Нанотехнологии

Нанотехнологии и охрана окружающей среды

В перспективе нанотехнология может сыграть значительную роль в решении многих проблем, связанных с охраной окружающей среды. Речь идет, в первую очередь, об использовании наноустройств в системах исследования и контроля продуктов и отходов различных химических производств, о создании новых «чистых» технологий с минимальным выходом вредных отходов производства, а также о переработке мусора на свалках и очистке загрязненных водоемов. В дальнейшем предполагается осуществление непрерывного контроля и обработки обширных участков окружающей среды с целью их очистки от очень мелких частиц загрязняющих веществ, содержащихся в воде (размер < 300 нм) и в воздухе (< 20 нм).

Нанотехнологии и охрана окружающей среды

Необходимо также учитывать, что наноструктурные материалы могут сами вызывать загрязнение окружающей среды, угрожающее здоровью человека. Загрязнение может быть связано как с существующей техникой (например, наночастицы в выхлопных газах дизельных двигателей), так и с новыми веществами или технологическими процессами. Во многих случаях нанотехнологии представляют собой новые производственные процессы, и их потенциальная опасность для окружающей среды должна быть тщательно оценена.

Для выяснения проблем охраны окружающей среды, связанных с производством и распространением наноструктурных материалов, необходимо провести междисциплинарные исследования молекулярных и наноразмерных процессов в природных системах, причем особое внимание следует уделять изучению взаимодействий органических и неорганических структур в специфических маломасштабных процессах.

Сложные физико-химические процессы с участием наноструктур играют существенную роль во многих явлениях, определяющих изоляцию, высвобождение, подвижность и биологическую доступность различных веществ (полезных и вредных) в окружающей среде. Микропроцессы, происходящие на границах раздела природных физических и биологических систем, определяют многие проблемы медицины и биологии. Изучение динамики процессов, специфичных для наноструктур в природных системах, позволит не только понять механизмы переноса и биологического усвоения веществ, но и использовать нанотехнологии для улучшения экологической обстановки.

В атмосфере, геологических породах, водной среде и биологических системах присутствует большое количество разнообразных естественных наночастиц и наноструктурных веществ, однако их влияние на здоровье человека пока не изучалось систематически. В некоторых случаях (например, при использовании кварцевых и асбестовых волокон) было обнаружено вредное воздействие наночастиц, в других — потенциальные опасности кажутся незначительными. Кроме того, следует учитывать, что аэрозоли из наноразмер-ных частиц постоянно участвуют в разнообразных атмосферных физико-химических процессах.

Последние годы в США уделялось много внимания проблемам, связанным с наличием в атмосфере мелкодисперсных частиц. В результате был утвержден новый стандарт РМ-2.5 на качество окружающего воздуха, однако точная оценка воздействия наноразмерных объектов на биологические системы в значительной степени осложняется отсутствием аппаратуры, пригодной для контроля содержания наночастиц и их воздействия. В медицине и экологии для оценки влияния наночастиц можно воспользоваться некоторыми приборами, разработанными для научно-исследовательских целей. Например, существуют счетчики конденсируемых частиц, позволяющие выращивать конденсацией из газовой фазы наночастицы «детектируемого» размера. Рост чувствительности таких приборов за последнее десятилетие позволяет регистрировать в воздухе при атмосферном давлении наличие частиц размером менее 3 нм. Дополнительная информация о свойствах наночастиц может быть получена анализом дифференциальной подвижности. В этой методике частицы заряжаются (обычно единичным положительным или отрицательным зарядом), движутся под влиянием приложенного электрического поля поперек не содержащего частиц потока и разряжаются как монодисперсный аэрозоль. За последнее десятилетие достигнут значительный прогресс в методике измерения размеров частиц, в результате чего созданы коммерчески доступные приборы, позволяющие снизить время измерений (в широком диапазоне размеров) от десятков минут до долей минуты, а в лабораторных условиях время измерений уже доведено до нескольких секунд. В связи с ростом интереса к нанотехнологиям методика анализа дифференциальной подвижности была улучшена, и в настоящее время она позволяет регистрировать частицы размером 1 нм и меньше.

Нанотехнологии уже оказали значительное влияние на многие производства, связанные с окружающей средой и энергетикой. Некоторые примеры таких технологий приводятся ниже.

1. Сокращение отходов производства и повышение энергетического к.п.д. Наиболее заметные успехи достигнуты в разработке новых методов катализа, где использование наноразмерных реагентов во многих случаях позволило резко повысить эффективность каталитических реакций (скорость, выход) как в гомогенных, так и гетерогенных системах. Использование наноразмерных материалов (например, аэрогеля или ксерогеля V2O5) в катодах литиевых аккумуляторов значительно повышает их емкость, срок службы и скорость зарядки/разряда.

2. Экологически безопасные композитные материалы. Совместимость композиционных материалов с наномасштабными инородными включениями открывает возможность производить высококачественные материалы специального назначения (например, для систем фильтрования). На основе таких композитов можно создавать системы, отличающиеся повышенной стойкостью к воздействию окружения, длительным сроком службы, низкой стоимостью обслуживания и ремонта, малым воздействием на окружающую среду. На их основе можно производить легкие и небольшие конструкции и устройства, характеризующихся низким энергопотреблением. Композиционные наноматериалы отличаются большим структурным разнообразием и могут быть как очень простыми (сталь с включениями из оксидов или нитридов), так и очень сложными (гетерогенные композиты, обладающие заранее заданной, высокофункциональной структурой).

3. Переработка отходов. Наноструктурные материалы находят все возрастающее применение в процессах переработки и обезвреживания отходов, от окисления органических загрязнителей с помощью частиц ТiO2 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 TiO2, подвергнутые УФ-облуче-нию, 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. Однако, по-видимому, пройдет около 10 лет, прежде чем такие материалы получат широкое коммерческое применение. Их способность поглощать атомы тяжелых металлов может сыграть важную роль в переработке ядерных отходов.

Возможность целенаправленного создания наноструктурных материалов для захвата ионов заданного типа важна как для разделения изотопов и удаления радиоактивных отходов, так и для снижения стоимости этих процессов.

4. Преобразование энергии. Процессы, связанные с получением энергии (включая как непосредственное производство электрической энергии, так и добычу топлива, подлежащего транспортировке), наносят непоправимый вред окружающей среде. Наносистемы могут составить основу энергетических производств на возобновляемых источниках энергии, при функционировании которых образуется гораздо меньше вредных отходов. Примером может служить упомянутое выше использование наноразмерных или мезоразмерных материалов в электродах аккумуляторов или топливных элементах для транспортных средств.

Совместные усилия различных научных и технических сообществ в области фундаментальных исследований позволят не только глубже познать сложные, взаимосвязанные наномасштабные процессы, но и выяснить их влияние на окружающую среду, что, безусловно, будет полезно и ученым, и инженерам. Особенно важными являются следующие направления исследований:

  1. Замена производств, связанных с больших объемом отходов, на так называемые «зеленые» технологии.
  2. Рационализация производственных процессов, позволяющая выпускать более легкие и мелкие изделия, что позволит снизить расходы материалов и энергии.
  3. Более глубокое изучение и регулирование природных явлений и процессов загрязнения окружающей среды с помощью нанодатчиков и наноэлектронных устройств.

Для устранения или предотвращения загрязнения окружающей среды наночастицами необходимо прежде всего иметь достаточно полное представление о фундаментальных процессах взаимодействия наночастиц и наноструктурных материалов с окружающей средой и в особенности с биологическими системами. К сожалению, пока получено мало данных о роли факторов размера и формы в химии поверхностных явлений, вследствие чего не созданы эффективные модели для оценки параметров соответствующих процессов.

Поэтому определение степени опасности наночастиц для окружающей среды во многих случаях очень затруднено и основывается только на результатах измерений.

Наночастицы можно рассматривать в качестве своеобразных «микрореакторов», которые, в зависимости от окружения, могут преобразовывать энергию, перерабатывать отходы или служить в качестве сенсоров. В качестве примера можно указать использование наносенсоров для непрерывного контроля над состоянием окружающей среды или для оптимального управления производственными процессами, позволяющего минимизировать потребление энергии. Поэтому основой для формулировки принципов материаловедения таких систем должно стать исчерпывающее знание принципов их синтеза, химической модификации поверхности и включения в макросистемы. Непосредственный контроль над состоянием окружающей среды важен практически во всех производственных процессах (в химической промышленности, электронике, автомобилестроении и т. д.), а регулирование расходования энергии связано с работой транспортных средств, нагревательных систем и холодильных устройств. Работа по созданию все более совершенных и экологически чистых производственных процессов зависит от развития средств контроля и обратной связи, которые во многих случаях могут быть построены лишь на основе наноустройств.

С материаловедческой точки зрения синтез и стабилизация малых наноструктур имеют прямое отношение к экологическим проблемам. Установлено, что, используя новые физические и химические методы осаждения, можно синтезировать и стабилизировать очень сложные кристаллические наночастицы. Цель исследований в данной области заключается в разработке надежных методов изготовления стабильных и изолированных частиц, которые будут использоваться либо в качестве элементов структуры обычных или новых материалов, либо как самостоятельные объекты в более крупных активных или пассивных структурах.

Применение конструкционных нанокомпозитов началось лишь несколько лет назад, но можно с уверенностью утверждать, что в течение ближайших 5-10 лет будут изготовлены более совершенные и экологически чистые композиты. Нынешние исследования в этой области имеют целью изготовление композитов, обладающих прочностью традиционных материалов, но значительно меньшим весом, с помощью введения наночастиц в полимерные матрицы. В перспективе планируется создать такие композиты на основе полимеров и наночастиц, которые помимо оптимальных весовых и прочностных свойств будут обладать необходимыми функциональными характеристиками, например химической инертностью или активностью, электропроводностью либо заданными оптическими свойствами. В частности, такие материалы могли бы использоваться для изготовления коррозионно-стойких и окрашенных деталей кузова автомобиля.

Сорбенты, мембраны и катализаторы широко применяются для очистки отходов, защиты от излучения, в экологически безопасных и энергосберегающих технологических процессах. Эффективность и функциональность многих активных сорбентов, мембран и катализаторов в нанометровом масштабе обусловлены наличием структур, сконструированных с нанометровой точностью. В настоящее время, когда требования к чистоте воды и воздуха постоянно возрастают, наноструктурные сорбенты, мембраны и катализаторы, в силу своей способности избирательно захватывать атомы и молекулы заданного типа, помогают решить эту задачу. На основе наноматериалов могут быть созданы «зеленые» технологии во многих отраслях промышленности, повышена эффективность технологических процессов, а также процессов уничтожения отходов или их переработки.

Природоохранные применения нанотехнологий доказали их способность к революционному преобразованию целых отраслей промышленности и замене многих основных технологий. Практически всегда расходы и риск на этапе перехода от научного открытия к его коммерческому использованию велики, а возможные прибыли неопределенны. Поэтому крупные компании пока воздерживаются от реализации крупномасштабных проектов, связанных с внедрением нанотехнологий. Для продвижения таких проектов требуется программа государственной поддержки.

Ниже перечисляются некоторые направления развития нанотехнологий, связанные с проблемами окружающей среды:

1. Изучение механизмов конкретных наномасштабных процессов и возможностей их регулирования (включая осаждение и кристаллизацию белков, десорбцию загрязняющих агентов, стабилизацию коллоидных дисперсий, агрегацию мицелл, подвижность микробов, образование и подвижность наночастиц, их взаимодействие с тканями организмов и т. д.). Необходимо тщательно исследовать процессы на межфазных границах (твердое тело/жидкость, твердое тело/газ, жидкость/газ) с участием минеральных и органических компонентов почвы, аэрозолей, биомолекул (клеток, микробов), биологических тканей, химически модифицированных объектов (например, биопленок или мембран), а также антропогенных источников загрязнения (в частности, радиоактивных веществ и тяжелых металлов).

2. Проведение междисциплинарных исследований, связанных с разработкой новых методов описания поверхностей, сложных модельных систем, межфазных границ и других нанометровых структур, участвующих в экологических процессах (включая биологические процессы и функционирование живых организмов). Новейшие технологические приемы (например, оптические ловушки, лазерные «пинцеты», синхротронное излучение) значительно расширяют возможности изучения молекулярных и наномасштабных процессов, связанных с отдельными молекулами или клетками. В последние годы были разработаны более эффективные методы математического описания динамических, многомасштабных и многокомпонентных систем, а также систем с фазовыми переходами и агрегированием.

3. Объединение данных о роли молекулярных и наноразмерных явлений во временной эволюции мезо- и макросистем. Необходимо также изучать модельные наноструктуры, однако во всех случаях основными объектами исследований должны быть системы, связанные с естественными процессами или с охраной окружающей среды. Эти объекты могут быть разнообразными (горные разработки или шахты, подземные водоносные слои, полярные области и атмосферные явления).

В окружающей среде (включая почву, водную среду и воздух) наночастицы разного типа (оксиды железа, глина и другие коллоиды) выступают в качестве основных переносчиков как загрязняющих агентов, так и питательных веществ. Поэтому изучение механизмов переноса с их участием должно помочь правильно распределять или связывать в среде полезные (или, наоборот, вредные) органические и неорганические вещества. Для ускорения или замедления конкретных процессов исследователям необходимо изучить морфологию, агломерацию и покрытия природных наночастиц, а также научиться управлять этими характеристиками. Можно указать следующие примеры использования или активного исследования природных наноструктур:

  1. применение цеолитов и других пористых пород в качестве так называемых «кондиционеров», особенно в системах регулируемого водоснабжения;
  2. использование глины и цеолитов в качестве защитных материалов на проектируемом хранилище радиоактивных отходов в Юкка-Маунтин;
  3. регулируемое выделение железа, фосфора и других питательных веществ из неорганических удобрений;
  4. введение в пищевые продукты алюмосиликатов в качестве структурирующих агентов (например, для получения диетических, немолочных сливок) или цеолитов в корма для животных (считается, что это способствует быстрому росту свиней);
  5. использование цеолитов в качестве ионообменников для очистки воды и с различными детергентами;
  6. использование силикагеля и других нанофазных твердых осушителей (обезвоживающих средств).

Многие из указанных здесь материалов уже производятся в качестве обычных промышленных товаров, не связанных с высокими технологиями, однако существуют возможности для их модификации, что позволит использовать их для решения более сложных задач (в частности, регулирования переноса лекарственных препаратов внутри организма, создания систем регенерации на космических станциях и в других замкнутых помещениях).

Разработка методов быстрой идентификации, описания и анализа наночастиц (включая анализ состава, содержания следовых элементов, атомной структуры и морфологии) позволит надежнее оценивать их роль как загрязнителей окружающей среды, а также однозначно определять источники загрязнения. Например, существующая методика определения «асбеста» основана исключительно на форме частиц (фактор формы > 10) и нуждается в улучшении, поскольку накоплено много данных, свидетельствующих, что токсичность таких частиц сильно зависит от их химического состава. Механизмы токсического действия наночастиц мало изучены, однако можно надеяться, что знания в этой области значительно расширятся после появления наносенсоров и наноустройств, позволяющих регистрировать малые количества загрязняющих агентов в воздухе и воде.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *