News image News image News image News image News image News image News image News image


В масштабе нанометров даже не ядовитое вещество может вдруг оказаться настоящим ядом
Нанотехнологии как наука - Нанотехнологии в природе

в масштабе нанометров даже  не ядовитое вещество может вдруг оказаться настоящим ядом

Башни главного калибра размером в 500 нм на поверхности кристалла AlGaAs Арман Розенбери, Рон Тонуччи и Даг Пирсон из Научно-исследовательской лаборатории ВМС США вырастили специально к конкурсу «Наука как искусство» в 1998 году. Фото: Armand Rosenbery, Ron Tonucci and Doug Pearson

10 ноября 2004 года, выступая в Технологическом институте Нью-Джерси (New Jersey Institute of Technology) на форуме «Технологии и общество», известный американский ученый Фримен Дайсон (Freeman Dyson) в частности говорил о нанотехнологиях и связанных с ними опасностях. «Сейчас нанотехнологии вошли в моду, — объяснял он, — и новые nanotech-компании множатся, как грибы после дождя, как множились internet-компании десять лет назад. Вообще их есть две разновидности, которые я предпочитаю называть истинными технологиями и „дутыми“. Первые имеют дело с микроскопическими механическими устройствами и новыми материалами. Микроскопические механические устройства оказываются полезными во многих приложениях, особенно когда речь идет о микроскопических количествах жидкости, что нередко при химических анализах и в медицине. Новые материалы производятся путем соединения микроскопических компонентов непривычным образом. Истинные нанотехнологии — приземленные, не очень романтичные и не очень опасные».

Под «дутыми» Дайсон понимал те, которые позволят создавать микроскопического сборщика, способного к самовоспроизводству. Однажды возникнув, такие сборщики якобы будут множиться и множиться до тех пор, пока не вытеснят с земли все живое, превратив биосферу в «серую слизь» (grey goo), — хороший сюжет для ужастика. Для того чтобы показать, что эта опасность не существует, Дайсон воспользовался теорией конечных автоматов Джона фон Неймана: оказывается, худшее, что можно создать на таком пути, — это искусственная бактерия, очень похожая на возбудителя какого-то тяжелого заболевания. Вещь, конечно, неприятная, но до «серой слизи» тут ещё далеко.

К вопросу о «приземленных и не очень романтических» истинных нанотехнологиях Дайсон не стал возвращаться. Зачем, если и так ясно, что они «не очень опасны»?

Дело в размере

Мода на нанотехнологии докатилась и до России. И представляется вполне своевременным разговор о рисках, с ними связанных. А основания считать, что такие риски вполне реальны, уже появились. Конечно, до «серой слизи» им в любом случае далеко, но токсичность структур нанометровых размеров (1 нм = 10–9 м) может существенно отличаться от токсичности того же самого по химическому составу вещества, когда оно имеет форму вполне макроскопических частиц.

Объекты, с которыми имеют дело нанотехнологи, настолько малы, что ничего меньшего и быть не может. Обычно, говоря о наночастицах, подразумевают нечто размером от 0,1 нм до 100 нм, при том, что размеры большинства атомов лежат в интервале от 0,1 нм до 0,2 нм, Ширина молекулы ДНК примерно 2 нм, характерный размер клетки крови приблизительно 7500 нм, человеческого волоса — 80 000 нм. В зависимости от контекста, говоря о нанообъекте, можно иметь в виду и отдельный атом, и органическую молекулу, содержащую более 109 атомов и размером более 1 мкм (10–6 м).

На этих масштабах активность элементов сильно меняется с изменением размера. Например, инертность золота и серебра хорошо известна, однако кластеры, состоящие из нескольких их атомов, демонстрируют уникальные каталитические свойства, а наночастицы серебра демонстрируют отчетливо выраженные антибактериальные свойства. И эти специфические свойства несложно объяснить.

При уменьшении размера частиц растет отношение поверхности к объему (например, площадь поверхности шара пропорциональна квадрату его радиуса, а объем шара — кубу радиуса — а значит, такое отношение обратно пропорционально радиусу). Именно по этой причине «внутренность» наночастицы оказывается ближе к её поверхности, на которой и протекают химические реакции. Но дело не только в этом: на расстояниях меньше 100 нм в игру вступают квантовые эффекты, заметно влияющие на оптические, электрические и магнитные свойства материалов.

Например, как уже говорилось, частицы золота нанометровых размеров могут обладать сильными каталитическими свойствами. Но это так, только если частицы состоят из восьми или двадцати двух атомов; частицы же золота, состоящие из семи или, к примеру, двадцати атомов, каталитическими свойствами уже не обладают.

Эффект тонкой стенки

Особое место среди наноструктур занимают нанотрубки и фуллерены. В каком-то смысле эти наноструктуры похожи на полимеры. Поверхности графитовой нанотрубки и графитового фуллерена подобны кристаллической поверхности идеально чистого графита, но имеют другую топологию. Кристаллическая поверхность кристалла графита — это плоскость, нанотрубка имеет топологию цилиндра, а фуллерен — сферы. Первые экспериментально полученные фуллерены содержали по шестьдесят атомов углерода, объединенных в одну молекулу, но были получены фуллерены из семидесяти, семидесяти двух и даже пятисот сорока атомов.

Поскольку стенки в этих структурах имеют атомарную толщину, можно ожидать их необычной химической активности. В природе ни нанотрубки, ни фуллерены, по общему мнению, сами по себе возникать не могут. А рассчитать последствия, которые могут повлечь их необычные свойства, если они покинут пределы лаборатории, совсем не просто.

При этом, достаточно внести незначительные изменения в технологии изготовления нанотрубок, чтобы их характеристики весьма существенно изменились. В общей сложности в настоящее время насчитывается около 50 000 разновидностей нанотрубок, и токсичность одной нанотрубки не означает токсичности другой, пусть даже и похожей на первую.

Обычно, когда в лаборатории изучается токсичность определенного вещества, исследуется, как это вещество воздействует на то или иное подопытное животное. Однако в случае с наноматериалами такой подход становится неэффективным. Химические их свойства сильно зависят не только от входящих в состав наночастицы атомов, но и от размеров этих частиц и их структуры. И токсикологам иногда бывает достаточно трудно установить, какой именно материал они изучают в данный момент.

Так, например, в январе этого года в журнале «Toxicology letters» появилась статья группы исследователей из Швейцарии и Германии, где сообщалось о более высокой токсичности скрученных углеродных нанотрубок по сравнению с дисперсными частицами. А всего через месяц в том же самом журнале появилась другая статья, на этот раз группы американских токсикологов, пришедших к прямо противоположному выводу: сильно размельченные нанотрубки, даже в небольших концентрациях, оказались токсичнее, нежели крупные кластеры.

В целом результаты токсикологических тестов в отношении углеродных нанотрубок неутешительны. Иногда нанотрубки даже сравнивают с асбестом, во многих случаях ответственным за возникновение онкологических заболеваний легких (длинные и тонкие волокна асбеста, попадая в легкие, судя по всему, не разрушаются, и становятся причиной воспалительного процесса, последствия которого проявляются спустя много лет). Специальный обзор по токсичности углеродных нанотрубок — учитывающий и исследования на животных, и лабораторные исследования — опубликовал в прошлом году Лам Чувинг (Chiu-Wing Lam), член токсикологической группы NASA и сотрудник Джонсоновского центра космических исследований (Johnson Space Center) в Хьюстоне штата Техас. Он и его коллеги пришли к выводу, что углеродные нанотрубки способны «запускать» воспалительный процесс в легких.

Наноболезни

Кроме сходства с асбестом, эксперты отмечают необычайное сходство нанотрубок с частицами, содержащимися в выхлопах дизельных двигателей. Вдыхание таких частиц считается — в той же степени, что и курение, — фактором, заметно влияющим на здоровье человека и, в первую очередь, на его сердечно-сосудистую систему. Судя по всему, нанотрубки действуют на организм человека похожим образом — к такому выводу пришли исследователи из Национального института производственной безопасности и здравоохранения США (National Institute for Occupational Safety and Health, NIOSH) в городе Моргантаун штата Западная Виргиния. В серии экспериментов на мышах в их легкие была произведена инъекция углеродных нанотрубок, после чего в аортах у мышей обнаружили следы свободных радикалов — ответственных, как известно, за повреждение клеток. Когда же в качестве подопытных использовались мыши с генетической предрасположенностью к атеросклерозу, то результатом эксперимента стало образование у них большого числа артериальных бляшек, ответственных за возникновение инфарктов. В настоящее время исследователи NIOSH пытаются установить, могут ли углеродные нанотрубки проникать в кровоток и непосредственно повреждать кровяные сосуды. Именно таким свойством обладают частицы дизельного выхлопа.

Если предположение подтвердится, это будет означать, что мы в данном случае скорее всего имеем дело не просто с похожими, а с идентичными объектами. Иными словами, что частицы дизельного выхлопа и есть углеродные нанотрубки. Лоуренс Мурр (Lawrence Murr), специалист по охране окружающей среды и материаловедению из Техасского университета в Эль-Пасо (University of Texas at El Paso), уже обнаружил нанотрубки в пробах городского воздуха и в выбросах из газовых печей. «Мы начали находить углеродные нанотрубки просто повсюду, — прокомментировал он свое открытие. — Скорее всего, они являются неотъемлемой составляющей процесса горения».

Можно ли, однако, с уверенностью утверждать, что по воздействию на человека те нанотрубки, которые Лоренс Мурр нашел в окружающей среде, идентичны тем, которые изучаются в лабораторных условиях? Вопрос остается открытым. Разумеется, «лабораторные» нанотрубки отличаются существенно большей степенью чистоты, и именно в этом смысле можно говорить об их меньшем воздействии на наш организм — в сравнении, к примеру, со всем известной копотью. Допустим все же, что исследования подтвердили высокий уровень токсичности углеродных нанотрубок. В этом случае нам придется искать ответ на ещё один вопрос: насколько часто мы вступаем с нанотрубками в непосредственный контакт?

Винсент Кастранова (Vincent Castranova), координатор реализуемой в NIOSH нанотоксикологическрой программы, предупреждает на страницах журнала New Scientist, что о соблюдении мер безопасности на нанотехнологических производствах никому ничего не известно. Вполне вероятно, что приготовление содержащих нанотрубки смесей вообще осуществляется вручную…

Остается неясным также и «уровень загрязнения» наноматериалами той среды, которая нас окружает в повседневной жизни. На окна и даже на стены на станциях метро нередко наносят покрытия с различными наноматериалами — и с антибактериальными целями, и для того, чтобы продлить их срок службы. Могут ли подобные покрытия представлять опасность?

Материаловеды Технологического института Джорджии искусственно воспроизвели самоочищающуюся поверхность листа лотоса. Только если у настоящего листа лотоса самоочищение происходит благодаря уникальному сочетанию микрометровых неровностей и нанометровых воскообразных капелек, у искусственного — эти капельки заменяются пучками нанотрубок. Фото:Gary Meek/Georgia Tech

Соответствующие эксперименты были проведены в Промышленном технологическом исследовательском институте (The Industrial Technology Research Institute) на Тайване. В отношении кафеля, покрытого веществом с содержанием наночастицы диоксида титана, было имитировано действие солнечного излучения и действие ветра. В результате удалось установить, что некоторое число наночастиц «слетает» с кафельных покрытий. Подобным исследованиям многие эксперты придают особое значение. Действительно, люди могут быть предельно осторожны в отношении высокотоксичных веществ (при том, что концентрация их в окружающей среде никогда не будет достаточно высокой) и не отдавать себе отчета, насколько опасны вещества малой токсичности, в больших количествах уже скопившиеся в окружающей среде.

О широком использовании нанотехнологий эксперты говорят как о ближайшем будущем, а потому человечеству следует как можно быстрее выявить — и, разумеется, снизить до минимально возможного уровня — ту вполне прозаическую и «лишенную всякого романтизма» опасность, скрытую в высокой эффективности наноматериалов.

 


Читайте:


Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Применение нанотехнологий

Ученые впервые смогли зафиксировать рост

News image

Платиновые наночастицы Поэтому работа Пола Аливисатоса и его коллег чрезвычайно важна не только для физики твердого те...

Электроэнергия из тепла человеческого те

News image

Инженеры из Фраунгоферовского института интегральных схем IIS разработали единственный в своем роде трансформ...

Призрачная угроза

News image

Ничто не вечно под луной Едва ли не все полезные изобретения и научно-технические разработки не только сп...

Наномагнитные метаматериалы – новая техн

News image

Плащ-невидимка в стиле Гарри Поттера стал на один шаг ближе к действительности благодаря разработке команды уч...

Нанотехнологии помогут Ford снизить вес

News image

Ford надеется использовать наночастицы во множестве ключевых областей разработки транспортных средств — от облегченных пластиков дл...

Химики предлагают новый метод очистки во

News image

Очистка водорода необходима перед его применением в качестве топлива для топливных элементов, но существующие методы не...

История нанотехнологий

News image

Учёным и технологам давно известно, что весьма мелкие частицы различных веществ обладают свойствами не адэкватными св...

Космический лифт и нанотехнологии

News image

От фантастики к реальности КОСМИЧЕСКИЙ ЛИФТ - это лента, один конец которой присоединен к по...

Новости нанотехнологий

Кремниевые нанотрубки выращивают без применения золота

Кремниевые нанопроволоки помогут уменьшить размеры микрочипов. Ученые из Института Физики микроструктур Макса Планка в Галле впервые разработали нанопроволоки на кре...

Казавшаяся трудноразрешимой задача придания изделиям из

Казавшаяся трудноразрешимой задача придания изделиям из графена желаемой формы оказалась подвластна капелькам воды – о пластичности графеновых наноструктур сообщают химики из...

Влияние полярности электрического поля на рост вертикал

Одно из наиболее перспективных направлений использования углеродных нанотрубок (УНТ) связано с разработкой холодных полевых эмиттеров на их основе. Уникальные особенности та...

Наноальтернатива таблеткам

  Одним из первых медицинских применений нанотехнологии стало разработанное учеными из США быстродействующее лекарство от импотенции, которое сможет соперничать таблетками Частицы препарата ...

Композиты медицинские «MBM — ЛН»

Справка о применении в клинической практике композитного материала «MBM — ЛН» Композитный материал «MBM — ЛН» представляет собой ткань черного цвета. Развитая по...

More in: Технологии, Наноматериалы, Наномедицина, НаноТехника , Новости

Популярные заметки:

Космический лифт и нанотехнологии

От фантастики к реальности КОСМИЧЕСКИЙ ЛИФТ - это лента, один конец которой присоединен к поверхности Земли, а другой находится на...

Социальные розетки для доступа в интернет и вызова мили

Способ обеспечить всех желающих москвичей Интернетом и проводным телевидением нашли столичные связисты. Сделать это планируется с помощью существующей городской радиосети. До...

Инновационный термометр поможет физикам, работающим со

Когда физики стремятся охладить атомы до еще более низких температуры, они сталкиваются с непростой задачей по разработке новых, более надежных сп...

Ветряные двигатели для домашнего использования работают

Леверкузен (Германия). Небольшие, очень прочные и ультралегкие Baytubes - углеродные нанотрубки производства компании Байер - дают отличные возможности для ветроэнергетики. Он...

Ученые проложили проводку в клеточной мембране

Ученым удалось передать и получить электрический импульс по клеточной мембране при помощи искусственно созданной нанопроволоки. Созданную ими гибридную систему авторы оп...

Your are currently browsing this site with Internet Explorer 6 (IE6).

Your current web browser must be updated to version 7 of Internet Explorer (IE7) to take advantage of all of template's capabilities.

Why should I upgrade to Internet Explorer 7? Microsoft has redesigned Internet Explorer from the ground up, with better security, new capabilities, and a whole new interface. Many changes resulted from the feedback of millions of users who tested prerelease versions of the new browser. The most compelling reason to upgrade is the improved security. The Internet of today is not the Internet of five years ago. There are dangers that simply didn't exist back in 2001, when Internet Explorer 6 was released to the world. Internet Explorer 7 makes surfing the web fundamentally safer by offering greater protection against viruses, spyware, and other online risks.

Get free downloads for Internet Explorer 7, including recommended updates as they become available. To download Internet Explorer 7 in the language of your choice, please visit the Internet Explorer 7 worldwide page.