10.Нанотехнологии для защиты окружающей среды.

     В настоящее время приоритетным направлением развития современной науки и техники являются нанотехнологии и наноматериалы. Исследования последних лет продемонстрировали важную роль наноструктур в самых различных областях (физика, химия, материаловедение, биология, медицина и т. д.). Перспективны нанотехнологии и в области защиты окружающей среды. В настоящее время активно исследуются и применяются природные наноструктуры. Так, например, цеолиты, глины и другие пористые породы используют в качестве так называемых «кондиционеров», особенно в системах регулируемого водоснабжения; в качестве защитных материалов на хранилищах радиоактивных отходов; структурирующих агентов в пищевых продуктах (например, получение диетических, немолочных сливок); ионообменников для очистки воды и т.д. Силикагель и другие обезвоживающие средства используют как нанофазные твердые осушители.
     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, их адресная доставка в микроколичествах, 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 &qt; 10) и нуждается в улучшении, поскольку накоплено много данных, свидетельствующих, что степень токсичности 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. В связи с проблемами мониторинга окружающей среды особый интерес представляют газовые сенсоры на основе полупроводниковых оксидов олова, молибдена, вольфрама, титана, индия и др. Перспективность их применения определяется высокой чувствительностью, селективностью, быстродействием, возможностями модификации свойств.
     Для очистки воды перспективны нанопористые полимеры. Так, например, использование циклодекстринов в качестве основных элементов структуры позволило синтезировать совершенно новый класс органических нанопористых полимеров с узким распределением пор по размерам (0,7—1,2 нм). Такие высокотехнологичные нанопористые полимеры обладают очень высокой способностью к «захвату» и переносу органических молекул-гостей на поверхностях раздела вода/твердое тело. Константа связывания органических молекул-гостей такими полимерами на восемь порядков величины превосходит соответствующее значение для молекулярных циклодекстринов в воде. Причем описываемый процесс является полностью обратимым в органических растворителях, аналогичных по действию этиловому спирту. Огромное значение этих разработок обусловлено тем, что контакт воды с полимерами подобного типа может снизить содержание в ней опасных органических загрязнителей практически до нуля (до нескольких частей на триллион).
     Для очистки среды используют введение активных наноструктурных агентов в жидкие отходы в месте их хранения или образования, что позволяет связывать загрязняющие вещества, в результате чего отходы очищаются до уровня, безопасного для окружающей среды. В таких процессах предполагается использовать два новых материала. Один из них представляет собой неорганический фуллерен, построенный из атомов молибдена (Мо) и серы (S). Поверхности такой регулярной структуры относительно инертны к ван-дер-ваальсовым взаимодействиям, а ее оптическая запрещенная зона попадает в область видимого света, что делает такую структуру идеальным агентом для фотоокисления жидких отходов. Другой тип материала представляет собой однослойную углеродную нанотрубку. Такие структуры эффективно используются для очистки газовых потоков, особенно от трудноразрушаемых канцерогенных диоксинов, а также в качестве среды для аккумулирования водорода, адсорбции тяжелых металлов и других примесей.
      Для адсорбции атомов тяжелых металлов также используют мезопористые композитные материалы. Они представляют собой силикатную решетку с цилиндрическими порами, образующими сотообразную структуру с очень высокой удельной поверхностью и наноразмерными порами. Поры действуют как ловушки для захвата молекул заданного размера, а химические функциональные группы обеспечивают образование плотных монослоев на поверхности стенок. Диаметр пор составляет 55 нм, удельная поверхность 900 м²/г. Молекулы поверхностно- активных веществ, обладающие химической избирательностью, осуществляют самосборку в междоузлиях кремнеземной матрицы, полученной в результате реакций в растворах. Один конец молекулы жестко связывается с керамической подложкой, а второй остается свободным и может взаимодействовать с веществами, подлежащими удалению.
     Такие нанокомпозиты, образующиеся в результате самосборки монослоев на мезопористых подложках, не только весьма эффективны при очистке стоков от ионов тяжелых металлов, но и могут найти многочисленные применения в технологиях, связанных с энергетикой, разделением веществ, катализом и т.д.
     Использование наноматериалов для создания новых катализаторов продолжает привлекать пристальное внимание исследователей. Каталитическое окисление оксида углерода применяется для очистки воздуха, конверсии автомобильных выхлопов, в технологии новых топливных элементов, основанных на окислении метанола и других углеводородов. Для этих целей наиболее эффективно применение наночастиц, состоящих из металлического ядра и внешней оболочки. Для электрохимического окисления оксида углерода в качестве катализаторов используют наночастицы золота размером 2 и 5 нм, окруженные молекулами декантиолов. Подобное применение наночастиц золота свидетельствует о кооперативном усилении каталитической активности. Способами получения оптимальных катализаторов могут стать изменения формы ядра, структуры молекулярной оболочки или ее свойств, природы связывания ядра и оболочки, влияющих на активные места, упаковку дефектов и коллективные электронные свойства наночастиц.
     Большую проблему для экологии современных промышленно развитых городов представляет смог, образующийся при участии оксидов азота, который выделяется в больших количествах при горении природного газа. В этой связи актуален поиск новых катализаторов окисления метана. Разработан новый каталитический материал – нанокристаллический гексаалюминат бария, который обеспечивает горение метана при 400°С. Он сохраняет размеры частиц и их площадь поверхности при высоких температурах. Кроме того, его можно дополнительно модифицировать церием, кобальтом, марганцем и лантаном.
     Для очистки воздуха от органических загрязнений бытового и промышленного происхождения в различных помещениях нашли применение фотокаталитические свойства нанокристаллического оксида титана, окисляющего примеси под действием ультрафиолетового излучения до значений гораздо ниже допустимых. Для более тонкой очистки воздуха применяются многослойные фильтры из пористой нержавеющей стали со слоем ультрадисперсного порошка нитрида титана или оксида титана. Тонкость фильтрации для газовых сред таких фильтров может доходить до 10 нм (при перепаде давления в 0,1 бар) и для жидких сред – до 10-100 нм (при перепаде давления в 2-5 бар). Эти фильтры могут использоваться для очистки водно-маслянных эмульсий, сточных вод, жидких радиоактивных отходов и т.д.
     Широко применяются биоактивные фильтры на основе нановолокон из бемита (AlOOH). Эти волокна, агрегированные в «комки» размером около 1 мкм, могут быть кристаллическими (типа «перекати-поле), либо аморфными (типа комков снега). За счет наличия большого числа гидроксильных групп агрегаты волокон в водных растворах активно сорбируют отрицательно заряженные бактерии, вирусы, неорганические и органические примеси, обеспечивая эффективную очистку воды, стирилизацию медицинских сывороток и биологических сред.
     Приведенные выше примеры показывают, что применение нанотехнологий в экологии является очень перспективным, но мало изученным направлением. В настоящее время нанотехнологии находятся на начальной стадии развития, поскольку полученные наноструктуры и наноустройства пока в основном довольно примитивны и далеко не исчерпывают потенциальных возможностей нанонауки. Для интенсификации ее развития необходимо на всех уровнях обеспечить взаимосвязь между нанонаукой, которая занимается фундаментальными исследованиями свойств наноматериалов и явлений в нанометровом масштабе, нанотехнологией, которая создает наноструктуры и наноинженерией, осуществляющей поиск эффективных методов их использования.