Научная работа "Нанотехнологии в химической промышленности".

НАНОТЕХНОЛОГИИ В ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Развин А.А.

Научный руководитель - учитель  химии и биологии МБОУ «СОШ №2  

г. Калининска Саратовской области» Шарапова Л.И.

МБОУ «Средняя общеобразовательная школа  № 2 г. Калининска Саратовской области»

*Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

В переводе с греческого слово «нано» означает карлик. Один нанометр (нм) – это одна миллиардная часть метра (10-9 м). Размеры объектов, с которыми имеют дело нанотехнологи, лежат в диапазоне от 0,1 до 100 нм. Большинство атомов имеют диаметр от 0,1 до 0,2 нм, а толщина нитей ДНК – около 2 нм. Нанометр во столько же раз меньше одного метра, во сколько толщина пальца меньше диаметра Земли [1].

В приставку «нано» ученые вложили более точный смысл, а именно одна миллиардная часть. Например, один нанометр – это одна миллиардная часть метра, или 0,000 000 001 м (10–9 м).                            Почему же именно наноразмеры привлекли внимание ученых? Проведем мысленный эксперимент. Представьте себе куб золота с ребром 1 м. Он весит 19,3 т, и в нем содержится огромное число атомов. Разделим этот куб на восемь равных частей. Каждая из них представляет собой куб с ребром в два раза меньше исходного. Общая поверхность увеличилась вдвое. Однако свойства самого металла при этом не меняются (рис. 1). Будем продолжать этот процесс и далее. Как только длина ребра куба приблизится к размеру крупных молекул, свойства вещества станут совсем другими. Мы достигли наноуровня, т.е. получили кубические наночастицы золота. Они обладают огромной общей поверхностью, что приводит ко многим необычным свойствам и делает их совсем не похожими на обычное золото. Например, наночастицы золота могут быть равномерно распределены в воде, образуя коллоидный раствор – золь. В зависимости от размера частиц золь золота может иметь оранжевую, пурпурную, красную или даже зеленую окраску .

История приготовления золей золота восстановлением из его химических соединений уходит корнями в далекое прошлое. Возможно, что именно они представляли собой «эликсир жизни», упоминаемый древними и получаемый из золота. О приготовлении «растворимого золота» и употреблении его в медицине упоминает известный врач Парацельс, живший в XVI столетии. Научные исследования коллоидного золота начались лишь в XIX в. Интересно, что некоторые из приготовленных в то время растворов сохраняются до сих пор. В 1857 г. английский физик М.Фарадей доказал, что яркая окраска раствора обусловлена мелкими частицами золота, находящимися во взвешенном состоянии. В настоящее время коллоидное золото получают из золотохлороводородной кислоты восстановлением боргидридом натрия в толуоле с добавленным в него поверхностно-активным веществом, которое увеличивает устойчивость золя. Заметим, что такой подход к получению наночастиц из отдельных атомов, т.е. снизу вверх по размеру, часто называют восходящим (англ. – bottom-up). Он характерен для химических методов синтеза наночастиц. В описанном  мысленном эксперименте по делению слитка золота мы применили противоположный подход – нисходящий (top-down), в основе которого – дробление частиц, как правило, физическими методами.

С наночастицами золота мы можем встретиться не только в химической лаборатории, но и в музее. Введение в расплавленное стекло небольшого количества соединений золота приводит к их разложению с образованием наночастиц. Именно они и придают стеклу тот яркий красный цвет, за который его называют «золотым рубином».

С материалами, содержащими в себе нанообъекты, человечество познакомилось много веков тому назад. В Сирии (в ее столице Дамаске и других городах) в средние века научились делать прочные, острые и звонкие клинки и сабли. Секрет приготовления дамасской стали долгие годы мастера передавали друг другу в глубокой тайне. Оружейную сталь, не уступающую по свойствам дамасской, готовили и в других странах – в Индии, Японии. Качественный и количественный анализ таких сталей не позволял ученым объяснить уникальные свойства этих материалов. Как и в обычной стали, в них наряду с железом присутствует углерод в количестве около 1,5 % по массе. В составе дамасской стали обнаружили также примеси металлов, например марганца, который сопутствует железу в некоторых рудах, и цементита – карбида железа Fe3C, образующегося при взаимодействии железа с углем в процессе его восстановления из руды. Однако, приготовив стали точно такого же количественного состава, как дамасская, ученые не смогли добиться свойств, которые присущи оригиналу.

При анализе материала необходимо в первую очередь обращать внимание на его структуру! Растворив кусочек дамасской стали в соляной кислоте, немецкие ученые обнаружили, что содержащийся в ней углерод образует не обычные плоские чешуйки графита, а углеродные нанотрубки. Так называют частицы, получающиеся при закручивании одного или нескольких слоев графита в цилиндр. Внутри нанотрубок имеются полости, которые в дамасской стали были заполнены цементитом. Тончайшие нити из этого вещества связывают отдельные нанотрубки друг с другом, придавая материалу необычайную прочность, вязкость и упругость. Сейчас углеродные нанотрубки научились производить в больших количествах, но как удавалось получать их средневековым «технологам», до сих пор остается загадкой. Ученые предполагают, что образованию нанотрубок из угля, который попадал в сталь из горящего дерева, способствовали какие-то примеси и особый температурный режим с многократным нагреванием и охлаждением изделия. В этом-то как раз и заключался тот утраченный с годами секрет, которым владели ремесленники.

Как мы видим, свойства нановещества и наноматериала существенно отличаются от свойств объектов с таким же качественным и количественным составом, но не содержащих наночастиц.

В средневековье к созданию субстанций, которые мы сегодня называем наноматериалами, подходили эмпирически, т.е. путем многолетних опытов, многие из которых заканчивались неудачей. Ремесленники не задумывались о смысле выполняемых ими действий, не имели даже элементарного представления о строении этих веществ и материалов. В настоящее время создание наноматериалов стало объектом научной деятельности. В научном языке уже устоялся термин «нанонаука» (англ. nanoscience), который обозначает область исследования частиц нанометровых размеров. Задачи нанонауки сводятся к исследованию механических, электрических, магнитных, оптических и химических свойств нанообъектов – веществ и материалов. Нанохимия как одна из составляющих нанонауки занимается разработкой методов синтеза и изучением химических свойств нанообъектов. Она находится в тесной связи с материаловедением, поскольку нанообъекты входят в состав многих материалов. Очень важны медицинские применения нанохимии, включающие синтез веществ, родственных природным белкам, или нанокапсул, служащих для переноса лекарств.

Достижения нанонауки служат основой для развития нанотехнологий – технологических процессов производства и применения нанообъектов. Нанотехнологии имеют мало общего с теми примерами химических производств, которые рассматриваются в школьном курсе химии. Это и неудивительно – ведь нанотехнологам приходится манипулировать объектами величиной в 1–100 нм, т.е. имеющими размер отдельных крупных молекул [3].

Таким образом, нанообъекты характеризуются не только малым размером, но и особыми свойствами, которые они проявляют, выступая, как составная часть материала. Например, окраска стекла «золотой рубин» или коллоидного раствора золота вызвана не одной наночастицей золота, а их ансамблем, т.е. большим количеством частиц, расположенных на определенном расстоянии друг от друга.

Отдельные наночастицы, содержащие не более 1000 атомов, называют нанокластерами. Свойства таких частиц значительно отличаются от свойств кристалла, в котором содержится огромное число атомов. Это объясняется особой ролью поверхности. Действительно, реакции с участием твердых тел происходят не в объеме, а на поверхности. Примером может служить взаимодействие цинка с соляной кислотой. Если внимательно присмотреться, то можно увидеть, что пузырьки водорода образуются на поверхности цинка, а атомы, находящиеся в глубине, не участвуют в реакции. Лежащие на поверхности атомы обладают большей энергией, т.к. у них меньше соседей в кристаллической решетке.  Постепенное уменьшение размера частиц приводит к увеличению общей площади поверхности, росту доли атомов на поверхности и возрастанию роли поверхностной энергии.

Особенно велика она у нанокластеров, где на поверхности находится большинство атомов. Поэтому неудивительно, что, например, нанозолото по химической активности во много раз превосходит обычное. Так, например, наночастицы золота, содержащие 55 атомов (диаметр 1,4 нм), нанесенные на поверхность TiO2, служат хорошими катализаторами селективного окисления стирола кислородом воздуха до бензальдегида:

C6H5–CH=CH2 + O2 —> C6H5–CH=O + H2O,

тогда как частицы диаметром более 2 нм, а тем более обычное золото совсем не проявляют каталитической активности.

Алюминий устойчив на воздухе, а наночастицы алюминия мгновенно окисляются кислородом воздуха, превращаясь в оксид Al2O3. Исследования показали, что наночастицы алюминия диаметром 80 нм на воздухе обрастают слоем оксида толщиной от 3 до 5 нм. Другой пример: хорошо известно, что обычное серебро не растворимо в разбавленных кислотах (кроме азотной). Однако совсем маленькие наночастицы серебра (не больше 5 атомов) будут растворяться с выделением водорода даже в слабых кислотах типа уксусной, для этого достаточно создать кислотность раствора pH = 5 [4].

Для производства тех или иных химических соединений требуются, прежде всего, новые катализаторы. Между тем, без катализаторов было бы невозможно и само наше существование, потому что едва ли не все биохимические реакции в живом организме протекают только в присутствии ферментов, то есть биологических катализаторов. И современная промышленность тоже остро нуждается в катализаторах: достаточно сказать, что 80 процентов всей продукции химической отрасли производится с их помощью. Без катализаторов многие производственные процессы были бы вообще невозможны, а все остальные потребовали бы значительно более высоких энергозатрат. Именно поэтому химия и проявляет повышенное внимание к проблеме катализа. Этой теме было посвящено несколько докладов на Международной конференции по проблемам «зелёной» химии, прошедшей в начале июля в нидерландском городе Делфте. Так вот, судя по всему, очень перспективным катализатором может оказаться золото. По крайней мере, в этом не сомневается профессор химии Кардиффского университета в Уэльсе Грэм Хатчингс (Graham Hutchings).

Профессор Хатчингс использует золото в качестве катализатора. Но чтобы выполнять эту функцию, металл должен образовывать соединения, пусть и непрочные, то есть ненадолго, с другими участниками реакции. А на это, как всем известно, золото неспособно – по крайней мере, до тех пор, пока оно находится в виде слитка, или монеты, или пластины.

Но если продолжать делить кусок золота на всё более мелкие фрагменты с тем, чтобы получить наночастицы размером всего в несколько атомов, то золото становится химически чрезвычайно активным. И перед нами открывается совершенно новый, неведомый мир реакций, которые оно способно ускорять.

Прежде всего, это реакции окисления, в которых золото помогает молекуле одного из реагентов присоединить атом кислорода. До сих пор химикам-технологам приходилось использовать для этих целей очень агрессивные, а нередко ещё и ядовитые субстанции – например, соединения хрома. Золото же в качестве «зелёного» катализатора позволяет осуществлять безвредные реакции окисления с использованием атмосферного кислорода.

Эсбен Торнинг (Esben Taarning), сотрудник химического факультета Технического университета в датском городе Люнгбю, пошёл ещё дальше – он использует не только золото в качестве экологичного катализатора, но ещё и биомассу в качестве экологичного сырья. В частности, глюкозу из картофельного или кукурузного крахмала, которую он сначала обезвоживает.

Таким образом,  можно сформировать молекулы вещества, именуемого гидроксиметилфурфурал. А из него методом окисления в присутствии золотого катализатора можно получить один из основных компонентов для производства биопластмасс.

Такая технология позволит изготовлять, скажем, бутылки для минеральной воды из пластика на основе растительного сырья. Сегодня большая часть таких бутылок производится из полиэтилентерефталата – пластмассы на основе терефталевой кислоты.

 В процессе её производства используются нефтепродукты, а между тем, всё идёт к тому, что некоторые их этих нефтепродуктов могут стать очень дефицитными, а значит, непомерно дорогими. Поэтому представляется разумным, уже сегодня позаботиться об альтернативе.  Химикаты, которые  получают из биомассы с помощью наночастиц золота в качестве катализатора, вполне могут претендовать на то, чтобы стать такой альтернативой.

А тем, кто думает, что золото – чересчур дорогой катализатор,  сравните мировые цены на золото и на платину. Хотя платина вдвое дороже, она, тем не менее, относится сегодня к катализаторам, весьма широко распространённым в химическом производстве. Так что и золоту, похоже, уготована та же судьба, несмотря на всё «благородство» этого металла.

Понятно, впрочем, что одним лишь превращением инертного золота в химически активное роль нанотехнологий в химии не исчерпывается. Особое значение они обретают, например, в пищевой промышленности. Как известно, жиры в воде нерастворимы, поэтому при мытье посуды в воду обязательно добавляют специальные поверхностно-активные вещества – так называемые тензиды. Типичным примером может служить мыло. Эти вещества состоят из удлинённых молекул, один конец которых обладает сродством к воде, другой легко сцепляется с жирами. В результате в воде образуется множество мельчайших капелек жира, поверхность которых, если посмотреть на неё в микроскоп, щетинится молекулами тензидов, словно ёж колючками. Без тензидов получить такую эмульсию, состоящую из взвешенных в воде капелек жира, то есть перемешать жир с водой, было бы невозможно.

 Теперь расположенная в Дармштадте фирма «AquaNova» предложила основанную на этом же принципе технологию, позволяющую заключать различные биологически активные вещества в миниатюрные капсулы диаметром в 30 нанометров и вводить их в пищевые продукты. Таким путём удаётся смешивать то, что по природе своей вообще-то смешиваться не должно. Обычно химические вещества бывают либо водорастворимыми, либо жирорастворимыми. Скажем, витамин С растворяется только в воде, а витамин Е – только в масле. Заключая эти вещества в нанокапсулы, мы как бы отменяем эти ограничения. То есть теперь  можно и воду насытить витамином Е, получив совершенно прозрачную жидкость. Это и для промышленности преимущество, потому что такой напиток легче производить, и для потребителя, потому что прозрачный напиток чисто визуально воспринимается лучше, чем мутный.

Всё очень просто: нанокапсулы так малы, что не рассеивают свет, поэтому жидкость сохраняет прозрачность. Нанокапсулы фирмы «AquaNova» имеют ряд преимуществ перед такими уже давно применяемыми частицами сходного назначения, как, скажем, липосомы: продукция дармштадтских химиков термически и механически стабильнее и устойчивее к воздействию желудочного сока, что позволяет использовать её не только в пищевой промышленности, но и в медицине, в фармацевтике, в косметологии. Ещё один пример такого применения – введение нанокапсул, содержащих витамин С, то есть аскорбиновую кислоту, в пищевые растительные масла с целью предотвращения их окисления.

Аскорбиновая кислота является природным антиоксидантом, однако до сих пор её не удавалось ввести в масло. И вот теперь мы именно это и сделали. То есть сегодня мы можем предложить растительные масла, обогащённые витамином С с целью защиты от прогоркания. Сходные технологии фирма разработала и для целого рада других промышленных консервантов, которые иначе внедрить, скажем, в молоко и некоторые кисломолочные продукты невозможно.

В тех случаях, когда при смешивании несмешиваемых веществ можно не обращать внимание на такие показатели как прозрачность – например, при изготовлении майонеза, – сегодня всё чаще используется другой метод, также базирующийся на нанотехнологиях. Каждый из компонентов, подлежащих смешиванию, пропускаются под давлением сквозь очень мелкопористое сито. Образующаяся в результате эмульсия достаточно стабильна – если только поры не слишком сильно отличаются размерами. В противном случае эмульсия норовит расслоиться, что придаёт, скажем, тому же майонезу мало аппетитный вид. Всё дело в том, что среди образующих эмульсию капель действует звериный закон: большие и сильные пожирают маленьких и слабых. Поэтому важнейшими условиями стабильности эмульсии являются её гомогенность и тонкодисперсность, которые достигаются за счёт применения сит с нанопорами строго одинакового размера. Технология производства таких сит во многом сходна с технологией производства микропроцессоров: и те, и другие изготовляются из тончайших пластин кремния, которые подвергаются фототравлению. Наиболее совершенные сита такого рода могут выполнять роль фильтров: они способны задерживать патогенные микроорганизмы и даже вирус [5]…

В своей лекции Ричард Фейнман говорил и о перспективах нанохимии. Сейчас химики используют для синтеза новых веществ сложные и разнообразные приемы. Как только физики создадут устройства, способные оперировать отдельными атомами, многие методы традиционного химического синтеза могут быть заменены приемами «атомной сборки». При этом, как считал Фейнман, физики, в принципе, действительно могут научиться синтезировать любое вещество, исходя из записанной химической формулы. Химики будут заказывать синтез, а физики — просто «укладывать» атомы в предлагаемом порядке. Развитие техники манипуляции на атомарном уровне позволит решить многие проблемы химии и биологии [1].

В перспективе нанотехнологии могут заменить принятые сегодня методы производства. Запрограммированные нанороботы смогут собирать по заказу любые объекты непосредственно из атомов и молекул. А в далеком будущем не исключено, что у каждого человека будет свой наносинтезатор, позволяющий создавать различные предметы и вещества.

Последние годы ознаменовались бурным ростом интереса к нанотехнологии и ростом инвестиций в неё. И это вполне понятно, учитывая, что нанотехнологии обеспечивают высокий потенциал экономического роста, от которого зависят качество жизни населения, технологическая и оборонная безопасность, ресурсо- и энергосбережение. Сейчас практически во всех развитых странах действуют национальные программы в области нанотехнологии. Они имеют долговременный характер, а их финансирование осуществляется за счет средств, выделяемых как из государственных источников, так и из других фондов[5].

Вывод.

Нанонаука еще очень молода – ей всего лишь около 20 лет! И как любой молодой организм, она очень быстро развивается и только еще начинает приносить пользу. Пока лишь небольшая часть достижений нанонауки доведена до уровня нанотехнологий, однако процент реализации все время растет, и через несколько десятков лет наши потомки будут недоумевать – как же мы могли существовать без нанотехнологий!

Список литературы.

1. http://chimia24.ucoz.ru/load/nanotekhnologii/chto_mogut_nanotekhnologii/48-1-0-221

2.  Нанотехнологии. Азбука для всех. Под ред. акад. Ю.Д.Третьякова.

М.:   Физматлит, 2008;

 3. Сергеев Г.Б. Нанохимия. М.: Книжный дом Университет, 2006;

4.  Лалаянц И.Э. Нанохимия. Химия (ИД «Первое сентября»), 2002,  

№ 46, ;

          5. http://sgmlab.ru/nanotechnology/nanotexnologiya-v-ximii/