– В аптеках, как известно, много чего продают. Вот замечательная история: знаете, как проще всего получить магнитную наножидкость? Берем два очень доступных вещества: железный купорос и хлорное железо, которое используется для травления печатных плат. Сливаем их в водный раствор аммиака – и моментально получаем магнитную жидкость – взвесь частиц Fe3O4 вполне нанометрового размера. Благодаря этой простоте появляется огромное количество статей в стиле 'мы пришили к этим частицам белок и доставили туда-то магнитным полем'. К сожалению, для медицинской практики именно эти частицы непригодны – они слишком слабо взаимодействуют с магнитным полем. Приходится получать металлические частицы, содержащие платину, железо, кобальт и др. элементы, обеспечивать биосовместимость – и вот тогда их можно «таскать» магнитным полем в нужном направлении, следить за их потоком в теле человека в реальном времени, если надо – разогревать с помощью магнитного поля или ультразвука (такие работы, кстати, проводили наши шестикурсники в РОНЦ РАМН).
Но как я хохотал, наткнувшись на рекламу фирмы, которая продает именно такие частицы оксида железа, как я только что рассказывал, – полученные простым смешиванием содержимого двух банок! Продают под лозунгом: нанодисперсный оксид железа излечит все ваши болезни (включая депрессивные состояния у женщин и даже простатит)! Это к тому, что продавать, конечно, можно – вопрос в том, какой эффект даст такой препарат. В данном случае – никакого. Настоящая проблема – в том, чтобы подобрать наночастицы с определенными свойствами (магнитными или другими), которые могли бы решить нужную вам задачу.
Что касается серьезных проектов лечения с помощью нанокапсул и магнитных жидкостей – они пока находятся в экспериментальной стадии. Научных (и очень интересных!) статей множество, однако на практике речь идет в лучшем случае об испытаниях ключевых принципов на животных и растениях. Из недавних популистских сообщений: группа немецких ученых осуществила магнитную доставку лекарств в легкие мыши с помощью магнитных наночастиц в микрокаплях воды из ингалятора (июль 2007 г.); корейские медики испытали (в пробирке) доставку лекарства, убивающего раковые клетки человека, с помощью магнитных наночастиц (июнь 2007 г.) и пр. На нашем сайте www.nanometer.ru мы частично отслеживаем сообщения по этой тематике, а «форумисты» дают очень компетентные и часто острые комментарии – по ним легко понять истинное положение дел.
Что же в нанотехе связано с нашей любимой информатикой? За исключением, конечно, нанометровых технологических процессов изготовления интегральных схем – об этом мы и так пишем достаточно.
– Вот хороший пример, связанный с ИТ, который, кстати, иллюстрирует некоторые общие принципы нанотеха. Возьмем магнитную нить – нечто, состоящее из оксида или металла в несколько нанометров толщиной. Круглая частичка такого размера была бы суперпарамагнитной – непригодной для магнитной записи. Как только мы начинаем круглую частицу «растягивать» (менять форм-фактор или «размерность» при одном и том же диаметре), у нее появляется доменная структура, и на эту нить уже можно записать информацию. Но практически значимую среду для записи информации мы получим, только если добьемся корректной взаимной ориентации большого массива нитей. Такая работа ведется, например, аспирантами и сотрудниками академика Ю. Д. Третьякова на факультете наук о материалах и химическом факультете МГУ. Делается своеобразная «матрица» из жидкого кристалла, потом она превращается в мезопористый диоксид кремния (SiO2), и в поры с помощью химических процессов вводятся ферромагнитные нити. Получается пленка, на которую потенциально можно записывать терабиты информации на дюйм. Проблема – в ненужном магнитном взаимодействии между отдельными элементами, но есть пути к ее преодолению.
Как видите, для создания наноматериалов оказывается важным не только их состав (определяющий основные свойства), размер ('модифицирующий' свойства), но и «размерность» (делающая частицы неоднородными) и упорядочение в системе (усиление, «интеграция» свойств в ансамбле нанообъектов). Это характерно для нанотехнологий – новое качество обычно получается только при правильно организованной структуре на более крупных масштабах, чем нано. Поэтому, занимаясь нанотехнологиями, мы не можем ограничиться только химией или только физикой. Нанотех – междисциплинарная область исследований.
Отметим еще полевые транзисторы на углеродных нанотрубках – важное для наноэлектроники направление. Углеродные нанотрубки легко получать, и им находятся все новые и новые применения. Но еще ближе к созданию промышленных устройств подошли разработки на квантовых точках – хотя это уже не столько информатика, сколько оптика.
Информатика тоже, ведь квантовые точки – один из кандидатов на элементную базу квантового компьютера.
– Да, но это, по-видимому, перспектива не менее чем десяти лет. А источники света на квантовых точках – ближайшая перспектива. Упрощенно говоря, квантовая точка – это светодиод, уменьшенный до наноразмера. Сейчас их научились делать очень устойчивыми и долгоживущими. Квантовые точки можно использовать в качестве генераторов лазерного излучения с очень узким спектром, в фотодинамической терапии рака, в качестве маркеров органелл в клетках, – а также для очень экономичных бытовых источников света. Они могут быть очень полезны и в фотонике. Если, скажем, сделать материал из одинаковых правильно упакованных микросфер полистирола или оксида кремния, промежутки заполнить нужными наночастицами, а потом убрать исходную матрицу из микросфер, то получим матрицу, состоящую из квантовых точек, воспроизводящую промежутки между исходными плотноупакованными микросферами. Это будет новый люминесцентный материал, его можно использовать для реализации различных архитектур фотонных компьютеров (фотонный кристалл со структурой обращенной опаловой матрицы).
О чем еще вспоминает специалист при упоминании нанотехнологий?
– Конечно, об энергетике. Одно из модных направлений – топливные элементы. Что это такое? Вы можете сжечь спирт, и выделится тепло. А если вы пропустите спирт через топливный элемент – произойдет непосредственное преобразование энергии химической реакции в электрическую энергию. Обычные батарейки делают абсолютно то же самое, но они работают с другими веществами, а топливные элементы (ТЭ) преобразуют обычное топливо в присутствии кислорода. В этих элементах есть особый газопроницаемый слой, где находится катализатор. В качестве катализатора для водородных и метанольных ТЭ особенно эффективны наночастицы платины (5—10 нм).
Вообще катализаторы (вещества, резко ускоряющие ход реакций) – это классическая область химии, которая тесно связана с наночастицами, потому что катализатор должен иметь большую площадь поверхности – хотя бы сотню квадратных метров на грамм! У нас на факультете наук о материалах студенты работают с изопористым диоксидом кремния – там площадь поверхности достигает двух тысяч квадратных метров на грамм.
Здесь, как и вообще в нанотехнологиях, очень важны не просто наночастицы, а наноструктурированные материалы: например, микростержень, на котором растут «нанолисточки». Когда-то Зелинский изобрел противогаз на основе диоксида марганца и оксида меди (гопкалит), в котором угарный газ превращался в СО2. Если эту идею немного додумать, то уже сейчас можно получить нечто полезное для ТЭ. Пусть ваш ТЭ использует метанол и кислород. Полупродуктом окисления метанола является СО. А это страшнейший яд для платины-катализатора. Но если бы удалось платину «посадить» на поверхность кристаллического уса (вискера), содержащего диоксид марганца, то носитель убивал бы яд, опасный для основного катализатора! Это – пример наноструктурированной системы, где есть уровень «нано» (катализатор), уровень «микро» (микронного размера усы, содержащие оксид марганца), а также уровень «макро», когда вы все делаете в виде бумаги, содержащей платину и гибкие вискеры, и каждый уровень по-своему важен и выполняет специфические функции. Все вместе дает материал для ТЭ – платинированную марганец-содержащую бумагу (мы сейчас работаем над таким проектом по Федеральной целевой программе).
В связи с водородной энергетикой тоже идет активный поиск катализаторов для фотодиализа воды – разложения ее на водород и кислород за счет солнечной энергии. Большие усилия направлены и на улучшение солнечных батарей с помощью наночастиц.
Исследуются разные вещества – в том числе сочетания фуллеренов с органическими веществами, диоксидом титана и другими. КПД таких установок растет, но пока они очень дороги.
Солнечные батареи, катализаторы для ТЭ – это все-таки улучшение того, что уже есть. А вот
