Наночастицы + Ученые

Эта красивая иллюстрация не только демонстрирует эстетическую сторону науки на наноуровне, но и отражает суть нового масштабируемого метода выравнивания BNNT в водных дисперсиях с использованием доступного поверхностно-активного вещества (ПАВ) — натрия дезоксихолата (SDC), который является желчным солевым ПАВ. Это открытие открывает перспективы создания новых материалов для аэрокосмической отрасли, электроники и других сфер.

По словам профессора Маттео Паскуали, ведущего автора исследования, работа представляет большой фундаментальный интерес, поскольку демонстрирует возможность использования BNNT в качестве модельной системы для изучения инновационных нанопалочных жидких кристаллов. Главное преимущество BNNT заключается в их относительной прозрачности и хорошей излучаемости с помощью видимого света, в отличие от углеродных нанотрубок, которые образуют тёмные жидкие кристаллы и сложны для наблюдения световой микроскопией.

Для первого автора, Джо Хури, исследование стало больше, чем просто научной работой. Обучавшийся архитектуре в Сирии, а затем переключившийся на химическую инженерию после переезда в США, он с художественным взглядом заметил важные детали. Во время обычного этапа очистки, наблюдая фильтрацию воды из дисперсии, он заметил, что оставшийся материал загустевает и под поляризованным светом начинает излучать свечение — признак формирования жидких кристаллов.

Воодушевившись этим наблюдением, исследователи предположили, что увеличение концентрации SDC может стимулировать самособирание BNNT в упорядоченные нематические фазы. Чтобы проверить гипотезу, они провели серию экспериментов с различными концентрациями SDC в дисперсиях BNNT. С помощью поляризационной микроскопии был визуализирован переход от хаотичных состояний к частично и полностью упорядоченным жидкокристаллическим фазам. Криогенная электронная микроскопия подтвердила высокое разрешение и выравнивание нанотрубок.

Ключевым достижением стало создание первой комплексной фазовой диаграммы BNNT в растворах ПАВ — прогностической карты, позволяющей предсказывать поведение BNNT при различных соотношениях компонентов. По словам Хури, ранее такие вопросы не исследовались так полно: предшествующие работы ограничивались низкими концентрациями BNNT или недостаточным количеством ПАВ. В их исследовании показано, что при правильном соотношении можно индуцировать жидкокристаллическое упорядочение без использования агрессивных химикатов и сложных методик.

Кроме изучения фазовых переходов, команда разработала простой и воспроизводимый способ преобразования дисперсий в тонкие, хорошо выровненные плёнки BNNT. Используя специализированный нож для сдвига материала на стеклянной подложке, они создали прозрачные и прочные плёнки, которые идеально подходят для теплового управления и усиления конструкций — например, для более лёгких и термостойких компонентов электроники или авиационной техники. Рентгеновская дифракция и электронная микроскопия подтвердили аккуратное наномасштабное ориентирование нитей.

Хури подчеркнул, что нематическая упорядоченность в растворе сохраняется и переносится в твёрдую фазу, что открывает масштабируемую платформу для материалов следующего поколения. Исследование прокладывает путь для новых разработок в области лизотропных жидких кристаллов на основе нанопалочек. Метод прост и не требует применения сильных кислот или жёстких условий, что делает его доступным для лабораторий по всему миру. Перспективы охватывают как фундаментальную физику, так и коммерческую инженерную практику.

Паскуали отметил, что это только начало. Благодаря созданной карте маршрута можно тонко настраивать выравнивание BNNT под конкретные задачи, создавая принципиально новый класс функциональных наноматериалов. Он также поделился, что красота полученных изображений завораживает: «Когда Джо прислал варианты для обложки, я почувствовал, словно смотрю на картины Дали или Ван Гога. Обложка могла бы быть башней Барад-дур из ‘Властелина колец’, исполненной в стиле сюрреализма.»

Хури выразил благодарность команде и наставникам, включая Паскуали; Анхеля Марти — профессора и заведующего кафедрой химии, профессора биоинженерии и материаловедения и наноинженерии в Райсе; Чеола Парка из космического центра NASA Langley; Линдси Скэммелл из BNNT LLC; Йешаяху Талмона из Техниона — Израильского технологического института и других, чья поддержка сделала это исследование возможным.

Под руководством Марка Коха из Института экспериментальной физики Технологического университета Граца (TU Graz) исследовательская группа впервые в режиме реального времени проследила процесс объединения отдельных атомов магния в кластер и выявила сопутствующие ему явления.

Для этого учёные предварительно изолировали атомы магния с помощью сверхтекучего гелия, а затем инициировали процесс формирования кластеров при помощи лазерного импульса. Наблюдения за образованием кластеров и связанной передачей энергии между отдельными атомами велись с фемтосекундным временным разрешением.

«Сверххолодильник» возвращает атомы в исходное состояние.

«Обычно атомы магния мгновенно формируют прочные связи, что лишает возможности зафиксировать определённую начальную конфигурацию для наблюдения процессов образования связей», — поясняет Кох.

Преодолеть эту сложность, характерную для исследований химических процессов в реальном времени, удалось благодаря проведению экспериментов в каплях сверхтекучего гелия. Эти капли выступают в роли сверхохлаждённых нанохолодильников, которые изолируют отдельные атомы магния друг от друга при экстремально низкой температуре — 0,4 Кельвина (−272,75 °C), что лишь на 0,4 градуса Цельсия выше абсолютного нуля, обеспечивая расстояние между атомами около миллионной доли миллиметра.

«Такое экспериментальное устройство позволило нам инициировать формирование кластеров с помощью лазерного импульса и точно отслеживать динамику процесса в режиме реального времени», — отмечает Михаэль Штадльхофер, проводивший эксперименты в рамках своей докторской диссертации.

Для фиксации процессов, запускаемых лазерным импульсом, исследователи применили фотоэлектронную и фотоионную спектроскопию. По мере объединения атомов магния в кластер второй лазерный импульс ионизировал сформированные образования.

Кох и его команда смогли детально реконструировать механизмы протекающих явлений на основе анализа образовавшихся ионов и высвобождаемых электронов.

Атомы накапливают свою энергию.

Ключевым открытием стало явление объединения энергии. При связывании нескольких атомов магния происходит передача возбуждающей энергии, полученной от первого лазерного импульса, одному из атомов в кластере, который достигает существенно более высокого энергетического состояния. Это первый случай демонстрации такого процесса с фемтосекундным временным разрешением.

«Мы надеемся, что предложенный метод изоляции атомов в гелиевых каплях будет применим и к более широкому классу элементов, что сделает его универсальным инструментом в фундаментальных исследованиях», — говорит Кох.

Помимо фундаментального значения, полученные результаты могут найти практическое применение в процессах передачи энергии, например, в фотомедицине и технологиях солнечной энергетики.

В исследовании, опубликованном в *ACS Nano*, китайские учёные из Лаборатории Линган и Шанхайского института материаловедения представили инновационную систему доставки лекарств на основе наносеток из сшитых циклодекстринов (GCC). Эти наносетки обладают способностью улавливать активные формы кислорода — ключевые молекулы, участвующие в воспалительных процессах. Кроме того, они могут служить носителями для лекарств, обеспечивая их стабильность и контролируемое высвобождение.

В качестве модели препарата использовался дексаметазон (DEX) — мощный противовоспалительный кортикостероид. После внутривенного введения мышам система DEX@GCC показала необычное поведение: наносетки накапливались вдоль внешней стенки трахеи, что крайне редко наблюдается при использовании обычных наночастиц. Это обеспечивало более точную доставку лекарства к воспалённым участкам.

Результаты экспериментов показали, что DEX@GCC значительно снижал воспаление в модели бронхита, вызванного липополисахаридами. Мыши быстрее восстанавливали массу тела, у них улучшалась функция лёгких, а уровень воспалительных маркеров в бронхоальвеолярной жидкости снижался по сравнению с животными, получавшими свободный DEX или не получавшими лечения вовсе.

Для оценки эффективности терапии учёные применили передовые методы визуализации. С помощью микрооптической секционной томографии (MOST), флуоресцентной версии fMOST и машинного обучения они создали трёхмерный атлас лёгких. Это позволило не только визуализировать воспалённые участки, но и количественно оценить изменения в тканях, такие как утолщение стенок трахеи. Виртуальная эндоскопия дала возможность «заглянуть» внутрь дыхательных путей и увидеть, как восстанавливаются структуры после лечения.

Таким образом, исследование демонстрирует, как интеграция нанотехнологий, структурной фармацевтики и 3D-визуализации может привести к созданию более точных и эффективных методов лечения заболеваний дыхательных путей. Такой подход открывает новые перспективы для диагностики, мониторинга и разработки персонализированных терапий в области респираторной медицины.

«Чтобы создавать материалы с нужными свойствами, нужно понимать, как располагаются атомы», — говорит Вэньхао Сун, доцент материаловедения и автор статьи в *Nature Physics*. «Квазикристаллы заставили нас пересмотреть основы формирования твёрдых тел».

Квазикристаллы были впервые описаны в 1984 году израильским учёным Даниэлем Шехтманом. Он обнаружил, что атомы в некоторых сплавах образуют икосаэдрическую структуру с пятикратной симметрией — ранее считавшуюся невозможной. Несмотря на скептицизм научного сообщества, позже квазикристаллы были синтезированы в лабораториях и найдены в древних метеоритах. В 2011 году Шехтман получил Нобелевскую премию по химии.

Однако долгое время оставалось неясным, как такие структуры формируются. Проблема заключалась в том, что традиционные методы расчёта стабильности кристаллов не подходят для квазикристаллов, так как они не имеют повторяющейся структуры.

«Понять материал — значит понять, что делает его стабильным», — объясняет Ухен Бэк, соавтор исследования. В обычных кристаллах атомы стремятся к минимальной энергии (энтальпии), а в стекле — к максимальной беспорядочности (энтропии). Квазикристаллы же занимают промежуточное положение: они упорядочены локально, как кристаллы, но не повторяются, как стекло.

Согласно статье, опубликованной в *Nature Communications*, нанопластики могут нарушать целостность кишечника у мышей, влияя на взаимодействие между микробиотой и организмом. Исследование подробно рассматривает, как нанопластики воздействуют на кишечную среду.

Что такое нанопластики?

Это мельчайшие частицы пластика размером менее 1000 нанометров, образующиеся при разложении пластиковых отходов. Ранее уже было известно, что они могут нарушать микрофлору кишечника, но механизмы этого воздействия оставались неясными.

Как проводилось исследование?

Учёные под руководством Вэй-Сюаня Хсу из Национального университета Ченг Кунг (Тайвань) использовали РНК-секвенирование, транскриптомный анализ и микробиологическое профилирование, чтобы изучить влияние полистирольных нанопластиков на кишечник мышей. Они обнаружили, что нанопластики изменяют экспрессию белков ZO-1 и MUC-13, ответственных за барьерную функцию кишечника, а также вызывают дисбаланс микробиоты — в частности, рост бактерий семейства Ruminococcaceae, ранее связанных с нарушениями ЖКТ.

Исследование показало, что нанопластики могут нарушать передачу сигналов между клетками кишечника и микробами через внеклеточные пузырьки (экзосомы), влияя на состав микрофлоры и снижая защитные функции кишечника.

А как это связано с человеком?

Хотя результаты на мышах важны, их нельзя напрямую применять к людям. Микрофлора человека и мышей различается, а дозы нанопластиков в эксперименте были значительно выше, чем те, с которыми сталкивается человек в повседневной жизни. Поэтому, по словам исследователей, поводов для паники нет, и менять рацион на основе этих данных пока не требуется.

Ограничения исследования:

1. Высокие дозы: В экспериментах использовались концентрации, значительно превышающие реальные уровни воздействия.

2. Модель на мышах: Физиология кишечника у мышей отличается от человеческой.

3. Ограниченные данные о воздействии на человека: Пока нет точных данных о том, сколько нанопластиков действительно попадает в организм человека.

4. Один тип пластика: Изучался только полистирол, тогда как другие виды пластика могут вести себя иначе.

Что дальше?

Учёные выделяют несколько приоритетных направлений для будущих исследований:

• Разработка методов точного обнаружения нанопластиков в организме человека.

• Эпидемиологические исследования, связывающие воздействие нанопластиков с изменениями микробиоты и здоровьем кишечника.

• Моделирование хронического воздействия в реалистичных дозах.

• Сравнение воздействия разных видов пластика.

Исследование подчёркивает важность дальнейшего изучения нанопластиков и их потенциального влияния на здоровье человека, особенно с учётом их растущего присутствия в окружающей среде.