Реферат_Наносенсоры. наносенсоры. Появившиеся в последней четверти ХХ века нанотехнологии стремительно развиваются. За свой небольшой срок существования они уже успели проникнуть в самые различные области науки и производства

• Название: Появившиеся в последней четверти ХХ века нанотехнологии стремительно развиваются. За свой небольшой срок существования они уже успели проникнуть в самые различные области науки и производства
• Анкор: Реферат_Наносенсоры
• Дата: 15.10.2019
• Размер: 1.09 Mb.
• Имя файла: наносенсоры.docx
• Тип: Документы; #90154
• страница: 1 из 4

Введение

Появившиеся в последней четверти ХХ века нанотехнологии стремительно развиваются. За свой небольшой срок существования они уже успели проникнуть в самые различные области науки и производства. Разработки нанотехнологических материалов и устройств ведут все крупнейшие мировые компании.

Нанотехнологию можно определить как набор технологий или методик, основанных на манипуляциях с отдельными атомами и мо­лекулами (т. е. методик регулирования структуры и состава вещест­ва) в масштабах 1 —100 нм. Использование характерных особеннос­тей веществ на расстояниях порядка нанометров создает дополнительные, совершенно новые возможности для создания тех­нологических приемов, связанных с электроникой, материаловеде­нием, химией, механикой и многими другими областями науки. По­лучение новых материалов и развитие новых методик обещает, без преувеличения, произвести настоящую научно-техническую рево­люцию в информационных технологиях, производстве конструкци­онных материалов, изготовлении фармацевтических препаратов, конструировании сверхточных устройств и т. д.

Нанотехнология — междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомарной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами. Нанотехнология может быть определена как совокупность прикладных исследований нанонауки и их практических примене­ний, включая промышленное производство и социальные прило­жения.

С наноэлектроникой и наноустройствами связаны многие современные биотехнологические методы. Наноустройства будут содержать биологические компоненты, а биологические системы будут изучаться и регулироваться наноэлектронными устройствами, нанозондами и датчиками. Следует ожидать значительного прогресса в развитии наномеханических и нанобиомеханических систем, которые по своим характеристикам будут существенно отличаться от соответствующих макроскопических объектов.

Уже в скором времени биомедицинская нанотехнология позволит разработать и массово производить дешевые наносенсоры, которые будут внедрены в повседневную жизнь - контроль качества воды, пищи и атмосферы в режиме реального времени в домах, офисах и на предприятиях. В медицине наносенсоры повысят качество диагностики, благодаря получению одновременно десятков различных данных о состоянии организма и обработки их в реальном времени с помощью электронных чипов. Наносенсоры станут незаменимы и эффективны в охранных системах для предотвращения взрывов и биоугрозы.

История нанотехнологий

Термин «нанотехнология» в 1974 г. был впервые использован японским ученым Танигучи на конференции Японского общества точного машиностроения. Автор, специалист по обработке хрупких материалов, хотел обратить внимание специалистов на грядущий переход к обработке с ультравысокой точностью, прогнозируя, что к 2000 г. эта точность достигнет нанометрового интервала, что потребует применения как новых технологических приемов (в частности, лучевой обработки), так и соответствующего метрологического обеспечения.

Однако принципиальное значение малоразмерных объектов было подчеркнуто значительно раньше (в 1959 г.) Фейнманом при обсуждении проблем миниатюризации в лекции «Внизу полным полно места», где подчеркивалась актуальность работ в области сжатия информации, создания миниатюрных компьютеров, овладения молекулярной архитектурой. Фейнман затрагивал также проблемы смазки в малых узлах трения, обращал внимание на необходимость учета квантовых эффектов в небольших атомных ансамблях, указывал на важность понимания биологических явлений. Большие надежды он возлагал на химический синтез, отмечая при этом, что законы физики не запрещают конструирования на атомно-молекулярном уровне.

Часть идей Фейнмана была развита в диссертации Дрекслера, защищенной в 1981 г. в Массачусетском технологическом институте и посвященной молекулярной технологии; спустя несколько лет он издал книгу «Машины созидания: пришествие эры нанотехнологии». Основываясь на биологических моделях, автор ввел представления о молекулярных робототехнических машинах. В противовес традиционному технологическому подходу «сверху — вниз» применительно к миниатюризации интегральных схем, было обращено внимание на стратегию «снизу — вверх», имея в виду поатомную и помолекулярную сборку, о чем также упоминал Фейнман.

Состояние исследований

Наука. За последние десять лет умение преобразовывать вещества «сверху-вниз», в сочетании с некоторыми неожиданными открытиями в области синтеза и самосборки наноразмерных структур, привело к многочисленным открытиям. Наиболее яркие из них описываются ниже:

• Была открыта возможность создавать углеродные нанотрубки (а затем и регулировать процесс их создания), а также применять зонды микроскопов и литографические методы для сборки получаемых трубок в отдельные электронные устройства .

• За последние 1—2 года ученые научились помещать тщательно сконструированные отдельные молекулы в зазор между соответствующими электродами и измерять перенос заряда через эти молекулы .

• Бурное развитие зондовых методов и их использование для манипулирования отдельными атомами вещества и создания наноструктур.

• Разработка химических методов синтеза нанокристаллов и методов их объединения в более крупные и упорядоченные структуры.

• Использование в производстве наноустройств биомолекул и надмолекулярных структур.

• Выделение биохимических «молекулярных двигателей» и их включение в небиологическую среду.

Доказано, что можно сделать движущиеся наноструктуры, «шагающие роботы», выполненные из молекул ДНК. Они будут способны двигаться в определенном направлении по молекуле ДНК при подведении к ним энергии. Что касается наносенсоров (НК-зависимых переключателей, молекулярных сенсоров, сенсоров на основе гибридных конструкций, которые состоят из нуклеиновой кислоты и белка), они уже находят широкое применение в молекулярной диагностике. В Институте химической биологии и медицины СО РАН разработано несколько диагностических систем для медицины, основанных на олигонуклеотидах, самособирающихся в комплекс на анализируемой ДНК, получены патенты на такие системы и ДНК-чипы.

1. Наносенсеры

Экология, медицина и здравоохранение все чаще требуют от ученых и инженеров разработки надежных и удобных устройств, способных осуществлять длительный контроль и мониторинг ус­ловий существования живых организмов, а также воздействия на организмы разнообразных физических и химических факторов.

Пленочные или объемные биодатчики микроскопических или нанометровых размеров могут вводиться внутрь живых организ­мов, а также «присоединяться» к заданным органам и тканям для осушествления непрерывного измерения требуемых параметров, а также для отслеживания реакций организма на различные воздей­ствия.
Современные приложения нанотехнологий в медицине можно разделить на несколько групп:

1. 
   наноструктурированные материалы, в т. ч., поверхности с нанорельефом, мембраны с наноотверстиями; наночастицы (в т. ч., фуллерены и дендримеры);
   
2. 
   микро- и нанокапсулы;
   
3. 
   нанотехнологические сенсоры и анализаторы;
   
4. 
   медицинские применения сканирующих зондовых микроскопов;
   
5. 
   наноинструменты и наноманипуляторы;
   
6. 
   микро- и наноустройства различной степени автономности.
   

Рис. 1.1.

Например, на рис. 1.1. показан нанодатчик, который может осуществлять в автоматическом режиме химический анализ тка­ней, преобразовывать получаемую информацию и передавать ее по назначению.

Химикам и медикам давно известны разнообразные вещест­ва, ответственные за так называемое «молекулярное распознава­ние». В частности, к ним относятся антитела, обладающие высокой специфичностью (т. е. избирательностью), что и позволяет им осуществлять свои функции в организме. Сложность пробле­мы создания биодатчиков с молекулярной избирательностью по отношению к определенным белковым соединениям связана, в основном, со сложностью обеспечения длительного и надежно­го функционирования. Биодатчики и искусственные материалы с высокой избирательностью обычно быстро теряют способ­ность к молекулярному распознаванию, вследствие чего для их создания необходимо, прежде всего, научиться синтезировать молекулы, надолго сохраняющие заданные избирательность и химическое сродство. Для решения этой проблемы уже давно ве­дутся интенсивные исследования возможностей присоединения молекул и антител к поверхности различных полимерных мате­риалов. На этом направлении химиками уже достигнуты значи­тельные успехи, позволяющие надеяться на создание в близком будущем надежных и долговременных биодатчиков.