолеты, ракеты, телевизоры и компьютеры изменили окружающий мир в XX в. Ученые утверждают, что в наступившем XXI в. стержнем новой технической революции станут материалы, лекарства, устройства, средства связи и доставки, сделанные с использованием нанотехнологий. Идея о том, что вполне возможно собирать устройства и работать с объектами, которые имеют наноразмеры, была впервые высказана в выступлении лауреата Нобелевской премии Ричарда Фейнмана в 1959 г. в Калифорнийском технологическом институте ("Там, внизу, полно места!"). Слово "внизу" в названии лекции означало в "мире очень малых размеров". Тогда Фейнман сказал, что когда-нибудь, например в 2000 году, люди будут удивляться тому, что до 1960 г. никто не относился серьезно к исследованиям наномира. По словам Фейнмана, человек очень долго жил, не замечая, что рядом с ним существует целый мир объектов, разглядеть которые он не в состоянии. Ну а если мы не видим эти объекты, то мы не можем и работать с ними.

Тем не менее мы сами состоим из устройств, которые прекрасно научились работать с нанообъектами. Это наши клетки - кирпичики, из которых состоит наш организм. Клетка всю свою жизнь работает с нанообъектами, собирая из различных атомов молекулы сложных веществ. Собрав эти молекулы, клетка размещает их в различных частях: одни оказываются в ядре, другие - в цитоплазме, а третьи - в мембране. Представьте себе возможности, которые открываются перед человечеством, если оно овладеет такими же нанотехнологиями, которыми уже владеет каждая клетка человека.

Позвав ученых в наномир, Фейнман сразу же предупреждает о тех препятствиях, которые их там ожидают, на примере изготовления микроавтомобиля длиной всего 1 мм. Так как детали обычного автомобиля сделаны с точностью         10-5 м, то детали микроавтомобиля следует изготовлять с точностью в 4000 раз выше, т.е. 2,5х10-9 м. Таким образом, размеры деталей микроавтомобиля должны соответствовать расчетным с точностью ±10 слоев атомов.

Наномир не только полон препятствий и проблем. Нас в наномире ожидают и хорошие новости - все детали наномира оказываются очень прочными. Происходит это из-за того, что масса нанообъектов уменьшается пропорционально третьей степени их размеров, а площадь их поперечного сечения - пропорционально второй степени. Значит, механическая нагрузка на каждый элемент объекта - отношение веса элемента к площади его поперечного сечения - уменьшается пропорционально размерам объекта. Таким образом, пропорционально уменьшенный наностол обладает в миллиард раз более толстыми наноножками, чем это необходимо.

Конечно, по мере уменьшения размеров мы будем постоянно сталкиваться с очень необычными физическими явлениями. Ничтожный вес нанодеталей приведет к тому, что они будут прилипать друг к другу под действием сил межмолекулярного взаимодействия, и, например, гайка не будет отделяться от болта после откручивания. Однако известные нам законы физики не запрещают создавать объекты "атом за атомом". Манипуляция атомами, в принципе, вполне реальна и не нарушает никаких законов природы. Практические же трудности ее реализации обусловлены лишь тем, что мы сами являемся слишком крупными и громоздкими объектами, вследствие чего нам сложно осуществлять такие манипуляции.

Нанотехнология стала самостоятельной областью науки и превратилась в долгосрочный технический проект после детального анализа, проведенного американским ученым Эриком Дрекслером в начале 1980-х гг. и публикации его книги "Машины созидания: грядущая эра нанотехнологии". Вот как начинается его книга. По определению Дрекслера, нанотехнология - "ожидаемая технология производства, ориентированная на дешевое получение устройств и веществ с заранее заданной атомарной структурой". Как считают многие специалисты, в течение следующих 50 лет многие устройства станут такими маленькими, что тысяча таких наномашин вполне сможет разместиться на площади, занимаемой точкой в конце этого предложения. 

Наночастицы и их самоорганизация  

Оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи хоть и обладают сравнительно низкой квантовой эффективностью, зато более дешевы и могут быть механически гибкими. Удается добиваться взаимодействия искусственных наночастиц с природными объектами наноразмеров - белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные наночастицы могут самовыстраиваться в определенные структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства.

Нанообъекты делятся на 3 основных класса: трехмерные частицы, получаемые взрывом проводников, плазменным синтезом, восстановлением тонких пленок и т.д.; двумерные объекты - пленки, получаемые методами молекулярного наслаивания, CVD, ALD, методом ионного наслаивания и т.д.; одномерные объекты - вискеры, эти объекты получаются методом молекулярного наслаивания, введением веществ в цилиндрические микропоры и т.д. Также существуют нанокомпозиты - материалы, полученные введением наночастиц в какие-либо матрицы. В данный момент широко применяется только метод микролитографии, позволяющий получать на поверхности матриц плоские островковые объекты размером от 50 нм, используется он в электронике; метод CVD и ALD в основном применяется для создания микронных пленок. Прочие методы в основном используются в научных целях. В особенности следует отметить методы ионного и молекулярного наслаивания, поскольку с их помощью возможно создание реальных монослоев.

Один из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологией, - как заставить молекулы группироваться определенным способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получать новые материалы или устройства. Этой проблемой занимается раздел химии - супрамолекулярная химия. Она изучает не отдельные молекулы, а взаимодействия между молекулами, которые способны упорядочить молекулы определенным способом, создавая новые вещества и материалы. Обнадеживает то, что в природе действительно существуют подобные системы и осуществляются подобные процессы. Так, известны биополимеры, способные организовываться в особые структуры. Один из примеров - белки, которые не только могут сворачиваться в глобулярную форму, но и образовывать комплексы - структуры, включающие несколько молекул протеинов (белков). Уже сейчас существует метод синтеза, использующий специфические свойства молекулы ДНК. 

А в Азербайджане? 

В нашей стране попытки применения ННТ в производстве были осуществлены Государственной нефтяной компанией (ГНКАР) совместно с Азербайджанским государственным университетом. В процессе добычи нефти было применено нановещество. По словам азербайджанского ученого Гасана Кязимова, который применил нанотехнологии в Азербайджане, в целом развитие этой отрасли можно разделить на три этапа: первый - люди и предприятия, которые разрабатывают нановещества и нанокапсулы. У них есть оборудование, они проводят научные эксперименты. Они создали нанокапсулу различных веществ - газообразных, кристаллических, жидких. Второй - предприятия, которые принимают заказ на изготовление нанокапсул с определенной целью по требованию или желанию заказчика. Третий - получение готовой нанокапсулы и применение ее в разных областях. Так, немцы создали нанокапсулу серебра, которая убивает бактерии. Турки, в свою очередь, купили права на применение этой нанокапсулы в производстве дезинфицирующих средств. 

Сегодня фармацевтическая компания BIOOIL, которой руководит ученый Гасан Кязимов и которая производит нафталановые косметические средства с применением нанотехнологий, соединила в своей деятельности второй и третий пункты развития этой науки в стране. "Ведь фактически технология получения нанокапсулы стала известна нам еще 30 лет назад. К примеру, как керосин превратить в твердое топливо для ракет, ученым известно давно. У нас есть оборудование для превращения нафталанового масла в нанокапсулу. И эти технологии нам удалось применить не только в Азербайджане. В то же время могу сказать, что мы находимся в числе первых фармацевтических компаний, применивших эти технологии в косметике, гигиене и фармацевтике. Используют же ННТ практически везде, начиная со строительства и заканчивая поливкой винограда, добычей нефти и газа, созданием оружия", - подчеркивает ученый.  

Правда, в прессе бытует мнение, что наночастицы - это пустой звук. Иными словами, в наличие в косметических средствах самих наночастиц не верят, считая, что это очень дорогое и нерентабельное производство. Сейчас появился новый модный термин - космоцевтика, и производители лекарственных средств хотят перейти именно на этот уровень деятельности. В этом случае упрощается регистрация продукции. Например, в России и странах Европы в создании косметических средств наблюдается следующая   тенденция: не тратить время и деньги на проверку отдельной продукции, представленной производителем, а ответственность за качество и безопасность лучше переложить на него самого. В таком случае при поступлении жалоб данная продукция проверяется, и при несоответствии принимаются меры по отношению к производителю. Этот механизм исправно работает в Грузии. "В реализации же продукции компании BIOOIL соответствующим структурам достаточно было регистрационного удостоверения "Нафталановое масло", "Нафталановая мазь", выданного минздравами Азербайджана и Украины. Как автор препарата я не отвечаю за работу производителя, но, являясь собственно производителем, всю ответственность за конечный продукт несу я. И это еще раз обязывает меня  быть внимательным и ответственным. В качестве создателя препарата и производителя я строго заявляю: нанокапсула нафталана соответствует действительности и это подтверждено регистрационным удостоверением Евросоюза", - говорит Гасан Кязимов.