Польза и вред от нанотехнологий
12 июля в Якутском научном центре состоялась лекция ведущего научного сотрудника Федерального исследовательского центра питания, биотехнологии и безопасности пищи (г. Москва), доктора биологических наук, профессора Ивана Всеволодовича Гмошинского о пользе и рисках нанотехнологий.
Он рассказал на лекции о том, что собой представляют нанотехнологии, об основных областях их применения, о нанотехнологиях и наноматериалах в питании человека, об оценке и обеспечении безопасности наноматериалов и нанотехнологий за рубежом и в России.
Так, наноматериалы бывают природными, техногенными (непредумышленно образуются в ходе технологических процессов), а также искусственными (направленно создаваемые в процессах нанотехнологий).
Искусственные наноматериалы весьма разнообразны: это и различные наночастицы, квантовые точки, фуллерены, нановолокна, наностержни, нанотрубки, нанопленки, нанопластины, графен.
Нанотехнологии используются в наноэлектронике, нанофотонике, наноинженерии, наномедицине и нанобиотехнологиях.
Как отметил Иван Гмошинский, примером наиболее успешного и широкого внедрения нанотехнологий в пищевой промышленности являются мембранные технологии. При помощи мембранных нанотехнологий производится обессоливание и очистка питьевой воды, стерилизация жидких продуктов, очистка и осветление соков, напитков, выделение и концентрирование белков, углеводов, витаминов и лактозы. Использование мембран в пищевых производствах не несет рисков, связанных с воздействием наночастиц на человека, так как наноматериалы из мембран не могут высвобождаться в ходе эксплуатации.
На сегодня, во всем мире широко применяются нанокомпозитные упаковочные материалы. С помощью наночастиц серебра, оксида цинка производится бактерицидная упаковка, с помощью наночастиц диоксида титана производится фотобарьерная упаковка. Газобарьерные упаковки производят при помощи наноглин, а «съедобные» упаковки для различных овощей и фруктов производят при помощи нанопленки органических веществ (восков).
Нанотехнологическая продукция пищевого назначения, зарегистрированная в России, в основном представлена различными БАДами, и в меньшей степени представлена комплексными пищевыми добавками, сырьем для производства пищевой продукции, пищевыми ингредиентами и добавками. Наноинкапсулированные пищевые вещества позволяют преодолевать физическую и химическую несовместимость различных пищевых ингредиентов, повышают биодоступность биологически активных веществ.
К сожалению, некоторые наноматериалы представляют опасность для человека. Небольшой размер наночастиц позволяет им проникать через клеточные мембраны и находиться внутри структуры ДНК или белка и изменять их функции. Наночастицы способны легко проникать через физиологические барьеры и накапливаться в организме: они попадают к нам через дыхательные пути (особенно на производстве), перорально с пищей, лекарствами, зубной пастой, а через кожу к нам попадают наноматериалы, содержащиеся в косметике.
За период 2009-2018 гг. выявлена потенциальная опасность 130 наноматериалов и более 400 видов нанотехнологической продукции и технологий ее производства.
В России исследования в области нанотоксикологии проводятся организациями ФАНО России, Российской академии наук, Минобрнауки, Роспотребнадзора, Минздрава РФ, ФМБА России.
В завершении лекции профессор Гмошинский ответил на вопросы слушателей. Так, по поводу нанопленок, которыми покрыто большинство импортных овощей и фруктов, Иван Всеволодович объяснил, что это восковый продукт, не представляющий серьезной опасности для человека, «но если у вас есть выбор — купить продукт в восковой пленке или без таковой, то, конечно, выбирайте фрукты без покрытия».
На вопрос о том, насколько опасно то, что фрукты в Китае обрабатываются газом, Иван Гмошинский ответил, что фрукты и овощи обрабатываются газами для повышения лежкости и для ускорения созревания и «это в принципе безопасно». «Другое дело, что в Китае применяются пестициды, которые в России запрещены», — подметил профессор.
Скачать презентацию к лекции д.б.н. И.В. Гмошинского “НАНОТЕХНОЛОГИИ: ПОЛЬЗА И РИСКИ”
Пресс-служба ЯНЦ СО РАН
Существует многодисциплинарное объединение ученых, посвятивших себя изучению столь маленького мира, что мы не можем его видеть даже с помощью светового микроскопа. Этот мир – область нанотехнологий, область атомов и наноструктур. Нанотехнологии настолько новая отрасль, что никто до конца не уверен, что из этого выйдет. Тем не менее, предсказания варьируются от способности воспроизводить такие вещи, как алмазы и продукты питания, до появления самовоспроизводящихся нанороботов.
Чтобы понять необычный мир нанотехнологий, нам нужно понять, какие единицы измерения имеют место быть. Сантиметр составляет одну сотую метра, миллиметр составляет одну тысячную метра, а микрометр составляет одну миллионную часть метра, но все они по-прежнему огромны по сравнению с наномасштабом. Нанометр (нм) составляет одну миллиардную часть метра, что меньше длины волны видимого света или в сто тысяч раз меньше ширины человеческого волоса.
Столь малый размер все равно большой по сравнению с атомным масштабом. Атом имеет диаметр около 0,1 нм. Ядро атома намного меньше – около 0,00001 нм. Атомы являются строительными блоками для всей материи в нашей Вселенной. Вы и все вокруг вас сделаны из атомов. Природа успешно освоила производство материи из молекул. Например, наши тела собираются определенным образом из миллионов живых клеток, которые являются наномашинами природы. В атомном масштабе элементы находятся на самом базовом уровне. В наномасштабе мы можем потенциально объединять эти атомы, чтобы сделать почти все, что угодно.
МИР НАНОТЕХНОЛОГИЙ
Эксперты иногда не согласны с тем, что представляют собой нано масштабы, но в целом вы можете думать о нанотехнологиях, имеющих дело с чем-то размером от 1 до 100 нм. Чем больше микромасштаб, тем меньше атомный масштаб.
Нанотехнологии быстро становятся междисциплинарной сферой. Биологи, химики, физики и инженеры участвуют в изучении веществ на наноуровне. Разные дисциплины развивают общий язык и общаются друг с другом. Только так мы можем эффективно излагать нанонауку.
Одним из захватывающих и сложных аспектов наномасштаба является роль, которую играет в нем квантовая механика. Правила квантовой механики сильно отличаются от классической физики, а это означает, что поведение веществ в наноразмерности иногда может противоречить здравому смыслу, ведя себя беспорядочно. Вы не можете подойти к стене и немедленно телепортироваться в другую сторону, но на наноуровне электрон может — это называется туннельным эффектом. Вещества, которые являются изоляторами, то есть они не могут проводить электрический заряд в объемной форме, могут стать полупроводниками при уменьшении их до наномасштаб. Точки плавления могут меняться из-за увеличения площади поверхности. Большая часть нанонауки требует, чтобы вы забыли, все что знаете, и начали учиться снова и снова.
Так что все это значит? Прямо сейчас, это означает, что ученые экспериментируют с веществами в наномасштабе, чтобы узнать об их свойствах и как мы могли бы использовать их в различных устройствах. Инженеры пытаются использовать наноразмерные провода для создания небольших, более мощных микропроцессоров. Врачи ищут способы использования наночастиц в медицинских целях. Тем не менее, нам предстоит пройти долгий путь, прежде чем нанотехнологии будут доминировать над технологиями.
НАНОПРОВОДА И НАНОТРУБКИ
В настоящее время ученые находят две наноразмерные структуры, представляющие особый интерес: нанопроволоки и углеродные нанотрубки. Нанопроводами являются провода с очень маленьким диаметром, иногда размером в 1 нанометр. Ученые надеются использовать их для создания крошечных транзисторов для компьютерных чипов и других электронных устройств. За последние несколько лет углеродные нанотрубки затмили нанопроволоки. Мы все еще узнаем об этих структурах, но то, что мы уже знаем очень интересно.
Углеродная нанотрубка представляет собой цилиндр из атомов углерода. Представьте себе лист атомов углерода, каждый из которых находится в вершине правильного шестиугольника. Если вы свернете этот лист в трубу, у вас будет углеродная нанотрубка. Свойства углеродных нанотрубок зависят от того, как вы сворачиваете лист. Другими словами, хотя все углеродные нанотрубки сделаны из углерода, они могут сильно отличаться друг от друга, в зависимости от того как вы выстраиваете отдельные атомы.
При правильном расположении атомов, вы можете создать углеродную нанотрубку, которая в сотни раз прочнее, чем сталь, но в шесть раз легче. Инженеры планируют изготовить строительный материал из углеродных нанотрубок, для использования его при сборке автомобилей и самолетов. Более легкие транспортные средства означают лучшую топливную экономичность, а добавленная прочность означает повышенную безопасность пассажиров.
Углеродные нанотрубки также могут быть эффективными полупроводниками с правильным расположением атомов. Ученые все еще работают над поиском способов сделать углеродные нанотрубки реалистичным материалом для транзисторов в микропроцессорах и другой электронике.
ПРОДУКТЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
Вы можете быть удивлены, узнав, сколько продуктов на рынке уже пользуются нанотехнологиями:
Солнцезащитный крем. Многие солнцезащитные средства содержат наночастицы оксида цинка или оксида титана. Более старые формулы солнцезащитного крема используют более крупные частицы, что и дает большинству солнцезащитных средств свой беловатый цвет. Меньшие частицы менее заметны, а это означает, что когда вы втираете солнцезащитный крем в кожу, он не придает вам беловатого оттенка.
Самоочищающееся стекло – компания под названием Pilkington предлагает продукт, который они называют Activ Glass, который использует наночастицы, чтобы сделать стекло фотокаталитическим и гидрофильным. Фотокаталитический эффект означает, что, когда УФ-излучение света попадает на стекло, наночастицы начинают разрушать и ослаблять органические молекулы на стекле (другими словами, грязь). Гидрофильный означает, что когда вода контактирует со стеклом, она равномерно распределяется по стеклу, что помогает вымыть стекло.
Одежда. Ученые используют наночастицы для улучшения вашей одежды. Покрывая ткани тонким слоем наночастиц оксида цинка, производители могут создавать одежду, которая обеспечивает лучшую защиту от ультрафиолетового излучения. В некоторой одежде есть наночастицы в виде маленьких волосков или усов, которые помогают отражать воду и другие материалы, делая одежду устойчивой к пятнам.
Устойчивость покрытия к царапинам. Инженеры обнаружили, что добавление наночастиц силиката алюминия к устойчивым к царапинам полимерным покрытиям делает их более эффективными, увеличивая устойчивость к ударам и царапинам. Покрытия, устойчивые к царапинам, распространены на многих объектах: от автомобилей до очков.
Антимикробные бинты – ученый Роберт Баррелл создал процесс производства антибактериальных бинтов с использованием наночастиц серебра. Ионы серебра блокируют клеточное дыхание микробов. Другими словами, серебро смачивает вредные клетки, убивая их.
Новые продукты, включающие нанотехнологии, выходят каждый день. На рынке имеются устойчивые к морщинам ткани, глубокая проникающая косметика, жидкокристаллические дисплеи (LCD) и другие устройства, использующие нанотехнологии. Вскоре мы увидим десятки других продуктов, которые используют эту технологию, а в будущем могут появится еще более интересные вещи, которые сейчас мы относим в область фантастики.
БУДУЩЕЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
Машины, называемые репликаторами, могут производить практически любой физический объект – от оружия до чашки ароматного кофе. Долго считающийся исключительно продуктом научной фантастики, сегодня некоторые люди считают, что репликаторы – очень реальная возможность. Они называют это устройство молекулярным сборщиком, и если это когда-либо станет реальностью, это может кардинально изменить мир.
Атомы и молекулы склеиваются друг с другом, потому что у них есть взаимодополняющие формы, которые соединяются вместе или заряды, которые привлекают. Подобно магнитам , положительно заряженный атом будет придерживаться отрицательно заряженного атома. Поскольку миллионы этих атомов собираются вместе наномашинами, определенный продукт начнет формироваться. Цель молекулярного производства состоит в том, чтобы манипулировать атомами индивидуально и размещать их в шаблоне для получения желаемой структуры.
Первым шагом будет разработка наномашин, называемых сборщиками или ассемблерами, которые ученые могут программировать для управления атомами и молекулами по своему усмотрению. Для сборки значительного количества материала одной такой машине понадобится миллион лет. Для того чтобы молекулярное производство было практичным, вам понадобятся триллионы сборщиков, работающих вместе одновременно. Ассемблеры могут сначала воспроизвести себе подобных, построить других сборщиков. Каждое поколение будет строить другое, что приведет к экспоненциальному росту, пока не будет достаточно сборщиков для создания объектов. Ассемблеры и репликаторы могли бы работать вместе, чтобы автоматически создавать продукты, и в итоге могли бы заменить все традиционные методы труда. Это может значительно снизить затраты на производство, тем самым делая товары народного потребления изобильными, дешевыми и прочными. В конце концов, мы могли бы воспроизвести что угодно, включая алмазы, воду и продукты питания. Голод можно искоренить машинами, которые производят продукты для кормления голодных.
Нанотехнология может оказать наибольшее влияние на медицинскую промышленность. Пациенты будут пить жидкости, содержащие нанороботы, запрограммированные для атаки и восстановления молекулярной структуры раковых клеток и вирусов. Есть даже предположение, что нанороботы могут замедлять или отменять процесс старения, и ожидаемая продолжительность жизни может значительно возрасти. Нанороботы также могут быть запрограммированы на выполнение деликатных операций – такие нанопорошки могут работать в тысячу раз точнее, чем самый хороший скальпель. Работая в маленьком масштабе, наноробот может работать, не оставляя шрамов, которые обычно остаются после обычной хирургии. Кроме того, нанороботы могут изменить ваш внешний вид. Они могут быть запрограммированы на проведение косметической хирургии, переупорядочение ваших атомов, чтобы изменить ваши уши, нос, цвет глаз или любую другую физическую функцию, которую вы хотите изменить.
Нанотехнологии могут оказать положительное влияние и на окружающую среду. Например, ученые могли бы программировать нанороботов в воздухе, чтобы восстановить прорехи в озоновом слое. Нанороботы могут удалять загрязняющие вещества из источников воды и очищать моря от разливов нефти. Изготовление материалов с использованием нанотехнологии также создает меньше загрязнений, чем традиционные производственные процессы. Наша зависимость от невозобновляемых ресурсов будет уменьшаться с помощью нанотехнологий. Вырубка деревьев, добыча угля или бурение нефти могут больше не понадобиться – наномашины могли бы производить эти ресурсы сами.
Многие эксперты в области нанотехнологий считают, что все это находятся далеко за пределами наших возможностей, по крайней мере, в обозримом будущем. Они предупреждают, что более экзотические устройства носят теоретический характер. Некоторые опасаются, что нанотехнология закончится как виртуальная реальность – другими словами, шумиха вокруг нанотехнологий будет продолжаться до тех пор, пока ограничения не станут общедоступными, а затем интерес быстро рассеется.
РИСКИ И ЭТИКА
Самой непосредственной задачей в области нанотехнологий является то, что нам нужно больше узнать о материалах и их свойствах в наномасштабе. Университеты и корпорации во всем мире тщательно изучают, как атомы объединяются, чтобы сформировать более крупные структуры. Мы все еще изучаем, как квантовая механика работает в веществе на наноуровне.
Поскольку элементы наноразмера ведут себя иначе, чем в их объемной форме, существует опасение, что некоторые наночастицы могут быть токсичными. Некоторые врачи опасаются, что наночастицы настолько малы, что они могут легко пересечь гематоэнцефалический барьер, мембрану, которая защищает мозг от вредных химических веществ в кровотоке. Если мы планируем использовать наночастицы для покрытия всего, от нашей одежды до наших автомагистралей, мы должны быть уверены, что они не отравят нас.
Тесно связан с ограниченностью знаний технический барьер. Для того, чтобы невероятные прогнозы в отношении нанотехнологий оправдались, мы должны найти способы массового производства наноразмерных продуктов, таких как транзисторы и нанопроволоки. Хотя мы можем использовать наночастицы для создания таких вещей, как теннисные ракетки и делать ткани без морщин, мы пока не можем сделать действительно сложные микропроцессорные чипы с нанопроводами.
В области нанотехнологий также есть немалые проблемы с этикой их применения. Нанотехнологии могут позволить нам создавать более мощное оружие, как смертоносное, так и нелетальное. Некоторые организации обеспокоены тем, что после того, как эти устройства будут построены, мы рассмотрим этические последствия нанотехнологий в вооружении. Они призывают ученых и политиков тщательно изучить все возможности нанотехнологий, прежде чем разрабатывать все более мощное оружие.
Если нанотехнология в медицине позволяет физически улучшать нас, то это этично? В теории нас можно сделать умнее, сильнее или дать другие возможности, начиная от быстрого лечения и заканчивая ночным видением. Должны ли мы преследовать такие цели? Могли ли мы продолжать называть себя людьми, или мы станем трансперсонами – следующий шаг на пути эволюции человека? Поскольку почти все технологии начинаются как очень дорогое удовольствие, значит ли это, что мы создадим две расы людей – богатую расу измененных людей и более бедное население неизмененных людей? У нас нет ответов на эти вопросы, но несколько организаций призывают рассмотреть эти последствия сейчас, пока не стало слишком поздно.
Не все вопросы связаны с изменением человеческого тела – некоторые имеют дело с миром финансов и экономики. Если молекулярное производство станет реальностью, как это повлияет на экономику мира? Предполагая, что мы можем построить все, что нужно, одним нажатием кнопки, что произойдет со всеми производственными мощностями? Если вы можете создать что-либо с помощью репликатора, что произойдет с валютой? Перейдем ли мы к полностью электронной экономике? Нужны ли будут вообще деньги?
Нужно ли нам действительно отвечать на все эти вопросы? Многие эксперты полагают, что такие проблемы в лучшем случае преждевременны и, вероятно, не нужны. Несмотря на это, нанотехнология, безусловно, будет продолжать оказывать влияние на нас, поскольку мы узнаем все больше об огромном потенциале наномасштабов.