Производство все большего количества товаров, содержащих продукты нанотехнологий (наночастицы, углеродные нанотрубки, нанопористые материалы и т.д.), означает необходимость отработки процессов их утилизации. В противном случае накопление таких продуктов в почве, атмосфере, гидросфере планеты может привести к непредсказуемым последствиям, а их достоинства (например, высокая реакционная способность, обусловленная высокой удельной площадью поверхности) могут стать грозным оружием, развернувшимся против человечества.

«Нанокрохи» обладают очень высокой проникающей способностью независимо от того, из какого вещества они сделаны, поэтому в организм человека и прочих живых существ могут попасть молекулы тяжелых металлов или других токсичных веществ. Как показывают многие современные исследования, наночастицы способны не только проникать в ткани живых организмов, но и накапливаться в них.

Однако нанотехнологии «грозят» человечеству не только неприятностями? у медали существует и другая сторона. Современные разработки в области нанотехнологий уже сегодня способны внести значительный вклад в улучшение экологической обстановки на нашей планете или хотя бы снизить степень ее неблагоприятного воздействия на человека. Ниже приведены несколько важных примеров.

НАНОПОРИСТЫЕ МЕМБРАНЫ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ

Хотя фильтрующие и очистные станции, призванные обеспечивать человека питьевой водой, установлены и устанавливаются в различных уголках земного шара, их успех весьма ограничен — используемые активные материалы весьма неэффективны. Наноматериалы, обладающие высокой удельной площадью поверхности, обладают гораздо большей активностью.

Например, современные наномембраны способны очищать воду от мельчайших примесных частиц (в том числе от взвесей железа) размером более 0.1 мкм, доводя ее до прозрачности двойного дистиллята. Кроме того, они обеспечивают безреагентное (бесхлорное) обеззараживание воды от широкого класса болезнетворных микроорганизмов, в том числе кишечной палочки E.coli. Ученые из Физико-энергетического института (ФЭИ) им. А.И. Лейпунского разработали методику производства наномембран методом плазмохимического синтеза на поверхности пористых подложек. В ее основе заложен принцип самосборки наноразмерных структур в потоке частиц плазмы. В зависимости от состава эрозионной плазмы, режимов осаждения ее на подложку технология позволяет получать наноструктурные мембраны с заранее заданными структурными и, соответственно, фильтрационными свойствами. Структура поверхности мембраны содержит миллиарды нанощелей, которые задерживают мельчайшие взвешенные частицы. При чрезвычайно малой толщине наноструктурированной мембраны ей не страшны давление, вибрация, она устойчива к истиранию абразивными материалами – рабочие свойства изделия не ухудшатся. На сегодняшний день плазмотрон института может за одни сутки обеспечить производство около 400 штук мембранных фильтроэлементов, которые при использовании потребителем способны очистить не менее 40 м³ жидкости за час – объем железнодорожной цистерны.

Нанопористые материалы и мембраны обладают чрезвычайно широким спектром применения: очистка питьевой воды в общественных учреждениях и ЖКХ, переработка канализационных стоков, фильтрация топлива и машинных масел и т.д.

Различные материалы (наночастицы оксидов, диоксида титана, тонкие покрытия и мезопористые волокна) могут обеспечить быстрое уничтожение бактерий и их спор благодаря процессу фотовольтаического окисления. Наночастицы серебра и диоксида титана наиболее успешно очищают воду от органических загрязнителей.

Рис. 1. Пример наномембраны.

НАНОФЛЮИДИКИ С ПОВЫШЕННОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬЮ

Хорошо известна концепция, согласно которой, добавляя в жидкость твердые частички, можно улучшить ее теплопроводность. Начало исследований в этой области можно отследить вплоть до работ Максвелла в XIX веке, однако практическое применение такого подхода было ограничено невозможностью создания частиц подходящего размера. При использовании слишком крупных частичек наблюдается множество побочных проблем: их осаждение из раствора, засорение каналов, износ влажных частей насосов. В последнее время наблюдается повышенный интерес к разработке методов синтеза проводящих частиц размером 20—40 нм, способных улучшить как теплопроводность, так и течение жидкости. Использование нанофлюидиков на основе наночастиц может привести к созданию меньших по размеру, более легких двигателей, насосов, радиаторов и других деталей. Соответственно, более легкие автомобильные и авиационные двигатели будут характеризоваться меньшим расходом топлива и более высокими экологическими показателями.

В настоящее время лидерами в производстве нанофлюидиков являются американские и английские компании, но и российские ученые ведут связанные с этой темой исследования. Например, исследователи из Московского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева разработали и запатентовали технологию производства углеродных нанотрубок в процессе каталитического пиролиза. Они построили лабораторный реактор производительностью 15 г/ч. При помощи ультразвука и добавок различных сурфактантов ученые изготавливают стабильные дисперсии углеродных нанотрубок в воде и органических растворителях. Такие дисперсии можно использовать как теплопроводящие нанофлюидики или сырье для создания макроскопических листов «нанобумаги» из углеродных нановолокон.

Очень интересна также работа исследователей из Корнелльского университета. Ученые разработали наночастицы, обладающие жидкостным поведением и способностью к течению даже в отсутствие растворителя. К настоящему времени они получили безрастворные нанофлюидики на основе оксидов кремния, титана, железа. Важнейший элемент работы — возможность систематически варьировать размеры и форму наночастиц, а также природу взаимодействия между ними, модифицируя поверхность наночастиц. Комбинация текучести в отсутствие растворителя и чрезвычайно низкого давления собственных паров предлагает новые уникальные возможности. Полученные нанофлюидики весьма экологичны, они позволяют избежать всех опасностей, связанных с использованием летучих растворителей в обычных коллоидных суспензиях. Кроме того, они могут служить в качестве теплопереносящих жидкостей, любрикантов или топлива.

Рис. 2. Рабочая схема с использованием нанофлюидики.

КАТАЛИЗАТОРЫ СГОРАНИЯ ТОПЛИВА

Катализаторы и продукты, произведенные с их участием, окружают нас на каждом шагу. Они представляют собой соединения, ускоряющие ту или иную химическую реакцию, но непосредственно в результате этой реакции не изменяющиеся. Практически любые продукты современной химической промышленности, будь то синтетические волокна, пластмассы, эластомеры, пестициды или лекарственные препараты, изготавливаются в каталитических процессах. Кроме того, существует и развивается целая отрасль экологического катализа, наиболее очевидный пример которого — каталитический конвертор автомобиля, очищающий выхлопные газы двигателя.

Основная задача при использовании любого катализатора — обеспечение как можно большей площади контакта каталитических частиц с реагентами. Наночастицы различных металлов или их оксидов, благодаря огромной удельной площади поверхности, могут стать прекрасными катализаторами. Катализ сгорания топлива наночастицами увеличивает скорость горения и, соответственно, максимизирует высвобождение энергии, в то же время уменьшая количество выхлопных газов, особенно оксидов азота.

Одна американская компания разработала присадку к дизельному топливу F2–21, которая при добавке в бак формирует трехмерную матрицу, состоящую из каталитических нанокластеров. При попадании в камеру сгорания нанокластеры быстро нагреваются и в буквальном смысле слова взрываются, что обеспечивает два важных преимущества.

• Во-первых, крупные капли топлива разбиваются на более мелкие и быстрее испаряются, а
• во-вторых, увеличение турбулентности приводит к лучшему локальному смешиванию паров топлива с воздухом.

Кроме того, при взрыве нанокластеров рядом с поверхностью камеры сгорания последняя очищается от нагара. Чистая камера сгорания работает при более низкой температуре, меньше загрязняет атмосферу вредными выхлопами, включая оксиды азота, а также позволяет использовать топливо со значительно меньшим октановым числом.

Другое важное применение катализаторов в транспортных средствах – дожиг топлива. Например, созданный в Британии катализатор на основе палладия и цинка позволяет восстанавливать опасные для здоровья человека оксиды азота до молекулярного азота и кислорода.

АЭРОГЕЛИ

В условиях превалирования «грязных» способов производства энергии единственный выход предотвратить экологический ущерб – потреблять и, соответственно, производить меньше энергии. Термоизоляция – очевидное решение задачи экономии энергии, решаемое посредством аэрогелей — пористых материалов, представляющих результат реакции золь-гель-поликонденсации. Химический состав аэрогеля, его наноструктуру и физические свойства можно контролировать. С помощью различных добавок можно существенно изменить и улучшить свойства чистого аэрогеля или придать ему дополнительные возможности в зависмости от приложения, в котором предполагается его использование.

Рис. 3. Блок аэрогеля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Перечисленные выше примеры отнюдь не исчерпывают потенциал использования нанотехнологий с целью энергосбережения и улучшения экологической обстановки на планете. В самом ближайшем будущем на рынок выйдут органо-полимерные фотовольтаические элементы и гибкие, легкие пленочные солнечные батареи на их основе, а также оптоволоконные сенсоры на основе нанотел, которые можно использовать для обнаружения и контроля уровня химических веществ и биологических объектов в окружающей среде. «Умные» наноструктурированные материалы – предмет большого интереса с точки зрения задачи захвата и дезактивации распыленных в воздухе биологических агентов, а также усовершенствования стандартных систем вентиляции. Нанотехнологии могут способствовать созданию относительно недорогих, быстрых и эффективных методик очистки зон загрязнения. Способность контроля и направленного дизайна наноматериалов дает возможность увеличения их селективности, емкости и сродства к загрязнителям как результата повышенной реакционной способности, площади поверхности, приповерхностного транспорта и/или их изолирующих свойств. Одним словом, нанотехнологии требуют пристального внимания с точки зрения безопасности, однако их правильное использование может дать новый шанс человечеству на более «зеленое» будущее.

По материалам приложения к журналу «Российские нанотехнологии» – «В мире нано» № 5 2010 год.