Учебное пособие 800681

Многостенные (multi-walled) нанотрубки отличаются от одностенных значительно более широким разнообразием форм и конфигураций. Разнообразие структур проявляется как в продольном, так и в поперечном направлении [3].

Нанотрубки бывают большие и маленькие, однослойные и многослойные, прямые и спиральные. Несмотря на кажущуюся хрупкость и даже ажурность, нанотрубки оказывается очень прочными, как на растяжение, так и на изгиб. Более того, под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки не "рвутся" и не "ломаются", а перестраиваются.

Особенности строения углеродных нанотрубок влияют на их физико-химические свойства, которые отличаются от свойств фуллеренов и графита. Фуллерены имеют небольшой объем внутренней полости, в котором могут поместиться лишь несколько атомов других элементов. Углеродные нанотрубки имеют больший объем. Фуллерен может образовывать молекулярные кристаллы, графит – слоистый полимерный кристалл. Нанотрубки представляют промежуточное состояние. Однослойные трубки ближе к молекулам, многослойные – к углеродным молекулам.

Углеродные нанотрубки характеризуются необычными электрическими свойствами: они могут быть металлическими или полупроводящими в зависимости от их диаметра и хиральности. Металлические трубки обычно имеют кресельную структуру. В металлическом состоянии проводимость нанотрубок очень высока. Они могут пропускать миллиард ампер на квадратный сантиметр. Медный провод выходит из строя при миллионе ампер на квадратный сантиметр из-за того, что джоулев нагрев приводит к плавлению провода. Одной из причин высокой проводимости углеродных нанотрубок является очень малое количество дефектов, вызывающих рассеяние электронов, а следовательно и очень низкое сопротивление. Поэтому большой ток не нагревает трубку так, как он разогревает медный провод. Этому также способствует высокая теплопроводность нанотрубок. Она почти вдвое превышает теплопроводность алмаза, поэтому они являются хорошими проводниками тепла.

Кроме этого, углеродные нанотрубки при низких температурах проявляют магниторезистивный эффект, обладают высокой прочностью, при изгибе очень упруги. При изгибе углеродные нанотрубки не ломаются, так как имеют мало структурных

91

дефектов. Другая причина того, что они не ломаются состоит в том, что углеродные кольца стенок в виде правильных шестиугольников при изгибе меняют свою структуру, но не рвутся. Это является уникальным следствием того факта, что углерод-углеродные связи sp2 гибридизированы и могут перегибридизироваться при изгибе. Степень изменения и коэффициенты s – p смешивания зависят от того, насколько изогнуты связи.

Углеродные нанотрубки нашли широкое применение в различных областях техники благодаря своим уникальным свойствам.

При приложении небольшого электрического поля вдоль оси нанотрубки с ее концов происходит очень интенсивная эмиссия электронов. Подобные явления называют полевой эмиссией. Этот эффект легко наблюдать, прикладывая небольшое напряжение между двумя параллельными металлическими электродами, на один из которых нанесена композитная паста из нанотрубок. Достаточное количество трубок окажутся перпендикулярными электроду, что позволяет наблюдать полевую эмиссию. Одно из применений этого эффекта состоит в усовершенствовании плоских паненельных дисплеев.

Композитный пластик с нанотрубками может оказаться легким материалом, экранирующим электромагнитное излучение. Это очень важно для военных целей, развивающих идеи цифрового представления поля боя в системах управления, контроля и связи.

Разработано уже и несколько применений нанотрубок в компьютерной индустрии. Например, в настоящее время сконструирован полевой транзистор, являющийся переключательным элементом в компьютере, на основе полупроводниковых углеродных нанотрубок, соединяющих два золотых электрода. Другой активно развиваемой идеей является создание компьютера из нанотрубок. Другим возможным применением нанотрубок является хранение в них водорода, что может быть использовано при конструировании топливных элементов как источников электрической энергии в будущих автомобилях. Метод заполнения углеродных нанотрубок водородом состоит в использовании для этого электрохимической ячейки. Нанотрубки могут найти применение в качестве очень прочных микроскопических стержней и нитей. Как показывают результаты экспериментов и численного моделирования, модуль

92

Юнга однослойной нанотрубки достигает величин порядка 1-5 ТПа, что на порядок больше, чем у стали.

Необычные электрические свойства нанотрубок сделают их одним из основных материалов наноэлектроники. Уже сейчас созданы опытные образцы полевых транзисторов на основе одной нанотрубки: прикладывая запирающее напряжение в несколько вольт, ученые научились изменять проводимость однослойных нанотрубок на 5 порядков.

В настоящее время главными областями применения углеродных нанотрубок являются, электроника и автомобилестроение (здесь нанотрубки используются для придания полимерам антистатических и проводящих свойств), спортивные товары (углеродные нанотрубки входят в состав композитов, из которых они изготавливаются) [4].

Ожидается также увеличение компаниями производственных мощностей и рост производства, что соответственно приведет к снижению цены, а, следовательно, доступности УНТ. Все это вместе с ростом спроса обеспечит интенсивное использование углеродных нанотрубок в большом количестве разнообразных отраслей.

Литература 1. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. [Текст] / Пул Ч.- М.:

Техносфера,2006.-336с.

2.Елецкий А.В. Углеродные нанотрубки [Текст]: / Елецкий А.В. - М.: УФН, 2002. - № 4. - 403c.

3.Золотухин И.В. Углеродные нанотрубки [Текст]:/ Золотухин И.В. – В.: Физика, 1999. – 1 с.

4.Чернозатонский Л. А. Сорокин П. Б. Углеродные нанотрубки: от фундаментальных исследований к нанотехнологиям [Текст]: / Ю.Н. Бубнова. - М.: Наука, 2007

Воронежский государственный технический университет

93

УДК 502

И.Е. Рохас Риоха

ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА ДЛЯ АНАЛИЗА ЗАГРЯЗНЕНИЙ ВОЗДУХА

Обсуждаются преимущества применения спектрофотометрического метода для анализа загрязнений воздуха. Рассмотрены методики определения концентраций сероводорода, аммиака, фтороводорода, марганца, оксидов азота, диоксида кремния

В настоящее время серьезные опасения вызывает химическое загрязнение воздушной среды несвойственными ей веществами [1]. Оно приводит к заболеваниям дыхательных путей, сердечнососудистой системы.

Анализ загрязнений воздуха является очень трудной задачей, поскольку в пробе одновременно может присутствовать большое количество токсичных примесей [2, 3]. Одним из широко распространенных методов исследования загрязнений воздушной среды является спектрофотометрия в видимой области спектра. В его основе лежит измерение ослабления светового потока, происходящее в результате избирательного поглощения света определяемым веществом в видимой области спектра. Исследуемый компонент переводят в окрашенное соединение при помощи специфической химической реакции, затем проводят определение интенсивности окраски раствора. Если анализируемый ингредиент поглощает в видимой области спектра, то отпадает необходимость получения окрашенного раствора. Используемые в спектрофотометрии приборы делятся на два типа:

1.Приборы, в которых проводится визуальное сравнение окрасок рабочего и стандартного растворов;

2.Приборы, в которых определяются абсолютные или относительные интенсивности световых потоков, прошедших через раствор (фотометры).

Методика определения количества сероводорода по реакции

образования метиленового голубого предназначена для установления концентрации сероводорода в диапазоне 5 – 50 мг/м3. Метод основан на образовании метиленового голубого в результате взаимодействия N,N'-диметил-n-фенилендиамина и хлорного железа

94

с сульфидом кадмия, который появляется при улавливании сероводорода в сорбционной трубке с пленкой водно-глицериновой суспензии гидрооксида кадмия. По интенсивности окраски раствора определяют концентрацию сероводорода. Значения оптической плотности измеряют при длине волны =675 нм.

Для определения концентрации аммиака в технологических газах в диапазоне 0,2 – 5 мг/м3 используется методика с реактивом Несслера. Метод измерения основан на образовании окрашенного в желтый цвет соединения при взаимодействии аммиака с реактивом Несслера и последующем определении концентрации аммиака спектрофотометрическим методом. Получению точных результатов могут помешать аммонийные соли, некоторые амины алифатического ряда, формальдегид концентрацией больше 0,2 мг/м3, сероводород концентрацией больше 0,4 мг/м3, хлор концентрацией больше 0,2 мг/м3. Оптическую плотность измеряют при длине волны =450 нм.

Методика определения концентрации фтороводорода спектрофотометрическим методом позволяет обнаружить содержание этого вещества в диапазоне концентраций 0,03 – 50 мг/м3. Возможно использование данной методики при аварийных выбросах с концентрацией до 2000 мг/м3. В основе метода лежит фазовое разделение соединений фтора при пропускании газового потока последовательно через патрон из фторопластовой стружки и через поглотительные приборы с водой или поглотительным раствором. Для определения концентрации газообразных фторидов растворы из поглотительных приборов анализируют спектрофотометрически лантанализаринкомплексоновым методом, заключающимся во взаимодействии пурпурного ализаринкомплексоната лантана с фторид-ионами, в результате чего образуется вещество синего цвета. Интенсивность окраски этого соединения пропорциональна концентрации фторид-ионов. Измерению могут помешать ионы алюминия. Их влияние устраняют в процессе отбора проб, помещая перед поглотительными приборами патрон с фильтром. Оптическая плотность определяется при длине волны =610 нм.

Методика измерения концентрации марганца спектрофотометрическим методом дает возможность вычислить содержание этого вещества при массовой доле его в пыли 0,02 – 2 %. В основе метода лежит определение интенсивности окраски

95

раствора марганцевой кислоты, полученной при окислении ионов двухвалентного марганца до семивалентного иодидом калия в сернокислой среде. Оптическую плотность раствора измеряют при длине волны =550 нм.

Методика определения концентрации оксидов азота спектрофотометрическим методом с использованием реактива Грисса – Илосвая предназначена для нахождения содержания суммы оксида азота и диоксида азота в диапазоне концентраций 10 – 1000 мг/м3. Данный метод основан на взаимодействии нитрит-иона и n- аминобензолсульфокислоты (сульфаниловой кислоты) с образованием диазосоединения, которое, реагируя с 1- нафтиламином, дает азокраситель, окрашивающий раствор от бледно-розового до красно-фиолетового цвета. Интенсивность окраски этого соединения пропорциональна содержанию нитритов. Получению точных результатов может помешать диоксид серы. Для устранения влияния диоксида серы при отборе газа перед газовой пипеткой устанавливают трубку с кристаллическим оксидом хрома (VI) и добавляют в поглотительный раствор 10 % ацетона. Оптическую плотность раствора измеряют при длине волны =540 нм.

Методика определения концентрации диоксида кремния спектрофотометрическим методом служит для расчёта содержания этого загрязнителя при массовой доле его в пыли 0,5 – 10 %. В основе данного метода лежит взаимодействие кремниевой кислоты с молибдатом аммония и определение окраски восстановленного кремнемолибденового комплекса. Оптическую плотность образцов измеряют при длине волны =810 нм.

Спектрофотометрический метод отличается высокой чувствительностью, точностью, быстротой проведения измерений. Перечисленными достоинствами и объясняется широкое использование указанного метода для анализа загрязнений воздушной среды.

Литература

1.Голдовская Л.Ф. Химия окружающей среды / Л.Ф. Голдовская. – М.: Бином. Лаборатория знаний, 2007. 295 с.

2.Голицын А.Н. Промышленная экология и мониторинг загрязнения природной среды / А.Н. Голицын. – М.: Оникс, 2007. 336 с.

96

3. Коновалов Д.А. Расчёты процессов и аппаратов защиты окружающей среды / Д.А. Коновалов, Д.А. Прутских. – Воронеж:

ВГТУ, 2011. 137 с.

Воронежский государственный технический университет

УДК 544:61:615.4

Д.А. Студеникин, А.Н. Корнеева, В.В Корнеева

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ В МЕДИЦИНЕ. ТКАНЕВАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

В статье рассматривается развитие наноматериалов для использования в медицине, развитие тканевой инженерии и ее достижения

В настоящее время большое внимание уделяется перспективам развития нанотехнологий. Область применения нанотехнологий в настоящий момент быстро расширяется, при этом не до конца известны свойства нанотехнологий, их положительных и отрицательных сторон. Новое междисциплинарное направление медицинской науки в настоящее время находится в стадии становления.

Представляется актуальным нахождение нанороботов в нервной системе для анализа ее деятельности, а также возможность корректировки собственной ДНК, например, для лечения аллергии и диабета. Медицинские нанороботы предоставят возможность оживления людей, замороженных методами крионики.

Типичный медицинский наноробот будет иметь микронные размеры, позволяющие двигаться по капиллярам, и состоять из углерода. Углерод является основным элементом в живых организмах, поэтому его использование в биомедицинских целях не вызывает отрицательных последствий. В настоящее время целый ряд групп ученых во всем мире работает над созданием микроустройств, которые могли бы работать внутри человеческого организма. Медицинские нанороботы, оснащенные нанолазерами, будут способны проводить тончайшие бескровные операции на сосудах головного мозга, сердечных клапанах и других жизненно важных органах.

97

Две формы наноматериалов уже протестированы на мышах и ожидают испытаний на людях. Это использование золотых нанокапсул, которые помогают диагностировать и лечить рак, и использование липосом, сферических везикул, имеющих один или несколько липидных бислоев [рис.1], как вспомогательного средства для вакцин в качестве транспорта для лекарств [1].

Польза от использования наноразмеров в медицинских технологиях состоит в том, что меньшие устройства менее инвазивны, и их можно имплантировать внутрь тела, кроме того значительно меньше времени занимают биохимические реакции. Эти устройства быстрее и чувствительнее, чем типичные средства доставки лекарств. Аналогично, избавление от токсичности лекарств — это другое применение наномедицины, которое показало многообещающие результаты на крысах.

Будучи наноразмерными управляемыми объектами, они могут проникать в тончайшие капилляры кровеносной системы, удаляя атеросклеротические бляшки и прочищая сосуды, разрушая тромбы и восстанавливая нормальный ток крови, избавляя человека от инфарктов и инсультов. Общий объём потребления лекарства и побочные эффекты могут быть значительно снижены с помощью размещения активного агента только в больном регионе, и в дозе не большей, чем требуется.

Рис.1 Липидный бислой

Этот выборочный метод может снизить стоимость лечения и страдания людей. В качестве примера можно привести дендримеры и нанопористые материалы.

Дендримеры – трехмерные разветвленные монодисперсные макромолекулы. Типичным для структуры дендримеров (рис. 2)

98

является повторяющийся паттерн ветвления вокруг центрального ядра, что обеспечивает геометрическую правильность дендримеров. После достижения пяти порядков ветвления, дендримеры начинают содержать в своем составе многочисленные полости, которые могут использоваться как наноконтейнеры для лекарственных препаратов [2]. Определенная последовательность химических реакций в ходе синтеза дендримеров обеспечивает формирование макромолекулярного комплекса с заданными свойствами. Уникальные свойства дендримеров делают их перспективными носителями лекарственных препаратов. Установлено, что дендримеры, размерность которых 1-100 нм, могут служить носителями как гидрофильных, так и гидрофобных лекарственных молекул, причем высвобождение лекарственных средств является контролируемым. Другое видение проблемы базируется на маленьких электромеханических системах. Наноэлектромеханические системы (нанороботы) (рис. 3) исследуются для активного высвобождении лекарств.

Целенаправленная медицина предназначена для уменьшения потребления лекарств и стоимости лечения, что в результате даёт общественную пользу, снижая затраты на здравоохранение.

Абстрактные наночастицы размерами от 1 до 100 нанометров станут использоваться при лечении раковых заболеваний. По итогам опытов над животными можно предположить, что частицы размером менее 150 нанометров, нейтральные или обладающие слегка отрицательным зарядом, могут проникать сквозь ткани опухоли [3].

Последние исследования показывают, что наночастицы размером от 50 до 100 нанометров, несущие легкий положительный заряд, могут проникать в крупные опухоли вследствие

99

систематического введения [4]. Если размер определен верно, эти наночастицы не смогут проникнуть в здоровую сосудистую сеть (для этого их размер должен составлять менее 1−2 нанометров). В этой методике наночастицы группируются вместе внутри опухоли, формируя крупные образования, которые уже возможно зарегистрировать с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ). Проводимое исследование, которое сейчас находится на стадии экспериментов с животными, включает в себя инъекцию железных наночастиц в кровяное русло, по которому они достигают раковых опухолей [5]. Идея открытия состоит в том, что злокачественные образования должны формировать новые кровеносные сосуды для своего роста. Но так как этот рост происходит слишком быстро, образуются промежутки между клетками эндотелия, выстилающими внутреннюю поверхность сосудов. Именно через эти промежутки наночастицы и проникают в новообразования. Внутри же опухоли можно запустить процесс «склейки» наночастиц с помощью механизма, разработанного учеными из Массачусетского технологического института. Итоговая наночастица становится слишком большой, магнитный сигнал от нее становится больше, чем сигнал от отдельных наночастиц, так что его уже возможно зарегистрировать.

«Мы проводили инъекцию наночастиц, которые затем склеивались под действием фермента, – говорит Сангита Бхатиа (Sangeeta N. Bhatia), доцент факультета наук о здоровье. Когда они собираются внутри опухоли, они становятся более видимыми на МРТ. Подобное позволяет неинвазивным способом вести наблюдение за быстро растущими объемами в опухоли».

Так же было продемонстрировано использование нанооболочек диаметром 120 нм, покрытых золотом, для уничтожения раковых опухолей в мышах. С помощью облучения зоны опухоли инфракрасным лазером, который проходит через плоть, не нагревая её, золото нагревается достаточно для смерти раковых клеток.

Впоследствии наночастицы смогут переносить лекарства, необходимые для разрушения новообразований. Это позволит отказаться от таких тяжелых способов лечения, как химиотерапия или облучение.

Современный уровень развития восстановительной хирургии невозможно представить без реконструктивных хирургических

100