Нанохимия и наноматериалы

Нанохимия и наноматериалы. Сегодня ученые умеют получать наноструктуры практически всех химических элементов, что дает огромную свободу для исследований. В последнее время стало известно, что наночастицы серебра гораздо лучше убивают бактерии, чем серебро в компактном состоянии, что делает их полезными для очистки воды и борьбы с инфекциями. На сегодняшний день наночастицы являются наиболее изученной областью нанохимии.

Свойства наносистем настолько отличаются от свойств макроскопических количеств тех же веществ, что их изучает особое научное направление под названием физикохимия наносистем или нанохимия. Активно развиваясь в последние десятилетия, нанохимия занимается изучением свойств различных наноструктур, а также разработкой новых способов их получения, изучения и модификации. Одна из приоритетных задач нанохимии - установление связи между размером наночастицы и ее свойствами.

Для промышленного получения наночастиц существует много способов: биохимический, радиационно-химический, фотохимический, электровзрывной, микроэмульсионный, детонационный, лазерная абляция в жидкости, конденсация, вакуумное испарение, ионная имплантация и др. Поскольку нанохимия – наука сравнительно молодая, пока нет ни единой терминологии, ни классификации того, что она изучает. Более того: можно сказать, что классификаций столько же, сколько ученых.

Относительно общепризнанным считается, что нанохимия исследует получение и свойства различных наносистем. Под наносистемой здесь понимается взвесь наночастиц размером не более 100 нм в некоторой среде. При этом сами наночастицы следует понимать как системы, состоящие из еще более мелких единиц – кластеров – минимальных строительных «кирпичиков» вещества.

Размер кластера не превышает 10 нм. Именно на уровне кластеров активно проявляются всевозможные квантовые эффекты. Нанотрубка – это полая внутри молекула, состоящая из порядка 1.000.000 атомов углерода и представляющая собой однослойную трубку диаметром около нанометра и длиной в несколько десятков микрон. На ее поверхности атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников. Удивительные свойства нанотрубок помогают им накапливать и хранить водород – экологичное топливо автомобилей будущего.

Для выработки электроэнергии в двигателях на топливных ячейках используется реакция водорода (H2) и кислорода (O2). При этом выхлоп автомобиля состоит из водяного пара (H2O). Раньше производители не могли и помыслить о таких автомобилях, потому что водород – самый легкий в мире газ, и несколько килограмм водорода – это уже огромный баллон. Автолюбители не стали бы таскать с собой гигантский пузырь и надувать его на бензоколонках. Но нанотрубки с наночастицами палладия могут компактно хранить водород в тысячи раз больше своего объема, а значит, сделают автомобили более мощными, дешевыми и экологичными.

Компания Toyota еще в 2001 приступила к испытаниям такого автомобиля. Ожидается, что к 2010 году японские компании выпустят 50.000 машин на топливных ячейках, а к 2020 году - уже 5.000.000! Hyundai, UTC Fuel Cells и ChevronTexaco открыли в Калифорнии экспериментальную водородную станцию, которая будет заправлять 5 машин Hyundai и Kia на водородных топливных ячейках.

Дальнейшее развитие технологии топливных ячеек позволит хранить в них в сотни и тысячи раз больше энергии, чем в современных батарейках. Есть все основания полагать, что нанотехнология сделает термоядерные приборы компактными и дешевыми. Автомобили смогут годами ездить без дозаправки водородом, а сотовому телефону и ноутбуку зарядное устройство вообще не понадобится. Большинство наносистем, получаемых промышленными методами, нестабильны, и если не создать необходимых условий для их консервации, они будут стремиться вернуться в свое компактное состояние.

Но как же тогда объяснить стабильность некоторых наночастиц, например, фуллеренов и нанотрубок? Ведь несмотря на свои нанометровые размеры, они превосходно существуют и «поодиночке», отнюдь не стремясь объединяться с себе подобными. Ввиду этой уникальной особенности, фуллерены, нанотрубки и некоторые другие наночастицы были названы «магическими», а числа входящих в них атомов – «магическими числами». Все атомы «магических» наночастиц крепко связаны между собой, что придает им необходимую стабильность.

Как уже отмечалось, свойства у наночастицы серебра на самом деле уникальные. Во-первых, это феноменальная бактерицидная и антивирусная активность. Об антимикробных свойствах, присущих ионам серебра, человечеству известно уже очень давно. В отличие от антибиотиков, убивающих не только вредоносные вирусы, но и пораженные ими клетки, действие наночастиц очень избирательно: они действуют только на вирусы, клетка при этом не повреждается! Дело в том, что оболочка микроорганизмов состоит из особых белков, которые при поражении наночастицами перестают снабжать бактерию кислородом.

Несчастный микроорганизм больше не может окислять свое «топливо» - глюкозу, и гибнет, оставшись без источника энергии. Вирусы, вообще не имеющие никакой оболочки, тоже получают свое при встрече с наночастицей. А вот клетки человека и животных имеют более «высокотехнологичные» стенки, и наночастицы им не страшны.

В настоящий момент проводятся исследования возможностей использования наночастиц серебра в фармацевтических препаратах. Но уже сейчас они находят огромное количество применений. Например, фирма «Гелиос» выпускает зубную пасту «Знахарь» с наночастицами серебра, эффективно защищающую от различных инфекций. Также небольшие концентрации наночастиц добавляют в некоторые кремы из серии “элитной” косметики для предотвращения их порчи во время использования. Добавки на основе серебряных наночастиц применяются в качестве антиаллергенного консерванта в кремах, шампунях, косметических средствах для макияжа и т.д. При использовании наблюдается также противовоспалительный и заживляющий эффект. Ткани, модифицированные серебряными наночастицами, являются, по сути, самодезинфицирующимися.

На них не может «ужиться» ни одна болезнетворная бактерия или вирус. Наночастицы не вымываются из ткани при стирке, а эффективный срок их действия составляет более шести месяцев, что говорит о практически неограниченных возможностях применения такой ткани в медицине и быту. Материал, содержащий наночастицы серебра, незаменим для медицинских халатов, постельного белья, детской одежды, антигрибковой обуви и т.д и т.п. Наночастицы способны долго сохранять бактерицидные свойства после нанесения на многие твердые поверхности (стекло, дерево, бумага, керамика, оксиды металлов и др.). Это позволяет создать высокоэффективные дезинфицирующие аэрозоли длительного срока действия для бытового применения.

В отличие от хлорки и других химических средств обеззараживания, аэрозоли на основе наночастиц не токсичны и не вредят здоровью людей и животных. Люди всегда искали способы борьбы с инфекциями, передаваемыми воздушно-капельным путем – гриппом, туберкулезом, менингитами, вирусным гепатитом и т. п. Но, увы, воздух в наших квартирах, офисах и особенно в местах массового скопления людей (больницы, общественные учреждения, школы, детские сады, казармы, тюрьмы и т. п.) перенасыщен патогенными микроорганизмами, выдыхаемыми зараженными людьми.

Традиционные способы профилактики не всегда справляются с этой проблемой, поэтому нанохимики предложили для ее решения очень элегантный способ: добавить в лакокрасочные материалы, покрывающие стены заведений, наночастицы серебра.

Как оказалось, на покрашенных такими красками стенах и потолках не может «жить» большинство патогенных микроорганизмов. Наночастицы, добавленные в угольные фильтры для воды, практически не вымываются с ней, как это происходит в случае обычных серебряных ионов.

Это говорит о том, что срок действия таких фильтров будет несоизмеримо больше, а качество очистки воды возрастет на порядок. Крошечные, незаметные, экологически чистые серебряные наночастицы могут применяться везде, где необходимо обеспечить чистоту и гигиену: от косметических средств до обеззараживания хирургических инструментов или помещений. При этом, как уверяют ведущие российские ученые в данной области, стоимость средств и материалов, созданных на их основе, будет не намного дороже традиционных аналогов, и с развитием нанотехнологий они станут доступны каждому.

Фирма Samsung уже добавляет наночастицы серебра в сотовые телефоны, стиральные машины, кондиционеры и другую бытовую технику. 3.