1407

7. НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ НА СЛУЖБЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ И БИОЛОГИЧЕСКОЙ

БЕЗОПАСНОСТИ

Сегодня технологическая и биологическая безопасность общества невозможна без внедрения новых технологий и материалов. Нанотехнологии объединяют все технические процессы, связанные непосредственно с атомами и молекулами [51]. Слово «технологии» означает создание из доступных материалов того, что необходимо человеку, а нанотехнологии – это создание того, что нужно человеку, из атомов и групп атомов (они называются наночастицами) при помощи специальных приборов.

Таким образом, нанотехнологии основываются на природных свойствах, но возможности живой природы ограничены, она не может работать ни с высокими температурами, которые необходимы, например, для производства керамики, ни с металлическими проводниками. Однако современные технологии располагают возможностью создания целого ряда искусственных условий – абсолютной чистоты, холода, вакуума, – при которых материя обнаруживает удивительные свойства.

Рис. 7.1. Разнообразие наноматериалов и структур

121

В предыдущих главах мы рассмотрели самые разнообразные и уникальные свойства наноматериалов, полученных различными методами. На рис. 7.1 представлено разнообразие наноматериалов, используемых в различных областях. Далее рассмотрим основные области применения наноматериалов.

7.1. «Умные» материалы

Благодаря особенным свойствам нанотехнологий ученые не только синтезируют новые вещества, но и задают им желаемые свойства (например, манипулируя размером наночастиц в композитах). Главной задачей в реализации таких материй является то, что в процессе воздействия внешней среды должна наблюдаться не просто реакция, обусловленная свойством данного вещества, а желаемое изменение, которое несет вполне конкретный практический смысл. Бурное развитие нанотехнологий позволяет исследователям получить по-настоящему «умные» материалы, которые находят применение в самых различных сферах человеческой деятельности [8].

«Потеющий» металл. Примером «умного» материала является «потеющая» сталь – сталь, способная благодаря капиллярной пористой структуре пропускать жидкость, которая выделяется при этом на поверхности изделий в виде капель или паров. Причиной создания такой инновации стала проблема защиты стальных конструкций от воздействия критических температур. Для предотвращения механической деформации была разработана пористая структура стали с содержащимися в ней наночастицами меди. Как известно, температура плавления этих металлов различна. Как только материал подвергается воздействию критической температуры, частицы меди переходят в жидкое состояние и выступают наружу, унося тем самым излишки тепла, что предотвращает деформацию конструкции (рис. 7.2).

«Электронный язык», «электронный нос». Для анализа многокомпонентных жидкостей ученые из Санкт-Петербург- ского университета Ю. Власов и А. Легин совместно с итальянскими коллегами из Римского университета «Тор Вергата» изго-

122

товили систему химических сенсоров типа «электронный язык». Этот прибор распознает жидкости сложного состава по вкусу, т.е. выполняет работу электронного дегустатора. В основе этой системы – массив сенсоров [8].

Рис. 7.2. Компьютерная модель «потеющего» металла при низкой температуре

Издавна принято различать четыре основных вкуса: кислый, сладкий, соленый и горький. В целом же считается, что вкусовые ощущения связаны с характерными сигналами – «отпечатками», порождаемыми разными сочетаниями импульсов от вкусовых рецепторов языка. На этих же принципах строится и работа электронного языка.

Электронный язык состоит из четырех химических сенсоров, каждый из которых реагирует на тот или иной базовый вкус. Молекулы разного вкуса отличаются друг от друга по размеру. В зависимости от количества поступивших молекул каждый наносенсор подает сигнал на прибор, который составляет диаграмму вкуса анализируемого вещества.

Возможности распознавания вкуса с помощью «электронного языка» ученые показали на примере минеральной воды, соков, кофе и растительного масла: электронный дегустатор успешно различил около 30 видов грузинских и итальянских минеральных вод, более 30 различных соков, 15 типов кофе, представляющих смеси разных близких по вкусу сортов. Разумеется, «электронный язык» легко отличил настоящую природную ми-

123

неральную воду от ее искусственной подделки, хотя по основному химическому составу они были практически идентичны.

«Электронный нос» имитирет работу человеческого органа обоняния и представляет собой программируемый набор датчиков, каждый из которых «нюхает» отдельный компонент запаха вещества или продукта. Чем больше датчиков установлено, тем точнее результат.

«Электронный нос» с помощью наносенсоров способен уловить и детектировать настолько малые концентрации веществ, что с ним не сравнится ни одна ищейка. В одном из вариантов электронного носа присоединение молекулы к поверхности сенсора, представляющего собой тончайшую иглу толщиной в 100 нм и длиной 50 мкм, вызывает изменение частоты колебаний иглы за счет изменения ее массы. Измеряя новую частоту колебаний иглы, можно определить присутствие специфических групп молекул.

«Умная» жидкость. Благодаря созданию композиционных материалов на основе диэлектрических и магнитных наночастиц при воздействии электрических и магнитных полей возможно манипулировать вязкостью жидкой материи (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Ферромагнитная жидкость под действием изменяющегося магнитного поля

Воздействие полей нарушает хаотичное расположение частиц внутри жидкости и приводит к изменению физических свойств вещества. Изменение свойств субстанции напрямую связанно с явлением, которое носит название «поляризация». В способности заряда менять свою пространственную ориентацию под воздействием внешнего поля и заключается принцип работы «умной» жидкости.

124

Рис. 7.4. Явление поляризации на примере атома

Явление поляризации можно пояснить при помощи иллюстрации. На рис. 7.4 представлена модель атома. Форма атома до воздействия поля (слева) и после воздействия (справа) различна. Как известно, разноименные заряды притягиваются, одноименные отталкиваются. Поэтому, создавая поле, мы тем самым вынуждаем положительно заряженное ядро сместиться к области отрицательного потенциала, а отрицательный электрон – к области положительного потенциала другого атома. Этим и достигается пространственнаяориентациязарядов.

Одежда-невидимка. Первые образцы костюма-невидимки представляют собой наноматериал, наделенный миниатюрными видеодатчиками и светоизлучающими элементами. Каждый датчик, который расположен на поверхности костюма, принимает изображение, к примеру, со спины, после чего посылает видеосигнал на процессор, который выполняет функцию перенаправления этого сигнала на соответствующий участок «экрана» спереди. Материал такого костюма – это совокупность микропередатчиков и микроприемников изображения. То, что фиксируется со спины, проецируется на переднюю часть костюма, с помощью микропроцессора, и наоборот. Тем самым и создается эффект невидимости [8].

Биометрические материалы. Биометрические материалы – это вещества, которые по своим свойствам и конфигурации молекул и атомов напоминают субстанции, созданные живой природой. Их основа – искусственные белки. Так же, как и природные, они строятся из аминокислот, но синтезируются не рибосомой, которая является неотъемлемой частью живой клетки и отвечает за производство белка, а искусственно. Причем если природные

125

белки имеют последовательность из двадцати различных аминокислот, то белки искусственного происхождения могу ограничиться одной из повторяющихся молекул. Таким образом, получаются аналоги белков – полиаминокислоты, которые построены на основе одного единственного элемента. Искусственно созданные материалы можно соединять между собой, присоединять к ним другие молекулы – фотоактивные, люминесцирующие, тем самым получая вещества с новыми свойствами.

Созданные в искусственных условиях биометрические материалы, как и их природные аналоги, способны проявлять «разумность» на воздействие слабого раздражения. Это может быть облучение, электроток, воздействие вредных веществ. При повышении температуры на полградуса биометрический сенсор меняет цвет, после чего возвращается в исходное состояние. Также белок c люминесцирующими молекулами может испускать свет при наличии в помещении паров нашатырного спирта или другого химического ингредиента. Большим плюсом является то, что такие вещества имеют очень высокую чувствительность и реагируют на очень слабые изменения.

Особый интерес представляют биодеградируемые материалы, среди которых очень интересен упаковочный биоматериал, способный быстро разлагаться на естественные природные компоненты по истечении определенного времени, тем самым не загрязняя окружающую среду.

Инженеры, химики, физики от биомиметики создают на основе синтетических полимеров поверхности, имитирующие лапку геккона и обладающие очень высокой адгезией. Был сконструирован робот-геккон, который, имея вес 40 кг, способен двигаться по вертикальной стене благодаря крошечным синтетическим щетинкам на конечностях (рис. 7.5).

Планируется использовать принцип суперадгезии геккона в различных областях науки и техники, например для создания обуви альпинистов, вратарских перчаток, экипировки мойщиков окон высотных зданий и в тормозных системах автомобиля.

126

Рис. 7.5. Робот-геккон

Технология «Лотос». Первой продвижением этой технологии на рынок занялась фирма «Дюпон» (США), а за ней и многие другие крупные химические концерны различных стран. Но сначала были проведены тщательные исследования поверхности растений, волосяного покрова животных и других природных объектов, обладающих этими свойствами, с помощью современной микроскопии высокого разрешения (туннельные, атомно-абсорбционные микроскопы).

Это еще один пример для подражания из биомиметики. Все текстильные материалы из природных волокон отличаются высокой гидрофильностью, что обеспечивает их хорошие санитарногигиенические свойства, но во многих случаях поверхности этих гидрофильных текстильных материалов необходимо сообщить гидрофобные свойства (плащи, плащ-палатки, палатки, брезенты, верхняя одежда). Технология «Лотос» решает эту проблему, используя принцип супергидрофобности, существующий в природе, т.е. создает наношероховатую поверхность на волокнах текстиля, но не из кристалликов воска, а используя гидрофобный фторированныйполимернаосноведвуокиси титана(TiО2).

127

Фотофизические и фотохимические принципы защиты кожи человека текстилем и создание самоочищающихся поверхностей материалов (в том числе текстиля). Многие ве-

щества в наноразмерных состояниях проявляют активные фотофизические и фотохимические свойства, которые не присущи им в объемном микро- и макросостоянии. К таким веществам относятся двуокись титана, которая в микроразмерной форме используется как белый пигмент (белила, матирующие вещества

впроизводстве химических волокон).

Внаноформе TiO2 активно поглощает УФ-лучи, переходит

ввозбужденное состояние и переносит энергию возбуждения на окружающие молекулы кислорода, переводя его в высокореак-

ционную синглетную форму кислорода О2 (мы дышим менее активным триплетным кислородом); вокруг возбужденных на-

ночастиц TiO2 генерируются также радикалы различной природы (микро-, макро-, перекисные, алкильный и др.). Этим свойст-

вом TiO2 пользуются в практических целях.

Если TiO2 ввести в текстиль и закрепить его там, то одежда из такой ткани будет защищать кожу человека от вредных УФ-

лучей солнечного света. Для этой же цели TiO2 вводится в солнцезащитные кремы. Одновременно TiO2 в ткани при освещении солнцем будет разрушать загрязнения (отбеливать за счет их деструкции синглетным кислородом и радикалами). Сочетая такую технологию с гидрофобной отделкой, получим гидрофобную, самоочищающуюся ткань (верхнюю летнюю одежду).

Нанотехнологии в инвентаре и спортивной одежде. Са-

мое большое практическое применение в спорте нашли сверхпрочные углеродные нановолокна и волокна, наполненные нанотрубками. Эти волокна служат наполнителями для сверхпрочных композитов, используемых для производства корпусов болидов Формулы-1, саней, лыж, копий, теннисных и бадминтонных ракеток и т.д.

Пример биомиметики в спорте – сверхбыстрые костюмы для профессиональных пловцов. Поверхность волокон трикотажа этих костюмов имитирует на наноуровне структуру чешуи

128

шкуры акулы, которая обеспечивает идеальную гидродинамику этим хищникам.

Сенсорный текстиль, в который инкорпорированы миниатюрные датчики, используется для производства спортивной одежды, которая может отслеживать во время тренировок спортсмена комплекс важных физиологических характеристик организма (температура, давление, сердечный ритм и т.д.). Подобная сенсорная одежда используется в медицине для мониторинга состояния здоровья больного вне стационара, как спецодежда в силовых структурах.

«Умная пыль». Одно из достижений века информационных технологий – проект под названием «умная пыль». Каждая пылинка имеет размеры, сравнимые с размерами обычного рисового зерна. Несмотря на такие масштабы, в частицы внедряются микропроцессоры, приемные и передающие устройства. Устройства способны производить анализ, обработку и передачу информации. Также каждая такая пылинка имеет собственный объем памяти, порядка 200 байт. Для совместной работы частиц разработано специальное программное обеспечение. Одним из примеров использования этой технологии может быть получение трехмерной картины микроклимата в закрытой среде. Каждый сенсор анализирует температуру, влажность и другие параметры, после чего передает всю информацию на компьютер, она фиксируется на дисплее, изображение получается трехмерным.

Например, человеку надо обследовать какое-то незнакомое место. В специальной капсуле он посылает туда «умную пыль». Капсула разрывается, и россыпь освобожденной «умной пыли» начинает «разведку». Причем поставленное задание выполняет каждая отдельно взятая «умная пылинка». Чип исследует пространство, которое окружает «умную пылинку», и передает информацию на центральный компьютер. Остальные «пылинки»

А центральный компьютер уже обрабатывает поступившую от всех «умных пылинок» информацию.

129

Первые испытания «умной пыли» провели в 2001 году. Тогда с самолета сбросили шесть «пылинок» размером с обычную таблетку. «Пылинки» упали на землю и начали измерять напряженность магнитного поля вокруг себя. Затем мимо них проехала машина, и «пылинки» рассчитали ее скорость, а также определили направление движения автомобиля. Все данные «пылинки» сообщали переносному компьютеру, который находился неподалеку от места их высадки.

«Умная пыль» – мечта многих поколений людей самых разных профессий. Управляя «умной пылью», можно управлять многими процессами на большом расстоянии. Она сможет присматривать за больными и пожилыми людьми, следя за тем, чтобы человек, передвигаясь по дому, не упал. Полицейские смогут незаметно наблюдать за передвижениями преступников, не рискуя собственной жизнью. Точно так же военные смогут узнавать о передвижениях противника, не подвергая опасности собственных разведчиков. Ведь достаточно сбросить с самолета тысячи крошечных пылинок – и можно будет наблюдать все перемещения и действия противника по компьютеру, удобно расположившись в укрытии на своей территории. Космонавты смогут обследовать незнакомую планету, не высаживаясь на ее поверхность.

«Умная пыль» поможет и в научных исследованиях. Орнитологи уже испытали «умную пыль» у берегов американского штата Мэн. Многие годы подряд для того, чтобы изучать жизнь морских птиц, ученым приходилось обследовать тысячи гнезд, нарушая покой птиц. Но после того как ученые разбросали по острову Дикой утки «умные пылинки» и подключили базовую станцию, работающую на солнечной батарее, к Интернету, их работа совершенно изменилась. Больше не нужно было месяцами обследовать птичьи гнезда, нередко ползком, выбиваясь из сил и беспокоясь о том, чтобы не спугнуть диких птиц. Теперь можно спокойно сидеть в любом месте земного шара, где есть Интернет,

инаблюдать за поведением птиц в гнездах, в которые ученые поместили «умные пылинки». Птиц больше никто не беспокоит,

иорнитологи очень довольны результатами исследований.

130