Наночастицы

Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы, размерами от 1 до 100 нанометров обычно называют «наночастицами». Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Такие батареи, хоть и обладают сравнительно низкой квантовой эффективностью, зато более дёшевы и могут быть механически гибкими. Удается добиться взаимодействия искуственных наночастиц с природными объектами наноразмеров — белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные наночастицы могут самовыстраиваться в определенные структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства.

  

Фотографии Ecogal(сверху) и толокнянки(снизу).Получены на электронном микроскопе в Институте микробиологии и биотехнологии ЛУ,Рига

  

Нанообъекты делятся на 3 основных класса:

трёхмерные частицы, получаемые взрывом проводников, плазменным синтезом, восстановлением тонких плёнок и т. д.;

двумерные объекты — плёнки, получаемые методами молекулярного наслаивания, CVD, ALD, методом ионного наслаивания и т. д.;

одномерные объекты — вискеры, эти объекты получаются методом молекулярного наслаивания, введением веществ в цилиндрические микропоры и т. д.

Ниже приведены фотографии неорганических наночастиц.

Дендриты из наночастиц серебра (а, г, е), комковатые агрегаты из наночастиц сульфида серебра-акантита (б), спутано-волокнистые агрегаты из волокон самородного серебра и наночастиц акантита (в). Фото в ПЭМ. На картинах микродифракции указаны индексы Миллера.

Остается большой класс, о котором практически нет информации.

Класс – органические наночастицы:

Естественные образования.

В первую очередь – это органические молекулы.

Размер белковых молекул составляют 1 ÷ 10³ нм, аминокислот около 0,3 нм, толщина клеточной липидной бислойной мембраны – 10 нм.

(Радиус молекулы воды порядка 0,19 нм).

Фотографии органических макромолекул.

 

Вирусы. Величина вирусов варьирует от 20 до 300 нм (1 нм = 10^-9 м). Практически все вирусы по своим размерам мельче, чем бактерии. Однако наиболее крупные вирусы, например вирус коровьей оспы, имеют такие же размеры, как и наиболее мелкие бактерии (хламидии и риккетсии), которые тоже являются облигатными паразитами и размножаются только в живых клетках. Поэтому отличительными чертами вирусов по сравнению с другими микроскопическими возбудителями инфекций служат не размеры или обязательный паразитизм, а особенности строения и уникальные механизмы репликации (воспроизведения самих себя).

  

Бактерии по размерам больше вирусов. Толщина их обычно составляет 0,5–2х10³ нм, а длина – 1,0–8,0х10³ нм. Разглядеть некоторые формы едва позволяет разрешающая способность стандартных световых микроскопов (примерно 0,3х10³ нм), но известны и виды длиной более 10⁴ нм и шириной, также выходящей за указанные рамки, а ряд очень тонких бактерий может превышать в длину 5х10⁴ нм. На поверхности, соответствующей поставленной карандашом точке, уместится четверть миллиона средних по величине представителей этого царства.

 

 

 

Клетки растений и животных. Их размеры в среднем составляют

0,5÷5х10³ нм, содержание воды в клетках 70-80%.

 

Цветочная пыльца. Размер пыльцевых зерен различных растений варьируют 2 ÷5х10⁴ нм в диаметре, реже до 1,5÷2,0 10⁵ нм.

 

Биологическая активность пыльцы общеизвестна – от лекарственных препаратов до аллергических реакций.

 

По сущности, приведенные выше примеры, можно отнести к естественным продуктам природной бионанотехнологии. Ко всему этому,  объекты обладают множеством уникальных свойств. Например, половые клетки делятся строго вертикально (чувствительные датчики гравитационного поля), жгутиковые микроорганизмы для передвижения используют аналог электродвигателя, а клеточная мембрана является отличным аккумулятором (200 mV при толщине мембраны 10 нм).

 

Особый интерес, на наш взгляд, представляют наночастицы, полученные их органического материала, определим их как «измельченные» клетки.

Дезинтеграция клеточного материала используется в биологических исследованиях и проводят ее обычно растворах.

 

Получить наночастицы из органического материала можно и другими способами. Рассмотрим два простых и очевидных метода.

 

Метод высушивания. Для механического дробления органическое вещество мало пригодно вследствие наличия воды. Путем высушивания его переводят в твердое состояние и подвергают дроблению. Классический пример – получение муки (нанопорошка) из высушенных зерен.

Метод криогенного дробления. В этом случае органическое вещество переводят в твердое кристаллическое состояние путем замораживания. Способы замораживания могут быть различными – от морозильных камер (-25^оС) до температуры жидкого гелия 4^оК (-269.1^оС). Полученное кристаллическое вещество подвергают дроблению до нано размеров. Интересным является дробление в атмосфере азота, т.е используя жидкий азот. Компания «АРКОФАРМА» применяет эту технологию в изготовлении БАДов из растительного сырья (см.фото Detox, VISIOV).

     

Дробление в условиях без кислорода позволяет получать восстановленные  формы, обладающие антиоксидантными свойствами.

 

В итоге процесса дробления органического вещества получаются наночастицы, представляющие собой осколки клеток различной величины.

Очевидно, что эти частицы должны активно взаимодействовать с биологическими объектами. Первые результаты, полученные в этой области, подтверждают это экспериментально.

 

Более того, они имеет хороший практический выход.

В области растениеводства – биологические активные добавки для растений серии Ecogal©, в области биотехнологии – повышение производительности биогазовых установок на 30-50%.