Материал: Нанотехнологии. Наука будущего (Балабанов), 2009, c.258

- НАНОТЕХНОЛОГИИ -

1006

588

перспективных нанотехнологий и наноиндустрии, в соответствии с Федеральным законом от 19 июля 2007 г. № 139-ФЗ «О Российской корпорации нанотехнологий», была создана Государственная корпорация «Российская корпорация нанотехнологий» (ГК «Роснанотех»). В ее уставный капитал государством направлены огромные для российской науки средства - 130 млрд рублей, а еще 50 млрд поручено привлечь на открытых конкурсах. Корпорация является некоммерческой организацией.

В отношении позиции государства по вопросу финансирования представляемых разработок хочется привести слова вице-премьера Правительства Российской Федерации С. Б. Иванова на заседании правительственного совета по нанотехнологиям в декабре 2007 года: «Рекламировать продукцию со словом «нанотехнологий» — это по существу рекламный трюк. Не больше и не меньше. К нашему совету и к госкорпорации это не имеет ни малейшего отношения. Продукция, которая рекламируется, не прошла, конечно, никакого лицензирования. Я сильно сомневаюсь, что там вообще

40

— Возникновениеиразвитиенанонауки—

есть какие-нибудь нанотехнологий. Вот хочу просто граждан об этом предупредить. Их уже пытаются дурить...»

Вице-премьер также отметил, что развитие новой национальной нанотехнологической сети будет идти только через конкурсы, так как чисто отраслевое финансирование не очень надежно. Говоря о развитии наноиндустрии, Иванов подчеркнул, что под непродуманные проекты правительство выделять деньги не будет. Перед тем как получить финансирование, авторам необходимо будет доказать, что их разработка имеет коммерческую перспективу.

Корпорация решает эту задачу, выступая соинвестором в нанотехнологических проектах со значительным экономическим или социальным потенциалом. Финансовое участие корпорации на ранних стадиях проектов снижает риски ее партнеров — частных инвесторов.

«Роснанотех» также участвует в создании такой нанотехнологической инфраструктуры, как центры коллективного пользования, бизнес-инкубаторы и фонды раннего инвестирования. Для поддержки финансируемых проектов Корпорация реализует научные и образовательные программы, а также популяризирует нанотехнологические исследования и разработки. Корпорация выбирает приоритетные направления инвестирования на основе долгосрочных прогнозов развития (форсайтов), к разработке которых привлекаются ведущие российские и мировые эксперты.

Сначала приема заявок (1 апреля 2008 года) за два месяца

вГК «Роснанотех» поступило 448 проектов из 62 городов. Их общая ориентировочная стоимость — больше 130 млрд рублей. Ученые и инженеры в области нанотехнологий имеют шансы получить финансирование своих разработок, если представят проекты, которые через пять лет после начала реализации будут приносить прибыль в размере не менее 250 млнрублей.

Первым инвестиционным проектом, утвержденным ГК «Роснанотех», стало производство асферических оптических элементов с использованием уникальных нанопозиционеров. Проект предусматривает создание промышленного

- НАНОТЕХНОЛОГИИ -

автоматизированного производства высокоточных асферических оптических элементов и будет реализован на основе разработок, признанных на мировом рынке высокотехнологичной продукции. В частности, будут использоваться уникальные нанопозиционеры, разработанные одним из авторов проекта, профессором Вадимом Израиловичем Раховским, которые обеспечивают беспрецедентную точность позиционирования.

В настоящее время «Роснанотех» занимается финансированием инновационных российских разработок, промыш-4 ленным производством уже известных нанотехнологий, а также организацией промышленного производства инновационных разработок.

Поддерживая выход российских компаний на внешние рынки и укрепляя их взаимовыгодные международные связи, корпорация развивает сотрудничество с ведущими мировыми нанотехнологическими центрами и организует в России ежегодный международный форум по нанотехнологиям.

По планам российского Правительства и научной общественности уже в 2015 году Российская Федерация должна изготовить продукцию с применением нанотехнологий на сумму до 2,5 трлн долларов.

Как заявил вице-премьер Сергей Иванов, к развитию нанотехнологий необходимо привлекать также средний и малый бизнес, создавая для этого «оптимальные условия»: «Госкорпорация — это только одна структура, а мы хотим создать наносеть по всей стране».

Природные нанообъекты и наноэффекты

Как великий художник природа умеет и с небольшими средствами достигать великих эффектов.

ГенрихГЕЙНЕ, немецкий поэт, публицист, критик

Окружающий нас мир наполнен разнообразными биологическими нанообъектами и наноэффектами, о нанометрической сущности которых мы порой даже и не задумываемся. Например, если размеры бактерий исчисляются микрометрами, то большинство вирусов имеют размеры от 10 до 200 нм. Так, вирус гриппа H2N2, вызвавший в 1957 году эпидемию, в результате которой умерли от 1 до 4 млн человек, представляет собой сферу диаметром от 80 до 120 нм (рис. 4).

Вирусы — это уникальное природное произведение нанобиотехнологий. Сердцевина вируса содержит одну отрицательную цепь рибонуклеопротеинов (РНП), состоящую из восьми частей, которые кодируют десять вирусных белков. Фрагменты РНП имеют общую белковую оболочку, объединяющую их и образующую нуклеопротеид. На поверхности вируса находятся выступы (гликопротеины) — гемагглютинин (названный так из-за способности агглютинировать эритроциты) и нейраминидаза (фермент). Гемагглютинин обеспечивает способность вируса присоединяться к клетке.

Размеры аминокислот составляют около 1 нм, а сами белкизанимаютразмернуюнишу вдиапазоне4—50 нм(табл. 1).

43

Рис. 4. ВирусгриппаH2N2 (диаметроколо100 нм)

Таблица 1. Размеры некоторых биологических объектов

Существуют предположения, что на базе вирусной частицы можно создать подвижную металлизированную частицу, которая будет электрическим проводником. Для подобных экспериментов наиболее подходит вирус табачной мозаики (длина 120 нм), содержащийся в соке пораженных им растений. При этом листья больных растений покрываются специфическими табачными пятнами. По мнению академика Иосифа Григорьевича Атабекова, озвученному в еженедельной газете научного сообщества «Поиск» от 23 мая 2008 года, этот вирус можно использовать как средство доставки внутрь клетки нового гена, несущего на себе специальную вакцину. Им предлагается осуществлять сборку вирусоподобных частиц из химерных субъединиц вирусного белка, а затем применять в лечебных целях в качестве наноконтейнеров для доставки лекарственных средств к пораженным клеткам организма.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) имеет структуру двойной упакованной наноцепи, в которой две нуклеотидные наноцепи закручены одна вокруг другой с периодом 3,4 нм и диаметром 2 нм (рис. 5).

Важным достижением в области эволюционных нанотехнологий являются работы ученых из университета Брауна и Бостонского колледжа с молекулами ДНК. По сообщению physorg.com, они сумели использовать возможности кодирования информации, которыми обладает молекула ДНК, для производства проводящих микроволокон из окиси цинка. Применение молекулы ДНК в качестве «сборочного устрой-

- НАНОТЕХНОЛОГИИазотистые-

оксида цинка сформированы на поверхности углеродных нанотрубок. Таким образом, впервые уникальные свойства ДНК были использованы для создания наноматериала с заданными свойствами. Уникальность свойств полученных наноструктур состоит в том, что они генерируют и обнаруживают свет, а при приложении механического усилия производят электроэнергию. Оптические и электрические свойства нановолокон можно использовать во многих областях: от медицинской диагностики до сенсоров.

По мнению доктора Адама Лазарека (Adam Lazareck) из университета Брауна, использование молекул ДНК для создания наноматериалов — первый шаг в применении биологических объектов в качестве средств производства.

В ходе эксперимента молекулам ДНК была обеспечена среда для обычной работы по «производству» деталей наноконструкций. Формирование такой химической среды, молекулярный дизайн и использование соответствующей «механики» — светочувствительных белков или вирусных «моторов» — можно применять для создания сверхминиатюрных приборов и материалов. При этом впервые в мировой прак-

46

— Природныенанообъектыинаноэффекты—

тике группа Лазарека использовала ДНК в качестве «инструкции» для систем «самосборки» наноэлементов.

На основе одинаковых по размерам нанотрубок были произведены унифицированные структуры, состоящие из миллиардов подобных элементов, равномерно распределенных на поверхности пленки из окиси алюминия. На концах нанотрубок поместили фрагменты ДНК, несущие информацию в виде последовательности 15 «букв» генетического кода. Эти фрагменты специфически комплементарны ленте из других 15 кодонов (триплетов), соединенных с наночастицами золота и играющих роль «сборочных устройств». Создание нановолокон завершилось после введения в химическую среду арсенида цинка и ее последующего нагревания до 600 °С. В результате образовались волокна из окиси цинка длинойпорядка100—200 нм.

В настоящее время установлено, что наночастицы из золота или полупроводников можно прикрепить практически к любым биологическим молекулам, чтобы затем с помощью электронных приборов контролировать их поведение. «Такую процедуру можно проводить на расстоянии, обратимо и точно, — заявляет Шугуан Чжан (Shuguang Zhang), заместитель директора Центра биомедицинской инженерии Массачусетского технологического института, один из авторов исследования. — Это пригодится для того, чтобы как следует разобраться в тонкостях взаимодействия между молекулами».

Инициатором подобных работ был квантовый физик Джеймс Якобсон (James Jacobson). Он начал заниматься биологией, чтобы создавать машины нанометрового размера, оперирующие отдельными атомами и молекулами. Ученый поставил сложную цель, поскольку до сих пор инженеры с большим трудом делают компьютерные чипы меньше 30 нм. Вместе с тем в живом организме очень много более компактных систем: любая живая клетка — это своего рода биозавод с источниками энергии, чертежами клеточного хозяйства, средствами производства и утилизации.

Дж. Якобсон и его коллеги из Центра биомедицинской инженерии прикрепили к молекуле ДНК особую радиоан-

47

- НАНОТЕХНОЛОГИИ -

тенну, собранную из примерно сотни атомов металла. При облучении радиоволнами с определенной длиной молекула переходила в новое состояние.

Управление биомолекулами с помощью радиосигналов — самое современное направление исследований, способное произвести революцию и в методах исследования живого мира, и в биотехнологиях. Можно будет во всех деталях изучать поведение отдельных живых молекул, не травмируя близлежащие клетки. Ш. Чжан привел такое сравнение: «Можно разговаривать с человеком из толпы через громкоговоритель, а можно по мобильному телефону».

Однако чудеса нанотехнологий не заканчиваются вирусами и бактериями. Например, ящерица геккон может удерживать вес своего тела на вертикальной плоскости, касаясь ее только одной лапой. Щетинки на лапах геккона притягиваются к поверхности благодаря силам межмолекулярного взаимодействия Ван-дер-Ваальса (J. D. van der Waals). Каждая щетинка в нижней части расщеплена на тысячи тончайших волосков с лопаткообразными кончиками, которые взаимодействуют с ровной поверхностью на молекулярном уровне. Создание аналога лапке геккона на базе нанотехнологий позволит решить проблему безопасности высотных работ, изготовить сверхнадежные тормозные системы, удобную бесшовнуюодежду и многое другое.

Главной идеей, к которой пришел Р. Фейнман, размышляя о возможности создания микронных механизмов, было то, что человек должен учиться у природы, подражая ей при создании механизмов «снизу вверх». Он пишет, что его видение красоты цветка сильно отличается от видения художника. Ученый представляет себе цветок не только в сантиметровом масштабе, но может также увидеть все его клетки и вообразить сложные процессы, которые в них происходят, и в этом тоже есть своеобразная красота. Джеймс Глейк (James Gleick) полагал, что интерес Фейнмана к молекулярным и атомным структурам был связан с тем, что тот много размышлял над вторым началом термодинамики и связью между энтропией и информацией. По мнению Глейка, Фейнману

48

— Природные нанообъекты и наноэффекты —

казалась удивительной способность живых организмов хранить и воспроизводить генетическую информацию для создания подобных себе сложных механизмов, которые обусловливали их существование.

Задача современной науки — заметить, правильно оценить и успешно применить на практике уникальные явления природы, основанные на нанотехнологиях (да и не только), которые природа смогла создать за миллиарды лет эволюции.

Об одном таком открытии, нашедшем в последующем широкое применение в строительстве и технике, мы расскажем подробнее.

В середине 70-х годов XX века ученые-ботаники Боннского университета (ФРГ) В. Бартлотт и К. Найнуис обнаружили, что листья и цветки некоторых растений почти не загрязняются, а также убедились, что этот феномен протекает в их наноструктурированных поверхностных областях. Впоследствии данное явление было запатентовано ими и названо в честь наиболее яркого представителя таких растений

«лотос-эффект» (Lotus-effect®).

Издревле цветок лотоса считается в буддизме символом незапятнанной чистоты: как известно, листья и нежно-розо- вые цветки лотоса распускаются в грязной тине водоемов безупречно чистыми (рис. 6).

После детального исследования этого феномена самоочистки открылись удивительные возможности природы защищаться не только от грязи, но и от различных микроорганизмов. Данный эффект наблюдается и у других растений (листья капусты, камыша, водосбора, тюльпана), а также у Животных (крылья стрекоз и бабочек). Они наделены природным свойством защиты от различных загрязнений, в большей степени неорганического (пыль, сажа), а также биологического (споры грибков, микробов, водоросли и т.д.) происхождения.

С помощью электронных микроскопов учеными было обнаружено, что поверхности листьев, цветков и побегов покрыты тонкой внеклеточной мембраной — поверхностным

49