физико-химические основы биологического действия нанообъектов

Введение

Актуальность исследования обусловлено тем фактом, что нанотехнологии сегодня представляются новым, уникальным и всемогущим продуктом научной мысли и техники. К сожалению, даже сегодня, несмотря на то, что прошло довольно много времени с момента открытия данного явления научный мир до сих пор не может сформулировать четкое определение как наномира, так и нанотехнологий.
Более того, стоит отметить, что научное сообщество с большим трудом разделяет явления, как искусственного происхождения, так и биологического происхождения или естественного происхождения.
Более того нужно признать, что основная масса научных достижений в области нанотехнологий является заимствованной у природной среды. Большинство нанообъектов созданных человеком в том или ином виде имеются в природном виде.


1. История возникновения и развития нанотехнологий

Основы нанотехнологий, как считает значительное число экспертов, заложены лауреатом Нобелевской премии Р. Фейнманом в 1959 г. в его знаменитой лекции на заседании американского физического общества [1].
Термин «нанотехнология» или «нанотехнологии» – в дальнейшем НТ – был введен профессором токийского университета Норио Танигучи в 1974 г. в контексте обработки материалов путем добавления или удаления атома или молекулы.
Наиболее полное определение НТ дано в материалах национальной нанотехнологической инициативы США:
НТ – научно-исследовательские и технологические разработки на атомарном, молекулярном или макромолекулярном уровнях с субстананометровой шкалой по одной или более координатам для обеспечения фундаментального понимания явлений и свойств материалов при таких размерах и для изготовления и использования структур, приборов и систем, которые имеют новые свойства и функции вследствие их малых размеров [4].
Коллоидное состояние вещества – это качественно особая форма его существования с комплексом присущих ей физико-химических свойств. По этой причине область естествознания, изучающая объективные физические и химические закономерности гетерогенного ультрадисперсного состояния вещества, высокомолекулярных соединений (полимеров, комплексных соединений и молекулярных ансамблей) и межфазовых поверхностей, сформировалась в начале ХХ века в самостоятельную дисциплину – коллоидную химию.
Быстрое развитие коллоидной химии обусловлено большим значением изучаемых этой наукой явлений и процессов в различных областях человеческой практики. Такие, казалось бы, совершенно различные направления, как жизненные процессы в организмах, образование многих минералов, структура и урожайность почв тесно связаны с коллоидным состоянием вещества. Коллоидная химия является также научной основой промышленных производств многих материалов.
По мере развития технических средств формирования и манипулирования нанообъектами, а также методик их исследования в коллоидной химии стали выделяться более специализированные дисциплины, такие как химия полимеров и физическая химия поверхности (конец 1950-х годов), супрамолекулярная химия (конец 1970-х годов).
Исследование и изучение наноразмерных и наноструктурированных биологических структур (протеинов, генов, хромосом, белков, аминокислот, ДНК, РНК), являющихся предметом биологии ультрадисперсных систем, привело к созданию в 30–50-х годах вирусологии, в 60-х годах молекулярной биологии и в последней четверти ХХ века генетики и иммунохимии. Если размеры материала хотя бы в одном измерении меньше критических длин, характеризующих многие физические явления, у такого материала появляются новые уникальные физические и химические свойства квантовомеханической природы, которые изучает и использует для создания новых устройств физика низкоразмерных структур, являющаяся наиболее динамично развивающейся областью современной физики твердого тела.
Результатом исследований низкоразмерных систем (квантовые ямы, провода и точки) стало открытие принципиально новых явлений – целочисленный и дробный квантовый эффект Холла в двумерном электронном газе, вигнеровская кристаллизация квазидвумерных электронов и дырок, обнаружение новых композитных квазичастиц и электронных возбуждений с дробными зарядами.
Область коллоидной химии, изучающая процессы деформирования, разрушения и образования материалов и дисперсных структур, выделилась в физико-химическую механику твердых тел и ультрадисперсных структур. Она сформировалась в середине ХХ века благодаря работам академика П. Ребиндера и его школы как новая отрасль знания, пограничная коллоидной химии, молекулярной физике твердого тела, механике материалов и технологии их производства.
Основной задачей физико-химической механики является создание конструкционных материалов с заданными свойствами и оптимальной для целей их применения структурой. Еще одной отраслью, которая изучает и создает элементы, структуры и приборы в субстананометровом диапазоне, является микроэлектроника. В ней можно выделить наноэлектронику (разработка и производство интегральных схем с субстананометровыми размерами элементов – интегральных наносхем (ИНС), молекулярную электронику, функциональную электронику наноструктурированных материалов и наноэлектромеханические системы (НЭМС).
Суммируя изложенное, а также исходя из анализа, проведенного в работе [5], можно сформулировать определение НТ:
Нанотехнология – это контролируемое получение веществ и материалов в коллоидном (ультрадисперсном, наноструктурированном с размерами структурных элементов в диапазоне 1,0–100 нм) состоянии, исследование и измерение их свойств и характеристик и использование их в различных отраслях науки, техники и промышленности.
Все термины, связанные с созданием и изучением коллоидного (наноструктурированного) уровня структуры материи под брендом «нанотехнология», автоматически получили приставку «нано», хотя до середины 1980-х годов они назывались соответственно: механика, фотоника, кристаллография, химия, биология и электроника ультрадисперсных или коллоидных систем; а предметы их исследования носили названия: ультрадисперсные порошки и композиты, аэро-, гидро- и органозоли, обратимые и необратимые гели, ультрадисперсная керамика и т.д.
Возникновение интереса к коллоидному состоянию вещества под брендом «нанотехнология» в последние 20 лет обусловлено, во-первых, его уникальными свойствами, а во-вторых, развитием и созданием технологического и контрольно-измерительного оборудования для получения и исследования субстананоразмерного уровня структуры материи: его физики, химии и биологии.
Вместо открытия новых материалов и явлений в результате счастливого случая или хаотических исследований контролируемый перевод вещества в наноструктурированное (коллоидное) состояние, называемый концепцией нанотехнологии, позволяет делать это систематически. Вместо того чтобы находить наночастицы и наноструктуры с хорошими свойствами с помощью интуиции, знание законов образования и стабилизации ультрадисперсных систем открывает возможность их искусственного конструирования по определенной системе. Особенно интересным оказалось приобретение некоторыми хорошо известными веществами совершенно новых свойств при наноразмерах [8].
Наноструктурированные (коллоидные) системы, в соответствии с их промежуточным положением между миром атомов и молекул и миром микроскопических и макроскопических тел, могут быть получены двумя основными путями: диспергированием, т.е. измельчением (дроблением) крупных систем, и конденсацией, т.е. образованием наносистем из атомов, молекул, кластеров и наноструктур.
Методы получения наноструктурированных систем по первому пути называются диспергационными, а по второму – конденсационными. Существуют смешанные методы получения наноструктурированных систем, которые называются соответственно диспергационно-конденсационными и конденсационно-диспергационными [5].
В традиционной наноэлектронике при изготовлении интегральных наносхем (ИНС) по классической КМОП-технологии контролируемое наноструктурирование функциональных слоев (ФС) на кремниевых пластинах обеспечивается проекционным (фотошаблоны и наноштампы) масочным (резистивные маски) литографическим паттернированием.
При этом используется стратегический подход диспергирования или подход «сверху вниз» (top–down), т.е. осуществляется локальное удаление ненужных областей ФС путем их травления. Точность воспроизведения размеров элементов структур в горизонтальной плоскости обеспечивается с помощью резистивных масок, сформированных в процессах литографии.
В связи с этим, подчеркивая используемый стратегический подход диспергирования или «сверху вниз», традиционную промышленную наноэлектронику удобнее называть Д-наноэлектроникой (D-nanoelectronics). Конденсационные методы (нелитографические методы синтеза), использующие для получения наноструктурированных систем подход «снизу вверх» (bottom-up), можно разделить на две группы: традиционные и новые, созданные в рамках последних достижений нанотехнологий. Традиционные конденсационные методы подробно рассмотрены в работе [5].
К новым нелитографическим конденсационным методам относятся:
Получение специфических углеродных наноструктур, типа фуллеренов и углеродных нанотрубок (УНТ) методами ХОГФ в результате стимулированных катализаторами (Ni, Fe) термических химических реакций газовых реагентов на подложках. Например, CH4(газ) + H2(газ) = C(фуллерен или УНТ) + 3H2 [8].
Осаждение атомов или молекул на подложку с последующим самоупорядочением в перспективных для различных применений наноструктуры в областях подложки, предварительно подвергнутых (в процессе или после осаждения) радиационному воздействию, например формирование квантовых точек при обработке сплошных никелевых пленок водородной плазмой [9].
Самоформирование регулярного поверхностного рельефа в виде периодических массивов наноточек и нанолиний различной формы при