VYTAUTO DIDŽIOJO UNIVERSITETAS
GAMTOS MOKSLŲ FAKULTETAS
Biologijos katedra
BIONANOTECHNOLOGIJOS GYVOJE GAMTOJE IR TECHNOLOGIJOSE
Atliko:
Tikrino:
KAUNAS
2015
Turinys
Įvadas 3
Tikslas 3
Užduotys 3
Bionanotechnologijos 4
”Bio” = ”Nano” ? 4
Nano-bio sujungimas sujungimas 4
Bionanotechnologijos/nanotechnologijų istorija 5
Vėžį naikins lietuviški nanorobotai 7
DNR nanotechnologija – XXIa. panacėja? 9
Kodėl DNR? 10
Nuo ko viskas prasidėjo? 11
Lotoso efektas 14
Paviršiai tai pat tu nanodalelių savybes 16
Nanodanga naudojama daugelyje sričių: 16
Nanotechnologijos Lietuvoje 17
Medicina Lietuvoje 17
Ėjimo vandens paviršiumi nanobiotechnologija 18
Nanotechnologijos gali išgelbėti ozono sluoksnį 23
Išvados 24
Šaltiniai: 25
Įvadas
Šiomis dienomis vis labiau kalbame apie nanotechnologijas, kaip šios technologijos galėtų padėti žmogui. Bionanotechnologijos gali pagelbėti žmogui buityja, medicinoja ir daugelyje kitų sričių.
Nanotechbologijas galime rasti ir gamtoje. Taigi viską bandysime išsiaiškinti šio darbo metu.
Tikslas
Susipažinti su bionanaotechnologijosmis, įgauti naujų žinių apie bionanotechnologijas gyvoje gamtoje ir technologijose
Užduotys
Bionanotechnologija yra jungtinis žodis, bandysime išsiaiškinti ką jis reiškia.
Sužinosime kur gamtoje galima aptikti dalykų susijusių su bionanotechnologijomis.
Susipažinti kur technologijose galima rasti bionanotechnolas.
Išsiaiškinti apie nanotechnologijas Lietuvoje
Bionanotechnologijos
Nanotechnologiniu prietaisu gali būti vadinamas toks, kuris visas arba pagrindinės jo dalys yra pagamintos žmogaus ir yra 1–1000 nm dydžio. Tikimasi, kad ateityje dirbtines bionanotechnologijas bus galima panaudoti ląstelės sudėties tyrimams, vaistams pristatyti į ląstelę, ląstelės pažaidų attaisymui skatinti bei normalioms ląstelės funkcijoms palaikyti. Viliamasi, kad bionanotechnologijos leis parinkti individualias gydymo programas, atsižvelgiant į paciento genomą, infekcijos ar vėžio tipą. Viena iš intensyviausiai tiriamų bionanotechnologijų pritaikymo sričių yra jų panaudojimas vaistų pernašai tiksliai į norimą ląstelę, audinį ar organą gydant tokias žmogaus ligas kaip ŽIV infekcija ir vėžys.
”Bio” = ”Nano” ?
Kiekvienos organizme esančios ląstelės struktūrą bei funkcijas nulemia nanodydžio dalelės. Gyvybės paslaptis slypi nanodydžio darinių pasaulyje.
Nano-bio sujungimas sujungimas
Bio -gyvybė, gyvenimas, sudurtinių žodžių pirmoji dalis, reiškianti sąsają su gyvenimu.
Nanotechnologijos- tarpdisciplininė taikomojo mokslo ir technologijų šaka, apimanti darbą su mažomis medžiagų dalelėmis – nanodalelėmis, matuojamomis nanometrais (viena milijardinė metro dalis) bei jų pritaikymą technologijose. Nanotechnologijos apima medžiagas ir objektus ne didesnius nei apytiksliai 100 nm.
Nanotechnologija siūlo biologijai naujas biologinio objekto tyrimo priemones.
Biologija siūlo nanotechnologijai puikias nanosistemas – ląstelių komponentes – ir procesus procesus ląstelės viduje (saviorganizacija).
Bionanotechnologijos/nanotechnologijų istorija
|
~2000m. pr. Kr. Nanotechnologijų pamatą padėjo senovės egiptiečiai, kurie išmoko gamindami stiklą į jį primaišyti labai susmulkintų aukso dalelių ir taip suteikti jam norimą atspalvį. |
Viduramžių periodas (500m. – 1450m.). Vitražo dailininkai buvo ankstyvieji nanotechnologijų naudotojai, visiškai nenutuokdami apie tai. Rubino raudona spalva yra išgaunama įmaišius į stiklą aukso nanodalelių. Tamsiai geltona yra išgaunama įmaišius sidabro nanųdalelių. Vitražo įvairios spalvos yra išgaunamos įmaičius tam tikrą kiekį aukso ir sidabro nanodalelių.
|
1857m. Aukso koloidų atradimas. Nors sąvoka „nano“ tuo metu nebuvo naudojama, ankstyvasis tyrinėtojas Maiklas Faradėjus atrado ir paruošė pirmus metalinius koloidus 1856 metais. Koloidai tai dalelės nusėdančios tirpale. Faradėjaus aukso koloidai turėjo ypatingų elektrinių ir optinių savybių ir dabar yra žinomi kaip vieni iš daugelio įdomių metalinių nanodalelių. |
James Clerk Maxwell– 1867m . pirmasis pradėjo filosofuoti apie bionanotechnologijas. Įžymus škotų fizikas. Sukūrė elektromagnetinio lauko teoriją, suformuluotą keliomis matematinėmis lygtimis. Jomis remdamasis, padarė išvadą, kad kintamasis elektrinis laukas ir kintamasis magnetinis laukas yra glaudžiai tarpusavyje susiję ir kartu sudaro elektromagnetinę bangą, sklindančia šviesos greičiu. |
1905m. A. Einšteinas buvo pirmasis mokslininkas, kuris matuodamas panaudojo nanometrą. Jis teoriškai įrodė, kad viena sukraus molekulė yra lygi vienam nanometrui |
Richard Feynman-1959m. kalbėjo apie bionanotechnologijos principus.
|
| 1991 metais, Sumio Lijima, NEC, Japonijoje atrado naują anglies formą – nanovamzdeliai, kurie susidaro iš kelių tubelių įkištų viena į kitą. Po dvejų metų Lijima, Donalt Bethune domėjosi vienasieniais nanovamzdeliais, tik 1-2 nanometro skersmens.Nanovamzdeliai yra puslaidininkiai, bet gali praleisti elektrą geriau, nei varis, gali perduoti šilumą geriau nei deimantas ir yra tarp stipriausių žionomų medžiagų.
.
|
2009m-Pasitelkus naujausius nanotechnologijų ir miniatiūrinės robototechnikos pasiekimus, mokslininkams pavyko sukurti nuotoliniu būdu valdomus robotus, kurie judės žmogaus kraujotakos sistema gabendami į ligos židinį reikiamus vaistus ir naikindami vėžines ląsteles.
|
Vėžį naikins lietuviški nanorobotai
Fizinių ir technologijos mokslų centro (FTMC) mokslininkai kuria nanorobotus, galinčius transportuoti veikliąsias medžiagas į vėžio pažeistą audinį. Tyrimų metu aiškinamasi, kaip gali būti kuriamos ir modifikuojamos tokios veikliųjų medžiagų dalelės. Ateityje šios žinios taps labai svarbios vėžio ir kitų ligų gydymui.
Nanorobotai – labai mažų matmenų sistemos, skirtos atlikti tam tikras funkcijas. Tokių robotų funkcijoms įgyvendinti gali būti pasitelkiami jutikliai, nanovarikliai, nanomanipuliatoriai, elektros energijos generatoriai ar net molekuliniai kompiuteriai. Mokslininkai suprato, kad efektyviausias kelias kuriant nanorobotus – manipuliuoti struktūromis, kurias siūlo pati gamta, todėl tyrėjai modifikuoja gamtines struktūras ir jas tobulina.
Šiuo metu FTMC BioNanotechnologijų laboratorijos mokslininkai ir konstruoja nanorobotus, tiria, kaip jie jungiasi prie ląstelių paviršiaus ir aiškinasi, ar sukurtosios nanostruktūros tikrai veikia pasirinktas ląsteles. Planuojama sukurti specialų konteinerį – Trojos arklio analogą, kuris nepastebimai prisiartintų prie pasmerktos ląstelės, ją atpažintų ir pradėtų „operaciją“. Šio konteinerio turinys negrįžtamai pažeistų ląstelę ir tai „įjungtų“ užprogramuotą jos žūties mechanizmą. Tai pasitarnautų ligų diagnostikoje, genų terapijoje, chirurgijoje, odontologijoje, gydant vėžį, cukrinį diabetą ar kraujo ligas.
Nanomedicina pastaruoju metu yra viena sparčiausiai besivystančių sričių, todėl Lietuvos mokslininkų eksperimentai turėtų papildyti pasaulyje jau kuriamų unikalių nanoinstrumentų ir nanorobotų asortimentą.
Fizinių ir technologijos mokslų centras – didžiausia mokslinių tyrimų įstaiga Lietuvoje. Čia vykdomi moksliniai tyrimai, skirti aukštųjų technologijų plėtrai ir žinių ekonomikos kūrimui Lietuvoje ir pasaulyje, kuriami nauji prototipai ir paslaugos bei modernios pramonės programos. FTMC dirba 38 habilituoti mokslų daktarai, 268 mokslų daktarai, daugiau nei 500 mokslo tyrėjų, studijuoja 64 doktorantai. Per savo veiklos metus FTMC įvykdė daugiau nei 300 verslo užsakymų ir padėjo daugiau nei 100 įmonių įgyvendinti jų verslo tikslus.
DNR nanotechnologija – XXIa. panacėja?
Visas gyvybės pamatas slepiasi po keturių „raidžių“ (A, T, G, C) kombinacija DNR molekulėje. Iš pradžių buvo nustatyta, kad organizmų požymiai yra paveldimi pagal tam tikrus dėsnius. Vėliau atrasta, kad veiksniai, atsakingi už paveldimų požymių perdavimą, yra branduolyje. Ir galiausiai išsiaiškinta, kad būtent DNR molekulė yra atsakinga už genetinės informacijos saugojimą ir perdavimą. Tai viena svarbiausių, jei ne pati svarbiausia, atrasta biologinė molekulė. Tačiau, ar čia jau pabaiga? Ar galima teigti, kad pagaliau išsiaiškintos DNR molekulės funkcijos, ar reikėtų „reikalauti“ kažko daugiau? Atsakymas – reikėtų. Potencialios DNR galimybės turbūt neturi ribų ir yra daug žadančios medicinos bei kitose srityse.
DNR nanotechnologijos aprėpia tam tikro pobūdžio inžineriją – atrenkamos dominančios DNR molekulių sekos ir kuriami specifinių struktūrų dariniai.
Kodėl DNR?
DNR suteikia galimybę konstruoti nuspėjamą ar norimą nanostruktūrą. Pirma, remiantis komplementarumo (papildymo) principu, pakankamai nesunku užprogramuoti susijungimui tam tikrus, dominančius fragmentus.
Svarbu paminėti, kad tam tikru būdu suformuoti vadinamieji „lipnūs DNR galai“ užtikrina ne tik norimą molekulių sujungimą ir įvairių geometrinių figūrų formavimą, bet ir produkto struktūrą, t. y. B formos DNR, kuri pakankamai gerai ištyrinėta.
Antra, yra galimybė sujungti pasirenkamas sekas iš daugiau nei 100 „raidžių“.
Trečia, gamta aprūpino mus fermentais – „įrankių dėže“, kurių dėka įmanoma atrankiai manipuliuoti šia molekule (fragmentai gali būti sujungti tam tikra norima tvarka, prakerpami specifinėse vietose, taip pat galima keisti jų topologiją).
Visa tai padaro DNR struktūriškai, chemiškai ir funkciškai nuostabia medžiaga nanobiotechnologijų srityje.
Nuo ko viskas prasidėjo?
Revoliucija, vardu „DNR nanotechnologija“, prasidėjo dėka Seeman‘o bei jo kolegų 1980-aisiais ir tęsiasi iki dabar. Pradžioje buvo kubas. DNR fragmentai buvo sujungti panaudojant anksčiau minėtus „lipnius galus“. (Paveiksle: DNR fragmentų sujungimas ir figūros suformavimas (R. P. Goodman et al., Science 2005; 310, 1661))
Vėliau atsirado DNR origamis. Vietoje fragmentų prijungimo, šis metodas remiasi jau pagamintų atskirų dalių hibridizacija, o tai leido sukurti įvairias 2D ar 3D struktūras. (Paveiksle: 3D DNR „dėžutės“ origamis (Reza M. Zadegan, Michael L. Norton. Int. J. Mol. Sci. 2012; 13, 7149-7162)
O kur tai pritaikoma?
DNR nanotechnologija yra spartaus vystymosi stadijoje ir žada nemažai naujų analitinių ir terapinių galimybių medicinoje, farmakologijoje ir kitose srityse. Didelis dėmesys skiriamas tyrimams, susijusiems su vaistų transportavimu organizme, ligų terapija. Vienas iš nanomedicinos interesų – vėžinių ląstelių naikinimas. Nanobiotechnologija siūlo kelias alternatyvas chemoterapijai. Naujausi tyrimai yra sukoncentruoti į gydymo metodų atradimą, pavyzdžiui, terapinių vaistų gabenimą organizme į konkrečią vietą, nepažeidžiant supančių ląstelių ar organų. Nanopernašos sistemos gali būti: virusiniai vektoriai, sintetinės genų pernašos sistemos, modifikuotos neorganinės dalelės ir anksčiau minėtos origamio būdu gautos DNR „dėžutės“. Daugiausia dėmesio dabar yra skiriama ne virusinio tipo dalelėms dėl to, kad jos yra mažiau toksiškos, sukelia mažesnį imuninį atsaką. Pernašos dalelių veikimo principas būtų toks: prie nanodalelių prikabinami specifiniai receptoriai, užtikrinantys, kad vaistai bus nugabenti į pažeistas ląsteles, apribojant galimą sveikų ląstelių pakenkimą. Ypač naudinga tai, kad šios nanosistemos vienu kartu galėtų pernešti keleto tipų pakankamos koncentracijos terapinius vaistus. Be to, dauguma nanosistemų yra sukonstruotos iš biologinių medžiagų (DNR, RNR) ir yra tarsi užprogramuotos apeiti daugelį organizmo apsaugos, atsparumo mechanizmų, kurie galėtų trukdyti patekti vaisto molekulėms į reikiamą vietą.
Tam tikri sintetiniai polimerai gali būti panaudojami itin mažų – siRNR molekulių viduląsteliniam gabenimui. siRNR molekulės yra atsakingos už žinduolių genų aktyvaciją ir nutildymą. Tikimasi, kad siRNR yra potenciali nauja terapinių medžiagų klasė, kuri reguliuotų genų veiklą. Jų nešikliai yra sudaryti iš magnetinių ir fluorescencinių nanodalelių. Magnetinės savybės leidžia jas nukreipti į tam tikrą vietą, o fluorescencija leidžia šias daleles aptikti. siRNR gabenimo specifinės konstrukcijos – dendrimerai (iš lipidų ir kitokių nanodalelių sukurtos šakotos struktūros) pasižymi stabilumu, bioaktyvumu ir specifiškumu. (Paveiksle: Sartor V et al., J Am Chem Soc 1999, 121(12):2929 – 2930)
Specifinės DNR dalies aptikimas labai svarbus įvairių patogeninių ir genetinių ligų diagnozavimui. Daugelis aptikimo technikų yra paremtos DNR (taikinio) susijungimu su fluorescuojančiais, radioaktyviais ar kitokiais konstruktais. Vienas iš tokių pavyzdžių – fluorescuojantis DNR pradmuo: suformuojama tam tikra struktūra su prikabintu fluoroforu viename ir „gesintuvu“ kitame gale. Fluorescencijos signalas žiedo formos molekulėje nesusidaro dėl šalia esančių, vienas kitą neutralizuojančių galų. Kai įvyksta hibridizacija su taikiniu, fluoroforo ir „gesintuvo“ molekulės erdviškai atsiskiria, ir fluorescuojantis signalas parodo, kad mus dominanti seka buvo aptikta.
Lotoso efektas
Lotosas turi natūralų apsivalymo mechanizmą ir vandens lašeliai beveik nekontaktuoja su paviršiumi, jie rieda kartu nusinešdami nešvarumus.
Budistai lotosą sulygina su dievybe, nes jis pakyla iš purvo ir vis tiek išlieka tyras, taip, kaip siela, kilusi iš žmogaus egzistencijos gali tapti dievybe.
Lotosas Azijos civilizacijoje jau tūkstančius metų simbolizuoja tyrumą ir įkvepia siekti tobulumo.
Vokiečių mokslininkas, botanikas, susidomėjęs gamtos tobulumu, ištyrė lotoso paviršių ir pamatė, kad jis nėra tobulai glotnus, priešingai, jis yra labai nelygus, kalvotas ir neleidžia vandens lašeliams prikibti.
Nanotechnologijos idėja paimta iš gamtos. Lotoso lapai nesugeria vandens, nes vandens lašeliai teka lapu, kaip stiklo rutuliukai. Kaip vanduo elgiasi ant natūralaus lotoso lapo, galite pamatyti žemiau parodytame video intarpe.
Jei pažiūrėtumėte per mikroskopą, pamatytumėte, kad šių augalų lapų paviršiaus struktūra yra nelygi, todėl lašeliai nurieda. Šį principą panaudoję mokslininkai ir sukūrė nanodangą. Nanodangos rišanti medžiaga yra vanduo arba alkoholis, kuris, padengus paviršių, išgaruoja. Mažos dalelės tarpusavyje sąveikauja ir priklausomai nuo paviršiaus suformuoja erdvinį tinklelį.
1. Etapas: Nano dalelės pasklinda paviršiuje.
2. Etapas: Vandeniui ar alkoholiui pradėjus garuoti, dalelės pradeda sluoksniuotis ant paviršiaus.
3. Etapas: Nano dalelės pasiskirsto paviršiuje sudarydamos tvarkingą tinklinę struktūrą.
Paviršius būna ne tik padengtas apsauginiu sluoksniu, bet ir išlaiko vieną svarbiausių savybių – oro pralaidumą. Nano dalelės susigrupuoja taip, kad vanduo ir nešvarumai neįsigeria į paviršių.
Internetinė nuoroda pamatyti šį efektą https://www.youtube.com/watch?v=3UNj_MeARXE
Paviršiai tai pat tu nanodalelių savybes
Paviršiai padengti nanodalelėmis turi šias savybes:
jie būna oliofobiški (atsparūs riebioms medžiagoms), hidrofobiški (atsparūs vandeniui), acidofobiški (atsparūs rūgštims);
lengviau valomi, nes esant sąveikai su vandeniu nusivalo patys;
paviršiai apsaugomi ilgą laiką nematoma, nekenksminga danga;
mažiau jautrūs bakterijoms, pelėsiams;
geriau apsaugoti nuo UV spindulių.
Nanodanga naudojama daugelyje sričių:
namų ūkyje;
energetikoje, IT versle;
medicinoje ir farmacijoje;
prekyboje, maisto pramonėje;
automobilių, laivų apsaugoje.
Nanotechnologija padeda sutaupyti iki 80 % mūsų valymui skirto laiko ir valymo priemonių.
Šių produktų kūrimui naudojama pati moderniausia technologija, kuri padeda sukurti profesionalią paviršiaus apsaugą. Be to, yra galimybė produktus panaudoti labai plačiai: medienai, akmeniui, betonui, tekstilei, odai, metalui, stogo dangai, automobilių priežiūrai, lakuotiems paviršiams, stiklui ir veidrodžiams ir t.t.
Ekspertų teigimu – tai XXI amžiaus technologija, kuri padarys mūsų kasdieninį gyvenimą lengvesniu. Ši unikali technologija padės mums sukurti absoliučią švarą ir sutaupys mūsų laiką skirtą švaros palaikymui.
Nanotechnologijos Lietuvoje
Nanotechnologijos šiuo metu yra tarp Lietuvos perspektyviausių specialybių
„Mūsų šalis neturi didelių išteklių. Mes neturime didelių kokio nors metalo išteklių, didelių naftos išteklių, neturime labai daug dujų – reiškia, visko mums trūksta. Todėl turime būti labai protingi, kad išgyventume pasaulyje. Mūsų sukurta produkcija turi būti nedidelė ir į ją turi būti įdėta labai daug smegenų, proto, sukurta didelė pridėtinė vertė. Manyčiau, šita sritis yra labai perspektyvi būtent Lietuvai. Kadangi patys objektai yra labai maži – dažniausiai nei akimis, nei mikroskopais nematomi, nanotechnologijoms reikia labai daug proto, bet mažai medžiagų“, – teigia A. Ramanauskas.
Kadangi nanotechnologijos – gana nauja šaka Lietuvoje, tad ir aukštųjų mokyklų ruošiančių šios srities specialistus – tik dvi (viena iš jų – KTU Fundamentaliųjų mokslų fakultetas). Dėl to dar labiau tikėtina, kad nanotechnologų ateityje stigs.
Medicina Lietuvoje
Taikydami naujausias medicinos technologijas, vaistus ir naujausius gydymo būdus, Lietuvos medikai jau nebeatsilieka nuo Vakarų europiečių.
Pastarąjį dešimtmetį visose medicinos srityse pradėta taikyti nemažai naujų technologijų, vaistų ir naujoviškų metodų, užkertančių kelią ligoms arba pristabdančių jų progresavimą. Pasirodo, taikant naujausius gydymo metodus, šiandien galima išgydyti 50–60 proc. onkologinėmis ligomis sergančių žmonių. Skiepai padėjo suvaldyti tuberkuliozės, tymų, difterijos, hepatito B, kokliušo protrūkius. Be to, kasmet nuo mirties ir neįgalumo Lietuvoje išgelbėjama apie tūkstantį ligonių, patyrusių infarktą.
Nors mūsų šalyje širdies ligos – dažniausia mirties priežastis, dabar jau ir Lietuvoje galima pakankamai efektyviai gydyti širdies ritmo sutrikimus, širdies nepakankamumą, o jei liga nepagydoma, gydytojai gali persodinti donoro širdį.
Ėjimo vandens paviršiumi nanobiotechnologija
Mokslininkai tik visai neseniai išsiaiškino čiuožikų kojų sandaros paslaptį. Panašiai sudarytos ir vandens vorų kojos. Technologinis gamtos sprendimas įdomus ne tik dėl smalsumo ar noro suprasti reiškinių esmę, bet ir dėl galimybės pritaikyti, kuriant futuristines technologijas – judančius vandeniu robotinius mechanizmus arba nedrėkstančias vandenyje medžiagas. Todėl prestižiškiausi moksliniai žurnalai jau publikavo ne vieną straipsnį čiuožiko kojas.
Vandens čiuožikus galime pamatyti beveik kiekvieno Lietuvos vandens telkinio paviršiuje (1 pav.).
1 pav. Vandens čiuožikas
Tai plėšrūs blakių būrio vabzdžiai, kurie gaudo kitus vabdžius ir jais maitinasi. Lietuvoje yra apie 10 vandens čiuožikų rūšių. Jų kūno struktūra labai savotiška. Siaurą tamsų kūną (suaugėlio kūno ilgis apie 1 cm) virš vandens paviršiaus kelia labai ilgos kojos. Užpakalinė kojų pora daug ilgesnė už kūną, priekinės kojos trumpesnės. Tokios kojos leidžia paskirstyti kūno svorį dideliame paviršiaus plote. Kūno ir kojų struktūra leidžia vandens čiuožikui nenuskęsti pakeliant net 15 kartų didesnį svorį, negu sveria jo paties kūnas!
Vandens čiuožikai juda vandens paviršiumi nepaprastai greitai (35-125 cm/sek.). Esant reikalui, pavyzdžiui, vengdami skandinančio lietaus vandens lašo arba gaudytojo rankų, jie gali mikliai strykčioti.
Pradžiai pasiaiškime, kaip vandens čiuožikai gali stovėti ant vandens. Žinoma, kad šie vabzdžiai išskiria riebalus, kuriais tepa savo kojas. Todėl jų galūnių paviršius yra hidrofobinis. Taip vadinamos medžiagos, kurios netirpsta vandenyje, jų paviršius tarsi vengia sąveikos su vandeniu.
Kita svarbi šio reiškinio priežastis buvo siejama su ypatingomis vandens savybėmis, kurias lemia vandeniliniai ryšiai tarp vandens molekulių. Tarp anomalinių vandens savybių šiuo atveju verta paminėti didesnės skysčio paviršiaus įtampos jėgas, kurių energija yra 0,007 J/m2. Vandens paviršių liečiant hidrofobiniam objektui, padidėja paviršiaus plotas – taip mažėja sąlytis tarp negiminingų paviršių. Todėl vandens čiuožiko koja, atremta ant vandens paviršiaus, sudaro įdubimą. Ar pastebėjote koks keistas vandens čiuožiko šešėlis? Jame labiausiai matomos dėmės, kurias sudaro vandens paviršiaus įdubimai (3 pav.).
3 pav. Vandens čiuožikai ir jų šešėlis dugne
Dėl tokio paviršiaus išlenkimo susidaro kapiliarinės jėgos, nukreiptos prieš vabzdžio kojos svorio jėgas. Šių jėgų pakanka, kad vandens čiuožikas neskęstų, bet laikytūsi vandens paviršiuje. Toks gebėjimas gali būti būdingas tik lengviems organizmams, kurių kūno svoris paskirstytas dideliame paviršiaus plote. Paviršiuje laikančios vandens kapiliarinės jėgos yra proporcingos su vandens paviršiumi sąveikaujančių kojų sudaromo ploto paviršiui, o skandinančios kūno svorio jėgos proporcingos kūno tūriui. Tačiau didėjant kūnui, skendimą vandenyje lemiančios jėgos didėja greičiau, negu gebėjimas išsilaikyti vandens paviršiuje. Todėl tokia savybė būdinga tik mažiems organizmams. Didesnį kūną turinčių vandens čiuožikų kojos neproporcingai ilgos.
Kaip vandens čiuožikai juda? Jie stumia save vandens paviršiumi ilgomis hidrofobinėmis kojomis tarsi irklais. Anksčiau buvo teigiama, kad hidrodinaminius čiuožiko judesius lemia paviršiaus bangų perdavimo momentas. Tačiau mokslinių tyrimų laboratorijoje buvo nustatyta, kad mažų čiuožikų kojos (jų viduriniųjų kojų ilgis tik 2 mm) juda pernelyg lėtai, kad galėtų sukurti bangas vandens paviršiuje, jie negalėtų savęs pastumti.
Čiuožikai perduoda judėjimo momentą skysčio paviršiui ne kapiliarinėmis bangomis, bet tarsi iš dviejų pusrutulių sudarytais dvykrypčiais sukūriais, kuriuos skleidžia jo varomosios kojos 4 pav.
4 pav. Čiuožiko judėjimą lemia dvigubi sukūriai
Tačiau svarbiausia čiuožiko kojų anatominė paslaptis yra mikroskopiniai plaukeliai, vadinami mikrosetomis. Mikrosetų elektroninės mikroskopijos nuotraukos pateiktos. Jų skersmuo yra mažiau kaip 3 m (žmogaus plauko skersmuo – 80-100 m). Jais tankiai padengta visa vabzdžio koja, tačiau pačiame kojos gale jie ilgesni (5 pav.). Keli adatos formos mikrosetų sluoksniai yra nukreipti viena kryptimi.
5 pav. Vandens čiuožiko kojos vaizdas šviesiniu mikroskopu (10 ir 40 kartų padidinta).
Labai svarbi mikrosetų struktūros savybė yra nanometrų pločio grioveliai. Oro burbuliukai, patekę į tarpus tarp mikrosetų ir jų griovelių, sudaro tarsi oro pagalvę ir neleidžia sudrėkti vabzdžio kojoms, suteikia joms ypatingo atsparumo drėkimui, vadinamo superhidrofobiškumu (angl. k. – superhydrophobicity). Didžiausia keliamoji vienos tokios kojos galia vandens paviršiuje yra 152 dinos. Tai yra apie 15 kartų daugiau negu reikėtų vabzdžio kūnui vandens paviršiuje išlaikyti . Teorinis modelis leido įrodyti, kad tokias unikalias vandenį atstumiančias savybes gali suteikti kooperatyvi sąveika tarp mikrosetų nanogriovelių bei vaškinio kojos tepalo buvimas. Būtent šias savybes būtų naudinga pritaikyti, kuriant vandens paviršiumi judančias priemones arba nedrėkstančias medžiagas.
Norėdami paneigti, kad čiuožiko gebėjimą eiti vandens paviršiumi lemia vaškingas tepalas arba vandens įtampos jėgos, mokslininkai sukūrė dirbtinę čiuožiko koją ir padengė ją vašku. Ji gana gerai tiko palaikyti dirbtinio čiuožiko „plaustą“, tačiau negalėjo užtikrinti galimybės greitai judėti paviršiumi.
Nanotechnologijos gali išgelbėti ozono sluoksnį
Ulmo (Vokietija) universiteto mokslininkai, eksperimentuodami su nanosferomis, bei perfluorodekalinu (sintetinio kraujo gamybai naudojama skysta medžiaga), susidūrė su fenomenu, kuris gali padėti iš atmosferos visiškai pašalinti kenksmingus chemikalus, ardančius Žėmę gaubiantį apsauginį ozono sluoksnį.
„Mums pavyko sukurti savotišką modeliavimo sistemą, simuliuojančią mikrofizikinius procesus stratosferoje“, – tinklalapiui „nanotechweb.org“ sakė Ulmo universiteto mokslininkas Andrejus Sommeris. „Ja galima atkurti sudėtingas sąveikas tarp debesų lašelių, nanometrais išmatuojamų žmogaus veiklos ir natūralių šaltinių į atmosferą išmetamų aerozolių, bei CFC junginių, kurie yra pagrindiniai ozono naikintojai.“
Kietieji aerozoliai, į orą išmetami automobilių varikliuose skylant benzinui ar dyzelinui, yra beveik tokio pat dydžio, kaip ir vokiečių atliktame eksperimente naudotos polistirolo nanosferos.
A.Sommerio manymu, jei bandymais bus patvirtintas jų spėjimas, galima būtų pradėti kurti strategijas, padėsiančias išspręsti vieną iš žalingiausių žmonijos sukeltų globalių problemų, bei netgi ištaisyti jos padarinius
Artimiausiu laiku mokslininkai ruošiasi nustatyti optimaliausias nanodalelių savybes, pavyzdžiui aerozolių dydį, cheminę sudėtį, bei tirpumą. Tuo pat metu bus stengiamasi sumažinti galimus medžiagų gamybos kaštus. Tuomet darbo imtis galėtų kosmoso tyrimų agentūros.
Vokiečio manymu, modifikuotas daleles į stratosferą iškelti galėtų kosminių skrydžių aparatai, kurie išmestų jas pačiame ozono skylių viduryje.
Išvados
Keisdama DNR molekulės kombinacijas, gamta kuria tikrus stebuklus – visas gyvasis pasaulis yra neįtikėtinos įvairovės. Mokslo pasaulis akivaizdžiai bando sekti Motinos Gamtos pavyzdžiu. Ne tik DNR nanotechnologijų, bet ir kitų nanobiotechnologijų dėka atsiveria tokios galimybės, kurias anksčiau įsivaizduodavo tik didžiausi fantazuotojai. Šis mokslas apima sritį, kuri manipuliuoja ląstelėje gaminamais struktūriniais komponentais. Varijuojant jais tarsi „žaidžiame“ gyvybės pamatu, ir įvairius procesus bandome pakreipti norima linkme. Nanobiotechnologijos yra dar tik vystymosi stadijoje ir prireiks tikrai nemažai laiko, kol visi atradimai, idėjos bus realizuoti ir praktiškai pritaikyti. Juk ši stadija yra tarsi variklis, skatinantis pasitelkti visą savo kūrybiškumą, žinias ir „stačia galva“ pasinerti į užburiantį atradimų pasaulį. Nobelio premijos laureatas Isidor Isaac Rabi yra pasakęs, kad „mokslas yra nuostabus žaidimas – įkvepiantis ir gaivinantis. O viso žaidimo laukas – pati visata“. Šiuo atveju, visata nanolygmenyje yra ne mažiau intriguojanti, nei toji, kurios dalelę matome pakėlę galvas.
Šaltiniai:
Zahid et al. DNA nanotechnology: a future perspective. Nanoscale Research Letters2013; 8:119.
Reza M. Zadegan, Michael L. Norton.Structural DNA Nanotechnology: From Design to Applications. International Journal of Molecular Sciences 2012; 13:7149–7162.
Rudol f J Koopmans, Amalia Aggeli. Nanobiotechnology — quo vadis? Current Opinion in Microbiology 2010; 13:327–334.
Khalid M. Abu-Salah, Anees A. Ansar i , Salman A. Alrokayan. DNA-Based Applications in Nanobiotechnology. Journal of Biomedicine and Biotechnology 2010; ID 715295
http://www.tv3.lt/naujiena/834082/vezi-naikins-lietuviski-nanorobotai
http://www.emedicina.lt/lt/gydytojui/lietuvos_naujienos/biotechnologijos_medicinoje.html
http://www.nvi.lt/loc/m/m_files/wfiles/file162.pdf
http://www.nanotechnologijos.lt/?b=32&k=20&c=162
http://gamta.vdu.lt/bakalaurai/pop_straipsniai/ejimas_vandeniu/ejimas_vandeniu.html
http://matt016.wix.com/nanobiotechnology-1#!history-of-nanotechnology/c84e