Парадокс нанотехнологий
От кубка, меняющего цвет, к доставке лекарств в клетку
Древние римляне создали кубок, меняющий цвет в зависимости от освещения, но не понимали, как это работает. Современные ученые, используя те же физические принципы, воспроизводят в лабораториях квантовые эффекты.
Фото: nikolay trebukhin / unsplash.com
Фото: nikolay trebukhin / unsplash.com
Кандидат физико-математических наук Александр Цветков, сотрудник детского технопарка «Кванториум» в Пскове, выступил на всероссийском фестивале «#Вместе с российской наукой», который реализуется ПсковГУ при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий, и объяснил, почему человечество тысячелетиями применяло нанотехнологии неосознанно и как это изменило современный мир.
Место и время создания кубка Ликурга, который меняет цвет в зависимости от угла падения света, точно не известны. Ученые предполагают, что артефакт был изготовлен в Древней Греции, Александрии или Риме в IV веке нашей эры, поскольку эти города славились в античные времена как центры стеклодувного ремесла. Долгое время никто не мог объяснить странное поведение стекла, которое в проходящем свете кажется рубиново-красным, а в отраженном выглядит зеленовато-желтым.
Разгадка пришла только в 1990-х годах, когда электронная микроскопия показала: в стекле содержатся наночастицы серебра и золота размером около 50 нанометров. На каждый миллион частиц стекла приходится примерно 330 частиц серебра и 40 частиц золота. Именно это соотношение и создает этот цветовой эффект.
Нанометр составляет одну миллиардную долю метра — размер, который человеческий мозг не способен представить. Понять масштаб можно через аналогию: если нанометр приравнять к секунде, то метр в такой системе составит 31,7 года непрерывного отсчета. Стоит еще сказать, что в наномасштабах вещество приобретает такие свойства, которые предсказать невозможно.
Так, египетские стеклодувы получали цветные стекла, добавляя в расплав различные вещества, при этом, почему та или иная добавка придавала стеклу определенный оттенок, они не знали. Немногим больше было известно о нанопроцессах создателям кремлевских звезд в 1930-х годах, которые для создания рубинового стекла использовали добавку селена.
Осознанное изучение физических процессов на наноуровне началось с развития инструментов. Оптический микроскоп ограничен длиной волны света — максимум 2000-кратное увеличение. Электронный микроскоп достигает миллионократного увеличения. Подлинный прорыв обеспечило появление атомно-силовой микроскопии в 1980-х годах. Эта технология позволяет не только видеть отдельные атомы, но и перемещать их как детали конструктора.
Американский физик, один из основателей квантовой электродинамики Ричард Фейнман предложил научиться манипулировать веществом на атомном уровне, создавая материалы с заранее заданными свойствами. И эта концепция управления материей на наноуровне определила развитие науки на десятилетия вперед.
Яркой иллюстрацией торжества нанотехнологий можно считать современный смартфон, который превосходит по мощности все компьютеры NASA периода лунной программы, благодаря наноразмерным транзисторам. Миллиарды элементов размещаются на площади в несколько квадратных сантиметров, но принцип их работы основан на тех же квантовых эффектах, что и у древних стекол.
Природа использует нанотехнологии миллионы лет. Геккон удерживается на любой поверхности благодаря тысячам нановолосков на каждом квадратном миллиметре лапки. Крылья бабочек переливаются не из-за пигментов, а из-за периодической наноструктуры, избирательно отражающей свет. Акулья кожа снижает сопротивление воды благодаря уникальному строению и расположению чешуек.
Ученые изучают нанопроцессы и копируют природные решения. Супергидрофобные покрытия воспроизводят структуру листа лотоса, искусственная акулья кожа увеличивает скорость подводных роботов, а магнитотактические бактерии превращаются в живые контейнеры для адресной доставки лекарств к раковым клеткам. Это позволяет направлять препараты точно к пораженным тканям через кровеносные сосуды, расширенные около опухолей. Биодеградируемые имплантаты растворяются по мере заживления, устраняя необходимость повторных операций.
Кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник кафедры физики ПсковГУ Александр Цветков создает газовые датчики на основе углеродных нанотрубок. Эти структуры диаметром в десятки нанометров изменяют электрические свойства при контакте с различными газами, что позволяет обнаруживать опасные вещества в минимальных концентрациях. Он с коллегами также изучает цеолиты — материалы, способные поглощать радионуклиды, и фотонные кристаллы, структура которых позволяет управлять распространением света. Такие материалы создают разрешенные и запрещенные зоны для фотонов, подобно тому, как полупроводники делают это для электронов, открывая возможности для дисплеев нового поколения, низкопороговых лазеров и высокоскоростных оптических переключателей.
Парадокс нанотехнологий заключается в том, что человечество использовало их эффекты тысячелетиями, но понимание физических принципов появилось только недавно. Современные исследования определят облик технологий через тридцать лет, но какие именно открытия изменят мир, станет ясно лишь в будущем.