Инновационные отрасли: нанотехнологии

Содержание: 1. Введение………………………………………………… ……………………. 1-3 2. Нанохимия и наноматериалы……………………………… ………… 4-7 3. Наноэлектроника…………………………………………………… …….. 7-9 4. Инструменты нанотехнологии………………………… ……………. 10-12 5. Наномедицина…………………………………………………………… … 12-16 6. Нанобизнес………………………………………………………………….. 16-20 7. Заклю чение………………………………… ………………………………..20-22 8. Использованная литература…………………………… ……………. .23 1. Ведение Нанотехнологии - это "самые высокие" технологии, на развитие которых ведущие экономические державы тратят сегодня миллиарды долларов. По прогнозам ученых нанотехнологии в XXI веке произведут такую же революцию в манипули ровании материей, какую в ХХ произвели компьютеры в манипулировании инф ормацией", а их развитие изменит жизнь человечества больше, чем освоение письменности, паровой машины или электричества. Словари доходчиво объясняют: «Нанотехнология — область прикладной науки и техники, занимающаяся изучением свойств объектов и р азработкой устройств размеров порядка нанометра». А нанометр – это все го лишь миллиметр, поделенный на миллион. Писатель-фантаст и ученый Эрик Дрекслер, перу кото рого принадлежит фундаментальный труд « Машины созидания » , с читается пионером нанотехнологий. В этой своей работе он упоминает проб лему так называемых “мимов” – воспроизводящихся мысленных структур, и ли идей, подверженных, подобно живым существам, законам эволюции, а именн о: борьбе за существование и стремлению к размножению. Дрекслеру принадлежит следующее утверждение: « примеры мимов – это идеи, общеу потребительные выражения, мода в одежде, мелодии, способы п роизводства горшков и постройки арок. Точ но так же, как гены размножаются в среде генов, перескакивая от тела к телу (от поколения к поколению) через сперматозоиды и яйцеклетки, мимы размно жаются в среде мимов, перескакивая из мозга в мозг посредством процесса, который в широком смысле может называться имитацией. Мимы копируются, потому что люди учатся и учат дру гих. Они изменяются, потому что люди создают новые идеи и неправильно ист олковывают старые. Они подвергаются отбору (отчасти), потому что люди не в ерят или повторяют все, что слышат. Так же как особи одного вида конкурируют за ограниченные п ространство и ресурсы, так и мимы должн ы конкурировать за ограниченный ресурс - человеческое внимание и усилия » . Поскольку мимы формируют поведение, их успех или неудача - это жизненно важный вопрос. Нанотехнол огия призвана сверхточно манипулировать индивидуальными атомами и мол екулами. Она изменит наш мир больше, чем мы можем себе представить. Наномашины должны уметь захватывать а томы или молекулы и соединять их между собой, причем не хаотично, а в соответствии с заданным алгоритмом. В ажно отметить, что такие машины уже тысячи лет превосходно функционирую т в природе, и примером их работы может служить механизм синтеза белка ри босомами. Генные инже неры , сегодня , пытаются построить первые экспериментальные иск усственные наномашины, используя биологический природный материал: ам инокислоты, белки, молекулы ДНК и др. Однако , биоподобные наномашины (и все, что они могут создать) - это орг аника, а значит, их возможности ограничены. Они теряют стабильность или р азрушаются при повышенных температурах и давлениях (происходит сворач ивание белка), подвержены радиации, не могут обрабатывать твердый матери ал, действовать в химически агрессивных средах и т.п. В то же врем я без биоподобных структур очень трудно манипулировать отдельными ато мами и молекулами. Поэтому наномашины-ассемблеры должны представлять с обой синтез живых и технических систем. Дрекслер дает ассемблеру следую щее определение: «Ассемблер – это молекулярная машина, способная к само репликации (размножению) , котор ая может быть запрограммирована строить практически любую молекулярну ю структуру или устройство из более простых химических строительных бл оков». Главная задача ассемблера - соединение атомов и молекул в заданно м порядке. Он должен уметь строить наносистемы любого назначения - двига тели, станки, вычислительные устройства, средства связи и т.д. Р епликатор – это объект, который способе н сам себя скопировать, включая любые изменения, которым он мог подвергн уться (подобно гену, миму или компьютерному вирусу). Реплицируется (размн ожается путём создания своей копии) ассемблер по команде макрокомпьюте ра или в зависимости от окружения. Таким образом, создав один единственный универса льный ассемблер, способный создавать копию себя, мы через несколько часо в получим целую армию этих крошек, которые в буквальном смысле слова изм енят нашу жизнь. Самой большой проблемой ассемблеров является сложност ь их первоначального конструирования. Тем не менее, лаборатории всех мир овых держав борются за право быть первыми в этом революционном прорыве. Возможности использования нанотехнологий неисчерпаемы: от «проживающ их» в организме нанокомпьютеров, убивающих раковые клетки и ремонтирую щих поврежденные ткани и органы, до автомобильных двигателей, не загрязн яющих окружающую среду. 2. Нанохимия и наноматериалы Сегодня ученые умеют получать наноструктуры пра ктически всех химических элементов, что дает огромную свободу для иссле дований. В последнее время стало известно, что наночастицы серебра гораз до лучше убивают бактерии, чем серебро в компактном состоянии, что делае т их полезными для очистки воды и борьбы с инфекциями. На сегодняшний ден ь наночастицы являются наиболее изученной областью нанохимии. Свойства на носистем настолько отличаются от свойств макроскопических количеств т ех же веществ, что их изучает особое научное направление под названием ф изикохимия наносистем или нанохимия. Активно ра звиваясь в последние десятилетия, нанохимия занимается изучением свой ств различных наноструктур, а также разработкой новых способов их получ ения, изучения и модификации. Одна из приоритетных задач нанохимии - установление связи между размером наноч астицы и ее свойствами. Для промыш ленного получения наночастиц существует много способов: биохимический , радиационно - химический, фотох имический, электровзрывной, микроэмульсионный, детонационный, лазерна я абляция в жидкости, конденсация, вакуумное испарение, ионная имплантац ия и др. Поскольку нанохимия – наука сравнительно молодая, пока нет ни единой терминологии, ни классификации того, что он а изучает. Более того: можно ска зать, что классификаций столько же, сколько ученых. Относительно общепри знанным считается, что нанохимия исследует получение и свойства различ ных наносистем. Под наносистемой здесь понимается взвесь наночастиц ра змером не более 100 нм в некоторой среде. При этом сами наночастицы следует понимать как системы, состоящие из еще более мелких единиц – кластеров – минимальных строительных « кирпичиков » вещества. Размер к ластера не превышает 10 нм. Именно на уровне кластеров активно проявляютс я всевозможные квантовые эффекты. Нанотрубка – это полая внутри молекула, состоящая из порядка 1.000.000 атомов углерода и п редставляющая собой однослойную трубку диаметром около нанометра и дл иной в несколько десятков микрон. На ее поверхности атомы углерода распо ложены в вершинах правильных шестиугольников. Удивительные свойства нанотрубок помогают им на капливать и хранить водород – экологичное топливо автомобилей будуще го. Для выработки электроэнергии в двигателях на топливных ячейках испо льзуется реакция водорода (H2) и кислорода (O2). При этом выхлоп автомобиля со стоит из водяного пара (H2O). Раньше производители не могли и помыслить о так их автомобилях, потому что водород – самый легкий в мире газ, и несколько килограмм водорода – это уже огромный баллон. А втолюбители не стали бы таскать с собой гигантский пу зырь и надувать его на бензоколонках. Но нанотрубки с наночастицами палл адия могут компактно хранить водород в тысячи раз больше своего объема, а значит, сделают автомобили более мощными, дешевыми и экологичными. Компания Toyota еще в 2001 приступила к испытаниям такого автомобиля. Ожидается, что к 2010 году японские компании выпустят 50.000 машин на топливных ячейках, а к 2020 году - уже 5.000.000! Hyundai, UTC Fuel Cells и ChevronTexaco открыли в Калиф орнии экспериментальную водородную станцию, которая будет заправлять 5 машин Hyundai и Kia на водородных топливных ячейках. Дальнейшее развитие технологии топливных ячеек позволит хранить в них в сотни и тысячи раз больше энергии, чем в современ ных батарейках. Е сть все основания полагать, что нанотехнология сделает терм оядерные приборы компактными и дешевыми. А втомобили смогут годами ездить без дозаправки водородом, а с отовому телефону и ноутбуку зарядное устройство вообще не понадобится. Большинств о наносистем, получаемых промышленными методами, нестабильны, и если не создать необходимых условий для их консервации, они будут стремиться ве рнуться в свое компактное состояние. Но как же тогда объяснить стабильно сть некоторых наночастиц, например, фуллеренов и нанотрубок? Ведь несмот ря на свои нанометровые размеры, они превосходно существуют и « поодиночке » , отнюдь не стремясь объединяться с себе подобными. Ввиду этой уникальной особенности, фуллерены, нанотрубки и некоторые д ругие наночастицы были названы « магич ескими » , а числа входящих в них а томов – «магическими числа ми » . Все атомы « магичес ких » наночастиц крепко связан ы между собой, что придает им необходимую стабильность. Как уже отм ечалось, свойства у наночастицы серебра на самом деле уникальные. Во - первых, это феноменальная бактери цидная и антивирусная активность. Об антимикробных свойствах, присущих ионам серебра, человечеству известно уже очень давно. В отличие от антибиотиков, убивающих не только вре доносные вирусы, но и пораженные ими клетки, действие наночастиц очень и збирательно: они действуют толь ко на вирусы, клетка при этом не повреждается! Дело в том, что оболочка мик роорганизмов состоит из особых белков, которые при поражении наночасти цами перестают снабжать бактерию кислородом. Несчастный микроорганизм больше не может окислять свое « топливо» - глюкозу , и гибнет, оставшись без источника энергии . Вирусы, вообще не имеющие никакой оболочки, тоже получают свое при встре че с наночастицей. А вот клетки человека и животных имеют более «высокот ехнологичные» стенки, и наночастицы им не страшны. В настоящий момент проводятся исследования возможностей использования наночасти ц серебра в фармацевтических препаратах. Но уже сейчас они находят огром ное количество применений. Например, фирма « Гелиос » выпускает зубную пасту « Знахарь » с наночастицами серебра, эффективно защищающую от различны х инфекций. Также небольшие концентрации наночастиц добавляют в некото рые кремы из серии “элитной” косметики для предотвращения их порчи во вр емя использования. Добавки на основе серебряных наночастиц применяютс я в качестве антиаллергенного консерванта в кремах, шампунях, косметиче ских средствах для макияжа и т.д. При использовании наблюдается также пр отивовоспалительный и заживляющий эффект. Ткани, модифицированные серебряными наночастицами, являются, по сути, са моде зинфицирующимися. На них не мо жет « ужиться » ни одна болезнетворная бактерия и ли вирус. Наночастицы не вымываются из ткани при стирке, а эффективный ср ок их действия составляет более шести месяцев, что говорит о практически неограниченных возможностях применения такой ткани в медицине и быту. Материал, содержащий наночаст ицы серебра, незаменим для медицинских халатов, постельного белья, детск ой одежды, антигрибковой обуви и т.д., и т.п. Наночастиц ы способны долго сохранять бактерицидные свойства после нанесения на м ногие твердые поверхности (стекло, дерево, бумага, керамика, оксиды метал лов и др.). Это позволяет создать высоко эффективные дез инфицирующие аэ розоли длительного срока действ ия для бытового применения. В от личие от хлорки и других химических средств обеззараживания, аэрозоли н а основе наночастиц не токсичны и не вредят здоровью людей и животных. Люди всегда искали способы борьбы с инфекциями, передав аемыми воз душно- капельным путем – гриппом, туберкулезом, м енингитами, вирусным гепатит ом и т. п. Но, увы, воздух в на ших квартирах, офисах и осо бенно в местах массового скопле ния людей (больницы, общ ественные учреждения, школы, детские сады, казармы, тюрьмы и т. п.) перенасы щен патогенными микроорганизмами, выдыхаемыми зараженными людьми. Традиционн ые способы профилактики не всегда справляются с этой проблемой, поэтому нанохимики предложили для ее решения очень элегантный способ: добавить в лакокрасочные материалы, покрывающие стены заведений, наночастицы се ребра. Как оказалось, на покрашенных такими красками стенах и потолках н е может « жить » большинство патогенных микроорганизмов. Наночастицы, добавленные в угольные фильтры для в оды, практически не вымываются с ней, как это происходит в случае обычных серебряных ионов. Это говорит о том, что срок действия таких фильтров буд ет несоизмеримо больше, а качество очистки воды возрастет на порядок. К рошечные, незаметные, экологич ески чистые серебряные наночастицы могут применяться везде, где необхо димо обеспечить чистоту и гигиену: от косметических средств до обеззара живания хирургических инструментов или помещений. При этом, как уверяют ведущие российские ученые в данной области, стоимость средств и материа лов, созданных на их основе, будет не намного дороже традиционных аналог ов, и с развитием нанотехнологий они станут доступны каждому. Фирма Samsung уж е добавляет наночастицы серебра в сотовые телефоны, стиральные машины, к ондиционеры и другую бытовую технику. 3. Наноэлектроника Как известно, все вещества состоят из атомов, соед иненных химическими связями, во многом определяющими их фи зико- химические свойства, в частности, эле ктропроводность. Так, например, соль или дерево не проводят ток, являясь и деальными диэлектриками, в то время как металлическая проволока служит превосходным проводником тока. Долгое время основными материалами микроэлектро ники считались кремний - основа чипов, и медь, используемая в токопроводящих дорожках и контактах. Пласт массовым в компьютере был разве что корпус монитора. Однако прогресс не стоит на месте, и в последнее время все большую популярность завоевывают проводящие полимеры, которым, по прогнозам материаловедов, в ближайшие годы предстоит стать чуть ли не основным сырьем для производства полупр оводниковой техники. Но прежде чем говорить об электропроводимости так их веществ, давайте вспомним, что же такое полимеры вообще. Полимеры - это огромные молекулы - цепочки ( макромолекулы), состоящие из большого числа многократно повторяющихся однотипных молекул - звеньев (мон омеров). Греческая приставка « по ли », означает « много » . Типичным полимером является уже знакомая нам молекула белка, состоящая из сотен молекул аминокислот. В природе полимеры встречаются на каждом ш агу. Они – важная часть любого микроорганизма, растения, животного. Напр имер, целлюлоза, крахмал, каучук, природные смолы – примеры полимеров ра стительного мира. В человеческом организме также немало полимеров: мышц ы, кожа, волосы и др. До недавнег о времени полимеры создавала только природа. Но в 20 - х годах прошлого столетия человек узнал ее секрет и на учился синтезировать их самостоятельно. Искусственные полимеры прочно вошли в наш быт под видом таких привычных веществ, как полиэтилен, капрон , нейлон и другие виды пластмасс. Сегодня благодаря своим ценным свойств ам пластмассы повсеместно заменяют древесину, металл, стекло. Пластмасс ы не боятся влаги и едких кислот, не подвержены ржавчине и гнили и к тому же изготавливаются из дешевого у глеводородного сырья. Меняя длину и способы переплетения цепочек - полимеров, можно управлять прочнос тью и эластичностью пластмасс. Стоит к цепочке добавить еще хотя бы одно звено или ввести небольшое количество примесей — и у полимера появляют ся новые свойства. Одни пластмассы по прочности сравнимы с самой лучшей сталью, другие эластичнее резины, третьи прозрачны, как хрусталь, но не ра збиваются. Одни пластмассы мгновенно разрушаются под действием тепла, д ругие способны выдерживать очень высокую температуру. Зная все это, учен ые на сегодняшний день создали сотни тысяч различных синтетических пол имеров. Отличитель ным свойством синтетических полимеров до недавнего времени считалось их нулевая электропроводность. Все привычные типы пластмасс являются х орошими диэлектриками благодаря прочным ковалентным связям, образующи м макромолекулярные соединения. Однако эпох альное достижение трех нобелевских лауреатов 2000 года - Алана МакДайармида (США), Алана Хигеру (США) и Хидеки Ширакаве (Японии) – круто изменило общепринятую точку зрения. Этим учен ым впервые удалось превратить пластмассу в электрический проводник. Студент Ширакавы как - то по ошибке добавил слишком много кат ализатора, в результате чего бесцветный пластик вдруг стал отражать све т подобно серебру, и это навело на мысль о том, что он перестал быть изолят ором. Дальнейшие исследования привели к открытию полимера с проводимос тью, в десятки миллионов раз превосходящей обычный пластик. Это открывае т путь к новой электронике ХХI века, основанной на органических материал ах. Ведь органические материалы легче и гибче традиционного кремния, им проще придать нужную форму, в том числе и трехмерную. На проводя щих полимерах основана молекулярная электроника. Например, ученые из Ар изонского университета создали ограничитель напряжения из семи анилиновых фрагментов. Разрабаты ваются молекулярные транзисторы, конденсаторы, диоды. Американская компания Superconnect разработала материал, который в будущем поможет ускорить передачу данных в Интернете в сто раз ! Это особый полимер, позволяющий управлять потоками света при помощи др угих потоков (т.е. чисто фотонный транзистор). Уже в начале нашего века появились серьезные пре грады на пути развития электроники. Один из возможных путей дальнейшего прогресса – разработк а миниатюрных интегральных устройств, в которых роль электронов частич но или полностью передана фотонам. Это должно привести к созданию вычисл ительной техники, превосходящей по быстродействию и информационной ем кости современные электронные устройства. Для реализации приборов с кв антовой связью или устройств оптической обработки информации могут бы ть использованы квантовые плоскости на основе множества чередующихся сверхтонких (толщиной в один атом) полупроводниковых пленок. Замена элек тронов на фотоны породило новое направление в электронике – нанофотон ику. Перспективное направление развития нанотехник и, отмеченное еще Эриком Дрекслером, – переход, как это ни кажется парадо ксальным, от электронных устройств к механическим компьютерам. Обычный механический компьютер с элементами мак роскопического масштаба, разумеется, очень громоздок и работает чрезвы чайно медленно. Однако с компонентами размером в несколько атомов такой механический компьютер оказался бы в миллиарды раз компактней совреме нной микроэлектроники. И хотя механические сигналы передаются в 100 тыс. ра з медленнее, им нужно было бы « п реодолевать » путь в 1 млн. раз ме ньший, чем электронам в современных микросхемах. Поэтому простой механи ческий нанокомпьютер был бы более быстродействующим. Прототип такого устройства уже существует. Компа нией IBM создана удивительная « м ногоножка » , которая стала перв ым квантовым коммерческим устройством хранения данных. 4. Инструменты нанотехнологии Главный инструмент нанотехнолога – его мозг . Получая новую информацию, мы анали зируем, систематизируем и осмысливаем ее, и лишь потом ставим вопросы, ищ ем доказательства, формулируем законы, выдвигаем гипотезы и теории. Поэт ому огромную роль в познании природы играют инструменты получения инфо рмации о ней, первыми среди которых были наши удивительные органы чувств : глаза, уши, нос – сами по себе сложные устройства, достойные восхищения инженера. А ведь знания о природе не самоцель, а тоже своего рода инструме нты, с помощью которых человек решает различные задачи: от постройки дом а до полета на Луну. Но научных знаний тоже недостаточно. Чтобы воспользо ваться ими, надо создать соответствующую технику, для чего опять - таки необходимы инструменты; сначала ими была просто пара лохматых рук. Познание пр ироды и развитие инструментов глубоко взаимосвязаны. Чем совершеннее и нструменты, тем более точную информацию мы можем получать, тем достоверн ее наши знания о природе. Так, например, до открытия телескопа человеку были недоступны сведения ни о ф орме, ни о структуре нашей Галактики. А до изобретения сканирующих микро скопов никто и не подозревал о существовании уникальных углеродных сое динений – фуллеренов и нанотрубок. С другой стороны, более совершенное мышление позволяет изоб ретать более точные инструменты и приборы, порой на порядки превосходящ ие возможности существующей технологии. Так, многие изобретения велича йшего гения Леонардо да Винчи (типа цепного привода или шарикоподшипник а) были теоретически вполне работоспособны, однако же не использовались в XVI веке. Для их реализации была необходима высокоточная обработка детал ей, которая хоть и не представляет сложности сегодня, но была совершенно нереальна для той эпохи. Проникнув в невидимый мир атомов и молекул, мы еще острее нуждаемся в развитии инструментов, способных не только обеспечи ть получение новой информации, но и привести к потрясающему прогрессу во многих областях. Как бы челов ек ни гордился своей изобретательностью, все же следует признать, что в о снове многих его достижений лежат принципы, так или иначе « подсмотренные » у природы. В частности, речь идет о самом популярном инстр ументе ученых – микроскопе. Микроскоп (о т греч. “micros”– малый, и “scopeo”– смотреть) – оптический прибор для получения увеличенных изображений объектов, не видимых невооруженным глазом, ока зал по истине революционное дей ствие на развитие многих наук, и в особенности, биологии. Увеличение изоб ражения происходит за счет преломления света, проходящего сквозь стеклянную линзу, способную в зависимости от с воей формы фокусировать или рассеивать световой пучок. Самым простым пр ибором, демонстрирующим это явление, является обыкновенная лупа – плос ковыпуклая линза. Один из первых микроскопов сконструирован в 1609 - 1610 гг. Галилеем. Он состоит из двух систем линз - окулярa и объективa. Объекти в, расположенный близко к образцу, создает первое увеличенное изображен ие объекта, которое еще раз увеличивается окуляром, который помещают ближе к глазу наблюдателя. С XVIII столетия развитие микроскопии шло главным образом по пути улучшения конструкци и механических частей. Совершенствование шлифовки и подгонки линз прив ело к тому, что микроскопы начала XIX в. давали увеличение до 1000 раз. Изучение д оселе недоступных деталей строения животных, растений и грибов показал о, что в основе всего живого лежит универсальное крошечное образование – клетка. Для изучени я нанообъектов разрешения оптических микроскопов (даже использующих у льтрафиолет) явно недостаточно. В связи с этим в 1930 - х гг. возникла идея использовать вместо света электро ны, длина волны которых, как мы знаем из квантовой физики, в сотни раз мень ше, чем у фотонов. Весами, на которых можно взвешивать тела с массой в несколько милли и микрограмм, давно уже никого не удивишь – они используются в любом школьном кабинет е физики. Но нельзя непосредственно взвесить как очень большой, так и оче нь маленький объекты, поскольку для них не существует эталонных мер. В основе работы нановесов лежит эффект, хорошо изв естный из школьной физики: собственная частота колебаний пружины завис ит от массы груза и ее жесткости. В последне е время бурное развитие электронной, атомно - силовой и туннельной микроскопии, равно как и развитие и нформационных технологий, привело к тому, что сегодня наблюдения за пове дением отдельных атомов стали доступны широкому кругу исследователей. В наномире действуют иные вели чины: миллиардные доли метра и миллиардные доли секунды. Если б мы были на нометровыми человечками, то вращение сверла бормашины в зубном кабинет е казалось бы нам таким же медленным, как обычному человеку – вращение З емли вокруг Солнца. А ведь Земля вращается не так уж и медленно – 30 км/с! А з а то время, пока обычный человек успел бы моргнуть своим « громадным » глазом, мы бы успе ли основать и построить наноскопический Санкт- Петербург, такой же, как то т, на сооружение которого у обычных людей ушло около 300 лет! Таким образом, нанометровые инструменты и манипу ляторы, в отличие от современных макроскопических, могли бы быть очень б ыстрыми. Е сли движение большой и тяжелой « руки » макроскопич еского робота - сборщика занима ет секунды и тратит киловатты энергии, то наноробот способен перебирать своими «ручонками» за миллиар дные доли секунды, затрачивая всего лишь миллиардны е доли ватт. Кроме того, промыш ленная установка вес ом всего 1 грамм, как показывают расчеты, может иметь более 1017 наноманипуля торов. С помощью такой установки те же батареечки, которые при макроскоп ическом подходе нереально собрать из атомов, можно будет штамповать десятками тысяч штук в секунд у! Разработка такого манипулятора – главная цель всей современной нанотехнологии, н а сегодняшний момент, к сожалению, никем не реализованная. 5. Наномедицина С развитие м биотехнологии тесно связано качественно новое направление медицинс кой науки – молекулярная наноме дицина. С ней связывают такие уникальные вещи, как: · Лаборатории на чипе; · Адресная доставка лекарств к пор аженным клеткам; · Новые бактерицидные и противови русные средства; · Диагностика заболеваний с помощ ью квантовых точек; · Нанороботы для ремонта поврежде нных клеток; · Нейроэлектронные интерфейсы и м ногое другое. В настоящее время подобные проекты – уже не только плод воображения писателей - фантастов, но и реальные средства современной медицины. Б ыло бы здорово, если бы врачи или даже сами пациенты могли мгн овенно проводить сложнейшие анализы и получать результаты в течение не скольких минут! Представьте себе, какой потрясающе компактной и эффекти вной могла бы быть лаборатория, если б все ее пространство (включая инстр ументы, столы, проходы, клавиатуры, мониторы, и т. д.) можно было бы « сжать » до размеров обыкновенного микрочипа, а все производимые в не й человеческие действия по доставке, перемещению и анализу образца полн остью автоматизировать! А теперь представьте, что такие лаборатории уже су ществуют! Называются они лабораториями на чипе. Один чип размером порядк а 4х4 см может заменить целый комплекс оборудования, необходимого для ана лиза ДНК/РНК, установления родства, определения генетически модифициро ванных организмов, ранней диагностики онкологических заболеваний, изу чения эффективности трансфекции клеток, количественного определения б елков, определения уровня экспрессии генов и многого другого! При этом такая кроха - лаборатория умеет анализировать одновременно до 12 разных образцов, а время анализа, занимавшего раньше недели, сокращается до 15 - 30 минут. С еребряные наночастицы – не единственные наноматериалы, пр игодные для борьбы с бактериями. Недавно ученые из Питсбургского универ ситета создали нанокатализатор, который производит углеродные нанотру бки одинакового размера и заставляет их собираться в структуру, напомин ающую ковер. При добавлении к «ковру» различных биологических агентов о н меняет свой цвет – от красного до желтого. Самым удивительным оказалось то, что этим «нанок овром» можно убивать различные микроорганизмы! В эксперименте на бакте риях отдельные нанотрубки «ковра» проткнули их клеточные мембраны, чем вызвали гибель микроорганизмов. « Н аноковер» может быть использован в к ачестве биологического детектора либо бактерицидной поверхности в фил ьтрах для очистки воды, воздуха и т. д. Чтобы лекарство было эффективным важно, чтобы ег о молекулы попали к нужным клеткам: антидепрессанты попали в мозг, проти вовоспалительные средства – в места воспалений, антираковые препарат ы – в опухоль и т. д. Способность молекул вещества попадать в теле пациент а туда, где они необходимы, называется биологической усвояемостью. Биологическая усвояемость – камень преткновен ия всей современной фармацевтики. Более 65% денег, потраченных на разработ ку новых лекарств, выбрасывается на ветер из - за их плохой усвояемости. Один из способов улучшить ее – просто увеличить дозу лекарства. Однако многие лекарства токсичны, и уве личенная доза может вызвать у пациента тяжелые последствия (а порой даже убить). Это особенно важно для противораковых препаратов, которые убива ют не только больные, но и здоровые клетки. Поэтому сег одня учеными всего мира ведутся активные работы по адресной доставке ле карств, которые будут точно попадать в цель, не повреждая других органов. Для этого пытаются создать некое « транспортное средство » для точной доставки лекарств в клетку, так как многие болезн и (не только рак) зависят от нарушения внутриклеточных механизмов, повли ять на которые можно только доставив лекарство в клетку. Поиск молекулярного транспорта начался в восьми десятые годы, когда исследователи стали активно заниматься генной инже нерией. В частности, группе российских ученых под руководством Александ ра Соболева удалось разработать специальную макромолекулу - транспортер, способную доставить лекарст во в дефектную клетку. Опыты, которые ставила группа Соболева на раковых клетках, показали, что эффективность лекарственного вещества, которое д оставляется макромолекулой - тр анспортером в ядро, при различных типах рака может возрастать в 250 - 1000 раз, а это значит, что во столько же раз можно снизить дозу препарата, чтобы вызвать нужный эффект. Медиков и б иологов чрезвычайно интересует, как перемещаются в организме различны е вещества (в частности, лекарства). Отслеживание такого перемещения поз воляет им определить, как распределяются и усваиваются в организме новы е препараты, то есть какова их биологическая усвояемость. До недавнего времени для подобных исследований п рименялись различные красители, называемые маркерами, подмешиваемые к исследуемому веществу. Подкрашенные клетки были хорошо видны в оптичес кий микроскоп на фоне бесцветных клеток организма, что позволяло делать довольно точные выводы об их локализации. Но органические красители, во - первых, могут быть токсичными, а во - вторых, для их обнаружения тр ебуется облучение светом лишь определенной частоты, поскольку различн ые красители отражали различные частоты спектра. Следовательно, для одн овременного исследования нескольких препаратов требовалось столько ж е источников света. Данную проблему удалос ь решить с п омощью нанотехноло гий, а точнее – квантовых точ ек . К вантовые точки – это полупро водниковые кристаллы нанометрового размера, и меющие уникальные химические и физические свойства, не х арактерные для тех же веществ в макромасштабе. Учеными были получены уни кальные флуоресцентные квантовые точки, причем разного цвета. Эти точки дают намного более мощный отблеск света, чем традиционные красители, и о бладают особым биоинертным покрытием, которое, с одной стороны, защищает сами квантовые точки от «нападения» ферментов и других биологических м олекул, а с другой – не дает возможности токсичным веществам попасть в о рганизм, что очень важно для диагностики заболеваний. Кроме того, разные группы таких нанометок можно освещать одним общим источником. Квантовые точки широко применяются в диагностических целях. В частност и, их можно присоединять к биомолекулам типа антител, пептидов, белков ил и ДНК. А эти комплексы, в свою очередь, могут быть спроектированы так, чтоб ы обнаруживать другие молекулы (например, типичные для поверхности рако вых клеток). Применение квантовых точек может существенно ра сширить диагностические возможности медицины. Ведь можно сконструиров ать сотни разновидностей квантовых точек, соединяющихся в организме с р азличными биомолекулами или антигенами, и таким образом находить участ ки со специфическим сочетанием признаков заболевания. Дальнейшие планы исследователей еще заманчивее. Новые квантовые точки, соединенны е с набором биомолекул, будут не только находить и показывать опухоли, но и осуществлять точную адресную доставку новых поколений лекарств. Отыскать эл иксир бессмертия человечество мечтало всегда. В Средние века этой идеей были одержимы алхимики, а в настоящее время она лежит в основе нового фил ософского течения, получившего название трансгуманизм, или иммортализ м. Все более популярное сегодня, трансгуманистическое мировоззрение утве рждает, что человеческий вид является не завершающим звеном эволюции, а скорее ее началом. Трансгуманисты убеждены, что недалек тот день, когда с развитием науки и техники люди смогут радикально усилить свои интеллек туальные и физические возможности, перестанут умирать от старости и бол езней и избавят весь мир от несчастий и страданий. 14 июня 1996 года Крис Феникс – автор идеи конвергентн ой нанофабрики, оставил на форуме сообщение: « А что если заменить кровь человека 500 триллионами роботов? » . Этот « безумный » на первый взгляд вопрос привел Феникса к продолжительному сотрудничеству с Робертом Фрайтасом, результатом которого явился 100- страничный труд под названием “Roboblood” (робототехнич еская кровь), изданный в 2002 году. “Roboblood” представляет собой детально рассчитанный проект комплекса медиц инских нанороботов, способных жить и функционировать в человеческом те ле, выполняя самые разнообразные функции крови, включая циркуляцию дыха тельных газов, глюкозы, гормонов, отходов, клеточных компонентов, процес с деления цитоплазмы. Впрочем, для своего наноробота ученые придумали др угой термин – васкулоид (от лат. vas – сосуд и греч. oidos – подобный). “Робокровь ”, включающая около 500 триллионов микроскопических нанороботов общим ве сом примерно 2 кг, потребляет 30 - 200 В атт энергии в зависимости от рода человеческой деятельности. Система со ответствует форме кровеносных сосудов и может служить полной заменой е стественной кровеносной системе. Проще говоря, нанороботы образуют кро веносную систему и функционируют в ней. Подразумевается, что они будут сделаны из алмазоида или друг ого биосовместимого материала, а биологическое питание будут получать из глюкозы и кислорода. Какие же преимущества дает такая роботизированная кровь обычному чело веку? Возможностей, оказывается, множество: это и борьба с болезнетворны ми микробами, и регулярная « чист ка » и укрепление сосудов, предот вращающая болезни типа атеросклероза, варикозного расширения вен и т. д., и автоматическое лечение поврежденных клеток, и даже замена больных ген ов здоровыми. 6. Нанобизнес Что значит д елать бизнес? Это значит придумать что - то новое, затем это что - то произвести, а после продать. Так вот, придумать нелегко, про извести еще труднее, но самое трудное — продать. В США и странах Европы выдающиеся ученые и изобрет атели люди далеко не бедные. Наши же российские ученые часто не обладают предпринимательской жилкой вообще. Как это ни парадоксально, но они созд ают технологии, приносящее очень большой экономический эффект, но совер шенно не могут их продвигать и получать большие деньги за решение сложны х задач. Более того, часто при выборе задач они и не сравнивают их с точки з рения экономического эффекта, а ведь интуитивно понятно, что новое техни ческое решение, позволяющее производителю сэкономить миллион долларов , будет оплачено намного выше, чем такое же с точки зрения времени и трудоз атрат, но дающее копеечные выгоды. Современная тенденция такова, что среди десяти са мых богатых людей мира большинство — это люди, сделавшие капитал с нуля ( взять хотя бы Билла Гейтса). Хотя еще несколько десятилетий назад самые б огатые люди мира получали свой капитал по наследству. В основе каждого т акого состояния лежат изобретения в области техники, производства или п родаж. В последнее время все больше дальновидных предпр инимателей, понимающих перспективность и экономическую выгоду нанотех нологий, предпочитают вкладывать средства в высокотехнологичные проек ты. На Россию ж е приходится менее 1% мировых « н аноинвестиций » . И в России не су ществует целевой государственной программы поддержки нанотехнологий. И что самое неприятное – государство само еще не определилось, нужны ли ему на нотехнологии. « Национал ьная нанотехнологическая инициа тива России» – сегодня звучит фантастично, поэтому тому, кто все - таки решил всерьез заняться нанот ехнологиями у нас, надо иметь четкое представление о том, откуда берутся и куда уходят деньги в этой удивительной отрасли. С уществуют рискованные бизнесы, связанные с разработкой и пр одвижением на рынки новых продуктов. Разработка новых продуктов требуе т времени и денег, и поэтому заранее предсказать, получится ли разработа ть действительно хороший продукт и будет ли он затем принят потребителя ми, очень сложно. Риск неудачи такого бизнеса очень велик – вплоть до пол ной потери инвестированного капитала. Однако же в случае удачи можно ока заться первым и единственным производителем остро востребованного про дукта и за счет этого получать в течение определенного времени очень выс окие прибыли (чтобы догнать вас, конкурентам придется затратить немало в ремени и ресурсов). В бизнесе доходность и риск идут рука об руку, суще ствуют одновременно. Риск – это то, на что приходится идти, если хочешь до биться поставленной цели, но многие оказываются к нему просто психологи чески не готовы. Если инвестиции в банковские вклады имеют предсказуемы й результат, то про нанотехнологические проекты этого сказать нельзя, по скольку жизненные повороты практически непредсказуемы. Возникает справедливый вопрос: а как вообще можн о вкладывать в непредсказуемое? Любой предприниматель подтвердит, что д о 96% своего времени он тратит на борьбу с наступившими « рисками » – различными неувязками, сбоями и неожиданными осложнения ми. Поэтому чтобы вкладывать средства в непредсказуемое, надо постарать ся все непредсказуемое просчитать. На этапе планирования бизнеса необходимо выявить все возможные риски и продумать меры их предотвращения, а на практическом этапе - суметь эти меры реализовать. Откуда берутся риски? Конечно же, отовсюду. Количество рисков пропорцион ально количеству взаимосвязей проекта с окружающей средой. Поставщики могут продать плохое сырье, партнеры могут подвести, покупателям может н е понравиться товар, налоговая тоже тут как тут… Получается, чем автономнее проект, тем он надежнее. По разным д анным, десять лет назад в нашей стране доля успешных бизнес - проектов среди всех начинаемых составля ла 5 - 10%. Сегодня этот показатель с оставляет менее 0,5%. Именно такова вероятность того, что время, силы и деньг и, вложенные в проект, вернутся с прибылью. Так что занятие бизнесом в Росс ии, особенно нанотехнологическим – не для слабонервных. Чтобы быть успешным в бизнесе, нужно не только создать и вести его, но и непрерывно ра звивать свои конкурентные преимущества: · Научно - технические преимущества (качество науч ных исследований, возможность азработки и производства новых товаров, с тепень овладения существующими технологиями); · Производственные преимущества ( низкие затраты на производство продукции, качество продукции, полнота и спользования возможностей оборудования, выгодное местонахождение с то чки зрения транспортировки, доступ к квалифицированной рабочей силе, вы сокая производительность труда, возможность производства различной пр одукции, возможность выполнения заказов потребителей); · Торговые преимущества (широкая с еть сбыта, доступ покупателей к товару, наличие собственных магазинов, н изкие расходы на продажу, скорая доставка); · Маркетинговые преимущества (выс окая квалификация сотрудников отдела продаж, техническая поддержка, ак куратное исполнение заказов, разнообразие продукции, искусство продаж, привлекательный дизайн и упаковка, гарантии); · Профессиональные преимущества ( особый талант, ноу - хау, компетен тность, умение создавать эффективную рекламу, способность быстро перев одить товары из стадии разработки в промышленное производство); · Организационные преимущества (у ровень информационных систем, способность быстро реагировать на измен яющуюся ситуацию, опыт); · Прочие преимущества (благоприят ный имидж и репутация, низкие затраты, выгодное расположение, приятные в общении и доброжелательные сотрудники, доступ на финансовые рынки, прав овая защищенность) и т.д. и т.п. Эксперты оц енивают мировой рынок нанотехнологической продукции в 1.000.000.000.000 (триллион!) долларов лишь к 2015 году. В мире существует более трех тысяч потребительск их и огромное число промышленных продуктов, произведенных с помощью нан отехнологий и пользующихся спросом на мировом рынке. Функционирует свы ше 16.000 нанотехнологических компаний, число которых удваивается каждые по лтора года. В России нанотехнология тоже начинает приносить свои первые плоды – в декабре 2004 года в г. Фрязино прошла первая конференц ия, посвященная промышленному использованию нанотехнологий, где учены е представили десятки мощных технологий, готовых к внедрению на произво дстве. Среди них новые материалы на основе нанотрубок, сверхпрочные покр ытия,антифрикционные составы, проводящие полимеры для гибкой электрон ики и т.д. Важно правильно оценить изобретение, которое вы хотите сделать основой будущего бизнеса. Это самый важный шаг – от него зависит успешность всего проект а. Действительно стоящее изобретение – это то, что увеличивает полезный эффект продукта в десятки и сотни раз без существенного ухудшения остал ьных показателей. В силу скоротечности технологических перемен в о трасли на самое изощренное изобретение может быстро найтись усовершен ствованный заменитель, а то и вовсе в нем может пропасть необходимость в результате развития конкурентов. Это требует кропотливой работы, но зато риск, что завтра кто - нибудь представит устройство или материа л, делающий продукцию предприятия ненужной, значительно снижается. В России в силу низкого уровня развития законодат ельного регулирования отношений в сфере интеллектуальной собственнос ти она зачастую должным образом не оформляется, но от этого никуда не исч езает, а продолжает присутствовать в том ином виде и сохраняет свою ценн ость для предприятия. А также для конкурентов, которые постараются ее ра здобыть. Здесь эффект российского патентования, не подкрепленного межд ународным, скорее отрицателен, так как вынуждает заявителя раскрыть мно гие детали технологии. В результате отечественный разработчик зачасту ю узнает полный экономический потенциал своей технологии уже в виде про дукта конкурента на прилавке. Что же делать? Одно из решений этой проблемы предл ожил еще 500 лет назад гениальный ученый Леонардо Да Винчи. Ситуация с защи той интеллектуальной собственности в средневековой Италии обстояла пр имерно так же, как в современной России, и опасаясь, что проекты машин буду т украдены и реализованы без его ведома – то есть без уплаты гонорара, – изобретатель намеренно вносил в свои чертежи небольшие ошибки. Как правило, сами создатели инновации не до конца представляют себе свойства полученного продукта вследствие недостатк а времени и денег на детальные исследования. Поэтому необходимо доиссле дование самого полученного продукта, поскольку без знания свойств нови нки (зачастую весьма неожиданных) риск совершения маркетинговой ошибки близок к 100%. Это нормально и поможет впоследствии грамотно организовать п остоянное усовершенствование продукта в соответствии с нуждами клиент ов. Чем больше у никальных, полезных и замечательных свойств вы откроете и изучите в прод укте, тем шире будет его рынок и меньше последует жалоб. Важной особеннос тью нанотехнологии как отрасли является ее многогранность и изобилие неожиданных направлений применения продуктов и технологий. 7. Заключение Все, что прои зводит человек, он изготовляет из природы. Можно даже сказать, что челове к лишь перерабатывает то, что дает ему природа. И пока общество будет орие нтироваться на исключительно п отребительские ценности, общий уровень человеческого быта одних людей будет повышаться – другие же (и природа) будут гибнуть с ускорением. Научные прорывы в нанотехнологии и создание нано технологической промышленности будущего даст человечеству принципиа льно новый способ экологически чистого « выращивания » проду ктов из атомов и молекул, что поможет решить проблему экологического и э нергетического кризиса. А развитие таких технологий, особенно на началь ном этапе, не рыночно, ибо требуют больших затрат на образование, научные исследования и их техническую реализацию . Сегодня, переход к устойчивому развитию представляется крайне ма ловероятным – слишком низок уровень сознания и ответственности за сво и поступки у мировой общественности. Наша планета испытывает острую нео бходимость в формировании нового общества, более развитого и интеллект уально, и духовно. Только такое общество будет способно предвидеть после дствия своих поступков и воздерживаться от их совершения, если последст вия эти будут негативными. Принципиально новые типы машин и оборудовани я, новейшие технологии, системы управления могут быть созданы и конструк тивно применены только людьми нового, нетрадиционного типа мышления. Знание – это сила в буквальном смысле слова, это н аучный, экономический и военный потенциал государства, это умение побеж дать в интеллектуальной борьбе. На Западе большой популярностью пользуется конц епция человеческого капитала, а инвестиции в сферу образования многие и сследователи определяют как один из главнейших факторов устойчивого э кономического роста. Роль образования в экономическом росте может проя вляться в различных формах: · повышается производ ительность труда; · улучшаются предпринимательские способности человека; · ускоряется научный и технический поиск и т.д. Вложения в человеческий капитал, по существующим оценкам, гораздо эффек тивнее, чем вложения в другие экономические фонды. Установлена прямая зависимость между экономическим ростом страны и коэффициентом образования населения: чем ниже коэффици ент образования населения, тем беднее страна. Если население в стране грамотное и образованное, страна – богата. Считается, что, тратясь сегодня на образование и профес сиональную подготовку людей, завтра государство получит от них максима льный вклад в ВВП. Это логично: за новыми знаниями следуют новые технолог ии, а прогрессивные технологии рождают инновационные и успешно реализу емые товары. Устаревшие же технолог ии, как известно, уб ыточны. Они не принос ят дохода, а товары, произведенные в рамках таких технологий, невозможно продать по высокой цене. Когда затихает интеллектуальное обновление, эк ономика становится загнивающей, и вопрос о том, когда ее обойдут более ак тивные конкуренты – всего лишь вопрос времени. Давайте, обратившись к с татистике, посмотрим, верна ли эта закономерность на примере нашей много страдальной России: Факт: Общее число людей, занятых в научной сфере сократилось за период с 1990 по 2005 гг. более чем в два раза. Резкое сокращение финансирования науки прив ело к тому, что самые сильные и умные специалисты разбрелись по более дох одным отраслям: торговля, сфера услуг, развлечения и т.п. Следствие 1: С этого момента начинается серьезное отставание от других стран по уров ню использования наукоемких технологий в промышленн ости. Следствие 2: Производство ведется на устаревшем о борудовании и по старым технологиям (образца 70 - 80х годов). Для сравнения: в развитых странах до 50% всей промы шленной продукции изготавливают станки с электронными системами управления, а к 2015 г. их будет 100%. Следствие 3: Продукция, производимая по устаревшим технологиям, сильно у ступает в качестве западным аналогам и, следовательно, не может пользова ться большой популярностью у потребителей. Все это ведет к вытеснению от ечественной продукции с собственного же рынка, не говоря уже об экспорте . Россия хрон ически отстает в производстве наукоемкой продукции от развитых стран. Д ля выхода из сложившейся ситуации ей потребуются новые кадры – не люди с опытом челноков и агентов по продажам и даже не инженеры, получившие ус таревшие технологические знания. Нужны специалисты нового поколения, с пособные ликвидировать отставание и развить « прорывные » новы е технологии. Следовательно, необходима кардинальная реорганизация вс ей сферы образования, направленная на повышение скорости обновления пр еподносимых студентам знаний. 8. Использованная литература 1. Мария Рыбалкина «Нанотехнологии для всех. Большое в малом» 2. http :// ru . wikipedia . org / wiki /Нанотехнология 3. http://www.nanonewsnet.ru/