Понятие и классификация нанотехнологий

В среде научного сообщества нет единого мнения о последствиях широкомасштабного использования нанотехнологий. Это обусловлено не только тем, что недостаточно развиты технологии оценки и минимизации нанорисков, но и тем, что «совокупные мощности испытательных токсикологических центров Европы и США способны достаточно подробно исследовать лишь сотни из тысяч и десятков тысяч новых появляющихся материалов и веществ. Механизмы биологического, в частности токсичного действия наноструктур мало изучены ».[8]

Сегодня исследователи пытаются определить, как разные виды загрязняющих веществ связываются с наноматериалами, переносятся ими в грунтовых водах, взаимодействуют с биологическими клетками и поражают их. Ученые из центра СBEN Уверситетов Райс (США) создали реактивную мембрану из ферроксана, т.е. керамики но основе оксида железа. Благодаря уникальным химическим свойствам железа эти реактивные мембраны позволяют очищать воду, удаляя из нее загрязняющие вещества и органические отходы. Обнаружено, что ферроксановые материалы способны разлагать загрязнения с бензойной кислотой.

Исследования, проведенные в Университете Лехай (США) продемонстрировали потенциал наномасштабного железного порошка, способного очищать почву и грунтовые воды, загрязненные промышленными веществами. Наночастицы железа в 10- раз активнее обычных макроскопических частиц. Обладая меньшим размером и большей активностью. наночастицы могут легко проникать в центр загрязненной зоны (или почвы). Они легко переносятся вместе с грунтовыми водами и попутно очищают все окружающее пространство. На свойства наночастиц железа не влияют рН среды, температура или содержание питательных веществ в почве.

Жизненный цикл множества материалов, содержащих наночастицы, в течение ближайшего десятилетия приведет их в огромном количестве на обычные полигоны по размещению отходов. Безусловно, валовое содержание наночастиц при их попадании в окружающую среду будет мало. Однако воздействие их при этом не будет нулевым. Крайне малый размер частиц обуславливает их высокую проникающую способность. И уже сейчас понятно, что в случае эмиссии наночастиц загрязненными окажутся все сферы. И по всей вероятности мы приближаемся к новой революции в наборе факторов экологического риска. Необходимы исследования в области распространения и миграции наночастиц в окружающей среде, их влияния на живые организмы. Наночастицы достаточно малы и могут быть проглочены или ингалированы, поэтому их производство и использование требует создания особых санитарных нормативов для рабочих зон.

До настоящего времени не обсуждался и не решался вопрос предельно-допустимых концентраций наночастиц в природных компонентах (средах). Здесь еще явно вырисовывается и проблема из сферы глобальной политики, связанная с использованием токсичных наночастиц против человечества[9].

Немецкие эксперты не уверены в однозначной пользе нанотехнологий в бытовых предметах, хотя негативный эффект ими еще не доказан. Они предлагают воздержаться от активного использования такой продукции пока не будет доказано 100-процентное отсутствие вредных для здоровья воздействий от нанотехнологий. По их мнению, к примеру, частицы наноматериала графена могут проникать глубоко в легкие и стимулировать воспаления. Некоторые наночастицы могут попадать в клетки, нарушая структуру ДНК, опасаются эксперты. Чтобы потребители знали об использовании нанотехнологий в том или ином товаре, немецкие эксперты предложили ввести специальные маркировки, подобные тем, которые применяются для генно-модифицированных продуктов

О фантастических преимуществах продуктов наноиндустрии написаны десятки аналитических статей. О непредсказуемых опасностях тоже. В силу своих размеров и уникальных свойств наночастицы в выпускаемых продуктах требуют тщательного изучения – могут ли они попадать в тело человека, и если да, то как долго они будут там оставаться. Кроме того, необходимо исследование поведения и перемещений наночастиц в окружающей среде и, самое главное, повлияют ли эти материалы на здоровье человека и состояние природы. В этой связи в ходе конференции посвященной проблемам биобезопасности нанотехнологий НИИ медицины труда РАМН ученые предложили правительству принять определенный регламент по контролю за продуктами наноиндустрии. По словам академика РАМН Сергея Колесникова, «мы должны избежать всех ошибок предшественников, которые не учитывали вопросы безопасности при работе с новейшими технологиями. Можно напомнить, как во времена увлечения генной инженерией и биотехнологиями ученые говорили о создании огромного количества кормового белка. Были построены огромные заводы, но потом оказалось, что при его получении загрязняется атмосфера и, к примеру, в Ангарске и Киришах возникли тяжелые случаи бронхоаллергозов».

Одним из вопросов, которым задаются как ученые, так и обыватели, в особенности жители мегаполисов, чем является воздух, который мы вдыхаем. Ни для кого не секрет, что наличие гигантского количества заболеваний хроническим бронхитом и астмой, включая врожденные случаи данной болезни, объясняются токсическими и загрязненными выбросами в атмосферу промышленных предприятий и бытовых устройств. Картина мира, в котором, чтобы не умереть от рака легких в 30 лет нужно дышать через фильтр, изображенная Стивеном Кингом в «Бегущем человеке» становится не такой уж фантастической. В данной связи ученые проводят исследование поведения наночастиц в атмосфере и последствия их вдыхания человеком. Параллель опасений очевидна: микрочастицы обычных промышленных веществ вызывают заболевания легких: антракоз, силикоз, асбестос, гранулему. Не станут ли столь же опасны наноэлементы? В 2006 году на конференции «Нанотехнологии 2006: токсичность наночастиц» ученые из Мичиганского университета представили результаты своих наработок. В результате опытов над лабораторными грызунами была выявлена высокая чувствительность клеток эпителия дыхательной системы к наночастицам, которые накапливались в носовых путях подопытных животных, вызывая риниты и другие, более тяжелые заболевания. Не меньшее внимание привлекает проблема влияния наноматериалов на окружающую среду. Так, три года назад группой западных ученых было проведено исследование о риске для окружающей среды пяти основных типов наноматериалов, включая нанотрубки, квантовые точки и бакиболы. Исследователи определяли различные типы рисков загрязнения для разных технологических операций, включая производство лекарств, очистку нефти. На основании полученых данных сделан вывод, что создание наноматериалов представляет меньший риск, чем текущие индустриальные процессы. Ученые из университета Пердью (Purdue University) в США пришли к выводу, что наночастицы, попадающие в почву не причинят экосистеме никакого заметного вреда. Был проведен ряд опытов, в которых фуллерены помещали в различные виды почв и затем исследовали их поведение и их влияние на микроорганизмы и минеральные вещества. Фуллерены представляют собой каркасные сферические многогранники, составленные из правильных пяти- и шестиугольников с атомами углерода в вершинах. Существенные изменения могли бы стать фатальными для элементов пищевых цепочек растений. Однако результаты наблюдений показывают, что никакой негативной динамики не производит: микроорганизмы живут и здравствуют, баланс веществ не затронут. Другой проблемой является исследование поведения наночастиц в воде. На данный момент этот вопрос разработан слабо. Вопрос сложен тем, что необходимы комплексные исследования по поводу способности каждого из видов грунтов или искусственных фильтров задерживать те или иные наночастицы. Данным вопросом занимаются в настоящее время ученые из Технологического института Джорджии (Georgia Institute of Technology). Ими проводилась серия опытов, в ходе которых через колбы, заполненные песком, грунтом, микрогранулами стекла и иными материалами пропускалась вода, содержащая фуллерены. Выяснилось, что песок задерживает до 80% наночастиц, однако ученые также пришли к выводу, что на фильтрацию влияет состав воды. Наличие в воде гуминовой кислоты или поверхностно-активных веществ позволит наночастицам свободно проходить через песок. В целом картина, складывающаяся на основании анализа данных проведенных исследований, позволяет придти к выводу, что нанотехнологии не настолько вредны, как можно было бы предположить: наночастицы не отравляют землю и воду, а попадание их в организм не фатально и может быть ограничено системами фильтрации. Как писал Ницше, «то, что нас не убивает, делает нас сильнее».

Учеными давно выдвигается идея о том, что нанотехнологии не только не нанесут экологии вреда, но и смогут помочь ей восстановиться после нанесенного в двадцатом веке нокаута. Уже появилось новое направление, называемое на западе нанокологией (nanocology). Во первых, не стоит забывать какой принципиальный скачок в индустрии солнечных батарей мы можем совершить с помощью нанотехнологий. А это означает отказ от массового сжигания каменного угля и нефтепродуктов, исчезновение опасности парникового эффекта и разрывов в озоновом слое, последствий разливов нефти и выбросов отходов нефтепереработки, загрязнения воздуха продуктами сгорания. Что касается токсических выбросов, содержащих соединения мышьяка, ртути, кадмия, свинца, то и тут нанотехнологии могут выручить: достаточно запустить механизм, превращающий химический состав выбросов в нетоксичные вещества и элементы.

По словам директора Ассоциации Экологической Инженерии Алана Лисса «Изучая экосистему, мы понимаем, что ее функции осуществляются определенными организмами или группами организмов. Эту роль могут выполнять и нанообъекты, управляющие экопроцессами там, где бессильны естественные регуляторы. Такие объекты (ученый называет их nanotech managers) могут восстанавливать поврежденные элементы биологических цепочек и вновь запускать нарушенные биопроцессы». Не стоит, безусловно считать будущее технологии радужным и безоблачным. Правильное понимание нанопроцессов и побочных эффектов, создание систем фильтрации нового поколения, ограничение недобросовестных производителей и террористов – лишь некоторые пункты из списка задач, которые нам предстоит решать. Однако нам следует понимать, что выгоды от применения нанотехнологий будут перевешивать возможные трудности на пути их внедрения. Пока, что «чаша весов» в дискуссии о нанотехнологиях склоняется в сторону их лоббистов. Во многом это обусловлено тем, что любая «прорывнвная» технология потенциально связана с накоплением и расширенным воспроизводством крупного капитала. Под его влиянием сугубо научно- исследовательские задачи нередко приобретают второстепенный характер. А на передний план выдвигаются задачи маркетингового характера.[10]

Так или иначе, каждый совершеннолетний гражданин должен представлять себе возможности и риски, которые возникают в связи с развитием новых технологий, хотя бы для того, чтобы с пониманием принимать участие в многочисленных общественных и политических дискуссиях относительно условий их применения и дальнейшего развития.

В мировой науке наблюдается новое и очень интересное явление — проведение междисциплинарных исследований на основе срастающихся и взаимно дополняющих друг друга наук и технологий, в результате чего неожиданно появляются новые продукты и методы. Этот феномен даже получил специальное название слияния или сходимости технологий.

Тем не менее, некоторые академические, ву­зовские и отраслевые лаборатории были переориентированы на исследования в области нанотехнологий и наноматериалов, хотя большинство из них по-прежнему не располагало необходи­мым современным оборудованием. Достаточно сказать, что электронный микроскоп высокого разрешения HREM TECHNAI стоит около 4 млн. долл., а чистая комната достаточно высокого класса - и того больше. Цифры для не федеральных вузов пугающие. Однако может случиться и такое, когда цифры будут реальными, а кадров не будет. Успешная реализация нанотехнологического проекта невозможна ни в одной стране, если ей не удастся подготовить или привлечь со стороны специалистов, хорошо владеющих одновременно знаниями в области математики, физики, химии, механики, биологии. Лишь междисциплинарные образовательные программы способны обеспе­чить нанотехнологический прорыв (Третьяков). Созданный в МГУ в 1995 году факультет наук о материалах может служить своеобразной моделью междисциплинарного естественнонаучного образования, обеспечивающего многоуровневую подготовку материаловедов-исследователей, включая бака­лавров, специалистов и магистров по направлению "Химия, физика и механика материалов,

В президентской инициативе "Стратегия развития наноиндустрии", утвержденной Президентом Российской Федерации, одним из основных инструментов государственной политики в сфере нанотехнологий определена федеральная целевая программа "Развитие инфраструктуры нано индустрии в Российской Федерации на 2008 - 2010 годы". В Беларуси исследования в области наноматериалов проводятся в рамках госпрограммы фундаментальных исследований «Наноматериалы и нанотехнологии» на 2003—2010 годы.

Инфраструктура наноиндустрии должна создаваться не для отдельных организаций, а в виде инфраструктуры национальной нанотехнологической сети, представляющей собой совокупность организаций различных организационно-правовых форм, выполняющих фундаментальные и прикладные исследования, осуществляющих разработки и коммерциализацию технологий, деятельность которых в этой области координируется федеральными органами исполнительной власти на межотраслевом уровне. Важнейшими элементами формируемой инфраструктуры наноиндустрии являются: приборно-инструментальная и производственно-технологическая составляющая, которая характеризует материально-техническую и метрологическую базы различных направлений развития наноиндустрии; информационно-аналитическая составляющая, которая обеспечивает координацию работ, полноту и актуализацию сведений о перспективных разработках, технологиях и кадровом потенциале в сфере наноиндустрии; методическая составляющая, которая регламентирует безопасность создания и применения нанотехнологий и наноматериалов, механизмы регулирования развития наноиндустрии, обеспечивает гармонизацию российских и иностранных нормативных и методических документов по обеспечению единства измерений и подтверждения соответствия продукции наноиндустрии.

Формирование инфраструктуры наноиндустрии должно стать важнейшим стратегическим направлением, определяющим новые подходы к преобразованию высокотехнологичной промышленности России и Беларуси.