Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рис.1. Схематическое изображение трех типов контактов между УНТ: (a) контакт "шапка-к-шапке" между УНТ одинакового диаметра, (b) контакт "шапка-к-шапке" между УНТ разного диаметра, (c) контакт "шапка-к-стенке". Стрелка показывает направление электрического тока.
Рис.2. Соединение "шапка-к-шапке" двух однослойных УНТ одинакового диаметра. Изображены исходная и конечная конфигурации. Стрелки указывают расположение локальных дефектов (выступов), образовавшихся в процессе формирования контакта. Длина масштабной линейки 5 нм.
Схематическое изображение процесса легирования кремниевой подложки бором из органического монослоя, который наносят после стравливания поверхностного слоя SiO2. Здесь RTA – стадия быстрого термического отжига (rapid thermal annealing).
Элементарная ячейка объемноцентрированной кубической решетки из наночастиц Au, соединенных между собой посредством молекул ДНК.
Законы дисперсии электронов в однослойном (a) и двуслойном (b,c) образцах графена. (b) – без поля, (c) – с полем.
Рис. 1. а) Комплекс Pt (IV), б) комплекс Pt (IV) привязанный к ОСНТ.
Рис.2. Жизнеспособность клеток опухоли (%) при четырехдневном воздействии свободного комплекса Pt (IV) и аналогичного комплекса, присоединенного к ОСНТ.

ПЕРСТ - нанотехнологический дайджест

Ключевые слова:  графен, нанотехнологии, наночастицы и ДНК, онкология, Перст, углеродный нанотрубопровод

Опубликовал(а):  Гудилин Евгений Алексеевич

25 февраля 2008

Материалы перепечатаны из выпуска ПерсТ от 15 февраля 2008 г. (дополнительная информация дана в тематических разделах ПерсТа)

Научный редактор: К.Кугель kugel@orc.ru, Ю.Метлин (одновременно - выпускающий редактор информационного бюллетеня Нанометр), ответственный редактор И.Чугуева irina@issp.ras.ru.ras.ru тел: (495) 930 33 89, в подготовке выпуска принимали участие: О.Алексеева, В.Вьюрков, Л.Опенов. С апреля 2006 г. ПерсТ выпускается только в электронном формате и представлен по адресу. Желающие получать выпуски ПерсТа по своему электронному адресу могут сообщить его в адрес редакции perst@issp.ras.ru.

Углеродный "нанотрубопровод"

Сразу же после открытия углеродных нанотрубок (УНТ) начался поиск путей соединения их друг с другом с целью конструирования УНТ-структур для различных наноустройств. Речь здесь идет не только об увеличении длины одной отдельно взятой УНТ за счет последовательного соединения нескольких УНТ, но и о создании достаточно сложных разветвленных сеток УНТ, в которых присутствуют T-образные или Y-образные контакты между УНТ (рис.1). В работе [1] ученые из National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (Цукуба, Япония) предложили новый способ соединения УНТ путем пропускания через них электрического тока. При этом УНТ располагались между двумя электродами (иглой из W и проводом из Pd), на которые подавалось напряжение. Смещение УНТ по всем трем пространственным направлениям контролировали пьезодатчиком с точностью выше 0.5 нм, а непрерывное наблюдение за процессом формирования контактов проводили с помощью просвечивающего электронного микроскопа.

Самым простым оказалось изготовить контакты "шапка-к-шапке" между одностенными УНТ одинакового диаметра (рис.2): все 13 попыток были успешными. Две УНТ сливались в одну при увеличении U и I до 1.6 В и » 6 мкА, соответственно, что отвечает плотности тока J » 7×108 А/см2. Детали процесса слияния остались невыясненными. Это связано с тем что оно происходит за время < 0.5 с, недостаточное для получения изображения. Тем не менее, наличие воспроизводимых пороговых величин U и I указывает на его активационный характер. Действительно, пятиугольники из связей C-C, имеющиеся на шапках УНТ, при слиянии должны преобразовываться в шестиугольники за счет цепочки последовательных трансформаций Стоуна-Уэльса, энергия активации которых составляет несколько электронвольт. Источником этой энергии является джоулев нагрев до (600 ¸ 1200) К и, возможно, процессы электромиграции. После формирования контакта на некотором удалении от него были обнаружены локальные дефекты (рис.2), которые образовались, по-видимому, из-за миграции пятиугольников с шапок УНТ. Для "шапка-к-шапке" соединения УНТ с различными диаметрами (например, 2 и 3.2 нм) пропускать через них ток оказалось недостаточно. Поэтому в УНТ были внедрены наночастицы W, которые, двигаясь под действием тока к области контакта, способствовали переориентации сетки связей C-C на шапках и формированию гладкой "перемычки" между УНТ, то есть фактически играли роль катализаторов, понижающих активационный барьер. Сами частицы W при этом оставались в твердом (или "квазитвердом") состоянии. А вот добиться воспроизводимых результатов при изготовлении контактов "шапка-к-стенке" (рис. 1c) не удалось: из 8 попыток только одна оказалась успешной. И все же развитая в [1] методика существенно расширяет наши возможности по созданию разнообразных УНТ-структур. Кроме того, ее можно использовать для "залечивания" механических повреждений, возникающих в процессе работы устройств на основе УНТ.

Л.Опенов

  1. C.Jin et al., Nature Nanotechnol. 3, 17 (2008).

Легирование полупроводниковых наноструктур

Для практического использования полупроводниковых наноструктур в различных электронных устройствах необходимо научиться добавлять в полупроводники донорные и акцепторные примеси так, чтобы они были однородно распределены на масштабе нескольких нанометров, и чтобы при этом можно было с хорошей точностью контролировать их концентрацию. Известные методы, такие как ионная имплантация и твердотельная диффузия, не позволяют этого добиться. В работе [1] сотрудники University of California at Berkeley и Lawrence Berkeley National Laboratory предложили новый способ “нанолегирования” кремния. Он заключается в следующем. На поверхность кристалла Si наносят монослой органических молекул, содержащих атомы легирующего элемента (например, бора при дырочном легировании или фосфора при электронном легировании). Толщина такого монослоя составляет около 1 нм. Затем проводят быстрый (несколько секунд) термический отжиг при температуре около 1000 ºС, в результате чего молекулярные структуры разрушаются, и примесные атомы проникают в Si. Профиль распределения примесей по глубине регулируется температурой и длительностью отжига, а их концентрация – химическим составом материала монослоя и размером его молекул (чем он меньше, тем больше концентрация). Авторы [1] с успехом использовали этот метод для легирования нанопроводов Si толщиной около 30 нм, а также для изготовления полевых транзисторов в структурах кремний-на-изоляторе. В принципе, он применим и к другим типам полупроводников, позволяя контролировать электрические характеристики разнообразных полупроводниковых наноматериалов.

  1. J.C.Hor et al., Nature Mater. 7, 62 (2008).

Наночастицы и ДНК

Одной из задач нанотехнологии является “сборка” новых материалов из различных наночастиц. Ожидается, что такие материалы будут обладать уникальными электронными и оптическими свойствами. Авторы работ [1] и [2], не зависимо друг от друга, продемонстрировали возможность изготовления упорядоченных трехмерных массивов наночастиц золота, связанных друг с другом посредством длинных молекул ДНК. Наночастицы имели форму, близкую к сферической. Их диаметр составлял около 10 нм. “Наночастичный кристалл” формировался спонтанно при нагреве до определенной температуры, причем в зависимости от величины этой температуры он имел либо объемноцентрированную, либо гранецентрированную кубическую решетку, в узлах которой располагались не атомы (как в обычном твердом теле), а наночастицы. Они занимали всего лишь » 4% объема образца, то есть кристалл получался очень “рыхлым”. При термоциклировании периодичность в расположении наночастиц исчезала и появлялась обратимым образом. Представляется заманчивым попытаться использовать ДНК для “склеивания” и других, в том числе несферических наночастиц. Если удастся отработать методику избирательного прикрепления ДНК к тем или иным граням, это откроет путь к синтезу гораздо более сложных структур с направленными связями между наночастицами. Такие материалы могут использоваться в солнечных батареях, лазерах, микроскопах высокого разрешения и даже … в специальных покрытиях, делающих материальные объекты невидимыми.

  1. D. Nykypanchuk et al., Nature 451, 549 (2008).

  2. S.Y. Park et al., Nature 451, 553 (2008).

Графеновая электроника

Высокая подвижность носителей заряда (~ 104 см2В-1с-1 при комнатной температуре – на порядок больше, чем в кремнии) наряду со сравнительно низкой стоимостью изготовления делает графен перспективным материалом для использования в наноэлектронных устройствах нового поколения. Однако на пути к “графеновой электронике” предстоит решить ряд серьезных проблем, одной из которых является отсутствие в графене энергетической щели между зоной проводимости и валентной зоной (графен – бесщелевой полупроводник). По этой причине проводимость графена нельзя “выключить”, подав напряжение на соответствующие электроды, как в обычных транзисторах.

Голландские физики из Delft University of Technology нашли простой выход из ситуации [1]. Они исследовали двухслойные графеновые образцы и показали, что при наличии перпендикулярного к ним электрического поля E^ в электронном спектре открывается щель (см. рис.). Этот эффект обусловлен различием (при E^ ≠ 0) “узельных” энергий электрона на атомах, расположенных в разных слоях. Таким образом, проводимость можно регулировать за счет изменения электрического потенциала на образце (положение уровня Ферми при этом контролируется другим электродом). Эксперименты проведены при низких температурах. Для практических целей желательно, конечно, научиться манипулировать проводимостью графена при комнатной температуре. Результаты работы [1] можно использовать в фундаментальных исследованиях (например, изготавливать из графена квантовые точки и квантовые точечные контакты).

Л.Опенов

  1. J.B. Oostinga et al., Nature Mater. 7, 151 (2008).

«Пуля» или «баркас»? – углеродные нанотрубки против раковых заболеваний

Противораковые препараты на основе платины (например, цисплатин cis-[Pt(NH3)2Cl2)], или cis-diamminedichloroplatinum(II)) хорошо известны в медицине. Однако их применение ограничено из-за нежелательных побочных эффектов. Основной недостаток современной химиотерапии – неизбирательность методов, возможность повреждения здоровых клеток токсичными препаратами. Сейчас большинство лекарств вводится внутривенно, и дополнительные вредные эффекты могут быть обусловлены еще и растворителем, с которым смешивают лекарство. Влияние побочных эффектов можно минимизировать в случае аккумуляции платины исключительно в нужных органах или клетках.

Концепцию «магической пули», то есть лекарства, избирательно поражающего болезнетворную мишень и не причиняющего вреда организму, предложил около 100 лет назад Пауль Эрлих (Paul Ehrlich), основатель химиотерапии*. Конечно, добиться такой исключительной избирательности очень трудно. Одно из современных представлений таково: нанокапсулы с лекарством внутри и химическими рецепторами на внешней поверхности достигают определенного места, где и выделяют лекарство в ответ на изменение окружающих условий, которое чувствуют рецепторы. Неудивительно, что большие надежды возлагаются на новые носители лекарственных средств – одностенные углеродные нанотрубки (ОСНТ) и другие углеродные наноматериалы, например, одностенные нанорожки (ОСНР).

Прежде чем говорить о перспективах использования углеродных наноматериалов как носителей лекарственных средств, вспомним еще раз, какие требования должны выполняться, чтобы лечение было эффективно и не вызывало побочных эффектов:

  • желательно, чтобы доза лекарства была минимальной;
  • оболочка нанокапсулы должна быть биосовместимой, не токсичной;
  • лекарство должно быть доставлено точно в цель;
  • кроме того, лекарство должно выделяться достаточно медленно и в активной форме, чтобы обеспечить терапевтический эффект, но не вызвать побочных;
  • и, очень важная, но часто не рассматриваемая проблема, - что будет с «доставщиком» лекарства потом? а не навредят ли организму застрявшие в нем «курьеры»?

Эти вопросы изучаются, в основном, медиками, биологами, химиками. Но, как справедливо отмечают австралийские исследователи [1], чтобы успешно применить углеродные наноматериалы в медицине, необходимо привлечь методы математического моделирования. Это поможет разработать такой носитель, в который молекуле лекарства будет энергетически выгодно внедриться, а после срабатывания химического «спуска», например изменения условий окружения вблизи нужного места, - выйти из него. Авторы [1] впервые представили данные математического моделирования «магических пуль», правда, предварительные и относящиеся только к инкапсулированию или всасывающей способности. (Выброс молекулы лекарства из углеродной нанотрубки – очень сложное явление, тем более, что это происходит в клетке, - и его ученые пока не рассматривали). Конкретное лекарство, которое использовано при моделировании [1] – это упомянутое выше противораковое средство цисплатин. Показано, что для всех трех возможных ориентаций цисплатина минимальный диаметр нанотрубки должен составлять 0,4785 нм (немного меньше, чем у (9,5) нанотрубок). Максимальная всасывающая способность по результатам [1] должна быть у нанотрубки с диаметром примерно 0,53 нм, что соответствует (11,4) нанотрубке. Ученые полагают, что представленный ими подход можно распространить и на другие молекулы. Главная цель работы – указать исследователям в области медицины направление будущих экспериментов и моделирования.

Хотя в качестве оболочки нанокапсулы, в основном, используются нанотрубки, нельзя не сказать о том, что все более популярными становятся одностенные нанорожки (ОСНР). ОСНР имеют диаметр 2-5 нм, длину 30-50 нм. Как известно, они образуют агрегаты (похожие на наногеоргины) диаметром 30-120 нм, что дает определенные преимущества при сорбции различных веществ. Кроме того, ОСНР, как правило, имеют высокую чистоту. Нанорожки могут быть получены методом лазерной абляции без применения катализаторов. Хотя эти «пули» более крупные, чем отдельные нанотрубки, их размер удовлетворяет биомедицинским требованиям. Японские ученые [2] считают нанорожки перспективными носителями лекарств. В своей работе они экспериментально определили оптимальные условия внедрения цисплатина в ОСНР. Отверстия в ОСНР были открыты при медленном нагревании материала в сухом воздухе до 475-580оС. Затем ОСНР смешивали с раствором цисплатина; растворитель постепенно испарялся в потоке азота при комнатной температуре. В лучший образец (температура нагрева 500оС) было инкапсулировано 12 вес.% лекарства. Дальнейшие эксперименты (диализ) показали, что лекарство медленно (в течение 50 ч.) выделяется в фосфатный буферный солевой раствор, при этом доля выделившегося цисплатина достигает 80%. Это гораздо лучше прежнего результата (15%), полученного при другой обработке ОСНР (открывание отверстий при быстром нагреве), и показывает возможность использования в биологии и медицине.

Несмотря на привлекательность концепции «магической пули» - углеродной нанокапсулы с лекарством внутри - ученые не исключают и другие возможности. Так, в работе американских исследователей [3] выплыл баркас из одностенной углеродной нанотрубки. Такая система доставки состоит из «грузоперевозчика» - функционализованной растворимой одностенной нанотрубки, которая переправляет присоединенные к ней более мелкие молекулы лекарства через клеточную мембрану в клетку.

Результаты специальных экспериментов, проведенных на клетках опухоли, подтвердили, что сам по себе комплекс не является цитотоксичным (так же, как и отдельно ОСНТ – перевозчик). Однако воздействие комплекса, присоединенного к ОСНТ, резко возрастает, как видно из рис.2. Дело в том, что в клетке опухоли, где рН среды заметно ниже, из комплекса происходит выделение того самого противоракового лекарства цисплатина путем восстановления и сопутствующей потери лигандов, связанных с ОСНТ. Данные ААС показали высокую концентрацию платины в клетках – даже больше, чем при использовании непосредственно цисплатина. Таким образом, ОСНТ могут служить эффективным транспортным средством, доставляющим так называемые пролекарства на основе платины. Этот метод подходит для всех комплексов Pt(IV), у которых на аксиальных лигандах есть функциональные группы, способные связываться с одним из многих видов функционализованных нанотрубок. В клетке из них путем восстановления выделяются активные соединения Pt(II). А если добавить к ОСНТ в качестве «лоцманов» дополнительные группы, «нацеливающие» на определенные раковые клетки, можно добиться высокой селективности, необходимой для клинических испытаний.

*П.Эрлих (1854-1915) – немецкий ученый, лауреат Нобелевской премии 1908 г. по медицине и физиологии «за работу по теории иммунитета» (совместно с русским ученым И.И. Мечниковым)

О.Алексеева

  1. T.A. Hilder et al. Nanotechnology 18, 275704 (2007).

  2. K. Ajima et al. J. Phys.Chem. B 110, 19097 (2006).

  3. R.P. Feazell et al. J.Am.Chem.Soc. 129, 8438 (2007).


Источник: Перст



Комментарии
Трусов Л. А., 25 февраля 2008 11:40 
Углеродный "нанотрубопровод" - это и у нас было.
И ДНК было!
И все остальное практически в тех или иных модификациях было... Просто де жа вю..
fozgen, 25 февраля 2008 15:46 
Кристаллизации частиц, модифицированных днк, вроде не было, или я что-то пропустил?
Было про сборку золотых шариков, но у меня могло быть и дежавю..
«Наночастицы и ДНК» Зачем истязать ДНК! Вначале соберите ДНК, и тогда будет понятно, куда и к чему крепить, да и надо ли это делать!
Вот всегда у нас так. Сначала все охаивают под разными предлогами, а потом догоняют. Сами то вы что нибудь сделали похожее?
Nykypanchuk, 21 марта 2008 02:45 
>Вначале соберите ДНК, и тогда будет понятно, >куда и к чему

Куда и зачем её собирать? Ничего непонятно

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Давид и Голиаф
Давид и Голиаф

Участие НТ-МДТ Cпектрум Инструментс в конференции “ГРАФЕН: МОЛЕКУЛА И 2D КРИСТАЛЛ”
Участие НТ-МДТ Cпектрум Инструментс в конференции “ГРАФЕН: МОЛЕКУЛА И 2D КРИСТАЛЛ” 5-9 августа 2019 года в Новосибирске

I МОСКОВСКАЯ ОСЕННЯЯ МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ПЕРОВСКИТНОЙ ФОТОВОЛЬТАИКЕ
14-15 октября 2019 года состоится школа - конференция молодых ученых - I Московская осенняя международная конференция по перовскитной фотовольтаике (Moscow Autumn Perovskite Photovoltaics International Conference – MAPPIC-2019).

Золото России на Международной Химической Олимпиаде
30 июля в Париже завершилась 51-я Международная химическая олимпиада. Она была рекордной по числу участников - 309 школьников из более, чем 80 стран. Олимпиада прошла под девизом "Двигаем науку вместе" ("Make the science together"). Сборная России на олимпиаде завоевала 4 золотые медали и в медальном зачете поделила 1-2 место с командой Кореи. Победителями стали Михаил Матвеев (Вологда) и три москвича - Даниил Бардонов, Алексей Шишкин и Никита Чернов.

3D нанотехнологии в физике, химии, биологии, медицине и инженерном искусстве
И.В.Яминский
Материалы лекции проф. МГУ, д.ф.-м.н., генерального директора Центра Перспективных технологий И.В.Яминского "3D нанотехнологии в физике, химии, биологии, медицине и инженерном искусстве". 3D принтер, сканирующий зондовый микроскоп и фрезерный станок. Что общего между ними? Как конструировать их своими руками? Небольшой экскурс в практические нанотехнологии. Поучительная история о создании сканирующего туннельного микроскопа. От идеи до нобелевской премии за 5 лет. Взгляд в микромир – от атомов и молекул до живых клеток. Как взвесить массу одного атома? Вирусы и бактерии – наши друзья или враги? Медицинские приложения нанотехнологий – нанобиосенсоры для обнаружения биологических агентов.

Материалы и пленочные структуры спинтроники и стрейнтроники
В.А.Кецко
Девятый Наноград, проходивший в Ханты - Мансийске, собрал талантливых школьников, интересных лекторов и преподавателей в области наноматериалов, нанотехнологий и технопредпринимательства. В сообщении даны материалы лекции д.х.н., в.н.с. ИОНХ РАН В.А.Кецко "Материалы и пленочные структуры спинтроники и стрейнтроники".

Лекции и семинары от ФНМ МГУ на Нанограде
Е.А.Гудилин
Девятый Наноград, проходивший в Ханты - Мансийске, собрал талантливых школьников, интересных лекторов и преподавателей в области наноматериалов, нанотехнологий и технопредпринимательства. Ниже даны материалы лекций и семинаров представителя ФНМ МГУ проф., д.х.н. Е.А.Гудилина.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.