Навіть крихітні об’єкти можуть мати великий вплив: історія наночастинок золота

Коротко:

• Наночастинки золота мають унікальні властивості завдяки надзвичайно малому розміру.
• Їх використовують у медицині, електроніці, захисті довкілля, косметиці та харчовій промисловості.
• Науковці досліджують способи зробити наночастинки золота безпечнішими, розумнішими й кориснішими.

Чи знали ви, що деякі з найменших речей можуть виконувати найбільшу роботу? У цій статті ми зануримося у мікроскопічний світ наночастинок золота — надзвичайно малих частинок золота, яких не видно неозброєним оком, але які здатні змінювати світ! Уявіть щось настільки мале, що навіть якби апельсин був розміром із Землю, ці частинки все одно було б важко побачити. Наночастинки золота використовують у медицині, електроніці й навіть для захисту довкілля. Ви дізнаєтеся, як ці крихітні частинки золота допомагають лікарям спрямовано впливати на хвороби, покращують роботу електронних пристроїв і допомагають підтримувати чистоту повітря та води. Вони також роблять косметику й харчове паковання безпечнішими та ефективнішими. Тож розпочнімо нашу пригоду в маленькому, захопливому світі наночастинок золота й дізнаймося, як вони впливають на різні сфери нашого життя!

Чи знаєте ви, що означає «нано»?

Чи важко уявити, що одна крихітна частинка матеріалу, настільки мала, що її не видно очима, може змінити світ? Золотом це можливо! У цій статті ми дослідимо дивовижний світ наночастинок золота, дізнаємося, що це таке і як їх використовують у повсякденному житті. Але спочатку: чи знаєте ви, що означає «нано»?

«Нано» означає «надзвичайно малий». Наскільки малий? Уявіть щось настільки крихітне, що навіть якби апельсин був розміром із Землю, наночастинки все одно було б важко побачити. Ось які маленькі нанооб’єкти!

Якщо вам зручніше мислити числами, об’єкт нанорозміру приблизно у 100 000 разів менший за товщину однієї волосини на голові. Гратися з нанорозмірними об’єктами — це наче складати найдрібніші деталі конструктора. Створюючи щось із таких мікроскопічних частинок, можна отримувати речі, яких раніше не існувало. Такий захопливий спосіб конструювання називають роботою в наномасштабі.

То чому науковці досліджують наночастинки золота? Ці надзвичайно малі об’єкти мають дивовижні й унікальні властивості. Оскільки наночастинки золота дуже малі, більша частина їхніх атомів розташована на поверхні, а не прихована всередині. Тому вони легше взаємодіють із навколишнім світом. Наночастинки золота можуть робити те, на що нездатні великі об’єкти. Наприклад, вони допомагають створювати абсолютно нові типи батарей і сонячних елементів, які працюють краще, ніж будь-коли раніше. Наночастинки золота — одні з найцікавіших і найважливіших крихітних об’єктів у світі нанотехнологій.

Історія наночастинок золота

Люди використовували наночастинки золота дуже давно, хоча й не знали про це. Багато століть тому особлива чаша, відома як чаша Лікурга, могла змінювати колір, оскільки містила крихітні частинки золота та срібла (рисунок 1).

Прекрасні кольори вітражів у старовинних церквах також створювали за допомогою наночастинок золота. У 1957 році Майкл Фарадей уперше виявив, що наночастинки золота можуть незвичайним чином взаємодіяти зі світлом, коли синтезував дуже малі частинки золота, суспендовані в рідині. У міру розвитку нанотехнологій у 1980-х роках наночастинки золота привернули увагу, що призвело до значного розширення їх застосування. Дослідження наночастинок золота почалися на початку XXI століття й привели до багатьох способів використання, які ми розглянемо далі в цій статті. Упродовж століть наночастинки золота відігравали важливу роль у розширенні людських знань, а дослідження й далі розкривають можливості їх застосування в різних галузях [1].

Звичайне золото та наночастинки золота

Звичайне золото, наприклад те, з якого виготовляють прикраси, — це блискучий жовтий метал, який має велику густину й плавиться за дуже високої температури. Воно добре проводить електричний струм і нелегко вступає в реакції з іншими хімічними речовинами, а отже, не іржавіє й не тьмяніє. Жодна рідина не може його розчинити, крім царської горілки — розчину нітратної та хлоридної кислот. Упродовж століть звичайне золото високо цінували й широко використовували в різних галузях завдяки цим властивостям. Його блиск, рідкісність і стійкість до корозії роблять золото популярним матеріалом для прикрас і оздоблення. Висока електропровідність золота та стійкість до іржавіння роблять його придатним для роз’ємів, перемикачів та інших електронних компонентів. Крім того, люди й уряди цінують золото, оскільки його можна зберігати як багатство та використовувати для підтримки державних фінансових резервів.

Наночастинки золота мають надзвичайно цікаві властивості, завдяки яким вони цінні для широкого спектра застосувань, зокрема в різних наукових і технологічних галузях [2]. Здатність наночастинок золота проводити електричний струм робить їх корисними для створення крихітних електронних компонентів у багатьох пристроях, таких як iPad, мобільні телефони та комп’ютери. Крім того, здатність наночастинок золота змінювати колір є чудовим індикатором, який дає змогу дослідникам відстежувати реакції та зміни. Наночастинки золота взаємодіють зі світлом завдяки поверхневому плазмонному резонансу. Це означає, що золото в наночастинковому розмірі може мати червоний, фіолетовий або навіть синій вигляд залежно від розміру частинок, як показано на рисунку 2. Нарешті, наночастинки золота можуть пришвидшувати деякі хімічні реакції, тому їх використовують, наприклад, у паливних елементах, де потрібно видаляти чадний газ.

Як отримують наночастинки золота?

Створити наночастинки золота досить просто. Їх можна виготовляти фізичними, біологічними та хімічними методами. До фізичних методів належить лазерна абляція — процес, під час якого дуже потужний лазерний промінь спрямовують на шматок золота, занурений у рідину. Лазер відриває від нього крихітні частинки золота, які стають наночастинками.

Щодо біологічних методів, то науковці можуть використовувати рослини, бактерії або водорості, щоб перетворити сіль золота — хімічні сполуки, які містять атоми золота, змішані з атомами інших елементів, — на крихітні частинки золота. Один із найпростіших способів виготовлення наночастинок золота — хімічний метод, за якого певна речовина за контрольованих умов перетворює розчинене золото на дрібні частинки золота.

Наночастинки золота в нашому житті

Окрім описаних способів використання, тепер ми розглянемо інші дивовижні застосування наночастинок золота в нанотехнологіях (рисунок 3):

Діагностика та доставка ліків

Наночастинки золота роблять дивовижні речі в медицині. Вони допомагають лікарям швидко виявляти й діагностувати серйозні захворювання, такі як рак і хвороби серця. Вони також можуть покращувати лікування, доставляючи ліки саме туди, де вони потрібні в організмі. Це допомагає позбавлятися уражених ділянок, не пошкоджуючи здорові [2]. Наприклад, наночастинки золота досліджують для лікування раку: їх можна використовувати для доставки лікування безпосередньо до пухлини, не ушкоджуючи здорові клітини [3].

Наночастинки золота також є контрастними агентами — речовинами, які можуть покращувати якість зображення, — у різних методах медичної візуалізації, зокрема в комп’ютерній томографії та магнітно-резонансній томографії. Отже, наночастинки золота дають змогу раніше й точніше виявляти захворювання. Вони також можуть покращувати деякі інші медичні тести, допомагаючи знаходити крихітні ознаки хвороб. Те, що золото не взаємодіє з більшістю сполук, робить його нетоксичним для організму й відкриває значні можливості для медичного застосування, наприклад у зубних пломбах.

Захист довкілля

Наночастинки золота також можуть допомагати робити довкілля безпечнішим для людей і дикої природи! Науковці вбудовують золото в тест-смужки, фільтри або сенсори, де воно діє як попереджувальний сигнал або засіб очищення стічних вод і забрудненого повітря. Коли шкідливі забруднювачі з довкілля взаємодіють із наночастинками золота, вони можуть змінювати колір. Ця зміна кольору повідомляє науковцям про наявність забруднення. Оскільки наночастинки золота дуже малі, вони мають велику площу поверхні, до якої можуть прилипати інші молекули. Це допомагає захоплювати деякі забруднювачі, тому науковці досліджують використання наночастинок золота для очищення води та ліквідації наслідків розливів нафти.

Електроніка

Наночастинки золота також є чудовими помічниками в електроніці, допомагаючи нам розважатися й залишатися на зв’язку зі світом. Вони дуже добре проводять електричний струм, завдяки чому такі пристрої, як комп’ютери та смартфони, працюють швидше й краще. Щоб використовувати наночастинки золота в електроніці, їх змішують зі слабшими провідниками — міддю, нікелем, залізом або навіть вуглецевими матеріалами — або наносять на них покриття. Це може сприяти створенню пристроїв, які працюють краще й споживають менше енергії [2].

Косметика

Наночастинки золота є навіть у косметичних засобах! Вони допомагають загоювати шкірні рани й додаються до кремів, які надають шкірі молодшого вигляду та зменшують набряки. Такі чинники, як сонце й сигаретний дим, можуть пошкоджувати шкіру та спричиняти утворення небезпечних речовин, які називають активними формами кисню (АФК). Надмірна кількість активних форм кисню пошкоджує клітини, ДНК і білки, що призводить до старіння шкіри. Наночастинки золота можуть протидіяти впливу активних форм кисню, тому в складі косметики вони, можливо, допомагають захищати шкіру.

Харчова промисловість

Подібно до того, як наночастинки золота використовують для виявлення забруднення довкілля, дослідники застосовували їхню здатність змінювати колір для виявлення шкідливих хімічних речовин у молоці. Наночастинки золота також часто використовують у харчовому пакованні та як засоби для зберігання їжі, щоб допомагати зберігати продукти свіжими й безпечними завдяки швидкому виявленню плісняви або забруднення [4].

Антибактеріальні засоби

Наночастинки золота можуть боротися з бактеріями, тому їх використовують у повсякденних предметах, таких як обробні дошки, де вони допомагають зменшувати кількість мікробів. Науковці можуть підвищувати ефективність наночастинок золота, змінюючи їхній розмір або змішуючи їх з іншими матеріалами. Також їх можна використовувати для створення антибактеріальних ліків.

Пришвидшення хімічних реакцій

Наночастинки золота — чудові помічники в хімії. Вони пришвидшують реакції, не витрачаючись у процесі, що особливо корисно для швидшого й більш сталого виробництва певних хімічних речовин та інших продуктів на фабриках. Зелена хімія спрямована на захист довкілля. Якщо використовувати наночастинки золота для пришвидшення реакцій, вони часто можуть відбуватися екологічнішим способом — із меншими витратами енергії та меншою кількістю шкідливих хімічних речовин.

Чого ви навчилися?

У цій статті ви дізналися, наскільки корисними можуть бути крихітні частинки золота, які називають наночастинками золота, у багатьох сферах нашого життя. Вони допомагають лікарям лікувати хвороби, підтримувати чистоту довкілля, покращувати електроніку, удосконалювати засоби для догляду за шкірою, зберігати безпечність їжі й навіть знищувати мікроби. Науковці прагнуть зробити їх безпечнішими, розумнішими та кориснішими, удосконалюючи їхню форму й поєднуючи їх з іншими матеріалами. У майбутньому це може допомогти створити ще кращі інструменти для охорони здоров’я, енергетики та довкілля.