background image

English for P

hysics

 Teaching materials for students at AGH UST Krakow, Poland

 

 

by Elżbieta Kania (AGH UST ) You are free to display and print these materials for your personal, non-commercial use, but you may not 

otherwise reproduce any of the materials without the prior written consent of the owners. You may not distribute copies of the materials in 

any form (including by e-mail or other electronic means.)

 

 

NANOTECHNOLOGY 

 

Adapted from: 
http://www.ehow.com/how-does_4568126_nanotechnology-work.html  
and 
 http://www.howstuffworks.com/nanotechnology 
 
I. Pre-reading questions 
 
1) How would you define nanotechnology? 
 
2) What applications has it already found? 
 
3) How can it prove useful in medicine? 
 
4) Can you think of any risks it can carry? 
 
 
II. Complete some facts about nanotechnology with the correct words from the list: 
 
sensitive,  cells,  macro-sized,  bulk,  implementation,  tissues,  fundamental,  fenomenal,  self-
assembling,  attributed,  inside-out,  exposed  to,  expanded,  raw,  combustible,  implications, 
residues,  residual,  in  its  wake,  replicate,  transparent,  customized,  stable,  volatile,  self-
assembling, opaque, attributed. 
 
 
Nanotechnology is a science with unforseen ...................................................... The possibility 

to  remake  materials  from..............................opens  up  a  whole  new  manufacturing  process 

which uses the .......................... building blocks of our universe.  

This  ability  will  allow  finished  products  to  be  ..................................  to  order.  The  self-

...................... features of the DNA, proteins and  enzymes are what scientists are  looking to 

...................... on a molecular level. 

 

Nano-particles  are  shown  to  be  more  ....................  and  reactive.  This  is  .................  to 

the increased surface area these ................... components are ................................. in the nano- 

state.  Nano-particles can be different colour than in their ................................. forms. Copper 

 is an ........................ colour but becomes .................................. at nano-state. Some particles, 

 like aluminium, a ................. material in  macro-scale, become ...................... when reduced 

 to a nano-particle.  

 

The environmental ......................................... posed by nanotechnology development 

 are, as yet, unknown. One study showed physical ....................... of nano-particle agents in 

 the brain and lung ................. of rats exposed to nano-particles. 

 

background image

English for P

hysics

 Teaching materials for students at AGH UST Krakow, Poland

 

 

by Elżbieta Kania (AGH UST ) You are free to display and print these materials for your personal, non-commercial use, but you may not 

otherwise reproduce any of the materials without the prior written consent of the owners. You may not distribute copies of the materials in 

any form (including by e-mail or other electronic means.)

 

 

 
 
III. Work in pairs.  
 
Student A: read the text How nanotechnology works. 
Student B
: read the text Nanowires and Carbon Nanotubes. 
 
Student B: ask student A: 1) How large is nanoscale? 
 

 

 

       2) What is the connection between quantum physics and nanoscale? 

 

 

 

       3) What is electron tunneling? 

 

 

 

       4) What use would engineers like to make of nanotechnology? 

 
Student A: ask student B:  1) What are nanowires and what application may they find in     
 

 

 

 

electronics? 

 

 

 

        2) What are carbon nanotubes and what do their properties depend  

 

 

 

 

on? 

 

Student A: How nantechnology works: 

Experts  sometimes  disagree  about  what  constitutes  the  nanoscale,  but  in  general,  you  can 
think of nanotechnology dealing with anything measuring between 1 and 100 nm. Larger than 
that is the microscale, and smaller than that is the atomic scale. 

Nanotechnology is rapidly becoming an interdisciplinary field. Biologists, chemists, physicists 
and engineers are all involved in the study of substances at the nanoscale. Dr. Störmer hopes 
that the different disciplines develop a common language and communicate with one another 
[source:  Störmer].  Only  then,  he  says,  can  we  effectively  teach  nanoscience  since  you  can't 
understand the world of nanotechnology without a solid background in multiple sciences. 

One  of  the  exciting  and  challenging  aspects  of  the  nanoscale  is  the  role  that  quantum 
mechanics  plays  in  it.  The  rules  of  quantum  mechanics  are  very  different  from  classical 
physics,  which  means  that  the  behavior  of  substances  at  the  nanoscale  can  sometimes 
contradict  common  sense  by  behaving  erratically.  You  can't  walk  up  to  a  wall  and 
immediately teleport to the other side of it, but at the nanoscale an electron can -- it's called 
electron  tunneling.  Substances  that  are  insulators,  meaning  they  can't  carry  an  electric 
charge,  in  bulk  form  might  become  semiconductors  when  reduced  to  the  nanoscale.  Melting 
points can change due to an increase in surface area. Much of nanoscience requires that you 
forget what you know and start learning all over again. 

So  what  does  this  all  mean?  Right  now,  it  means  that  scientists  are  experimenting  with 
substances at the nanoscale to learn about their properties and how we might be able to take 
advantage  of  them  in  various  applications.  Engineers  are  trying  to  use  nano-size  wires  to 
create  smaller,  more  powerful  microprocessors.  Doctors  are  searching  for  ways  to  use 
nanoparticles  in  medical  applications.  Still,  we've  got  a  long  way  to  go  before 
nanotechnology dominates the technology and medical markets. 

In  the  next  section,  we'll  look  at  two  important  nanotechnology  structures:  nanowires  and 
carbon nanotubes. 

background image

English for P

hysics

 Teaching materials for students at AGH UST Krakow, Poland

 

 

by Elżbieta Kania (AGH UST ) You are free to display and print these materials for your personal, non-commercial use, but you may not 

otherwise reproduce any of the materials without the prior written consent of the owners. You may not distribute copies of the materials in 

any form (including by e-mail or other electronic means.)

 

 

Student B:Nanowires and Carbon Nanotubes 

Currently,  scientists  find  two  nano-size  structures  of  particular  interest:  nanowires  and 
carbon nanotubes. Nanowires are wires with a very small diameter, sometimes as small as 1 
nanometer. Scientists hope to use them to build tiny transistors for computer chips and other 
electronic  devices.  In  the  last  couple  of  years,  carbon  nanotubes  have  overshadowed 
nanowires.  We're still learning about these structures, but what we've learned so far is very 
exciting. 

A carbon nanotube is a nano-size cylinder of carbon atoms. Imagine a sheet of carbon atoms, 
which  would  look  like  a  sheet  of  hexagons.  If  you  roll  that  sheet  into  a  tube,  you'd  have  a 
carbon  nanotube.  Carbon  nanotube  properties  depend  on  how  you  roll  the  sheet.  In  other 
words, even though all carbon nanotubes are made of carbon, they can be very different from 
one another based on how you align the individual atoms. 

With  the  right  arrangement  of  atoms,  you  can  create  a  carbon  nanotube  that's  hundreds  of 
times  stronger  than  steel,  but  six  times  lighter  [source:  The  Ecologist].  Engineers  plan  to 
make  building  material  out  of  carbon  nanotubes,  particularly  for  things  like  cars  and 
airplanes.  Lighter  vehicles  would  mean  better  fuel  efficiency,  and  the  added  strength 
translates to increased passenger safety. 

Carbon nanotubes can also be effective semiconductors with the right arrangement of atoms. 
Scientists  are  still  working  on  finding  ways  to  make  carbon  nanotubes  a  realistic  option  for 
transistors in microprocessors and other electronics. 

In the next section, we'll look at products that are taking advantage of nanotechnology 

background image

English for P

hysics

 Teaching materials for students at AGH UST Krakow, Poland

 

 

by Elżbieta Kania (AGH UST ) You are free to display and print these materials for your personal, non-commercial use, but you may not 

otherwise reproduce any of the materials without the prior written consent of the owners. You may not distribute copies of the materials in 

any form (including by e-mail or other electronic means.)

 

 

IV.  Read  "The  Future of  Nanotechnology"  and  "Nanotechnology  Challenges,  Risks  and 

Ethics" and compare the information in the texts with the answers you gave to pre-
reading  questions. 

The Future of Nanotechnology 

In the world of "Star Trek," machines called replicators can produce practically any physical 
object, from weapons to a steaming cup of Earl Grey tea. Long considered to be exclusively 
the  product  of  science  fiction,  today  some  people  believe  replicators  are  a  very  real 
possibility.  They  call  it  molecular  manufacturing,  and  if  it  ever  does  become  a  reality,  it 
could drastically change the world. 

Atoms  and  molecules  stick  together  because  they  have  complementary  shapes  that  lock 
together, or charges that attract. Just like with magnets, a positively charged atom will stick 
to  a  negatively  charged  atom.  As  millions  of  these  atoms  are  pieced  together  by 
nanomachines,  a  specific  product  will  begin  to  take  shape.  The  goal  of  molecular 
manufacturing is to manipulate atoms individually and place them in a pattern to produce a 
desired structure. 

The first step would be to develop nanoscopic machines, called assemblers, that scientists can 
program to manipulate atoms and molecules at will. Rice University Professor Richard 
Smalley points out that it would take a single nanoscopic machine millions of years to 
assemble a meaningful amount of material. In order for molecular manufacturing to be 
practical, you would need trillions of assemblers working together simultaneously. Eric 
Drexler believes that assemblers could first replicate themselves, building other assemblers. 
Each generation would build another, resulting in exponential growth until there are enough 
assemblers to produce objects [source: Ray Kurzweil].
 Assemblers might have moving parts 
like the nanogears in this concept drawing. 

Trillions of assemblers and replicators could fill an area smaller than a cubic millimeter, and 
could  still  be  too  small  for  us  to  see  with  the  naked  eye.  Assemblers  and  replicators  could 
work  together  to  automatically  construct  products,  and  could  eventually  replace  all 
traditional  labor  methods.  This  could  vastly  decrease  manufacturing  costs,  thereby  making 
consumer  goods  plentiful,  cheaper  and  stronger.  Eventually,  we  could  be  able  to  replicate 
anything, including diamonds, water and food. Famine could be eradicated by machines that 
fabricate foods to feed the hungry. 

Nanotechnology  may  have  its  biggest  impact  on  the  medical  industry.  Patients  will  drink 
fluids  containing  nanorobots  programmed  to  attack  and  reconstruct  the  molecular  structure 
of  cancer  cells  and  viruses.  There's  even  speculation  that  nanorobots  could  slow  or  reverse 
the aging process, and life expectancy could increase significantly. Nanorobots could also be 
programmed  to  perform  delicate  surgeries  --  such  nanosurgeons  could  work  at  a  level  a 
thousand  times  more  precise  than  the  sharpest  scalpel  [source:  International  Journal  of 
Surgery].  By  working  on  such  a  small  scale,  a  nanorobot  could  operate  without  leaving  the 
scars  that  conventional  surgery  does.  Additionally,  nanorobots  could  change  your  physical 
appearance.  They  could  be  programmed  to  perform  cosmetic  surgery,  rearranging  your 
atoms to change your ears, nose, eye color or any other physical feature you wish to alter. 

Nanotechnology has the potential to have a positive effect on the environment. For instance, 
scientists could program airborne nanorobots to rebuild the thinning ozone layer. Nanorobots 
could  remove  contaminants  from  water  sources  and  clean  up  oil  spills.  Manufacturing 
materials  using  the  bottom-up  method  of  nanotechnology  also  creates  less  pollution  than 

background image

English for P

hysics

 Teaching materials for students at AGH UST Krakow, Poland

 

 

by Elżbieta Kania (AGH UST ) You are free to display and print these materials for your personal, non-commercial use, but you may not 

otherwise reproduce any of the materials without the prior written consent of the owners. You may not distribute copies of the materials in 

any form (including by e-mail or other electronic means.)

 

 

conventional  manufacturing  processes.  Our  dependence  on  non-renewable  resources  would 
diminish  with  nanotechnology.  Cutting  down  trees,  mining  coal  or  drilling  for  oil  may  no 
longer be necessary -- nanomachines could produce those resources. 

Many  nanotechnology  experts  feel  that  these  applications  are  well  outside  the  realm  of 
possibility, at least for the foreseeable future. They caution that the more exotic applications 
are  only  theoretical.  Some  worry  that  nanotechnology  will  end  up  like  virtual  reality  --  in 
other words, the hype surrounding nanotechnology will continue to build until the limitations 
of the field become public knowledge, and then interest (and funding) will quickly dissipate. 

In the next section, we'll look at some of the challenges and risks of nanotechnology. 

 

Nanotechnology Challenges, Risks and Ethics 

The  most  immediate  challenge  in  nanotechnology  is  that  we  need  to  learn  more  about 
materials  and  their  properties  at  the  nanoscale.  Universities  and  corporations  across  the 
world  are  rigorously  studying  how  atoms  fit  together  to  form  larger  structures.  We're  still 
learning about how quantum mechanics impact substances at the nanoscale. 

Because elements at the nanoscale behave differently than they do in their bulk form, there's a 
concern  that  some  nanoparticles  could  be  toxic.  Some  doctors  worry  that  the  nanoparticles 
are so small, that they could easily cross the blood-brain barrier, a membrane that protects 
the  brain  from  harmful  chemicals  in  the  bloodstream.  If  we  plan  on  using  nanoparticles  to 
coat everything from our clothing to our highways, we need to be sure that they won't poison 
us. 

Closely related to the knowledge barrier is the technical barrier. In order for the incredible 
predictions  regarding  nanotechnology  to  come  true,  we  have  to  find  ways  to  mass  produce 
nano-size  products  like  transistors  and  nanowires.  While  we  can  use  nanoparticles  to  build 
things  like  tennis  rackets  and  make  wrinkle-free  fabrics,  we  can't  make  really  complex 
microprocessor chips with nanowires yet. 

There  are  some  hefty  social  concerns  about  nanotechnology  too.  Nanotechnology  may  also 
allow  us  to  create  more  powerful  weapons,  both  lethal  and  non-lethal.  Some  organizations 
are  concerned  that  we'll  only  get  around  to  examining  the  ethical  implications  of 
nanotechnology in weaponry after these devices are built. They urge scientists and politicians 
to  examine  carefully  all  the  possibilities  of  nanotechnology  before  designing  increasingly 
powerful weapons. 

If nanotechnology in medicine makes it possible for us to enhance ourselves physically, is that 
ethical? In theory, medical nanotechnology could make us smarter, stronger and give us other 
abilities ranging from rapid healing to night vision. Should we pursue such goals? Could we 
continue to call ourselves human, or would we become transhuman -- the next step on man's 
evolutionary  path?  Since  almost  every  technology  starts  off  as  very  expensive,  would  this 
mean  we'd  create  two  races  of  people  --  a  wealthy  race  of  modified  humans  and  a  poorer 
population  of  unaltered  people?  We  don't  have  answers  to  these  questions,  but  several 
organizations are urging nanoscientists to consider these implications now, before it becomes 
too late. 

Not all questions involve altering the human body -- some deal with the world of finance and 
economics.  If  molecular  manufacturing  becomes  a  reality,  how  will  that  impact  the  world's 
economy? Assuming we can build anything we need with the click of a button, what happens 

background image

English for P

hysics

 Teaching materials for students at AGH UST Krakow, Poland

 

 

by Elżbieta Kania (AGH UST ) You are free to display and print these materials for your personal, non-commercial use, but you may not 

otherwise reproduce any of the materials without the prior written consent of the owners. You may not distribute copies of the materials in 

any form (including by e-mail or other electronic means.)

 

 

to all the manufacturing jobs? If you can create anything using a replicator, what happens to 
currency? Would we move to a completely electronic economy? Would we even need money? 

Whether  we'll  actually  need  to  answer  all  of  these  questions  is  a  matter  of  debate.  Many 
experts  think  that  concerns  like  grey  goo  and  transhumans  are  at  best  premature,  and 
probably  unnecessary.  Even  so,  nanotechnology  will  definitely  continue  to  impact  us  as  we 
learn more about the enormous potential of the nanoscale. 

To learn more about nanotechnology and other subjects, follow the links on the next page. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

English for P

hysics

 Teaching materials for students at AGH UST Krakow, Poland

 

 

by Elżbieta Kania (AGH UST ) You are free to display and print these materials for your personal, non-commercial use, but you may not 

otherwise reproduce any of the materials without the prior written consent of the owners. You may not distribute copies of the materials in 

any form (including by e-mail or other electronic means.)

 

 

NANOMATERIALS 

 

Adapted from Wikipedia (http://en.wikipedia.org/wiki/Nanomaterials). 

Nanomaterials is a field that takes a 

materials science

-based approach to 

nanotechnology

. It 

studies materials with morphological features on the 

nanoscale

, and especially those that have 

special properties stemming from their nanoscale dimensions. Nanoscale is usually defined as 
smaller than a one tenth of a micrometer in at least one dimension,

[1]

 though this term is 

sometimes used for even smaller materials. 

On 18 October 2011, the 

European Commission

 adopted the following definition of a 

nanomaterial:

[2]

 

A natural, incidental or manufactured material containing particles, in an unbound state or as 
an aggregate or as an agglomerate and where, for 50% or more of the particles in the number 
size distribution, one or more external dimensions is in the size range 1 nm – 100 nm. In 
specific cases and where warranted by concerns for the environment, health, safety or 
competitiveness the number size distribution threshold of 50% may be replaced by a threshold 
between 1 and 50%. 

An important aspect of nanotechnology is the vastly increased 

ratio

 of surface area to volume 

present in many nanoscale materials, which makes possible new 

quantum mechanical

 effects. 

One example is the “

quantum

 size effect” where the electronic properties of solids are altered 

with great reductions in particle size. This effect does not come into play by going from 
macro to micro dimensions. However, it becomes pronounced when the nanometer size range 
is reached. A certain number of 

physical properties

 also alter with the change from 

macroscopic systems. Novel mechanical properties of nanomaterials is a subject of 

nanomechanics

 research. Catalytic activities also reveal new behaviour in the interaction with 

biomaterials

 

 
I. Read the passage Nanomaterials and find words or expressions synonymous to: 
 
greatly 
 
become active 
 
very noticeable 
 
necessary or appropriate 
 
the level at which sth starts to happen 
 
being the result of sth 
 
a total number or amount made up of smaller parts 
 
 
II Work in pairs Student A: read the passage Fullerenes 
 

 

   Student B: read the passage Nanoparticles 

background image

English for P

hysics

 Teaching materials for students at AGH UST Krakow, Poland

 

 

by Elżbieta Kania (AGH UST ) You are free to display and print these materials for your personal, non-commercial use, but you may not 

otherwise reproduce any of the materials without the prior written consent of the owners. You may not distribute copies of the materials in 

any form (including by e-mail or other electronic means.)

 

 

Fullerenes 

 

 

Rotating view of Buckminsterfullerene C

60

 

Main article: 

Fullerene

 

The fullerenes are a class of 

allotropes of carbon

 which conceptually are 

graphene

 sheets 

rolled into tubes or spheres. These include the 

carbon nanotubes

 (or 

silicon nanotubes

) which 

are of interest both because of their mechanical strength and also because of their electrical 
properties. 

For the past decade, the chemical and physical properties of fullerenes have been a hot topic 
in the field of research and development, and are likely to continue to be for a long time. In 
April 2003, fullerenes were under study for 

potential medicinal use

: binding specific 

antibiotics

 to the structure of resistant 

bacteria

 and even target certain types of 

cancer

 cells 

such as 

melanoma

. The October 2005 issue of Chemistry and Biology contains an article 

describing the use of fullerenes as light-activated 

antimicrobial

 agents. In the field of 

nanotechnology

, heat resistance and 

superconductivity

 are among the properties attracting 

intense research. 

A common method used to produce fullerenes is to send a large current between two nearby 
graphite electrodes in an inert atmosphere. The resulting 

carbon

 

plasma

 arc between the 

electrodes cools into sooty residue from which many fullerenes can be isolated. 

There are many calculations that have been done using ab-initio Quantum Methods applied to 
fullerenes. By 

DFT

 and TDDFT methods one can obtain 

IR

Raman

 and 

UV

 spectra. Results 

of such calculations can be compared with experimental results 

 

Nanoparticles 

Main article: 

Nanoparticle

 

Nanoparticles or 

nanocrystals

 made of metals, semiconductors, or oxides are of particular 

interest for their mechanical, electrical, magnetic, optical, chemical and other properties. 
Nanoparticles have been used as 

quantum dots

 and as chemical 

catalysts

 such as 

nanomaterial-based catalysts

background image

English for P

hysics

 Teaching materials for students at AGH UST Krakow, Poland

 

 

by Elżbieta Kania (AGH UST ) You are free to display and print these materials for your personal, non-commercial use, but you may not 

otherwise reproduce any of the materials without the prior written consent of the owners. You may not distribute copies of the materials in 

any form (including by e-mail or other electronic means.)

 

 

Nanoparticles are of great scientific interest as they are effectively a bridge between bulk 
materials and 

atomic

 or 

molecular

 structures. A bulk material should have constant physical 

properties regardless of its size, but at the nano-scale this is often not the case. Size-dependent 
properties are observed such as 

quantum confinement

 in 

semiconductor

 particles, 

surface 

plasmon resonance

 in some metal particles and 

superparamagnetism

 in 

magnetic

 materials. 

Nanoparticles exhibit a number of special properties relative to bulk material. For example, 
the bending of bulk 

copper

 (wire, ribbon, etc.) occurs with movement of copper 

atoms/clusters at about the 50 nm scale. Copper nanoparticles smaller than 50 nm are 
considered super hard materials that do not exhibit the same 

malleability

 and 

ductility

 as bulk 

copper. The change in properties is not always desirable. Ferroelectric materials smaller than 
10 nm can switch their magnetisation direction using room temperature thermal energy, thus 
making them useless for memory storage. 

Suspensions

 of nanoparticles are possible because 

the interaction of the particle surface with the 

solvent

 is strong enough to overcome 

differences in 

density

, which usually result in a material either sinking or floating in a liquid. 

Nanoparticles often have unexpected visual properties because they are small enough to 
confine their electrons and produce quantum effects. For example 

gold

 nanoparticles appear 

deep red to black in solution. 

The often very high surface area to volume ratio of nanoparticles provides a tremendous 
driving force for 

diffusion

, especially at elevated temperatures. 

Sintering

 is possible at lower 

temperatures and over shorter durations than for larger particles. This theoretically does not 
affect the density of the final product, though flow difficulties and the tendency of 
nanoparticles to agglomerate do complicate matters. The surface effects of nanoparticles also 
reduces the incipient 

melting temperature

 

 
 
 
Student B 
 
Ask your friend questions to achieve information about the missing parts of the sentences. 
 
1. The fullerenes are............................. 
 
2. These include.................................... 
 
3. They are of interest because..................... 
 
4. Potential medicinal applications of fullerenes are.................... 
 
5. A common method to produce fullerenes is ......................... 
 
Student A: 
 
Ask your friend questions to achieve information about the missing parts of sentences: 
 
1. Nanoparticles are made of..................................... 
 
2. Nanoparticles have been used as........................... 

background image

English for P

hysics

 Teaching materials for students at AGH UST Krakow, Poland

 

 

by Elżbieta Kania (AGH UST ) You are free to display and print these materials for your personal, non-commercial use, but you may not 

otherwise reproduce any of the materials without the prior written consent of the owners. You may not distribute copies of the materials in 

any form (including by e-mail or other electronic means.)

 

 

 
3. Nanoparticles are of great scientific interest because................. 
4. Nanoparticles exhibit a number of special properties relative to bulk material, like ......... 
 
5. Nanoparticles often have unexpected visual properties because........................ 
 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

English for P

hysics

 Teaching materials for students at AGH UST Krakow, Poland

 

 

by Elżbieta Kania (AGH UST ) You are free to display and print these materials for your personal, non-commercial use, but you may not 

otherwise reproduce any of the materials without the prior written consent of the owners. You may not distribute copies of the materials in 

any form (including by e-mail or other electronic means.)

 

 

NANOMEDICINE 

 

Adapetd from  Wikipedia ( http://en.wikipedia.org/wiki/Nanomedicine). 

Nanomedicine is the 

medical

 application of 

nanotechnology

.

[1]

 Nanomedicine ranges from 

the medical applications of 

nanomaterials

, to 

nanoelectronic

 biosensors, and even possible 

future applications of 

molecular nanotechnology

. Current problems for nanomedicine involve 

understanding the issues related to 

toxicity

 and 

environmental impact

 of 

nanoscale materials

One nanometer is one-millionth of a millimeter. 

Medical use of nanomaterials 

Two forms of nanomedicine that have already been tested in 

mice

 and are awaiting human 

trials are using gold nanoshells to help diagnose and treat 

cancer

, and using 

liposomes

 as 

vaccine

 adjuvants and as vehicles for drug transport.

[7][8]

 Similarly, drug detoxification is also 

another application for nanomedicine which has shown promising results in rats.

[9]

 A benefit 

of using nanoscale for medical technologies is that smaller devices are less invasive and can 
possibly be implanted inside the body, plus biochemical reaction times are much shorter. 
These devices are faster and more sensitive than typical drug delivery.

[10]

 

Drug delivery 

Nanomedical approaches to 

drug delivery

 center on developing 

nanoscale particles

 or 

molecules to improve drug 

bioavailability

. Bioavailability refers to the presence of drug 

molecules where they are needed in the body and where they will do the most good. Drug 
delivery focuses on maximizing bioavailability both at specific places in the body and over a 
period of time. This can potentially be achieved by molecular targeting by nanoengineered 
devices.

[11][12]

 It is all about targeting the molecules and delivering drugs with cell precision. 

More than $65 billion are wasted each year due to poor bioavailability. In vivo imaging is 
another area where tools and devices are being developed. Using 

nanoparticle

 

contrast agents

images such as ultrasound and MRI have a favorable distribution and improved contrast. The 
new methods of nanoengineered materials that are being developed might be effective in 
treating illnesses and diseases such as cancer. What nanoscientists will be able to achieve in 
the future is beyond current imagination. This might be accomplished by self assembled 
biocompatible nanodevices that will detect, evaluate, treat and report to the clinical doctor 
automatically. 

Drug delivery systems, lipid- or polymer-based nanoparticles,

[13]

 can be designed to improve 

the 

pharmacological

 and therapeutic properties of drugs.

[14]

 The strength of drug delivery 

systems is their ability to alter the 

pharmacokinetics

 and 

biodistribution

 of the drug. When 

designed to avoid the body's defence mechanisms,

[15]

 nanoparticles have beneficial properties 

that can be used to improve drug delivery. Where larger particles would have been cleared 
from the body, cells take up these nanoparticles because of their size. Complex drug delivery 
mechanisms are being developed, including the ability to get drugs through cell membranes 
and into cell 

cytoplasm

. Efficiency is important because many diseases depend upon 

processes within the cell and can only be impeded by drugs that make their way into the cell. 
Triggered response is one way for drug molecules to be used more efficiently. Drugs are 
placed in the body and only activate on encountering a particular signal. For example, a drug 
with poor solubility will be replaced by a drug delivery system where both hydrophilic and 

background image

English for P

hysics

 Teaching materials for students at AGH UST Krakow, Poland

 

 

by Elżbieta Kania (AGH UST ) You are free to display and print these materials for your personal, non-commercial use, but you may not 

otherwise reproduce any of the materials without the prior written consent of the owners. You may not distribute copies of the materials in 

any form (including by e-mail or other electronic means.)

 

 

hydrophobic environments exist, improving the solubility.

[16]

 Also, a drug may cause tissue 

damage, but with drug delivery, regulated drug release can eliminate the problem. If a drug is 
cleared too quickly from the body, this could force a patient to use high doses, but with drug 
delivery systems clearance can be reduced by altering the pharmacokinetics of the drug. Poor 
biodistribution is a problem that can affect normal tissues through widespread distribution, but 
the 

particulates

 from drug delivery systems lower the volume of distribution and reduce the 

effect on non-target tissue. Potential nanodrugs will work by very specific and well-
understood mechanisms; one of the major impacts of nanotechnology and nanoscience will be 
in leading development of completely new drugs with more useful behavior and less side 
effects. 

 
I Comprehension 
 
Read the first two  passages ( introductory paragraph and Drug delivery ) and answer the 
questions: 
 
1. What two forms of nanomedicine have already been tested? 
 
2. How does bioavailibility differ from drug delivery? 
 
3. How can nanoparticles improve drug delivery and and bioavailibility? 
 
4. What drug delivery mechanisms employing nanotechnology are being developed? 
 
5. What is triggered response? 
 
6. What problems does the regulated drug release eliminate? 
 
 
II Note the use of  -ing clauses with the meaning having done something:  
 
  Instead of saying: Drugs activate after they have encountered a particular signal 
 
  we can say:           Drugs activate on encountering a particular signal. 
 
In the following sentences substitute the clauses with "after" with -ing clauses: 
 
1. The scientist switched on the computer after he had entered the laboratory. 
 
2. After the patient had been admitted to hospital, he filled in the form. 
 
3. The company will start the production of the new medicine after they have bought the  
 
    patent. 
 
4. Nanorobots will be introduced for drug delivery, after they have been proved to be  totally  
 
    safe. 
 

background image

English for P

hysics

 Teaching materials for students at AGH UST Krakow, Poland

 

 

by Elżbieta Kania (AGH UST ) You are free to display and print these materials for your personal, non-commercial use, but you may not 

otherwise reproduce any of the materials without the prior written consent of the owners. You may not distribute copies of the materials in 

any form (including by e-mail or other electronic means.)

 

 

5. This new technology will be implemented after it has been tested  on animals. 
 
 
III Complete the noun forms in the second column. 
 
Verb   

 

 

 

 

Noun 

 

 

 

 

 

 

 

impede 
 
release 
 
clear 
 
approve 
 
assemble 
 
leak 
 
conduct 
 
 
Adjective 

 

 

 

 

Noun 

 
soluble 
 
efficient 
 
toxic 
 
continuous 
 
internal 
 
immune 
 
 
 
 
IV Read the passage Cancer and find three ways in which nanoparticles can be used in cancer 
diagnosing treatment. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

English for P

hysics

 Teaching materials for students at AGH UST Krakow, Poland

 

 

by Elżbieta Kania (AGH UST ) You are free to display and print these materials for your personal, non-commercial use, but you may not 

otherwise reproduce any of the materials without the prior written consent of the owners. You may not distribute copies of the materials in 

any form (including by e-mail or other electronic means.)

 

 

 
 
Cancer 
 

 

 

A schematic illustration showing how nanoparticles or other cancer drugs might be used to 
treat cancer. 

The small size of nanoparticles endows them with properties that can be very useful in 

oncology

, particularly in imaging. Quantum dots (nanoparticles with quantum confinement 

properties, such as size-tunable light emission), when used in conjunction with MRI 
(magnetic resonance imaging), can produce exceptional images of tumor sites. These 
nanoparticles are much brighter than organic dyes and only need one light source for 
excitation. This means that the use of fluorescent quantum dots could produce a higher 
contrast image and at a lower cost than today's organic dyes used as 

contrast media

. The 

downside, however, is that quantum dots are usually made of quite toxic elements. 

Another nanoproperty, high surface area to volume ratio, allows many functional groups to be 
attached to a nanoparticle, which can seek out and bind to certain 

tumor cells

. Additionally, 

the small size of nanoparticles (10 to 100 nanometers), allows them to preferentially 
accumulate at tumor sites (because tumors lack an effective lymphatic drainage system). A 
very exciting research question is how to make these imaging nanoparticles do more things 
for cancer. For instance, is it possible to manufacture multifunctional nanoparticles that would 
detect, image, and then proceed to treat a tumor? This question is under vigorous 
investigation; the answer to which could shape the future of cancer treatment.

[25]

 A promising 

new cancer treatment that may one day replace radiation and chemotherapy is edging closer to 
human trials. 

Kanzius RF

 therapy attaches microscopic nanoparticles to cancer cells and then 

"cooks" tumors inside the body with radio waves that heat only the nanoparticles and the 
adjacent (cancerous) cells. 

Sensor test chips containing thousands of nanowires, able to detect proteins and other 
biomarkers left behind by cancer cells, could enable the detection and diagnosis of cancer in 
the early stages from a few drops of a patient's blood.

[26]

 

background image

English for P

hysics

 Teaching materials for students at AGH UST Krakow, Poland

 

 

by Elżbieta Kania (AGH UST ) You are free to display and print these materials for your personal, non-commercial use, but you may not 

otherwise reproduce any of the materials without the prior written consent of the owners. You may not distribute copies of the materials in 

any form (including by e-mail or other electronic means.)

 

 

The basic point to use drug delivery is based upon three facts: a) efficient encapsulation of the 
drugs, b) successful delivery of said drugs to the targeted region of the body, and c) successful 
release of that drug there. 

Researchers at 

Rice University

 under Prof. Jennifer West, have demonstrated the use of 

120 nm diameter 

nanoshells

 coated with gold to kill cancer tumors in mice. The nanoshells 

can be targeted to bond to cancerous cells by conjugating 

antibodies

 or 

peptides

 to the 

nanoshell surface. By irradiating the area of the tumor with an infrared laser, which passes 
through flesh without heating it, the gold is heated sufficiently to cause death to the cancer 
cells.

[27]

 

Nanoparticles

 of 

cadmium selenide

 (

quantum dots

) glow when exposed to ultraviolet light. 

When injected, they seep into 

cancer

 

tumors

. The surgeon can see the glowing tumor, and use 

it as a guide for more accurate tumor removal. 

In 

photodynamic therapy

, a particle is placed within the body and is illuminated with light 

from the outside. The light gets absorbed by the particle and if the particle is metal, energy 
from the light will heat the particle and surrounding tissue. Light may also be used to produce 
high energy oxygen molecules which will chemically react with and destroy most organic 
molecules that are next to them (like tumors). This therapy is appealing for many reasons. It 
does not leave a “toxic trail” of reactive molecules throughout the body (chemotherapy) 
because it is directed where only the light is shined and the particles exist. Photodynamic 
therapy has potential for a noninvasive procedure for dealing with diseases, growth and 
tumors. 

 
V What other medical applications of nanotechnology have you heard of? 
 
VI Read the passage Neuroelectronic Interfaces and answer the following questions: 
 
1. What is neuro-electronic interfacing and what does it require? 
 
2. What might its future advantages be? 
 
3. What are the two possible power sources for the application in neuro-electronic 
interfacing? 
 
4. What are the practical limitations to this innovation? 
 
 

Neuro-electronic interfaces 

Neuro-electronic interfacing is a visionary goal dealing with the construction of nanodevices 
that will permit computers to be joined and linked to the nervous system. This idea requires 
the building of a molecular structure that will permit control and detection of nerve impulses 
by an external computer. The computers will be able to interpret, register, and respond to 
signals the body gives off when it feels sensations. The demand for such structures is huge 
because many diseases involve the decay of the nervous system (ALS and multiple sclerosis). 
Also, many injuries and accidents may impair the nervous system resulting in dysfunctional 

background image

English for P

hysics

 Teaching materials for students at AGH UST Krakow, Poland

 

 

by Elżbieta Kania (AGH UST ) You are free to display and print these materials for your personal, non-commercial use, but you may not 

otherwise reproduce any of the materials without the prior written consent of the owners. You may not distribute copies of the materials in 

any form (including by e-mail or other electronic means.)

 

 

systems and paraplegia. If computers could control the nervous system through neuro-
electronic interface, problems that impair the system could be controlled so that effects of 
diseases and injuries could be overcome. Two considerations must be made when selecting 
the power source for such applications. They are refuelable and nonrefuelable strategies. A 
refuelable strategy implies energy is refilled continuously or periodically with external sonic, 
chemical, tethered, magnetic, or electrical sources. A nonrefuelable strategy implies that all 
power is drawn from internal energy storage which would stop when all energy is drained. 

One limitation to this innovation is the fact that electrical interference is a possibility. Electric 
fields, 

electromagnetic pulses (EMP)

, and stray fields from other in vivo electrical devices can 

all cause interference. Also, thick insulators are required to prevent electron leakage, and if 
high conductivity of the in vivo medium occurs there is a risk of sudden power loss and 
“shorting out.” Finally, thick wires are also needed to conduct substantial power levels 
without overheating. Little practical progress has been made even though research is 
happening. The wiring of the structure is extremely difficult because they must be positioned 
precisely in the nervous system so that it is able to monitor and respond to nervous signals. 
The structures that will provide the interface must also be compatible with the body’s immune 
system so that they will remain unaffected in the body for a long time.

[30]

 In addition, the 

structures must also sense ionic currents and be able to cause currents to flow backward. 
While the potential for these structures is amazing, there is no timetable for when they will be 
available