3877

вмешательств в сочетание с использованием биологических имплантатов. Тканевая инженерия (ТИ), как дисциплина, начала свою историю в первой половине XX века. Современная тканевая инженерия начала оформляться в самостоятельную дисциплину после работ Д.Р. Уолтера и Ф.Р. Мейера (1984), которым удалось восстановить поврежденную роговицу глаза с помощью пластического материала, искусственно выращенного из клеток, взятых у пациента. Этот метод получил название кератинопластика. Однако работы в данной сфере велись и советскими учеными. Например, работы по кератопластике вел и советский офтальмолог Владимир Петрович Филатов. Особой известностью пользуется разработанный Филатовым метод пересадки роговицы, при котором пересадочным материалом является донорская роговица(1931). После симпозиума, организованного Национальным научным фондом США в 1987 г., тканевая инженерия стала считаться новым научным направлением в медицине.

К настоящему времени большинство работ в этой области выполнено на лабораторных животных, но часть технологий уже используется в медицине. Фундаментом для её основания послужили теоретические и практические разработки по созданию "искусственных" органов и тканей и работы по трансплантации клеток и биологически активных компонентов на носителях для восстановления повреждений в различных тканях организма. Используемый междисциплинарный подход направлен в первую очередь на создание новых биокомпозиционных материалов для восстановления утраченных функций отдельных тканей или органов в целом. Основные принципы данного подхода заключаются в разработке и применении при имплантации в поврежденный орган или ткань носителей из биодеградируемых материалов, которые используются в сочетании либо с донорскими клетками и/или с биоактивными веществами. Одним из требований к такого рода материалам-носителям является то, что они должны обеспечивать надежную поддерживающую, то есть опорную и структурообразовательную функцию в поврежденной области ткани или органа.

Тканевая инженерия использует искусственно стимулированную пролиферацию (разрастание ткани организма клеток) с использованием подходящих сделанных из наноматериалов опор и ростовых факторов. Как пример, кости могут

101

быть выращены заново на опорах из углеродных нанотрубок [Рис.4]. Основными клетками костной ткани являются остеоциты (в растущей кости - остеобласты) – клетки c большим числом отростков, заключенные в межклеточное вещество, содержащее большое количество неорганических солей (главным образом, фосфатов кальция). Исследователи в области биотехнологии использовали различные материалы в качестве основы для роста остеобластов и образования кости. Остеобласты, которые вырастут на этом материале, должны выполнять все физиологические функции, свойственные человеческой кости. Такой материал может либо рассасываться после роста новых костей, либо оставаться в виде инертной матрицы, на которой будут размножаться клетки и осаждаться новый живой межклеточный материал, образуя в итоге нормально функционирующую кость.

Ученые считают, что по всем показателям в качестве материала второго типа наилучшим образом подходят углеродные нанотрубки. Они чрезвычайно прочные, их имплантация может не только способствовать регенерации, но и повышать механические свойства поврежденной костной ткани, к тому же гибкие и эластичные. Таким образом, налицо все основные свойства опорной структуры кости.

Токсичность – это способность вещества вызывать нарушения физиологических функций организма, в результате чего возникают симптомы интоксикаций (заболевания), а при тяжелых поражениях гибель [3]. Степень токсичности вещества характеризуется величиной токсичной дозы, количеством вещества, отнесенным, как правило, к единице массы животного или человека, что вызывает определенный токсический эффект.

Особенность свойств наночастиц заключается в том, что наночастица не может быть выведена из организма в макродисперсной форме или в виде сплошных фаз, так как токсикологические свойства наноматериалов являются результатом не только их химического состава, но и разнообразия их других особенностей, таких как поверхностные характеристики, размер, форма и другое.

Исследование по токсичности наноматериалов и их влияние на живую природу в первую очередь проводились в лабораториях, так называемые исследования «In Vitro», что в переводе с латинского означает – в пробирке, в искусственных условиях [6].

102

Одни их первых наночастиц с уникальными свойствами, известные ученым с давних пор, являются металлические наночастицы и образуемые ими нанокластеры (рис. 4).

Рис. 4. Нанокластеры

Изучая вопрос токсичности более детально, можно сделать вывод о том, что токсические свойства наночастиц металлов сильно зависят от их размеров и структурной организации. В тоже время одним из основных механизмов токсического действия является окислительный стресс, который обуславливается активными формами кислорода, генерируемыми наночастицами [7-8]. Таким образом, видно, что токсичность наноматериалов зависит не только от физической природы, способа получения, размеров, структуры нанокластеров и наночастиц, но и от биологической модели, на которой проводятся испытания. Органы-мишени и механизмы развития токсического эффекта разнообразны.

Производства наночастиц кардинально отличаются по своим свойствам, эффектам, комплексу физических, химических и биологических свойств от веществ в форме макроскопических дисперсий и сплошных фаз [9]. Безопасность наноматериалов является важнейшим фактором, регламентирующим промышленное производство и внедрение в здравоохранение нанопродуктов. Благодаря малым пространственным размерам, возможности специфического связывания поверхности с разнообразными лигандами (молекула, связанная с неким центром), проявлению резонансного характера поглощения различных видов энергии внешних воздействий с последующей их релаксацией и быстрой регистрации изменений энергетического состояния наночастицы получили широкое применение в клеточной инженерии и разработке новых методов эффективной экспресс-диагностики и терапии различных заболеваний на ранних стадиях развития, например в онкологической медицине, где ранняя диагностика и эффективность

103

лечения неразрывно связаны. В настоящее время для терапевтических и исследовательских нужд современной медицины достаточно давно активно применяются разнообразные по форме и дисперсному составу металлические наноструктуры [10]. В то же время многие вопросы взаимодействия на наночастиц с биологическими структурами как «In Vitro» по-прежнему не имеют однозначных ответов.

Литература

1.Дыкман Л.А., Богатырев В.А., Щеглов С.Ю., Хлебцов Н.Г. Золотые наночастицы: синтез, свойства, биомедицинское применение. М.: Наука, 2008. 319 с.

2.Получение и применение наночастиц, содержащих медь и серебро. К.Г. Лопатько, Е.Г., Афтандилянц, Я.В. Зауличный [и др.].Труды института проблем материаловедения им. И.Н.Францевича. — 2010, №1. С. 232 — 243.

3.Ильин Л.А. , И.В. Саноцкий Методы определения токсичности и опасности химических веществ, 1990. с. 440 - 447

4.Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2007. с. 185

5.Коваленко Л.В., Фолманис Г.Э. Биологически активные нанопорошки железа. М.: Наука, 2006. с. 124

6.Н.Н.Каркищенко, Нанобезопасность: новые подходы к оценке рисков и токсичности наноматериалов, 2009. с. 5-27

7.Сканирующая зондовая микроскопия биополимеров. Под ред. И. В. Яминского. М., "Научный мир", 1997. с. 86

8.Хубутия Ш., Бабич А. В., Темнов А.А, Российский медицинский журнал, Применение наноматериалов в медицине. С. 53-56

9."The control of human mesenchymal cell differentiation using nanoscale symmetry and disorder", Nature Materials, 2013

10.Robert A. Freitas Jr., ''Nanomedicine. Vol. 1: Basic Capabilities'. Landes Bioscience, Austin, Tx, 1999.

Воронежский государственный технический университет

104

УДК 541.67

А.А. Артемюк, Б.А. Спиридонов МЕТОДЫ ХРАНЕНИЯ ВОДОРОДА, ИСПОЛЬЗУЕМОГО

ВТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

Встатье представлены данные по методам хранения водорода, используемого в водородной энергетике

Нефть, газ и уголь – это невосполняемые источники энергии, которых становится всё меньше в связи с их широким использованием в качестве топлива. Альтернативные источники энергии это перспективное направление, которое поможет в поиске высокоэффективного источника энергии. В качестве альтернативного источника энергии можно использовать водород – самый распространённый элемент во вселенной и 2-й по распространённости на Земле. Известно, что из 1 кг водорода в водород-кислородном топливном элементе можно получить энергии в 10 раз больше, чем при сгорании 1 кг бензина [1]. Ещё одним аспектом выбора водорода является его стопроцентная экологичность – в результате горения водорода образуется вода. Во многих городах мира уже эксплуатируются автомобили, поезда, автобусы на водородных топливных элементах. Ракетные двигатели и авиационные транспортные средства уже сейчас работают на водороде. С производством и добычей водорода прекрасно справляется водородная энергетика. Существует множество эффективных, недорогих и безопасных способов добычи водорода из различных соединений, содержащих водород. Но проблема состоит в том, что недорого и безопасно хранить и транспортировать водород пока не научились [2]. Низкая плотность газообразного водорода, низкая температура его сжижения, а также высокая взрывоопасность требуют разработки эффективных и безопасных систем хранения.

В настоящее время методы хранения водорода подразделяются на 2 группы – физические и химические методы.

Физические методы используют физические процессы (компрессирование или ожижение) для переведения газообразного водорода в компактное состояние. На сегодня реализованы следующие физические методы, хранения водорода: сжатый

105

газообразный водород хранят в газовых баллонах, а также в стационарных массивных системах хранения; жидкий водород хранят в стационарных и транспортных криогенных контейнерах.

Хранения водорода в жидком состоянии – занятие дорогостоящее и небезопасное. Водород в жидком состоянии находится в узком температурном интервале от 14 до 20 К. Поэтому необходимо постоянно контролировать температуру сосуда для хранения, которая не должна превышать точку кипения ЖВ, чтобы избежать потери от испарения водорода. Для этого через систему нужно пропускать охлаждающий газ, что связано с большими расходами на поддержание низкой температуры ёмкости. К таким сосудам предъявляют строжайшие требования: прочная конструкция, обеспечивающая длительное, безопасное хранение; расход ЖВ на захолаживание резервуара должен быть минимальным. Недостатком такого хранения является большая взрывоопасность и дороговизна обеспечения. Недостатком же хранения водорода в баллонах в газообразном состоянии – большое давление хранения, очень малая объёмная доля водорода по сравнению с ЖВ.

Используя химические методы, хранение водорода обеспечивается химическими процессами его взаимодействия с некоторыми материалами [2]. К ним относятся: адсорбция (цеолиты, активированный уголь, углеводородные наноматериалы), хранение в металлогидридах, а также химическое воздействие (фуллерены и органические гидриды; аммиак; губчатое железо).

Преимущества хранения и транспортирование водорода в форме аммиака, метанола, этанола на дальние расстояния состоят в высокой плотности объёмного содержания водорода. Например, аммиак при нормальной температуре сжижается при давлении 1,0 МПа и его можно транспортировать по трубам и хранить в жидком виде.

В случае хранения водорода в гидридной форме отпадает необходимость в громоздких и тяжёлых баллонах, упрощается транспортирование водорода. Водород из гидридов металлов можно получить по двум реакциям: гидролиза и диссоциации. Методом гидролиза можно получать вдвое больше водорода, чем его находится в гидриде. Метод получения водорода термической диссоциацией гидрида даёт возможность создать аккумуляторы водорода, для которых незначительное изменение температуры и

106

давления в системе вызывает существенное изменение равновесия реакции образования гидрида

Гидрид ванадия хорошо диссоциирует при температуре, близкой в 270 К. Гидрид магния (7,6%) является относительно недорогим, но имеет сравнительно высокую температуру диссоциации 560 – 570 К и высокую теплоту образования. Железотитановый сплав сравнительно недорог, а гидрид его диссоциирует при температурах 320 – 370 К с низкой теплотой образования.

Типичный интерметаллический гидрид - гидрид лантана никеля — LaNi5 — гидрид, в котором одна единица LaNi5 содержит более 6 атомов водорода. Десорбция водорода из лантана никеля возможна при комнатных температурах. В единице объема лантананикеля содержится в полтора раза больше водорода, чем в жидком Н2.

Наилучшим металлом для хранения водорода является палладий (Pd). В одном объеме палладия может быть «упаковано» почти 850 объемов водорода. Недостаток такого хранения – дороговизна платинового металла палладия.

Ещё одним перспективным методом хранения водорода считается впитывание водорода в пористые материалы и структуры.

Наибольший интерес представляют углеродные нанотрубки, которые могут заполняться газообразными веществами и связывать большое его количество. Помимо ван-дер-ваальсова взаимодействия (физической абсорбции) одним из механизмов поглощения водорода нанотрубками является хемосорбция – адсорбция водорода H2 на поверхности трубки с последующей диссоциацией и образованием химических связей C–H. Причем в первом случае водородная емкость нанотубулярного углерода не превышает 1–2 мас.% при нормальных условиях, а во втором — 7,7 мас.% — известное рассчитанное значение теоретического предела. Тем не менее, в существующих теоретических исследованиях показана возможность достижения высокоемкого накопления водорода углеродными нанотрубками. Но эти значения реализуются только при криогенной температуре (~77 K). В связи с этим уместно рассмотреть результаты нескольких работ. Например, в [3] в условиях температуры 77 K и давления 5 МПа при проведении модельного расчета было получено значение массовой концентрации водорода ω = 5 мас.% для системы нанотрубок, в то время как для одиночной нанотрубки это значение равно 10,5 мас.%. В следующей их работе

107

[4] авторы выполнили поиск наилучшей структуры системы нанотрубок, обеспечивающей хорошие показатели сорбционной емкости. Указано на значительную степень влияния расстояния между нанотрубками на количество адсорбированного водорода. Максимального значения емкость по водороду достигает при условии малости влияния соседних нанотрубок, когда адсорбцию водорода можно рассматривать как для случая индивидуальной изолированной нанотрубки. Оптимизация пространственной структуры системы нанотрубок при температуре 77 K и давлении

водорода PH2 = 10 МПа достигнуто к значению ω = 9,6 мас.%, тогда как при температуре T = 300 K и давлении водорода PH2 = 10 МПа это значение составило лишь 1,4 мас.%.

Исследователи из американской Тихоокеанской Северозападной Национальной Лаборатории (Pacific Northwest National Laboratory) разработали компаунд на основе наноматериалов, способный впитывать водород и отдавать его в сто раз быстрее, чем это было возможно ранее. Ранее физики предлагали использовать для хранения водорода боран аммиака, после впитывания Н2 способный и выделять газ при нагреве менее, чем до 800 С. Боран аммиака (BH3-NH3) содержит 19,6% водорода. Однако скорость выхода водорода у этого материала мала. Авторы работы установили, что наноструктурированный боран аммиака выпускает водород в сто раз быстрее. Преимущества нового материала не только в том, что он быстро отдает и вбирает водород, но ещё в том, что при его массовом производстве не возникает побочных токсичных выделений. Учёные из университета Южной Калифорнии разработали каталитическую систему, которая выпускает достаточно водорода из борана аммиака, чтобы сделать его пригодным для использования в качестве источника топлива [6]. Новый катализатор на базе рутения оказался способен выделять до 4,6% водорода по массе из концентрированной суспензии борана аммиака. Причём катализатор этот стабилен в течение многих циклов дегидрирования борана и сохраняет свою активность при контакте с водой и воздухом.

108

Ниже приведена таблица, на которой видно, от чего зависит процент адсорбции водорода в различных наноструктурах:

Исследователи из Университета штата Вирджиния произвели эксперименты по синтезу вещества, обладающего рекордными показателями по поглощению водорода при нормальных температурных условиях. Композиты на основе металлического титана продемонстрировали возможность поглощения 12,4% водорода. Теоретические работы предсказали возможность связывания молекулярного водорода с титаном, если атом Ti удастся связать с углеродными наноструктурами. В этом случае, согласно расчетам теоретиков, один атом Ti сможет удерживать 3-5 молекул водорода.

Литература

1.Тарасов Б.П. Проблема хранения водорода и перспективы использования гидридов для аккумулирования водорода [Текст]/Б.П. Тарасов, М.В. Лотоцкий, В.А. Яртысь // Рос. Хим. Ж.- 2006. - Т. L, № 6.- С.48-52

2.Тарасов Б.П. Водород для производства энергии: проблемы

иперспективы [Текст] /Б.П. Тарасов, М.В. Лотоцкий // Международный научный журнал «Алтернативная энергетика и экология» АЭЭ.- 2006.-Т. 40- №8.- С. 72-90.

3.Wang Q. Molecular simulation of hydrogen adsorption in single-

walled carbon nanotubes and idealized carbon slit pores [Текст] / Q. Wang, K. Johnson // J. Chem. Phys.- 1999.- Vol. 110.- №. 11.- P. 577586.

109

4.Wang Q. Optimization of carbon nanotube arrays for hydrogen adsorption [Текст] / Q. Wang, K. Johnson // J. Phys. Chem. B.- 1999.-

№.103.- P. 4809-4813.

5.Williams K.A. Monte Carlo simulations of H physisorption in

finite-diameter carbon nanotube ropes [Текст] / K.A. Williams, P.C. Eklund // Chem. Phys. Lett.-2000.-Vol. 320.- P. 352–358.

6. Brian L. Conley, Denver Guess, Travis J. Williams. A Robust, Air-Stable, Reusable Ruthenium Catalyst for Dehydrogenation of Ammonia Borane [Текст] / L.Brian Conley, Denver Guess, J.Travis, A.Williams. // University of Southern California (USA).-2011.-Journal of the American Chemical Society.

Воронежский государственный технический университет

УДК 66.018.8:546.82

В.С. Субботина, А.Н. Корнеева, В.В. Корнеева

«ПОПЫТКА ХИМИЧЕСКОГО ПОНИМАНИЯ МИРОВОГО ЭФИРА» Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА

В статье рассматривается теория Дмитрия Ивановича Менделеева о существовании мирового эфира и попытки его объяснения с химической точки зрения

Статью «Попытка химического понимания мирового эфира» Д.И. Менделеев окончил в октябре 1902 г., а опубликовал в январе 1903 г. в №1-4 « Вестника и библиотеки самообразования». Сейчас даже школьники знают, что идея эфира отброшена современной наукой. Поэтому, наверное, одна из последних работ ученого очень редко комментируется, практически нигде не упоминается, да ее вообще трудно найти. Во многих научных и учебных библиотеках в многотомных «Сочинениях» Д.И. Менделеева отсутствует т.2, где находится «Попытка химического понимания мирового эфира». Теорию про мировой эфир Д.И.Менделеев вынашивал почти всю свою творческую жизнь. Ему не было еще 40 лет, когда на периодической системе через два года после ее открытия рукой ученого около символа водорода сделана надпись, которую можно

110