Чтение онлайн

Еще ярче молекулярно-ситовой эффект проявляется в случае углеводородов. Цеолиты с диаметром пор 0,4–0,5 нм пропускают внутрь линейные молекулы и дают от ворот поворот их разветвленным изомерам. Это свойство применяется в процессе депарафинизации керосино-газойлевых и масляных фракций нефти. Проблема состоит в том, что линейные (нормальные) углеводороды обладают высокой температурой застывания и их удаление из фракции снижает температуру застывания моторных топлив и масел, что чрезвычайно важно для России с ее зимними холодами.

С цеолитами вы сталкиваетесь и в быту, ведь современные стиральные порошки содержат от 15 до 30 % цеолитов. Они избирательно поглощают из воды ионы кальция и магния, именно поэтому современные стиральные порошки можно использовать в воде любой жесткости.

Но основная область применения цеолитов все же не адсорбция, а процессы нефтепереработки, где они произвели настоящую революцию. Они не только заменили в ряде процессов платиновые катализаторы, что само по себе поразительно, настолько сильно они различаются по химической природе и цене. При этом они еще позволили увеличить эффективность процессов: если в 1980 году, до внедрения синтетических цеолитных катализаторов, на производство одной тонны моторного топлива расходовали две тонны нефти, то сейчас – менее полутора.

Впрочем, мы заступили на поле катализа, о котором речь пойдет впереди, сразу в нескольких главах, ведь катализ – одна из основных областей нанотехнологий. Поэтому не будем больше углубляться в этот вопрос и подчеркнем лишь одну общую мысль: свойства поверхности зависят не только от ее химического состава и условий обработки, но и от геометрии. В наибольшей степени этот эффект проявляется при радиусе кривизны поверхности порядка нанометров, возможно, за счет роста напряжений и избыточной поверхностной энергии. Именно поэтому свойства поверхности, обрамляющей поры полости цеолитов, столь разительно отличаются от свойств плоских поверхностей алюмосиликатов с близким химическим составом.

Ученые имеют в запасе еще один мощный метод изменения свойств поверхности и тонкого регулирования структуры сорбентов или, в более общем случае, твердых тел. Представляю его с особым удовольствием, потому что с ним связаны пятнадцать лет моей жизни. Речь идет о химическом модифицировании поверхности. Конкретно мы занимались прививкой разнообразных органических соединений к поверхности неорганического вещества – силикагеля. Тогда совмещение воедино столь разных субстанций называлось скрещиванием ужа и ежа, аналогия нашего времени, порожденная рекламой, – пересадка волос на лысину. То, что мы получали, было действительно похоже на ежика – частокол органических молекул, накрепко связанных с поверхностью. Толщина этого слоя равнялась длине молекулы, то есть 1–2 нм.

Зачем мы этим занимались? Во-первых, это была интересная научная задача, находящаяся на переднем крае науки того времени, 70–80-х годов прошлого века. Во-вторых, получаемые материалы имели просто необъятное поле применения, в том числе в качестве сорбентов. Целенаправленно выбирая структуру прививаемого органического соединения, мы синтезировали сорбенты для извлечения из растворов конкретных ионов металлов, определенных органических веществ, аминокислот, белков и других биологически активных соединений. Извлечения и разделения. Разделения и определения. Затем, уже в новые времена, мы организовали производство разработанных нами сорбентов, их ассортимент сейчас измеряется сотнями наименований, они широко используются для мониторинга загрязнений окружающей среды, химического и биохимического анализа, в биотехнологии. Это была славная охота!

Число работ, выполненных в этой области, огромно. Одни группы исследователей покрывали поверхности плотным слоем неорганических веществ толщиной от одного атома до нескольких нанометров, другие использовали для этой цели готовые полимеры или осуществляли реакции полимеризации на поверхности, третьи закрепляли на поверхности белки и ферменты – классические нанообъекты и т. д. Не будет большим преувеличением сказать, что к концу прошлого века ученые могли привить что угодно к любой поверхности.

Достигнутый уровень технологий в этой области таков, что позволяет делать просто феноменальные вещи. Берут, например, стеклянную пластинку 1x1 см, мысленно разделяют ее на десять тысяч участков и на каждый участок прививают, уже реально, а не мысленно, какое-то конкретное соединение. В сущности, получают сборку из десяти тысяч различных сорбентов, каждый из которых настроен на связывание определенного, индивидуального вещества. Если учесть, что размер каждого участка сопоставим с размером подковки для блохи, то все это не что иное, как изготовление десяти тысяч различных подковок и прибивка их в строго определенном порядке.

Затем окунают эту пластинку в раствор, вынимают, промывают и рассматривают в “мелкоскоп”, чтобы определить, на каких участках прошла адсорбция, и так определяют вещества, которые содержались в испытуемом растворе и число которых может измеряться тысячами.

Фантастика, скажете вы. Да нет, обычный биочип, выпускается с начала 1990-х годов. Не придавайте большого значения слову “чип”. Дело в том, что американская компания “Affimetrix”, первой запустившая их производство, использовала при этом некоторые технологические приемы из микроэлектронной промышленности. Это единственная связь биочипов с микроэлектроникой. Их применяют для сложных биохимических анализов. Например, с их помощью можно быстро проанализировать геном пациента и определить его предрасположенность к тому или иному наследственному заболеванию. Есть все основания надеяться, что в недалеком будущем эта процедура станет вполне рутинной и доступной всем нам по цене.

Завершая этот панегирик явлению адсорбции и работающим в этой области исследователям, наследникам Ловица, еще раз подчеркнем универсальность применений адсорбции. Не будь ее, мы бы давно отравились водой, которую пьем, и воздухом, которым дышим. (Здесь нас спасают природные механизмы адсорбции, но и разнообразные очистные сооружения тоже вносят заметный вклад.) Сорбенты используют для опреснения морской воды, для выделения ценных металлов из руд, для производства множества товаров, используемых нами в быту, для анализа загрязнений окружающей среды и контроля качества продукции. В общем, невозможно представить нашу сегодняшнюю жизнь без сорбентов, которые, как неоднократно и специально подчеркивалось, почти все имеют наноструктуру.И вот на этом фоне в последние несколько лет зазвучали заявления, что нанотехнологии позволят создать высокоэффективные сорбенты нового поколения. Специалистов взяла оторопь: а мы-то чем всю жизнь занимались, как не созданием этих самых сорбентов? Занимались, но на основе устаревших принципов, отвечают им, а нанотехнологии… (далее по тексту). И вот уже в новостных лентах, публикациях СМИ, в лекциях и научно-популярных статьях начинают появляться примеры сорбентов нового поколения, полученных методами нанотехнологий.Одну из таких разработок охочие до сенсаций и составления всяческих рейтингов журналисты включили даже в “лучшую пятерку нанодостижений” года [4] . Подкупает, конечно, важность поставленной задачи: очистка питьевой воды от соединений мышьяка. Эта проблема очень остро стоит в некоторых развивающихся странах Азии и Африки. По данным Всемирного банка, число людей, страдающих от заболеваний, вызванных мышьяком, составляет около 65 миллионов. А Национальная инженерная академия США установила премию в один миллион долларов для того, кто предложит простой, дешевый и эффективный способ решения проблемы. Неудивительно, что сразу несколько групп исследователей стали работать в этом направлении.

Больше всех преуспели специалисты из Университета Райса в Техасе под руководством Вики Колвин. Они предложили использовать для связывания соединений мышьяка ржавчину, измельченную до частиц наноразмеров. Технология очистки в полной мере отвечает поставленным требованиям: вы всыпаете в загрязненную воду немного порошка из баночки, взбалтываете, вытягиваете частицы из раствора с помощью обычного магнита и в результате получаете воду, пригодную для питья, согласно действующим стандартам.

Несколько лет назад относительно молодой (р. 1965) американский ученый иорданского происхождения Омар Яги (Omar Yaghi) из Университета Калифорнии получил очень интересные кристаллические вещества, внутренняя структура которых чрезвычайно похожа на цеолиты – те же полости и окна с размером менее одного нанометра. Но в отличие от цеолитов, содержащих атомы кремния, алюминия и кислорода, эти материалы собраны из органических молекул [5] и ионов металлов – цинка или кобальта. Структурой и судьбой им предопределено быть хорошими адсорбентами, и действительно – кобальтовый “цеолит” хорошо поглощает маленькие молекулы углекислого газа, целых 89 литров на литр сорбента.

Это послужило основанием для громогласного заявления: “Техническая сторона проблемы избирательного удаления углекислого газа решена. При помощи разработанных нами структур можно создавать ловушки именно для СО2, не задерживая остальные газы. Захваченный газ хранится в специальном резервуаре, и, до тех пор пока этот резервуар не будет вскрыт, СО2 там будет пребывать”. Ключ к успеху – способность сорбента поглощать углекислый газ “на уровне молекул”. Это должно было найти отклик в душах присутствующих: сразу виден прогресс науки, мы теперь можем работать на уровне атомов и молекул, не то что раньше, до эпохи нанотехнологий! Мы-то с вами понимаем, что ни на каком другом “уровне” углекислый газ поглотить невозможно, потому что молекула – это форма его существования. Но государственным чиновникам, которым, собственно, и был адресован этот пассаж, не до этих тонкостей, они мыслят глобальными категориями. Предмет их главных, доходящих до маниакальной одержимости забот – техногенные выбросы углекислого газа, и они готовы щедро финансировать любые работы по его поглощению из атмосферы и последующему захоронению.