Воронежские ученые на основе нанотехнологий создают приборы для здоровья и безопасности

Еще лет 15 назад слово «нано» употребляли только ученые – физики, химики, инженеры. Сегодня оно общеизвестно. Вот только что такое нанотехнологии и как они помогают в повседневной жизни, мы, как правило, плохо понимаем. Корреспонденты «ВК» отправились в одну из лабораторий Воронежа, чтобы познакомиться с некоторыми достижениями нанонауки.Александр Самойлов, профессор Воронежского госуниверситета доцент (кафедра материаловедения и индустрии наносистем химического факультета), назначил нам встречу в государственном аграрном университете имени императора Петра I. Вместе с заведующим кафедрой химии этого вуза, профессором, доктором химических наук Алексеем Шапошником коллеги трудятся над общими проектами в сфере нанотехнологий. Сотрудничают они и с учеными МГУ под руководством академика РАН Валентина Иевлева. Без тесного взаимодействия с коллегами из разных научных центров ученому не обойтись – очень уж специфичны изучаемые объекты, очень уж больших ресурсов требуют.В миллион разНа здании ВГАУ – печать благородной старины: высокие потолки, огромные окна, изящные балконы в фойе. Даже про небольшую лабораторию Алексея Шапошника скажешь: сейчас так не строят. На экране компьютера Алексея Владимировича – черно-белая фотография столетней давности: ученые аграрного университета над колбами и мензурками. Все эти аллюзии на прошлое, оказывается, неслучайны.– Ученые нашего университета напрямую связаны со становлением нанотехнологий, – рассказывает профессор Шапошник. – Антон Владимирович Думанский, который работал в тогдашнем СХИ в течение почти 30 лет, заложил основы коллоидной химии. Коллоидные растворы – это, по сути, те же наноматериалы, просто по-другому названные. Их начали исследовать в первой половине ХХ века. Позже, во второй половине ХХ века, на этой основе возникли нанотехнологии. Сегодня они выросли до масштабов индустрии. Одно из направлений современной наноиндустрии – создание полупроводниковых сенсоров. Оно, кстати, зародилось еще в 1950-х годах сразу в нескольких странах. В России одним из основоположников этого направления был профессор Игорь Мясников. Он обратил внимание, что на поверхности полупроводников вследствие сорбции (то есть оседания и поглощения частиц) может меняться электрическая проводимость. Так по электропроводимости можно узнать что-то о состоянии среды или атмосферы. – С тех пор многое изменилось. Чувствительность сенсоров увеличилась не на проценты, а на порядки, можно сказать, в миллион раз, – рассказывает Алексей Шапошник. – Это привело к тому, что задачи, которые можно решать с помощью полупроводниковых сенсоров, стали сложнее и шире. Например, можно обнаружить примеси, концентрация которых в веществе ниже предельно допустимой. Удалось увеличить и селективность: устройство с сенсорами позволяет не просто определить, что у нас есть какие-то примеси, но и какое именно это вещество.Об одном из примеров работы подобных сенсоров наверняка слышали многие – это так называемый электронный нос. Он позволяет улавливать взрывчатые и наркотические вещества, токсины, угарный газ (при начинающемся пожаре), помогает определять качество и состав пищевых продуктов. Шапошник и Самойлов с коллегами выбрали медицинское направление. Так, они уже закончили работу над созданием прибора, который определяет состояние кетоза у больных сахарным диабетом. Принцип его работы основан на том, что у диабетиков нарушается жировой и белковый обмен, что приводит к выделению так называемых кетоновых тел (ацетона). Прибор, разработанный воронежцами, может определять их в выдыхаемом воздухе. Такой метод и точнее, и удобнее принятого сейчас. Ученые надеются наладить выпуск этих приборов не только для медучреждений, но и для бытового использования. Сейчас группа ученых ВГУ, ВГАУ и МГУ трудится над новым прибором, который станет диагностировать онкологические заболевания. Его действие также будет основано на том, что у больных нарушается обмен веществ.– В данном случае у человека выделяются вещества, характеризующие нездоровый метаболизм – так называемые биомаркеры, – объясняет Александр Самойлов. – И это тоже будет экспресс-метод диагностики – по выдыхаемому воздуху. Конечно, диагноз не будет окончательным, но он заставит насторожиться пациента и врача, станет показанием к последующему обcледованию. А ведь успех лечения онкозаболеваний напрямую зависит от того, насколько быстро поставили диагноз и начали терапию. Простота такого анализа позволит обследовать больше людей.

Эра кремния Рассказывая о своих проектах, профессоры Самойлов и Шапошник корректно спешат добавить: «Вы не подумайте, что только мы этим занимаемся, полупроводниковая индустрия сейчас развивается во всем мире». С тех пор, как в конце 50-х годов профессор Мясников создал первый полупроводниковый сенсор, наука о полупроводниках совершила революцию. Нынешние сенсоры – это миниатюрные устройства, которые могут определить концентрацию веществ и передать эту информацию по сети, определять запахи, наличие сложных веществ в мельчайших концентрациях. – Полупроводники – это те материалы, на основе которых создаются современные условия труда. Только оборот выращивания кристаллов кремния (а именно он используется в полупроводниках) составляет десятки миллиардов долларов. Можно сказать, что кремний есть во всей современной технике. Поэтому многие ученые на Западе считают, что начиная с 50-х годов ХХ века человечество вступило в эру кремния, – рассказывает Александр Самойлов. Конечно, рядовой человек плохо представляет себе, по какому принципу и с использованием каких технологий созданы окружающие его предметы. Однако это не мешает производителям, обычно не слишком добросовестным, спекулировать модным словом «нано». Я рассказала Александру Самойлову и Алексею Шапошнику про конкурс товаров, в списке которых оказались наноноски. «А могут ли в принципе существовать наноноски?» – спросила я. Профессора понимающе засмеялись.– Если и можно применить слово «нано» к носкам, то, может быть, в том случае, если их ткань пропитали наночастицами серебра. Но это будут очень дорогие носки, не каждому по карману, – говорит Самойлов.– В принципе, могут: если размер нити меньше ста нанометров, то формально мы можем отнести их к наноматериалам. Но тут явно злоупотребление термином, – согласен с ним Шапошник. – Мы это замечаем постоянно. У ученых есть даже специальное слово для обозначения использования этих терминов не по делу – «нанизм»: все что угодно пытаются назвать наноматериалами. Конечно, употребление термина надо ограничивать. Впрочем, злоупотреблять не стоит не только наименованием, но и явлением. Нанотехнологии бурно развиваются, но считать их панацеей от всех бед человечества нельзя. Ведь в любом открытии, как у медали, две стороны. – Каждое научное открытие само по себе чревато разными последствиями. Когда Анри Беккерель и супруги Кюри открыли радиоактивность, они не знали, к чему это приведет в конечном итоге. Ученые не участвуют в политических играх, а изучают тайны природы. Они не знают, как будут использованы их открытия. То же можно сказать и про нанотехнологии, – считает Александр Самойлов. – Это переход на новый уровень, который ранее не был осознан ни теоретически, ни практически. В нанообъектах сочетаются те процессы, которые характерны для атомов и молекул, и те, что характерны для макрообъектов. Каковым будет это сочетание и к чему оно приведет, предсказать очень сложно. Так что говорить, являются ли нанотехнологии только благом, рано. Мы еще слишком мало знаем о них.