Теоретические основы понятия нанотехнологии в науке и медицине

Нанотехнологии. Сейчас мы повсюду слышим это слово, его значение кажется таким новым и сложным, хотя само по себе приставка нано означает 1/1 000 000 000 часть метра (нанометр, нм), подобно тому, как приставка «санти» означает 1/100 метра (сантиметр, см). То есть нанонаука – это область исследования и работы со сверхмалыми объектами. Нанонаука изучает фундаментальные взаимодействия молекул и структур, по меньшей мере, один размер которых равен от 1 до 100 нанометров. Это наноструктуры. А нанотехнология применяет данные наноструктуры в полезных наноскопических устройствах.

Впервые идея о том, что возможно собирать устройства и работать с объектами, которые имеют наноразмеры, была высказана в знаменитой лекции Ричарда Фейнмана "Там, внизу, полно места!" в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте. Хотя прародителями нанотехнологий можно считать ещё древних алхимиков, сам термин "нанотехнологии" впервые появился в литературе с легкой руки профессора-материаловеда из Токийского университета Норио Танигучи в 1974 г.

Почему же прошло несколько десятилетий прежде, чем нанотехнологии прочно вошли в наш обиход? Прежде всего, это связано с необходимыми инструментами и высокоточными приборами для исследований. Представьте себе масштаб, в котором приходится работать нанотехнологу! Для сравнения: толщина человеческого волоса составляет примерно 50 000 нанометров; наименьший объект, который способен разглядеть невооруженный глаз человека, имеет размер 10 000 нанометров.

Наномасштаб уникален! В нем свойства материалов зависят от их размера так, как ни в одном другом масштабе. Те взаимодействия между молекулами, которыми ученые пренебрегают в других масштабах, в нано оказывают очень сильное воздействие!

Исследование нанонауки и использование нанотехнологий открывают уникальные возможности в таких отраслях, как медицина, микроэлектроника, приборостроение, энергетика и т. д. Развитие будет происходить быстрыми темпами, станут образовываться новые научно-исследовательские сообщества, взаимосвязь различных наук будет давать новые результаты. Но в то же время использование нанотехнологий не сделает стоимость товаров ниже. Посмотрите вокруг – высокотехнологичные вещи никогда не были дешевы. Это соответствует двум знаменитым законам Мура (Гордон Мур, основатель Intel Corporation). Первый из них гласит, что объем пространства, необходимый для установки на чип транзистора, сокращается вдвое каждые 1,5 года. Второй закон Мура, вытекающий из первого утверждает, что стоимость постройки завода по изготовлению чипов удваивается каждые 3 года (т. е. каждое поколение чипов).

Сейчас в рекламе мы часто слышим об использовании нанотехнологии в производстве различных товаров. Здесь очень много места для аферистов и недобросовестных производителей. Но мухи отдельно, а котлеты отдельно. Наноноски или нанопорошки – это одно, а краска в автомобилях известной люксовой японской марки, способная самозатягиваться, самоочищающиеся сейсмоустойчивые декоративные панели, материалы для очистки сточных вод – это совсем другое. Большой ажиотаж вызывают и различные неосуществимые фантастические проекты наподобие космического лифта, который в понимании авторов должен связать Землю с Луной. А вот управляемые нанороботы, способные адресно доставлять лекарства к больному органу человека, это уже реальность.

В нашей стране нанотехнологиям стали уделять пристальное внимание только последнее десятилетие, в отличие от Запада. Но какое внимание! Создана государственная корпорация “Роснанотех” с огромными объемами финансирования, которая активно способствует созданию технопарков, проведению международных конференций, выделяет гранты молодым исследователям. В более чем сорока вузах России ведется подготовка по нанотехнологическим специальностям.

Из Послания Президента РФ Д. А. Медведева Федеральному Собранию Российской Федерации: “Мною недавно утверждена стратегия развития наноиндустрии, которая определяет главные приоритеты и организационно-правовые механизмы создания инфраструктуры соответствующей отрасли. В нее войдут государственные научные центры и университеты, а также лаборатории частных корпораций. Государством должны быть выделены необходимые средства на материально-техническое, кадровое и организационное обеспечение соответствующих работ.

Всего же с учетом федеральных целевых программ на это направление должно быть запланировано в федеральном бюджете около 180 миллиардов рублей. Обращаю ваше внимание: мы, по сути, открываем еще одно, сопоставимое с общим финансированием науки, направление — почти в таком же объеме! При этом важнейшим вопросом является создание условий для роста негосударственных инвестиций в развитие наноиндустрии. ”

“НАНО” – одна из тех отраслей, которая должна вернуть нашей науке и технологиям забытую славу мирового лидера!

1. 2. Предмет, цели и основные направления в нанотехнологии

Особенность нанотехнологии заключается в том, что рассматриваемые процессы и совершаемые действия происходят в нанометровом диапазоне пространственных размеров. "Сырьем" являются отдельные атомы, молекулы, молекулярные системы, а не привычные в традиционной технологии микронные или макроскопические объемы материала, содержащие, по крайней мере, миллиарды атомов и молекул. В отличие от традиционной технологии для нанотехнологии характерен "индивидуальный" подход, при котором внешнее управление достигает отдельных атомов и молекул, что позволяет создавать из них как "бездефектные" материалы с принципиально новыми физико-химическими и биологическими свойствами, так и новые классы устройств с характерными нанометровыми размерами. Понятие "нанотехнология" еще не устоялось. По-видимому, можно придерживаться следующего рабочего определения.

Нанотехнологией называется междисциплинарная область науки, в которой изучаются закономерности физико-химических процессов в пространственных областях нанометровых размеров с целью управления отдельными атомами, молекулами, молекулярными системами при создании новых молекул, наноструктур, наноустроиств и материалов со специальными физическими, химическими и биологическими свойствами.

Анализ текущего состояния бурно развивающейся области позволяет выделить в ней ряд важнейших направлений.

• Молекулярный дизайн. Препарирование имеющихся молекул и синтез новых молекул в сильно неоднородных электромагнитных полях.

• Материаловедение. Создание "бездефектных" высокопрочных материалов, материалов с высокой проводимостью.

• Приборостроение. Создание сканирующих туннельных микроскопов, атомно-силовых микроскопов2 , магнитных силовых микроскопов, многоострийных систем для молекулярного дизайна, миниатюрных сверхчувствительных датчиков, нанороботов.

• Электроника. Конструирование нанометровой элементной базы для ЭВМ следующего поколения, нанопроводов, транзисторов, выпрямителей, дисплеев, акустических систем.

• Оптика. Создание нанолазеров. Синтез многоострийных систем с нанолазерами.

• Гетерогенный катализ. Разработка катализаторов с наноструктурами для классов реакций селективного катализа.

• Медицина. Проектирование наноинструментария для уничтожения вирусов, локального "ремонта" органов, высокоточной доставки доз лекарств в определенные места живого организма.

• Трибология. Определение связи наноструктуры материалов и сил трения и использование этих знаний для изготовления перспективных пар трения.

• Управляемые ядерные реакции. Наноускорители частиц, нестатистические ядерные реакции.

3. Зондовая литография.

Для успешного развития углеродной наноэлектроники требуется разработка прецизионных методов формирования углеродных наноструктур. К наиболее перспективному методу можно отнести сканирующую зондовую микроскопию (СЗМ), которая уже зарекомендовала себя как один из важнейших инструментов нанотехнологий. С помощью СЗМ возможно не только изучение поверхности твердых тел с высоким пространственным разрешением, но и ее модификация (зондовая литография).

Ниже рассматриваются экспериментальные данные по локальному анодному окислению (ЛАО) углеродных слоев с помощью зондов сканирующего туннельного и атомно-силового микроскопов (АСМ).

ЛАО поверхности графита проводилось с помощью иглы сканирующего туннельного микроскопа при подаче разности потенциалов величиной от 2 до 9 В между зондом и поверхностью графита. При ЛАО графита зонд является катодом, поверхность графита - анодом. В роли электролита выступает адсорбированная из атмосферы пленка воды, причем ее молекулы непосредственно участвуют в процессе окисления графита. В работе [5] было показано, что добавление паров воды при модификации поверхности графита в условиях вакуума приводит к уменьшению напряжения, необходимого для начала травления поверхности графита, более чем в три раза. Можно предположить, что выпуклые участки на поверхности графита, возникающие при окислении, обладают структурой оксида графита Вначале в верхних слоях графита образуются единичные вакансии, через которые под действием электрического поля с поверхности в межслоевое пространство происходит диффузия молекул воды. Интеркаляция воды приводит к локальному росту расстояний между слоями в графите и позволяет объяснить появление рельефа на поверхности.

Глава II. Экспериментальная часть исследования методом атомно – силовой микроскопии.

2. 1. Сканирующая – туннельная микроскопия.

Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) довольно прост, но кардинально отличается от всех предшествующих методик, применявшихся в физике поверхности. Тонкое металлическое острие, смонтированное на электромеханическом приводе (X, Y, Z-позиционере), служит зондом для исследования участков поверхности образца . Когда такое острие подводится к поверхности на расстояние < 10 А, то при приложении между острием и образцом небольшого (от 0,01 до 10 В) напряжения смещения Vs через вакуумный промежуток начинает протекать туннельный ток It порядка 10-9 А. Полагая, что электронные состояния (орбитали) локализованы на каждом атомном участке, при сканировании поверхности образца в направлении X и / или Y с одновременным измерением выходного сигнала в цепи Z можно получить картину поверхностной структуры на атомном уровне. Эта структура может быть отображена в двух режимах: измеряя туннельный ток и поддерживая расстояние от острия до поверхности образца или измеряя изменения в положении острия (то есть расстояние до поверхности образца) при постоянном туннельном токе (второй режим используется чаще).

Туннельный ток, возникающий при приложении напряжения Vs , поддерживается постоянным за счет цепи обратной связи, которая управляет положением острия с помощью пьезоэлемента рz. Запись осциллограммы напряжения Vz в цепи обратной связи при одновременном воздействии пилообразного напряжения развертки вдоль осей x и y образует туннельное изображение, являющееся своего рода репликой поверхности образца.

Вообще СТМ можно рассматривать как сочетание трех концепций: сканирования, туннелирования и локального зондирования. Само сканирование как средство отображения объекта широко применяется и в других типах микроскопов, например в растровом электронном микроскопе, а также в телевизионной технике, а электронное туннелирование3 с успехом использовалось для изучения физических свойств твердого тела задолго до появления СТМ (как и контактная спектроскопия). Все это делает СТМ уникальным микроскопом, который не содержит линз (а значит, изображение не искажается из-за аберраций), энергия электронов, формирующих изображение, не превышает нескольких электронвольт (то есть меньше энергии типичной химической связи), что обеспечивает возможность неразрушающего контроля объекта, тогда как в электронной микроскопии высокого разрешения она достигает нескольких килоэлектронвольт и даже мегаэлектронвольт, вызывая образование радиационных дефектов.

В ноябре 1978 года будущие Нобелевские лауреаты Бинниг и Рорер вернулись к идее использования вакуумного туннелирования для локальной спектроскопии тонких оксидных слоев на металлах. Для перемещения острия на малые расстояния и поддержания ширины вакуумного зазора с субангстремной точностью были использованы пьезоэлектрические материалы и система обратной связи .

Несмотря на свою простоту, конструирование и изготовление СТМ до сих пор остается трудной задачей. Даже в наши дни существует немного лабораторий, располагающих СТМ, которые работали бы с истинно атомным разрешением. Все СТМ можно разделить на две основные группы: работающие на воздухе (или в другой среде) и в условиях сверхвысокого вакуума. Выделяют также низкотемпературные СТМ, работающие в условиях криогенных температур. В дальнейшем будем говорить только о сверхвысоковакуумных СТМ, работающих при комнатной температуре. Перечислим основные проблемы, стоящие перед разработчиками: 1) изоляция от акустических и механических вибраций; 2) создание быстродействующей малошумящей электроники, работающей в широком динамическом диапазоне; 3) обеспечение надежных сверхвысоковакуумных условий, допускающих различные манипуляции с образцом; 4) изготовление тонких атомногладких острий-зондов и их диагностика.

Для решения первоначально казавшейся непреодолимой проблемы виброизоляции Бинниг и Рорер в своей первой конструкции использовали даже сверхпроводящий магнитный подвес для размещения образца и сканирующего узла. В дальнейшем эту проблему удалось решить используя специальную подвеску в вакууме всего микроскопа на длинных пружинах и разместив сканирующий узел на массивном виброизолирующем столике. Для подвода острия-зонда к образцу на расстояние , равное нескольким ангстремам, и сканирования вдоль поверхности использовался пьезодвигатель на основе пьезоэлектриков - это такие материалы, которые изменяют свои размеры под действием управляющего напряжения.

Схема, демонстрирующая устройство СТМ и его работу. На пьезоэлемент pz подается напряжение с выхода усилителя обратной связи, которое определяет величину зазора между образцом и острием и тем самым величину туннельного тока. Сам туннельный ток должен быть все время пропорционален заданному току, что поддерживается благодаря управляемой компьютером цепи обратной связи. На пьезоэлементы px и py под управлением того же компьютера подаются пилообразные напряжения, формирующие строчную и кадровую развертки (растр) подобно тому, как это осуществляется в телевидении. Осциллограммы напряжения Vz запоминаются компьютером, после чего преобразуются в зависимость z (x, y), отображающую траекторию движения острия и, таким образом, являющуюся туннельным изображением поверхности образца. Как правило, записанные сигналы подвергаются фильтрации и дополнительной компьютерной обработке, позволяющей представить туннельные изображения в режиме так называемой серой шкалы, в котором контраст изображения коррелирует с рельефом поверхности: светлые пятна соответствуют более высоко расположенным областям и наоборот. И в процессе работы даже с первым вариантом СТМ в марте 1981 года (всего через 27 месяцев после того, как была сформулирована его базовая концепция!) была экспериментально доказана характерная для туннелирования экспоненциальная зависимость тока It от расстояния острие-образец. День 16 марта 1981 года считается датой рождения сканирующей туннельной микроскопии.

Основная область применения СТМ - физика поверхности твердых тел. Уже первые эксперименты по исследованию поверхности золота Au(100), относительно которой из данных ДМЭ было известно, что она испытывает реконструкцию , позволили наблюдать различные сверхструктуры и ступеньки моноатомной высоты , что бесспорно свидетельствовало о разрешении прибора порядка нескольких ангстрем (сами исследователи ожидали получить геометрическое разрешение по плоскости наблюдения не более ). И стало ясно, что в руках ученых появился уникальный инструмент, позволяющий наблюдать на поверхности отдельные атомы. Но чтобы убедить широкие круги научной общественности в том, что получаемые данные являются реальными экспериментальными результатами, а не данными компьютерного моделирования, понадобилось провести исследование поверхности кремния.

Атомно – силовая микроскопия.

Одной из наиболее распространенных разновидностей «сканирующей зондовой микроскопии», является атомно-силовая микроскопия. Первый микроскоп такого типа был сконструирован Г. Биннигом, Х. Гербером и С. Квайтом в 1986 году, после того как годом ранее Г. Бинниг показ принципиальную возможность неразрушающего контакта зонда с поверхностью образца.

Действительно, если подвести зонд к образцу на расстояние в несколько ангстрем, то между атомами, образующими острие, и атомами, расположенными на поверхности образца, начнет действовать Ван-дер-Ваальсова сила притяжения. Под действием этой силы зонд будет приближаться к образцу до тех пор, пока не начнется электростатическое отталкивание одноименно (отрицательно) заряженных электронных оболочек атомов зонда и поверхности (в химии обычно используют специальную форму кривой, описывающего такие взаимодействия – так называемый «потенциал 6-12»).

В первых атомно-силовых микроскопах зонд (иголку кристаллического сапфира) закрепляли на тонкой платиновой фольге, за перемещением которой следили по изменению туннельного тока, по аналогии со сканирующей туннельной микроскопией. В настоящее время зонд закрепляют на гибкой балке, называемой «кантилевером» или консолью. При подводе зонда к образцу на расстояние в несколько ангстрем и возникновении отталкивающего взаимодействия «кантилевер» изгибается до тех пор, пока давление со стороны зонда (определяемое силой упругости консоли) не окажется больше предела упругой деформации материала образца или зонда. Таким образом, основным свойством «кантилевера» является его жесткость, а подбор материала и геометрических характеристик «кантилевера» позволяет использовать метод АСМ для самых различных приложений.

Перемещаясь в плоскости образца над поверхностью, «кантилевер» изгибается, отслеживая ее рельеф. Однако при сканировании образца в контактном режиме поверхность образца частично повреждается, а разрешение метода оказывается достаточно низким. Разработка методов полуконтактного и бесконтактного сканирования, когда, зонд входит в контакт с поверхностью только в нижней точке траектории собственных резонансных колебаний или не входит в контакт вообще, позволили увеличить разрешение АСМ, значительно снизив давление на образец со стороны зонда. Для регистрации отклонения «кантилевера» предложены различные системы, основанные на использовании емкостных датчиков, интерферометров, систем отклонения светового луча или пьезоэлектрических датчиков. В современных приборах угол изгиба «кантилевера» регистрируется с помощью лазера, луч которого отражается от внешней стороны консоли и падает на фотодиодный секторный датчик. Система обратной связи отслеживает изменение сигнала на фотодетекторе и управляет «системой нанопозицонирования». Использование «пьезодвигателей» и атомно-острых зондов позволяет добиться атомного разрешения АСМ в высоком вакууме.

Помимо непосредственного исследования структуры поверхности методом контактной АСМ, можно регистрировать силы трения и адгезионные силы. В настоящее время разработаны многопроходные методики, при которых регистрируется не только топография, но и электростатическое или магнитное взаимодействие зонда с образцом. С помощью этих методик удается определять магнитную и электронную структуру поверхности, строить распределения поверхностного потенциала и электрической емкости, и т. д. Для этого используют специальные «кантилеверы» с магнитными или проводящими покрытиями. АСМ также применяются для модификации поверхности. Используя жесткие зонды, можно делать гравировку и проводить «наночеканку» – выдавливать на поверхности крошечные рисунки. Применение жидкостной атомно-силовой микроскопии позволяет локально проводить электрохимические реакции, прикладывая потенциал между зондом и проводящей поверхностью, а также открывает возможность применения АСМ для исследования биологических объектов. АСМ уже стал одним из основных «наноинструментов» нанотехнологов, быть может, следующий шаг за покорением «бионанотехнологий»?

2. 2. Описание прибора «Итегра».

Устройство. Исследовательский комплекс ИНТЕГРА включает следующие основные системы и блоки: базовый блок; измерительный блок: измерительная головка; сменное основание; сканер; термостолики, жидкостные ячейки и т. п; защитный колпак; система видеонаблюдения; система виброизоляции; система управления:

СЗМ контроллер; термоконтроллер; компьютер с интерфейсной платой.

2. 3. Сравнительное наноскопическое исследование образцов крови здорового и больного пациентов.

Эксперимент проходил на базе СОГУ, где на кафедре физики и астрономии находится наноприбор и «Интегра» (описание прибора дается выше). Старший научный сотрудник кафедры Туриев Анатолий Майранович подробно рассказал нам о приборе, о принципе его работы и дал нам интервью.

Объектами исследования мы выбрали образцы крови здорового и больного пациентов. Внешне можно увидеть следующие различия: кровь здорового пациента была ярко красного цвета, что говорит о нормальном количестве красных кровяных тельцов – эритроцитов; кровь больного пациента (больного аллергией) была менее яркой, что говорит о содержании в крови особых тельцов – аллергенов – эозоннофилов, количество которых определяет степень тяжести этого заболевания. Для установления закономерностей, лежащих в основе трансформации крови мы провели микротопографическое исследование с помощью атомно – силового микроскопа. Результаты были получены в виде ярких картинок, с помощью которых мы сравнили образцы крови. Были установлены следующие различия на топографическом рисунке образца крови здорового пациента вязкая область (темного цвета рис. в приложении) была с левой стороны, а твердая область справа, тогда как другого образца (больного пациента) наиболее твердой области располагались в виде отдельных кусочков на поверхности, что говорит о изменении при трансформации не только структуры крови, но и ее поверхности.

Вероятность увидеть на полученных картинках эритроциты в полном размере очень низкое, т. к. область, которую сканируют зонд очень мала, около одного микрона или меньше, а размер эритроцитов составляет семь микрон.

Результаты эксперимента приведены в распечатанном виде и в виде презентации в Power Point.

Заключение.

По заключениям ученых в будущем Медицина изменится коренным образом. Во-первых, наночастицы могут использоваться в медицине для точной доставки лекарств. Нанокапсулы с метками-идентификаторами смогут доставлять лекарства непосредственно к указанным клеткам и микроорганизмам, смогут контролировать и отображать состояние пациента, следить за обменом веществ и многое другое. Это позволит эффективнее бороться с онкологическими, вирусными и генетическими заболеваниями.

Во-вторых, появится возможность быстрого создание новых видов лекарств, протезов, имплантантов. В этой области рядом исследователей уже проводится проверка различных наноматериалов на совместимость с живыми тканями и клетками.

По прогнозам журнала Scientific American, уже в ближайшем будущем появятся медицинские устройства размером с почтовую марку. Их достаточно будет наложить на рану. Это устройство самостоятельно проведет анализ крови, определит, какие медикаменты необходимо использовать, и впрыснет их в кровь. Тем не менее, как бы сильно ни развивалась научно-техническая основа медицины, главными факторами исцеления больного всегда были и останутся профессиональная подготовка, этические и человеческие качества врача.