Нанотехнологии

Небольшими  размерами строительных фирм обусловлен также и их относительный консерватизм – сравнительно медленное внедрение  новых материалов, связанное с  неспособностью к крупным инновационным  капиталовложениям. Однако даже небольшие  изменения в эффективности используемых в строительстве материалов и  технологий оборачиваются чрезвычайно  большим экономическим, экологическим, энергетическим эффектом. Поэтому обязательной становится выработка рациональной политики государства, направленной на поддержку инновационного развития строительных предприятий.  
 
Перечисленные выше технологии уже находят свое применение в строительной индустрии. Заглянем, однако, немного дальше – на 10–15 лет вперед. Сегодня мы наблюдаем изменение размеров различных сенсоров, способных к автономной работе и к объединению в беспроводные сети.

А теперь представьте подобную сеть, внедренную в дорожное покрытие, конструкцию  здания или моста. Подобные «умные»  конструкции будут способны осуществлять самомониторинг – нанодатчики температуры, давления, механических напряжений вовремя сообщат в эксплуатационные службы о развитии трещин в материале, позволяя сэкономить большое количество трудо-дней обслуживающего персонала и значительно увеличить безопасность конструкций. Нанодетекторы способны не только контролировать состояние самой конструкции, но и ее окружения. Дома, способные «чувствовать» присутствующих в них людей, или дороги, определяющие нарушение скоростного режима движущегося по ним транспорта, могут послезавтра стать нашей реальностью.  
 
 

Анализ  современных тенденций внедрения  новых строительных технологий и  материалов в экономически развитых странах мира позволяет утверждать, что основой динамичного внедрения  в практику на ближайшие 10-20 лет станут материалы и технологии, полученные на основе достижений и разработок в области нанотехнологий. По прогнозам ученых-экономистов, к 2015 году стоимость нанотехнологической продукции в общемировом промышленном производстве должна составить 1 трлн. долларов. Бурное развитие нанотехнологий, с одной стороны, предполагает использование достигнутых результатов фундаментальных исследований в прикладных областях строительной науки, а с другой — само развитие нанотехнологий невозможно без новых подходов к проектированию и строительству объектов.  
 
 

Настоящее и будущее наноматериалов в строительстве  

Строительная  индустрия, представляющая гигантское поле деятельности с точки зрения применения нанотехнологий, весьма раздроблена: 97 % строительных фирм в Европе насчитывает персонал не более 20 человек. Именно этот фактор ограничивает финансирование направленной научно-исследовательской работы, которая концентрируется на решении конкретных задач из области создания тех или иных конструкций или конструкционных материалов. На сегодняшний день развитие строительного материаловедения определяется во многом успехами в исследованиях смежных дисциплин (например, автомобиле- и авиастроение).  
Небольшими размерами строительных фирм обусловлен также и их относительный консерватизм – сравнительно медленное внедрение новых материалов, связанное с неспособностью к крупным инновационным капиталовложениям. Однако даже небольшие изменения в эффективности используемых в строительстве материалов и технологий оборачиваются чрезвычайно большим экономическим, экологическим, энергетическим эффектом. Поэтому обязательной становится выработка рациональной политики государства, направленной на поддержку инновационного развития строительных предприятий.  
Перечисленные выше технологии уже находят свое применение в строительной индустрии. Заглянем, однако, немного дальше – на 10–15 лет вперед. Сегодня мы наблюдаем изменение размеров различных сенсоров, способных к автономной работе и к объединению в беспроводные сети.  
А теперь представьте подобную сеть, внедренную в дорожное покрытие, конструкцию здания или моста. Подобные «умные» конструкции будут способны осуществлять самомониторинг – нанодатчики температуры, давления, механических напряжений вовремя сообщат в эксплуатационные службы о развитии трещин в материале, позволяя сэкономить большое количество трудо-дней обслуживающего персонала и значительно увеличить безопасность конструкций. Нанодетекторы способны не только контролировать состояние самой конструкции, но и ее окружения. Дома, способные «чувствовать» присутствующих в них людей, или дороги, определяющие нарушение скоростного режима движущегося по ним транспорта, могут послезавтра стать нашей реальностью.  
Нанотехнологии в медицине  
Рассматривая отдельный атом в качестве кирпичика или "детальки" нанотехнологи ищут практические способы конструировать из этих деталей материалы с заданными характеристиками. Многие компании уже умеют собирать атомы и молекулы в некие конструкции.  
В перспективе, любые молекулы будут собираться подобно детскому конструктору. Для этого планируется использовать нано-роботов (наноботов). Любую химически стабильную структуру, которую можно описать, на самом деле, можно и построить. Поскольку нанобот можно запрограммировать на строительство любой структуры, в частности, на строительство другого нанобота, они будут очень дешевыми. Работая в огромных группах, наноботы смогут создавать любые объекты с небольшими затратами, и высокой точностью.  
В медицине проблема применения нанотехнологий заключается в необходимости изменять структуру клетки на молекулярном уровне, т.е. осуществлять "молекулярную хирургию" с помощью наноботов.  
Ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые могут "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая возникновение таковых.  
Манипулируя отдельными атомами и молекулами, наноботы смогут осуществлять ремонт клеток.  
Прогнозируемый срок создания роботов-врачей, первая половина XXI века.  

Рис 1. Нано-роботы в крови человека  

В действительности наномедицины пока еще не существует, существуют лишь нанопроекты, воплощение которых в медицину, в конечном итоге, и позволит отменить старение.  
Несмотря на существующее положение вещей, нанотехнологии - как кардинальное решение проблемы старения, являются более чем перспективными.  
Это обусловлено тем, что нанотехнологии имеют большой потенциал коммерческого применения для многих отраслей, и соответственно помимо серьезного государственного финансирования, исследования в этом направлении ведутся многими крупными корпорациями.  
Наноботы или молекулярные роботы могут участвовать (как наряду с генной инженерией, так и вместо нее) в перепроектировке генома клетки, в изменении генов или добавлении новых для усовершенствования функций клетки.  
Важным моментом является то, что такие трансформации в перспективе, можно производить над клетками живого, уже существующего организма, меняя геном отдельных клеток, любым образом трансформировать сам организм!  
Описание нанотехнологии может показаться притянутым за уши, возможно, потому что ее возможности столь безграничны, но специалисты в области нанотехнологии отмечают, что на сегодняшний день не было опубликовано ни одной статьи с критикой технических аргументов Дрекслера. Никому не удалось найти ошибку в его расчетах. Между тем, инвестиции в этой области (уже составляющие миллиарды долларов) быстро растут, а некоторые простые методы молекулярного производства уже вовсю применяются.  
Нанотехнологии могут привести мир к новой технологической революции и полностью изменить не только экономику, но и среду обитания человека. В рамках этой статьи мы рассматриваем лишь перспективность этих технологий для отмены старения людей.  
Вполне возможно, что после усовершенствования для обеспечения "вечной молодости" наноботы уже не будут нужны или они будут производиться самой клеткой.  
Для достижения этих целей человечеству необходимо решить три основных вопроса:  
1. Разработать и создать молекулярных роботов, которые смогут ремонтировать молекулы.  
2. Разработать и создать нанокомпьютеры, которые будут управлять наномашинами. 
3. Создать полное описание всех молекул в теле человека, иначе говоря, создать карту человеческого организма на атомном уровне. 

Рис 2. Наномеханизмы в организме  

Основная  сложность с нанотехнологией - это проблема создания первого нанобота. Существует несколько многообещающих направлений.  
Одно из них заключается в улучшении сканирующего туннельного микроскопа или атомно-силового микроскопа и достижении позиционной точности и силы захвата.  
Другой путь к созданию первого нанобота ведет через химический синтез. Возможно, спроектировать и синтезировать хитроумные химические компоненты, которые будут способны к самосборке в растворе.  
И еще один путь ведет через биохимию. Рибосомы (внутри клетки) являются специализированными наноботами, и мы можем использовать их для создания более универсальных роботов.  
Группа нанотехнологов из института предвидения заявила, что стремительный рост нанотехнологий выходит из-под контроля, но в отличие от Билла Джойа, вместо простого запрета на развитии исследований в этой области, они предложили установить правительственный контроль над исследованиями.  
Такой надзор, может предотвратить случайную катастрофу, например когда наноботы создают сами себя (до бесконечности), потребляя в качестве строительного материала все на своем пути, включая заводы, домашних животных и людей.  
Рей Курцвейл - к 2020 году появится возможность поместить внутри кровеносной системы миллиарды нанороботов размером с клетку, по оценкам Роберта Фрайтаса, ведущего ученого в области наномедицины, это случится не ранее, чем в 2030-2035 году.  
Эти наноботы смогут тормозить процессы старения, лечить отдельные клетки и взаимодействовать с отдельными нейронами. Так ассеблеры практически сольются с нами.  

Рис 3. Наноробот  

Использование углеродных наноматериалов как биосовместимого модификатора медицинских имплантатов.  
Использование нанотехнологий и наноматериалов бесспорно является одним из самых перспективных направлений науки и техники в XXI веке. Учитывая, что в перспективе ожидается тесный контакт человека и других биологических объектов с наноматериалами, изучение вопросов потенциальных рисков их использования представляется первостепенной задачей.  
В настоящее время основными областями применения наночастиц в технике, определяемыми их уникальными свойствами, отличными от свойств веществ в обычной (макродисперсной) форме, становятся создание высокопрочных, в том числе композитных, конструкционных материалов, микроэлектроника и оптика (микросхемы, компьютеры, оптические затворы), энергетика (аккумуляторы, топливные элементы, высокотемпературная сверхпроводимость), химическая технология (катализ), охрана окружающей среды (наночипы и наносенсоры).  
В пищевой промышленности наноматериалы находят применение в фильтрах для очистки воды, при получении более легких, прочных, более термически устойчивых и обладающих антимикробным действием упаковочных материалов, при обогащении пищевых продуктов микронутриентами. Использование наночипов предполагается для идентификации условий и сроков хранения пищевой продукции и обнаружения патогенных микроорганизмов. В парфюмерно-косметической промышленности наночастицы используются как составная часть солнцезащитных кремов; в сельском хозяйстве - для более эффективной доставки пестицидов и удобрений, для нанокапсули-рования вакцин; предполагается использование наночастиц для доставки ДНК в растения для целей генной инженерии.  
В медицине наноматериалы находят применение для целей транспорталекарственных средств, в шовных и перевязочных материалах, для создания биосовместимых имплантантатов и др. Область медицинских применений углеродных наноматериалов расширяется с каждым днем. Например, использование углеродных нанотрубок для устранения различных дефектов костей, в том числе связанных с удалением опухолей, травмами, патологией развития. В современной медицине заменяют «утерянную» кость искусственным материалом - имплантатом, что ни в коей мере не способствует костной регенерации. Плохая адгезия костной ткани к ортопедическому имплантату - давняя проблема протезирования. Рост костной ткани на них зачастую не происходит. Этих недостатков лишен биологически инертный титан. Увеличение содержания титана в организме даже на несколько порядков не вызывает ни рака, ни аллергии, ни отравления. Неудивительно, что пористый титан нашел самое широкое применение в медицине, и когда стал вопрос о поиске носителя для имплантатов, исследователи вновь обратились к этому материалу.  
Важнейшим вопросом медицинского материаловедения является разработка методов и способов модификации поверхности титана и его сплавов с целью улучшения биологических свойств. В настоящее время имеется большое количество работ, посвященных технологиям получения и исследованию физических свойств различных углеродных покрытий (нанотрубок, алмазоподобных ta-C, нанокомпозитов CNx, а-С:Н и др.). Уникальные свойства каждого типа покрытий позволяют использовать их в качестве защитных в оптической промышленности, электронике, в трибологических системах, в полупроводниковых устройствах и т.д. Помимо уникальных физических свойств, такие покрытия имеют большой потенциал их использования в медицине, о чем свидетельствуют многочисленные публикации, посвященные исследованию их биологических свойств.  
Установлено, что структура покрытия, морфология его поверхности, состав, электрические свойства могут оказывать существенное влияние на адгезию клеток, их жизнеспособность, процессы размножения и т.д. Автором предложена технология получения наноуглеродного покрытия на поверхности пористого титана, включающая следующие стадии:  
-подготовка поверхности биоимплантата;  
-нанесение на подготовленную поверхность состава катализатора, приготовленного по специальной рецептуре для получения особо чистого углеродного наноматериала, пригодного для использования в медицинских целях;  
-«выращивание» модифицирующего покрытия – слоя углеродного наноматериала «Таунит»;  
-тонкая очистка образовавшегося слоя наноматериала от различных биологически – вредных примесей.Исследование структуры и морфологии покрытия проводится методами электронной микроскопии, наличие примесей в покрытиях определяется рентгеноспектральными методами. Использование любых новых материалов и соединений требует проверки на токсичность. Проблемы нанотоксикологии и биобезопасности используемых наноматериалов в последние годы выходят на одно из первых мест по важности и, соответственно, по числу работ в этой области. Нанотоксикология имеет дело с изучением взаимодействия наноструктур с биологическими системами с акцентом на объяснение связи между физическими и химическими свойствами наноматериалов (такими, как размер, форма, свойства их поверхности, состав и степень агрегации) с индукцией токсического ответа у биологических структур. Токсичность наносистем включает в себя физиологические, физико-химические и молекулярные аспекты.  
Известно, что наночастицы могут проникать в организм через кожу, дыхательный тракт, желудочно-кишечный тракт. В прошлые годы большинство нанотоксикологических исследований проводилось с использованием модельных клеточных культур. Однако эти результаты требуют проверки в экспериментах на целом организме. В естественных условиях биологические системы чрезвычайно сложны и взаимодействие наноструктур с такими биологическими компонентами, как молекулы нуклеиновых кислот, белков и клетками в целом, приводят к их уникальному аспределению в тканях организма, возможному иммунному ответу и изменениям в метаболизме.  
Заключение  
В результате мы видим, что нанотехнологии, которые так активно развиваются человеком скоро на всех уровнях проникнут в жизнь человека. Нанороботы, созданные человеком, вскоре будут воспроизводить сами себя. Имея размер клетки, они будут находится в организме человека. Следя за его состоянием.  
Наноматериалы, созданные человеком, имеют сверхпрочность и лёгкость. Созданные в медицинских целях, они имеют гораздо лучшие показатели, чем обычные материалы.  
Работа выполнялась на ОС Windows 7 в Word 2007. Время, потраченное на выполнение составило 8 часов.