Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

1. История развития нанотехнологии

2. Получение наночастиц

3. Применение нанотехнологий

4. Использование нанотехнологий в пищевой промышленности

5. Продукты с использованием нанотехнологий

6. Классификация нанопродуктов

7. Безопасность наноматериалов

8. Заключение

9. Список литературы и электронных источников

1. История развития нанотехнологии

Область науки и техники, именуемая нанотехнологией, соответствующая терминология, появились сравнительно недавно.

1905 год. Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр. 1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты. 1959 год. Американский физик Ричард Фейнман впервые прочел лекцию на годичном собрании Американского физического общества, которая называлась "Полно игрушек на полу комнаты". Он обратил внимание на проблемы миниатюризации, которая в то время была актуальна и в физической электронике, и в машиностроении, и в информатике. Эта работа считается некоторыми основополагающей в нанотехнологии, но некоторые пункты этой лекции противоречат физическим законам.

1968 год. Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей.

1974 год. Японский физик Норио Танигучи на международной конференции по промышленному производству в Токио ввел в научный оборот слово "нанотехнологии". Танигучи использовал это слово для описания сверхтонкой обработки материалов с нанометровой точностью, предложил называть ним механизмы, размером менее одного микрона. При этом были рассмотрены не только механическая, но и ультразвуковая обработка, а также пучки различного рода (электронные, ионные и т.п.).

1982 год. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали специальный микроскоп для изучения объектов наномира. Ему дали обозначение СЗМ (Сканирующий зондовый микроскоп). Это открытие имело огромное значение для развития нанотехнологий, так как это был первый микроскоп, способный показывать отдельные атомы (СЗМ).

1985 год. Американский физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смэйли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр.

1986 год. Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрк Дрекслер, пионер молекулярной нанотехнологии, опубликовал книгу "Двигатели созидания", в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться, постулировал возможность использовать наноразмерные молекулы для синтеза больших молекул, но при этом глубоко отразил все технические проблемы, стоящие сейчас перед нанотехнологией

1989 год. Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.

1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.

1999 год. Американские физики Джеймс Тур и Марк Рид определили, что отдельная молекула способна вести себя так же, как молекулярные цепочки.

2000 год. Администрация США поддержала создание Национальной Инициативы в Области Нанотехнологии. Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено $500 млн.

2001 год. Марк Ратнер считает, что нанотехнологии стали частью жизни человечества именно в 2001 году. Тогда произошли два знаковых события: влиятельный научный журнал Science назвал нанотехнологии - "прорывом года", а влиятельный бизнес-журнал Forbes - "новой многообещающей идеей". Ныне по отношению к нанотехнологиям периодически употребляют выражение "новая промышленная революция".

2. Получение наночастиц

Наиболее общей кинетической закономерностью формирования наноразмерных частиц является сочетание высокой скорости зарождения кристаллической фазы с малой скоростью ее роста. Именно эти особенности синтеза наночастиц определяют технологические пути его осуществления.

Все методы получения наночастиц можно разделить на две большие группы. Первая объединяет способы, позволяющие получать и изучать наночастицы, но на основе этих методов трудно создавать новые материалы. Сюда можно отнести конденсацию при сверхнизких температурах, некоторые варианты химического, фотохимического и радиационного восстановления, лазерное испарение.

Вторая группа включает методы, позволяющие на основе наночастиц получать наноматериалы. Это в первую очередь различные варианты механохимического дробления, конденсация из газовой фазы, плазмохимические методы и др.

Такое разделение методов является относительно условным. Но отражает еще одну их особенность: получение частиц путем укрупнения отдельных атомов и агрегации, или подход «снизу», и различные варианты диспергирования, или подход «сверху». Первый подход характерен в основном для химических методов получения наноразмерных частиц, второй для физических методов. Получение наночастиц путем укрупнения атомов позволяет рассматривать единичные атомы как нижнюю границу нанохимии. Верхняя граница определяется количеством атомов в кластере, при котором дальнейшее увеличение размера частицы не ведет к качественным изменениям химических свойств.

3. Применение нанотехнологий

нанотехнология промышленность пищевой безопасность

Наночастицы открывают удивительный мир не столько в силу своих чрезвычайно малых размеров, - один нанометр в 50 000 раз меньше обыкновенного человеческого волоска, - а в силу своих необыкновенных свойств. Механических, физических, тепловых, оптических, электрических, химических. Мир нанотехнологий выходит за рамки известных нам законов классической физики, даже таких, как широко известные законы гравитации и скорости.

Оказывается, нанотехнологии , уже давно входят в повседневный быт и завоевывают все более широкие области практического применения, особенно в медицине. В лабораториях сейчас идет работа над производством быстрых и дешевых систем диагностики - мини-лабораторий, мини-чипов и даже миниатюрных наборов для личного пользования. Ученые работают и над «умными» лекарствами, которые наночастицы будут доставлять в целости и сохранности только в больной орган, минуя здоровые; над способами восстановления поврежденной или разрушенной ткани; над суперсовременной медицинской томографией с применением молекулярных маркеров на основе светящихся наночастиц; над новой методикой имплантации без отторжения, массовой вакцинации, лечения рака, диабета, артроза.

Применение нанотехнологий в бытовой технике понятно, достаточно оглянуться вокруг, чтобы понять, что нанотехнологии уже существенным образом изменили нашу жизнь и это только начало процесса. Так, на их основе можно, например, изготовить велосипедную раму в 100 раз более прочную, чем из стали и при этом в шесть раз более легкую. Не стоит даже говорить, какие выгоды это сулит для автомобилестроения.

Без нанотехнологий уже немыслима современная электроника: жесткие диски компьютеров, мобильные телефоны, плейеры и многое другое, без них трудно представить даже тормозную систему современных автомашин или автомобильные шины. В косметике они помогают получить нанокомплексы, которые свободно проникают в глубокие слои кожи и переносят активные вещества до самой клетки. Домохозяйкам они помогают увеличить срок хранения продуктов и получить любой вкус продукта «по заказу». Большинство нанотехнологий находятся пока в стадии разработки или испытаний. Одновременно они оказались в центре оживленной полемики относительно, прежде всего, опасностей, которые могут представлять для окружающей среды, человека и прав человека.

4. Использование нанотехнологий в пищевой промышленности

Сельское хозяйство

Препараты пестицидов и удобрений

Производство пищи

• Нанодиспергированные и наноинкапсулированные компоненты для функциональных продуктов питания

• Биологически активные добавки к пище

• Пищевые добавки с улучшенными функциональными свойствами:

– Наноконсерванты

– Средства улучшения вкусовых характеристик

– Анти-бактериальные покрытия

• Нанофильтрация

• Наносенсоры

Хранение пищи

• Защитные аэрозоли

• Упаковочные материалы

• Наносенсоры

ПИЩЕВЫЕ ПРОДУКТЫ:

• использование наноматериалов для повышения биодоступности нутриентов

• встраивание биологически активных молекул в нанокапли для улучшения всасывания

• использование сложных нанокристаллов целлюлозы в качестве носителей биологически активных веществ

• использование нанокапсулированных усилителей вкуса и аромата

• использование нанотрубок в качестве загустителей и гелеобразователей

• введение в виде нанокапсул стероидов растительного происхождения в пищевые продукты животного происхождения

СОЗДАНИЕ НОВЫХ ПРОДУКТОВ И КОНТРОЛЬ ЗА БЕЗОПАСНОСТЬЮ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ:

• использование наноматериалов для доставки ДНК в клетки растений для целей генной инженерии

• иммобилизация антител на флуоресцентных наночастицах для обнаружения контаминантов химического происхождения и патогенных микроорганизмов

• использование биодеградирующих наносенсеров для контроля за температурой хранения и влажностью продуктов

• использование наноматериалов с целью селективного связывания и элиминации токсинов и патогенных микроорганизмов

Использование нанотехнологий в пищевой промышленности

Материалы: Наночастицы

• Наноэмульсии

• Наноструктурированные материалы

• Наноинкапсулированны материалы

Производство :

ТеплоНанобиотехнологии

• Молекулярный синтез

• массоперенос

• Наноструктурированные реакторы

• Нанофильтрация

Нанофильтрация

• Современный метод крупномасштабного фракционирования пищевого сырья, основанный на использовании полимерных мембран с диаметром пор ~1 нм и менее

• Позволяет проводить разделение с высокой селективностью смесей белков, коротких пептидов, сахаров, минеральных солей и воды

• Селективность нанофильтрационных мембран зависит от выбора условий разделения (рН, ионная сила) и может изменяться в широком диапазоне

• Продукция, подвергнутая фракционированию на нанофильтрационных мембранах, НЕ СОДЕРЖИТ искусственных наночастиц и может рассматриваться как традиционная с позиций показателей безопасности

Продукция:

• Наноструктурированные
пищевые добавки и БАД

• Системы доставки

• Упаковка

Безопасность:

• Наносенсоры

• Наноиндикаторы

• «Умная упаковка»

5.Продукты с использованием нанотехнологий

Примеры использования наноматериалов в пищевых производствах

• Mars Inc. US Patent US5741505 наноразмерные неорганические покрытия. Неорганические наноразмерные покрытия, наносимые непосредственно на пищевой продукт с целью получения барьера против влажности и окисления , позволяющего увеличить гарантийный срок хранения и (или) способствующего улучшению вкусовых свойств. Покровные материалы содержат двуокись кремния (E 551), окись магния (MgO, E 530) и двуокись титана (E 171). Используются при упаковке кондитерских изделий, каш быстрого приготовления, бисквитов, чипсов.

• BASF US Patent US5968251 Получение препаратов каротиноидов в форме порошков, растворимых в холодной воде, и использование новых каротиноидных пигментов, таких как наночастицы ликопена, обладающие разнообразными красящими свойствами и улучшенной биодоступностью. Область применения: безалкогольные напитки, смеси для выпечки и т.д.

Улучшенные нанокомпозиты - Полимерные композиты, содержащие наноматериалы для улучшение упаковочных свойств (гибкость, долговечность, устойчивость к повышенной температуре и влажности, барьерные свойства).

«Активные нанокомпозиты»- Полимерные композиты, содержащие наночастицы с антимикробными и антиокислительными свойствами.

«Умные» нанокомпозиты - Полимерные композиты, содержащие наносенсоры для контроля качества пищи

Биодеградируемые нанокомпозиты- Композиты, содержащие наноматериалы, способствующие биодеградации.

Примеры использования нанотехнологий в области производства пищевых продуктов и БАД

• Наноструктурированные ингредиенты и формы пищевых веществ (мицеллы, липосомы и др.)- Улучшение качества, текстуры, вкуса, меньшее количество жира. Улучшение биодоступности нутриентов и добавок

• Нанокапсулированные ингредиенты и добавки- Маскировка вкуса.Защита от деградации. Улучшение биодоступности

• Сконструированные наноразмерные добавки - Улучшение биодоступности. Антимикробная активность .Польза для здоровья.

Примеры использования нанотехнологий в области производства БАД к пище.

Продукт	Область применения
Активное низкоэруковое рапсовое масло	Основанные на NSSL наномицеллы для улучшения усвоения витаминов, минеральных веществ и биологически активных компонентов растительного происхождения
«Гидрогель Наноцевтик»	Заявленное свойство- снижение свободной поверхностной энергии воды с целью улучшения растворяющих свойств
«Наноцевтик» шоколад	Система нанокластеров, имеющая своей целью улучшение аромата шоколада
«Наноцевтик нанокластеры со спирулиной »	Биологически активная добавка, содержащая нанокластеры
Зеленый чай с нано-селеном	Заявлена улучшенная биодоступность селена
«Наноцевтик микрогидрин»	Наноколлоидный силикатный материал с заявленной способностью нейтрализовать свободные радикалы
Спреи с витаминными добавками	Неаэрозольный наноразмерный нутрицевтик, предназначенный для улучшения всасывания витаминов через барьеры слизистых оболочек
«Нутри-нано» коэнзим Q	Улучшение всасывания активного компонента (коэнзима Q) за счет образования водорастворимых наномицелл размером 30 нм
«Нано-кальций-магний»	Заявлено улучшение всасывания кальция и магния
«Наносилицио капселн»	Минеральные добавки кальция, магния и кремнезема в виде наночастиц
«Мезоцинк», «Мезотитан», «Мезосеребро», «Мезоплатина», «Мезопалладий», «Мезоиридий», «Мезозолото», «Мезомедь	Чистые минеральные вещества в коллоидной форме
“Maat Shop”	Наноразмерные частицы пищевых диатомовых водорослей
«Наноцевтик коллоидное серебро»	Коллоидное серебро

6. Классификация нанопродуктов

На основе анализа данных мировой литературы предложено классифицировать все пищевые наносистемы в виде двух категорий:

– водо- (жиро)растворимые (нанодисперсии витаминов, антиоксидантов, белковых препаратов)

– и водо- (жиро) нерастворимые (нанодисперсии глинистых минералов, серебра, селена, двуокиси титана, двуокиси кремния, оксидов цинка, железа и других переходных металлов, и т.д.).

• Определен и охарактеризован круг методов выявления, и разработаны подходы к количественному определению содержания наночастиц и наноматериалов основных классов в составе образцов продукции сельского хозяйства, пищевых продуктов и упаковочных материалов на основе методов атомно-силовой и электронной микроскопии. Определено, что основными методиками анализа будут методики технического контроля, определяющие:

– наличие наночастиц в образце

– размеры наночастиц

– концентрацию наночастиц, выраженную в количестве частиц в 1 мл или в 1 г пробы

Предлагаемая схема анализа

• Микрофильтрация образца

• Нанофильтрация

• Энзиматическое разложение осадка на фильтре и смыв органических компонентов

• Сушка фильтра с наночастицами на поверхности

• Подсчет числа частиц на единице поверхности фильтра при помощи АСМ или СЭМ (ПЭМ)

• Определение размеров и концентрации наночастиц

7. Безопасность наноматериалов

С учётом того, что в перспективе ожидается тесный контакт человека с наноматериалами, изучение вопросов потенциальных рисков их использования представляется первостепенной задачей.

• НЕБОЛЬШОЙ РАЗМЕР НАНОЧАСТИЦ

– Это позволяет им проникать через клеточные мембраны и возможно находиться внутри структуры ДНК или белка и, тем самым, изменять их функции.

– Наночастицы способны легко проницать через барьеры организма и накапливаться во внутренней среде

• БОЛЬШАЯ УДЕЛЬНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ НАНОМАТЕРИАЛОВ

(эффект повышения химического потенциала на межфазных границах высокой кривизны приводит к аномальному увеличению растворимости и реакционной способности веществ в составе наночастиц и, тем самым, может приводить к увеличению токсичности)

ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ТОКСИЧНОСТЬ НАНОМАТЕРИАЛОВ

ПОВЕРХНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

высокая реакционная способность наноматериалов может приводить к увеличению продукции свободных радикалов, которые ведут к повреждению ДНК

ОБЛЕГЧЕНИЕ ПРОНИКНОВЕНИЯ ДРУГИХ КОНТАМИНАНТОВ

возможно, что наноматериалы могут адсорбировать отдельные контаминанты и транспортировать их внутрь клетки, что резко увеличивает токсичность последних

МЕТАБОЛИЗМ

некоторые наночастицы с трудом распознаются и элиминируются клетками иммунной системы

НАКОПЛЕНИЕ В ОБЪЕКТАХ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

(возможно, что наноматериалы не метаболизируются микроорганизмами и не подвергаются процессам детоксикации, что ведет к их накоплению в растительном, животном или микробном организме и, тем самым, увеличивается их поступление по пищевой цепи в организм человека)

ОСОБЕННОСТИ ОЦЕНКИ РИСКА НАНОМАТЕРИАЛОВ

• ТОКСИЧНОСТЬ НАНОМАТЕРИАЛОВ НЕ МОЖЕТ БЫТЬ ВЫВЕДЕНА ПО СРАВНЕНИЮ С ИХ АНАЛОГАМИ В МАКРОДИСПЕРСНОЙ ФОРМЕ ИЛИ В ВИДЕ СПЛОШНЫХ ФАЗ.

• ИМЕЮЩИЕСЯ ТОКСИКОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДОЛОГИИ ОСНОВАНЫ НА ОПРЕДЕЛЕНИИ ТОКСИЧНОСТИ ВЕЩЕСТВА ОТНОСИТЕЛЬНО МАССОВОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ. ДЛЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ ОПРЕДЕЛЯЮЩИМ БУДЕТ ВЕЛИЧИНА ПЛОЩАДИ ПОВЕРХНОСТИ И ЧИСЛО НАНОЧАСТИЦ.

• ОТСУТСТВУЮТ СТАНДАРТИЗОВАННЫЕ ИНДИКАТОРЫ ТОКСИЧНОСТИ.

• ОТСУТСТВУЮТ ДАННЫЕ ОБ ОРГАНАХ-МИШЕНЯХ НАНОМАТЕРИАЛОВ.

• МЕТОДЫ ВЫЯВЛЕНИЯ, ИДЕНТИФИКАЦИИ И КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ В ОБЪЕКТАХ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТАХ, КОТОРЫЕ МОГЛИ БЫ ДОСТОВЕРНО ОТЛИЧИТЬ ИХ ОТ ХИМИЧЕСКИХ АНАЛОГОВ В МАКРОДИСПЕРСНОЙ ФАЗЕ, НЕ ДОСТАТОЧНО РАЗРАБОТАНЫ.

ОСНОВНЫЕ КРИТИЧЕСКИЕ ТОЧКИ В ОЦЕНКЕ БЕЗОПАСНОСТИ НАНОМАТЕРИАЛОВ

• - РАЗРАБОТКА ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ МЕТОДОВ ОБНАРУЖЕНИЯ, ИДЕНТИФИКАЦИИ И КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ В ОБЪЕКТАХ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ, ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТАХ И БИОЛОГИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ

• - ПРОНИЦАЕМОСТЬ БИОМЕМБРАН

• - ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С БЕЛКАМИ, ЛИПИДАМИ, НУКЛЕИНОВЫМИ КИСЛОТАМИ, ВИТАМИНАМИ (ДНК, РНК, клеточные мембраны, рибосомы, ферменты, цитохромы семейства Р 450)

• - ВЛИЯНИЕ НА СИСТЕМУ АПОПТОЗА

• - ГЕНОТОКСИЧНОСТЬ

• - ОРГАНОСПЕЦИФИЧНОСТЬ

• - АДСОРБЦИЯ КОНТАМИНАНТОВ И УЛУЧШЕНИЕ ИХ ПРОНИКНОВЕНИЯ ВО ВНУТРЕННЮЮ СРЕДУ ОРГАНИЗМА

Объекты контроля нанобиобезопасности:

Материалы: Наноматериалы, мигрирующие из пищевой упаковки

Производство: Наночастицы, образующиеся в ходе производственного цикла

Продукция: Токсичные наночастицы-контаминанты природной среды

Безопасность: Наноматериалы «двойного назначения» Системы сбора информации, применимые в промышленном шпионаже.

8. Заключение

С наступлением нового тысячелетия началась эра нанотехнологии. Стремительное развитие нового нано оборудования, с одной стороны, будет стимулировать исследования в области нанотехнологий, с другой стороны, облегчит конструирование наномашин. Таким образом, нанотехнология будет быстро развиваться в течение последующих десятилетий.

Создание нанотехнологической промышленности будущего даст человечеству принципиально новый способ экологически чистого "выращивания" продуктов из атомов и молекул, что поможет решить проблему экологического и энергетического кризиса. А развитие таких технологий, особенно на начальном этапе, не рыночно, ибо требуют больших затрат на образование, научные исследования и их техническую реализацию.

Перспективы нанотехнологической отрасли поистине грандиозны. Нанотехнологии кардинальным образом изменят все сферы жизни человека. На их основе могут быть созданы товары и продукты, применение которых позволит революционизировать целые отрасли экономики. Джош Волфе\Josh Wolfe, редактор аналитического отчета Forbes/Wolfe Nanotech Report, пишет: "Мир будет просто построен заново. Нанотехнология потрясет все на планете".

9. Список использованной литературы

1. Виктор Балабанов.Нанотехнологии. Наука будущего М.: Эксмо, 2009 г. 256 стр.

3. Рыбалкина М. М.: Нанотехнологии для всех. Nanotechnology News Network, 2005. - 444 с.

4. Мальцева П. П. Нанотехнологии. Наноматериалы. Наносистемная техника. Мировые достижения - 2008 год [] : сборник / под ред. П. П. Мальцева. - М. : Техносфера, 2008. - 432 с. : цв.ил. - (Мир материалов и технологий). - 369.00

5. Старостин, В. В. Материалы и методы нанотехнологии: учебное пособие / В. В. Старостин ; под общ. ред. Л. Н. Петрикеева. - М. : Бином. Лабораторий знаний, 2008. - 431 с.

6. Суздалев. И П. Нанотехнология М.--Комкнига, 2006 -- 592 стр.

7. Пул-мл., Ч. Нанотехнологии [] : учебное пособие / Ч. Пул, Ф. Оуэнс. - Изд. 4-е, испр. и доп. - М. : Техносфера, 2009. - 335 стр.

10. http://www.nanosvit.com/publ/15-1-0-121

12. http://www.starenie.ru/texnologii/nanotex.php

13. http://nano.msu.ru/

14. http://nanomedicine.ru/

15. Научные работы НИИ питания РАМН

16. nano-union.ru

Размещено на Allbest.ru

...