Нанотехнология — это манипулирование материей, по крайней мере, в одном измерении размером от 1 до 100 нанометров (нм). В этом масштабе, широко известном как наномасштаб , площадь поверхности и квантово-механические эффекты становятся важными при описании свойств материи. Это определение нанотехнологии включает в себя все виды исследований и технологий, которые связаны с этими особыми свойствами. Часто встречается форма множественного числа «нанотехнологии», а также «наномасштабные технологии» для обозначения исследований и приложений, общей чертой которых является масштаб. [1] Более раннее понимание нанотехнологии относилось к конкретной технологической цели точного манипулирования атомами и молекулами для изготовления макромасштабных продуктов, которые теперь называются молекулярной нанотехнологией . [2]
Нанотехнология, определяемая масштабом, включает в себя такие области науки, как наука о поверхности , органическая химия , молекулярная биология , физика полупроводников , хранение энергии , [3] [4] инженерия , [5] микропроизводство , [6] и молекулярная инженерия . [7] Сопутствующие исследования и приложения варьируются от расширения физики обычных устройств до молекулярной самосборки , [8] от разработки новых материалов с размерами наномасштаба до прямого контроля над материей на атомном уровне .
Нанотехнологии могут быть способны создавать новые материалы и устройства с разнообразными применениями , например, в наномедицине , наноэлектронике , производстве энергии из биоматериалов и потребительских товарах. Однако нанотехнологии поднимают проблемы, в том числе опасения по поводу токсичности и воздействия наноматериалов на окружающую среду [9] и их потенциального воздействия на мировую экономику, а также различных сценариев конца света . Эти опасения привели к дебатам среди правозащитных групп и правительств о том, оправдано ли специальное регулирование нанотехнологий .
Концепции, положившие начало нанотехнологиям, впервые были обсуждены в 1959 году физиком Ричардом Фейнманом в его докладе « Там внизу много места» , в котором он описал возможность синтеза посредством прямого манипулирования атомами.
Термин «нанотехнология» впервые был использован Норио Танигучи в 1974 году, хотя он не получил широкой известности. Вдохновленный концепциями Фейнмана, К. Эрик Дрекслер использовал термин «нанотехнология» в своей книге 1986 года « Машины созидания: грядущая эра нанотехнологий» , в которой была предложена идея наномасштабного «ассемблера», который был бы способен создавать копию самого себя и других предметов произвольной сложности с контролем на уровне атомов. Также в 1986 году Дрекслер стал соучредителем Института прогнозирования, чтобы повысить осведомленность общественности и понимание концепций и последствий нанотехнологий.
Появление нанотехнологий как области в 1980-х годах произошло благодаря сближению теоретических и общественных работ Дрекслера, которые разработали и популяризировали концептуальную основу, и заметных экспериментальных достижений, которые привлекли дополнительное внимание к перспективам. В 1980-е годы два прорыва стимулировали рост нанотехнологий. Во-первых, изобретение сканирующего туннельного микроскопа в 1981 году позволило визуализировать отдельные атомы и связи, и он был успешно использован для манипулирования отдельными атомами в 1989 году. Разработчики микроскопа Герд Бинниг и Генрих Рорер из исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе получили Нобелевскую премию по физике в 1989 году. 1986. [10] [11] В том же году Бинниг, Квейт и Гербер также изобрели аналогичный атомно-силовой микроскоп .
Во-вторых, фуллерены (бакиболлы) были открыты в 1985 году Гарри Крото , Ричардом Смолли и Робертом Керлом , которые вместе получили Нобелевскую премию по химии 1996 года . [12] [13] C 60 изначально не описывался как нанотехнология; этот термин использовался в отношении последующих работ с соответствующими углеродными нанотрубками (иногда называемыми графеновыми трубками или трубками Баки), которые предполагали потенциальное применение для наноразмерной электроники и устройств. Открытие углеродных нанотрубок во многом приписывается Сумио Иидзиме из NEC в 1991 году [14] , за что Иидзима получил в 2008 году первую премию Кавли в области нанонауки.
В начале 2000-х эта область привлекла повышенное научное, политическое и коммерческое внимание, что привело как к противоречиям, так и к прогрессу. Возникли разногласия относительно определений и потенциальных последствий нанотехнологий, примером которых является отчет Королевского общества по нанотехнологиям. [15] Были подняты проблемы относительно осуществимости приложений, предусмотренных сторонниками молекулярной нанотехнологии, кульминацией которых стали публичные дебаты между Дрекслером и Смолли в 2001 и 2003 годах. [16]
Тем временем начали появляться коммерческие продукты, основанные на достижениях в области нанотехнологий. Эти продукты ограничивались массовым применением наноматериалов и не включали атомный контроль над материей. Некоторые примеры включают платформу Silver Nano для использования наночастиц серебра в качестве антибактериального агента, солнцезащитные кремы на основе наночастиц , укрепление углеродного волокна с использованием наночастиц кремнезема и углеродные нанотрубки для устойчивых к пятнам тканей. [17] [18]
Правительства начали продвигать и финансировать исследования в области нанотехнологий, например, американскую Национальную нанотехнологическую инициативу , которая формализовала определение нанотехнологии на основе размера и установила финансирование исследований, а также в Европе через Европейские рамочные программы исследований и технологического развития .
К середине 2000-х годов научное внимание начало процветать. Дорожные карты нанотехнологий были сосредоточены на атомарно точном манипулировании материей и обсуждали существующие и прогнозируемые возможности, цели и приложения. [19] [20]
Нанотехнология — это наука и разработка функциональных систем на молекулярном уровне. В своем первоначальном смысле нанотехнология относится к прогнозируемой способности создавать изделия снизу вверх, создавая полноценные, высокопроизводительные продукты.
Один нанометр (нм) равен одной миллиардной, или 10 -9 метра. Для сравнения, типичная длина связи углерод-углерод или расстояние между этими атомами в молекуле находится в диапазоне 0,12–0,15 нм , а диаметр ДНК составляет около 2 нм . С другой стороны, самые маленькие клеточные формы жизни, бактерии рода Mycoplasma , имеют длину около 200 нм. По соглашению, нанотехнология принимается за диапазон масштабов от 1 до 100 нм , следуя определению, используемому Американской национальной нанотехнологической инициативой . Нижний предел определяется размером атомов (самые маленькие атомы есть у водорода, кинетический диаметр которых составляет около 25 нм ). Верхний предел является более или менее произвольным, но он соответствует размеру, ниже которого явления, не наблюдаемые в более крупных структурах, начинают становиться очевидными и могут быть использованы. [21] Эти явления отличают нанотехнологию от устройств, которые представляют собой просто миниатюрные версии эквивалентного макроскопического устройства; такие устройства имеют больший масштаб и подпадают под описание микротехнологий . [22]
Если представить этот масштаб в другом контексте, то соотношение нанометра к метру такое же, как у мрамора к размеру Земли. [23]
В нанотехнологиях используются два основных подхода. При подходе «снизу вверх» материалы и устройства создаются из молекулярных компонентов, которые химически собираются по принципам молекулярного распознавания . [24] При подходе «сверху вниз» нанообъекты создаются из более крупных объектов без контроля на атомном уровне. [25]
Такие области физики, как наноэлектроника , наномеханика , нанофотоника и наноионика, развивались, чтобы обеспечить научную основу нанотехнологий.
Некоторые явления становятся ярко выраженными в зависимости от размера системы. К ним относятся статистические механические эффекты, а также квантово-механические эффекты, например, « квантовый размерный эффект», при котором электронные свойства твердых тел изменяются вместе с уменьшением размера частиц. Такие эффекты не применимы ни к макро-, ни к микро-измерениям. Однако квантовые эффекты могут стать значительными в нанометровых масштабах. Кроме того, физические (механические, электрические, оптические и т. д.) свойства изменяются по сравнению с макроскопическими системами. Одним из примеров является увеличение отношения площади поверхности к объему, изменяющее механические, термические и каталитические свойства материалов. Диффузия и реакции также могут быть разными. Системы с быстрым транспортом ионов называются наноиониками. Механические свойства наносистем представляют интерес для исследований.
Современная синтетическая химия позволяет получать небольшие молекулы практически любой структуры. Эти методы используются для производства широкого спектра полезных химикатов, таких как фармацевтические препараты или коммерческие полимеры . Эта способность поднимает вопрос о расширении такого рода контроля на следующий, более крупный уровень, поиске методов сборки отдельных молекул в супрамолекулярные ансамбли , состоящие из множества молекул, расположенных четко определенным образом.
Эти подходы используют концепции молекулярной самосборки и/или супрамолекулярной химии для автоматического преобразования себя в полезную конформацию посредством восходящего подхода. Концепция молекулярного распознавания важна: молекулы могут быть спроектированы так, что предпочтение отдается определенной конфигурации или расположению из -за нековалентных межмолекулярных сил . Правила спаривания оснований Уотсона-Крика являются прямым результатом этого, равно как и специфичность фермента, нацеленного на один субстрат , или специфическое сворачивание белка . Таким образом, компоненты можно спроектировать так, чтобы они дополняли друг друга и были взаимно привлекательны, образуя более сложное и полезное целое.
Такие подходы «снизу вверх» должны позволять производить устройства параллельно и быть намного дешевле, чем методы «сверху вниз», но потенциально могут оказаться неэффективными по мере увеличения размера и сложности желаемой сборки. Большинство полезных структур требуют сложного и термодинамически маловероятного расположения атомов. Тем не менее, в биологии существует множество примеров самосборки, основанной на молекулярном распознавании , в первую очередь спаривание оснований Уотсона-Крика и взаимодействия фермент-субстрат.
Молекулярная нанотехнология, иногда называемая молекулярным производством, касается инженерных наносистем (наномашин), работающих на молекулярном уровне. Молекулярная нанотехнология особенно связана с молекулярными ассемблерами , машинами, которые могут производить желаемую структуру или устройство атом за атомом, используя принципы механосинтеза . Производство в контексте производственных наносистем не связано с традиционными технологиями, используемыми для производства наноматериалов, таких как углеродные нанотрубки и наночастицы.
Когда Дрекслер независимо придумал и популяризировал термин «нанотехнология», он предполагал технологию производства, основанную на молекулярных машинных системах. Предпосылка заключалась в том, что биологические аналогии традиционных компонентов машин на молекулярном уровне продемонстрировали, что молекулярные машины возможны: биология полна примеров сложных, стохастически оптимизированных биологических машин .
Дрекслер и другие исследователи [26] предположили, что передовые нанотехнологии в конечном итоге могут быть основаны на принципах машиностроения, а именно, технологии производства, основанной на механической функциональности этих компонентов (таких как шестерни, подшипники, двигатели и элементы конструкции), которые позволят программируемая позиционная сборка в соответствии с атомарной спецификацией. [27] Физические и инженерные характеристики образцовых конструкций были проанализированы в книге Дрекслера « Наносистемы: молекулярное оборудование, производство и вычисления» . [2]
В общем, сборка устройств на атомном уровне требует позиционирования атомов на других атомах сопоставимого размера и липкости. По мнению Карло Монтеманьо , будущие наносистемы будут гибридами кремниевых технологий и биологических молекулярных машин. [28] Ричард Смолли утверждал, что механосинтез невозможен из-за трудностей механического манипулирования отдельными молекулами. [ нужна цитата ]
Это привело к обмену письмами в публикации ACS Chemical & Engineering News в 2003 году. [29] Хотя биология ясно демонстрирует, что молекулярные машины возможны, небиологические молекулярные машины оставались в зачаточном состоянии. Алекс Зеттл и его коллеги из лаборатории Лоуренса Беркли и Калифорнийского университета в Беркли [30] сконструировали как минимум три молекулярных устройства, движение которых контролируется посредством изменения напряжения: нанотрубный наномотор , молекулярный актуатор [31] и наноэлектромеханический релаксационный генератор. [32]
Хо и Ли из Корнельского университета в 1999 году использовали сканирующий туннельный микроскоп, чтобы переместить отдельную молекулу окиси углерода (CO) к отдельному атому железа (Fe), находящемуся на плоском кристалле серебра, и химически связали CO с Fe, приложив напряжение. [ нужна цитата ]
Многие области науки разрабатывают или изучают материалы, обладающие уникальными свойствами, обусловленными их наноразмерами. [35]
Подход «снизу вверх» направлен на объединение более мелких компонентов в более сложные сборки.
Они стремятся создавать устройства меньшего размера, используя более крупные для управления их сборкой.
Функциональные подходы направлены на разработку полезных компонентов без учета того, как они могут быть собраны.
Эти подобласти стремятся предвидеть , какие изобретения могут дать нанотехнологии, или попытаться предложить программу, по которой могут развиваться исследования. Они часто рассматривают общую картину, уделяя больше внимания социальным последствиям, чем инженерным деталям.
Наноматериалы можно разделить на 0D, 1D, 2D и 3D наноматериалы . Размерность играет важную роль в определении характеристик наноматериалов, включая физические, химические и биологические характеристики. С уменьшением размерности наблюдается увеличение отношения поверхности к объему. Это указывает на то, что наноматериалы меньшего размера имеют большую площадь поверхности по сравнению с 3D-наноматериалами. Двумерные (2D) наноматериалы широко исследовались для применения в электронной , биомедицинской , доставке лекарств и биосенсорах .
Атомно -силовой микроскоп (АСМ) и сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) — две версии сканирующих зондов, положивших начало нанотехнологиям. Другие виды сканирующей зондовой микроскопии имеют гораздо более высокое разрешение, поскольку не ограничены длинами волн звука или света.
Наконечник сканирующего зонда также можно использовать для манипулирования наноструктурами (позиционная сборка). Функционально-ориентированное сканирование может стать многообещающим способом реализации этих наноманипуляций в автоматическом режиме. [53] [54] Однако это все еще медленный процесс из-за низкой скорости микроскопа.
Подход «сверху вниз» предполагает, что наноустройства должны создаваться поэтапно, по частям, подобно тому, как изготавливаются промышленные изделия. Сканирующая зондовая микроскопия является важным методом как для характеристики, так и для синтеза. Атомно-силовые микроскопы и сканирующие туннельные микроскопы можно использовать для изучения поверхностей и перемещения атомов. Разработав различные насадки для этих микроскопов, их можно использовать для вырезания структур на поверхностях и для облегчения управления самособирающимися структурами. Используя, например, подход объектно-ориентированного сканирования, атомы или молекулы можно перемещать по поверхности с помощью методов сканирующей зондовой микроскопии. [53] [54]
Различные методы нанолитографии, такие как оптическая литография , рентгеновская литография , нанолитография пером, электронно-лучевая литография или литография наноимпринта, предлагают методы изготовления сверху вниз, при которых объемный материал уменьшается до наноразмерного рисунка.
Другая группа нанотехнологических методов включает методы, используемые для изготовления нанотрубок и нанопроволок , методы, используемые в производстве полупроводников, такие как литография глубоким ультрафиолетом, электронно-лучевая литография, обработка сфокусированным ионным лучом, литография наноимпринтов, осаждение атомных слоев и осаждение молекулярной паровой фазы, а также включающие методы молекулярной самосборки, например, с использованием диблок-сополимеров. Предшественники этих методов предшествовали эпохе нанотехнологий и представляют собой продолжение развития научных достижений, а не методов, которые были разработаны с единственной целью создания нанотехнологий и которые были результатами нанотехнологических исследований. [55]
Напротив, восходящие методы строят или выращивают более крупные структуры атом за атомом или молекулу за молекулой. Эти методы включают химический синтез, самосборку и позиционную сборку. Интерферометрия двойной поляризации - один из инструментов, подходящих для определения характеристик самоорганизующихся тонких пленок. Другой вариант подхода «снизу вверх» — молекулярно-лучевая эпитаксия или MBE. Исследователи Bell Telephone Laboratories, в том числе Джон Р. Артур . Альфред Ю. Чо и Арт К. Госсард разработали и внедрили MBE в качестве исследовательского инструмента в конце 1960-х и 1970-х годах. Образцы, полученные с помощью MBE, сыграли ключевую роль в открытии дробного квантового эффекта Холла , за который в 1998 году была присуждена Нобелевская премия по физике . MBE позволяет ученым формировать атомарно точные слои атомов и в процессе создавать сложные структуры. Важный для исследований полупроводников, MBE также широко используется для изготовления образцов и устройств для новой области спинтроники .
Терапевтические продукты на основе чувствительных наноматериалов, таких как ультрадеформируемые, чувствительные к стрессу везикулы Трансферсомы , одобрены для использования человеком в некоторых странах. [56]
По оценкам Проекта по новым нанотехнологиям , по состоянию на 21 августа 2008 г. более 800 нанотехнологических продуктов, идентифицированных производителями, были общедоступны, а новые появлялись на рынке со скоростью 3–4 в неделю. [18] Большинство применений представляют собой пассивные наноматериалы «первого поколения», которые включают диоксид титана в солнцезащитных кремах, косметике, поверхностных покрытиях [57] и некоторых пищевых продуктах; Аллотропы углерода, используемые для производства ленты геккона ; серебро в упаковке пищевых продуктов , одежде, дезинфицирующих средствах и бытовой технике; оксид цинка в солнцезащитных кремах и косметике, поверхностных покрытиях, красках и лаках для уличной мебели; и оксид церия в качестве топливного катализатора. [17]
В производстве электромобилей одностенные углеродные нанотрубки (ОУНТ) решают ключевые проблемы литий-ионных аккумуляторов, включая плотность энергии, скорость заряда, срок службы и стоимость. SWCNT соединяют частицы электрода во время процесса зарядки/разрядки, предотвращая преждевременную деградацию батареи. Их исключительная способность обволакивать частицы активного материала повышает электропроводность и физические свойства, что отличает их от многостенных углеродных нанотрубок и технического углерода. [58] [59] [60]
Дальнейшие применения позволяют теннисным мячам служить дольше, мячам для гольфа летать более прямо, а шарам для боулинга — более долговечными. Брюки и носки были созданы с использованием нанотехнологий, которые позволяют им дольше служить при низких температурах летом. Бинты содержат наночастицы серебра, которые ускоряют заживление порезов. [61] Благодаря нанотехнологиям игровые приставки и персональные компьютеры могут стать дешевле, быстрее и содержать больше памяти. [62] Кроме того, для создания структур для вычислений на кристалле с использованием света, например, на кристалле оптической квантовой обработки информации и пикосекундной передачи информации. [63]
Нанотехнологии могут сделать существующие медицинские приложения более дешевыми и простыми в использовании в таких местах, как кабинеты врачей и дома. [64] В автомобилях используются наноматериалы таким образом, что автомобильным деталям требуется меньше металлов во время производства и меньше топлива для работы в будущем. [65]
Наноинкапсуляция предполагает заключение активных веществ в носителях. Обычно эти носители обладают такими преимуществами, как повышенная биодоступность, контролируемое высвобождение, адресная доставка и защита инкапсулированных веществ. В медицинской сфере наноинкапсуляция играет важную роль в доставке лекарств . Это способствует более эффективному назначению лекарств, снижает побочные эффекты и повышает эффективность лечения. Наноинкапсуляция особенно полезна для улучшения биодоступности плохо растворимых в воде лекарств, обеспечения контролируемого и устойчивого высвобождения лекарств и поддержки разработки таргетных методов лечения. Эти функции в совокупности способствуют прогрессу в области медицинского лечения и ухода за пациентами. [66] [67]
Нанотехнологии могут сыграть роль в тканевой инженерии . При разработке каркасов исследователи пытаются имитировать наноразмерные особенности микроокружения клетки , чтобы направить ее дифференцировку по подходящей линии. [68] Например, при создании каркасов для поддержки роста костей исследователи могут имитировать ямки резорбции остеокластов . [69]
Исследователи использовали наноботов на основе ДНК-оригами , способных выполнять логические функции для доставки лекарств тараканам. [70]
Нанобиблия (кремниевый чип площадью 0,5 мм2) была создана Технионом с целью повышения интереса молодежи к нанотехнологиям. [71]
При интеграции в материал одностенные углеродные нанотрубки образуют трехмерную проводящую армирующую сеть, придающую материалам новые свойства. Это усовершенствование позволяет производителям повысить безопасность, продлить срок службы и улучшить производительность в различных отраслях, включая транспорт, аэрокосмическую промышленность, строительство, горнодобывающую промышленность и электронику. [72]
Одной из проблем является влияние, которое промышленное производство и использование наноматериалов окажет на здоровье человека и окружающую среду, как показывают исследования нанотоксикологии . По этим причинам некоторые группы выступают за регулирование нанотехнологий. Однако регулирование может задушить научные исследования и развитие полезных инноваций. Исследовательские агентства общественного здравоохранения , такие как Национальный институт безопасности и гигиены труда, исследуют потенциальные последствия для здоровья, возникающие в результате воздействия наночастиц. [73] [74]
Продукты наночастиц могут иметь непредвиденные последствия . Исследователи обнаружили, что бактериостатические наночастицы серебра, используемые в носках для уменьшения запаха ног, выделяются при стирке. [75] Эти частицы затем смываются в поток сточных вод и могут уничтожить бактерии, которые являются важнейшими компонентами природных экосистем, ферм и процессов очистки отходов. [76]
Общественные обсуждения восприятия риска в США и Великобритании, проведенные Центром нанотехнологий в обществе, показали, что участники более позитивно относятся к нанотехнологиям для энергетики, чем для здравоохранения, причем применение в здравоохранении поднимает моральные и этические дилеммы, такие как стоимость и доступность. [77]
Эксперты, в том числе директор проекта по новым нанотехнологиям Центра Вудро Вильсона Дэвид Реджески, показали [78] , что коммерциализация зависит от адекватного надзора, стратегии исследования рисков и участия общественности. По состоянию на 206 год Беркли, штат Калифорния, был единственным городом США, где регулировались нанотехнологии. [79]
Вдыхание переносимых по воздуху наночастиц и нановолокон может привести к легочным заболеваниям , например фиброзу . [80] Исследователи обнаружили, что когда крысы вдыхали наночастицы, они оседали в мозге и легких, что приводило к значительному увеличению биомаркеров воспаления и реакции на стресс [81] , а также что наночастицы вызывают старение кожи вследствие окислительного стресса у лысых мышей. [82] [83]
Двухлетнее исследование, проведенное Школой общественного здравоохранения Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, показало, что у лабораторных мышей, потребляющих диоксид нанотитана, обнаружено повреждение ДНК и хромосом, «связанное со всеми основными убийцами человека, а именно с раком, болезнями сердца, неврологическими заболеваниями и старением». [84]
Исследование Nature Nanotechnology показало, что некоторые формы углеродных нанотрубок могут быть столь же вредными, как и асбест, если их вдыхать в достаточных количествах. Энтони Ситон из Института профессиональной медицины в Эдинбурге, Шотландия, который участвовал в написании статьи об углеродных нанотрубках, сказал: «Мы знаем, что некоторые из них, вероятно, могут вызывать мезотелиому. Поэтому с такими материалами нужно обращаться очень осторожно». [85] В отсутствие конкретных правил со стороны правительств, Полл и Лайонс (2008) призвали исключить искусственные наночастицы из пищевых продуктов. [86] В газетной статье сообщается, что у рабочих лакокрасочной фабрики развилось серьезное заболевание легких, и в их легких были обнаружены наночастицы. [87] [88] [89] [90]
Призывы к ужесточению регулирования нанотехнологий сопровождают дебаты, связанные с рисками для здоровья и безопасности человека. [91] Некоторые регулирующие органы охватывают некоторые нанотехнологические продукты и процессы, «привязывая» нанотехнологии к существующим нормам, оставляя явные пробелы. [92] Дэвис предложил план действий по устранению этих недостатков. [93]
Эндрю Мейнард, главный научный советник проекта Центра Вудро Вильсона по новым нанотехнологиям, сообщил о недостаточном финансировании исследований в области здоровья и безопасности человека и, как следствие, о недостаточном понимании рисков для здоровья и безопасности человека. [94] Некоторые ученые призвали к более строгому применению принципа предосторожности , замедлению процесса утверждения препарата на рынке, усилению маркировки и предоставлению дополнительных данных по безопасности. [95]
В отчете Королевского общества указывается на риск высвобождения наночастиц или нанотрубок во время утилизации, уничтожения и переработки, а также рекомендуется, чтобы «производители продукции, на которую распространяются режимы расширенной ответственности производителей , такие как правила об окончании срока службы, опубликовали процедуры, описывающие, как эти материалы будут удалось свести к минимуму возможное воздействие на человека и окружающую среду». [15]