книги / Наночастицы и наноматериалы с огромным потенциалом и возможными рисками

жуточного фотокатализатора получает популярность, поскольку эффективность фотокатализатора демонстрировалась многими научными исследованиями.

Нанотехнология для улучшения воды будет играть критическую роль в безопасности водообеспечения и, следовательно, продовольственной безопасности в мире. Применение нанотехнологии в очистке загрязненной воды можно обобщить следующим образом:

–методы наномасштабной фильтрации;

–адсорбция загрязняющих веществ на наночастицах;

–распад загрязняющих веществ при помощи наночастицкатализаторов.

Нановещества и мембранная фильтрация. Так как осаж-

дение, флокуляция, коагуляция и активированный уголь удаляют узкий спектр водных загрязняющих веществ, мембранная фильтрация (UF, MF, NF и RO) играла существенную роль в сокращении загрязняющих веществ и создании высококачественной чистой воды. Однако засорение мембран является главным недостатком в процессе мембранной фильтрации и представляет серьезную проблему, которая ставит под сомнение жизнеспособность использования мембраны.

К улучшению эффективности мембраны для уменьшения за-

грязнения структурировали мембранные поверхности в наноимолекулярном масштабе. Пористый углерод имеет большой потенциал для адсорбции и мембранного синтеза для водной фильтрации. Фильтры повторно используемы и показали эффективное удаление болезнетворных бактерий (Escherichita coli и Staphilococcus aureus) ивирусаполиомиелитаиззагрязненной воды.

Были изготовлены мембраны, задерживающие более 70 % NaCl и менее 40 % отклонения СаСl2 в одном растворе. Этот выбор одновалентного/двухвалентного катиона очень важен для минимизации загрязнения мембраны карбонатом или сульфатом кальция и поддержания соотношения Na и Са, подходящего для сельскохозяйственных целей. С целью эффективной фильтрации вирусов предположили процедуру, которая состояла в покрытии

191

внутренней поверхностной области высокопористых элементов коллоидным нанодисперсным гидратированным оксидом иттрия. Затем ее подвергали воздействию высокой температуры, чтобы получить электроположительную поверхность покрытия Y2O3. Модифицированные наноструктурные фильтры могли удалить приблизительно 99,99 % бактериофагов MS2 диаметром 25 нм из питьевой воды с рН 5–9.

Мембраны для фильтрации воды, изготовленные из нановеществ, уже внедряются компаниями по очистке воды [23].

Недавно была успешно изготовлена мембрана из нанопроволок TiO2 со способностью фильтрования органических загрязняющих веществ из воды с одновременным фотокаталитическим окислением.

Сложные фотокаталитические мембраны, которые сочетают технологию разделения, обеспеченную обработкой мембраны, и фотокаталитическую активность катализаторов, были изучены несколькими исследователями.

Также были созданы керамические фильтры из наноматериалов (рис. 7.23).

Рис. 7.23. Керамический фильтр

При ультрафильтрации создается повышенное давление с одной стороны мембраны, которое способствует прониканию компонентов с малым молекулярным весом сквозь поры. При этом более крупные молекулы могут перемещаться только вдоль мембраны инепроникаютсквозьпорыиз-засвоегоразмера.

192

Полунепроницаемая ультрафильтрационная мембрана имеет поры величиной от 0,0025 до 0,01 мкм.

Исследователи из Университета Райс (США) создали реактивную мембрану из ферроксана (керамики на основе оксида железа). Благодаря уникальным химическим свойствам железа эти реактивные мембраны позволяют очищать воду, удаляя из нее загрязняющие вещества и органические отходы. Кроме того, обнаружено, что ферроксановые материалы способны разлагать загрязнения с бензойной кислотой.

При использовании мембран из алюмоксана (керамики на основе оксида алюминия) ученые научились управлять их свойствами (толщиной, распределением диаметров пор, проницаемостью), контролируя размеры алюмоксановых частиц и режим термической обработки мембраны.

Наноструктурные керамические мембраны способны фильтровать и очищать воду в пассивном и активном режимах. Керамические мембраны можно использовать в традиционных системах очистки загрязненной воды и воздуха.

Интеграция нанокатализаторов и методов очистки воды позволяет получить новые преимущества.

Нанокатализаторы – это вещества или материалы, которые обладают каталитическими свойствами и имеют по крайней мере один наноразмер. Благодаря увеличению поверхностной площади нанокатализаторы обладают большей контактной поверхностью иреагируют более эффективно, чем сплошные материалы. Нанокатализаторы можно использовать, например, для очистки загрязненных грунтовых вод, в обычных устройствах для очистки воды, а затем восстанавливать их (т.е. возвращать в рабочее состояние) спомощью наномембран. На рис. 7.24 показана часть наноструктурноймембраны, созданной наосновешаблона.

Уникальные исследования, проведенные инженером по защите окружающей среды Чжан Вейсянем (США), продемонстрировали потенциал наномасштабного железного порошка, способного очищать почву и грунтовые воды, загрязненные промышленными веществами [29].

193

Рис. 7.24. Типичная кристаллическая наномембрана

Железо, один из наиболее распространенных металлов на Земле, может стать недостающим звеном в решении мультимиллиардной проблемы. Дело в том, что в США и других странах имеется огромное количество загрязненных в результате промышленной деятельности регионов, подземных хранилищ вредных веществ, заброшенных шахт и горных выработок. Железо обладает способностью легко окисляться и образовывать ржавчину. Если это окисление происходит в присутствии таких опасных загрязняющих веществ, как трихлорэтилен, тетрахлорид углерода, диоксины или полихлорированные дифенилы (ПХД), то их сложные молекулы распадаются на более простые и менее токсичные углеродные компоненты.

Аналогичное явление наблюдается, когда окисление железа происходит в присутствии таких опасных тяжелых металлов, как свинец, никель, ртуть и даже уран. Тогда эти металлы образуют нерастворимые формы, которые оседают в почве и не переносятся по пищевой цепочке (следовательно, их вредное влияние на окружающую среду уменьшается).

Поскольку железо не обладает токсичным эффектом

ив большом количестве присутствует в горных породах, почве

иводе, многие компании в настоящее время начали применять железный порошок для очистки своих промышленных отходов перед выбросом их в окружающую среду. Эта технология пре-

194

красно подходит для новых промышленных отходов, но ученых беспокоит ситуация и со старыми отходами. В этом деле им могут помочь наночастицы железа.

Наночастицы железа в 10–1000 раз активнее обычных макроскопических частиц. Обладая меньшим размером и большей активной поверхностью, наночастицы могут легко проникнуть вцентр загрязненной зоны. Они легко переносятся вместе с грунтовыми водами и попутно очищают все окружающее пространство. Нарис. 7.25 показанапринципиальнаясхемаданногопроцесса.

Рис. 7.25. Нейтрализация опасных тяжелых металлов в почве и грунтовых водах инъекцией наночастиц железа

Благодаря наночастицам железа загрязнение возле места инъекции значительно падает уже за 1–2 дня и снижается практически до безопасного уровня за несколько недель. Результаты этих исследований показывают, что наночастицы железа остаются активными в течение 4–6 недель, т.е. до тех пор, пока не распределятся в грунтовых водах до достижения естественной концентрации железа в природе.

На свойства наночастиц железа не влияют кислотность, температура или содержание питательных веществ в почве. Крошечные размеры (1–100 нм, что в 10–1000 раз меньше бактерии) позволяют наночастицам железа легко и быстро перемещаться между частицами почвы. Лабораторные и полевые испытания показали, что можно быстро улучшить ситуацию в загрязненной окружающей среде. Более того, это открытие может

195

вдохновить других исследователей на поиски новых способов очистки от загрязняющих веществ. Следует отметить, что метод Чжана гораздо дешевле и эффективнее, чем раскопки загрязненной почвы и ее полная переработка обычными способами.

7.12. Нанотехнологии в переработке, утилизации и обезвреживании отходов

Ученые из Санкт-Перербурга создали урановые наноструктуры, с помощью которых можно решить проблему утилизации ядерных отходов [32].

В результате научных исследований были получены некие материалы, или наноструктуры на основе урана, благодаря которым можно разрабатывать новые технологии очистки окружающей среды от радиоактивных и токсичных элементов, переработки и захоронения жидких радиоактивных отходов, также их можно использовать при создании новых материалов с уникальными оптическими свойствами (рис. 7.26).

Рис. 7.26. Наноструктуры на основе урана

С помощью достигнутых разработок, помимо принципиально новых подходов к решению проблемы утилизации ядерных отходов, станет возможным создание новых материалов на основе урана, а также усиление защиты окружающей среды при его транспортировке.

196

Наноструктурные материалы находят все возрастающее применение в процессах переработки и обезвреживания отходов, от окисления органических загрязнителей с помощью частиц ТiО2 до связывания атомов тяжелых металлов наномасштабными поглотителями. Во многих случаях в качестве агентов окисления могут использоваться активированные облучением частицы (в растворах или аэрозолях). Недавно было обнаружено, что наноразмерные частицы ТiО2, подвергнутые УФ-облучению, могут очищать воздух от различных загрязнителей, включая опасные органические соединения, клетки, вирусы и ядовитые химикаты. Наноразмерные частицы, после соответствующей химической обработки их поверхности (образования производных соединений) лигандами или реагентами, могут эффективно связывать атомы тяжелых металлов или пассивировать загрязненные поверхности. Кроме того, предполагается, что нанотехнологии позволят так организовать химические производственные процессы, что в ходе их будет образовываться меньше отходов. В химии поверхностных явлений проводится изучение материалов со специально сконструированными наноструктурными поверхностями, которые обеспечат проведение требуемых реакций с образованием минимального количества отходов.

197

8.РАЗВИТИЕ ВОЕННЫХ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Сначала 90-х годов XX века нанотехнология стала развиваться как новая и перспективная отрасль. По прогнозам Национального фонда науки США, к 2015 году годовой оборот рынка нанотехнологий достигнет 1 трлн долларов. Сегодня ежегодное

государственное финансирование исследований и разработок в этой области составляет в США 800 млн долларов, в ЕС 750 млн долларов, в Японии до 500 млн долларов, в Китае более 100 млн долларов. Большая часть инвестиций в нанотехнологии осуществляется в интересах военных ведомств. Например, Пентагон ежегодно получает от 425 до 450 млн долларов на реализацию нанопрограмм. В середине 1990-х годов Пентагон включил нанотехнологии в список шести стратегических областей фундаментальных исследований, что предопределило стабильное финансирование данной научной области на долгосрочный период.

В 2000 году президент Билл Клинтон объявил о начале реализации «Национальной нанотехнологической инициативы», и под программу стали интенсивно выделяться достаточно большие средства. В период с 2005 по 2008 год на изыскания в этой области США выделили около 3,7 млрд долларов (включая

игражданские проекты).

В2004 году был составлен обновленный стратегический план «Национальной нанотехнологической инициативы», рассчитанный на период до 2015 года.

Он предусматривает финансирование следующих направлений: фундаментальные нанометрические явления и процессы; наноматериалы; нанометрические устройства и системы; иссле-

дование контрольно-измерительных приборов, метрология и нанотехнологические стандарты; производство наноизделий; создание специализированных лабораторий для проведения исследований и приобретение контрольно-измерительной аппаратуры.

198

Особую роль в достижении поставленных целей играет созданный на базе Массачусетского технологического института Институт военно-прикладных нанотехнологий. Институт занимается разработкой экипировки и вооружения в рамках семи проектов, каждый из которых посвящен повышению возможностей «солдата будущего». Среди первых опытных образцов, созданных в рамках одного из проектов, необходимо отметить боевой бронежилет толщиной несколько миллиметров. Такая «динамическая броня» будет содержать сложные наномолекулярные соединения, благодаря которым новая форма будет одновременно совмещать в себе бронежилет, а также экзоскелет и универсальное медицинское оборудование [33].

Для повышения жесткости костюма к нановолокнам добавляются наночастицы, которые соединяются между собой и упрочняют общую структуру. Кроме того, добавление различных наночастиц к нановолокнам позволит изменить электропроводность. Таким образом, существует возможность создания отдельных проводящих участков костюма, обеспечивающих связь расположенных внутри него сенсоров с управляющей системой.

Ведутся разработки новых материалов на основе нескольких полимеров, которые позволят защитить военнослужащего от пуль и осколков. В настоящее время также ведутся разработки по созданию энергопоглощающих полимеров на основе жидких кристаллов. Ключевыми материалами для перспективного костюма военнослужащего будут нановолокна на основе полиуретана, а также нанополимеры.

Ведутся научно-исследовательские и опытно-конструктор- ские работы (НИОКР) в области создания нанокерамических материалов. В частности, при использовании наноструктур из карбида кремния удалось в три раза повысить жесткость по сравнению с обычными изделиями из этого материала. На их основе выпускаются различные покрытия, в частности NanoTuf, которое состоит из наночастиц в растворе и в несколько раз увеличивает прочность пластика.

199

Кроме того, Пентагон ежегодно выделяет компании Inframat Corp. около 2 млрд долларов на исследования нанокраски (нанолака), которая позволит менять цвет наподобие хамелеона, а также предотвратит коррозию и сможет «затягивать» мелкие повреждения на корпусе машины.

Ученые, которые занимаются созданием нанооружия, утверждают, что благодаря потенциалу наносборки и молекулярного конструирования станет возможным создание невидимых видов вооружения, которое будет в десятки раз мощнее обычного оружия. Оно будет напоминать облако пыли, способное взорвать любой объект, в том числе и подземный.

По мнению ряда зарубежных военных специалистов, разведка местности с помощью «умных» молекул станет возможна уже через 7–10 лет. Облако «умной пыли» будет состоять из пылинок, представляющих собой часть системы наблюдения и анализа. Среди них будут видеокамеры с возможностью передачи информации, каналы связи, узлы обработки разведданных.

Такой разведцентр, напоминающий небольшое дымное облако, должен самостоятельно перемещаться и обладать высокой степенью живучести и защищенности.

Сейчас американские военные заявляют, что ни одна страна не может сказать, что она является лидером в гонке по созданию молекулярных самовоспроизводящихся сборщиков, так как пока никто не приблизился к решению этой проблемы. Но, по прогнозам аналитиков, такая гонка начнется в ближайшие несколько лет, когда будет решена проблема репликаторов. Пока же США тратит сотни миллионов долларов на одни только военные разработки всфере нанотехнологий, применяя в военной промышленности кроме собственно репликаторов и промежуточные достижения нанотехнологий – боевых роботов, микроскопические летательные аппараты, искусственный интеллект, новые болезнетворные вирусы, гибридыживыхиискусственных устройств.

Несмотря на широкое распространение информации о достижениях США в области нанотехнологий, теоретические наработки, принципы создания новых материалов и практические

200