Чтение онлайн

В Калифорнийском институте наносистем (California NanoSystems Institute) в лаборатории профессора химии Омара Яги (Omar Yaghi) завершены исследования синтетических высокопористых цеолитных материалов, которые селективно отбирают углекислый газ из газовой смеси и надежно удерживают его в своих многочисленных порах – 83 л СО2 в одном литре материала.

Как известно, цеолиты – большая группа близких по составу и свойствам минералов – это водные алюмосиликаты кальция и натрия из подкласса каркасных силикатов со стеклянным или перламутровым блеском. Так вот, лишенный воды цеолит представляет собой нанопористую кристаллическую «губку» с общим объемом пор до 50 % всего объема минерала (рис. 80).

Рис. 80. Молекулярная структура цеолита с диаметром пор от 0,3 до 1 нм

Цеолиты имеют строго определенный диаметр входных отверстий (от 0,3 до 1 нм в зависимости от вида минерала) и являются высокоактивным адсорбентом.

В настоящее время известно более 600 типов цеолитов и только около 50 из них имеют природное (естественное) происхождение. Искусственные, или синтетические, цеолиты имеют классификацию А, Х и Y. Причем:

• тип А – кристаллическая структура на основе алюмосиликата натрия с диаметром пор 0,4 нм (4 А), что соответствует цеолиту с коммерческим названием 4 А (NaA);

• тип Х – кристаллическая структура натриевой формы (аналогична типу А), но с диаметром пор порядка 10А (фо-жазит), что соответствует молекулярным ситам 13Х (NaX);

• тип Y – кристаллическая структура типа Х, но с другим химическим составом молекулярного каркаса.

При использовании цеолитов в качестве адсорбирующего элемента происходит молекулярно-ситовый отбор при сорбции молекул из газа в жидкости, позволяющей разделять молекулярные смеси в интервале размера молекул в 10–20 пм.

В 2007 году Омар Яги и его коллеги из университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (UCLA) создали еще один органический кристалл, получивший наименование COF-108. Его составили из водорода, бора, углерода и кислорода, который имеет самую низкую плотность в мире – всего 0,17 г на см3.

Созданная учеными кристаллическая структура является кристаллом-пластмассой и относится к новому классу веществ, называемых «ковалентными органическими каркасами» (covalent organic frameworks, COF). Данная структура может быть использована в качестве каталитических мембран и резервуаров для топливных элементов и очистительных систем в автомобильной промышленности.

Фильтрующие и поглотительные системы углекислого газа, созданные из таких цеолитных материалов для автомобильной техники и тепловых электростанций, могут заметно снизить выбросы парниковых газов в атмосферу, что предусмотрено требованиями Киотского протокола.

Основные направления использования нанотехнологий и наноматериалов в агропромышленном комплексе (АПК) – биотехнология (прежде всего это относится к генной инженерии), производство и переработка продукции агропромышленного комплекса, очистка воды, а также проблемы качества продукции и защиты окружающей среды (в частности, сельскохозяйственных угодий).

Одной из самых главных проблем ближайших десятилетий станет проблема обеспечения человечества достаточным количеством питьевой воды. Запасы пресной воды, пригодной для использования, составляют всего 3 %, из которых лишь 1 % потребляется населением Земли. В настоящий момент 1,1 млрд человек не имеют возможности использовать чистую пресную воду. Принимая во внимание текущие объемы потребления воды, рост населения и развитие промышленности, к 2050 году две трети населения Земли будут испытывать недостаток в пригодной для употребления пресной воде.

Огромное значение имеет применение нанотехнологий для очистки и дезинфекции воды. Следует ожидать, что нанотехнологии позволят найти решение этой проблемы за счет использования недорогой децентрализованной системы очистки и опреснения воды, систем отделения загрязняющих веществ на молекулярном уровне и фильтрации нового поколения.

Другой важнейшей проблемой является повышение урожайности в сельском хозяйстве. Согласно статистике, численность мирового населения в настоящее время составляет около 6,5 млрд человек, а к 2050 году достигнет 8,9 млрд, что вызовет существенное увеличение потребления продуктов питания.

Несмотря на протесты мировой общественности, в ряде регионов, особенно с большим приростом населения и неблагоприятными условиями для сельскохозяйственных работ, продовольственную проблему не удастся решить без разработки, создания и производства методами био– и нанотехнологий трансгенных высокопродуктивных растений, устойчивых к вирусной ин фекции.

Предполагается, что применение нанотехнологий позволит изменить технику возделывания земель за счет использования наносенсоров, нанопестицидов и системы децентрализованной очистки воды. Нанотехнологии сделают возможным лечение растений на генном уровне, позволят создать высокоурожайные сорта, особо стойкие к неблагоприятным экологическим условиям.

В растениеводстве применение нанопорошков, совмещенных с антибактериальными компонентами, обеспечивает повышение устойчивости к неблагоприятным погодным условиям и приводит к двукратному повышению урожайности многих продовольственных культур, например картофеля, зерновых, овощных и плодово-ягодных.

Рассмотренные выше цеолитные материалы, вследствие значительной суммарной емкости пор и способности к ионному обмену с питательными микроэлементами (молекулами) удобрений, могут успешно применяться для обеспечения более длительного действия (эффект пролонгирования), предотвращения вымывания питательных веществ после внесения, а также в качестве носителя пестицидов. Установлено также положительное воздействие цеолитов на оптимизацию кислотности песчаных, заливных, вулканических и дерново-подзолистых почв, а также на предотвращение слеживания минеральных удобрений в процессе хранения.

Применение цеолитных материалов в земледелии из расчета 0,5–2 т на 1 гектар сельскохозяйственных угодий способствует повышению урожайности моркови на 63 %, баклажанов – на 55 %, риса – на 35 %, томатов и перцев – на 33 %, яблок – на 28 %, кукурузы – на 10 %, пшеницы – на 15 % и т. д.

В результате отмечается не только прирост урожайности, но и улучшение всхожести семян, повышение устойчивости растений к заболеваниям (например, ячменя – к мучнистой росе), а также длительное удержание влаги в почве, что особенно актуально для южных регионов или возможных периодов засухи.

Будет получен новый тип нанотехнологических препаратов для борьбы с фитопатогенными бактериями на основе использования новых микроорганизмов, впервые выделенных учеными Российской Федерации, – хищных нанобактерий, своего рода «живых антибиотиков» для растений.

В настоящее время создаются микробные препараты на основе ассоциативных, эндофитных и симбиотических бактерий для использования в качестве продуцентов и транспортеров в растения различных ферментов и низкомолекулярных биологически активных веществ (нанообъектов), которые способны улучшать адаптацию растений к неблагоприятным факторам среды: загрязнению токсичными металлами, засолению, повышенной кислотности почвы и засухе.

На основе металлоорганических наноразмерных структур микробного и растительного происхождения будут созданы технологии выведения токсичных элементов из системы ризосфера-микроорганизмы-растение, что позволит повысить устойчивость широкого набора сельскохозяйственных культур к неблагоприятным агроклиматическим факторам и условиям.

Нанотехнологии в сельском хозяйстве могут успешно применяться для оптической расшифровки белково-липидно-витаминно-хлорофильного комплекса в растениеводстве (табл. 16), а также для создания биосовместимых материалов, перестройки, облагораживания и восстановления тканей, создания неотторгаемых организмом искусственных тканей и сенсоров (молекулярно-клеточная организация) в животноводстве и для снижения вредного воздействия автотракторного парка на природную среду.

Таблица 16. Идентификация сортовъх нанопризнаков методами оптической флуоресценции и отражения

В животноводстве нанодобавки находят широкое применение в приготовлении кормов, где обеспечивают повышение продуктивности животных в 1,5–3 раза, а также способствуют повышению их сопротивляемости инфекционным заболеваниям и стрессам. Наноразмер частиц кормовых добавок позволяет не только значительно снизить их расход, но и обеспечить более полное и эффективное усвоение животными.

Например, уже упоминавшиеся цеолиты успешно используются при производстве комбикормов и кормовых концентратов, которые подаются в пищу скоту и птице. При введении в рацион молодняка жвачных животных цеолитов учитываются их ионообменные свойства, способствующие ослаблению токсичного действия аммиака. В качестве иммуномодулирующей антитоксической кормовой добавки для животных предлагается использовать нано– и микропорошковые твердофазные ферменты (Bacillus subtilis ) тонкоизмельченных фитосубстратов.

Другое направление нанотехнологических работ в сельском хозяйстве – исследования в области применения бионанотехнологий. К ним относятся технологии по направленному белковому синтезу для получения пептидов с желаемыми иммуногенными свойствами. Создаются векторные системы для клонирования иммунологически значимых белков возбудителей особо опасных болезней животных и вакцины нового поколения, обладающие высокой активностью и безопасностью.

Активно ведутся исследования по получению наночастиц генно-инженерных протеинов, разработке биочипов и тест-систем для биологического скрининга, иммунологического мониторинга и прогнозирования опасных и экономически значимых инфекционных заболеваний животных (бешенства, бруцеллеза, кампилобактериоза, клостридиозов, гриппа свиней, некробактериоза, болезни Марека, гриппа птиц, бешенства).

Внедрение мембранных систем очистки, а также специальных биоцидных покрытий и материалов на основе серебра будет способствовать упрощению и повышению уровня содержания сельскохозяйственных животных, обеспечению их качественной питьевой водой.

Проводятся исследования по разработке нанобиотехнологических методов выявления маркеров, сцепленных с хозяйственно=ценными признаками, вирусными, бактериальными и паразитарными заболеваниями рыб и их возможному применению в практике рыбоводства при культивировании основных объектов аквакультуры.

В настоящее время во всем мире пищевыми компаниями проводятся интенсивные исследования в области нанобиотехнологий функциональных пищевых добавок и веществ с применением методов ультра– и нанофильтрации, нанокапсулирования, дезинтеграции, а также использованием направленной контролируемой ферментативной модификации нанобиоструктур, например сыров, йогуртов и т. д.

Пищевые компании все чаще применяют в продовольственных товарах (продукты питания, напитки, жевательная резинка) биологические наночастицы размерами в несколько сотен атомов.

«Нанотехнологически видоизмененные продукты позволят улучшить здоровье людей», – считает химик из института прикладной химии Еврейского университета в Иерусалиме (Casali Institute ofApplied Chemistry in the Hebrew) Ниссим Гарти (Nissim Garti), предложивший создавать наноконтейнеры из витаминов и пищевых кислот по аналогии с косметическими разработками.

По словам ученого, капсулы размером 10-100 нм значительно лучше растворяются, а потому подвижнее и эффективнее обычных вкусовых и ароматических капельных добавок. Это метод уже предложен предприятию Nutralease для усиления аромата кофе. Молекулы сахара и аминокислот заключены в особые нанокапли, которые разбрызгивают по кофейным зернам. В обычных условиях ни аромат, ни вкус ничем не проявляются, что, возможно, не является достоинством разработки. Однако под воздействием горячей воды при приготовлении нанооболочки разрушаются, и субстанции смешиваются с кофе, придавая необходимый и стойкий вкус. При этом введением в нанокапсулы тех или иных компонентов можно достичь самых разнообразных вкусовых оттенков.

Похожий метод также используют и для обработки шоколадных кондитерских изделий. Например, нанометровый слой диоксида титана, нанесенный на шоколадный батончик Mars, увеличивает его срок хранения в несколько раз. Фактически получается продукт, упакованный в оболочку (нанофольгу) из оксида титана. При этом сам нанометровый оксид титана также способен усваиваться организмом.

Однако, как и в случае с нанокосметикой, степень безопасности широкого применения нанотехнологических добавок пока однозначно не установлена.

Голландская фирма Friesland Foods – один из крупнейших в мире производителей сыров – разрабатывает технологию применения наноразмерных сит, более приемлемых с точки зрения безопасности конечного продукта. Цель этих работ – высокоэффективное разделение (сепарация) молока на протеины, полисахариды и молекулы жирных кислот.

По мнению участников Международного конгресса Nano 4 Food, проходившего в голландском городе Вагенинген, уже в ближайшем времени нанотехнологические добавки, способные изменять вкус и питательные свойства продуктов, станут обязательным компонентом многих пищевых продуктов.

Становится немного жаль, что в будущем вкус и аромат хрустящих французских булочек, бельгийских шоколадных кремов, изысканных голландских и швейцарских сыров станет не заботой умелых рук и теплотой душ известных всему миру мастеров, а одним из изделий заводов и фабрик по производству синтетических нанодобавок.

Согласно исследованиям, проведенным Foresight Nanotech Institute в 2005 году, использование нанотехнологий в будущем позволит решить ряд наиболее значимых для человечества проблем.

Как уже неоднократно упоминалось, нанотехнология открывает большие перспективы при разработке новых материалов, совершенствовании связи, развитии биотехнологии, микроэлектроники, энергетики и вооружений. Среди наиболее вероятных научных прорывов эксперты называют увеличение производительности компьютеров, восстановление человеческих органов с использованием вновь воссозданной ткани, получение новых материалов напрямую из заданных атомов и молекул и новые открытия в химии и физике, способные оказать революционное воздействие на развитие цивилизации.

В своих работах Э. Дрекслер и его последователи оценивали параметры механических устройств при приближении размера компонентов к молекулярному масштабу. Это обусловлено не тем, что ученые недооценивали важность электрических, оптических и других эффектов, а тем, что механические конструкции гораздо проще и достовернее масштабируются. При этом, разумеется, осознается, что электрические и другие эффекты могут дать значительные дополнительные возможности.

Произведя соответствующее масштабирование, Э. Дрекслер получил следующие численные оценки различных эффектов:

• позиционирование реагирующих молекул – с точностью около 0,1 нм;

• механосинтез – с производительностью около 106 операций/с на устройство;

• молекулярная сборка объекта массой 1 кг – ориентировочно за 104 с;

• работа наномеханического устройства – с частотой до 109 Гц;

• логический затвор – объемом около 10-26 м3, с частотой переключения менее 0,1 нс и рассеиваемой теплотой 10-21 Дж;

• компьютеры – с производительностью до 1016 операций/с/Вт; компактные вычислительные системы на 1015 млн команд в секунду.

Возможно и молекулярное производство макроскопических объектов. Оценки показывают, что устройство массой около 60 кг («настольная нанофабрика») сможет с молекулярной точностью изготовить объект объемом около 1 л и массой около 4 кг примерно за три часа. Это позволило бы за два дня создать вторую такую же нанофабрику; удвоение их количества каждые два дня дало бы возможность за два месяца обеспечить собственной нанофабрикой каждого жителя Земли.

Согласно прогнозам Министерства торговли Великобритании, в 2015 году спрос на нанотехнологии составит не менее 1 трлн долларов в год, а численность специалистов, занятых в данной отрасли, вырастет до 2 млн человек.

По прогнозам американской ассоциации National Science Foundation, объем рынка товаров и услуг в мире с использованием нанотехнологий в ближайшие 10–15 лет может вырасти до 1 трлн долларов:

• материалы с высокими заданными характеристиками, которые не могут быть созданы традиционным способом, займут рынок объемом 340 млрд долларов в ближайшие 10 лет;

• в полупроводниковой промышленности объем рынка нанотехнологичной продукции может достигнуть 300 млрд долларов в ближайшие 10–15 лет;

• в сфере здравоохранения использование нанотехнологий может увеличить продолжительность жизни, улучшить ее качество и расширить физические возможности человека;

• в фармацевтической отрасли около половины всей продукции будет зависеть от нанотехнологий. Объем продукции с использованием нанотехнологий составит более 180 млрд долларов в ближайшие 10–15 лет;

• в химической промышленности наноструктурные катализаторы уже применяются при производстве бензина и в других химических процессах, причем рост рынка составляет приблизительно до 100 млрд долларов. По прогнозам экспертов, рынок таких товаров увеличивается на 10 % в год;

• в транспортной промышленности применение нанотехнологий и наноматериалов позволит создавать более легкие, быстрые, надежные и безопасные автомобили. Только рынок авиакосмических изделий может достичь 70 млрд долларов к 2010 году;

• в сельском хозяйстве и в сфере защиты окружающей среды применение нанотехнологий может увеличить урожайность сельскохозяйственных культур, обеспечить более экономичные способы фильтрации воды и ускорить развитие таких возобновляемых энергетических источников, как высокоэффективное преобразование солнечной энергии. Это позволит снизить загрязнение окружающей среды и экономить значительные ресурсы.