Практична робота №5.

Читайте также:

Тема: «Вимірювання температури тіла».

Мета роботи: вивчити фізичні характеристики теплового випромінювання організму людини, терморегуляцію людського організму, напрями розвитку кріомедицини, способи вимірювання температури тіла людини.

Обладнання: мультимедійні слайди, термометри різних типів.

Теоретичні відомості.

Характеристски теплового випромінювання. Інфрачервоні промені.

Озн. Тепловим випромінюванням називається електромагнітне випромінювання нагрітих тіл, тобто випромінювання, обумовлене збудженням атомів і молекул в процесі їх теплового руху.

Сюди вiдноситься, зокрема, iнфрачервоне випромiнювання з довжиною хвилi 0.76 мкм-3мм –невидиме випромінювання, основною властивістю якого є перенесення великої енергії і теплова дія, за що його називають іноді тепловим промінням. З інших властивостей інфрачервоного випромінювання можна назвати такі:

-невидиме, але діє на фотоплівку спеціального складу;

-проникає вглиб м’яких тканин людини на 8 – 20мм і майже повністю поглинається ними;

-енергія і/ч променів частково перетворюється в теплову, а частково іде на утворення ферментів, які прискорюють перебіг біологічних процесів;

-добре поглинається склом, водяною парою, вуглекислим газом;

-випромінюється всіма тілами з температурою вище абсолютного нуля (а це всі тіла, бо абсолютний нуль недосяжний), і чим вище температура і інтенсивніше тепловий рух молекул, тим сильніше випромінювання.

Увесь діапазон інфрачервоного випромінювання поділяють на три області:

-близьку – з довжиною хвилі 0,76 – 2,5мкм;

-середню – 2,5 - 50мкм;

-далеку – 50 – 3000мкм.

Для біології і медицини найважливіші близька і середня.

Всі клітини нашого тіла випромінюють інфрачервоні промені, уносячи з собою надлишок теплової енергії організму – так здійснюється терморегуляція шляхом випромінювання.

Найпотужнішим джерелом і/ч випромінювання є Сонце. В медицині застосовуються лампи солюкс,інфраруж і синя лампа, або лампа Мініна.

Закон Віна:

Чим вище температура, тим на меншу довжину хвилі приходиться максимум випромінювання:

в- стала Віна,

в=2,9* мК

Закон Стефана-Больцмана:

Повна випромінююча здібність абсолютно чорного тiла пропорційна четвертій степені його абсолютної температури.

Е_Т= σТ⁴, σ=5,67*10^-8 -постійна Больцмана

Якщо температура зросте в 2 р., то повна випромінююча здібність зросте в 16.

У людини .Вона втрачає 66% енергії завдяки тепловим променям. При 36 випромінююча здібність зростає на 2%.

Терморегуляція людського організму.

Озн. Сукупність процесів, що забезпечують сталість температури тіла людини, називається терморегуляцією її організму.

Сталість температури тіла людини забезпечується двома конкуруючими між собою процесами:утворенням теплової енергії в тканинах організму (хімічна терморегуляція) і теплообміном організму з навколишнім середовищем (фізична терморегуляція).

Хімічна терморегуляція, тобто виробітка тепла, зв’язана з окислювальними процесами в організмі. При окисленні органічних речовин (наприклад, глюкози, піровиноградної кислоти) виділяється енергія. Частина енергії розсіюється у виді тепла і не може бути використана для виконання будь – якої роботи. Друга частина іде на синтез молекул АТФ, які акумулюють енергію для подальшої діяльності організму.

Фізична терморегуляція, тобто віддача тепла в навколишнє середовище, відбувається шляхом теплопровідності, конвекції, електромагнітного випромінювання (інфрачервоні промені) та випаровування.

Розглянемо кожний шлях окремо.

Теплопровідність і конвекція (замість терміна теплопровідність застосовується ще термін кондукція).

Цим шляхом у стані спокою виділяється 15% енергії. Різні тканини організму мають неоднакову теплопровідність Теплопровідність лімфи та плазми крові близька до теплопровідності води, а жирових і з’єднувальних тканин - до теплопровідності повітря (теплопровідність води майже в 21 раз більше, ніж повітря).Тому:

- завдяки лімфі і крові, які омивають всі органи і відбирають у них тепло, температура всіх органів підтримується сталою і на одному рівні;

-шкіра й підшкірна клітковина виконують роль теплоізоляційного шару, охороняють організм від переохолодження.

Головну роль для цих видів теплообміну грає різниця температур тіла і навколишнього середовища: чим більше різниця, тим більше тепловіддача.

Через погану теплопровідність повітря за кімнатної температури основну роль у тепловіддачі грає конвекція, тому в фізіології об’єднують ці два види теплообміну і називають одним терміном - конвекція. Конвекція залежить від швидкості повітряного потоку, що обтікає тіло Роль одягу – утворити навколо шкіриш ар нерухомого повітря і зменшити тепловіддачу шляхом конвекції.

Теплові або інфрачервоні промені (в фізіології їх називають радіацією).

Більша частина тепла віддається шляхом випромінювання (66%). Хоча шкіра є поганим провідником тепла, але в ній багато кровоносних судин: при підвищенні температури навколишнього середовища рефлекторно просвіт судин збільшується, розширюються артеріоли і капіляри, шкіра стає теплою і червоною, що збільшує тепловіддачу шляхом випромінювання і теплопроведення; і навпаки, при зниженні температури повітря судини звужуються і тепловіддача зменшується

Випаровування.

19%енергії у стані спокою виділяється цим шляхом. Але при підвищенні температури повітря та при зростанні фізичного навантаження цей відсоток зростає. Випаровування води організмом відбувається при виділенні поту з поверхні шкіри (в середньому за добу людина втрачає 0,8л поту) та при диханні з поверхні дихальних шляхів (біля 0,5л за добу). При диханні енергія витрачається ще на зігрівання повітря, що видихається.

При низьких температурах (нижче 15 градусів) біля 90% енергії віддається через теплообмін, а при температурах, близьких і вище температури тіла випаровування становиться головним способом тепловіддачі. Тому дуже важливу роль починає відігравати вологість повітря, бо чим більше вологість, тим гірше іде випаровування.

Температура тіла людини.

Людині притаманна відносно постійна температура тіла, що не залежить від температури навколишнього середовища. Підтримання постійної температури тіла забезпечується складними процесами терморегуляції – функціональною системою, що включає в себе периферичні (шкіра, кровоносні судини) і центральні (гіпоталамус) терморецептори, спеціальні центри терморегуляції, які розміщені в головному мозку, і еферентні шляхи, що регулюють рівень теплопродукції і тепловіддачі.

Температура здорової людини становить:

-у пахвовій ямці 36,1 – 36,9⁰;

-у порожнині рота 37, - 37,3⁰;

-у прямій кишці та вагіні 37,3 – 37,5⁰.

Смертельний максимальний рівень – понад 42,5⁰, мінімальний – нижче 33⁰.При таких температурах виникають незворотні порушення обміну речовин, що несумісні з життям.

Температура внутрішніх органів вище, тому склалася уява про оболонку і ядро. Оболонка (шкіра, скелетні м’язи) має більш низьку температуру, що коливається. Ядро (внутрішні органи) має більш високу температуру, що менше коливається і залежить від інтенсивності обмінних процесів. Так печінка має температуру 38 - 38, 5⁰ через найбільш інтенсивні обмінні процеси.

Протягом доби температура тіла здорової людини може коливатись до +-1⁰. Найвищою вона є о 16.00 – 18.00, найнижчою – о 3.00 – 6.00. Коливання можуть зумовлюватися характером харчування, інтенсивністю праці м’язів, частково – температурою навколишнього середовища (особливо при неправильному вдяганні).

Рівень температури залежить від віку людини: так,у дітей внаслідок більшої інтенсивності обмінних процесів температура вище, ніж у дорослих – 36,9 – 37,2⁰. І навпаки: у старих людей знижена температура – 36,0 – 36,5⁰.

Улітку порівняно з зимою та у період емоційного напруження температура може підвищуватись на 0,2 – 0,6⁰. У більшості запальних процесі температура тіла хворого збільшується. Зниження температури нижче 36⁰ спостерігається при отруєннях, виснаженнях, діабетичній комі та інших випадках.

Прилади для вимірювання температури.

Для вимірювання тіла людини найчастіше застосовують медичний ртутний термометр. Його шкала розділена на десяті частки градуса в інтервалі температур від 35 до 42 градусів Цельсія. Медичний термометр належить до типу максимальних, так як його покази не можуть довільно зменшитись. Це досягається тим, Що канал трубки термометра біля самого резервуара зі ртуттю дещо звужений. Звуження не перешкоджає розширенню ртуті при підвищенні температури, але внаслідок тертя стовпчик ртуті не може опуститися в резервуар без струшування. Перевагами цього термометра є висока точність вимірювання, легко дезінфікувати, довгий строк служіння, низька ціна. Недоліками є те, що в ньому застосовується ртуть, що є сильною отрутою, він крихкий і може розбитись.

Застосовують також цифровий електронний термометр. Він має чутливий датчик, який контактує з тілом. Результат вимірювання температури відображається на дисплеї. У цього термометра є корисні функції: пам’ять останніх вимірювань, звукові сигнали, змінні наконечники для гігієнічного використання, водонепроникненість, авто відключення.. Він безпечний, не має ртуті, час вимірювання температури малий (до трьох хвилин). Існують різні форми і забарвлення цього термометра, є навіть у виді соски. Недоліками є висока ціна, заміна батарейок, необхідність створювати гарний контакт з тілом і тримати довше, ніж заявлено в інструкції.

Розробкою останніх років є інфрачервоний термометр, у якого є чутливий елемент, що приймає інфрачервоне випромінювання від людини і переводить ці дані в температуру. Він має тіж переваги, що і електронний, але швидкість вимірювання ще більша – до 30 секунд. Крім того він безконтактний, вимірювання температури може здійснюватись на відстані. Недоліками є велика ціна, значні похибки вимірювання – 0,3 – 0,5⁰, вимагає періодичних перевірок точності.

Термосмуги з термочутливої плівки з рідких кристалів, яка змінює колір в залежності від температури. Мають велику похибку вимірювань. На їх покази впливає освітленість, наявність поту, щільність прилягання до тіла. Є смуги, що розділені навпіл: підвищена температура і нормальна. Ці термосмуги застосовуються для швидкого виявлення хворих в великому колективі.

Застосування сучасних напрямів розвитку кріомедицини.

Холод в медицині стали застосовувати біля 100 років тому, застосовуючи з цією метою спочатку рідке повітря, потім тверду вуглекислоту, а зараз – рідкий азот. Застосування холода для лікування називається кріовпливом.

В фізіотерапії застосовують процедури місцевого та загального впливу. Розрізняють:

-помірнонизькі (біля 0⁰);

-низькі (до -15 - -20⁰);

-наднизькі (до -110 - -160⁰) температури лікувальних впливів.

Для лікування холодом помірно низьких температур застосовують колотий лід, вміщений в гумовий мішечок, ватно – марлеві прокладки, змочені водою і поміщені в морозильник, спеціальні пластикові мішечки з кріогелем, низька температура яких обумовлена хімічними реакціями, а також напівпровідниковими кріо – аплікаторами. Місцеві холодові процедури звужують поверхневі та глибокі артеріальні і венозні судини, спричиняють анестезію поверхневих рецепторів, що веде до рефлекторного зменшення порога збудливості глибоко розташованих нервових рецепторів. Таким чином, відбувається обмеження запального процесу, зупинка кровотечі, поверхнева та глибока анестезія, зменшення всмоктування токсичних речовин із запального вогнища, набряків. Локальне охолодження проводиться 20 – 30 хвилин.

Для локального охолодження низькими температурами застосовують різні гіпотермічні апарати («Іней – 1», «Холод», «Норд – 1», «Ятрань»), у яких на охолоджувальній головці створюється температура -5 - -10⁰С. В інших апаратах для локальної кріотерапії (на хребет, на суглоб) генерується сухе холодне повітря -40 - -60⁰, а установка «Кріо Джет» (Германія) подає на ділянку тіла сухе повітря температурою -30⁰. Короткочасність дії (10 – 15 хв.) виключає обмороження.

Для загальної дії наднизьких температур застосовуються установки загальної аерокріотерапії, в яких охолодження до -160 - -170⁰С здійснюється за допомогою азото – повітряної суміші. Наприклад, в камері кріосауни «Кріо – Спейс» на людину діє протягом 2 – 3,5 хвилин потік сухого повітря температурою -60 - -120⁰С. Кріотерапія забезпечує інтенсивну стимуляцію імунної і ендокринної систем, викликає насичення крові ендорфінами, на декілька годин блокує біль. Лікувальну дію вона здійснює на весь організм, але інтенсивність і довжина дії напряму зв’язані з площею контакту між тілом і охолоджуючим газом.

Після відкриття того факту, що холод руйнує тканини організму, його стали широко застосовувати в хірургії, гінекології, нейрохірургії. Під дією низьких температур відбувається кріонекроз тканин з послідуючим безкровним відторгненням її протягом 2 – 3 тижднів. Наприклад, на

На піднебінні мигдалики діють кріоаплікатором з застосуванням рідкого азоту, що забезпечує температуру -196⁰С. Мигдалики замерзають до зледеніння, біліють, становляться твердими, некротизуються. Омертвілі тканини протягом 2 – 3 тижнів відторгаються безболісно і безкровно. Операція проводиться під місцевим наркозом у сидячому положенні хворого. Вона називається тонзилотомія.

Кріовплив застосовується при доброякісних пухлинах носа, гортані, слухового проходу, середнього вуха тощо, для лікування шкірних захворювань і захворювань слизової оболонки (бородавках, папіломах, судинних пухлинах) і багатьох інших захворюваннях.

Кріохірургія застосовує заморожування пухлин, вводячи рідкий азот в саму пухлину при температурах -190⁰С. Наприклад, британські лікарі через надріз в грудній стінці вводять рідкий азот в пухлину в легені. Пухлина замерзає, перетворюючись на льодяну кульку. Потім протягом 3 – 6 місяців вона розпадається, не надаючи шкоди пацієнту. Метод малоінвазивний, пацієнти можуть залишити клініку на четвертий день після операції.

Термографія.

Озн. Термографія -це реєстрація теплового випромінювання від різних ділянок тіла з діагностичною метою.

У здорової людини розподіл t по тілу достатньо стандартний.Запальні процеси,пухлини змінюють t окремих ділянок,а значить і інтенсивність інфрачервоного випромінювання.

Прилад для проведення термографії називається тепловізор.

Датчик тепловізора знаходиться на відстані 10-70см від тіла і розрізняє температуру до 0,01 С. В комплекс входить комп’ютер для обробки зображень, температурні показники переводяться в кольорові.

Теплобачення застосовується для візуалізації кровопостачання кінцівок. В онкології: клітини пухлин в результаті підвищеного метаболізму виділяють більше тепла, тому термографія діагностує їх раніше за інші методи (молочна залоза, метастази).

Термографію застосовують при діагностиці запальних процесів внутрішніх органів (нирок, жовчного міхура, підшлункової залози), при судинних порушеннях (судинна недостатність при атеросклерозі) тощо.

Практичні завдання.

1.За алгоритмом виконати вимірювання температури заданим способом.

Контрольні запитання.

1.Сформулюйте закон Віна і закон Стефана – Больцмана. На яку довжину хвилі приходиться максимум випромінювання тіла людини?

2.Що таке терморегуляція людського організму? Назвіть шляхи фізичної терморегуляції.

3.Охарактеризуйте розподіл температури в тілі людини. Від чого залежить температура людини?

4.Які ви знаєте медичні термометри?

5.Розкажіть про сучасні напрями у розвитку кріомедицини.

6 Що таке термографія і навіщо вона застосовується?

7.Які властивості інфрачервоного випромінювання ви знаєте?

8.Які методи вимірювання температури вам відомі?

Самостійна робота №12.

Тема: «Кріомедицина та напрями її розвитку».

Література: Є.М.Панасюк та ін. «Фізіотерапія», ст.152 – 155.

Питання.

1.Прочитайте за підручником Є.М.Панасюка рекомендовану статтю. Випишіть три місцеві дії гарячих процедур і три фази реакції організму на холодові процедури.

2.Що таке кріовплив, випишіть три діапазони лікувальних впливів холодом і коротко охарактеризуйте кожний з них.

Теоретичні відомості.

Застосування сучасних напрямів розвитку кріомедицини.

В фізіотерапії застосовують процедури місцевого та загального впливу. Розрізняють:

-помірнонизькі (біля 0⁰);

-низькі (до -15 - -20⁰);

-наднизькі (до -110 - -160⁰) температури лікувальних впливів.

Самостійна робота №13.

Тема: «Нанотехнології та перспективи їх застосування в медицині».

Питання.

1.Поясніть, що таке нанотехнології.

2.Які два підходи існують в нанотехнологіях? Наведіть приклади (два і більше) в застосуванні кожного підходу.

3.Опишіть три приклади застосування нанотехнологій в медицині, біології чи фармації.

Теоретичні відомості.

Назва нової науки – нанотехнологія - утворилась в результаті добавлення до слова «технологія» префікса «нано», який означає зменшення масштаба вимірювань в мілліард разів: 1 нанометр (1 нм) складає одну мілліонну від міллметра, тобто 1 нм = 10^–9 м. Для того, щоб образно уявити цю величину, використаємо слідуюче порівняння: 1 нм приблизно в мілліон разів менше товщі сторінки шкільного підручника. Десять атомів водню, розташованих в один ряд, мають довжину 1 нм, и, що цікаво, молекула ДНК людини має діаметр рівно 1 нм.

К нанотехнологіям відносять процеси маніпуляції об’єктами, що мають розміри від 1 до 100 нм.

В нанотехнології взагалі існує тільки два підхода. Їх прийнято умовно називати «згори вниз» и «знизу вгору».

Перший підхід – «згори - вниз» оснований на зменшенні розмірів сировини або матеріалів до мікроскопічних параметрів. Так, наприклад, отримують напівпровідникові пристрої, обробляючи заготовки для них лазерними або рентгенівськими променями. Ці промені, проходячи через трафарет, створюють на вихідному матеріалі необхідну структуру чипа. Такий засіб нанотехнології називається фотолітографією (літографія – це отримання на матеріалі відтиску зображення, вирізаного на камені). Аналогом його може слугувати нанесення малюнку або напису на футболці. Різновидом даного засобу в наносвіті є імпрінт – літографія. В даному випадку на гумоподібний силикагельний полімер наносять узор за допомогоюзондових інструментів, який потім покривається молекулярними чорнилами. Відтиски такої «гумової печатки» можна робити на будь – якій поверхні (наприклад, для отримання комп’ютерних чипів наноскопічних розмірів).

В результаті отримують заплановану конфигурацію схеми. Розрізняюча здібність таких чипів (мінімальний размір його елементів) визначається довжиною хвилі лазера. Таким чином отримують схеми з розміром елементів до 100 нм.Цей подхід дозволяє отримати найбільш крупні матеріали и пристрої наносвіту.

Другий подхід нанотехнології – «снизу - вгору» полягає в тому, що необхідна конструкція здійснюється збиранням з елементів нижчого порядку (атомів, молекул, кластерів и т.п.). Для цього типу нанотехнологій застосовуються інструменти зондового сканування. Вони можуть рухати атоми або молекули по поверхні подложки, штовхаючи або піднімаючи їх. В цьому випадку зонд скануючого пристрою виступає в ролі своєрідного екскаватора або бульдозера наносвіту.

Основними засобами такого підходу в нанотехнологіях є: молекулярний синтез, самозбірка, наноскопічне вирощування кристалів и полімеризація.

Молекулярний синтез полягає в створенні молекул с зарані заданими властивостями шляхом їх збирання з молекулярних фрагментів або атомів. Таким чином виробляються медикаменти. Багато сучасних ліків, включами антибіотики нового покоління або знамениту віагру, є продуктами молекулярного синтеза. Молекулярний наноскопічний синтез розв’язує і питання пакування таких ліків в особливі молекулярні оболонки, що дозволяють доставляти ці ліки безпосередньо в уражені ділянки організму.

Самозбірка – це такий метод нанотехнологій, який оснований дібності атомів або молекул самодовільно збиратися в більш складні молекулярні структури.

Принцип самозбірки оснований на принципі міниімума енергії – постійному прагненні атомоів и молекул перейти на самый нижній з досяжних для них рівнів енергії. Якщо цього можна досягти, з’єднавшись з іншими молекулами, то вихідні молекули з’єднуються; якщо ж для цього треба змінити своє розташування в просторі, то вони переорієнтовуються.

Своєрідною моделлю до ілюстрації принципа найменшої енергії може слугувати древньогрецький миф про Сизифа, який з трудом піднімав камінь на вершину гори, а той знову скочувався, т.я. намагався зайняти наименший рівень енергії.

Іншою моделлю, що дає змогу наочно представити самозбірку, основану на орієнтації молекул в просторі, є поведінка компаса, який можна трясти, повертати, але стрілка його незмінно буде показувати на північ, мінімізуючи енергію закріпленого невеликого магніта відносно поля Землі. Щоб добитися такого положення, над стрелкою не треба виконувати ніякої роботы, вона робить це природньо. Методы самозбірки основані на ідеї створення наноскопічної сыровини з атомів і молекул, які, подібно стрілці компаса, природньо збираються в структури необхідного матеріала.

В живых организмах самосборка является основой процессов ассимиляции, т.е. процессов синтеза белков, жиров, углеводов, полинуклеотидов, необходимых конкретному живому организму. Структурирование и сборка биологических тканей происходят на атомно-молекулярном уровне, причем живые организмы осуществляют их с высокой эффективностью. Наносинтезу о таком приходится только мечтать. Тем не менее, наноконструкторы вводят определенные атомы или молекулы на поверхность подложки или на ранее собранную наноструктуру. Далее молекулы исходного наносырья ориентируются в пространстве, собираясь в определенную наноструктуру. Отпадает необходимость медленного и нудного конструирования такой структуры с помощью зондового инструмента. В этом и состоит преимущество самосборки.

В наш час за допомогою самозбірки можливо створення комп’ютерних запам’ятовуючих пристроїв. Вона також може застосовуватись для захисту поверхні від корозії або придання їй особливих властивостей, наприклад, як у тефлона, що застосовується для виготовлення посуду. За допомогою самосборки виготовлені дослідні зразки гідрофільного і гідрофобного стекол, які можуть знайти широке вживання, наприклад, в автомобілебудуванні, виробництві будівельних стекол, в оптиці.

Наноськопічеськоє вирощування кристалів – це такий метод нанотехнологій, при якому кристали можна вирощувати з розчину, використовуючи кристали-зародки (центри кристалізації). Кремнієві блоки, використовувані для створення мікрочіпів, виробляються саме такий чином. Цей метод можна використовувати для вирощування довгих, стержнеподобних вуглецевих нанотрубок або нанодротів з кремнію. Такі наноматеріали мають унікальні провідні властивості і використовуються в багатьох областях оптики і електроніки.

Полімеризація – це такий метод нанотехнологій, в основі якого лежить здобуття наноматеріалів у вигляді полімерів з вихідних мономерів за допомогою реакцій полімеризації або поліконденсації. Для його здійснення застосовують так звані генні машини, що дозволяють синтезувати різні фрагменти ДНК (їх називають олігонуклеотідамі від греч. «оligos» – небагато, трохи, на відміну від полінуклеотиду – цілої ДНК). Потім з цих фрагментів за допомогою все тих же генних машин конструюють матриці, необхідні для виробництва тієї або іншої речовини. Синтезовані шаблони ДНК вводяться в ДНК бактерій, які потім виробляють безліч копій потрібного білка. Це дозволяє ефективно будувати білкові фабрики для здобуття практично будь-якого вибраного протеїна. Прикладом практичного застосування даного метода нанотехнологій є отримання інсуліну для лікування діабета.

Класифікація і представники деяких груп наноматеріалів.

Нанопористі тверді речовини. Для їх здобуття використовують зол-гель технологію. У її основі лежить сушка дисперсних систем. Продуктами такої технології є наноматеріали, що містять оксиди металів (Аl2o3, V2o5, Fe2o3і ін.), які можуть застосовуватися як каталізатори, суперконденсатори, паливні елементи i ін.

Наночастки – це, наприклад, вже згадані вище олігонуклеотіди, вживані в генних машинах для створення ДНК по виробництву потрібного білка в промислових масштабах. Окрім цього, це частки носіїв, вживані для доставки ліків в задані точки організму.

Нанотрубки. Нанотрубки є абсолютно новою формою матеріалу. Розрізняють напівпровідникові і металеві нанотрубки. Найбільший інтерес представляють вуглецеві напівпровідникові нанотрубки, які мають форму крихітних циліндрів з діаметром від 0,5 до 10 нм і довжиною приблизно в 1 мкм. Одношарові вуглецеві нанотрубки можна уявити собі у вигляді згорнутого в рулон одного шару графіту (на відміну від фуллерена, молекула якого схожа на футбольний м'яч, утворений з одного уявити собі у вигляді згорнутого в рулон одного шару графіту).

(При розгляді нанотрубок вчителеві буде доречно нагадати про явище алотропії і особливо про чотири аллотропних модифікації вуглецю: алмазі, графите, карбіне і фуллерене.)

Вуглецеві нанотрубки є подібною фуллерену кристалічну структуру, але зібрану в іншу форму, а тому що володіє іншими властивостями (недаремно деякі дослідники пропонують вважати нанотрубки ще однією модифікацією вуглецю). Вуглецеві нанотрубки здатні поглинати і утримувати водень у великих кількостях, тому є коштовним матеріалом для створення двигунів на водневому паливі і водневих батарей. Вуглецеві нанотрубки володіють напівпровідниковою здатністю. Використання їх дозволить прийти до низькотемпературних катодів, в яких напруга буде понижена до 500 В (на відміну від нині чинних телевізійних катодів, які працюють під напругою 10 кВ). Багатошарові нанотрубки мають високу межу міцності на розтягування, який може досягати 63 ГПа, що в 50–60 разів більше, ніж у високоякісних сталей. Тиск, який можуть витримувати такі трубки, досягає 100 ГПа, що в тисячі разів вище, ніж в традиційних волокон. Це дозволяє використовувати їх при виготовленні матеріалів для куленепробивних жилетів і стекол, а також для виробництва сейсмоустойчивих будівельних матеріалів. Вуглецеві нанотрубки мають дуже низьку щільність, що дозволяє отримувати з них високоміцні композиційні матеріали, потребу в яких випробовують військова і авіаційнно-космічна техніка, а також автомобілебудування. Вуглецеві нанотрубки володіють великою каталітичною активністю, тому можуть використовуватися для проведення таких хімічних реакцій, які в звичайних умовах неможливі, наприклад прямий синтез етилового спирту з синтезу-газу (суміші оксиду вуглецю і водню). Вживання нанотрубок як носій каталізатора визначається їх хімічною стійкістю і великою площею поверхні.

Нанодисперсії – дисперсні системи, в яких частки фази мають нанорозміри і розподілені в рідкому середовищі. Їх основне вживання – це контрольована доставка лікарських засобів в організм, а також виробництво сучасних косметичних матеріалів (засоби для загару, туші для вій, різні креми).

Наноструктурні поверхні і плівки. В першу чергу, це поверхні штучних і донорських органів, які покриті наноструктурними матеріалами, що дозволяють уникнути відторгнення органів, що імплантуються. • Нанокристали і нанозерна. Використовуючи методи колоїдної хімії, удалося отримати в нанокристалічній формі багато відомих матеріалів: напівпровідники, магнітні матеріали і тому подібне Використання таких кристалів в металургії дозволяє підвищити міцність і інші якості стали. З такої сталі виготовляють не лише тонші, але і міцніші труби, що витримують високий тиск, наприклад, в газопереробній і газотранспортній сферах. Нанокристали і нанозерна дозволяють обробляти поверхні з молекулярною точністю. Їх можна використовувати і в медицині для виготовлення протиракових препаратів нового покоління. Широкі можливості представляють нанозернисті матеріали для створення світловипромінюючих пристроїв з низьким енергоспоживанням, а також середовищ для магнітного запису з надвисокою швидкістю.

Нанотехнології в медицині.

Нанотехнології дозволяють створити матеріали з «молекулярним розпізнаванням» і організувати масове виробництво біодатчиків, здатних тривалий час здійснювати моніторинг за організмом людини, що дасть можливість проводити ранню діагностику деяких захворювань. Крім цього, існує перспектива використання для діагностики та лікування захворювань особливих наноскопічних пристроїв, так званих нанороботів. Введені в організм людини, вони зможуть очистити судини від атеросклеротичних відкладень, знищити молоді ракові пухлини, виправити пошкоджені молекули ДНК, провести повну діагностику, доставити ліки до конкретних органів і навіть клітин та ін Створення і вдосконалення так званих ДНК-чипів дозволить легко здійснювати аналіз генетичної інформації окремо взятої людини і проводити лікувальний курс на основі створення індивідуальних лікарських засобів відповідно з цією інформацією.

Застосування нанотехнологій дає можливість отримувати нові біоматеріали і штучні функціональні полімери - замінники тканин людини. За допомогою нанотехнологій створюються наноінструменти і наноманіпулятори, використовувані в медицині. Так, вже з’явилися нанопінцет і наноголки. Наприклад, для виготовлення нанопінцету застосовуються дві вуглецеві нанотрубки діаметром в 50 нм, розташовані паралельно на підкладці зі скляного волокна. Ці трубки сходяться і розходяться при подачі на них напруги, імітуючи пінцет. Японці створили нанопінцет, довжина якого всього 3 нм, що дозволяє маніпулювати окремими молекулами. Вітчизняні вчені з Новосибірська запропонували свої наноінструменти - наноголки, здатні виконувати ін’єкції всередину клітин. Нанотехнології дозволять також організувати виробництво біологічно активних речовин методами самозбірки. Для вирішення цієї проблеми нанотехнологи особливу увагу приділяють ембріональним стовбуровим клітинам, які здатні перетворитися на клітини різних органів людини (нервові, епітеліальні, клітини печінки і т.д.). Процеси перетворення стовбурових клітин пов’язані з механізмами самозбірки клітинних структур. Використання стовбурових клітин допоможе провести заміну пошкоджених органів і частковий «ремонт» пошкоджених ділянок.

Біотехнологія.

У початковому значенні біотехнологією називалося використання методів синтезу ДНК для отримання певних білків на нанорівні. У ролі «фабрик» білкового виробництва виступали бактерії кишкової палички, у якої замінювали фрагмент ДНК на ділянку, необхідну для синтезу конкретного білка. Найбільш яскравими прикладами подібного конструювання є отримання інсуліну, фактора росту організму (соматотропіну) і фактора VIII (або фактора коагуляції, що викликає згортання крові і використовується при гемофілії), які широко використовуються в медицині.

Сільське господарство.

По даними ООН в даний час на Землі проживає близько 7 млрд людей, а за прогнозами до 2050 р. населення планети може досягти 100 млрд осіб. Вже зараз продовольча проблема є глобальною для людства. Будь хто може спостерігати за ростом цін на продукти харчування з дня на день. Рішення продовольчої проблеми людства залежить, в першу чергу, від широкого застосування генної інженерії та біотехнології для створення сортів рослин з підвищеною врожайністю і поживною цінністю, а також у створенні високопродуктивних порід тварин і штамів мікроорганізмів. Наноінструменти і ферментативні методики, застосовані в біотехнології та генній інженерії, дозволяють вирішувати ці завдання більш швидкими темпами. Так, бурхливо еволюціонує виробництво все нових сортів добре відомої кожному генно-модифікованої сої. Традиційні сорти помідорів, картоплі, кукурудзи, гороху, пшениці, рису і т.д., а також екзотичних батату і папайї в сільськогосподарській практиці поступаються місцем створеним за допомогою генної інженерії сортам, стійким до будяків і шкідників, що мають підвищену врожайність.

Екологія.

За допомогою нанотехнології можна захистити навколишнє середовище від шкідливих впливів, пов’язаних з підвищенням температури атмосфери Землі, руйнуванням озонового шару, забрудненням середовища діоксином, кислотними дощами. Середня температура Землі тільки за 40 років минулого сторіччя зросла на 0,5 ° С. Прогнозується, що в новому сторіччі середня температура зросте ще на 3 ° С. Наслідки цього загрожують людству багатьма бідами: рівень світового океану підніметься на 65 см (будуть підтоплені прибережні території багатьох країн), відбудеться кардинальна зміна клімату, зміщення природних зон та ін. Нанотехнології надають можливість зменшити температурні впливи на атмосферу Землі за допомогою:

• пошуку альтернативних джерел енергії,

• вдосконалення сонячних батарей,

• зменшення вмісту оксиду вуглецю (IV) у вихлопних газах.

Руйнування озонового шару під впливом фреонів (холодоагентів, аерозолів) може призвести до значного зростання захворювань на рак шкіри та лейкемію. Тому перед нанотехнологіями стоїть завдання створення речовин і матеріалів, що заміняють фреони. Проблема забруднення середовища діоксином пов’язана з широким застосуванням хлорвмісних сполук (полівінілхлориду, хлорованих вуглеводнів і т.д.) в промислових цілях. За допомогою нанотехнологій синтезуються нові матеріали, здатні замінити хлорвміщуючі полімери; створюються біодатчики тривалого і точного моніторингу за довкіллям; виробляються нанопорошки для боротьби з забрудненнями навколишнього середовища, і, в першу чергу, з розливами нафти; конструюються нанофільтри, що дозволяють запобігати надходження діоксину та інших відходів у навколишнє середовище, в тому числі і викиди в неї оксидів сірки та азоту транспортними та промисловими установками. Для останньої мети важливу роль можуть зіграти і створені за допомогою нанотехнологій каталізатори та їх носії.

Дата добавления: 2015-09-03; просмотров: 1016 | Нарушение авторских прав

<== предыдущая страница	\|	следующая страница ==>
Лазери.	\|	Оптика.

mybiblioteka.su - 2015-2024 год. (0.028 сек.)