Анализ использования продуктов нанотехнологий в электронной технике

Шишкин В.С.

студент факультета «Математика и Естественные Науки»

Ижевского Государственного Технического Университета

им. М.Т. Калашникова

Анализ использования продуктов нанотехнологий в электронной технике

Аннотация. Статья посвящена сравнению пользы от использования наночастиц и их потенциального вреда, наносимого здоровью человека. Приведены примеры видов продукции, содержащей наноразмерные частицы. Проанализировано текущее состояние развития нанотоксикологии. Рассмотрены механизмы воздействия данных частиц и пути их проникновения в человеческий организм.

Ключевые слова: наночастицы, здоровье,безопасность, нанотоксикология.

На всемирном экономическом форуме в Давосе в 2010 году обсуждался вопрос о возможной угрозе человечеству в связи с широким использованием наноматериалов. Актуальность проблемы определяется тем, что исследования в области нанотехнологий финансируются в основном венчурными организациями или спонсорами, поэтому не сопровождаются исследованиями воздействий наночастиц на экосистему и человека.

Сегодня мы постоянно находимся в контакте с изделиями, при изготовлении которых используются вещества наноразмеров: ноутбуки, персональные компьютеры, телефоны, смартфоны и многое другое. Материалы в виде частиц наноразмеров используются практически во всех отраслях промышленности, в медицине, в химической промышленности, в строительстве. Таким образом, наноматериалы могут попадать в окружающую среду и даже встраиваться в пищевые цепи. До момента промышленного использования наноматериалов, наночастицы попадали в живые организмы и окружающую среду лишь в результате природных процессов: песчаных бурь, извержений вулканов, лесных пожаров и т. п.

Наночастицы – это микроскопические образования размером не более 100 нанометров (нанометр – одна миллиардная доля метра). Поэтому любые объекты с линейными размерами меньше 1000 нм, формально попадают под определение «нано». Это могут быть липосомы, эмульсии, полимерные, керамические, металлические и углеродные частицы. Их всё чаще используют в фотовольтаике, электронике, фармацевтике, в парфюмерии.

Современное развитие науки и техники вызывает постоянный рост использования синтетических наноматериалов в промышленности. Так, например, имеются прогрессивные научные разработки на основе углеродных нанотрубок. Было обнаружено, что при нанесении углеродных нанотрубок на поверхность кремниевой подложки в месте контакта этих двух материалов возникает область, чрезвычайно чувствительная к свету. Фокусировка света лазера на этой области приводит к резкому повышению электрического тока, индуцированного потоком света. Такое необычное поведение материалов позволило ученым создать на базе кремния и углеродных нанотрубок логические схемы, функциями которых можно управлять как электрическим, так и оптическим способами. Так получили электронными устройствами, имеющие информационные входы электрического и оптического типа. Использование новых принципов функционирования микросхемы вполне совместимы с существующей технологией производства полупроводниковых CMOS-чипов. [7]

В бытовой среде наночастицы находят применение в красках для стен, зубных пастах, моющих средствах, в красках для волос, в губных помадах в качестве дезинфицирующих, антимикробных, светоотражающих и других агентов. Например, наночастицы серебра (Ag), фуллерены (C₆₀), оксиды металлов (ZnO, TiO₂).

Наночастицы могут попадать в организм с пищей, через кожу и путем вдыхания аэрозолей. Также могут попасть внутрь в роли агента, компонента лекарственного средства. Но чаще всего наночастицы попадают в организм произвольно.

Наночастицы в нашем доме

Для выявления примерных статистических данных был проведен социологический опрос среди студентов технического вуза, результаты которого приведены на рисунке 1, а также в таблице 1. Исследование показало, что из 100% опрошенных (120 человек) о наличии наночастиц в некоторых видах продукции знает лишь около 25%. Из всех опрошенных около 60% считают, что наноматериалы небезопасны для здоровья.

Рисунок 1 – Результаты социологического опроса среди студентов

Таблица 1. Деление респондентов на категории

В настоящее время выпускаются зубные пасты с содержанием наночастиц серебра (Ag). Это становится маркетинговым ходом, и люди скупают такую продукцию, потому что производители декларируют только пользу предлагаемых товаров, сведения о вреде, о накоплении в организме не предоставляются.

Во многих кремах, таких как тональных, кремах от загара и других применяются наночастицы оксида титана (titanium dioxide). Меры предосторожности и данные о не токсичности данного вещества предоставляются лишь в оценке для крупных частиц, наночастицы которыми не являются. В паспорте безопасности диоксида титана пигментного сказано, что при попадании в организм, вещество практически не распадается, при попадании на кожу должно быть незамедлительно удалено.

Простая классификация

Можно классифицировать наноразмерные частицы на два типа: природные и синтетические. Первый тип таких частиц может быть найден в дыме от пожаров, в некоторых видах бактерий (рис.2), которые намеренно синтезируют магнитные наночастицы для ориентирования в магнитном поле Земли, гидрофобные брохосомы (воздушные белковые шарики, рис.3) – элемент защиты цикад от внешней влаги и т.д.

Синтетические наночастицы обладают повышенной опасностью в отличие от частиц природного происхождения. Это выражается в том, что системы защиты человеческого организма не рассчитаны на ликвидацию посторонних объектов столь малого размера, не разлагаемого организмом вещества с высокой проникающей способностью и бесконтрольным отложением в тканях.

Рисунок 2– Цепочка из магнитных наночастиц (магнетосома) бактерии

Рисунок 3 – Брохосомы размеров 0.2-20 мкм насекомых семейства Cicadellidae

Всепроникающие частицы

В химической промышленности по умолчанию принято утверждение, что если большие частицы какого-либо вещества безопасны, то и в измельченном виде такое вещество не нанесет вреда. Но такое утверждение в случае наночастиц оказывается неправомерно.

Когда речь идет о нанометровых порядках величины, свойства вещества могут меняться самым неожиданным образом. Так, при своих малых размерах наночастицы легко проходят ГЭБ (гематоэнцефалический барьер – сложная многоступенчатая система защиты, ограничивающая доступ химических веществ к нейронам), что приводит к их накоплению в тканях головного мозга.

Наночастицы могут проникать сквозь клетки эпителия (ткань, выстилающая поверхность кожи), распространяться по ходу отростков нервных клеток, кровеносных и лимфатических сосудов. При этом они избирательно накапливаются в разных типах клеток и в определенных клеточных структурах.

Столь высокая проникающая способность не только делает наночастицы ценным агентом при доставке лекарственных веществ, но и повышает потенциальную опасность для здоровья человека.

Польза и вред новой технологии

В России также разрабатываются современные нанотехнологии и наноматериалы. Российские ученые обнаружили, что при добавлении в бетон алмаза, измельченного до наноразмеров, можно значительно повысить его твердость и способность выдержать большие нагрузки. При этом толщина бетона может быть уменьшена с одновременным улучшением его свойств.

В современном мире развитие нанотоксикология сильно отстает от нанотехнологий при том, что резко возрастает объем наночастиц антропогенного происхождения в окружающей среде. Предполагается, что наночастицы практически не влияют на процессы в живых клетках, т.к. частицы в наноматериалах в подавляющем большинстве случаев находятся в связанном состоянии, в составе инертных матриц (полупроводниковые кристаллы в микропроцессорах, нанопокрытия режущих инструментов и т.д.). Токсичность нанокомпозитных материалов по мнению разработчиков не представляет серьезной угрозы. Однако знаний о токсичности наночастиц пока недостаточно, а имеющиеся на сегодня сведения зачастую противоречивы.

Многочисленные результаты опытов ученых различных университетов и лабораторий показывают, что наночастицы могут оказывать серьезное негативное воздействие на живые организмы: разрушают ткани мозга, подавляют активность иммунной системы, провоцируют образование тромбов в кровеносных сосудах и т.д.

Калифорнийская организация Silicon Valley Toxics Coalition (SVTC) выступает за регулирование использования нанотехнологий в Кремниевой долине, где они развиваются особенно быстрыми темпами. Организация занимается исследованиями безопасности высоких технология для окружающей среды. В отчете объединения отмечается, что микроскопические частицы являются причиной возникновения и обострения хорошо известных заболеваний, к которым относятся асбестоз, силикоз, гранулема, воспаление легких. [3]

Основываясь на этих знаниях можно ожидать, что попадание наночастиц в дыхательные пути также представляет собой угрозу здоровью людей. По словам членов объединения, некоторые наноматериалы способны глубоко проникать в легкие и вызывать обострение легочных заболеваний.

Независимо от SVTC, эксперименты швейцарских ученых свидетельствуют о вредном воздействии углеродных наноматериалов на легкие человека: вредное воздействие частиц проявлялось уже через 24 часа, происходило отмирание живых клеток, в которых происходило накопление наночастиц. После 5 дней эксперимента отличие от образца, не подвергшегося воздействию, стало более выраженным в худшую сторону.

К похожим результатам пришли и исследователи Управления США окружающей среды, работающие над нанотоксикологией под руководством Беллины Веронези (Bellina Veronesi). По результатам экспериментов с лабораторными животными, было установлено, что наночастицы оксида титана оказывают отрицательное влияние на клетки головного мозга: повышался синтез активных форм кислорода – была включена одна из функций защиты мозга. Естественная защита мозга справлялась с угрозой, но при систематическом введении наночастиц естественная защита перестала работать эффективно, повреждая соседние нейроны.

Выводы и дальнейшие перспективы исследования

Существует сравнительно небольшое число серьезных исследований в этой области. Систематические исследования не производятся, так как на это необходимы денежные средства и время. Если откроется, что большинство используемых типов синтетических наночастиц оказывает вредное воздействие на человеческий организм, то это нанесет серьезный удар по многим компаниям, которые используют доступ к продажам такой продукции, что в значительной мере уменьшает финансирование текущих и будущих исследований в области нанотоксикологии.

Проникновение наночастиц в биосферу чревато разными последствиями, предугадать которые пока что невозможно из-за недостатка информации. Эволюцией природы просто не создана защита от веществ со свойствами, не встречающимися в обычной среде обитания.

На текущий момент не разрабатываются даже алгоритмы технологических действий по снижению токсичности наноматериалов. Пользователям современной электронной техники следует знать о возможных негативных последствиях контакта с электронными устройствами. При разработке бытовой электроники необходимо учитывать возможность проникновения наночастиц через кожу в кровь и другие органы человека и повреждение вследствие этого ДНК.

По прогнозам ученых производство и промышленное использование наноматериалов в ближайшие годы резко возрастет. Экологи настаивают на необходимости проведения обязательной оценки безопасности разрабатываемых наноматериалов для человека и окружающей среды.

Список использованных источников:

1. Все о РОСНАНОТЕХ [Текст] // Экологический вестник России. - 2008. - № 5. - С. 25-29

2. Наночастицы небезопасны для здоровья человека [Текст] / Г. Колпаков // Экологический вестник России. - 2008. - № 4. - С. 21-23

3. Будьте осторожны, следующая остановка - "наноэра" [Текст] // Экологический вестник России. - 2008. - № 5. - С. 30-33

4. Будьте осторожны, следующая остановка "наноэра" или нуждаются ли нанотехнологии в правовом регулировании? [Текст] // Экологический вестник России. - 2009. - № 3. - С. 27

5. Модернизация - как много в этом слове... [Текст] / О. Фиговский // Экология и жизнь. - 2011. - № 1. - С. 24-27

6. Безопасность и правовой статус наноматериалов и нанопродуктов [Текст] // Экологический вестник России. - 2009. - № 11. - С. 46-4

7. http://qps.ru/MdAEI

8. Игнатов А.Н. Микросхемотехника и наноэлектроника: Учебное пособие.- СПб.: Издательство «Лань», 2011. - 528 с.: ил.- (Учебники для вузов. Специальная литература).

9. Леонтьев А. Наноматериалы могут быть опасными для людей и окружающей среды [Текст] /А. Леонтьев // Коммерсантъ Наука.- №7. - от 03.10.2011 г. С. 84.

Поиск по сайту: