Препараты для растений на основе наноматериалов

Термин "нано" произошел от греческого слова "nanos", что означает "карлик". При помощи этого слова стали называть новую эру в развитии технологий, нередко именуемую четвертой промышленной революцией [1]. Нанонаука (НН)— это изучение явлений и объектов на атомарном, молекулярном и макромолекулярном уровнях. Их характеристики во многом отличаются от свойств их макроаналогов. “Именно в наноразмерном интервале происходит изменение характера физических и химических взаимодействий, причем происходит это именно на том же участке размерной шкалы, где проходит граница между живой и неживой природой” (рис. 1) [2]. Сложно осознать подобные величины. Нанометр - это одна миллиардная метра (1 нм = 10–9 м): в десять раз больше диаметра атома водорода. Вот два наглядных примера: диаметр человеческого волоса составляет в среднем 80 000 нанометров, лист газеты имеет толщину около 100 000 нанометров.

Рис.1 - Шкала размеров, примерные величины различных объектов и методы их визуализации. (Изображение: "Экология и жизнь")

Следует отметить, что НН и НТ ученые разделяют в отдельные научные области. Нанотехнология - это область исследований и инноваций, связанная с созданием материалов, устройств и систем в масштабе атомов и молекул. Идеи и концепции, лежащие в основе нанонауки и нанотехнологий, начались с выступления Лауреата Нобелевской премии по физике Ричарда Фи́ллипса Фейнмана. Задолго до того, как был использован термин "нанотехнология", 29 декабря 1959 года на ежегодной встрече Американского физического общества в Калифорнийском технологическом институте была прочитана лекция под названием «Внизу много места: приглашение войти в новую область физики» («There's Plenty of Room at the Bottom: An Invitation to Enter a New Field of Physics»). В своем выступлении Фейнман описал процесс, в ходе которого ученые смогут манипулировать и контролировать отдельными атомами и молекулами. Более десяти лет спустя в своих исследованиях сверхточной ультрапрецизионной (с микронной точностью) обработки материалов профессор Норио Танигути ввел термин "нанотехнология". А с появлением таких необходимых инструментов, как сканирующий туннельный микроскоп (Г. Бинниг и Г. Рорер , 1981 г.) и атомно-силовой микроскоп (Г. Бинниг, К. Куэйт и К. Гербер 1982 г.), исследователи начали "видеть" отдельные атомы. Обобщая вышеизложенный материал, можно придти к следующему выводу. На рубеже XX - XXI веков наука вступила в новую эру - эру нанотехнологий.
1.2. Наноматериалы. Классификация наноматериалов
Американский ученый Г. Глейтер первым начал заниматься наноматериалами (НМ) и сформулировал концепцию их создания (серия работ 1981–1986 гг.) [3]. Он ввел термин «нанокристаллические», «наноструктурные», «нанофазные» и «нанокомпозитные» структуры и обосновал изменения свойств твердых тел в зависимости от многочисленных поверхностей раздела в наноматериалах. Итак, НМ – это материалы, которые содержат структурные элементы, геометрические размеры которых, хотя бы в одном измерении, не превышают 100 нм. Они обладают качественно новыми функциональными и эксплуатационными свойствами. С приближением к атомарному масштабу сильно возрастает удельная поверхность материалов (суммарная площадь поверхности, деленная на массу), увеличивается роль квантово-механических эффектов. Очень часто именно они определяют новые, такие необыкновенные и часто неожиданные свойства наноструктурированных материалов [4]. В наноразмере существенно возрастает способность веществ вступать в химические реакции. Также значительно изменяются оптические свойства веществ, повышается прочность материала, супергидрофобные (водоотталкивающие) или суперолеофобные (маслоотталкивающие) свойства и т.д. [5] . Еще одним важным событием в истории НТ явилось открытие в середине 80-х — начале 90-х годов ХХ века наноструктур углерода: фуллеренов (рис.2) и углеродных нанотрубок (рис. 3(а, б), а также открытие уже в XXI веке способа получения графена (сверхтонкой углеродной нанопленки) (рис.4).

Рис. 2 - Схематическое изображение молекулы фуллерен C60
а б
Рис. 3 - Схематическое изображение однослойной углеродной нанотрубки (а) и многостенной углеродной нанотрубки (б)


Рис. 4 - Схематическое изображение гексагональной двумерной кристаллической решетки графена.

Методы нанопроизводства постоянно совершенствуются. В НТ применяются два принципиально разных подхода к обработке вещества и созданию наноизделий и наноструктур: технологии «сверху - вниз» (top-down) и «снизу-вверх» (bottom-up) [6]. Подход «сверху-вниз» - это механическая или ионная обработка вещества с последовательным уменьшением размеров до требуемых (нанометровых) размеров. Наноструктура создается в объемном материале, как это принято в классических технологиях интегральных схем. К ним можно отнести фотолитографию и рентгенолитографию. Технология «снизу-вверх» заключается в том, что при создании наноструктур набирают и выстраивают отдельные атомы и молекулы в упорядоченную структуру. Этот подход осуществляется с помощью самосборки или некоторой последовательности каталитических химических реакций с участием углеродных нанотрубок, электропроводящих полимеров, биологических клеток и белковых структур (рис.5).

Рис. 5 - Принципы создания наноструктур

На сегодняшний день утвердилось несколько классификаций наноматериалов: по составу, по размерности, по структурным признакам, по форме, по размерности структурных элементов, по количественному содержанию наночастиц в материале, по критерию потенциальной опасности, по химическому составу, по способу получения, по области применения и т.д. [7, 8]. По материалам 7 Международной конференции по наноматериалам в Висбадене в 2004 году предложены следующие виды наноматериалов [9]: нанопороистые структуры (терморасширенный графит; наноструктурированный углерод, цианиты); наночастицы (частицы диаметром от 2 до 100 нм, состоящие из атомов); наночастицы (частицы диаметром от 2 до 100 нм, состоящие из атомов); нанотрубки и нановолокна (цилиндрические образования углеродных атомов диаметром от 0,5 до 10 нм и длиной несколько мкм); нанодисперсии (коллоиды, взвесь частиц размером от 1 до 1000 нм в органических или неорганических жидкостях); наноструктурированные поверхности и пленки (плоские наноструктуры толщиной в один или несколько атомов); нанокристаллы и нанокластеры (частицы упорядоченной структуры размером от 1 до 5 нм, содержащие до 1000 атомов). На рисунке 6 схематично представлена обобщенная классификация современных НМ.


Рис. 6 - Классификация наноматериалов
 
2. Перспективы использования нанотехнологий в сельском хозяйстве
На сельское хозяйство (СХ) приходится более 12% валового общественного продукта и выше 15% национального дохода Российской Федерации. Одной из главнейших задач развития СХ является обеспечение его устойчивого характера. Чему немало способствуют научно-технические факторы [10]. Классические инструменты, такие как экономичные сельхозмашины, высокопродуктивные сорта растений и породы животных, эффективные удобрения, рациональные агротехнические методы, не утратили своего значение, но все более и более исчерпывают свой потенциал. Им на помощь приходят инновационные инструменты, спутниковые и компьютерные технологии, не доступные ранее. Провозглашенные новой промышленной революцией и обладающие огромным потенциалом, НТ начинают проводить радикальные изменения в сельском хозяйстве. Разработка новых инструментов и оборудования, лечебных препаратов и пестицидов, удобрений и средств защиты растений на основе нанотехнологий может способствовать преодолению проблем, стоящих перед сельскохозяйственной отраслью. Некоторые из этих проблем включают в себя растущие угрозы сельскохозяйственному производству и рискам, связанным с заболеваниями животных и растений. Огромные надежды возлагаются на создание инновационных инструментов на основе НТ для быстрого обнаружения заболеваний, улучшения способности растений поглощать питательные вещества, разработке методик молекулярного лечения заболеваний и т.д. [11]. Процесс максимизации урожайности сельскохозяйственных культур и минимизации использования пестицидов, удобрений и гербицидов с помощью эффективных процедур мониторинга называется точным земледелием. Точное земледелие (ТЗ) использует приборы дистанционного зондирования, компьютеры и глобальные спутниковые системы для анализа различных условий окружающей среды с целью определения роста растений в этих условиях и выявления проблем, связанных с сельскохозяйственными культурами и средой их произрастания. ТЗ помогает определить развитие растений, состояние почвы, использование воды и химических веществ, удобрений и семян, а также контролировать загрязнение окружающей среды за счет сокращения сельскохозяйственных отходов [12]. Внедрение нанотехнологий в виде малых датчиков и устройств мониторинга создаст положительное влияние на будущее использование методик точного земледелия. Нанотехнологические системы помогут расширить использование автономных датчиков, связанных с системами GPS, обеспечат эффективный мониторинг роста сельскохозяйственных культур и состояния почвы. Внедрение интеллектуальных датчиков в ТЗ приведет к повышению производительности сельского хозяйства за счет предоставления фермерам достоверной информации, позволяющей им принимать точные решения, связанные с ростом растений и пригодностью почвы. В растениеводстве - это датчики воздуха и почвы, в животноводстве — температурные датчики, датчики движения, позволяющие в режиме реального времени зафиксировать и проанализировать ситуацию на полях или внутри помещений. В России такие датчики были разработаны в 2013 году, в 2015 – 2016 годах – проинвестированы и запущены в производство. Датчики телематики на сельскохозяйственных машинах и устройствах (тракторах, комбайнах и др.) позволяют предупреждать обслуживающий персонал о поломке. Научная технология получила обоснование в 2013 году, инвестиции — в 2016 году, а финансовую жизнеспособность в 2017 году. Датчики урожайности помогают дифференцированно вносить удобрения и мониторить состояние посевов по всем площадям, например, при помощи ИК света. Инновацию научно обосновали в 2015 году, а в 2018 году - стала мейнстримом. Ведутся исследования по датчикам работоспособности . Они нужны для обнаружения вибраций и общего состояния материалов в сельхоз инфраструктуре. Такая технология даст возможность напрямую отправлять необходимую информацию в организации по техобслуживанию [13]. Сегодня в сельском хозяйстве существует множество нормативных ограничений на пестициды. Пестициды, такие как ДДТ, вызывают чрезвычайную экологическую опасность.