Путешествие в наномир

электронный буклет для старшеклассника
Руководитель проекта: учитель химии
Гречанинова Л.В.
Автор проекта: ученик 11 класса
Бурочкин Алексей
НОУ СОШ «Поколение»
Волгоград - 2008

Счастливого пути!
Что такое нанотехнологии?
Наномедицина
Биочипы
Наноодежда
Наноавтомобили
Военные разработки
Интересное рядом
Опасность нанотехнологий
Жизнь без нанотехнологий

Что такое
нанотехнологии?
Определение
Направления нанотехнологий
Возможности нанотехнологий

Наномедицина
Биосинтез белка
«Библиотека» белка
Нанопроцессы (РНК)

Биочипы
Наноробот
Наноробот
в действии

Наноодежда
Модели одежды
Наноткани

Наноавтомобили
модели

Военные разработки

Интересное рядом
Вот здесь

Опасность нанотехнологий
Посмотрите тут

Жизнь
без
нанотехнологий

Нанотехнологии – что это такое?
Термин "нанотехнологии" в 1974 году предложил японец Норё Танигути для описания процесса построения новых объектов и материалов при помощи манипуляций с отдельными атомами. Нанометр - одна миллиардная часть метра. Размер атома - несколько десятых нанометра
нанотехнологии - это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Это ничтожно малая величина, в сотни раз меньшая длины волны видимого света и сопоставимая с размерами атомов. Поэтому переход от "микро" к "нано" - это уже не количественный, а качественный переход - скачок от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами.

Три направления нанотехнологий
изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов;
разработка и изготовление наномашин, т.е. механизмов и роботов размером с молекулу;
непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них всего существующего.

Так что же могут
нанотехнологии?
сейчас активно развиваются нанотехнологические методы, позволяющие создавать активные элементы (транзисторы, диоды) размером с молекулу и формировать из них многослойные трехмерные схемы. Возможно, именно микроэлектроника будет первой отраслью, где "атомная сборка" будет осуществлена в промышленных масштабах.
Однако возможностей существующих технологий уже достаточно, чтобы соорудить из нескольких молекул некие простейшие механизмы, которые, руководствуясь управляющими сигналами извне (акустическими, электромагнитными и пр.), смогут манипулировать другими молекулами и создавать себе подобные устройства или более сложные механизмы.
В первую очередь это возможность перевода всех отраслей промышленного производства на принципиально новый качественный уровень, без огромных по общепринятым нормам капитальных вложений.
Во вторых: быстро решить накопившиеся проблемы восстановления экологии.
В третьих: создать высокоэффективную систему Здравоохранения, работающую совместно с «Умными машинами» позволяющими обеспечивать регенерацию систем, органов и тканей организма человека, решать проблемы генетически обусловленных болезней, а также биологического старения.
В четвертых: использование «Умных машин» для возобновления источников природных минеральных и углеводородных сырьевых ресурсов страны.
И последнее: решение вопросов безопасности страны на принципиально новом техническом и технологическом уровнях.

Следующей достопримечательностью нашего путешествия будет… наш собственный организм! Ведь он тоже состоит из атомов и молекул, а значит, внутри нас также происходят различные нанопроцессы.
Самый главный нанопроцесс в нашем организме – это биосинтез белкá. Первое, что приходит на ум при слове «белок» – это белок куриного яйца (его научное название — альбумин). Но белки спрятаны не только под яичной скорлупой! Наш собственный организм представляет собой целый завод, на котором постоянно трудится огромное число самых разнообразных белков.
Роль белков в организме чрезвычайно разнообразна. Например, белки-гормоны, участвуют в управлении всеми жизненными процессами организма. Без них человек не мог бы ни расти, ни размножаться. Мы обладаем зрением, благодаря особому глазному белку – родопсину. Мы способны двигаться, потому что наши мышцы сокращаются и расслабляются благодаря белкам миозину и актину. Наши волосы и ногти состоят из белка кератина. Белок гемоглобин разносит кислород от легких ко всем клеткам нашего организма. Без белка пепсина, содержащегося в желудочном соке, мы не смогли бы переваривать пищу, а белок интерферон помогает организму справляться с разными вредными вирусами и защищает нас от болезней и т. д.

Каким же образом белки образуются в нашем теле? В любом организме существует своеобразная фабрика по производству (синтезу) белков, которая носит название рибосома. Работа рибосомы очень напоминает работу обычной фабрики, например, по производству автомобилей. В обычном мире, как известно, автомобиль строится не абы как — с бухты-барахты — а строго по определенному чертежу. В нано-мире при синтезе белковой молекулы происходит абсолютно то же самое.
«Чертежи», необходимые для построения всех белков организма, хранятся в особой «библиотеке», роль которой выполняет молекула ДНК. Каждый «чертеж» в молекуле ДНК, соответствует конкретному белку и называется геном, а вся информация, содержащаяся в ДНК – генетической.
Но «библиотека» – это еще не «сборочный цех». Поэтому прежде, чем построить какой-нибудь белок, необходимо точно «скопировать» его «чертеж» из ДНК и доставить его на место сборки. Такое копирование и перенос осуществляет молекула информационной РНК (и-РНК), на которой специальным образом закодирована вся последовательность аминокислот для каждой белковой молекулы

Итак, молекула и-РНК с записанной на нее информацией направляется к рибосоме. Туда же направляется поток материала, из которого строится белок – молекулы аминокислоты. Аминокислоты попадают в рибосому не самостоятельно, а с помощью подвижных транспортных РНК (т-РНК). Эти молекулы умеют «распознавать» среди всего многообразия аминокислот только «свою» аминокислоту, присоединять её к себе и подтаскивать к рибосоме.
Рибосома медленно ползет по ленте и-РНК и, шаг за шагом, считывает с нее «код» следующей «бусины» в молекуле белка. Считав очередной «код», рибосома ждет, когда к ней «подъедет» т-РНК с необходимой аминокислотой. Если подъехавшая т-РНК «привезла» бусину неподходящего «цвета», ничего не происходит и т-РНК с прицепленной аминокислотой покидает рибосому, а к рибосоме «подъезжает» следующая т-РНК. И только в том случае, если считанный код совпал с подъехавшей «бусиной», аминокислота отделяется от т-РНК и присоединяется к строящейся цепочке белковой молекулы.
Свободная т-РНК затем выбрасывается из рибосомы в окружающую среду. Здесь она захватывает новую молекулу аминокислоты и весь процесс повторяется снова. Напоминаем, что без этого нанопроцесса жизнь на Земле была бы невозможна, что еще раз подтверждает огромное значение законов наномира в нашей жизни!
Механизм работы рибосомы – это процесс производства конечной «нанопродукции» (белковой молекулы) из первоначального «наносырья» — атомов и молекул, причем процесс не беспорядочный, а по строго заданной программе, или рецепту.
Мы в своем «большом» мире (макромире) тоже производим автомобили, компьютеры, одежду, книги из исходного материала – железа, ткани, древесины и т.д. а методы для производства вещей с наперед заданной структурой называем технологией.
Мы убедились, что эти методы имеют много общего, и отличаются только лишь видом исходного «сырья»: на обычной фабрике – это какое-то вещество в большом объеме, а в наномире сырье – это атомы и молекулы. Поэтому методы манипулирования веществом на атомном и молекулярном уровнях с целью производства конечных продуктов с наперед заданной атомной структурой называется нанотехнологиями. А наномир, по которому мы с вами путешествуем, можно также назвать миром нанотехнологий.

Нанороботы
Какие подсистемы должен иметь наноробот?
Так как основная функция наноробота — передвижение по кровеносной системе человека, то он должен иметь мощную навигационную систему.
Устройству необходимо иметь несколько типов различных сенсоров для мониторинга окружающей среды, навигации, коммуникации и работы с отдельными молекулами.
Также нанороботу необходима мощная транспортная система, доставляющая отдельные атомы и молекулы от хранилищ к наноманипуляторам, и обратно.
Для работы с пораженными структурами устройство будет оборудовано набором телескопических наноманипуляторов разного применения.
Материал, из которого будет изготовлен наноробот — алмазоид или сапфироид. Это обеспечит биосовместимость человека и большого количества наномашин.
Также необходимо наличие приемо — передаточных устройств, позволяющих нанороботам связываться друг с другом.
И наконец, для удержания крупных объектов необходимы телескопические захваты.
максимальный размер устройства не должен превышать 1×1×3 микрона (без двигательных жгутиков). Ниже на картинке представлен вид наноробота, выполненного из алмазоида

Наноробот
в кровеносной системе
Наноробот
ремонтирует клетку