Золото и нанотехнологии в эпоху инноваций

Считается, что нанотехнологии — это сравнительно новое направление в науке. На самом деле золотые наночастицы используются, пусть и неосознанно, уже несколько тысячелетий. Римские ремесленники, например, знали, что размешивая хлористое золото в расплавленном стекле (эту технику используют для создания крошечных золотых сфер) последнее получит богатый рубиновый или розово-лиловый цвет. Используя такой способ окраски стекла, было создано множество произведений искусства: от стекол в кафедральных соборах по всей Европе, до знаменитого Кубка Ликурга (IV век н. э).

Конечно, стеклодувы того времени ничего не знали об оптических аспектах описанного выше процесса и создания частиц, диаметр которых составляет всего несколько нанометров. Современные представления о химии им были абсолютно недоступны. Важным этапом развития нанотехнологий можно назвать 1857 год, когда английский физик и химик Майкл Фарадей установил, что коллоиды золота обладают рядом особых оптических и электрических свойств. Ученый пришел к такому выводу, когда использовал фосфор для восстановления хлорида золота, из которого он однажды и получил взвесь наночастиц этого металла. Хотя Фарадей и другие его современники работали над созданием надежной техники получения коллоидного золота, наномир оставался для них тайной, даже несмотря на то, что характеристики подобных частиц уже тогда вполне можно было наблюдать и измерять. Сейчас, в эпоху микроскопов, способных увидеть даже атом, и компьютеров, настолько мощных, что мы можем моделировать поведение химических элементов, области применения золотых наночастиц развиваются и расширяются все интенсивнее.

Хотя золото не может одарить нас бессмертием, его можно использовать для того, чтобы понять природу многих опасных болезней, таких как рак, и пытаться бороться с ними; его можно использовать для создания экологически чистых двигателей, что может существенно снизить вред, наносимый экологии планеты, а также и во многих других областях.

ЗОЛОТО И ЗДРАВООХРАНЕНИЕ

Золото имеет долгую историю применения в области биомедицины, насчитывающую почти пять тысяч лет. В отличие от других металлов, оно успешно противостоит эффекту побежалости (свойство металла менять окраску при нагревании). Таким образом, золото очень долго ассоциировалось с богами и поэтому совершенно логично, что его связывали и с бессмертием.

Самые ранние найденные записи, в которых упоминается об использовании золота в медицине, приводят нас в Китай 2500 года до н.э., и именно с этого времени появляются свидетельства использования металла некоторыми древними культурами в качестве основы для медицинских препаратов против различных болезней. Не так давно и с большим успехом медикаменты, содержащие золото, стали применяться для лечения ревматоидного артрита и, более того, было проведено важное  исследование, касающееся потенциальных антираковых и антимикробных свойств соединений золота.

Однако на тот момент солнце наноэры только всходило, и знания о потенциале золота в качестве средства биомедицины были ограничены. В настоящее время уникальные характеристики наночастиц этого металла являются объектом удивительных инновационных научных исследований, ориентированных на рыночное использование.

Терапия. Как уже было отмечено, золото используется в качестве средства лечения различных заболеваний уже давно, но сейчас оно является основой для совершенно новаторских способов достижения терапевтического эффекта. Проблема многих современных методик лечения рака состоит в том, что их действие не может быть направлено с предельной точностью. Сложности вызывает доставка лекарства напрямую к раковой опухоли, и именно поэтому требуются большие дозы, чтобы гарантировать доставку необходимого количества медикамента к пораженным клеткам. К несчастью, используемые лекарства не всегда могут успешно «опознать» такие клетки и отделить их от здоровых. Это приводит иногда к тому, что лечение становится опаснее самой болезни. Однако если будет найден способ более точной доставки препаратов к раковым клеткам, требуемая доза сократится и не будет влиять на клетки здоровые, а вредное воздействие на окружающую опухоль ткань существенно уменьшится.

Возможно, самым лучшим примером использования золота в биомедицине является технология Aurimune™, в которой для доставки необходимой терапевтической дозы медикамента прямо к раковой опухоли используются присущие золоту биосовместимость и уникальные характеристики. Данный проект уже прошел первую стадию клинических испытаний (тестирование на небольшой группе людей, целью которого является подтверждение того, что препарат действует так, как и ожидалось). Более того, уже начались работы на следующем, втором этапе (более крупномасштабное исследование, целью которого является обнаружение возможных побочных действий, пропущенных ранее).

Технологии, подобные описанным выше, вызывают огромный интерес со стороны инвесторов и имеют колосальный рыночный потенциал, который может быть реализован в будущем.

Диагностика. Диагностика — это та область, в которой использование золотых нанотехнологий может просто-напросто перевернуть современные понятия о медицине. Быстродействующие и недорогие тесты, основанные на нанотехнологиях с применением золота, позволяют проводить обследования пациентов на предмет наличия в организме различных заболеваний, имеющих плохоразличимые симптомы на ранних стадиях развития или, например, быстро обнаружить СПИД. Скорость в этом вопросе крайне важна — чем быстрее болезнь обнаружена, тем эффективнее и дешевле будет лечение.

На сегодняшний день технологии, использующие наночастицы золота, коммерчески доступны. К ним, например, можно отнести тест под названием The First Response® от компании «Church & Dwight», позволяющий обнаружить специальный гормон в цепочке ДНК, наличие которого говорит о беременности; исследование на наличие в организме вируса сальмонеллы и т.д.

К самым последним исследованиям в этой области относится технология Verigene™, разработанная компанией «Nanosphere».Verigene™, — полностью интегрированная диагностическая система обнаружения в организме специфичных биомолекулярных целей при помощи золотых наночастиц. Зонды системы абсолютно нетоксичны, долго функционируют и, что самое важное, обладают исключительной восприимчивостью и быстродействием. Система может использоваться для диагностики различных состояний здоровья человека.

Медицинская диагностика представляет собой одну из частей стремительно развивающегося рынка, на котором золото играет важную роль. Десятки академических и промышленных исследовательских групп работают в этой области, и можно ожидать увеличения интеграции сферы нанотехнологий на этот рынок.

Противомикробные препараты. У серебра, как у антимикробного средства, очень долгая история применения. Пожалуй, самым известным способом использования серебра является пропитанная наночастицами этого металла одежда, оказывающая положительный эффект на раны и снижающая риск заболевания инфекционными заболеваниями. Однако благотворное воздействие серебра кратковременно. Ученые из Германии рассеяли комбинацию из наночастиц золота и серебра в полимерной пленке. Как было доказано, присутствие наночастиц золота позволило существенно продлить противомикробное действие. Группа исследователей из Лондона также занималась созданием подобной технологии, которая затем была лицензирована канадской компанией «Ondine Biopharma Corporation», занявшейся коммерциализацией разработки.

ЗОЛОТО И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Проблема охраны окружающей среды еще никогда не стояла острее, чем сейчас. В ближайшем будущем человечеству придется столкнуться лицом к лицу с рядом острейших проблем, таких как: увеличение населения планеты; постоянно возрастающие энергетические потребности; глобальное потепление и т.д. Применение технологии золотых наноочастиц на этом фоне выглядит крайне многообещающе — с помощью нее появляется возможность решения довольно серьезных вопросов: от экологически чистого производства, до контроля за загрязнением и отчистки воды.

Катализаторы. Производство большинства значимых для промышленности материалов и химических веществ включает в себя применение катализаторов для повышения эффективности и экономичности процесса. Использование наночастиц позволяет сократить количество требуемых драгоценных металлов при катализе. Такие «улучшенные» катализаторы могут обходиться меньшей температурой и давлением, необходимыми для многих химических реакций. Результатом этого является увеличение производства химических веществ и уменьшение объема получаемых побочных продуктов от подобных процессов.

Качество воздуха. Каждый год в больницы от отравления угарным газом (СО) поступает более 4000 жителей Северной Америки (10% из них погибает). Использование наночастиц золота предоставляет простое решение этой острейшей проблемы — помогает провести необходимое окисление опаснейшего СО в менее токсичное вещество СО . Примером применения подобного подхода может являться то, что некоторые компании уже разработали специальные респираторы, используемые в чрезвычайных ситуациях: на пожарах, в шахтах при отравлении рабочих оксидом углерода и некоторых других. Но весьма вероятно, что границы применения золотых наночастиц в этой области расширятся в самое ближайшее время.

Очистка воды. На нашей планете в настоящее время недостатка воды пока не наблюдается, но большие запасы загрязнены. Это является результатом как промышленной деятельности, так и геологических процессов. К одним из самых  распространенных веществ, загрязняющих воду, относятся тяжелые металлы, пестициды и галогенизированная органика, из-за которых миллионы людей по всему миру постоянно находятся под угрозой отравления питьевой водой. В последние годы наметилось значительное увеличение объема применения технологии золотых наночастиц при отчистке воды и выявлении ее загрязнения. Более того, золото в таких случаях может выступать как эффективный абсорбент для удаления из воды ртути. К другим инновационным открытиям в этой области также относится каталитическая активность золото-палладиевых наночастиц, которая снижает содержание в воде вредных органических примесей, а также метод определения содержания в питьевой воде пестицидов. В сфере охраны окружающей среды нанотехнологии, основанные на золоте, используются также для создания более надежных топливных баков, остекления и разработки новых солнечных батарей.

ЗОЛОТО И ТЕХНОЛОГИИ

Золото — один из ключевых материалов, используемых в электронике. За год на производство тех или иных электронных продуктов уходит около 300 тонн этого металла.

Вследствие того, что взаимодействие между двумя мирами — миром электроники и нанотехнологий в будущем будет только увеличиваться, вполне вероятно, что тенденция использования золота в качестве крайне необходимого материала сохранится. Носители с большим объемом памяти. Постоянно растущий спрос на носители цифровых данных стимулирует развитие инновационных исследований в целях увеличения памяти различных устройств, доступной для хранения информации. Оптические способы записи и хранения информации, отодвинув на второй план магнитные, находятся в сфере интересов разработчиков, работающих в области электроники уже около 30 лет. CD и DVD стали частью повседневной жизни практически каждого человека, но такие технологии уже не в состоянии выдерживать огромный поток данных, производимых современной развлекательной отраслью.

Выходом из этой ситуации может стать появление компакт-дисков, подобных DVD-диску, но со значительно увеличенной памятью — с 8,5 Гб до 10 Тб. Современные диски — это некоторое количество углублений на поверхности носителя, читаемых с помощью лазера. Одно такое углубление представляет собой цифровой «ноль», а ровная поверхность — цифровую «единицу». С помощью добавления золотых наноэлементов для взаимодействия с различными частотами света и его поляризации можно достичь эффекта, при котором появятся три дополнительных измерения, что приведет к значительному увеличению доступного объема хранения информации. Подобный метод применяется и для флеш-карт. На сегодняшний
день разработчики таких устройств работают совместно с компанией «Samsung Electronics», их целью является коммерциализация своих разработок.

Сенсорные экраны. Применение наночастиц золота дает большие функциональные преимущества и при производстве дисплеев. Тем самым можно решить одну из самых злободневных проблем индустрии — проблему нехватки металла индия, используемого при создании сенсорных экранов для цифровых устройств (например, iPhone или электронных устройств для чтения). Так как по оценкам, при нынешнем количестве потребления индия, оставшегося его количества хватит менее чем на 50 лет, решение с использованием нанотехнологий выглядит оптимальным. Главную роль в создании нового поколения сенсорных экранов должна сыграть технология прозрачной проводящей пленки, основанная на применении нанотрубки с двойной углеродной оболочкой (double walled carbon n anotube, DWNT) и собственно золота. Такая пленка должна быть высоко проводимой и прозрачной. Многие попытки использования углеродных нанотрубок уже провалились вследствие того, что проводимость применяемых при этом материалов не соответствовала необходимой. Однако сейчас предполагается, что сопротивление нанотрубок можно значительно уменьшить путем добавления в пленку золотых наночастиц. Такой подход должен решить проблему использования как сенсорных экранов, так и собственно углеродных нанотрубок.
В сфере электроники золотые наночастицы применяются и во многих других многообещающих разработках и технологиях. К ним, например, можно отнести создание печатных схем и оборудования для печати.

ЧТО ДАЛЬШЕ?

Абстрагируясь от технологий, приведенных выше, можно задаться вопросом о том, как будут использоваться нанотехнологии, например, через 20 лет. В последние 10 лет нанотехнологии стали объектом изучения многих исследовательских групп ученых. За это время практически 50 миллиардов долларов было инвестировано правительствами различных государств для разработок в этой области. Но наше время является, можно сказать, лишь самым началом «наноэры», и тенденции ее развития и роста, без сомнения, сохранятся и увеличатся, а границы применения золотых наночастиц расширятся.

В области медицины могут быть созданы технологии мониторинга здоровья, обнаружения болезней и патологий. Вполне возможно, что для диагностики будут созданы специальные системы, приобрести которые можно будет в местной аптеке. Золотые наночастицы, благодаря своим потрясающим свойствам, могут стать ключом в борьбе с пандемиями будущего. Экологически чистое химическое производство, а также новая философия промышленности, основанная на сокращении или даже устранении использования опасных веществ, должны стать главными понятиями для общества будущего, направленными на защиту экологии нашей планеты. Удивительные свойства золота на уровне наночастиц однажды могут привести к тому, что этот металл станет применяться для создания новых оптических чипов для самых новейших электронных устройств.

Источник

1. World Gold Council, www.goldbulletin.org, «Gold for good: Gold and nanotechnology in the age of innovation», авторы: Dr. Trevor Keel, project manager in the World Gold Council's Industrial Sector);Dr. Richard Holliday, Director of the World Gold Council's Industrial Sector; Dr Tim Harper (founder of London based Cientifica Ltd)

-0+2

• Содержание сайта
• Комментарии
• Главная страница