Наночастицы - Нанотехнологии и наноматериалы
advertisement
Федеральное министерство образования и научных исследований Наночастицы – крохотные частицы с огромным потенциалом Возможности и риски Перечень изображений Первая страница: атомная поляна: группа профессора Кёлера (Köhler), RUB г. Bochum; гекконы: д-р. Станислав Горб (Stanislav Gorb), Институт металловедения, Штутгарт; Губка Менгера: Калифорнийский университет в Беркли, США; Наночастицы: Нотердамский университет, Индиана, США; Пирамида: Технический университет г. Карлсруэ; Портрет, небо, монтаж: Сузи Коппенс (Suzy Coppens), студия BergerhofStudios, Кёльн С.5: слева сверху вниз: 1,2: Bergerhof Studios, Кёльн; 3–5: Лаборатория РЕМ при Базельском университете; 6: химический факультет Билефельдского университета; середина: студия Bergerhof Studios, Кёльн; справа сверху вниз:1,2: студия Bergerhof Studios, Кёльн; 3: Лаборатория РЕМ при Базельском университете; 4: Лаборатория РЕМ при Базельском университете; 5: Центр нанотехнологий, Мюнстер; 6: Бернд Таллер (Bernd Thaller), Advanced Visual Quantum Mechanics С.6: Задний план: компания HasekeGmbH&Co.KG, Порта-Вестфалика С.7:слева направо: Марбургский Университет; Федеральный институт оценки рисков, Берлин; НИИ GSF ГмбХ, Нойхерберг; K/Tgeo Services, Inc., США С.8: сверху: NASA/ESA; снизу: студия Bergerhof Studios, Кёльн С.9: сверху: студия Bergerhof Studios, Кёльн; снизу слева: NASA/ESA; справа: Институт геофизики при Мюнхенском университете С.10: слева: Saito Laboratory, Department of Quantum Engineering, Нагойский университет, Япония; справа: Центр нанотехнологий, Университет г. Дуйсбург-Эссен С.11: слева: Институт новых материалов INM г. Саарбрюккен; справа: студия Bergerhof Studios, Кёльн С.12: студия Bergerhof Studios, Кёльн С.13: слева направо: 1–4,7,8: студия Bergerhof Studios, Кёльн; 5: компания Duales System Deutschland GmbH, Кёльн; 6: e-Letter Штутгартский университет Выходные данные Издатель Федеральное министерство образования и научных исследований (BMBF) Отдел „Наноматериалы; Новые вещества“ 53170 Бонн, Германия Заказы В письменном виде на адрес издателя Абон. ящик 30 02 35 53182 Бонн или по телефону / факсу: Тел.: +49 01805 - 262 302 Факс: +49 01805 - 262 303 (0,14 Евро/мин. из немецкой сети) E-Mail: books@bmbf.bund.de Интернет: http://www.bmbf.de Редакция VDI Технологицентрум ГмбХ (VDI Technologiezentrum GmbH) Д-р Вольфганг Лютер (Wolfgang Luther) Д-р Герд Бахманн (Gerd Bachmann) Депт. Консалтинг по технологиям будущего (Zukünftige Technologien Consulting) Автор Д-р Матиас Шуленбург (Mathias Schulenburg), г. Кёльн Дизайн Сузи Коппенс (Suzy Coppens), г. Кёльн www.bergerhof-studios.de Печать WAZ Druck, Дуйсбург Бонн, Берлин 2008 С.14: сверху вниз: Princeton Art Museum, Принстон, Нью-Джерси; K/T Geo Services, Inc.; слева: Musée Guimet, Париж; справа: Дрезденский технический университет С.15: студия Bergerhof Studios, Кёльн С.16: сверху: студия Bergerhof Studios, Кёльн; снизу: GezelterLab, Нотердамский университет, Индиана, США С.17: НИИ г. Россендорф С.18: слева: НИИ г. Россендорф; справа: компания Evonik Industries AG,Эссен С.19: компания Evonik Industries AG, Эссен С.20: студия Bergerhof Studios, Кёльн С.21: компания Bio-Gate AG, Нюрнберг С.22, 23: компания Evonik Industries AG, Эссен С.24: слева: Институт физической химии при Гамбургском университете; сверху: Институт научной математики при Техническом университете г. Дрезден; снизу Технический университет г. Карлсруе С.25: NASA; факультет физики при Калифорнийском университете, США; Монтаж: студия Bergerhof Studios, Кёльн С.26: компания Capsulution NanoScience AG, Берлин С.27,28: компания MagForce Nanotechnologies AG, Берлин С.29: студия Bergerhof Studios,Кёльн С.30: компания Aquanova AG, Darmstadt С.31: сверху: студия Bergerhof Studios, Кёльн; снизу: Fraunhofer НИИ кремниевых технологий им. Фраунгофера, Итцхое С.32–33: студия Bergerhof Studios, Кёльн С.34–37: компания GSF-Forschungszentrum GmbH, Нойхерберг С.38: компания Beiersdorf AG, Гамбург С.38: профессор Тильман Бутц С.40: НИИ биохимии и НИИ морской микробиологии им. Макса Планка, Бремен С.41: НИИ г. Карлсруе и НИИ твердого тела и материалов, Штутгарт С.43: слева: компания Daimler AG, Штутгарт; справа: компания GSF-Forschungszentrum GmbH, Нойхерберг С.44–45: студия Bergerhof Studios, Кёльн С.46: R.Wang, центр National Center for Electron Microscopy С.47: компания Flad&Flad Communication GmbH, Герольдсберг С.48: компания Empa-Materials Science&Technology, Санкт-Галлен С.50: компания Bio-Gate AG, Нюрнберг С.51: Источник: Портал нанотехнологии Гессен; графика студии Bergerhof Studios, Кёльн С.52–53: студия Bergerhof Studios, Кёльн С.54: Ульмский Университет С.55: слева сверху: химический факультет Билефельдского универстета; справа сверху: Университет г. Дуйсбург/Эссен; слева снизу: Saito Laboratory, Department of Quantum Engineering, Нагойский университет, Япония; справа снизу: Saito Laboratory, Department of Quantum Engineering, Нагойский университет, Япония Федеральное министерство образования и научных исследований Наночастицы – крохотные частицы с огромным потенциалом Возможности и риски ПРЕДИСЛОВИЕ Предисловие В рамках плана действий «Наноинициатива – 2010», принятого в 2006 году в русле развития стратегии высоких технологий, впервые была разработана единая межотраслевая программа, объединяющая все аспекты нанотехнологии под одной крышей - от содействия мелким и средним предприятиям, поддержки в реализации важнейших нововведений и усиленных исследований рисков, вплоть до широкого диалога с обшественностью относительно перспектив и результатов использования нанотехнологий. Эта брошюра предлагает вам заглянуть в мир наночастиц, объясняя технологии их производства и использования, здесь же вы найдете описание способов возникновения наночастиц в природе. Кроме того, брошюра содержит информацию об уже изученном воздействии наночастиц на состояние здоровья, об общественном восприятии и фактических рисках, а также способах их предотвращения. Тем самым, мы хотим внести свой вклад в предметное и серьезное обсуждение вопросов нанотехнологий. Предлагаем вам узнать новое из мира наночастиц и принять участие в диалоге о развитии нанотехнологии одной из важнейших технологий будущего. Эта брошюра содержит важную информацию о достижениях и развитии в этой области. Без наноматериалов, структуру которых нам сложно наблюдать даже с помошью специальных приборов, наша повседневная жизнь уже не мыслима. Благодаря им наши автомобили становятся более экологически чистыми и надежными, медикаменты более эффективными, и в тоже время - щадящими, а мобильные телефоны и ноутбуки все компактнее и мощнее. Кроме того, нанотехнология несет в Д-р Аннетт Шаван, федеральный министр образования себе большой потенциал для использования в и научных исследований сфере защиты климата и природных ресурсов. Ведь только с помощью нанотехнологии возможна разработка эффективных технологий охраны окружающей среды и методов использования возобновляемой энергии. 1 Cодержание Все нано или …? 4 Информационная справка: Наночастицы на летней поляне 5 Зоопарк наночастиц 7 Откуда появляются наночастицы? 8 Промышленное производство наночастиц Случайное образование наночастиц Наночастицы домашнего приготовления Круговорот веществ Нанотехнологии предков Наночастицы в техносфере Наночастицы из палладия на оболочках бактерий для катализа Наноматериалы для новых литий-ионных аккумуляторов Использование наночастиц: серебро – убийца бактерий Опыт промышленного производства наноматериалов Интервью с д-ром Маркусом Придёлем Квантовые точки Экзотические наночастицы: графены Наночастицы в биосфере Нанотехнологии в здравоохранении и медицинской технике Нанотехнология в пищевой промышленности 10 12 12 13 14 16 17 18 20 22 22 24 25 26 26 28 2 3 Содержание Влияние наночастиц на здоровье Окно в человеческий организм Информационная справка: История с асбестом не должна повториться Насколько опасны наночастицы? Исследования аэрозолей, способных проникать в легкие Опасность для сердца и сосудов Влияние наночастиц на кожу Интервью с профессором Тильманом Бутцом Общественное восприятие и дискуссия Нано – как все начиналось Истерия вокруг «нано» Конец «нанороботов» Наноподдделки Наномифы Нано‐споры Управление нанотехнологическими рисками Наноаналитика – основа для анализа рисков Участие Федерального правительства в нанотехнологических проектах Федеральный проект исследования безопасности нанотехнологий NanoCare Интервью с профессором Гаральдом Кругом Активность промышленного сектора 32 32 33 34 35 37 38 38 40 40 40 41 42 42 43 46 46 47 48 48 50 Крохотные частицы с огромным потенциалом возможности и риски нанотехнологий 52 Глоссарий 54 Дополнительная информация 56 Перечень сокращений 57 4 Все нано или…? Один нанометр равен миллионной части одного миллиметра. Это очень, очень мало; атомы основные кирпичики нашей жизни - всего лишь в десять раз меньше одного нанометра. В точке над i помещаются намного больше чем 1010 точек диаметром в один нанометр, т.е. более 10.000.000.000. Нанотехнология – это искусство использования в соответствующих целях и со знанием дела структур веществ размером от одного до ста нанометров, обладающих полезными функциями. При этом выражение «со знанием дела» очень важно, так как иначе нанотехнологией можно было бы назвать и маслоделие, ведь молоко содержит бесчисленное количество наночастиц, но для сбивки масла этого знать не надо. В клетках любого живого организма, любого растения полным-полно наночастиц. Технология наночастиц ограничивается использованием исскуственно полученных наночастиц. В сфере экономики им придается на данный момент чрезвычайно большое значение. Наномасштабные частицы можно найти в красках, разрушающих пахучие вещества; на хирургических инструментах, остающихся стерильными сами по себе; в солнцезащитных кремах, после нанесения которых нос не становится белым; в таблетках мгновенно высвобождающих свои действующие вещества и так далее. Слово «нано» является для многих менеджеров в сфере маркетинга настолько привлекательным, что они пишут «нано» даже там, где его совсем нет. Как правило, наночастицы обладают другими свойствами, чем тот же материал в более крупном масштабе. Если золотое обручальное кольцо блестит желтым цветом, то наночастицы золота могут окрасить бокал вина красным цветом, что в данном случае объясняется законами квантовой механики, предусматривающими для очень мелких веществ совсем другие правила поведения. Например, золото в крупном масштабе - химически малоактивное вещество; в объеме нанокластера или нанокомочка оно может быть каталитически активным, как, например, платина в составе катализатора. Наночастицы уже по геометрическим законам обладают большей реакционной способстью, так как доля поверхностных атомов растет по мере уменьшения размера частицы. Поверхностные атомы склонны к образованию соединений. Некоторые наночастицы, поэтому должны храниться в защитной газовой среде, так как на воздухе они ВСЕ НАНО ИЛИ ...? мгновенно сгорают. Также возможны взрывы пыли, что не является характерным свойством только лишь наночастиц: подобные взрывы могут возникать, например, и в мучной пыли. Поэтому дорогую нанопыль необходимо беречь как зеницу ока и в силу финансовых причин, не говоря уже о производственной безопасности. Высокая концентрация поверхностных атомов в нанокластерах, содержащихся в большой пропорции в ненасыщенных химических соединениях, делает данное состояние материала привлекательным для катализа, что позволяет ускорять химическую реакцию без расхода катализатора. Так как наночастицы обладают высокой реакционной способностью, они охотно соединяются друг с другом. При определенных условиях это необходимо предотвращать посредством нанесения специального защитного слоя во избежание потери преимуществ наномасштабности. С другой стороны, освободившиеся наночастицы, из-за готовности к соединению с другими частицами, разряжаются сами, объединяясь в более крупные группы. Тем не менее, пока неорганические твердые, керамические или металлические наночастицы находятся в центре внимания, ученые видят необходимость в научных исследованиях относительно их безопасности для человека. Не забыт еще печальный опыт с таким нагоняющим страх понятием, как «асбест», канцерогенная способность которого на протяжении многих лет отрицалась, хотя имелись однозначные признаки этой опасности (см. стр. 33). В рамках целого ряда специальных программ Федеральное министерство образования и научных исследований поддерживает в связи с этим исследования в области безопасности технологии наночастиц. Далее в тексте будут подробно описаны риски данной технологии, а также и возможности, связанные с ней. Возможностей настолько много, что они в состоянии частично компенсировать ожидаемые последствия неизбежной глобальной индустриализации мира. Поэтому необходимо взвесить возможные риски по сравнению с возможностями, упущенными из-за отказа от использования наночастиц. Диапазон возможных рисков можно оценить только на основе результатов проведенных исследований по безопасности наночастиц. До тех пор ученые и промышленные предприятия будут прилагать все усилия для выявления возможных вредных воздействий и их предотвращения. Наночастицы, впрочем, не являются привилегией технических наук; они являются структурными элементами природы и найти их можно на каждой поляне. 5 ВСЕ НАНО ИЛИ …? Наночастицы на летней поляне Природа полна нанотехнологических тонкостей. Цикады защищаются как от воды, так и от грязи при помощи оболочки, содержащей многочисленные «брохосомы», воздушные белковые шарики, форма которых частично похожа на извес-тные фуллерены С60. - Сразу после сбрасывания кожи на брюшке цикады выступает молочкообразная капля, которую она распределяет при помощи конечностей по всему брюшку, где жидкость затвердевает в виде воскообразного защитного слоя. Фуллерены С60 диаметором в один нанометр в сто раз меньше брохосома. В природе можно найти фуллерены, например, после лесного пожара; но наполнение такими чужеродными атомами, как атомами азота, возможно только в лаборатории. Такой экзотический материал можно в будущем использовать в качестве решающего блока квантового компьютера. Если достаточно увеличить масштаб изображения головы улитки, то можно увидеть «рашпильные» зубчики из минеральных компонентов размером менее микрометра. И, конечно же, бактерии. Их оболочка и оболочка других клеток покрыты множеством наномасштабных ворсинок, являющихся сенсорами для внешнего мира, их запуск активирует сложные многоступенчатые реакции внутри клетки. В конце этого путешествия находится атом водорода диаметром в одну десятую нанометра – это самый мелкий из всех атомов. Если возбуждать его энергетическим зарядом, то объем его электронной оболочки значительно увеличивается, и она приобретает весьма сложную структуру. За пределы атома водорода нанотехнология не выходит, структуры объема меньшего, чем атом водорода, пока еще не доступны. 6 ЗООПАРК НАНОЧАСТИЦ Зоопарк наночастиц Наночастицы существуют в многочисленных вариациях, что говорит об их необычайности и привлекательности. В одной частице могут сочетатся различные свойства. Например, твердые минеральные ядра с водоотталкивающими химическими оболочками – из такого материала можно изготовить грязеотталкивающий автомобильный лак. Наночастицам можно придать различные особенности. Например, наночастицы с магнитным ядром могут быть покрыты спецальным слоем, ядовитым для раковых клеток, за которым следует второй слой из антител, которые оседают только на раковые клетки. После этого процесса (drug targetting), переменные электромагнитные поля нагревают магнитные ядра, находящиеся как раз в нужном месте, за счет возникшего тепла антираковое вещество первого слоя освобождается. На этот метод лечения возлагаются большие надежды, что вероятно обосновано - такие хитроумные методы в ближайщем будущем станут бесценным лечебным инструментом. В любом случае, концепция наночастиц предлагает возможности, которые отсутствуют в классической химии веществ (см. главу «Медицинская техника», стр. 26). С другой стороны, множество вариантов наноначастиц усложняет жизнь токсикологам. В простом химикате (например, в хлористом натрии, или поваренной соли) вещество определяется посредством химической формулы NaCl и степени чистоты вещества, а для водонерастворимой наночастицы оксида металла необходимо к тому же знать размер, форму и кристаллографический класс для того, чтобы результаты токсикологических исследований можно было бы сравнить. Ведь все вышеперечисенные характеристики могут оказать Область применения наночастиц очень широка. ЗООПАРК НАНОЧАСТИЦ влияние на возможную токсичность. При этом необходимо также указать процесс изготовления, который определяет, например, степень загрязнения поверхности частиц. Процесс идентификации наночастиц, при котором определяются их свойства намного сложнее, чем для классических химикатов. Для анализа всех возможностей технологии наночастиц необходимо многомерное отображение, например, по методу «морфологического ящика», 7 наподобие метода, разработанного Фрицом Цвикки, швейцарским и американским астрофизиком, умершим в 1974 году. Концепция Цвикки позволила ему в свое время добиться высоких результатов, как в научном, так и в коммерческом смысле. Приведенная ниже схема является первой попыткой составления морфологической таблицы. Наночастицы можно создаавать в бесчисленных вариантах. ОТКУДА ПОЯВЛЯЮТСЯ НАНОЧАСТИЦЫ? 8 Откуда появляются наночастицы? Наночастицы – не изобретение человека, найти их можно и в природе, хотя и в других формах, отличных от тех, которые используются в промышленности. Например, песок в провинции Бранденбург образуется в результате выветривания так называемого Балтийского щита, горного массива, вершина которого доходила когда-то до воздушных дорог современных крупных самолетов. Его распространения коррозия – причина миллионов мелких частиц в природе, ведь нет закона природы, согласно которому процесс выветривания не срабатывает для наноразмерных частиц. Но продукты выветривания в наноразмерном масштабе склонны к повторному объединению в более крупные частицы, Технические наночастицы защищены от этого посредством специальных оболочек, за счет чего нанотехнические преимущества не теряются. Тем не менее, пылевые бури Сахары, которые разносят столько песка над океаном, что они видны из космоса, дают представление о том, какие объемы наномасштабного кварца (диоксида кремния SiO2) находятся в атмосфере, конечно, не видимые невооруженному глазу. unterwegs sein mag, unsichtbar, natürlich. Пустыня Сахара производит ежегодно огромное количество минеральной пыли, содержащей, в том числе, и наномасштабные частицы. Такая пыль состоит большей частью из смешанных оксидов кремния, аллюминия, титана, железа, калия и кальция. Пыль Сахары содержит также железистые соединения, которые прямо-таки удобряют морские регионы, в которых она оседает. В результате чего быстро растущие водоросли производят диметилсульфид, молекулы которого образуют в воздухе мелкие кристаллы, также являющиеся наночастицами. На большой высоте на них конденсируются капли воды и образуются облака: наночастицы, вызывающие дождь. Наномасштабная пыль оседает на крыши автомобилей, но она не видима невооруженным глазом. Такие элементы, как кремний синтезируются в звездах, они находятся в виде наночастиц в звездной атмосфере, в межзвёздном пространстве и постоянно опускаются на Землю . ОТКУДА ПОЯВЛЯЮТСЯ НАНОЧАСТИЦЫ? Частицы железа, находящиеся в морской воде, тоже собираются в наночастицы, в виде магнитотактических бактерий. Они образуют цепи из наномасштабных кристаллов магнетита. На это есть веские причины, так как магнитные цепи действуют как компасные стрелки, направляющие бактерии по наклонному геомагнитному полю в различные слои воды. При попадании в эти слои бактерии сохраняют свои основные свойства. При извержении вулкана высвобождается большое количество наночастиц. 9 Месторождения песка являются остатками выветренных гор. В процессе выветривания также образуются наночастицы, при открытом песке особенно через ветровую эрозию. Бактерии опускаются на морское дно в таком количестве, что они могут считаться ответственными за формирование месторождений железной руды. Как только бактерии опускаются на дно, они ориентируются параллельно к имеющемуся геомагнитному полю и, тем самым, навсегда фиксируют его направление. Так наночастицы стали свидетелями так называемого спрединга морского дна (Seafloor spreading), подвижки земной коры на дне океанов. Из этого можно сделать вывод: магнитные частицы всегда присутствовали в достаточном количестве. При купании люди могут наглотаться их даже в пресной воде, так как магнитотактические бактерии имеются повсюду. Наночастицы из магнетита, впрочем, настолько совершенны, что ведутся исследования возможностей их использования в сфере высоких медицинских технологий. Магнитотактическая бактерия. 10 ОТКУДА ПОЯВЛЯЮТСЯ НАНОЧАСТИЦЫ? Слева: сетки из углеродных атомов встречаются в различных формах. Например, сверху вниз: фуллерены С80, конус, двухстенная углеродная нанотрубка (DWNT), трехстенная углеродная нанотрубка (MWNT). Экзотические частицы тоже имеют природное происхождение. Достаточно одного лесного пожара, чтобы образовалась целая гамма так называемых фуллеренов: нанотрубки, графены, фуллерены - это вещества, которые уже зарекомендовали себя в современной органической химии. Промышленное производство наночастиц Есть два принципиально различных метода получения наночастиц. Например, можно расщеплять достаточно большой кусок материи до тех пор, пока размер фрагментов не будет составлять один нанометр. В промышленности есть широко распространенный метод уменьшения размера минеральных компонентов посредством шаровых мельниц. В целях достижения наномасштабов порошки типичных наночастиц размером в 50 кмк вместе с шарами из закаленой стали или карбида вольфрама помещаются в закрытый сосуд, который затем приводится в быстрое движение. Этим методом можно достичь размера от 3 до 25 нм. Такие методы относятся к категории «top-down», т.е. сверху вниз, от больших к мелким структурам. Для развития более мощных и удобных в обращении электронных Плазменный реактор Центра нанотехнологий при Университете г. Дуйсбург-Эссен. Желтоватое сияние в верхней части плазменного факела вызывается горячими частицами. Похожим образом в помышленности производятся многие частицы. ОТКУДА ПОЯВЛЯЮТСЯ НАНОЧАСТИЦЫ? приборов, таких как ноутбуки, мобильные телефоны или цифровые плэйеры данный метод миниатюризации используется в информационной технике не один десяток лет. Другой метод представляет собой формирование наномасштабных частиц из мельчайших известных элементов, т.е. атомов и молекул. Он называется «bottom-up», т.е. снизу вверх. Для создания таких частиц наша природа предпочитает именно этот метод. Примером данного метода может служить получение наночастиц определенной материи, для которого необходимо наличие соответствующих исходныех субстанций. Для получения частиц, содержащих железо, нужно измельчить хлорид железа FeCl3 с натрием в шаровой мельнице, в защитной газовой среде. Два вещества вступают в реакцию и образуют наномасштабные частицы из железа и хлористого натрия - поваренной соли. Последнее можно легко вымыть водой, после чего остаются только наночастицы железа. Особенно зрелищный вид метода «top-down» – электровзрыв. При этом через тонкую металлическую проволоку протекает очень короткий, но очень сильный импульс тока. 11 Проволока при этом нагревается до 20.000-30.000 °C и распадается на атомные компоненты, т.е. превращается в раскаленное плазменное облако, которое удерживается магнитным полем. Процесс происходит в закрытой, наполненной газом емкости. Металлическое облако вступает в реакцию с этим газом и соединяется с ним; в инертном газе образуются наночастицы из чистого металла. Эти частицы настолько легко соединяются, что уже при низких температурах они образуют сплавы; так из распавшихся под воздействием электричества медного и цинкового порошков уже при 200 °C образуется желтая медь. Золь-гель-реактор готов к работе с наимельчайшими частицами. Для домашнего изготовления наночастиц в майонезе достаточно наличие мощного миксера. Диаметр большинства капель жира/уксуса измеряется однако в микрометрах, иначе майонез был бы прозрачным. При очень популярном методе «bottom-up», так называемой золь-гель технологии, используются приемы, напоминающие процессы приготовления пищи на кухне, например, приготовление майонеза. Майонез состоит из смеси капель уксуса в масле, соединенных посредством сильного перемешивания. Для получения наночастиц в промышленности используются похожие смеси. Если, например, такие частицы образуются при реакции двух компонентов, один из которых может быть только в каплях, а другой подводится посредством вещества-носителя, то оба вещества вступают в реакцию между собой в объеме ограниченных реакционных возможностей капель и при образовании наночастиц реакция останавливается. 12 ОТКУДА ПОЯВЛЯЮТСЯ НАНОЧАСТИЦЫ? Случайное образование наночастиц Существует много методов получения наночастиц, и к ним постоянно добавляются новые. Что касается вопроса о токсичности намеренно или случайно полученных наночастиц, имеется ряд причин для беспокойства относительно нежелательности их образования. В ходе исследования «Industrial application of nanomaterials – chances and risks» (Промышленное использование наноматериалов шансы и риски), проводимого Европейским Союзом, часто звучит: «Доля случайно полученных наночастиц, как например, при процессах сгорания в транспортных средствах или при пребразовании энергии, механических процессах изнашивания или при обычных промышленных процессах, в объеме техногенных эммиссий наночастиц больше, чем доля наночастиц, полученных промышленным путем». Нефильтрованные выхлопные газы автомобилей с дизельным двигателем содержат большое количество потенциально вредных наночастиц, образующихся в результате неполного сгорания горючего. Наночастицы домашнего приготовления При сгорании дров и в домашнем камине тоже образуются фулерены или нанотрубки. Органические наночастицы можно легко получить с помощью кухонных средств - достаточно наличие мощного миксера, уксуса и растительного масла. Тот, кого интересуют самые популярные частицы современной наносцены, должен всего лишь расплавить свинец: в саже, конденсированной на дне ложки, находятся фуллерены, нанотрубки, графены - и нанобриллианты. Наночастицы при растоплении свинца: сажа воскового пламени содержит наночастицы углерода в бесчисленных формах, среди них фулерены и бриллианты. ОТКУДА ПОЯВЛЯЮТСЯ НАНОЧАСТИЦЫ? Круговорот веществ Люди сталкиваются с наночастицами на почти всех этапах промышленной обработки веществ. В центре внимания исследований по безопасности находятся возможности предотвращения всех рисков, которые в принципе могут сопровождать нанотехнологические процессы. 13 К тому же с помощью нанотехнологий многие опасные вещества можно заменить на нетоксичные, широко распространенные субстанции, которые, кроме того, производятся с меньшими затратами энергии. Например, замена токсичного синего кобальта краской из частичек глины и индиго, изготавливаемой по старому рецепту индейцев майа (см. стр. 14). Наночастицы в круговороте веществ. 14 ОТКУДА ПОЯВЛЯЮТСЯ НАНОЧАСТИЦЫ? Нанотехнологии предков Люди с давних времен находили наночастицам практическое применение, однако они не знали об этом. Древнейшим примером могут служить предметы, изготовленные из глины. Глина состоит в основном из минерала каолинита, состоящего из очень тонких пластинок размером в несколько десятков нанометров. Они белого цвета, мягкие и пластичные, но их основное преимущество заключается в способности скользить друг на друге, как только минерал впитывает в себя воду. Поэтому глина такая пластичная и пригодная для мазки. Уже в 8-м столетии индейцы племени майа могли раскрашивать глиняные фигурки прямо-таки высокотехнологической краской, которая содержала глинистый минерал палыгорскит. Сверху: частицы каолинита под электронным микроскопом. Этот минерал является важным компонентом глины. Слева: нанотехника каменного века, 3000 лет до нашей эры. Фигурка Мергар из глины, выставляется в музее Восточных исскуств (бывший Музей Гиме) Голубой цвет древней мексиканской фигурки – высокостабильный нанокомпозит из пористого глинного минерала и органической краски. Под названием Mayacrom® эта нанокраска снова производится и заменяет ядовитые связи тяжелых металлов На своих месторождениях этот прозрачный минерал встречается порой в виде войлочных ковриков, поэтому он называется также «горной кожей». В нем много нанотонких каналов, заполненных водой. В результате нагревания материала, который вероятнее всего имет порошкообразную форму, и добавления голубой органической краски индиго индейцы майа могли синтезировать многослойный материал из органических и неорганических компонентов, краску высокой стабильности, которая могла пережить века. В США фирма MCI Mayan Pigments, Inc. возобновило производство старых красок племени майа. Дамасские клинки были очень известны в средние века благодаря своим узорам, остроте лезвия, и, прежде всего, ударостойкости. В совремменой металлургии долгое время не могли найти научное объяснение этим свойствам; но в конце 2006 года ученые факультета структурной физики Технического университет г. Дрезден нашли возможное решение загадки: Дамасские клинки обязаны своей устойчивостью нанотрубкам из углерода ОТКУДА ПОЯВЛЯЮТСЯ НАНОЧАСТИЦЫ? дамасские клинки содержат углеродные нанотрубки, которые частично наполнены цементитом, соединением железа с углеродом. Видимо данное укрепление при помощи нанопроволоки придает дамасским клинкам их легендарные свойства или, по меньшей мере, объясняет их ударостойкость. Древние кузнецы не могли знать о счастливых обстоятельствах существования наночастиц, но имели умелые руки и светлые головы, они проводили эксперименты с древесиной, листвой и специальной железной рудой из Индии. 15 Стекольщики средних веков тоже знали толк в окрашивании стекла с помощью наночастиц. Яркий красный цвет церковных витражей получается благодаря наимельчайшим, наномасштабного размера, частицам золота. Эта краска вечная. Амьенский собор. Красный цвет средневековых витражей получается благодаря коллоидным наноэлементам золота. 16 НАНОЧАСТИЦЫ В ТЕХНОСФЕРЕ Наночастицы в техносфере Если переоснастить все 800 миллионов автомобилей, заполняющих наши дороги, на экологически чистую технологию топливных элементов, использующую платину в качестве катализатора, то, по мнению ученых, экономически пригодные резервы платины были бы истощенны в течение 15 лет. По данным Геологической службы США запасы индия, необходимого, например, в компьютерной промышленности для производства плоских экранов, могут иссякнуть раньше других высокотехнологических компнентов, возможно уже через 10 лет. Если не для всех, то для многих хай-тэкэлементов ограниченного объема технология наночастиц сможет обеспечить полноценную замену, основу которых составляют в основном неисчерпаемые запасы таких элементов, как углерод и кремний. При помощи нанотехнологий можно исследовать и использовать хитрые закономерности наномира в целях улучшения, оптимизации, а также повышения экономичности применения таких материалов, как платина. Платина в форме субмикроскопических мелких кристаллов является обычно каталитически активной, позволяя ускорять химическую Компьютерное моделирование наночастицы с золотым ядром и серебряной оболочкой. В слоях атомов можно тоже различить приоритетные слои. . В кристалле атомы сложены как фрукты на базаре. Если помидоры должны остаться целыми, то их надо уложить в определенном порядке в уровни в виде слоев, которые в зависимости от наклона являются более или менее ступенчатыми. реакцию, но при этом не расходоваться. В кристаллах основные элементы - атомы или молекулы – аккуратно сложены, как помидоры в овощном магазине. Компьютерное моделирование золотого кластера, ниже модели поверхностей кристалла. В базовом состоянии слева отображены преимущественно атомно гладкие плоскости; в активном состоянии справа видны атомно шершавые плоскости, которые, как правило, более активны в катализаторе. НАНОЧАСТИЦЫ В ТЕХНОСФЕРЕ 17 Совершенные нанокристаллы палладия растут в порах оболочки бактерии. При таких способах «упаковок» сфер невозможно укладывать элементы на любых уровнях, так как атомы, в отличии от помидоров, нельзя разрезать. Среди многих возможных форм ограничивающих плоскостей кристалла природа предпочитает такие, которые имеют гладкую атомную поверхность, в таких плоскостях большее число атомов имеет крепкие связи. Но в этом случае каталитическая активность не высока, за нее ответственны преимущественно ненасыщенные связи (dangling bonds), встречающиеся на шероховатых атомных граничных поверхностях. Данные «экзотические» поверхности можно стабилизировать посредством присадок различных легирующих элементов. Для осуществления катализа наномасштабные частицы имеют возможность перехода на менее активные субстанции, так как в наномашстабном размере обычно такие инертные вещества, как золото становятся активными, полупроводники становятся металлами, металлы полупроводниками. Особый вариант наночастиц был синтезирован Петером Штрассером в Центральном университете Хьюстона, Техас, США. Их ядро состоит из меди и кобальта, оболочка – из платины. В составе топливного материала такие наночастицы демонстрируют при распаде кислорода 4-5-кратную каталитическую активность чистой платины. Наночастицы из палладия бактерий для катализа на оболочках Порой нанотехнологам помогают непредвиденные помощники, как например, бактерия Bacillus sphaericus JG-A12. Эта бактерия была обнаружена группой биологов Научно-исследовательского центра в г. Дрезден-Россендорф на отработанном урановом руднике Йоханнесгеоргенштадт (Johanngeorgenstadt) в Саксонии. Для защиты от тяжелого металла урана бактерия образовывала очень прочную белковую оболочку. В основном оболочка покрыта очень равномерным узором наноскопических пор. Когда ученые НИИ привели оболочку бактерии в контакт с солевым раствором благородного металла палладия, они могли наблюдать в инфракрасном спектре плотное соединение солевых комплексов с их основой. При химической конверсии соли палладия в чистый металл в порах начинали расти крохотные нанокластеры, мелкие равномерные группы в 50-80 атомов. Эти нанокластеры проявляют намного большую каталитическую активность, чем палладий, распределенный обычным образом, например при очистке автомобильных выхлопных газов. 18 НАНОЧАСТИЦЫ В ТЕХНОСФЕРЕ Ученые научно-исследоватльского центра пытаются применять свои методы получения кластеров с помощью бактерий для других благородных металлов как, например, золота. Исследователи очень точно знают способ и место соединения благородного металла и оболочки Bacillus sphaericus JG-A12, и это позволяет им генетически настроить оболочку бактерии на такие действия. В будущем это позволит производить с помощью «жителей» урановой свалки материалы с новыми магнитными и оптическими свойствами. Таким образом, в наномире сюрпризы возможны в любое время. Технология наночастиц будет играть в будущем очень важную роль в деле восполнения нехватки материалов. Захоронение урановой руды, домашний адрес бактерии Bacillus sphaericus JG-A12, обладающей собственной оболочкой с равномерно размещенными порами. История использования сырьевых материалов всегда была изменчива. В 17 веке, например, совсем не знали проблем с недостатоком запасов платины. В колумбийском регионе Чоко этот металл, добывающийся вместе с золотом, считался даже нежелательной примесью, на сортировку которой уходили большие финансовые средства. В конце концов, нашелся один - хотя и нелегальный - метод использования: позолоченный слиток платины можно было продать как слиток золота, так как платина имеет плотность равную плотности золота. Поэтому подделку трудно было отличить от оригинала. Чтобы покончить с бесчинством, правительство приказало собрать груду платины и затопить ее в реке Богота. Наноматериалы аккумуляторов для новых литий-ионных Автомобили будущего не надо будет заправлять химическим топливом, если в наличии будут иметься аккумуляторы, которые способны будут вмещать большой объем электрической энергии за короткий период времени. Таких аккумуляторов еще нет, но их производство вполне реально, если с оптимизмом продолжать развитие литий-ионных аккумуляторов. Аргументом в эту пользу может быть необходимость усовершенствования определенных деталей, таких, как например, «сепаратор». Литий-ионные аккумуляторы нуждаются в изолирующем слое, который, с одной стороны, разделяет и сепарирует два электрода, поразному заряженных литий-ионами, и с другой стороны при необходимости пропускает литий-ионы. Интересный тип сепаратора был разработан немецкой фирмой Эвоник Индастрис АГ (Evonik Industries AG), ранее Дегусса (Degussa). Эта фирма разработала полимерный слой-ковер с тончайшими керамическими слоями на основе оксида алюминия. Это оказалось вполне возможным, потому, что наномасштабные вспомогательные средства позволили осуществить прокаливание, спекание частиц оксида алюминия уже при сравнительно низких температурах. Многослойный материал является - в отличии от того, что предполагает понятие «керамика» - до такой степени гибким, что процесс его производства возможен способом «рулона на рулон», как процесс изготовления бумаги. Материал под названием SEPARION® обещает повысить надежность литий-ионных аккумуляторов, а также значительно увеличить количество циклов заря- 19 НАНОЧАСТИЦЫ В ТЕХНОСФЕРЕ да/разряда. Согласно высказываниям компании Эвоник Индастрис АГ, норма для аккумуляторов, снабженных SEPARION®, составляет десять тысячь циклов - это в двадцать раз больше того, что приписывается современным аккумуляторам ноутбуков. Однако количество запасенной энергии в новых аккумуляторах тоже оставляет желать лучшего; но есть надежда, посредством наночастиц, получаемых в плазменном факеле, увеличить этот показатель в более, чем в три раза, для чего требуется устранить некоторые сложности. В случае успеха использование электромобилей станет вполне возможным, тем более, что сегодня имеется недорогая силовая электроника для эффективного запуска электромоторов. Существуют также современные магнитные материалы для производства легких и мощных моторов, для изготовления которых тоже возможно использование нанотехнологий. Литий-ионные аккумуляторы новейшего поколения оснащены керамической сепараторной фольгой, которая улучшает их термические и механические свойства. В дальнейшем литий-ионным аккумуляторам придут на замену быстро заряжаемые и разряжаемые ионисторы (Supercaps) с наномасштабными диэлектриками, посредством которых, например, можно электроэнергию, выработываемую при торможении электромобиля, быстро передавать в умеренных порциях в литийионный аккумулятор. С другой стороны во время пиков расхода энерги при увеличении скорости ионисторы будут помогать аккумулятору ее развивать. Разработка новых литий-ионных аккумуляторов и ионисторов активно финансируется Министерством образования и научных исследований в рамках проектов LiBaMobil и NanoCap. Большое количество циклов заряда/разряда новых литий-ионных аккумуляторов делает их пригодными для эффективного использования в качестве источника постоянной энергии, и тем самым может упростить развитие возобновляемых источников энергии, таких как ветер и солнечная энергия, с учетом их природных колебаний. Сепаратор Отрицательный электрод Сепаратор Положительный электрод 20 НАНОЧАСТИЦЫ В ТЕХНОСФЕРЕ Использование наночастиц: серебро – убийца бактерий На втором месте по частоте упоминания в нанотехнологическом контексте металлов, как в серьезных источниках информации, так и в желтой прессе, стоит сегодня серебро, при этом звучат как похвальные, так и настораживающие оценки. Этот металл является давнишним спутником технического прогресса и используется уже более 8000 лет. Еще Александр Македонский якобы ценил бактерицидные свойства этого металла и поэтому предпочитал серебряные емкости для воды. Несколько лет назад заговорили вновь о бактерицидном свойстве серебра, часто используемом раньше, так как растущая резистентность многих бактерий требует поиска альтернативных решений для применения антибиотиков. Как и другие металлы, серебро при переходе в наноскопическое состояние меняет некоторые свойства. Так, например, наночастицы серебра по сравнению с монолитным металлом при расчете на единицу массы оказывают более интенсивное влияние на бактерии и вирусы, причиной этого является повышенное содержание атомов на поверхности. В то время как в альтернативной медицине ионам серебра предписывается почти магическое влияние на тело и душу человека, экологические организации считают наночастицы серебра очень опасными и поэтому требуют прекращение продажи стиральных машин с встроенными генераторами наночастиц серебра. Но производитель стиральных машин считает, что «хотя речь идет о наночастицах серебра, серебро, сохраняет свои обычные свойства и является, с химической точки зрения, по-прежнему серебром в форме ионов. А им приписывается сильнейшое бактерицидное влияние». Дебаты по этому вопросу говорят, прежде всего, об одном: потребность в исследованиях и информированности населения стоит остро. Не предвосхищая результаты соответствующих научных исследований, можно все же сказать, что в промышленных странах имеется многолетний опыт работы с распыленным во внешней среде серебром, наблюдаемым повсеместно и существующим без какого-либо участия человека. Согласно данным 2000 года только в одной Вене ежегодно регистрируется наличие серебра в сточных водах массой в 1 тонну. Осадки сточных вод потом сжигаются, а их пепел распространяется над полями в качестве удобрения Так как в итоге возникла угроза превышения предельного значения содержания серебра на кило- Только за счет фиксации черно-белых фотографий в течение десятилетий в природу без видимых последствий попадали сотни тонн наномасштабного серебра. грамм пепла в 50 мг, было рекомендовано прекратить этот процесс. В других странах, например в Германии, использование несгоревших осадков сточных вод в качестве удобрений разрешено. Эти массы наверняка содержат высокодисперсное серебро. Содержание серебра в сточных водах Вены, также как и в других регионах, вызвано поступлением в воду отходов фотохимических процессов (фиксирующие растворы). Их объем во всем мире составляет 500 тонн серебра в год. Катастрофические последствия этого процесса до сих пор не были опубликованы. Эта статистика свидетельствует об огромной расточительности. При учете таких показателей, как потребность, производство и геологическое наличие – при условии, что они останутся неизменными - запасов серебра хватит всего на 12 лет, об этом свидетельствуют расчеты, проведенные в 2005 году известным ученымматериаловедом Армином Реллером, работающим в Университете г. Аугсбург. Если бы все 400.000 стиральных машин Вены работали с использованием наночастиц серебра и выбрасывали бы 0,05 грамма серебра в год, как это гарантирует НАНОЧАСТИЦЫ В ТЕХНОСФЕРЕ 21 производитель, то это равнялось бы 20 кг в год или 2% объема серебра, находящегося в остаточном продукте который легкомысленные фотографылюбители ежегодно до изобретения цифровых фотоаппаратов выливали в раковину. В настоящий момент ряд мелких и средних предприятий проводят исследования возможностей разумного использования бактерицидного действия высокодисперсного серебра, среди них фирма Био-Гейт (Bio-Gate) в г. Нюрнберг, исследующая вместе с учеными Общества им. Фраунгофера в г. Бремен возможности покрытия поверхностей медицинских инструментов антимикробным серебром. Это Снимки наночастиц серебра под растровым электронным микроскопом, средний размер частиц 50-200 нм. может быть очень полезным, так как через загрязненные катетеры или скальпели в организм человека могут попасть бактерии, которые вызывают сепсис - очень опасное заражение крови. Из-за инфекций, внесенных при использовании инфицированных катетеров умирует больше людей, чем в результате дорожных происшествий. Потенциальные риски нанотехнологии должны быть всегда сопоставлены с теми рисками, которые они устраняют. Сверху: под электронным микроскопом наночастицы серебра, погруженные в плазменную полимерную пленку из оксида кремния. Снизу: прототип покрытого серебром катетера. Серебро справляется даже с бактериями, устойчивыми к действию антибиотиков. 22 НАНОЧАСТИЦЫ В ТЕХНОСФЕРЕ Опыт промышленного производства наноматериалов Хотя наноматериалы в промышленности используются давно, внимание к ним, как к нанотехнологическому материалу до настоящего времени особо не обращалось. Объём производства, например, наноструктурного технического углерода (Carbon Black) - наполнителя шин составляет ежегодно миллионы тонн. Обширные исследования этого вопроса свидетельствуют о правильности выбранного пути. «Официальные предписания обязывают нас, выражаясь на простом языке, к осуществлению безопасного распространения продуктов. И этим уже все сказано. При этом не играет роли, являются ли эти продукты нано, микро или макро». Маркус Придёль, координатор отдела нанотехнологий компании Эвоник Индастрис АГ При этом очевидна активная заинтересованность промышленных предприятий. Экономическое значение подобных разработок является настолько большим, что неудачи, например, из-за недостаточного осознания необходимости обеспечения безопасности продуктов, могут дорого обойтись: гентехника является хорошим примером этому. Сепараторная фольга разделяет в литиевом аккумуляторе наночастицы, нанесенные на медную или алюминиевую пленку, на аноды и катоды. Интервью с д-ром Маркусом Придёлем, координатором отдела Нанотехнологий компании Эвоник Индастрис АГ Какого размера наночастицы? На данный момент Международная организация по стандартизации (International Organization for Standardization, ISO) дает следующее определение наночастиц: частица размером от 1 до 100 нанометров. Иногда встречаются данные «от 0,1 до 100 нанометров». Существует ли низший предел в области размера атома? Эти данные должны быть согласованы между собой; если каждый институт будет предлагать собственное определение, мы еще долго будем говорить на разных языках. Поэтому, я активно выступаю за использование международных единых понятий в целях избежания разногласий и продвижения в этой области. Что значит это для Ваших продуктов? Согласно этим данным наша фирма производит не наночастицы, а наноструктурные материалы, имеющие вид агрегатов. Эти агрегаты состоят из частиц наноразмерного масштаба, что обуславливает их специфичную поверхность, как у наночастиц, но они значительно большего размера, чем отдельные частицы. Имеются ли другие причины для разработки новых норм и стандартов? Международные стандарты ISO важны также для подготовки наноматериалов и наночастиц для токсиголоческого тестирования. Некоторые источники информации в наше время невозможно использовать, так как результаты подготовки материалов, например, для ингаляционного теста или теста культуры клеток не совсем понятны. Не зная размера этих частиц или их распределения, невозможно сделать научные выводы относительно свойств наночастиц. Поэтому очень важно в научных работах по токсикологии и наноматериалам применять более высокие станадарты качества, хорошим подспорьем могут здесь оказаться нормы, используемые при подготовке проб. «Наночастицы», «наноструктурные материалы» действительно ли различие такое большое? Конечно. Мы, например, получаем наши оксиды в пламенных реакторах. В этих реакторах сначала образовавшиеся наночастицы при таких высоких температурах в газовой фазе, сплавляются друг с другом и НАНОЧАСТИЦЫ В ТЕХНОСФЕРЕ образуют агрегаты, крепко сросшиеся между собой. Химические свойства поверхностей этих агрегатов имеют настолько большую силу притяжения, что они снова агломерируют, то есть увеличиваются в размере. Значит, если в конце Вы положите Ваши порошки в мешок, то получатся агломераты, большие частицы? Именно так. Как фирма Эвоник обеспечивает надежное обращение с наноструктурными материалами? Диоксид кремния и технический углерод (Carbon Black) мы производим уже 60 лет, наноструктурный оксид титана уже более 35 лет. Объем производства названных материалов составляет на сегодняшний день более ста миллионов тонн. Таким образом, у нас действительно богатый и многолетний опыт в работе с нашими продуктами, это касается также и техники безопасности в обращении с ними. Так, например, мы открыли много лет назад специальный отдел, занимающийся только этой тематикой, специалисты этого отдела занимаются разработкой методов обеспыленного обращения с нашими продуктами. Этим мы, с одной стороны, оказываем нашим клиентам поддержку в вопросе правильного и безопасного обращения с продуктами. С другой стороны, этот метод содействует уменьшению объема пыли на рабочих местах на нашем предприятии. Производство наноструктурных продуктов осуществяется у нас в закрытых цехах, часто с пониженным давлением, что обеспечивает безопасность даже в случае утечки. Кроме того, наши сотрудники уже более 33 лет проходят регулярный профмедосмотр, включающий проверку работы легких, ЭКГ в спокойном состоянии, измерение артериального давления и обычный анамнез, при котором сотрудника опрашивают о жалобах на здоровье. Согласно исследованиям никаких признаков отклонений состояния здоровья по сравнению с показателями «нормального» населения нет. Чем отличается Ваш диоксид титана? В основе нашего наноскопического диоксида титана лежит то, что он, будучи прозрачным для видимого света, в то же время поглащает или отражает ультрофиолетовое излучение. Эти свойства используются в косметических продуктах, прежде всего в солнцезащитных кремах. Их преимущество заключается в том, что невидимый на коже солнцезащитный крем особенно хорошо защищает ее от ультрафиолетовых лучей. Значит, контакт с кожей не вызывает опасений! Действительно, множество независимых исследований подтверждает безопасное использование диоксида титана в косметических продуктах. 23 Как относитесь Вы к вопросам безопасности, которые являются еще открытыми? Мы принимаем участие в международных проектах по вопросам ответственного обращения с нанотехнологиями. К ним относятся немецкий проект Министерства образования и науки NanoCare по исследованию безопасности, а также рабочие группы VCI, DECHEMA и DIN. В международном контексте это проекты ECETOC, OECD и ISO. Дополнительно мы проводим собственные научные изыскания с нашими продуктами. Что это значит? Например, мы исследовали вопрос о том, могут ли наноструктурные продукты в легких человека разложиться на соответствующие мелкие наночастицы. Как в экспериментах, так и с помощью теоретических расчетов мы на примере диоксида титана оценили объем энергии, необходимый для разделения агломератов. В результате мы доказали, что агломераты в легких остаются стабильными. Липиды в жидкости, находящейся вокруг агломератов и теоретически диспергирующиеся в мелкие наночастицы, просто не имеют энергии, необходимой для разложения агломератов и, тем более, агрегатов. Именно это мы могли подтвердить в соответствующих экспериментах. Тоже самое подтверждают актуальные эксперименты, проводимые в рамках проекта NanoCare: форма агломератов из диоксида титана, находящихся в в легких зверей не отличается от той, какой они обладали на момент точного замера наночастиц в газовой фазе при вздохе. То есть, есть доказательства, свидетельствующие о том, что эти агломераты в легких не распадаются. Для макроскопических «материнских веществ» наночастиц имеются такие нормы, как положения об охране труда, токсикологическая классификация и т.д. Можно ли применять эти нормы к соответствующим наночастицам, которым, однако, приписываются новые свойства? Законодательное регулирование обязывает нас к безопасному распространению продуктов. И этим уже все сказано. При этом не играет роли, являются ли эти продукты нано, микро или макроскопическими. Это означает, что мы обязаны оценивать продукты в плане их безопасности, что мы и делаем. Дополнительной потребности в регулировании нет. Однако есть необходимость в развитии дополнительной, улучшенной методики контроля. И поэтому мы так активно участвуем в разработке соответствующих усовершенствованных методов, как на национальном, так и международном уровне. 24 НАНОЧАСТИЦЫ В ТЕХНОСФЕРЕ Квантовые точки Такие современные технологии как квантовая точка (Quantum Dot) применялись уже в античности, хотя и не осознанно. Древнегреческие рецепты окрашивания светлых и седых волос в более темный цвет, которые использовали две тысячи лет назад, предусматривали изготовление специальной пасты из оксида свинца и гидроксида кальция (гашеной извести), средство, применяемое еще и в наши дни. При помощи электронного микроскопа исследователи Научноисследовательского центра реставрации музеев Франции смогли найти объяснение этому: в результате кристаллизации белок кератин очевидно образует углубления (см. «Наночастицы на оболочках бактерий» на стр. 9), в которых появляются квантовые точки из сульфида свинца - нанокристаллиты диаметром около 5 нм. Сера поступает из аминокислот кератина. Квантовые точки, кристаллиты, содержащиеся в античной краске для волос, обладали такими особыми свойствами благодаря ограничению подвижности электронов из-за их малых размеров. В протяженном металлическом фрагменте электроны могут занимать большое количество энергетических уровней, поэтому в квантовой точке, в зависимости от ее размера, простанство ограничено. В результате чего, напр., материалы серого цвета становятся разноцветными. Конечно, от технологии квантовых точек ожидается намного больше. Так они могут применяться в качестве элементов квантового компьютера, решающего определенные Все сосуды содержат наночастицы селенида кадмия, но только частицы с изменяемым размером вызывают различную флуоресцентную окраску математические задачи за гораздно меньшее время, чем любой классический компьютер. Самоорганизующиеся квантовые точки могли бы служить в качестве запоминающих элементов жестких дисков нового поколения с объемом памяти, измеряемом в терабайтах. При напылении соединения железа и платины на кремниевую пластину образуются мелкие островки, которые в результате магнитной обработки могут переносить 1 бит информации. необходимо точное управление этими островками, например, при помощи имитационного моделирования. Группа ученых Торонтского университета в Канаде доказали в 2006 году, насколько близки античный метод окрашивания волос и высокие технологии В рамках проекта ЕС «MagDot» исследователи Института научных вычислений при Дрезденском техническом университете пытаются выяснить, как при помощи математического моделирования можно получать равномерную структуру квантовых точек для их использования в носителях информации будущего. квантовых точек. Ученые погружали тонкую стеклянную трубку диаметром в 75 мкм в раствор наночастиц сульфида свинца, полученных при помощи нагревания смеси олеиновой кислоты (основного компонента оливкового масла), и соединений свинца и кремния, которая затем была высушена при помощи фена. На внутренних стенках трубки оседал однородный слой квантовых точек сульфида свинца. Так был получен первый в мире жидкостный инфракрасный лазер, в котором свет спирально двигается вдоль внутренней стенки трубки и при этом становится когерентным, то есть лазерным светом. Оптический резонатор в один микрометр содержит нанометрические квантовые точки. При помощи этих структур ученые НИИ г. Карлсруэ изучают взаимодействие между светом и материей. НАНОЧАСТИЦЫ В ТЕХНОСФЕРЕ 25 Экзотические наночастицы: графены В увлекательном путешествии в наномир ученые наталкиваются на неожиданные сюрпризы. Исскуство заключается в том, чтобы на примере простого карандаша зайти в мир закономерностей нейтронных звезд. Это происходит следующим образом: Графит - это чистый углерод особой кристаллической формы, представляющей собой слои углеродных сеток. Внутри каждой сетки находятся крепкие связи между атомами углерода, однако отдельные сетки или слои не соединяются друг с другом плотно, поэтому они могут сдвигаться. Вот почему карандаш, стержень которого в основ ном состоит из графита, может быть «мягким»: Графены представляют собой тонкие сетки из атомов углеродов, размер которых составлят 0,15 нм. Их физические свойства вызывают феномены, схожие с теми, которые наблюдаются в галактике на примере нейтронных звезд. при письме отдельные слои отделяются от кристалликов графита, находящихся в стержне карандаша. Конечно, ученые уже давно размышляют над тем, как выделить одинарный слой для изучения, однако в теории такой эксперимент будет полным провалом. Без поддерживающей основы создать однографитный слой, называемый «графеном», было невозможно. Во всяком случае, до 2004 года, когда экспериментальным путем были обнаружены соотвествующие слои. В марте 2007 экспериментаторы Общества им. Макса Планка сообщили о свободно-несущих графеновых хлопьях размером в 1 мкм2, содержащем тем не менее 30 миллионов атомов. Их размеры крохотны, но они все-таки могут изучатся с помощью электронного микроскопа в виде сеток, которые не дают тени в электронном пучке и возможно смогут удержать одну единственную молекулу для ее исследования. Графеновые слои обязаны своей стабильностью тому факту, что являются немного «помятыми», как например, скомканный и снова разглаженный лист бумаги. «Помятые» графеновые сетки привлекают физиков не только из-за их пригодности для использования в электронных микроскопах. Уникальность моноатомных слоев заключается в их электрических свойствах. Так, например, они способны вызвать так называемый квантовый эффект Холла уже при комнатной температуре, в то время как Клаус фон Клитцлинг работал для этого с температурами приближенными к точке абсолютного нуля. Ограничение электропроводимости только на один атомный слой вызывает у электронов странное совместное поведение: они формируют квазичастицы, представлющие собой световые электроны, - и вот в научной литературе уже появляется идея о создании супербыстрых электронных переключателей. Кроме того, электрические свойства графитовых хлопьев описываются математическими методами, которые применяются также и при работе с экстремальными состояниями, происходящими, например, в нейтронных звездах. При письме карандашом образуются бесчисленные графитные хлопья, таким образом карандаши могут привести нас прямо в область космических нагрузок. Методы создания свободнонесущих моноатомарных графитных слоев на данный момент не воодушевляют производителей микропроцессоров. Например, в одном из методов графитные слои проклеиваются изоляционной лентой, которая потом снимается до тех пор, пока не останется один последний слой. Но если бы в наличии имелись более объемные, воспроизводимые графены массового производства, то наверняка можно было бы найти для них множество областей применения. Такие углеродные сетки должны иметь фотолитографическую структуру, то есть им можно придавать любые узоры. Так могут образовываться квантомеханические модельные системы для решения сложнейших задач, например, математического изображения нейтронной звезды. Как всегда в наномире: из ничего, как например, из следа графитного карандаша создается на основе знаний (и при наличии сравнительно скромного бюджета) потенциал для очень большого дела. 26 НАНОЧАСТИЦЫ В БИОСФЕРЕ Наночастицы в биосфере В медицине на технологии наночастиц возлагаются особенно большие надежды. Наночастицы могут быть многослойными или иметь форму полых сфер, что позволяет задавать этим микроскопическим частицам большое число функций. Их способность свободно перемещаться в организме является и большим преимуществом, и одновременно недостатком. Нанотехнологии в здравоохранении и медицинской технике Большая проблема медикаментов, изготовленных по традиционным технологиям, заключается в том, что их воздействие распространяется не только на предполагаемое место лечения, но и на весь организм в целом. Сильнодействующие препараты для борьбы с раковыми заболеваниями оказывают зачастую негативное воздействие и на здоровые ткани. Медикаменты, «упакованные» в наночастицы, верхний слой которых состоит из антител, могут избирательно действовать на клетки опухоли. Еще одна проблема при изготовлении медикаментов — растворимость действующего вещества в воде. Если медикаменты не растворяются в воде, то в «неупакованном» виде они не впитываются в кровь, которая должна их транспортировать до нужного места. Эту и многие другие, можно решить при помощи новой техники инкапсуляции: сначала отобранные активные субстанции разбиваются на наночастицы, которые Световой наномаркер — инновационная система высокоточной ранней диагностики заболеваний. Компания Capsulution также начала разработки систем по доставке лекарственных средств (Drug Delivery Systems) для транспортировки веществ к клеткам в организме человека, имеющие важное значение, например, для генотерапии. По сравнению с другими продуктами, использование этих сложных систем является, прежде всего, более целенаправленным и имеет меньше побочных эффектов. приводятся в движение в специальном растворе и покрываются слоем из полиэлектролитов. Полиэлектролит — это полимер, каждый мономер которого переносит одну молекулу электролита, отщепляющую в воде ионы. Полиэлектролитная оболочка наночастиц электрически заряжена, то есть наночастица является растворимой, и верхний слой с содержимым свободно перемещается в воде. Оболочка может быть многослойной: при добавлении полиэлектролита противоположного заряда образуется второй слой и так далее слой за слоем (layer-by-layer). Обычно стенки капсулы имеют от 4 до 20 слоев, и их толщина от 8 до 50 нм. Благодаря запатентованной дочерней компанией Capsulation технике, разработанной для коммерческих целей в рамках совместного проекта с Институтом имени Макса НАНОЧАСТИЦЫ В БИОСФЕРЕ Точное планирование в трехмерном изображении: перед операцией врач может определить количество используемых наночастиц. Планка по изучению коллоидов и граничных поверхностей в г. Потсдам, при поддержке Министерства образования и науки, можно изготавливать нанокапсулы различных размеров, обладающие практически любыми фармацевтическими, биохимическими, электрическими, оптическими и магнитными свойствами, что объясняет большой интерес к ним. За и против с MagForce Nanotechnologies Наночастицы настолько мелкие, что в водной среде — а организм человека на 70 % состоит из воды — они двигаются намного легче чем, крупные частицы. На настоящий момент проведено еще недостаточное количество подробных исследований подвижности наночастиц в тканях. В нескольких исследованиях по этому вопросу была использована настолько высокая концентрация частиц, что в отношении большинства их видов оказалось невозможно установить, принимает ли их организм, каким образом, а также, как они в нем распределяются, видоизменяются, накапливаются или выводятся. 27 Что касается проникновения наночастиц в организм и накапливания в отдельных органах, то по понятным причинам считается, что легкие наиболее подвержены негативному воздействию. Для осуществления газообмена легкие располагают очень большой внутренней поверхностью, через которую могут проникнуть наночастицы, находящиеся в атмосфере, и затем разойтись через кровь по всему организму. Некоторые наночастицы свободно проходят через двойные мембраны липидов и, таким образом, проникают в клеточные органеллы, например, в митохондрии, или в клеточное ядро. Как следствие возникают воспалительные процессы, нарушения свёртывания крови, отложения в виде бляшек, аритмия сердца или нарушения функций дыхательных путей. С другой стороны, в целях повышения качества медикаментозного лечения в медицине с недавнего времени пытаются использовать эту способность легких поглощать наночастицы. Так специальные органические нанокапсулы могут транспортировать фермент теломеразы в ядра клеток-возбудителей рака легких, что позволяет остановить их деление и, тем самым, развитие рака. Это не единственный случай, в котором проявляется двойственный характер технологии наночастиц. Например, железосодержащие частицы, токсичное влияние которых нередко 28 становится темой для обсуждения, также находят применение в лечении раковых заболеваний, конечно, при использовании специального покрытия. Так в берлинской компании MagForce Nanotechnologies специальные соединения железа покрывают такой защитной оболочкой, что раковые клетки, вблизи которых они вводятся, поглощают их в течение длительного времени, по прошествии которого внешнее переменное магнитное поле нагревает ядра частиц и одновременно опухоль, тем самым разрушая ее. В результате такой обработки опухоль может стать более чувствительной к химиотерапевтическим средствам. Ученые, разработавшие новый метод при поддержке Министерства науки, надеются, что когда-нибудь он найдет такое же широкое применение, как и методы лучевой терапии, но его преимуществом будет отсутствие побочных явлений, наблюдаемых при облучении. Новый метод может найти активное применение при лечении таких коварных опухолей головного мозга, как глиобластома. Наночастицы, содержащие магнитные ядра, как, например, синтезируемые магнитотактическими бактериями (см. стр. 9), могут переноситься в место воздействия специальными высокомощными магнитами, производящими неоднородные поле. Их оболочки сконструированы таким образом, что сильное ультразвуковое поле, не оказывающее негативного воздействия на здоровые ткани, приводит к разрыву оболочек и высвобождению действующего вещества. Подобных идей существует множество, все они связаны с понятием «нацеливание лекарства« (Drug Targeting), а именно с возможностью адресной Высокоградиентный магнит для управления магнитными частицами в организме, разработанный в рамках проекта Министерства науки «Медицина и наномагнит». Магнит весит всего 47 кг, благодаря чему поставить его к кровати пациента не представляет большого труда. Его предшественник весил 1,5 тонны. НАНОЧАСТИЦЫ В БИОСФЕРЕ Наночастицы в тканях опухоли: слева здоровые клетки, справа раковые клетки с наночастицами. доставки действующего вещества к поврежденной ткани. В настоящее время при лечении определенных очагов воспалений воздействие на весь организм считается нормой. При успешном применении метода Drug Targeting доза препарата соотносится с очагом воспаления и не оказывает побочных воздействий на другие органы. Нанотехнология в пищевой промышленности Уже сегодня нанотехнологии находят свое применение в пищевой промышленности, в таких неожиданных областях, как например, в производстве высококачественного шоколада. В сфере производства продуктов питания у нанотехнологий большое будущее. Наносенсоры будут выдавать информацию о сроках изготовления и состоянии продуктов питания (см. главу «Наносенсорика в пищевой промышленности», стр. 31). Согласно данным британского канала Би-Би-Си (BBC) в высокоразвитых странах 40 % произведенных продуктов питания оказывается в отбросах. Достоверная информация относительно свежести и пригодности к употреблению продуктов может остановить такое расточительство, так как сегодня продукты выбрасываются не по их действительному состоянию, а по сроку годности. В области стерилизации при низких температурах большие надежды возлагаются на наномембраны. НАНОЧАСТИЦЫ В БИОСФЕРЕ Стакан пшеничного пива: большие пузырьки растут за счет мелких — очень распространенный в природе феномен. Со стороны Министерства по защите прав потребителей и Федерального института оценки рисков.ведется внимательное наблюдение за возможным возникновением негативных последствий от внедрения подобных методов. В то же время, программа «Нанотехнология в пищевой промышленности» охватывает различные технические области, некоторые из них по своей природе абсолютно безопасны. Сито, фильтр, мембрана Сито, фильтр и мембрана уже давно взяты на вооружение технологами производства продуктов питания; применение нанотехнологий в этой области означает лишь их усовершенствование. Фильтры с отверстиями меньше одного микрометра могут задерживать бактерии, а отверстия еще меньше, не пропускают и вирусы. Кроме того, они могут использоваться при холодной стерилизации соков, молока и других жидкостей, позволяя сберечь такие важные составляющие компоненты, как витамины. Там, где нужна особая точность, уже сегодня используются фильтры из кремниевых пластин, применяемые также для изготовления полупроводников. При помощи фотолитографических методов в фильтрах выжигаются субмикроскопические отверстия, размеры которых точно заданы. Такие фильтры позволяют проводить точную механическую сортировку смесей. Толщина мембраны обычно меньше чем диаметр отверстий, благодаря чему их способность пропускать веществ на 29 два – три порядка выше, чем у обычных фильтров. С другой стороны, такие фильтры применяются в качестве насадки для производства стабильных смесей веществ, которые по своей природе склонны к расслоению, как, например, жиры и вода. Примером такой смеси является мороженое: вступая в контакт с воздухом, при длительном хранении в морозильной камере оно, как правило, покрывается крупинками льда, происходит частичное разделение смеси на составляющие: воздух, жир и воду. При помощи наносопла можно создавать сверхмелкие однородные каплеобразные смеси, которые распадаются значительно медленнее; мороженое, произведенное по такой технологии, дольше сохраняет свою первоначальную форму. Объясняется это двумя правилами, действующими для смесей, состоящих из капелек или пены: «большие пожирают мелких» и «если мелкое хочет расти, ему надо помочь». Действие этих закономерностей можно наблюдать на примере кружки пшеничного пива: пенная шапка, однородная в начале, распадается на разного размера пузырьки, причем большие растут за счет мелких. Основным источником образования пивных пузырьков (после того, как налитая жидкость пришла в спокойное состояние) являются совершенно определенные места на стенках стакана — небольшие механические и химические повреждения, ворсинки, за счет которых процесс кристаллизации сокращается, поскольку энергобаланс, необходимый для роста пузырьков, будет положительным только при наличии частиц определенного минимального размера. Влияние извне уменьшает этот минимальный размер и образуется пена. В смешанных веществах, которые должны сохранять свою первоначальную форму (например, в майонезе), необходимо следить за однородностью пузырьков (капелек), за стабильностью их размера и за условиями, препятствующими их росту. Мицелла, моя королева Многие полезные вещества, например жирные кислоты омега 3, имеют не очень приятный вкус, а жиры и масла, растворяющие и транспортирующие витамины, не смешиваются с водой. Обе эти проблемы могут быть решены при помощи нанокапсул, внешняя оболочка которых легко соединяется с водой. Они раскрываются только в желудке, который не восприимчив к неприятному вкусу. Еще одно преимущество нанокапсул состоит в том, что они не видны невооруженным глазом. 30 Производство нанокапсусл осуществляется сегодня при помощи целого ряда методов, в некоторых из которых используют поверхностно–активные вещества. Они представляют собой удлиненные молекулы, один конец которых присоединяет к себе воду, а другой жир. «Жировые» концы молекул оседают на жир, а «водные» на воду. В итоге образуются многочисленные мелкие жировые шарики, окруженные молекулами поверхностноактивных веществ как иголками, и плавно, как туман, передвигающиеся в воде. Жир и вода смешались, что было бы невозможно без поверхностноактивных веществ. На основе этого принципа были разработаны и запатентованы хитроумные рецепты, в которых различные вещества собираются в капсулах диаметром в 30 нанометров. Одна из возможных областей применения этой технологии — изготовление невидимых капсул витамина С (аскорбиновой кислоты) для защиты растительного масла от окисления. Аскорбиновая кислота, «упакованная» в нанокапсулы может защищать от окисления даже молочные и кисломолочные продукты. Этот метод проходит экспертизу в соответствии с законодательством об изготовлении продуктов питания. НАНОЧАСТИЦЫ В БИОСФЕРЕ Критика, звучащая в последнее время по поводу применения наночастиц при изготовлении продуктов питания, заслуживает внимания в отношении минеральных веществ, но никак не может касаться таких групп веществ, как жиры и т.п. Организм сам работает с наночастицами: при употреблении молока или яиц в организм попадает огромное количество мицелл, кроме того, способность разделяться на мельчайшие частицы является даже предпосылкой для переработки продуктов питания на уровне вещества. Ричард Джонс (Richard Jones), профессор Шеффилд‐ ского Университета и автор одного крупного исследования негативных последствий нанотехнологий, сказал: «Большинство продуктов питания по своей природе имеют наноструктуру и содержат в себе наночастицы. Кто против наночастиц, тот не должен пить молоко. ...В момент попадания в кровь все составляющие компоненты пищевых продуктов работают на наноуровне». Спорные будущего представления: белковое питание Три четверти имеющихся запасов пресной воды, треть обрабатываемых земельных угодий и пятая часть используемой энергии задействованы в настоящий момент в производстве продуктов питания. К 2050 году население земного шара достигнет 9 миллиардов человек, и для их пропитания по меркам индустриально развитых стран необходимо ежегодно производить 450 млрд. тонн мяса – это «мясной кубик», длина ребра которого составляет 700 м. Производство мяса по естественным причинам не очень эффективно: чтобы получить 1 кг животного протеина, необходимо затратить 10 кг растительного белка. По этой причине некоторые специалисты призывают к переходу на использование белков другого происхождения, что не означает полного отказа от природного мяса, а предполагает замену в некоторых продуктах животного белка растительным протеином высокого качества. Насколько общество примет подобные нововведения зависит от структуры новых заменителей белка (Novel Protein Foods). Преимущества подобных технологий для человека и окружающего мира не особо убедительны, хотя в пищевой промышленности ведутся интенсивные исследования в этой области. Лидирующую позицию в этих исследованиях занимают Нидерланды (в особенности Университет Вагенинген). На это имеется веская причина: в Нидерландах преобладает интенсивное животноводство и в стране существует большая проблема с удобрениями и отходами животноводческих ферм. НАНОЧАСТИЦЫ В БИОСФЕРЕ 31 состоять из антител, которые привязывают подходящие антигены, и таким образом выявляют их. Большое преимущество сенсоров в виде нанопроволоки заключается в небольшом количестве энергии, затрачиваемой ими, измеряемой в пиковаттах, что составляет одну миллионную часть миллионной части мощности карманного фонарика. Такая мощность может быть легко получена при помощи RFID-меток. Вооружившись радиометкой, пластиковым дисплеем и наносенсором, можно найти индивидуальный подход к любой головке сыра, продаваемой в супермаркете: цена недозрелого или перезрелого сыра была бы меньше, чем у сыра правильной выдержки. В итоге никакой сыр не оказался бы в мусорном ведре. Это хороший результат: в прошлом владельцы сырных лавок руководствовались только своим обонянием. Но это все в прошлом. В дополнение к традиционным методам производства продуктов питания растущее население земного шара должно искать новые подходы, наносящие меньше вреда окружающей среде. Особенно интенсивно новые методы, использующие нанотехнологии, изучаются в Нидерландах, где проблема с отходами животноводства стоит очень остро. Наносенсорика в пищевой промышленности Многие продукты выбрасываются только потому, что их срок годности истек. Однако этот показатель представляет собой лишь минимальный период годности продуктов. Если бы к упаковке продукта прилагался дешевый прибор для анализа годности продукта, то он бы отображал не срок, а пригодность продукта к употреблению и, тем самым, способствовал бы более экономичному потреблению пищевых продуктов. С другой стороны, в продаже встречаются и испорченные продукты. Большую помощь в такой ситуации могли бы оказать наносенсоры, представляющие собой нанопроволоку различного состава, толщиной лишь в несколько миллионных миллиметра. При вступлении в контакт с чужеродным веществом электрические свойства такой тонкой проволоки меняются настолько, что могут быть зафиксированы не только бактерии, но и мельчайшие вирусы или даже отдельные молекулы. Характер детектируемого вещества зависит от верхнего покрытия нанопроволоки. Если необходимо определить наличие аммиака, покрытие проволоки селективно поглощает только молекулы аммиака. Покрытие может При помощи чипов, разработанных НИИ кремниевых технологий имени Фраунгофера, разрабатываются быстрые сенсоры ДНК, применяемые для выявления болезнетворных бактерий и других биогенных веществ. 32 ВЛИЯНИЕ НАНОЧАСТИЦ НА ЗДОРОВЬЕ Влияние наночастиц на здоровье Сейчас большое внимание уделяется неорганическим наночастицам, имеющим высокий коммерческий потенциал с перспективой массового производства. Эти наночастицы настолько устойчивы, что могут накапливаться как в живой ткани, так и в окружающей среде, а приемлемые пути для их проникновения туда существуют. Как и любая другая технология, технология наночастиц имеет две стороны. С одной стороны, благодаря своим специфическим свойствам, определенные наночастицы могут найти применение в наномедицине. С другой стороны, те же самые свойства могут скрывать в себе неизвестную пока опасность. Гаральд Круг (Harald Krug), профессор Института токсикологии и генетики при Научноисследовательском центре г. Карлсруэ, и координатор федерального проекта NanoCare (см. интервью на стр. 48) сказал в одном из своих выступлений: «Мы научились обращаться с металлами, мы создали инструменты, которые облегчают нашу жизнь, но к ним относится и оружие. Мы изобрели автомобиль, но во всем мире на дорогах ежегодно погибают полмиллиона человек, а 23 миллиона получают травмы. Мы создали такие вещества, как пестициды, которые в случае своей устойчивости наносят вред окружающей среде и негативно влияют на качество нашей жизни. Из этого можно сделать вывод: новые наноматериалы в любом случае будут иметь некоторые нежелательные побочные эффекты». Однако для того, чтобы наночастицы причинили вред здоровью человека, они прежде должны попасть в организм. Окно в человеческий организм Поверхность кожи площадью в 2 м² представляет собой одну из возможных тропинок в организм человека. Исследования показывают, что здоровая кожа представляет собой надежный барьер, но с травмированной кожей дело обстоит иначе. Например, в результате солнечного ожога кожный покров повреждается, и в этом случае специалисты не советуют подвергать кожу воздействию, которое можно избежать (см. интервью с профессором Тильманом Бутцом на стр. 38). Желудочно–кишечный тракт (ротовая полость, пищевод, пищеварительный аппарат) имеет гораздо большую площадь - около 2000 м2, однако в научной литературе нет описаний того, как стенки сосудов желудочно–кишечного такта впитывают или пропускают неорганические наночастицы, если только они не будут созданы для этого целенаправленно. По–другому обстоит дело с наноразмерной массой, например, жиросодержащими капельками, пищей для клеток, которую они получают от мелких капиллярных сосудов. Для внутривенного питания также используются наноразмерные капельки, получаемые искусственным способом при помощи сопла высокого давления. Посредством капелек также осуществляется транспортировка веществ. Обонятельный эпителий — слизистая оболочка носа — площадь которого составляет всего лишь 5 см2, заслуживает особого внимания из–за близости к головному мозгу. Легкие, активная площадь которых достигает 140 м2, считаются в настоящий момент самым важным окном для проникновения неорганических наночастиц в организм. Способность различных частиц проникать в легкие уже известна благодаря исследованиям курильщиков. Существует целый ряд заболеваний, хорошо изученных в контексте пылевой нагрузки на легкие, которые могут иметь большое значение для эпидемиологи наночастиц. Площадь внутренней поверхности легких примерно равна размерам теннисного корта, это предоставляет потенциально опасным частицам прекрасную возможность для проникновения в организм. Вероятность того, попадут ли они в организм, зависит от вида дыхания: занятия спортом при высокой концентрации частиц являются неблагоприятными. ВЛИЯНИЕ НАНОЧАСТИЦ НА ЗДОРОВЬЕ История с асбестом не должна повторится Асбест имеет блестящую историю. Древние греки использовали «карпатский горный лен» в плетеном виде в качестве вечного фитиля для масляных ламп. У Карла Пятого была скатерть, сотканная из асбеста, после еды король приказывал бросить скатерть в огонь, после чего к великому удивлению гостей ее вынимали из пламени в целости и сохранности. Асбест справедливо считается чудодейственным материалом и в современной технике. Этот материал обладает высокой прочностью, отличными теплоизоляционными свойствами, жаро– и кислотоустойчивостью, в зависимости от модификации он имеет высокую механическую прочность, что позволяет использовать его в тормозных колодках. Асбест — это минеральное природное вещество, состоящее в основном из кремния и кислорода, в различных пропорциях в нем содержатся также кальций, магний, железо, никель. Существует несколько видов асбеста. Согласно учебнику по минералогии Клокмана асбестом в чистом виде называется хризотил — этот асбест представляет собой «массы мерцающего шелковистого блеска с параллельными волокнами светло–желтого, коричнево-желтого и светло–зеленого цвета». Здание, в котором когда–то размещалась компания Немецкая волна (Deutsche Welle) в г. Кельн, подлежит ремонту из–за асбеста, содержащегося в строительном материале. 33 Отрицательное качество асбеста, мешающее его широкому применению в промышленности — это его волокнистость. При механическом воздействии на асбест в воздух попадают фрагменты его волокон, а их вдыхание может привести к тяжелым нарушениям для здоровья, и даже к раку легких. В прошлом асбест активно применялся в промышленности. Еще в 1820 году его волокна использовались для изготовления жаропрочной одежды для пожарных. В 1900 году в Австрии был выдан патент на асбестоцементный шифер — строительный материал, широко использовавшийся для изготовления волокнистого кровельного материала, труб и т.д. По–немецки асбестоцементный шифер называется Eternit, это слово происходит от латинского аeternum, что означает «вечно», но материал не вечен, он подвержен распаду, в ходе которого выделяется асбестовое волокно. Еще в 1900 году была обнаружена болезнь асбестоз — воспалительная реакция тканей легких, ведущая к серьезному повреждению этого органа и, в конце концов, после длительного латентного периода провоцирующая развитие рака. Тем временем распыленный асбест в больших количествах использовался в качестве огнезащитного материала при строительстве зданий, среди них Дворец Республики в г. Берлин (Palast der Republik) или высотное здание компании Немецкая волна (Deutsche Welle) в Кельне. С 1979 года распыленный асбест в Германии запрещен, в 1993 году вышел полный запрет на использование асбеста, а с 2005 года этот запрет вступил в силу на территории всего Европейского Союза. Из–за большой продолжительности латентного периода между моментом воздействия вредных веществ и началом болезни последствия контакта с асбестом еще долго останутся темой для обсуждений. Только в 2003 году профсоюзами были названы 3500 новых профзаболеваний, и эта тенденция остается растущей. Ежегодные расходы, связанные с этого рода профессиональными заболеваниями, составляют более 314 млн. евро. Всем понятно, что подобные истории не должны повторяться. Историю с асбестом часто вспоминают в рамках дискуссии о безопасности нанотехнологий. При этом необходимо учитывать, что связанный асбест, находящейся под землей, или смешанный с бетоном, не наносит вреда. Синтетически связанные наночастицы тоже можно назвать совершенно безвредными. Описанные ниже риски относятся лишь к свободным наночастицам, попадающим в человеческий организм через дыхание, пищу или каким–либо другим путем. 34 Насколько опасны наночастицы? В последнее время в рамках обычного технического прогресса возникло огромное количество наночастиц, с которыми человек неосознанно вступает в контакт в результате промышленной деятельности или в дорожном движении. Все больше внимания притягивают к себе и наночастицы, получаемые промышленным путем. Так в 2007 году производство фуллеренов составило несколько тысяч тонн, и то, что началось как лабораторный курьез, достигло теперь промышленных масштабов и попало в поле зрения токсикологии, науки изучающей совместимость веществ. Не остались безучастными к данной теме и организации по защите прав потребителей и безопасности труда (см. стр. 50). Уникальность наночастиц основана на том, что при уменьшении размеров физические модели частиц также начинают видоизменяться. Если для частицы величиной 100 нм еще действуют законы классической физики, то для более мелкой вступают в силу законы квантовой физики. Разумеется, здесь нет четкой границы. При помощи наночастиц можно совершать чудеса: только за счет изменения размеров (в зависимости от материала, из которого состоят частицы) меняются такие свойства, как растворимость, прозрачность, цвет, электропроводность, температура плавления. Кроме того, часть атомов наночастиц представляет собой поверхностные атомы. У сферической частицы железа диаметром в 5 нм 27 % атомов являются поверхностными, а у частицы диаметром в 1 мкм доля поверхностных атомов составляет лишь 0,15 %. Поверхностные атомы не связаны с соседними атомами, они обладают свободными связями и очень активны. Они соединяются друг с другом, со свободными молекулами или оседают на поверхности. Как показали длительные замеры воздуха в г. Эрфурт, это вызывает удивительный эффект: уменьшение общего объема мелкодисперсной пыли приводит к увеличению в атмосфере числа наночастиц, (т.е. к увеличению концентрации мелкодисперсной пыли). Это связано с тем, что при малом количестве больших частиц у мелких частиц меньше возможностей для соединения. Большее количество поверхностных атомов увеличивает также каталитическую активность частиц — способность вещества ускорять химическую реакцию, не вступая в нее. Это качество делает наночастицы привлекательными для применения в промышленности. ВЛИЯНИЕ НАНОЧАСТИЦ НА ЗДОРОВЬЕ Однако, если активные поверхности никак не защищены, частицы быстро объединяются в группы, становятся менее активными и теряют свои преимущества. Большое количество легко соединяющихся, каталитически активных поверхностных атомов может, конечно, вызвать и неблагоприятные последствия, то есть, наночастицы потенциально токсичны. В литературе встречается мнение, что токсичность наночастиц увеличивается по мере уменьшении их размера. Но такая тенденция не может быть обязательной, ведь в этом случае молекулы и атомы — мельчайшие химические составляющие вещества — по своей природе были бы токсичны. Но они как раз и составляют тот материал, из которого мы все состоим. Анализ частиц при помощи масс–спектрометра ATOFMS. Частицы регистрируются на лету и сортируются по размеру при помощи светового барьера. После последующего выпаривания и ионизации в течение нескольких секунд в режиме реального времени можно определить состав частицы. 35 ВЛИЯНИЕ НАНОЧАСТИЦ НА ЗДОРОВЬЕ Исследования аэрозолей, способных проникать в легкие Основным источником информации о токсичности наночастиц является литература о воздействии мелкодисперсной пыли PM10, изданная в рамках исследований аэрозолей, которые нельзя сравнивать с наночастицами, полученными промышленным способом. PM10 — это условное обозначение для частиц с диаметром меньше 10 мкм. Собственные механизмы организма для нейтрализации частиц такого размера находятся в органах дыхания, к ним относится, например, процесс поглощения частиц слизью, которая выводится из организма, но по отношению к наночастицам эти механизмы перестают действовать. По этой причине вопросу попадания наночастиц в человеческий организм через легкие уделяется сейчас такое большое внимание. Площадь внутренней поверхности легких примерно равна размерам теннисного корта (около 140 м2 -раньше речь шла о 200), а поскольку этот орган служит для быстрого газообмена, перегородки к системе кровообращения внутри легочных пузырьков чрезвычайно тонки и легко проходимы для наночастиц. Результаты научных исследований аэрозолей, проведенных в Германии в исследовательском центре окружающей среды и здоровья при обществе им. Гельмгольца GSF показали, что наночастицы действительно проникают в эпителий легких, а затем и в кровь. Можно предположить, что наночастицы сами по себе являются риском Двухмерная газовая хроматография: для определения химического состава аэрозольных проб. Пробы сортируются по двум критериям: 1. Летучесть, (по оси x), 2. Полярность (по оси y). Каждый пик на хроматограмме, отображаемой на экране, свидетельствует о присутствии в аэрозоле некоторого химического соединения. Высота пика говорит о концентрации этого вещества. для здоровья человека и в связи с этим необходимо пересмотреть критерии оценки качества воздуха. Так, помимо показателя общей массы частиц необходимо замерять и их количество в атмосфере, для того, чтобы определить на сколько нанопорций распределяется вредное вещество. Разница при использовании того или иного критерия существенная: если взять в качестве сравнительного критерия массу частиц в воздухе, то нагрузка на органы дыхания городских жителей в три раза больше, чем у жителей сельской местности. С другой стороны, если в качестве критерия Частицы сажи под электронным микроскопом. взять количество частиц, то различие для горожан и жителей сельской местности окажется значительно больше, примерно в 19 раз. В рамках исследований аэрозолей было установлено, что источниками пыли размером менее 10 мкм, возникающей в результате человеческой деятельности, являются - на 45 % от общего объема эмиссий пыли - промышленность, на 21 % - сектор сыпучих товаров и на 17 % дорожное движение. Если учитывать также износ шин, дорожного покрытия и тормозов, то доля выбросов в дорожном движении будет составлять 33%. При этом, большая часть выбрасываемых частиц являются наночастицами. Поскольку вдыхание наночастиц, уже существующих в атмосфере без человеческого вмешательства, вредно для здоровья, то в процессе эволюции органы дыхания должны были приобрести функцию, помогающую организму справиться с их влиянием. Действительно, органы дыхания уже обладают такой, хотя и несовершенной, функцией. Первым барьером на пути вредных веществ является нос. Вдыхаемый воздух легко может пройти по изгибам дыхательных путей, но частицы размером больше чем 2,5 мкм оседают на слизистой оболочке носа. Однако, при ротовом дыхании этот фильтр не действует, и частицы, находящиеся в воздухе, практически 36 беспрепятственно попадают в глотку и бронхи. Частицы размером 5 –10 мкм оседают здесь, остальные направляются дальше. Часть из них остается в мелких бронхах, другие доходят до легочных пузырьков. Частицы диаметром около 500 нм практически не задерживаются в легких, и большая часть из них снова выдыхается. По мере уменьшения размеров до 20 нм значительно увеличивается количество частиц, оседающих по внешним краям легких. То, в каком виде частички останутся в легких, зависит не только от их размера, но и от вида дыхания. Медленное и глубокое дыхание способствует попаданию пыли в легкие. Проникшие частички, конечно, не навсегда остаются в организме. Клетки здоровых бронхов имеют реснички, которые при помощи синхронных движений направляют чужеродные вещества наверх в гортань, оттуда они попадают в желудочно–кишечный тракт, после чего перевариваются и выводятся из организма. Ееще один защитный механизм: в органах дыхания живут макрофаги — клетки – пожиратели, атакующие чужеродные ВЛИЯНИЕ НАНОЧАСТИЦ НА ЗДОРОВЬЕ При помощи гамма–камеры можно в течение нескольких дней наблюдать, где после вдыхания оседают помеченные частицы, и как долго они там находятся. вещества, бактерии и вирусы. Однако мелкие наночастицы часто остаются ими не замеченными. Ученые Института ингаляционной биологии GSF установили, что вдыхаемые наноразмерные частицы могут оседать в печени, сердце и даже в головном мозге крыс. Среди ученых разгораются жаркие споры по поводу того, как частицы попадают в систему кровообращения и внутренние органы, и в какой степени результаты лабораторных опытов и экспериментов на животных применимы к людям. В качестве возможных путей проникновения наночастиц в организм называются, среди прочего, нейронная сеть (например, через обонятельный нерв в головной мозг), лимфатическая система или перегородка толщиной в 0,5 мкм между легочными пузырьками и кровеносными капиллярами. Поврежденная легочная ткань является еще одной возможностью для проникновения наночастиц в организм. ВЛИЯНИЕ НАНОЧАСТИЦ НА ЗДОРОВЬЕ Физико–химическая структура оказывает при этом большое влияние на поведение частиц в организме. Сверхмелкие пылинки ведут себя иначе, чем промышленные наночастицы. Информация относительно их взаимодействия должна быть еще получена в рамках предстоящих научных исследованиях. Опасность для сердца и сосудов Из научных исследований мелкой пыли известно, что обычно при попадании наночастиц в систему кровообращения их атакуют и обезвреживают макрофаги — клетки–пожиратели, своего рода «полиция» иммунной системы. Но из–за малых размеров наночастиц это часто не происходит. В этом случае частицы оказывают воздействие даже на сердце. Ученые института GSF и ветеринары Мюнхенского университета им. Людвига и Максимилиана попытались изучить эти уникальные взаимосвязи. Ими была обнаружена связь между частотой инфарктов сердца или внезапной остановки сердца, и необычно высокой концентрацией наночастиц в атмосфере, как это замечено, например, при увеличении объема дорожного движения или инверсии в метеорологии. В системе кровообращения наночастицы могут вызывать воспалительные процессы. 37 Взаимосвязь между этими двумя феноменами не имеет научного объяснения, существует лишь предположение, что определенную роль здесь играют мелкие и сверхмелкие пылинки. Возможное объяснение этому: во время экспериментов на животных им в кровь вводились инъекции с большой концентрацией наночастиц. Реакция тромбоцитов заключается в ускорении потока крови, это повышает риск тромбоза и, тем самым, вероятность инфаркта сердца. Если наночастицы, содержащиеся в мелкой пыли, оказывают непосредственное воздействие на клетки сердечной мускулатуры и проводящую систему сердца, изменяется баланс кальция, в результате чего сердце больше не может сжиматься в достаточной степени. От концентрации ионов кальция зависят биоэлектрические процессы, способствующие сердцебиению, и наночастицы могут вызывать нарушения сердечного ритма. В какой степени результаты этих экспериментов применимы на практике в настоящий момент не совсем понятно. Результаты подобных исследований не дают однозначного ответа на этот вопрос. Оказывать влияние на сердце могут и те наночастицы, которые остались в легочных пузырьках. Они воздействуют на рецепторы поверхностных пузырьков, связанных с вегетативной нервной системой, и с функцией сердечного ритма. В результате регуляция сердечного ритма становится менее гибкой, и это мешает сердцу адекватно адаптироваться к различным нагрузкам. Еще одно возможное воздействие: высокая концентрация наночастиц, встречающаяся, например, при неблагоприятных дорожных условиях или при лесных пожарах, может, по мнению ученых, вызывать воспалительные процессы в легочной ткани, приводящие к выходу медиаторов. Это, в свою очередь, увеличивает способность крови к свертыванию и способствует быстрой закупорке кровеносных сосудов. Несомненным остается тот факт, что большая концентрация определенных частиц пыли, находящихся в длительном контакте с человеческим организмом, может оказать на него вредное воздействие. Тоже относится к промышленным наночастицам, поэтому потребителям или лицам, имеющими с ними дело по роду занятий, необходимо избегать контакта с ними, и наша окружающая среда тоже не должна пострадать (см. «Управление нанотехнологическими рисками» на стр. 46). 38 Влияние наночастиц на кожу Сейчас встречается все больше продуктов, в которых присутствуют наночастицы. Назначение этих продуктов имеет непосредственное отношение к человеческому организму. Это, например, зубная паста или солнцезащитный крем. Изучению возможных последствий воздействия таких продуктов на человека посвящен международный проект NANODERM, финансируемый Европейским Союзом. В данном проекте участвуют 12 НИИ. «Здоровая кожа – это надежный барьер для проникновения наночастиц в организм. Но мы в принципе не знаем, что происходит, когда солнцезащитный крем наносится на кожу, уже поврежденную в результате солнечного ожога, когда чешуйки кожи уже отходят. Я не могу себе представить, что при этом нет контакта со здоровой тканью, поэтому я бы очень не рекомендовал это делать». Профессор Тильман Бутц, координатор проекта Европейского Союза NANODERM. Невидимые частицы диоксида титана в солнцезащитном молочке эффективно отфильтровывают вредные ультрафиолетовые лучи. В европейских косметических продуктах фотокаталитические свойства диоксида титана подавляются при помощи специального покрытия частиц, например, при помощи кремния. . ВЛИЯНИЕ НАНОЧАСТИЦ НА ЗДОРОВЬЕ Интервью с профессором Тильманом Бутцом, руководителем Института ядерной физики твердого тела при Лейпцигском университете и координатором проекта ЕС NANODERM Как можно выявить наличие наночастиц в коже? Очень эффективным методом является просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения. Для этого необходимы срезы кожи, то есть требуются такие пробы как биопсия или цилиндрические срезы кожи, разделяемые на очень тонкие слои, толщиной в одну тысячную часть диаметра волоса. При помощи электронной микроскопии можно увидеть отдельные наночастицы. В солнцезащитном креме содержатся наночастицы размером в 20 нм и при наличии соответствующего оборудования можно определить их состав. Это конечно не самый простой метод исследования, для его проведения необходимо специальное оборудование. Приготовление проб тоже представляет собой весьма сложный процесс, и существует опасность возникновения артефактов. При этом увидеть можно лишь отдельные мелкие и глубокие фрагменты, но нет общего обзора всего среза кожи. В качестве следующего метода я бы назвал протоновое рентгеновское излучение PIXE. В этом методе на срез кожи, который теперь уже не такой тонкий и составляет несколько микрометров, направляются пучок ионов, обычно протонов. Хотя при таком подходе нет возможности исследовать отдельные наночастицы, его преимущество заключается в большей площади охвата, а интересующие участки можно увеличить. Могут ли протоны проникнуть на большую глубину? Да могут, глубина их проникновения намного больше, чем у электронов. Поэтому, используя протоны, можно анализировать более толстые пробы. Однако, по моему мнению, использование комбинации этих двух методов тоже имеет свои плюсы. В качестве третьего метода можно упомянуть лазерную микроскопию, но для того, чтобы использовать ее, необходимо пометить наночастицы флуоресцентными маркерами, иначе их не будет видно. Это не так–то просто, ведь маркеры должны крепко держаться на соответствующих частицах, иначе они могут показывать ошибочные данные. Однако, в общем и целом, этот метод очень эффективен, с его помощью можно получать трехмерные изображения с определенной глубиной резкости. Я нахожу все три метода очень интересными. Есть еще один способ, заключающийся в применении радиоактивной метки и авторадиографии. Речь, конечно, идет при этом только об эксплантатах кожных покровов. На практике этот способ используется пока редко. ВЛИЯНИЕ НАНОЧАСТИЦ НА ЗДОРОВЬЕ Что делать, если воспользоваться такими сложными методами не представляется возможным? Широкое распространение получил метод с использованием клейких полосок (tape strip). Эти полоски — клейкие ленты, с помощью которых снимаются и анализируются ороговевшие кусочки кожи слой за слоем. Очень просто и экономно, но глубинные слои кожи проанализировать не удается, так как при анализе измеряются также морщинки, волосяные фолликулы и т.д. Искаженный результат не соответствует действительной глубине проникновения. Следующим методом является диффузионная камера. Берется эксплантат кожного покрова и помещается в камеру. С одной стороны помещается вещество, которое должно быть нанесено на кожу, с другой стороны находится буферная среда, которая собирает информацию о том, что проходит через кожу. Это стандартный процесс, но и при нем тоже могут возникнуть ошибки. Если вы не знаете, по какому пути происходит проникновение вещества, то достоверность результатов не очень большая. Если предположить, что вы надрезали волосяной фолликул, то тогда образуется канал, по которому перемещается вещество. Или, например, при натягивании кожа была повреждена, и это место тоже может стать своеобразными воротами сквозь кожу. Названные способы являются основными. Некоторые исследователи требуют брать пробы кожных покровов, но это невозможно без повреждения живой кожи. Методы для этого еще не придуманы. Является ли здоровая кожа надежным барьером? Да, кожа является надежным барьером для проникновения наночастиц. Наши знания позволяют сделать вывод, что проникновение в кожные покровы является механическим процессом. Наночастицы механически втираются в ороговевшую кожу. Ее верхний слой напоминает слоеное тесто с отделяющимися ороговевшими фрагментами (корнеоцитами), между которыми осуществляется втирание. Нижний слой ороговевшей кожи можно сравнить со страницами книги, которые еще не намокли. И проникновение частиц в этот слой нами не установлено. Таким образом, здоровая кожа — это надежный барьер, но существует несколько публикаций, которые побуждают к размышлениям. При сильной механической нагрузке, когда кожа растягивается 39 на 45° несколько тысяч раз то в одну сторону, то в другую, можно установить более глубокое проникновение наночастиц в кожу. А как ведет себя поврежденная кожа? К сожалению, по этому поводу пока еще мало информации. Можно предположить, что при псориазе пролиферация, т.е. обновление кожи, усиливается во много раз. Это приводит к тому, что вместо 15 мкм толщина ороговевшей кожи составляет 100 мкм, что значительно больше, и отмершие клетки находятся рядом с живыми. При механическом воздействии на этот участок происходит примерно тоже, что при намазывании на разрезанный французский круасан из слоеного теста замерзшего масла - все ломается. И вот тогда–то и происходит контакт с живыми клетками. Мелкие повреждения — открытые раны, которые в силу своих малых размеров не видны глазу, являются теперь тропинками, через которые наночастицы могут вступить в контакт с живой тканью (здоровыми клетками). Таким образом, использование крема на открытых ранах не рекомендуется. Мы не знаем наверняка, что в принципе происходит с кожей, поврежденной в результате солнечного ожога, т.е. когда фрагменты кожи, на которую вы наносите солнцезащитный крем, уже отмерли. Я не могу себе представить, что это не приведет к контакту со здоровой тканью, поэтому рекомендую этого не делать. Имеются и другие часто обсуждаемые возможности для проникновения наночастиц в организм. В первую очередь речь идет о волосяных фолликулах; нами были обнаружены наночастицы в фолликулах, находящихся на глубине одного полумиллиметра, но не проникающие в живую ткань. Похоже на то, что оболочка волосяных фолликул тоже представляет собой хороший барьер. Еще одним путем проникновения могут быть потовые или сальные железы. Периодически мы анализировали их срезы и не обнаруживали там никаких частиц. В отношении потовых желез можно с уверенностью сказать, что они не способствуют проникновению наночастиц. Структура солнцезащитных кремов из–за жироподобной основы имеет водоотталкивающее свойство, поэтому невозможно себе представить, что в потовые железы попадет что–то, что не будет сразу же выброшено оттуда. Скорее возможно проникновение в сальные железы, но нашимы наблюдениями это не подтверждено. С сальными железами ситуация иная, но доказать что–либо мы не можем. В любом случае, по моему мнению, это особого значения не имеет. 40 ОБЩЕСТВЕННОЕ ВОСПРИЯТИЕ И ДИСКУССИЯ Общественное восприятие и дискуссия Нанотехнологии часто определяют как искусство обдуманного использования структур, размер которых от 1 до 100 нанометров, необходимое для получения определенных функций. Физики и химики давно используют такой подход и занимаются нанотехнологией, хотя и не называют ее так. Над точными определениями сейчас работают международные органы нормирования и стандартизации, но будущее нанотехнологии зависит не от них, а от отношения к ней общественности. Понятие «нанотехнология» возникло как результат мышления в новой концепции, как видение будущего, связанного с использованием «наномира», с применением все более эффективных приборов и техники, новых способов анализа, измерений и испытаний. Как все начиналось Первый ученый, решивший, что наномир несет в себе настоящий клад, был Ричард Фейнман (Richard Feynman) — легендарный американский физик, лауреат Нобелевской премии. В своем докладе 1959 года «Там внизу полно места» (There is Plenty of Room at the Bottom) он открыл удивленной публике новый мир – мир «нанокосмоса»: «Какими свойствами обладали бы материалы, если бы мы могли располагать атомы друг за другом по нашему желанию? Было бы очень интересно исследовать это в теории. Я не могу точно представить себе, что в этом случае произошло бы. Но я не сомневаюсь: при определенном контроле расположения очень малых частиц, мы без сомнения получим еще больший спектр возможных свойств материалов, а вместе с этим и гораздо больше свободы в нащих действиях.» Например, из материалов, которые до сих пор считалось нежелательно добавлять в какие–либо изделия, теперь, изготавливают такие высокотехнологичные изделия, как лазерные диоды. Список подобных возможностей очень, очень большой. Криоэлектронная томография внутренней части магнитотактической бактерии с цепочкой магнитосом. Это белки, представляющие собо\й нанокристаллы из магнетита. На представление широкой общественности о нанотехнологии в свое время сильно повлиял фильм «Фантастическое путешествие», снятый в 1966 году, где группу врачей-ученых вместе с подводной лодкой уменьшают до микроскопических размеров и шприцем впрыскивают в вену президенту. Их задача ликвидировать тромб в его мозгу. С научной точки зрения это казалось бессмысленным, но между тем, уже сегодня нанороботы передвигаются по кровеносной системе человека. В 1981 году Герд Бинниг и Генрих Рорер создали сканирующий туннельный микроскоп и получили за это в 1986 году Нобелевскую премию. Абстрактная прежде теория атомов стала реальностью. В том же 1986 году Эрик Дрекслер (Eric Drexler), американский инженер и фантаст опубликовал свою книгу «Машины созидания» (Engines of Creation) в которой описал возможность создания самособирающихся нанороботов или ассемблеров, которые могут выйти из-под контроля человека и заполнить весь окружающий мир, превратив его в «серую слизь». В своей книге Дрекслер показал не только картину нанотехнологического конца света, но и перспективу «нанотехнологического рая», поэтому у него сразу появилось много приверженцев. 41 ОБЩЕСТВЕННОЕ ВОСПРИЯТИЕ И ДИСКУССИЯ Истерия вокруг «нано» Публикации Дрекслера, вызвали повсеместный восторг, хотя еще в 1982 году польский писательфантаст Станислав Лем в своем рассказе «Осмотр на месте» предвосхитил появление «нанороботов», он их назвал «шустрами». В «Осмотре на месте» шустры присутствовали везде, даже в самых обыкновенных рубашках и приносили только пользу. Если обладатель такой рубашки захотел бы совершить подлость или преступление, например, убийство, то эта «нанотехнологическая» рубашка, благодаря массе переплетенных между собой шустров, стала бы такой жесткой, что недобрые намерения просто невозможно было бы осуществить. Эта остроумная версия развития нанотехнологии осталась менее известна широкой публике, чем роман Дрекслера вероятно потому, что в своих предсказаниях Лем не обещал наступления технологического рая. Конец «нанороботов» В 2001 году последователям Дрекслера был нанесен ощутимый удар, когда Ричард Смолли (Richard Smalley), лауреат Нобелевской премии 1996 года в области химии, публично изложил проблему «толстых и липких пальцев». Она описывает то, что должно происходить с атомными манипуляторами в нанокосмосе. Если на наноуровне «пальцы» имеют такую же толщину как те атомы, из которых они собирают материю, то уже одно это делает идею наноробота маловероятной, с таким же успехом можно разделывать мелких креветок кухонными рукавицами. Сегодня и сам Дрекслер понимает это. Таким образом, создание ассемблеров невозможно и опасность превращения человечества в «серую слизь» реально не существует. В 2002 году после выхода в свет бестселлера писателя Майкла Крайтона (Michael Crichton) «Рой» („Prey“), в котором нападение роя насекомыхнанороботов на своих творцов привело к ужасающим последствиям. Публика отреагировала на публикацию романа спокойно, хотя нанотехнологии были представлены в ней как откровенное зло. Похожую историю Станислав Лем описал в 1964 году в романе «Непобедимый». Между тем, в 2000 году критика нанотехнологий появилась с неожиданной стороны. Билл Джой (Bill Joy), глава научного департамента компании Сан Микросистемс (Sun Microsystems) в глубоко пессимистичной статье «Почему мы не нужны будущему» («Why the future doesn't need us»), опубликованной в журнале „Wired“, изложил свои представления о последствиях современных технологий, и в том числе нанотехнологии: «Непосредственным следствием Фаустовской сделки, необходимой для получения огромной силы, заключенной в нанотехнологии будет то, что человечество подвергнется серьёзному риску полного разрушения биосферы». В то время в нанотехнологических кругах ещё верили в теорию «самовоспроизводящихся нанороботов». Именно этот пункт, особенно беспокоил Билла Джойя, и сегодня это ставит под сомнение его критические высказывания. Они опровергнуты еще и тем, что взятые из 20 века технологии в большинстве своем неперспективны и требуют скорейшей модернизации, соответствующей уровню современного развития, в том числе и за счет нанотехнологии. Как уже говорил Станислав Лем: «Против плохой техники поможет только хорошая техника». Но идеи Билла Джойя и других критиков принесли свой результат: они дали толчок для серьёзных и разносторонних дискуссий о возможностях и рисках нанотехнологии. Ведь, как показывает опыт, всякая технология нуждается в критическом сопровождении. И нанотехнология не станет исключением. Однако, следует учитывать, на какую из ее отраслей направлена критика. Изображение самоорганизующихся молекулярных комплексов нанометрических размеров на медной поверхности, полученное с помощью туннельного микроскопа. (Задний план: результат моделирования) С такими процессами самоорганизации ученыенанотехнологи связывают большие надежды. Но эта техника далека от представлений Дрекслера об ассамблерах . 42 УПРАВЛЕНИЕ РИСКАМИ И ОБЩЕСТВЕННАЯ ДИСКУССИЯ Вряд ли опасность для человечества будет исходить от очков с нанопокрытием, устойчивым к появлению царапин. И последствия использования наноэлектроники относятся к сфере критики культуры, а не токсикологии. Направление нанотехнологии заслуживающее, по понятным причинам, особого внимания — это технология наночастиц. Оно стало основной темой аналитического исследования «Нанотехнология: маленькие частицы – большое будущее?», опубликованного в 2004 году швейцарской компанией Swiss Re, занимающейся вторичным страхованием. Это исследование вызвало большой интерес: Тем не менее, этот случай вызвал опасения по поводу использования наноматериалов даже со стороны рьяных сторонников нанотехнологий: Что может произойти, если какой-нибудь легкомысленный производитель косметической продукции вздумает использовать в своих товарах наночастицы без проведения каких-либо клинических испытаний, лишь в рекламных целях? А если эти частицы, в конце концов, окажутся вредными? Целая отрасль нанотехнологий обрела бы дурную славу, а привлекательность приставки «нано» возымела бы противоположное действие. Однако и критики должны быть осторожными, чтобы не попасть впросак, поверив в разные мифы о наночастицах. «Само по себе присутствие частиц в окружающей среде, даже в очень большом количестве, не представляет опасности для человека и экологии. Об опасности следует говорить только, если определенные свойства частиц окажутся вредными,. Но соответствующих исследований пока нет, и сказать вполне определенно, представляют ли наночастицы или изготовленные из них продукты конкретную опасность,, пока невозможно. В июне 2005 года страховая компания Альянс (Allianz Versicherungs-AG ) опубликовало еще одно исследование. «В сущности, риск нанотехнологии состоит в разрыве между ее динамичным развитием и скоростью получения новых знаний о том , какую опасность она может представлять, и какие необходимы нормы и стандарты безопасности для предотвращения негативных последствий», констатирует Альянс. Наноподделки В тоже время на нанотехнологии, как и прежде, возлагаются слишком большие надежды, что вызывает большой интерес общественности, комментируемый в средствах массовой информации. История, связанная со средством по уходу за изделиями из стекла и керамики Magic Nano, вызывающим тяжелые нарушения здоровья при вдыхании, произошедшая в марте 2006 года, вызвала большой резонанс в международной прессе только из-за названия средства. Причем сам продукт не содержал вообще никаких наночастиц, что подтвердили в Федеральном институте оценки рисков после заслушивания заключений экспертов и поставщиков. Производитель, основываясь лишь на своих собственных данных, хотел указать на то, что после распыления продукта на стеклянной или керамической поверхности образовывалась тончайшая пленка якобы наноразмерного масштаба. На самом деле, толщина пленки измерялась микрометрами. Этому продукту больше подошло бы название Magic Marketing. Наномифы Область нанотехнологий появилась относительно недавно, специалистов в этой сфере — включая критиков — не так уж много, и в то же время споры в отношении безопасности этой технологии очень актуальны. Это создает благоприятную почву для появления всяческих легенд. Примером этого служит статья, опубликованная в октябре 2004 года в издании «Proceedings of the Ninth Asia Pacific Physics Conference (9th APPC)» во вьетнамском городе Ханой, о том, как около 12000 семян риса сорта «thai purple» были обстреляны низкоэнергетическими ионами азота, что является вполне обычной процедурой. Семенам дали прорости, саженцы были высажены в землю, где они полностью вызрели. У двух растений наследственный материал изменился: обычно у этого сорта риса фиолетовый цвет, а у «мутантов» листья и стебли оказались зелеными. Нанотехнологии крепко досталось, хотя по все законам логики она было абсолютно невиновна. Один из сотрудников канадской организации ETC Group – противника нанотехнологий – написал: «Целью научно-исследовательского проекта является просверливание отверстия размером в один нанометр [...] через клеточную стенку и мембрану клетки риса, через которое можно ввести атом азота. Отверстие просверливается при помощи луча быстро двигающихся частиц. После этого в отверстие простреливается атом азота, с целью изменить наследственный материал клетки.» Данный факт, ни в коем случае не являющийся постыдным, но не имевший места в действительности, был назван критиками большой дерзостью нанотехнологических исследований, и в такой интерпретации стал использоваться даже крупными и серьезными организациями в аналитических обзорах возможных рисков. При этом, облучение семян в целях получения определенных мутаций, встречающихся с несколько меньшей плотностью и в природе, представляет УПРАВЛЕНИЕ РИСКАМИ И ОБЩЕСТВЕННАЯ ДИСКУССИЯ собой вполне обычный научный процесс. Согласно Земельному сельскохозяйственному ведомству Баварии в 2006 году «благодаря разведению мутационных видов растений современный рынок пополнился 1800 новыми сортами растений. В Италии 70 % возделываемых полей засеяны новыми разновидностями твердой пшеницы, используемой для изготовления лапши». Критиковать такую практику конечно можно, но селекционеры уже давно используют процесс мутации в своей работе, и нельзя обвинить в этом нанотехнологию. Нано‐споры Организации по охране окружающей среды Данная проблематика была подхвачена организациями по охране окружающей среды. Самая крупная немецкая организация этого профиля Союз по охране окружающей среды и природы BUND требует, как и другие подобные организации, проведения тщательных исследований в отношении безопасности наночастиц, указывая при этом на положительные возможности нанотехнологий и на то,... «...что (видимый) эффект новых технологий, компенсирующий негативное воздействия на сырье и окружающую среду за счет новых технологий, зачастую лишь отвлекает внимание от необходимости что-либо изменить в обществе. В качестве примера можно привести 43 В действительности, нет большой пользы в том, что молоко, прошедшее холодную стерилизацию через нанофильтр, можно перевозить на более дальние расстояния. Молоко будет поставляться в Бранденбург (где и свои коровы есть)не только из приальпийских районов Германии, но и со всего альпийского региона, как это происходит с минеральной водой, обладающая якобы особенным качеством. И в то же время, даже с помощью нанотехнологий не удасться изменить то, что крабов, выловленных в Северном море, прежде чем продать в магазине где-нибудь на севере Германии транспортируют сначала для чистки в Марокко. Эти причудливые экономические приемы не удастся изменить , пока с их помощью можно будет зарабатывать деньги. Решение потребителей Итоги конференции по теме применения нанотехнологий в пищевой, косметической и текстильной промышленности, проведенной в Федеральном институте оценки рисков (BfR), сформулированные в заключительном документе, содержат следующие высказывания: «В настоящий момент внушает опасение мизерное количество приемлемых методов измерения. Мы считаем, что критических показателей для оценки возможных рисков пока еще нет, и требуем разработать новые методы анализа и измерений, прошедшие стандартизацию в независимых организациях, для осуществления оптимального контроля за поведением наночастиц. Отдельные элементы в пробе аэрозоля могут быть определены при помощи рентгеновского излучения, возбуждаемого протонами PIXE. Первая машина-гибрид марки Smart. Американская компания hybrid technologies предлагает чисто электрическую версию с использованием литий-ионного аккумулятора. введение катализаторов в середине 80-ых годов. Уже сейчас для сохранения сравнительно чистого воздуха необходимо сократить нынешний объем автомобильного транспорта на 80 %. Сдвинув фокус общественного внимания на технические решения, преподносимые как технологии будущего, мы преграждаем путь для реализации перспективных разработок, направленных на решение действительных проблем, например, на изменение несовместимого с будущим образа жизни высокоразвитых стран». 44 Это позволит определить стандарты для охраны труда и контроля качества конечных продуктов, что, в конечном счете, позволит избежать отрицательных последствий для потребителей. При проведении оценки возможных рисков необходимо учитывать весь жизненный цикл продукта (производство, использование и утилизация)». В вопросе контроля тоже вполне возможно рациональное использование преимуществ, предлагаемых нанотехнологиями. Еще одно требование потребителей звучит следующим образом: «Мы считаем, что необходимо провести научные исследования действительно важных аспектов применения нанотехнологий в пищевой промышленности (например, оптимизация процесса очистки питьевой воды, контроль и обеспечение качества, высокоразвитые («умные») упаковки и условия хранения), на основе которых будут развиваться новые продукты». Реализация некоторых требований может привести к дополнительным расходам со стороны задействованных отраслей промышленности: «Мы требуем ввода обязательной маркировки товаров при помощи знака «нано», это предос- УПРАВЛЕНИЕ РИСКАМИ И ОБЩЕСТВЕННАЯ ДИСКУССИЯ Как показывает практика, атмосфера нашей планеты очень уязвима; и это уже является достаточным поводом для немедленной модернизации промышленных предприятий, в том числе с помощью нанотехнологий. ставит пользователю право выбора товаров и позволит избежать целого ряда недоразумений. Мы считаем, что маркировка товаров особенно важна в пищевой промышленности, так как продукты питания вступают в непосредственный контакт с человеческим организмом. ...Необходим порядок допуска к использованию наноразмерных материалов в продуктах питания и их упаковочном материале. В этой связи мы требуем проведения дополнительного контроля уже разрешенных к использованию веществ (диоксид кремния, диоксид титана, силикаты алюминия...), если они применяются в нанотехнологическом контексте». Немецкая ассоциация химической промышленности VCI В документе «Точка зрения и рекомендации для обращения с наночастицами и наномасштабными веществами в соответствии с официальными предписаниями» Ассоциации химической промышленности говорится о следующем (см. интервью с Маркусом Придёлем на стр.22): «При уменьшении масштаба структуры материала до нанометров происходит изменение как физико-химических, так и биологических свойств веществ. В сравнении с более УПРАВЛЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ РИСКАМИ крупными веществами. Это объясняется увеличением соотношения площади поверхности и объема, усилением энергии поверхности и уменьшением размера частиц. Данные изменения свойств веществ вызывают во всем мире вопрос о том, применимы ли уже имеющиеся официальные предписания по использованию химических веществ и для наночастиц, или необходимо создать дополнительные нормы. [...] Мы считаем, что существующее законодательство по обеспечению охраны человека и окружающей среды применимо и для наночастиц, что, какие-либо дополнительные требования не нужны, [...] так как предметом действующих предписаний являются не физические свойства определенных веществ, а свойства, представляющие опасность для человека и окружающей среды, и контакт с ними. Возникающий в этой связи риск можно свести к минимуму с помощью соответствующих мер. Обязанности, регулируемые действующим законодательством, сформулированы относительно широко, поэтому их применение не ограничивается «обычными» химическими веществами. Они касаются также и особенностей наночастиц, и наномасштабных веществ». 45 Однако, в общем и целом реакция заинтересованных лиц и организаций относительно умеренная. Только канадская компания ETC Group (The Action Group on Erosion, Technology and Concentration) выступила в 2003 году с требованием немедленного прекращения коммерческого производства новых наноматериалов: «В силу опасений, связанных с возможностью заражения живых организмов наночастицами, компания ETC Group предлагает, правительствам разных стран объявить немедленный мараторий на серийное производство новых наноматериалов и начать международный процесс анализа последствий нанотехнологий для социоэкономики, здравоохранения и окружающей среды». На практике такие нововведения означали бы конец развития нанотехнологий. В рамках нанотехнологий различные, прежде не связанные между собой дисциплины, оказываются связанными друг с другом на уровне атомов. Например, связь механики, электроники и биологии, позволяет находить более изящные технические решения в различных вопросах каждой из этих дисциплин. 46 УПРАВЛЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ РИСКАМИ Управление нанотехнологическими рисками Основой нанотехнологий служат естественнонаучные дисциплины, их выводы доказываются или опровергаются с помощью стабильных объективных измерений. С каждым годом появляется все больше методов подобных измерений. Слева: компьютерная модель с увеличением в 7 млн. раз; наночастица с платиновой оболочкой и железным ядром (зеленое) представляет собой наномагнит с каталитическими свойствами. Современные высокомощные электронные микроскопы позволяют проводить исследования элементов размер которых менее 1 нанометра. Справа: изображения, полученные при помощи электронного микроскопа старшего поколения. Наноаналитика – основа анализа рисков В 1981 году, когда Герд Бинниг и Генрих Рорер представили общественности свой сканирующий туннельный микроскоп, многие нанотехнологические аспекты были уже известны. Модель атома размером в 0,10 нанометра была давно известна в физике и химии, однако при помощи сканирующего туннельного микроскопа появилась возможность отображать отдельные атомы и даже передвигать их. Атомно-силовой микроскоп, разработанный Биннигом впоследствии, позволяет рассмотреть элементы субатомного уровня, или направленные химические соединения, которые, связывают кристалла кремния. Данные микроскопы, а также их многочисленные аналоги, стали прорывом в науке и вызвали целую лавину идей, объединенных непосредственным отношением к понятию «нанотехнология». Современные классические электронные микрос - копы тоже в состоянии выявить отдельные атомы, не говоря уже о наночастицах, размер которых во много раз больше. Большим преимуществом микроскопов, работающих при помощи ионизирующих лучей, является то, что они могут определять не только положение атомов, но и их тип, так как атомы, возвращающиеся после ионизации в электрически нейтральное состояние, имеют характерное излучение, энергия которого содержит информацию относительно индивидуальных характеристик атомов и их соединений. В распоряжении наноаналитики находится целый ряд методов, и по-прежнему велик потенциал для совершенствования. Ведь электронные микроскопы и аналогичные инструменты большие и дорогостоящие, кроме того, они, как и многие сканирующие зондовые микроскопы, позволяют исследовать только мелкие фрагменты, что, с одной стороны, является их предназначением, а с другой стороны, связано с большим расходом времени, если необходима идентификация большого числа частиц. Конечно, времени в промышленном производстве не хватает, измерение качества получаемых наночастиц и анализ рисков должно проводится незамедлительно. Так, воздействие мелкой пыли и наночастиц, наблюдаемое на рабочем месте, измеряется с помощью аппаратов SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer), определяющих количество и размер частиц, приходящихся на определенный объем воздуха. Элементарный состав частиц и их форма определяется с помощью электронных микроскопов на примере отфильтрованных проб. Это не так просто, а желательно иметь удобный и не дорогостоящий аппарат, с помощью которого можно быстро получать сразу всю информацию. При некоторых химических процессах, таких как гетерогенный катализ, огромную роль играют мельчайшие фрагменты на поверхности наночастиц, от них может зависеть токсичность. С помощью наноаналитики можно на подобные вопросы; Развитие этого направления является ключевым моментом в общем нанотехнологическом процессе. В результате даже небольшой оптимизации все того же катализа можно сэкономить миллионы евро, сократить в большом объеме вредные вещества или получить Нобелевскую премию в области химии, как Герхард Эртль (2007 год). 47 УПРАВЛЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ РИСКАМИ Участие Федерального правительства в нанотехнологических проектах Согласно стратегической политике правительства Германии, нанотехнологии являются самым перспективным направлением технологического развития. По прогнозам не позднее 2015 года большая часть важнейших технологических нововведений будет относиться именно к этой области. В рамках плана действий «Наноинициатива – 2010», обнародованного в 2006 году, впервые была разработана единая межотраслевая рамочная программа, в центре которой находится ответственное и безопасное использование наноматериалов. Был запущен целый ряд проектов и программ с целью, выявить и взять под контроль токсический потенциал наноматериалов, которым они бесспорно обладают. Стержнем программы является комплекс проектов NanoCare, INOS и TRACER, объединяющих науку, промышленность и общественность; бюджет программы, рассчитанный до 2009 года, составляет около 8 млн. евро. В нанотехнологическом диалоге, запущенном по инициативе Министерства охраны окружающей среды BMU совместно с другими министерствами и ведомствами, участвуют промышленные предприятия, ученые и заинтересованные общественные группы. Целью данного диалога является определение шансов и рисков использования нанометриалов, а также формулировка конкретных задач для исследований и практических действий, для вынесения их на открытое обсуждение Федерального института оценки рисков. Этот находящейся в ведомстве институт, Министерства пищевой промышленности, сельского хозяйства и защиты прав потребителей BMELV, проводит исследования возможных последствий использования нанотехнологий в продуктах питания, Целью информационной акции nanoTruck является информирование населения по вопросам нанотехнологий. Автобусы nanoTruck пользуются большой популярностью. косметике и предметах первой необходимости, предметом исследований является также отношение к нанопродуктам со стороны потребителей. Министерство здравоохранения изучает риски использования наномасштабных частиц в лекарствах и товарах медицинского назначения, что очень важно для проведения медицинских контрольных мероприятий и выдачи разрешений. Кроме того, правительством Германии совместно с Федеральным ведомством по охране и медицине труда разрабатывается межсекторная научноисследовательская стратегия, основной темой которой являются последствия использования нерастворимых наночастиц для здоровья человека и окружающей среды. К целям данного проекта относится в первую очередь разработка стандартных методов измерения наночастиц, сбор информации относительно возможного токсикологического воздействия наночастиц, а также разработка методов тестирования и анализа возможных рисков. Правительству очень важно вести диалог с общественностью, владеющей достаточной информацией по данному вопросу, и поэтому оно участвует в проведении конференций, выпуске информационных брошюр, создании интернетпорталов, публикует аналитические отчеты, содержащие информацию относительно результатов новейших научных исследований и дебатов по теме возможных рисков нанотехнологий. Все большую популярность завоевывает информационная акция nanoTruck. Это автобус разъезжающий по всей Германии под девизом «nanoTruck – путешествие в нанокосмос – мир мельчайших измерений», ежегодно число его посетителей насчитывает более 100000 человек. В рамках данной акции можно познакомиться с брошюрой, выпущенной Министерством науки под названием «Нанотехнологии – инновации будущего». Данная брошюра является практически стандартным руководством по нанотехнологиям и переведена на все языки Европейского Союза, а также на арабский, китайский и русский языки. Это радует, так как в силу сложности нанотехнологий и их далеко идущих последствий международное сотрудничество имеет особенно большое значение. По этой причине Правительство Германии активно участвует в международных мероприятиях, связанных с ответственным использованием наноматериалов. К таким проектам относятся, например, план действий Европейском Комиссии, проект «Working Party on Manufactured Nanomaterials» или проект «International dialogue on responsible research and development of nanotechnology». Целью данной деятельности является координация обширных мероприятий, проводимых во всем мире, для анализа безопасности наноматериалов, а также разработка согласованных методов и стандартов работы. 48 Федеральный проект исследования в области безопасности нанотехнологий NanoCare Министерство образования и науки совместно с представителями промышленности в целях обеспечения совместимости наноматериалов запустило научный проект NanoCare . Бюджет, выделенный министерством и рассчитанный на три года, составляет около 5 млн. евро, доля промышленного сектора - 2,6 млн. евро. Цель проекта NanoCare — содействие в получении новых научных знаний о воздействии наночастиц на окружающую среду и здоровье человека, а также ознакомление общественности. с полученными результатами. «Если мы говорим о рисках для здоровья, то это проблема интересует всех участников проекта. Что касается потребностей в научных исследованиях, нами должны быть проведены исследования всех важнейших материалов, которые дадут нам ответы на вопросы о возможных контактах с наночастицами и их негативном биологическом воздействии на человека.» Гаральд Круг, координатор проекта NanoCare Участники проекта — представители промышленности и науки, заинтересованы в создании новых, четко определенных наночастиц, токсические свойства которых будут проверены в модельных системах. В проекте участвуют 15 организаций-партнеров. Промышленность представляют компании Evonik Industries AG, BASF AG, Bayer MaterialScience AG, Solvay, ItN Nanovation AG и SusTech GmbH & Co. KG. Научную сторону представляют университеты Мюнстера, Билефельда и Саарбрюкена, а также НИИ г. Карлсруэ. В проекте также участвуют НИИ технологий энергии и защиты окружающей среды IUTA e. V., НИИ разработок методов анализа биологических выбросов и НИИ изучения опасных веществ Отраслевого объединения горнодобывающей промышленности при Рурском университете г. Бохум. За информационный обмен отвечают организации VDI Technologiezentrum GmbH и Dechema. Координируется проект научноисследовательским институтом г. Карлсруэ. УПРАВЛЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ РИСКАМИ Интервью с Гаральдом Кругом, координатором проекта NanoCare и профессором Института токсикологии и генетики при НИИ г. Карлсруэ Что представляет собой научный проект NanoCare, и каковы его цели? Особенностью проекта NanoCare является то, что он представляет собой очень большую и интегрированную научную программу, состоящую из трех основных частей. Первая часть охватывает получение новых знаний: мы создаем подходящие и взвешенные системы тестирования для того, чтобы проанализировать уже используемые и еще только разрабатываемые наночастицы на возможное отрицательное биологическое воздействие. В рамках нашего объединения, насчитывающего уже почти 10 партнеров, мы вводим стандарты процессов тестирования, мы все работаем в биологическом секторе, т.е. 10 различных лабораторий, расположенных по всей Германии, должны в рамках своей деятельности использовать одинаковые методы работы. Итак, один раздел нашего проекта посвящен получению совершенно новых данных относительно возможных отрицательных воздействий наночастиц и их контакта с окружающим миром (в том числе и на рабочем месте). Вторым направлением является процесс обработки полученных данных, т.е. их сбор, обработка в рамках проекта, хранение во внутренней базе данных и перенос в третий раздел проекта, в рамках которого мы знакомим общественность с полученной и обработанной информацией, участвуя в различных конференциях или публикуя статьи или комментарии. В какой области нанотехнологий – ведь она очень большая – имеется, по Вашему мнению, наибольшая потребность в научных исследованиях по безопасности технологий? Если мы говорим о рисках для здоровья, вызываемых наночастицами, то это проблема интересует всех участников проекта. Что касается потребностей в научных исследованиях, нами должны быть проведены исследования всех важнейших материалов, которые дадут нам ответы на вопросы о возможных контактах с наночастицами и их негативном биологическом воздействии на человека. В отношении наноматериалов у нас есть большие сложности, так как необходимо провести оценку каждого материала в независимости от других. Это связано с тем, что влияние может быть оказано различными частицами при определенных их размерах или свойствах поверхности. Поэтому полученные в одном случае 49 УПРАВЛЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ РИСКАМИ результаты нельзя обобщить, многие химические вещества тоже анализируются подобным образом. Чем отличаются искусственно полученные наночастицы от частиц, находящихся в природе или образовавшихся спонтанно? Если мы говорим о материалах, полученных в результате синтеза, то можно назвать два основных источника угрозы. С одной стороны, это касается совершенно новых материалов, например, фуллеренов или нанотрубок, которые в природе не встречаются в большом количестве. Если мы производим их в большом объеме, то получается совершенно новое качество и новый источник нагрузки. И это можно делать только в том случае, если мы полностью можем исключить тяжелые негативные последствия. Это относится к совершенно новым материалам. С другой стороны, существуют природные частицы такого мелкого размера, что их тоже можно назвать наночастицами. В атмосфере есть еще большое количество пыли, состоящей частично как раз из тех материалов, которые мы тоже используем, естественно в очищенном виде: оксиды железа, цинка, титана, кремния. Они находятся также и в земной коре. Проблемы могут возникнуть только в том случае, если мы будем производить и использовать эти вещества в чистом виде и в больших количествах, так как в этом случае мы увеличиваем их концентрацию. Именно на этом этапе следует проводить тестирования, чтобы предотвратить возможные негативные последствия. Для меня эти два пункта самые важные. В каких продуктах искусственно полученные частицы находят свое применение сегодня? Часто в косметических продуктах, например, в солнцезащитных кремах или других кремах по уходу за кожей, которые имеют солнцезащитный фактор. Они содержат чаще всего мелкие частицы оксида цинка или диоксида титана. Последний, в фотокаталитическом формате, то есть действительно в виде наночастицы, используется для поддержания чистоты на поверхностях. К тому же, наночастицы имеются во многих глазурях, красках и лаках. Для регулирования клейкости используется диоксид кремния. Углерод и углеродные нанотрубки уже сегодня добавляют в различных полимерные материалы в целях улучшения их структуры. Наночастицы встречаются в электрических аккумуляторах; техническое применение находит также и нанокерамика Однако все области применения, которые я назвал, касаются композитных материалов. Здесь наночастицы примешиваются к главному материалу, который только что был расплавлен или спечен. Только в очень небольшом числе продуктов используются наночастицы в свободной форме или в суспензиях, как в солнцезащитных кремах. Уменьшается ли число возможных рисков при использовании частиц в связанной форме? Да, в этом случае опасность намного ниже. Возможные риски в этом случае зависят скорее от того, как материалы в конце их использования устраняются, измельчаются, перерабатываются, выветриваются, содержатся в хранилище или сжигаются. Очень сложно найти общие правила безопасности в этом секторе. Ведь по причине большого числа различных характеристик Вам приходится проверять каждый материал отдельно? Так как мы работаем со многими различными формами, размерами и материалами, унифицированных директив и правил нет, от этой мысли надо отойти. С химикатами ситуация похожая, здесь тоже отсутствуют стандарты. Для начала можно определить их группы: легковоспламеняющиеся, взрывчатые, водорастворимые или водонерастворимые, и внутри этих групп провести отдельный анализ. Для наночастиц будет использован именно этот способ. Может ли от высвобождения наночастиц пострадать окружающая среда? Да, представить себе, конечно, можно многое, но все ли это будет рационально? Вы упомянули нанопестициды, это «упакованные» в нанокапсулы ядохимикаты, которые должны достичь своей цели, то есть места их действия. Подобная цель стоит и при лечении пациентов в медицине. Такие капсулы легко расщепляемые, в противном случае их содержимое просто не сможет высвободиться. Поэтому я считаю, что опасность, вызываемая именно за счет подобных наноструктур, невелика. При определенных условиях может развиться новое качество токсичности: пестициды само собой ядовиты, это и является их предназначением, но если они вдруг станут распространяться в природе в виде нанокапсул как-то по–новому, и их концентрация в определенных местах станет больше, то это конечно может привести к проблемам. 50 УПРАВЛЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ РИСКАМИ Активность промышленного сектора К практическим советам и указаниям по работе с наночастицами в промышленности относится «Руководство по использованию наноматериалов на рабочем месте", разработанное Федеральным институтом охраны и медицины труда и Ассоциацией химической промышленности (VCI). В руководстве уточняется: «Для производства наноматериалов как изолированных наночастиц, как правило, необходимы особенно сложные химические и физические методы. В современных продуктах, изготавливаемых в серийном производстве, наночастицы встречаются не как отдельные, а как объединенные и агломерированные частицы (см. глоссарий) в виде групп, состоящих из нескольких частиц. При агрегации и агломерации речь идет не о наночастицах как таковых, а о наноструктурных материалах, в которых наночастицы связаны друг с другом. Часто высвобождение наночастиц из агрегатов и агломератов без специального подвода энергии невозможно. Частично наноматериалы еще в процессе производства перерабатываются в грануляты, смеси, дисперсии и композиты. Во многих случаях при последующей переработке наночастиц их высвобождение в изолированном виде становится невозможно». При интегрированном процессе наночастицы серебра выделяются непосредственно в жидкие носители. Этот процесс позволяет получить стабильные суспензии изолированных частиц с большой специфичной поверхностью, которая отличается высокой степенью чистоты. Средний размер наночастиц – от 5 до 50 нм. Если исключить риски невозможно, то надо следовать рекомендациям, применяемым для любых материалов, считающихся потенциально опасными. Необходимо проверить, существует ли способ заменить вредные для здоровья материалы или технические процессы на менее опасные, обязательно проверить процесс производства в закрытых помещениях, при этом опасные газы, пары и пыль должны подвергаться учету, ограничению и отводу непосредственно на месте их возникновения. Необходимо организовывать подходящие места для мытья, защищенного хранения личной одежды персонала; грамотно организовывать рабочие процессы по времени; обучать и инструктировать персонал; строго следовать правилам доступа к материалам и по их хранению; обязательно использовать личное защитное снаряжение дополнительно к техническим и организационным мерам, это, например, дыхательные маски, защитные очки, перчатки и т.д. Частицы, находящиеся в полимерном грануляте, обеспечивают длительное воздействие против бактерий и других микроорганизмов УПРАВЛЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ РИСКАМИ 51 Приблизительная оценка потенциала опасности различных наночастиц. Наличие вoзможных рисков технологии наночастиц не ставится под вопрос; на сегодняшнем этапе их возникновение вполне можно ожидать. Частицы, активирующие полезные химические реакции, могут использовать свой потенциал и для нежелательных реакций. Уже получен целый ряд результатов исследований, подтверждающих этот факт. Речь идет, прежде всего, о лабораторных опытах «in vitro», но возможность их применения на живых организмах все еще остается спорной. Так наночастицы из двуокиси кремния очевидно могут нарушать функции ядра клетки, а молекулы С60 и наномасштабный диоксид титана уже в сравнительно небольших дозах действуют на водяных блох смертельно. Лондонское королевское общество (Royal Society of London) и Королевская академия инженерных наук (Royal Academy of Engineering) говорят о необходимости проведения научных исследований в отношении оксида цинка, применяемого в солнцезащитных кремах. Приведенная таблица показывает результаты исследований некоторых наночастиц, уже используемых в больших объемах и тех, применение которых планируется, а также приблизительные результаты анализа риска. Созданию более основательной классификации на данный момент препятствует недостаточная сопоставимость многих исследований из-за отсутствия стандартных методов анализа. Устранение этого и других препятствий является целью научной программы, проводимой в настоящий момент по инициативе Федерального института охраны и медицины труда, Федерального института оценки рисков и Федерального ведомства по охране окружающей среды. Как близко друг к другу находятся порой новое и старое; нанотехнология тоже не является исключением из этого правила. Примером этому служит «наноглина» (Nanoclay). Под этим понятием подразумевается глинистый минерал каолинит, использовавшийся уже в каменном веке для изготовления прочных сосудов. Под электронным микроскопом видно, что минерал состоит из слоев плоских нанокристаллов, сложенных как стопки монет. Если отделить нанокристаллы друг от друга физическим или химическим способом, то получается наноглина, универсальный наполнитель, благодаря которому пластиковые бутылки, например, становятся газонепроницаемыми. 52 КРОХОТЫЕ ЧАСТИЦЫ С ОГРОМНЫМ ПОТЕНЦИАЛОМ – ВОЗМОЖНОСТИ И РИСКИ НАНОТЕХНОЛОГИИ Крохотные частицы с огромным потенциалом возможности и риски нанотехнологий Каждый раз, когда Оттилия Саксль (Ottilia Saxl), председатель английского Института нанотехнологий (Institute of Nanotechnology), открывает конференцию по нанотехнологиям, публику ожидает пламенная речь о защите окружающей среды. Оттилия Саксль как и многие ученые, работающие в нанотехнологическом секторе и имеющие трезвый взгляд на нынешнюю ситуацию, высказывает опасения относительно будущего нашей планеты. Технология 20-го века несомненно достигла пределов своего развития. Глобальное изменение климата – это лишь одно из последствий технического прогресса. Вероятно поэтому нанотехнологи часто высказывают свое мнение по поводу экологии, ведь они могут вселить надежду в слушателей: нанотехнология может помочь нам в обеспечении безопасного будущего. Например, при помощи использования недорогого электричества из солнечного света. В начале 2007 года в г. Кардифф (Уэльс) при участии немецкого предприятия BASF AG была основана первая фабрика по производству солнечных батарей, работающих на основе наномасштабных частиц диоксида титана и специального красителя. Хотя эффективность солнечных батарей всего в два раза выше, чем кремниевых, производство первых намного дешевле: активное вещество печатается на фольгу рулон за рулоном. Время, в течение которого восполняются использованные ресурсы, равняется приблизительно году по сравнению с четырьмя годами необходимыми на это при производстве кремниевых солнечных батарей. Ячейки Гретцеля, названные в честь своего изобретателя Михаэля Гретцеля, профессора Лозаннского технологического университета Швейцарии, предназначены для развития телекоммуникационных сетей в Африке и Индии. Но с помощью нанотехнологий могут быть усовершенствованы и обычные кремниевые батареи: использование дополнительного тонкого слоя наномасштабного кремния значительно повышает эффективность работы батареи. К тому же развитию технологии кремниевых солнечных батарей поможет наличие конкуренции, ведь благодаря ей развивается рынок, а при почти 40 % ежегодного роста места на нем хватит для всех. Недавно скончавшийся лауреат Нобелевской премии Ричард Смоли (Richard Smalley) отводил нанотехнологиям ключевую роль в решении энергетических проблем. Характерным примером является развитие мощных энергоаккумуляторов. Скоро на рынке появятся литийионные аккумуляторы с высокой мощностью, надежные и готовые к тысячеразовому заряжению в допустимые периоды времени. Они тоже содержат наночастицы (см. стр. 18). Для эксплуатации одного электророллера с таким аккумулятором хватило бы пары квадратных метров современных панелей солнечных батарей на крыше дома. Также и автомобиль Smart с литий-ионным аккумулятором охотно бы стал участником городского движения. Разработка подобных аккумуляторов не заставит себя долго ждать, азиатские города, например, тонут в смоге выхлопных газов машин с двухтактными двигателями, замена которых будет форсироваться в рамках правительственных программ, как только появится доступная по цене техническая альтернатива. Жители таких старых европейских городов, как Лондон, снова могут дышать чистым воздухом благодаря введению дорожной пошлины на въезд в центр города, а вот владельцам электроавтомобилей пошлины платить не надо. Для них на специальных автостоянках Природные захоронения – месторождение покрытых известковым панцирем живых существ – излюбленные места для прогулок – как Белые Утесы Дувра. КРОХОТЫЕ ЧАСТИЦЫ С ОГРОМНЫМ ПОТЕНЦИАЛОМ – ВОЗМОЖНОСТИ И РИСКИ НАНОТЕХНОЛОГИИ имеются штепсельные розетки для подзарядки аккумулятора. Когда-нибудь они будут повсюду. Без эффективных электромоторов не обойтись. И очень может быть, что они тоже будут содержать магнитные наноматериалы. До тех пор пока производство и использование наночастиц не перестанут быть опасны, будут вестись поиски путей и средств для их интеграции или методов обезвреживания. Все зависит от соединения - химики это знали всегда. Так элементы натрий и хлор по отдельности на являются усвояемыми, но вместе они составляют хлористый натрий, поваренную соль, без которой человек не может прожить. С помощью наночастиц можно создавать новые материалы для нашего повседневного использования, которые в конце жизненного цикла распадаются на нетоксичные соединения, как это происходит с листьями растений, или по меньшей мере нетоксично разлагаются в воде. Насколько остро стоит потребность в таких наночастицах показывают отчеты о «pacific gyre» - потоке воды в Тихом океане. В нем плавает пластиковый мусор весом около трех миллионов тонн, объем которого постоянно увеличивается: эти бутылки, игрушки и все остальное — смертельная опасность для многих морских организмов. В настоящий момент прогрессирует вымирание морских биологических видов, эта катастрофа имеет глобальные масштабы. Ученые выступают за проведение срочной модернизации промышленно развитых стран, так как эта проблема уже давно назрела. В этом вопросе могут помочь нанотехнологии. В каждом листе липы идет процесс фотосинтеза: из света, воды, углерода и микро-элементов создаются высокоэнергетические химикаты? Ученые уже близки к разгадке этого механизма, которая откроет для нанотехнологии огромный спектр задач и без сомнения принесет Нобелевскую премию. 53 Предостережения о грядущих катастрофах давно являются не только предметом агитации сект, найти их можно на вебстраницах тех предприятий авиационной, космической и военной промышленности, на которых проводятся научные исследования. В время своих лекций сэр Гарольд Крото (Sir Harold Kroto), получивший вместе с Ричардом Смоли и Робертом Кёрлом Нобелевскую премию по химии за открытие фуллеренов, часто цитирует Толкиена, автора книги «Властелин колец»: «All that is gold does not glitter not all those who wander are lost ...» (Не все то золото, что блестит, не все, кто странствуют потеряны). Молодые люди отвечают на эту цитату горячими аплодисментами. Чуткое отношение к природе у людей, занимающихся нанотехнологией, основано на их способности охватывать нескольких научных областей — биологию, физику, химию — они ценят невероятную техническую гениальность многих природных процессов. Например, фотосинтез, которым владеет каждый липовый лист, в силу своей сложности до сих пор не имеет полного объяснения. Но долгожданный берег уже появился на горизонте. После серьезных исследований по нанобезопасности люди смогут при помощи нанотехнологий применить гениальность естественных процессов для технических разработок и подготовить технический мир к будущему. 54 ГЛОССАРИЙ Глоссарий Аэрозоли — смеси твердых частиц или жидких капель с воздухом. Аэрозоли являются предметом интенсивных исследований поскольку могут наносить серьезные повреждения органам дыхания человека. Воздух может переносить частицы размером с молекулу более чем на 100 микрометров. Для здоровья человека имеют значение, прежде всего, частицы размером менее 10 мкм. Агломераты, агрегаты - эти понятия уже давно применяются в сфере порошковых технологий для описания скопления частиц, однако иногда возникает путаница в определениях. В немецкой промышленности понятие «агрегат» означает химически связанные друг с другом частицы. Агломераты же являются накоплением агрегатов, которые связаны между собой посредством более слабых сил Ван-дер-Ваальса. Между агрегатами и агломератами существуют переходные состояния. заряда, а также повышает термическую проводимость. См. также ОУНТ и МУНТ. Компьютерная томография — послойные снимки данных о тканях в некотором объеме (грудная клетка). Наиболее широко применяется в медицине рентгеновская компьютерная томография. Но существуют и другие ее разновидности, например уникальная криоэлектронная томография, позволяющее получить изображение молекулярных наномашин. Дендримеры — новая группа элементов, структура которых напоминает дерево или куст. Это «гиперразветвленные» полимеры супрамолекулярной химии, обладающие поразительными свойствами. К многочисленным веткам такой молекулы можно прикрепить различные инструменты, а между ветками остается место для молекул других веществ, например, действующих веществ лекарства. Пространственная модель молекулы из шаровых сегментов - дендример. Между ветками молекулы можно поместить другие вещества, а на ветках прикрепляются функциональные группы. Наночастицы Агрегаты Агломераты Bulk — в переводе с английского «масса, груда, кипа», в контексте наночастиц так часто называют материнское вещество, из которого вырабатываются наночастицы. CdS — сульфид кадмия, чаще синтетическое соединение, встречающееся также и в природе как естественный минерал. Используется как светопрочный пигмент в красках и пластиковых деталях, но в последнее время приобрел дурную славу. CNT - Carbon Nanotubes – УНТ - углеродные нанотрубки широкого применения. Использование CNT в пластиковых материалах ведет к улучшению механических свойств, делает материал электропроводящим, препятствует накоплению электрического Эпидемиология — исследование причин, последствий, а также возможных путей распространения болезнетворных факторов для больших групп населения, например, с помощью статиститеских методов. Мелкодисперсная пыль — она повсюду и ее в принципе не избежать, однако отходы технических процессов, особенно выбросы двигателя внутреннего сгорания, способствуют еще большей степени загрязнения воздуха. В зависимости от размера частиц речь идет о витающей пыли, мелкодисперсной и о высокодисперсной пыли. - Витающая пыль имеет размер более 10 микрометров (1 микрометр (мкм) - 1 миллионная часть метра). О мелкодисперсной пыли говорится, если размер частиц составляет от 0,1 мкм до 10 мкм. Частицы высокодисперсной пыли имеют размер менее 100 нанометров. • Мелкодисперсная пыль размером до 10 мкм может проникнуть в верхние отделы легких. 55 ГЛОССАРИЙ • • Мелкодисперсная пыль с частицами меньшк 2,5 мкм проникает в центральныую часть легких. Высокодисперсная пыль меньше 100 нм может проникнуть внутрь альвеолы легких и попасть в кровообращение. Фуллерены — группа молекул, обязанная своим названием сходству с архитектурными сооружениями Бакминстера Фуллера (1895 – 1983). К фуллеренам относится состоящая из 60 атомов углерода молекула С60 – «футбольный мяч» (Buckyball) или полые труби из углеродных сетей — нанотрубки (Buckytubes). Фуллерены представляют собой большую группу элементов; недавно стало известно, что сферы, сетки и трубки можно создать не только из углерода , но и из других атомов. Полая сфера фуллерена с атомом-гостем (модель) МУНТ (MWNT - Multiple Wall NanoTube( Многостенные углеродные нанотрубки) — нанотрубки углерода с нескольким стенками. Трехстенная нанотрубка углерода Ноноглина (Nano-Clay) — наполнитель, состоящий в основном из наномасштабных пластинок встречающегося в глине монтмориллонита. С помощью небольших добавок других веществ можно существенно улучшить свойства пластмассы, используемой для изготовления кабелей, вспененного полиэтилена, внутренних и внешних деталей автомобилей и т.д. Использование наноглины в пластиковых бутылках повышает их газогерметичность, газированные напитки дольше остаются свежими. Аналогичным образом наноглина используется в производстве Плазменный факел — горячая, высокоионизированная зона в газоразрядном реакторе, где при поступление определенных веществ возможен синтез многочисленных видов наночастиц. Плазменный факел ОУНТ (Одностенные углеродные нанотрубки) – углеродные нанотрубки, свернутые из одного графенового листа и имеющие только одну стенку. Одностенные нанотрубки углерода TiO2 — диоксид титана, используемый как белый наполнитель краски для стен и тяжелой бумаги, имеет хорошую перспективу в качестве наномасштабного элемента солнечных батарей (Ячейки Гретцеля). Наночастицы из TiO2 преобразовывают компоненты воздуха при попадении света на реактивные вещества (фотокатализ), имеющие стерилизующие свойства и способствующие удалению загрязнений. Наномасштабный TiO2 - предмет исследований по нанобезопасности, в Японии он уже используется в качестве фотокатализатора. Обычный белый пегмент TiO2 не является токсичным, он содержится в зубной пасте и дает белой колбасной оболочке салями желаемый мучнистый цвет и защиту от микроорганизмов. ZnO — оксид цинка, соединение цинка и кислорода, традиционное название «цинковые белила» указывает на использования цинка для красок. Благодаря его антисептическому действию оксид цинка используется также в лечебных мазях. Наночастицы из ZnO служат для ультрафиолетовой защиты в солнцезащитных кремах. 56 ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ Дополнительная информация Интернет Европейский портал нанотехнологий: www.nanoforum.org Содействие ЕС в сфере нанотехнологий: www.cordis.lu/nanotechnology Участие федеральных учреждений в нанотехнологических проектах www.bmbf.de/de/nanotechnologie.php www.baua.de/nanotechnologie www.bmu.de/nanotechnologie www.bfr.bund.de/cd/3862?index=78&indexid=7585 www.umweltbundesamt.de/gesundheit/stoffe/ nanopartikel.htm http://www.bmelv.de/cln_044/nn_749972/DE/02Verbraucherschutz/FAQNanotech.html Брошюры • • • • Исследование рисков и информационный обмен в сфере нанотехнологий • Проект Министерства науки NanoCare: www.nanopartikel.info Проект Министерства науки INOS: www.nanotox.de Проект Министерства науки Tracer: www.nano-tracer.de Инфопортал по нанотехнологическим нормам: www.nano-regulation.ch Стандартизация ИСО TC 229: www.iso.org Сведения и базы данных по оценке рисков при использовании наноматериалов: www.icon.rice.edu Инфопортал научных исследований в сфере безопасности нанотехнологий: www.safenano.org Прочие интернет-порталы Высокотехнологическая стратегия в Германии: www.ideen-zuenden.de Портал нанотехнологий VDI TZ GmbH: www.nanonet.de Нанотехнологическая карта Германии: www.nano-map.de Научный информационный обмен: www.nanotruck.de Виртуальное путешествие в наномир: www.nanoreisen.de Учеба в сфере нанотехнологий: http://nanobildung.tech-map.de Нано-инициатива – План действий 2010, Министерство науки, 2006 год Учеба в сфере нанотехнологий, VDI TZ GmbH, 2006 год Нанотехнология – новшества для мира, Министерство науки, 2006 год, 3-е издание Образование в инновационном технологическом секторе по дуальной системе, Министерство науки, 2005 год Нанотехнология завоевывает рынки, Министерство науки, 2004 год ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ Перечень сокращений BfR (Bundesinstitut für Risikobewertung) - Федеральный институт оценки рисков BMBF (Bundesministerium für Bildung und Forschung) – Федеральное министерство образования и научных исследований BMELV (Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz) Министерства пищевой промышленности, сельского хозяйства и защиты прав потребителей BMU (Bundesumweltministerium) - Министерства охраны окружающей среды DECHEMA (Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie) - Общество химической техники и биотехнологии DECHEMA DIN (Deutsches Institut für Normung) - Немецкий институт по стандартизации DNA (Deoxyribonucleic Acid) – ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота) ECETOC (European Centre for Ecotoxicology and Toxicology of Chemicals) - Европейский центр экотоксикологии и токсикологии химических веществ ЭКГ - электрокардиограмма GSF (Deutsches Zentrum für Gesundheit und Umwelt) - Исследовательский центр окружающей среды и здоровья ISO (Internationale Organisation für Normung) - Международная организация по стандартизации OECD (Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung) - Организация экономического сотрудничества и развития PET (Polyethylenterephthalat) - Полиэтилентерефталат RFID (Radio Frequency Identification) - радиочастотная идентификация VCI (Verband der Chemischen Industrie) - Ассоциация химической промышленности VDI (Verein Deutscher Ingenieure - Общество немецких инженеров) 57 58 59 60 Данная публикация в рамках общественной деятельности Федерального министерства образования и научных исследований предоставляется в распоряжение безвозмездно. Она не подлежит коммерческому распространению или использованию политическими партиями или кандидатами на выборную должность или агитаторами во время предвыборной кампании в целях пропаганды. Это касается выборов в федеральный парламент, в парламент земли и в местные органы власти, а также выборов в Европейский парламент. Злоумышленным использованием считается раздача брошюры на предвыборных мероприятиях и информационных стендах партий, а также вкладывание, печать или наклеивание политической информации или рекламных средств. Запрещается также передача третьим лицам в целях предвыборной пропаганды. В независимости от того, когда, как и в каком количестве адресат получил данную публикацию, она не подлежит использованию в каком-либо виде, который может быть интерпретирован как партийность федерального правления в пользу отдельной политической группы. Федеральное министерство Федеральное министерство образования и образования и научных исследований научных исследований
