Нанотехнологии для экологии

1. Нанотехнологии для экологии

2. Перспективны нанотехнологии и в области защиты окружающей среды. В настоящее время активно исследуются и применяются природные нанострук

Перспективны нанотехнологии и в области защиты
окружающей среды. В настоящее время активно
исследуются и применяются природные наноструктуры:
цеолиты и другие пористые породы в качестве так
называемых «кондиционеров», особенно в системах
регулируемого водоснабжения;
глины и цеолиты в качестве защитных материалов на
хранилищах радиоактивных отходов;
введение в пищевые продукты алюмосиликатов в
качестве структурирующих агентов (например,
получение диетических, немолочных сливок) или
цеолитов в корма для животных, ускоряющие их
рост;
цеолиты в качестве ионообменников для очистки
воды;
силикагель и другие нанофазные твердые осушители
(обезвоживающие средства).

3. Многие из указанных здесь материалов уже производятся в качестве обычных промышленных товаров, не связанных с высокими технологиями, одна

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,
создания систем регенерации на космических
станциях и в других замкнутых помещениях и
др.).

4. Разработка методов быстрой идентификации, описания и анализа наночастиц (включая анализ состава, содержания следовых элементов, атомной с

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,
нуждается в улучшении, поскольку накоплено много
данных, свидетельствующих, что токсичность таких
частиц сильно зависит от их размера.
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.

5. Для очистки воды перспективны нанопористые полимеры. Так, например, использование циклодекстринов в качестве основных элементов структур

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
нанополимерами 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).

6. 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 и в качестве среды
для аккумулирования водорода,
адсорбции тяжелых металлов и других примесей.

7. Для адсорбции атомов тяжелых металлов используют мезопористые композитные материалы. Они представляют собой силикатную решетку с цилинд

Для адсорбции атомов тяжелых металлов 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.

8. Такие нанокомпозиты, образующиеся в результате самосборки монослоев на мезопористых подложках, не только весьма эффективны при очистке с

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.

9. Использование наноматериалов для создания новых катализаторов продолжает привлекать пристальное внимание исследователей. Каталитическ

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.

10.

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.

11.

Так, описан синтез нового каталитического
материала, обеспечивающего горение метана
при 400°С.
Для его получения использовали обратимые
микроэмульсии на основе изооктана, воды и
таких ПАВ, как аддукты полиэтиленоксида со
спиртами.

12.

Соли Ва(ОС3Н7)2 и Аl(ОС3Н7)3 растворяли в
изооктане и смешивали с микроэмульсией при
комнатной температуре.
Полученный в результате такой обработки твердый
кристаллический наноразмерный гексаалюминат
бария показал высокую каталитическую активность в
реакции горения метана.
Гексаалюминат бария сохраняет размеры частиц и их
площадь поверхности при высоких температурах.
Кроме того, его можно дополнительно
модифицировать церием, кобальтом, марганцем и
лантаном.
При модификации оксидом церия получен композит,
обеспечивающий горение метана при температурах
ниже 400 °С.

13.

В атмосфере, геологических породах,
водной среде и биологических системах
присутствует большое количество
разнообразных естественных
наночастиц и наноструктурных веществ.
Однако их влияние на здоровье
человека пока не изучалось
систематически.

14.

Точная оценка воздействия наноразмерных
веществ на биологические системы в
значительной степени осложняются
отсутствием аппаратуры для контроля
содержания наночастиц и их воздействия.
Для устранения или предотвращения
загрязнения окружающей среды
наночастицами необходимо, прежде всего,
иметь достаточно полное представление о
фундаментальных процессах
взаимодействия наночастиц и
наноструктурных материалов с окружающей
средой и, особенно с биологическими
системами.

15.

К настоящему времени разработано
несколько типов приборов,
используемых в медицине и экологии
для оценки влияния наночастиц в
научно-исследовательских целях.
Например, существуют счетчики
наночастиц, позволяющие выращивать
конденсацией из газовой фазы
наночастицы определенного размера.

16.

Такими приборами обеспечивается
регистрация частиц размером порядка 3 нм в
воздухе при атмосферном давлении.
Дополнительные сведения о свойствах
наночастиц могут быть получены из анализа
«дифференциальной подвижности частиц».
По этой методике частицы заряжают
единичным положительным или
отрицательным зарядом.
Под влиянием приложенного электрического
поля частицы движутся поперек не
содержащего частиц потока и разряжаются
как монодисперсный аэрозоль.

17.

Наночастицы можно рассматривать в
качестве своеобразных «микрореакторов»,
которые, в зависимости от окружения, могут
преобразовывать энергию, перерабатывать
отходы или служить в качестве
наносенсоров, например, для непрерывного
контроля состояния окружающей среды или
для оптимального управления
производственными процессами,
позволяющими минимизировать потребление
энергии.

18.

Непосредственный контроль состояния
окружающей среды важен практически во
всех производственных процессах (в
химической промышленности, электронике,
машиностроении и т.п.), а регулирование
расходования энергии связано с работой
транспортных средств, нагревательных
систем и холодильных устройств.
Работа по созданию все более совершенных
и экологически чистых производственных
процессов зависит от развития средств
контроля и обратной связи, которые во
многих случаях могут быть построены лишь
на основе наноустройств.

19. Особенно важными являются следующие направления исследований:

замена производств, связанных с
образованием больших объемов отходов, на
так называемые «зеленые» технологии;
рационализация производственных
процессов, позволяющая выпускать более
легкие и мелкие изделия, что поможет
снизить расходы материалов и энергии;
более глубокое изучение и регулирование
природных явлений и процессов загрязнения
окружающей среды с помощью нанодатчиков
и наноэлектронных устройств.

20.

Применение конструкционных
нанокомпозитов началось лишь несколько
лет назад, но можно с уверенностью
утверждать, что в течение ближайших 5—10
лет будут изготовлены более совершенные и
экологически чистые композиты.
Нынешние исследования в этой области
имеют целью изготовление композитов,
обладающих прочностью традиционных
материалов, но значительно меньшим весом,
с помощью введения наночастиц в
полимерный материал.

21.

В перспективе возникает возможность
создания композитов на основе полимеров и
наночастиц, которые будут обладать
повышенными функциональными
характеристиками, например, тепло- и
электропроводностью, заданными
оптическими свойствами и др.
Но одновременно с этим возникает проблема
переработки и утилизации таких сверх
прочных, химически стойких нанокомпозитов.

22.

Нанотехнология охватывает многие научные
дисциплины и поэтому нуждается в
выработке единой терминологии,
номенклатуре и стандартов измерений в
областях, связанных с проблемами
окружающей среды.
ЗАДАЧИ

23.

Изучение механизмов наномасштабных
процессов и возможностей их регулирования
(например, при осаждении и кристаллизации
белков, десорбции загрязняющих агентов,
стабилизации коллоидных дисперсией, агрегации
мицелл, подвижности микробов, образования и
подвижности наночастиц, их взаимодействия с
тканями организмов и т.п.).
Возникает необходимость более глубокого
изучения процессов на межфазных границах систем:
твердое тело — жидкость, твердое тело — газ,
жидкость — газ с участием минеральных и
органических компонентов почвы, аэрозолей,
биомолекул (клеток, микробов), биологических
тканей, химически модифицированных объектов
(например, мембран и биопленок), антропогенных
источников загрязнения (например, радиоактивных
веществ и тяжелых металлов);
1

24.

2 Проведение междисциплинарных исследований,
которые связаны с разработкой и математическим
описанием сложных модельных систем, межфазных
границ и других нанометровых структур и участвуют в
биологических процессах функционирования живых
организмов.
Новейшие технологические приемы значительно
расширяют возможности изучения молекулярных и
наномасштабных процессов, связанных с
отдельными молекулами или клетками (например,
оптические ловушки, лазерный «пинцет», синхронное
излучение и др.). В последние годы были
разработаны более эффективные методы
математического описания динамических,
многомасштабных и многокомпонентных систем, в
том числе, систем с фазовыми переходами и
агрегированием;

25.

3 Изучение модельных наноструктур,
связанных с естественными процессами
или с охраной окружающей среды
(горные разработки и шахты,
подземные водоносные слои, полярные
области, атмосферные явления и др.).
Углубление знаний о динамике
специфических наномерных процессов
в природных системах должно привести
к более глубокому пониманию сложных
экологических закономерностей и
выработке новых подходов к защите
окружающей среды.

26.

НТ могут решить в будущем и такую серьезную
проблему как недостаток минеральных ресурсов на
Земле. Используя автономные
самовоспроизводящиеся системы, человечество
может организовать добычу полезных ископаемых в
космосе, например на Луне, планетах и астероидах.
Кроме того, молекулярные технологии могут
оказаться чрезвычайно важными при осуществлении
дальних космических полетов или даже колонизации
далеких космических объектов.
Некоторые сторонники МНТ считают необходимость
таких дальних путешествий неизбежной, в связи с
растущим загрязнением окружающей среды,
истощением ресурсов, перенаселением из-за
успехов наномедицины, т.е. в результате победы
науки над старостью и смертельными
заболеваниями.

27.

В настоящее время серьезной экологической
проблемой является загрязнение атмосферного
воздуха продуктами сжигания минерального и
углеводородного топлива.
С другой стороны существенное отставание добычи
энергоресурсов от их потребления является причиной
энергетического кризиса. Эти две взаимосвязанные
проблемы можно решить с помощью нанотехнологии,
разрабатывая новые источники энергии и устройств или
материалов ее накопления, хранения и
преобразования.
Новая наноэнергетика будет развиваться в двух
главных направлениях: повышение энергетических
возможностей существующих микроустройств (при
одновременном уменьшении их веса) и развитие
разнообразных новых устройств с очень низким
энергопотреблением.

28.

Основной задачей первого направления, очевидно,
выступает создание новых типов топливных
элементов и батарей, а также наноструктурных
электродов и мембран. Миниатюрные топливные
элементы уже сейчас широко используются в самых
различных отраслях авиакосмической техники
(электропитание беспилотных устройств,
космических спутников и т.д.), а более крупные
батареи и элементы (с мощностью в десятки
киловатт и больше) применяются в наземных
транспортных средствах, кораблях и т.п.
Ожидается, что НТ позволят создать материалы для
высокоэффективных устройств аккумулирования
водорода и топливных элементов на этой основе,
что, кстати, должно стать важным этапом на пути
создания экологически чистых, «электрических»
автомобилей.

29.

Ожидается также, что на основе органических
нанокомпозитов будут созданы гибкие и очень легкие
солнечные батареи. Например, американским ученым
удалось создать субстанцию, которая способна поглощать
99,9% видимого света. Теперь ученые пытаются выяснить,
способна ли новая субстанция поглощать
ультрафиолетовые лучи или радиационное излучение, что
кардинально могло бы повлиять, например, на
перспективу внедрения так называемых "домашних
реакторов" в качестве источника электроэнергии и на
проблему утилизации ядерных отходов. Созданный
материал состоит из тончайших нанотрубок углерода
тоньше человеческого волоса в 400 раз, и на данный
момент это самый темный материал на Земле. Трубки
расположены вертикально, и таким образом, лучи света
поглощаются, попадая в пустоты между трубками. Кроме
ядерной энергетики, ученые предполагают, что материал
выведет также и солнечную энергетику на новый уровень,
благодаря своим свойствам поглощать почти 100%
видимого света.

30.

Нанотехнологические подходы предлагается
использовать также при создании
генераторов малой мощности для различных
микросистемных технологий.
Сочетание обычных углеводородных топлив,
термоэлектрических преобразователей
энергии, двигателей внутреннего сгорания,
новейших топливных элементов и хорошо
известных энергетикам реформинг-установок
уже сейчас позволяет создавать устройства и
батареи (мощностью от нескольких микроватт
до 1 Вт), плотность энергии которых
превосходит лучшие существующие образцы
в десятки раз.

31.

Среди принципиально нового оборудования следует
особо упомянуть возможность создания «собственных»
электрогенераторов (их можно назвать телесными или
даже соматическими), способных вырабатывать
электрический ток просто за счет энергии движения
человека, незначительных по величине градиентов
температуры в теле человека или даже биохимических
реакций человеческого организма.
Предлагается имплантировать миниатюрные
биотопливные батареи в организм человека. Вводя внутрь
кровеносных сосудов микроустройства, в которых может
происходить окисление глюкозы и восстановление
кислорода (на специально сконструированных катодах и
анодах соответственно), уже сейчас удается выработать в
лабораторных условиях более 1 мкВт энергии в течение
недели. Такие топливные системы и элементы могут
применяться для питания микродатчиков, микроприводов
и телеметрических систем слежения, введенных в
организмы растений, животных и человека.

32.

Кроме этого, использование новых материалов
на основе НТ должно неизбежно приводить к
повышению КПД за счет различных вторичных
эффектов (уменьшение веса подвижных
деталей двигателя, снижения трения на
контактирующих поверхностях, упоминавшееся
выше повышение износостойкости деталей и
т.п.), что значительно снизит выхлоп
отработавших газов.
Перечисленные преимущества в сочетании с
микросистемными технологиями позволят
создать практически новые типы
сверхминиатюрных электродвигателей для
микротранспортных устройств (воздушных,
наземных, водных) и микророботов.

33.

При работе в очень небольших объемах или
на очень малых масштабах неожиданно
высокую практическую ценность могут
приобрести электромеханические (и
особенно электростатические) двигатели,
производство которых может быть
организовано на основе различных
комбинаций микро- и нанотехнологий.
С другой стороны, сочетание этих технологий
позволяет создать и совершенно новые,
весьма эффективные электродвигатели
малых (но не микроскопических) размеров
для решения самых разнообразных
технических задач.

34.

Например, в автомобильной
промышленности возможность установки
небольших по размеру приводных двигателей
на каждом из колес (а возможно, даже и в
тормозной системе) будет означать
революцию в этой обширной научнотехнической области.
Такой подход позволит убрать из конструкции
многие детали (коробку передач, сцепление,
генераторы и т.п.), в результате чего будет
фактически создан экологически чистый
«электрический» автомобиль.

35.

Для успешного использования
существующих и появляющихся во все
возрастающем количестве новых
технологий, связанных с экологией,
важна организация сотрудничества
между университетами, лабораториями
и промышленными предприятиями.
Такое сотрудничество будет
способствовать развитию необходимых
междисциплинарных исследований,
расширению подготовки кадров и
обмену специалистами.

36. СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ