Наука и технологии России

Вход Регистрация
20.12.11 | Информнаука: Нанотехнологии Рациональное природопользование Иллюстрации предоставлены профессором Ражендером Вармой Σ Хадиев Азат

Опасные нанотехнологии: учёные ищут «зелёный» путь

То, что производство и использование наночастиц может нести опасность для окружающей среды и человека, уже ни у кого не вызывает сомнений. Наночастицы могут быть токсичными, свободно проходить через различные барьеры организма, да и само их производство зачастую требует применения вредных веществ. Именно поэтому многие учёные, работающие в данной области, одну из своих главных задач видят в том, чтобы найти безопасные методы синтеза и использования объектов нанотехнологий. Эта тема активно обсуждалась на завершившейся недавно в Казани XII Международной научно-практической конференции «Нанотехнологии в промышленности» (NANOTECH'2011). Один из её участников – Ражендер Варма, яркий мировой специалист по «зелёной» химии и нанотехнологии, старший научный сотрудник Агентства охраны окружающей среды в США, рассказал о новом подходе к наноиндустрии – экологически безопасном и основанном на применении возобновляемых ресурсов и «зелёных» технологий. Мы предлагаем обзор наиболее интересных, на наш взгляд, фрагментов его выступления на конференции, из которых можно почерпнуть массу полезной информации, а также сделать вывод о том, в каком русле сегодня развивается nanoscience в Америке.

Наночастицы из вина и чая

Для получения наночастиц методом осаждения металлов из солей часто применяются токсичные и агрессивные химические восстановители, например боргидрид натрия и гидразин, а также стабилизирующие вещества, которые не дают восстановленным молекулам металла активно соединяться. Несмотря на то что применение подобных веществ позволяет получать достаточно чистые наночастицы определённой формы, их негативное влияние на окружающую среду и здоровье человека сильно уменьшает привлекательность данного метода.

В 2008 году профессор Варма и его коллеги предложили альтернативный метод получения серебряных и палладиевых наночастиц с помощью экстракта чая и кофе. При смешивании экстрактов с солями металлов антиоксиданты, содержащиеся в кофе и чае, восстанавливали металл из соли, например серебро из нитрата серебра. Те же самые экстракты содержали стабилизирующие вещества, которые не позволяли восстановленным молекулам объединяться в большие бесформенные образования. В результате учёным удалось получить наночастицы серебра и палладия с узким разбросом по размерам: диаметр частиц был в диапазоне 20–60 нм.

Последующие исследования показали, что для получения наночастиц можно  использовать и другие безопасные вещества: сахара, различные витамины, экстракты многих растений и даже вино. Причём при использовании красного вина наночастицы получаются более правильной и одинаковой формы, нежели при использовании белого (рис. 1).

Золотые_наночастицы Рис. 1 – Слева – золотые наночастицы, полученные с помощью красного вина, справа – с помощью белого. Babita Baruwati, Rajender | S Varma Dr., ChemSusChem, 2, 1041 (2009)

Можно получать наночастицы, состоящие из других металлов, – достаточно лишь использовать соответствующую соль. Исследователи, например, таким же образом получали золотые и железные наночастицы, а при комбинировании различных солей синтезировали частицы, состоящие из разных слоёв веществ, в частности сферические наночастицы, ядро которых состояло из железа, а оболочка – из золота.

Учёные не предлагают использовать для синтеза красное вино и другие полезные продукты – для этих целей вполне подойдут отходы (жмых) пищевой промышленности. Использование подобных безопасных для окружающей среды веществ позволит существенно снизить риск негативного воздействия на природу и сэкономить на производстве нанопродукции.

Микроволны для химических реакций

Электромагнитное излучение микроволнового диапазона (0,3–300 ГГц) можно активно использовать для синтеза многих органических веществ. Полярные молекулы вещества (многие органические молекулы и вода таковыми являются) под действием микроволнового излучения стараются сориентироваться по переменному электромагнитному полю. В итоге происходит нагрев и селективная передача энергии микроволнового излучения определённым молекулам вещества. В большинстве случаев использование подобного подхода способно существенно увеличить скорость реакции по сравнению с традиционными способами нагрева. Кроме этого, применение микроволн позволяет уменьшить использование вредных и летучих растворителей или даже вовсе от них отказаться.

Ражендер Варма и его коллеги активно работают в этом направлении. Они предложили использовать методы органического синтеза, в которых отсутствовали какие-либо растворители. Реакции протекали лишь за счёт перемешивания и перетирания исходных веществ и воздействия микроволнового излучения.

Помимо этого, учёные работают над органическим синтезом и получением наночастиц в безопасных средах, например в воде или полиэтиленгликоле. Так, в 2009 году исследователям удалось получить наночастицы оксидов металлов, имеющих интересную, разветвлённую форму (рис. 2). Для синтеза использовались лишь соли, содержащие исходные металлы, вода и микроволновое излучение.

Трёхмерные_наночастицы_оксидов_металлов Рис. 2 – Трёхмерные наночастицы оксидов металлов, полученных под воздействием микроволнового излучения. Polshettiwar, Baruwati & Varma, ACS Nano, 3, 728 (2009)

Использование микроволн при «зелёном» синтезе серебряных наночастиц позволило учёным увеличить скорость реакции и производительность процесса, ну и, конечно, помогло добиться существенного уменьшения негативного влияния на окружающую среду.

Многоразовые катализаторы из магнитных наночастиц


Извлечение_магнитного_нанокатализатора
Рис. 3 – Извлечение магнитного нанокатализатора с помощью постоянного магнита

Доля поверхностных атомов, способных взаимодействовать с окружающей средой, от общего количества атомов у наночастицы очень велика. Именно поэтому они могут выступать в качестве эффективного катализатора химических реакций. Причём способность частиц ускорять химическую реакцию тем выше, чем более сложная и разветвлённая у них поверхность. Однако мало использовать их в качестве катализатора – необходимо также суметь извлечь частицы после проведения химической реакции.

Для решения этой проблемы группа Ражендера Вармы предложила использовать магнитные наночастицы Fe2O3, которые представлены на рис. 2. Сами по себе эти частицы не являются катализатором, но они могут выступать в качестве эффективного носителя. Для этого исследователи специальным образом модифицировали частицу и помещали на её поверхность палладий, который активно используется в качестве катализатора многих органических реакций. Огромным достоинством данного нанокатализатора является то, что он может быть легко извлечён с помощью постоянного магнита после проведения реакции и многократно использоваться впоследствии (рис. 3).

Ражендер Варма: «Мы покажем миру, что есть безопасный путь создания наночастиц»

Доклад профессора Вармы в Казани вызвал большой интерес учёных, в том числе и автора данной статьи, который не смог отказать себе в удовольствии побеседовать с именитым американским коллегой.

Ражендер_Варма
Профессор Ражендер Варма: «Я лишь копирую природу, а потом просто ставлю свою фамилию на публикации»

Господин Варма, расскажите, пожалуйста, что подтолкнуло Вас на работу в области «зелёной» нанотехнологии?

– Однажды мой руководитель спросил меня: «Раж, можем ли мы уменьшить вред от применения нанотехнологий?» После этого я начал работать над этим вопросом, и меня очень удивило то, что при синтезе наночастиц часто используются достаточно вредные растворители. Кроме того, некоторые наночастицы опасны уже сами по себе и могут нанести существенный вред человеку и окружающей среде. Чтобы создать безопасные методы синтеза, я решил немного поучиться у природы. Её методы должны быть безвредны для человека, так как человек рос и развивался именно в условиях, созданных природой. И я оказался прав – нам удалось получить наночастицы с помощью чая, красного вина, различных витаминов, сахара и других безвредных веществ. Я часто говорю, что всего лишь копирую природу, а потом просто ставлю свою фамилию на публикации.

Какие наночастицы и при каких условиях представляют наибольшую опасность для организма человека? И каким образом можно нивелировать этот вред?

– Наибольший вред наночастицы могут принести при их транспортировке к месту использования. Например, при создании композитов необходимо синтезировать наночастицы и потом перенести их в матрицу основного вещества. Наши методы позволяют получать наночастицы непосредственно в матрице, тем самым уменьшая время контакта с наночастицами, а следовательно, и их вред.

Вы рассказывали, что активно работаете над методами синтеза наночастиц. А что Вы после делаете с этими частицами?

– Всё, конечно же, зависит от вида наночастиц. Например, золотые наночастицы используются для лечения рака, наночастицы железа находят применение в очистке почв от загрязнений. Мы сотрудничаем с различными компаниями, и наши технологии синтеза, к примеру тех же железных наночастиц, уже востребованы. Но наша основная  цель – не применение созданных частиц.

Мы хотим показать всему миру, что есть альтернативный, экологически безопасный метод производства нанопродукции.

Как Вы думаете, могут ли «зелёные» методы заменить промышленные способы получения наночастиц и других веществ?

– Несомненно. Мы должны придерживаться этого пути, если хотим выжить на планете.

Нанотехнология – это междисциплинарная область, требующая знаний различных научных сфер. Каким образом, по-вашему, должна проходить подготовка специалистов наноиндустрии?

– Я думаю, нужно готовить специалиста определённого узкого профиля – невозможно знать всё обо всём. А для решения междисциплинарных задач необходимо создавать команды учёных разных специальностей и активно участвовать в сотрудничестве. По своей основной специальности я химик, но, когда мне необходима помощь других учёных, я контактирую с коллегами из «чужих» областей науки.

Америка – особенная страна. Она притягивает лучшие умы со всего мира, демонстрирует блестящие результаты в науке, в том числе в нанотехнологиях. Многие считают, что решающую роль здесь играют деньги, но есть и другие государства, которые готовы инвестировать большие средства в развитие отдельных научных направлений и при этом имеют серьёзные интеллектуальные ресурсы.  Но эти страны не всегда и далеко не по всем научным показателям занимают первые места…

– Я думаю, что все страны должны идти своим собственным путём. В некоторых случаях отставание является преимуществом – у них есть возможность посмотреть на ошибки других, выбрав нужное направление развития, совершить гигантский скачок вперёд. Я считаю, что не нужно открывать то, что уже открыто. Пользуйтесь общедоступными научными знаниями, активно участвуйте в сотрудничестве и развивайтесь, ориентируясь на собственный путь.

РЕЙТИНГ

4.94
голосов: 16

Галереи

Выставка форума Rusnanotech 2011

На форуме Rusnanotech 2011 были представлены продукты и достижения проектных компаний и компаний-партнёров корпорации РОСНАНО, а также решения производителей оборудования работы для нанотехнологий и достижения исследовательских университетов.

80 фото

Обсуждение

Новости

В России появился виртуальный бесплатный мобильный оператор

Обезболивающие вызвали эпидемию хронической боли в США

В Китае построили самый длинный в мире стеклянный мост

День в истории: 31 мая

Двойной завтрак помогает похудеть

Древнеегипетская «Атлантида» открывает свои секреты

Кстати,
до
0,006
кельвина...
Конференция IPS-21