Історичні етапи розвитку нанонауки

Людство за свою історію пережило багато хвилюючих наукових відкриттів в різних галузях народного господарства, в тому числі в медицині і фармакології. Що торкається останньої, то слід відмітити такі досягнення:

1. Засоби для наркозу (закис азоту, кетамін, оксибутират натрію), що дозволило проводити операції без болю і зменшити кількість ускладнень при оперативних втручаннях.

2. Протимікробні (антисептики, сульфаніламіди, антибіотики, протитуберкульозні, протималярійні, протисифілітичні) препарати спасли життя мільярдам людей. Але проблема ефективного лікування бактеріальних і вірусних захворювань залишається актуальним.

3. Серцево-судинні: альфа-адреноблокатори (доксазозин, празозин), бета-блокатори (атенолол, бетаксолол, бісопролол, метопролол, невіболол, пропранолол), альфа- і бета-адреноблокатори (карведилол, лабеталол), антагоністи кальцію (амлодипін, верапаміл, дилтиазепам, німодипін, ніфедипін, лацидипін), блокатори ангітензинперетворюючого ферменту (еналаприл, капотен, лізиноприл, периндоприл, фозиноприл), протисклеротичні засоби (аторвастин, ловастатин, правастатин, фенофібрат та інші) медикаменти сприяли значному покращенню лікування артеріальної гіпертензії, ішемічної хвороби серця, інфаркту міокарда, гострої та хронічної серцевої недостатності, аритмій, зниженню ускладнень при захворюваннях серця і судин та покращенню життя хворих. На сьогодні кардіологи та хворі на срецево-судинні захворювання потрибують більш ефективних лікарських засобів, які б не тільки понижували артеріальний тиск, але нормалізували діяльність серця та стан геодинаміки, а також обмін речовин у міокарді та в організмі.

4. Ендокринні препарати (інсулін, тироксин) можуть забезпечити життя і працездатність хворим на діабет і мікседему, але, на жаль, не вилікувати дані хвороби.

Таких прикладів можна навести багато, які свідчать про досягнення сучасної фармакології. Одночасно з цим лікування батьох захворювань вимагає значного покращення за допомогою нових технологій отримання оригінальних і ефективних лікарських засобів.

Як свідчать дослідження зарубіжних та вітчизняних вчених впровадження у медичну практику нових оригінальних і високоефективних препаратів вимагає багато часу та значних фінансових затрат. Тому розробляються нові технології отримання медикаментів у сучасній фармакології і фармації. До останніх відноситься нанонаука і нанотехнології.

Нанонаука (Nanoscience: nanos – з грецької – карлик, гномик, science- наука, система знань) – нова галузь науки та виробництва, що вивчає фізичні, фізико-хімічні, біологічні, фармакологічні, фармацевтичні, токсикологічні властивості наночастинок розміром до 100 нм, можливість їх синтезу за допомогою нанотехнологій та застосування у різних галузях народного господарства, медицині, сільському господарстві. Нанорозмірами є величини від 1 до 100 нанометрів, від 100 до 1000 нанометрів є мікророзмірами, а більше 1000 нанометрів визначаються як макророзміри. Величини менше одного нанометра вимірюються в ангстремах (10^-10). Ця одиниця названа на честь шведського фізика і астронома, одного із засновників спектрального аналізу А.Й. Ангстрема (1814-1874) [Головін Ю.И., 2007; Гусев А.И., 2007; Cui D., Gao H., 2003; Wickline S.A., Lanza G.M., 2003; Dreher K.L., 2004; Freitas R.A.Jr., 2006; Medina C. et al., 2007; Moore R., 2007; Hаnnah W., Thomhson P.B., 2008; Jain K.K., 2008].

Цікава історія грецької приставки нано, а також нанно [Жоаким К., Плевер Л.]. Як свідчать історичні факти за 600 років до нашої ери на місці нинішнього французького міста Марселя жило плем’я лігурів. Столицею плем’я був порт Фокей з правителем-царем по імені Нанн. Коли дочка підросла і її можна було видавати заміж, цар запросив до Жокея багато гостей на пір, під час якого дочка мала вибрати собі майбутнього чоловіка. Гостей пригощали нанно – солодкими медовими пряниками. І до сьогоднішнього дня у марсельському порту місцеві кулінари готують такі ж нанно – медові пряники (слово нанно пишеться з двома н). Про цю давню історію не згадали вчені і конструктори, які винайшли прилад, що дозволяв бачити маленькі предмети, які оком людини не можна цього зробити. Прилад назвали мікроскоп від грецького мікрос – малий.

У 19009 році у німецькому місті Кіле на семінарі товариства зоологів університетський професор Х. Ломан запропонував називати мікроскопічні водорості „наннопланктонами”. І сьогодні, зоологи випускають „Журнал досліджень наннопланктона”. Відкриття у фізиці і хімії, що були здійсненні на початку ХХ століття, вимагали нових позначень. Міжнародний комітет з мір і вагів запровадив наступні назви. Так, префікс для множника 1000 (10³), „кіло” походить від грецького „хілі” – тисяча, для 10^-3 – „мілі” від латиського „мілесемус” – тисячний, 10^-9 від грецького нано – карлик, гномик, 10^-12 – походить від італійського „пікколо” – маленький.

Вперше термін для визначення матеріалів з точністю до нанометра ввів у 1974 р. японський вчений-фізик, спеціаліст матеріалознавства Норіо Танігучі в доповіді “Про концептуальні основи нанотехнологгій” на міжнародній конференції “International Conference on Precision Engineering”. Норіо Танігучі запропонував називати структури розмірами від 1 до 100 нанометрів ”наночастинками” та методи їх отримання нанотехнологіями [Taniguchi N.] Taniguchi N. On the basic Concept of “Nanotechnology”. – Presented at Proc. ICPE. – 1974.

Реальне впровадження у науково-практичну діяльність досліджень з нанотехнологій доцільно вважати 1981 рік, коли був сконструйований швейцарськими вченими тунельний мікроскоп, завдяки якому можна доторкнутися до атома і перенести його з однієї молекули на іншу. Фірма Digital Istruments перший тунельний мікроскоп назвала „Наноскоп-1”. В Англії почав виходити новий журнал „Nanotechnology”.

Початок наукових аспектів розвитку нанонауки та нанотехнолгій слід розглядати з аналізу життя та діяльності видатного американського фізика-теоретика ХХ століття, лауреата Нобелівської премії (1965 рік) за створення вчення з квантової електродинаміки Ричарда Філліпса Фейнмана (1918-1988). Фізики ХХ століття вважали американського вченого Р.Ф. Фейнмана і російського – Л.Д. Ландау найбільш видатними вченими фізиками-універсалами [Грибин Д., Грибин М., 2002; Фейнман Р.Ф. і співав., 2004; Шуйський І., 2008].

В чому універсальність Р.Ф. Фейнмана та в чому його внесок у нанонауку, нанотехнологіїї?

Р.Ф. Фейнман народився 11 травня 1918 року в місті Манхеттені, виріс у Фар-Рокуей (штат Нью-Йорк). Його батько Мелвін Фейнман народився у 1890 році. Він був сином Ганни і Якоба Фейнманів, які жили в Мінську і у 1895 році емігрували до Америки. Дідусь матері Ричарда в період з 1860-х по 1870-і роки проводив антиросійську діяльність, за що був заарештований і засуджений до страти, але зумів втекти з тюрми та перебратися до Америки. Батьки Люисиль Філліпс, матері Ричарда, переїхали до США за батьком, коли були дітьми. В Америці він відкрив часову майстерню, де працювала також його дочка Джоанна.

Дідусь Ричарда по батьківській лінії Генрі Філліпс народився в Польщі, в ранньому дитинстві втратив батьків, жив деякий час в сирітському притулку в Англії, звідки поїхав в Америку. Мати Ричарда Люсіль народилась у 1895 році, отримала гарну освіту, закінчивши інститут етики і культури (цей інститут закінчив Роберт Оппенгеймер). Коли їй виповнилося 18 років вона познайомилася з Мелвіном Фейнманом, батьком Ричарда.

Батьки Ричарда Філліпс і Люсіль з дитячих років відмітили особливі здібності сина до науки, особливо до фізики, математики і техніки. Ще під час навчання у середній школі Ричард прославився як учень, який легко розв’язував задачі з геометрії, алгебри і фізики не тільки своїм однокласникам, але учням старших класів, навчився ремонтувати детекторні радіоприймачі. Вже в цьому віці Р.Ф. Фейнман проявив значний інтерес до науки, зокрема, до математики і фізики. Слід відмітити, що Ричард не тільки був відмінником у навчанні, але відвідував гурток танців, де навчився добре танцювати, чудово грав на музикальних інструментах і навіть виступав на концертах. Отримавши самий високий бал за навчання у гімназії, Ричард у 1935 році поступає у Масачусетський технологічний інститут (МТІ). Спочатку першокурсник Р.Ф. Фейнман інтенсивно вивчав математику, але пізніше захопився фізикою і квантовою механікою. Вже під час навчання в МТІ викладачі вважали студента Фейнмана видатною особистістю. Тому після закінчення МТІ він був зарахований у 1939 році в аспірантуру з одночасним виконанням обов’язків наукового асистента кафедри, що дало можливість більш активно працювати над виконанням дисертації, а також отримувати додаткову фінансову підтримку.

Робота над дисертацією була призупинена, тому що Р.Ф. Фейнмана запросили вирішувати складні проблеми над відомим Манхетенським проектом по створенню атомної бомби. Після завершення цієї роботи Р.Ф. Фейнман захистив дисертацію і почав працювати над вирішенням проблеми квантової електродинаміки. За ці дослідження Р. Ф. Фейнман спільно з С. Томоната і Ю. Зінгером у 1965 році отримали Нобелівську премію з фізики. Крім досліджень в галузі квантової електродинаміки, теорії заслабких взаємодій, математичного апарата теорії взаємоперетворень елементарних частинок (діаграми Фейнмана), квантових вихрових взаємодій у надтекучого гелію та інших теоретичних аспектів фізики Р.Ф. Фейнман зацікавився роботами з молекулярної біології, структури ДНК, що переносить генетичну інформацію. На протязі 1959-1960 років Р.Ф. Фейнман проводив дослідження з молекулярної біології спільно з М. Дельбрюком (лауреат Нобелівської премії за 1969 рік з фізіології і медицини за відкриття механізмів реплікації і генетичної структури вірусів) та М. Мезельсоном, а також читав лекції з біології, математики і статистики в Калтеку.

В грудні 1959 року в Каліфорнійському технологічному університеті (Калтек) 42-річний фізик-теоретик Ричард Фейнман на щорічному засіданні Американського фізичного товариства зробив доповідь-лекцію: „Внизу багато місця: запрошення увійти в нову область фізики” (There is plenty of room at the bottom: an invitation to enter a new field of physics). Більш точний переклад українською мовою: „Є надмір місця на дні – запрошую в нову область фізики”), яка сьогодні вважається першою прямою вказівкою на необхідність розпочинати наукові дослідження в масштабі атомів і молекул, що пізніше японським вченим Норіо Танігучі було названо нанотехнології [Фейнман Р.Ф., 2002]. На той час фізики Америки знали і цінили його внесок у теоретичну фізику, признавали за ним неабиякий, творчий та не схильний до компромісів розум. Своєю лекцією Ричард Фейнман здивував слухачів, але не настільки, щоб з 1960 року розпочалися інтенсивні дослідження з нанотехнологій. Світова наука роздумувала. У лекції Ричард Фейнман пропонував слухачам задати собі запитання: „А що буде, якщо буде можливість довільно і по одному розмістити атом за атомом”.

На той час це вважалося нездійсненною фантазією і не виключено, що слухачі в аудиторії Калтеха вважали Ричарда Фейнмана Жюль Верном. У ті часи ніхто не міг передбачити, що через 22 роки у 1981 році швейцарські вчені з Цюріхської дослідницької лабораторії IBM Герд Біннінг і Геінріч Рогрер сконструюють принципово новий скануючий тунельний мікроскоп, за допогою якого можна маніполювати з атомами.

Під час лекції Р.Ф. Фейнман запропонував за свій рахунок видати дві премії по 1000 доларів за вирішення двох завдань. Перше, сконструювати працюючий електродвигун, який би розмістився в куб зі стороною 1/64 дюйма (біля 0,39 мм). Вже в листопаді 1960 року місцевий інженер У. МакЛеллан прийшов до Р.Ф. Фейнмана з ящиком, в якому був такий електродвигун. Другу премію отримає людина, яка розмістить 24 томів Британської енциклопедії на голівці шпильки: скорочення у 25000 раз від стандартного розміру букви. Цю премію отримав у 1985 році Т.Ньюман – аспірант Стенфордського університету, який записав першу сторінку книги Ч. Діккенса „Повість про два міста” в тому масштабі, який рекомендував Р.Ф. Фейнман. Через десять років вчені Лос-Аламовської лабораторії національної лабораторії Америки розробили технологію запису книг на носіях, з яких можна читати і передавати на відстань. Те, що у 1959 році вважалось далекою фантазією, через 35 років стало реальністю.

Хоч науковці світу багато раз цитували цю доповідь-лекцію, реальні нанотехнології почали впроваджуватися в зарубіжних країнах в кінці 80-х років ХХ століття. Сприяли цьому декілька подій і факторів, які доцільно узагальнити.

Книга співробітника МТІ інженера Е. Дрекслера: „Машини творення: прихід ери нанотехнологій”, що була випущена у 1986 році в м. Бостон. В цій книзі Е. Дрекслер розвинув ідеї та вказав на реальне впровадження нанотехнологій в промисловість. Ця книга зацікавила вчених і промисловців, тому що вказувала на можливість маніпуляцій з атомами, конструювати принципово нові машини. Але реального впровадження нанотехнологій у виробництво ще не було. Сенатор з штату Теннессі Альберт Гор у 1992 році організував у сенаті США слухання на тему: „Нові технології для стійкого розвитку”. Виступали кращі американські спеціалісти, в тому числі Е. Дрекслер. У своїй блискучій промові, у якій цитував багатьох видатних вчених, в тому числі Р. Фейнмана, та відповідях на запитання Е. Дрекслер переконав сенаторів у необхідності розробки та затвердження спеціальної програми з нанотехнологій. У цьому ж році новий президент США Білл Клінтон поклав клопоти з розвитку нових технологій на свого віце-президента Альберта Гора. У 1994 році А. Гор виніс на всенародне обговорення документ під назвою: „Наука на службі народу”. Його ідеї та пропозиції зацікавили директора наукового відомства „Національний фонд Науки” (NSF) професора з Університету Райса у штаті Техас Ніл Лейна (з 1998 року радника президента Б. Клінтона з науки) та керівника відділу проектування цієї установи Майкла Роко, а також радника президента з економічних питань. Том Каліл організували робочу групу з вчених, виробничників, представників приватного бізнесу для розробки національної програми з нанотехнологій. У березні 1999 році на нараді було об’явлено про створення спеціальної програми: „Національної нанотехнологічної ініціативи” (NNI), яку затвердив конгрес США, виділивши на її здійснення 500 млн доларів. Щорічно бюджет NNI збільшувався. У 2005 році склав 970 млн, а у 2008 році – 1,447 млрд доларів. На сьогодні NNI об’єднує основні напрямки досліджень з нанотехнологій США. Разом з тим затверджені інші програми з нанотехнологій.

З кінця 80-х років та початку 90-х років ХХ століття починається інтенсивний розвиток нанонауки, нанотехнологій, наномедицини, нанофармації та інших напрямків, сприяючи активній розробці та впровадженню в різні галузі народного господарства наночастинок з вивченням їх властивостей [Лахтин, ЧекманНіцак].

Однак, нанотехнології того часу вимагали затрати значної кількості енергії з малим виходом продукції. Суттєво сприяло практичній реалізації ідей Р.Ф. Фейнмана створення електроніки і обчислювальної техніки. Тобто з’явилась можливість максимально зменшити розміри деяких елементів до атомно-молекулярних, на це звернув увагу у своїй доповіді-лекції Р.Ф. Фейнман. Він також стверджував, що можна отримати значно більше при наявності відповідної апаратури, зокрема, мікроскопів. Відомо, що перший електронній мікроскоп розробили у 1931 році М. Кноль і Е. Руска, який дозволяв значно підвищити можливість вивчення мікророзмірів в техніці, біології і медицині. Але такий прилад не задовольняв дослідників, які вивчали наночастинки. Тому значним досягненням в цьому направлені була розробка фірмою Carl Zeiss нового електронного мікроскопа „LIBRA 200FE”, який дозволяв досліджувати частинки < 0,14 нм. У 2005 році фірма Carl Zeiss повідомила про розробку ультрависокого розрішення трансмісивного електронного мікроскопа (UHRTEM). Прилад може аналізувати субанстремні розрішення 0,08 нм і навіть 0.07 нм [Головин Ю.И., 2007 1].

Але повернемося до аналізу діяльності Р.Ф. Фейнмана. Ще у 1959 році він у доповіді-лекції стверджував: „Які самі важливі і фундаментальні проблеми сьогоденної біології? Це такі питання: яка послідовна основа в ДНК, що власне відбувається при мутації, як здійснюється послідовність основ в ДНК з послідовністю амінокислот у синтезованому білку, що являє собою структура РНК, чи є вона одинарним чи двійним ланцюгом, яка послідовність основ в РНК і ДНК, яка структура мікросом, як здійснюється синтез білка, куди переміщується РНК, де вона розміщена, як поступають амінокислоти, стосовно фотосинтезу: де знаходиться хлорофіл, яка його структура, де знаходяться каротиноїди, що приймають участь в цьому процесі, який механізм перетворення світла в хімічну енергію? Відповісти на багато таких фундаментальних питань досить просто: слід лише подивитись! І ви побачите послідовність основ в ДНК, структуру мікросом. На жаль сучасні мікроскопи не мають таких властивостей. Сконструюйте мікроскоп у 100 раз досконалішим і багато проблем в біології будуть виглядати значно простіше” [Фейнман Р.Ф., 2002].

Дійсно, необхідно бути не тільки геніальною людиною, але мати сміливість та мужність, щоб передбачити розвиток вчення про наносвіт не тільки у фізиці, електроніці, промисловості, але у біології, біофізиці, біохімії, фізіології, фармакології, фармації, медицині, тощо.

Це був перший поштовх, який виявився надзвичайно плідним. На початку 80-х років ХХ століття скануюча зондова мікроскопія досягла атомного рівня, що дозволило маніпулювати не тільки окремими атомами, але збирати конструкції шляхом додавання атом за атомом. В кінці ХХ століття був сконструйований електронний мікроскоп, що дав змогу подивитися практично на окремі атоми. Перші прилади для досліджень на нанорівні були розроблені в швейцарських лабораторіях IBM: в 1982 році створений растровий тунельний мікроскоп, а в 1986 році – атомний силовий мікроскоп.

Ще тільки англійський біофізик і генетик Френсіс Крік, американський біохімік Джейн Уотсон і англійський біофізик Моріс Уілкінс розпочинали дослідження з встановлення структури ДНК, а Р.Ф. Фейнман уже у 1959 році передбачив можливість такого відкриття. Через три роки у 1962 році Нобелівський комітет Ф. Кріку, Д. Уотсону і М. Уілкінсу ”за відкриття молекулярної структури нуклкеїнових кислот та їх значення в передачі інформації у живій матерії” (відомій у науковій літературі як „двойна спіраль”) присудив Нобелівську премію з фізіології і медицини [Довгий С.О. і співавт., 2001; Кіманович В.Й. і співав., 2003, Чекман І.С., 2007].

Доповідь-лекція Р.Ф. Фейнмана сприяла тому, що розпочались інтенсивні дослідження з молекулярної біології, біотехнологій, квантової хімії, генетики. Нобелівські премії отримують: у 1964 році англійський вчений Д.К. Ходжкін „за визначення з допомогою рентгенівських променів структури біологічно активних речовин”, у 1972 році американський вчений К.Б. Анфінсен – „за роботи по дослідженню рибонуклеази, особливо зв’язку між амінокислотною послідовністю і біологічно активною конформацією”, у 1980 році американський вчений П. Берг – „за фундаментальні роботи по біохімії нуклеїнових кислот, особливо рекомбінантної ДНК”, у 1989 році канадський вчений С. Олтмен і американський вчений Т.Р. Чек – за відкриття каталітичних властивостей РНК”, у 1993 році канадський вчений М. Сміт – „за фундаментальні дослідження по направленому мутагенезу, що ґрунтується на олігонуклеотидах та його вплив на розвиток вивчення про білок” та інші [Довгий С.О. і співавт., 2001; Кіманович В.Й. і співав., 2003; Чекман І.С., 2007].

Французький мислитель, історик Габрієль Маблі (1709-1785) стверджував: „Найбільш суттєве і найбільш благородне з всього притаманного нам – це розум”. Людство вже вирішувало багато глобальних питань. Слід погодитися з думкою Габрієля Маблі, що природний розум людини зможе позитивно вирішити з оптимальною користю здобутки нанонауки та нанотехнологій.

Історичні утапи розвитку (останій варіант)

1. Головін Ю.И. Введение в нанотехнику. – М.: Машиностроение, 2007.- 469 с.

2. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. 2.е изд. Испр. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. – 416 с.

3. Грибин Д., Грибин М. Ричард Нейман: жизнь в науке. – Москва-Ижевськ: Институт компьютерных исследований, 2002. – 288 с.

4. Довгий С.О., Литвин В.М., Солоіденко В.Б. Лауреати Нобелівської премії. 1901–2001; Енциклопедичний довідник. – К.: Укр. видавничий центр, 2001. – 768 с.

5. Киманович

6. Фейнман Р.Ф. Внизу полным полно места: приглашение в новый мир физики // Рос. хим. ж.

2002. – Т. XLVI, №5. – С. 406-409.

7. Фейнман Р. Ф., Лейтон Р.Б., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Вып. №:3

Излучение. Волны, Кванты. Пер. с англ. / Под ред. Я.А Смородинского. Изд. 4-е, испр. – М.:

Едиториал УРСС. 2004. – 240 с.

8. Чекман І.С. Родина Нобелів. – К.: НПВ „За друга”, 2007. – 152 с.

9. Шуйський І. Лев Ландау: „1937 рік – стихійне лихо. Мене воно також торкнулось, але, на

щастя, я залишився живим” // Дзеркало тижня. – 2008. – №21 (700). – С. 11.

10. Cui D., Gao H. Advance and prospect of bionanomaterials // Biotechnol. Prog. – 2003. –Vol. 19. –

P. 683–692.

11. Dreher K.L. Health and environmental impact of nanotechnology: toxicological assessment of

manufactured nanoparticles // Toxicol. Sci. – 2004. – Vol. 77. – P. 3–5.

12. Freitas R.A.Jr. Pharmacytes: an ideal vehicle for fargeted drug delivery // J. Nanosci. Nanotechnol.

– 2006. – Vol. 6 9-10. – P. 2769-2775.

13. Hannah W., Thompson P.B. Nanotechnology, risk and the environment: a review // J. Environ.

Monit. – 2008. – Vol. 10, №3. – P. 291-300.

14. Jain K.K. Nanomedicine: application of nanobiotechnology in medical practice // Med. Princ. Pract.

– 2008. – Vol. 17, №2. – P. 89-101.

15. Medina C., Santos-Martinez M.J., Radomski A. et al. Nanoparticles: pharmacological and

toxicological significance // Br. J. Pharmacol. – 2007. – Vol. 150. – P. 552–558.

16. Moore R. Nanomedicine and risk: further perspetive // Med. Device Technol. 2007. – Vol. 18, № 6.

– Р. 28-29.

17. Wickline S.A, Lanza G.M. Nanotechnology for molecular imaging and targeted therapy //

Circulation. – 2003. – Vol.107. – P. 1092-1095.

18. Zuo L., Wei W., Morris M. et al. New technology and clinical aplication of nanomedicine // Med.

Clin. North Am. – 2007. – Vol. 91, №5. – P. 845-862.