ext_5251

ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы

Например, прочность металла, полученного средствами нанотехнологии, превышает прочность обычного в 1,5 – 2, а в некоторых случаях – и в 3 раза. Твердость его больше в 50 70 раз, а коррозийная стойкость – в 10 12 раз!

Разнообразие наноматериалов с уникальными свойствами буквально поражает воображение: это и сверхлегкие, сверхпроч ные нанопокрытия для чего угодно – от самолетов до режущих инструментов, и самоочищающиеся ткани, и материал, защища ющий человека от вредного воздействия радиоизлучения (веду щие производители сотовых телефонов уже планируют произво дить из него корпуса для телефонов нового поколения).

"Умные" материалы активно реагируют на изменения окружающей среды и изменяют свои свойства в зависимости от обстоятельств.

Помимо улучшения свойств привычных промышленных материалов развитие нанохимии ведет ко все большему распро странению так называемых “умных материалов”.

Самым простым примером “умного материала”, созданно го природой, является наша кожа. Ведь подумать только: наше тело покрыто миллиардами чувствительных “нанодатчиков”, связанных с головным мозгом! Даже с закрытыми глазами мы легко отличаем круглое от квадратного, мокрое от сухого, горя чее от холодного... Наша кожа способна реагировать на “опас ность”, заставляя нас рефлекторно одергивать руку, чтобы не обжечься, или одеваться потеплее, чтобы защитить свой орга низм от переохлаждения; она способна к самозаживлению при травмах, самодостраивается по мере роста человека.

Кроме того, наша кожа обладает уникальной системой по тоотделения, необходимой для защиты организма в условиях высоких температур. Каждый школьник знает, что оптималь ная температура здорового человека – около 36,6°С. При повы шении или понижении температуры тела всего лишь на 2 3 гра дуса мы чувствуем слабость, наша работоспособность падает, внимание и память ухудшаются, портится настроение. Падение температуры тела ниже 30°С очень опасно для здоровья. При 27°С наступает кома, происходит нарушение сердечной дея тельности и дыхания. Температура ниже 25°С является крити ческой – человек умирает. Не менее опасно и повышение тем

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

пературы тела. Критической считается температура 42°С – при ней происходит нарушение обмена веществ в тканях мозга, че ловек теряет сознание. Если такая температура долго не спада ет, это грозит повреждением головного мозга и даже смертью.

Тем не менее, благодаря потовым железам, “встроенным” в нашу кожу, мы способны без особого вреда переносить темпе ратуры, намного превышающие эти критические 42 градуса. Как доказали английские физики Благден и Чентри (проводив шие ради опыта несколько часов в натопленной печи хлебопе карни), в сухом воздухе при постепенном нагревании наш орга низм способен выдержать до 160°С! (напомним, что это больше чем в полтора раза выше температуры кипения воды!). То есть можно запросто сварить яйцо или поджарить бифштекс в воз духе, в котором люди могут достаточно долго оставаться без вреда для себя.

Чем же объясняется такая выносливость? Тем, что наша ко жа автоматически реагирует на повышение температуры окру жающей среды посредством обильного выделения пота. Испа рение капелек пота с поверхности нашего тела поглощает теп ло из того слоя воздуха, который непосредственно прилегает к коже, тем самым охлаждая его до нормальной температуры.

Природа позаботилась о своих созданиях, наградив нас этим поистине волшебным средством защиты. Но и человеческая мысль тоже не стоит на месте! Уже довольно давно металлурги изобрели “потеющий” металл для защиты промышленных объ ектов от высоких температур. Этот, тоже своего рода “умный”, материал представляет собой пористую сталь с вкраплениями множества микрочастиц меди. Так как температура плавления меди меньше, чем стали, то, как только внешняя температура достигает некоторого критического предела, металл начинает активно “потеть”: медь расширяется и сквозь поры выходит на поверхность, унося излишек тепла из системы. При остывании капельки меди снова “всасываются” стальными капиллярами и материал возвращается в исходное состояние.

Разброс свойств наноматериалов огромен. В настоящий момент группа российских ученых под руководством Г.В. По повой работает над созданием биомиметических материалов – материалов, подражающих биологическим тканям, распрост раненным примером которых могут быть производимые насе

154

ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы

комыми паутины, отличающиеся эластичностью и проч ностью, превышающими эластичность и прочность всего, что до сих пор смогли создать наши технологии.

Основу всех биомиметиков составляют искусственные бел ки. Подобно своим природным собратьям, они также состоят из аминокислот, но синтезируются не рибосомой, а человеком. Причем если обычные белки имеют уникальную последова тельность из двадцати различных аминокислот, то белки для биомиметиков вполне могут ограничиться какой либо одной, но повторяющейся молекулой. Так получаются аналоги белковполиаминокислоты, построенные на основе одного един ственного элемента. Затем эти белковые блоки можно как угодно соединять между собой, "цеплять" к ним другие молеку лы красители, фотоактивные, электроактивные, люминесци рующие и т.д., всякий раз получая материалы с новыми инте ресными свойствами.

Вспомните, какое огромное количество белков с самыми разными функциями создала природа. Большинство из них умеют активно реагировать на изменения внешней среды, ак тивно приспосабливаться к ним. Искусственные биомимети ки, сходные по своим качествам с природными белками, также проявляют "разумность" в ответ на слабые внешние раздражи тели: облучение, тепло, электроток, вредные вещества. На их основе уже сконструированы оптические сенсорные материалы для нанобиотехнологии и наноустройств, производящих эко логический мониторинг.

Повышаешь, например, температуру на полградуса био миметический сенсор сразу меняет цвет, а потом приходит в ис ходное состояние. Или пускаешь совсем слабенький электри ческий ток и система тут же обесцвечивается. Откроешь рядом банку с нашатырным спиртом или даже Комет гелем система начинает светиться (люминесцировать), а закроешь банку и никаких "кошачьих глаз". Чем не разумный материал? Самое интересное, что с самим материалам при этом вроде бы ничего не происходит все эти отклики и изменения вызываются внут ренней перестройкой, неразличимой для человеческого глаза.

Особый интерес представляют также и биодеградируемые материалы, среди которых очень интересен упаковочный био материал, способный быстро разлагаться на естественные при

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

родные компоненты по истечении определенного времени (скажем, срока хранения продукта), не загрязняя окружающую среду, как это делают металлические и пластиковые упаковки.

В этом направлении британскими учеными реализован весьма оригинальный проект по утилизации сотовых телефо нов. В настоящее время мобильные телефоны являются одни ми из самых выбрасываемых устройств среди потребительской электроники. В Европе пользователи ежегодно избавляются от более чем ста миллионов старых телефонов. Суть инновации заключается в материале, из которого изготавливается корпус телефона. Ученые предлагают заменить его на новый полимер, который способен разлагаться в земле в течение нескольких не дель. Кроме того, внутри корпуса, под прозрачным окошком, можно разместить семена растений – например, подсолнуха. После того, как телефон попадет в землю, семя начнет прорас тать, и из телефона вырастет цветок. Новый полимер совер шенно нетоксичен и полностью разлагается при попадании на мусорную свалку. Таким образом, по мнению специалистов, удастся решить проблему экологичной утилизации старых со товых телефонов.

К числу вещей, созданных из "умных материалов" можно отнести так называемую "умную одежду". Среди огромного ко личества подобных проектов можно выделить, например, одежду, реагирующую на изменение температуры: когда жарко, одежда пропускает воздух, чтобы охладить своего владельца, а когда холодно наоборот, уплотняется. Совсем скоро на при лавках магазинов появится одежда, не впитывающая запах та бачного дыма, самоочищающаяся одежда, спортивная одежда с эффектом охлаждения, костюмы и куртки, самостоятельно "подгоняющие" свой размер под размер хозяина, одежда, отго няющая насекомых, носки, благоухающие цветочными арома тами, рубашки которые не мнутся, даже если их скомкать и на долго запихнуть в чемодан.

Современные фантастические фильмы буквально изобилу ют примерами подобных “умных” материалов. Самый яркий пример – жидкий “Терминатор” из одноименного фильма, принимающий любую форму. С развитием нанотехнологий ма териалы с подобными чудодейственными способностями ста новятся реальностью. А сегодня уже существует уникальная

156

ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы

ферромагнитная жидкость, способная принимать определен ную форму под действием электромагнитного поля. На рисун ке изображены несколько кадров видеоролика, демонстрирую щего поведение ферромагнитной жидкости под действием электромагнитного поля.

Рис 80. Кадры видеозаписи ферромагнитной жидкости под действием изменяющегося магнитного поля

Ферромагнитная жидкость представляет собой трехкомпо нентную систему, состоящую из дисперсионной среды, магнитной фазы и стабилизатора. В качестве дисперсионной среды может выступать любая жидкая среда: вода, масло, различные раство ры. В качестве магнитной составляющей обычно используются наночастицы, обладающие сильными ферромагнитными свой ствами. Введение же в жидкость стабилизатора, прочно связыва ющегося с поверхностью магнитных частиц и препятствующего их агрегации, обеспечивает устойчивость такой жидкости. Фер ромагнитные жидкости – это совершенно новый обширный класс магнитных материалов, и их, несомненно, ждет широкий спектр применений в технике и промышленности.

Такая система не только активно реагирует на изменения окружающей среды, но и поддается управлению. Поведение та ких материалов можно запрограммировать заранее.

"Умные материалы" следующего поколения представляют собой программно аппаратный комплекс из всевозможных сенсоров, миниатюрных компьютеров и исполнительных наноустройств.

Разработчиками компании Philips был предложен проект по созданию нижнего белья, со встроенными нанодатчиками, отслеживающими нарушения в сердечном ритме своего обла дателя. В экстренном случае (например, инфаркт) одежда свя зывается по беспроводной связи с ближайшей станцией скорой помощи и спасает человеку жизнь...

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Наверняка многие читатели видели фантастический фильм “Хищник”, где хитрый инопланетный монстр, нападавший на Шварценеггера, обладал чудесным костюмом невидимкой.

Рис 81. Кадр из кинофильма “Хищник”

И что бы вы думали? Сегодня уже продемонстрированы первые образцы такого костюма, созданного с помощью нано технологий! Они пока еще далеки от совершенства, но, кажет ся, уже в ближайшие годы мы получим первого настоящего “человека невидимку”.

Рис 82. Демонстрация одного из опытных образцов костюма невидимки *

Правительство США планирует к 2018 году оснастить та ким камуфляжем своих солдат.

Принцип работы костюма невидимки будущего прост: он представляет собой наноматериал, в который встроены миниа тюрные видеодатчики и светоизлучающие элементы. Каждый дат

* Перепечатано с www.intelmessages.org

158

ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы

чик, принимающий изображение из какой либо точки, например, со спины, посылает видеосигнал на процессор, который перенап равляет его на соответствующий участок “экрана” спереди.

При этом процессор моделирует траекторию луча таким об разом, как если бы между принимающим датчиком и светоиз лучающим элементом ничего не было. Это позволяет наблюда телю видеть предметы, которые фактически находятся за обла дателем костюма.

Технология “невидимости” на верняка будет задействована во многих сферах человеческой дея тельности. Возможно, ею восполь зуются хирурги, которым собствен ные руки и инструменты часто ме шают видеть оперируемые органы. Летчики также будут не против “прозрачного” пола в кабине само лета, показывающего все детали по садки и т.д.

Теперь давайте немного пофантазируем… Как уже было отмечено, одной из особенностей “умных ма

териалов” является возможность программного управления их поведением. Так что мешает нам как программистам такого ма териала невидимки запрограммировать его “показывать” внешним наблюдателям не только “пустое место”, и даже не са мого пользователя костюма, а кого нибудь другого, например, известную кинозвезду или пришельца гуманоида? Вот где было бы раздолье для любителей розыгрышей!

Впрочем, сколь бы ни был изобретателен ум шутника неви димки, “оружие” против него может быть самым простым: баллон с яркой краской да распылитель – и никакой вам невидимости!

Кстати, вот вопрос: а будет ли “человек невидимка” отбра сывать тень в яркий солнечный денек? Предлагаем поразмыс лить над этим вопросом самостоятельно…

Сегодня создать столь совершенную конструкцию невиди мости пока нереально – нет ни соответствующих компьютер ных мощностей, ни малых размеров. Однако технологии при менения той же идеи, ну, например, в архитектуре уже вполне реальны. Для маскировки всего или части высотного здания

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

достаточно даже сантиметрового “разрешения”. Поэтому, на верное, не за горами то время, когда однотипные многоэтаж ные “коробки” канут в лету, а нашему взору предстанут архи тектурные ансамбли, буквально “парящие в воздухе”.

Архитектура будущего будет потрясать воображение красо той, надежностью и индивидуальностью.

Рис 84. Возможно, именно так в будущем смогут выглядеть современные города.

Следует отметить, что идея подобной конструкции не нова. Сотни миллионов лет назад природа уже изобрела похожее покрытие из микроскопических видеодатчиков и наградила ими глаза некоторых насекомых. На рисунке изображены глаза стрекозы с 200 кратным увеличением.

Рис 85. Взгляните в глаза стрекозы*

Некоторые наноматериалы “ведут себя” совсем не так, как им “положено” себя вести с точки зрения классической науки. В школе нас учат, что при нагревании все тела расширяются, а

* Фото перепечатано с разрешения Курта Декерта автора замечательной книги “Eye Design Book” (www.eyedesignbook.com)

160

ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы

при охлаждении сжимаются. Однако наноматериал, над кото рым в настоящее время работает Елена Сердунь – молодой кан дидат наук из ФЭИ, – ведет себя с точностью до наоборот! Ма териал состоит из пористой матрицы и лиофобной, то есть нес мачивающей ее, жидкости. Если его нагреть, то он сжимается, накапливая тепло. И наоборот – отдавая тепло, расширяется. Можно поступить наоборот: сжать систему, и тогда она самоп роизвольно нагреется!

Такой “умный” материал, превращающий тепловую энер гию в механическую и наоборот, фактически представляет со бой обратимый тепловой аккумулятор. Благодаря своим удиви тельным способностям он может использоваться как преобра зователь тепловой энергии в двигателях, холодильниках или стать основой для невиданных прежде энергетических устано вок. К примеру, защитные клапаны и мембраны, автоматичес ки срабатывающие при изменении температуры или давления (в случае перегрева или разгерметизации) без вмешательства человека. Такие клапаны способны самостоятельно контроли ровать весь производственный процесс, предотвращать послед ствия ошибок персонала и останавливать работу оборудования в случаях угрозы аварии.

Их можно применять для повышения надежности произво дства, для защиты емкостей, находящихся под давлением, при перевозке и хранении опасных или ядовитых грузов и т.п.

Но инженеры на этом не остановились и создали наност руктурированный сплав четырех металлов – свинца, сурьмы, серебра и теллура, преобразующий тепловую энергию… прямо в электричество. Это позволит не только использовать тепло, бесполезно рассеиваемое при работе разных устройств, но и по лучать огромное количество дармовой энергии из лавы и расп лавленных пород, из которых почти целиком состоит наша Земля, начиная с глубины в несколько десятков километров.

Американские ученые уже сумели пропустить мощные электрические заряды по молекулярным полимерным цепоч кам, что является одним из ключевых моментов в создании так называемых “солнечных пластмасс”, которые могут сделать сол нечные батареи настолько эффективным источником электри чества, что они составят серьезную конкуренцию сегодняшним тепловым электростанциям. Тончайшие пленки, вырабатываю

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

щие электроэнергию, можно будет просто наклеить на крышу дома и полностью обеспечить его электричеством. Долговеч ные и эффективные солнечные батареи могут быть созданы, например, на основе фуллеренов или биополимеров.

Сегодня такие “умные” наноматериалы кажутся нам чудес ными, необычными, и, конечно же, являются весьма дорогос тоящими, поскольку их получение еще остается в рамках лабо раторий. Но все же не за горами тот день, когда и они пересту пят их порог и войдут в нашу привычную жизнь.

Ведь сегодня мы повсеместно используем, например, алю миний и даже не задумываемся над тем, что когда то алюмини евая посуда (аналог современных баночек из под кока колы) ценилась наравне с золотой и серебряной. До изобретения электричества из за огромных трудностей, связанных с получе нием алюминия, этот легкий и красивый металл применялся только для изготовления ювелирных изделий. Об этом свиде тельствуют многие археологические находки. Хрестоматийный пример: алюминиевая кружка на золотой цепочке. В 1889 г., когда великий русский химик Д. И. Менделеев приезжал в Лон дон, ему были преподнесены в качестве особо ценного подарка весы, сделанные из золота и алюминия.

Так что весьма вероятно, что вскоре каждый из нас сможет использовать “умные” наноматериалы в своей повседневной жизни. Только представьте: вы садитесь в сверхпрочный и сверхлегкий автомобиль, температура салона в котором вне за висимости от погоды – будь то невыносимая жара или треску чий мороз – всегда остается в пределах 20 22єС. Кресла и стулья в вашем доме сделаны из “умного” материала, реагиру ющего на изменение давления. Когда вы садитесь, они автома тически трансформируются таким образом, чтобы сидеть в них было удобно и комфортно. Окна вашего дома, сделанные из са моочищающегося стекла, самостоятельно расщепляют и удаля ют попадающую на них грязь и пыль, не требуя никаких усилий с вашей стороны. А на грядках у вашего дедушки парниковая пленка реагирует на потепление или похолодание и сама отк рывает и закрывает грядки. Красота!

Алмазоид – наноматериал будущего

Уникальные свойства алмаза издавна привлекали внима ние ученых. Во первых, благодаря тому, что каждый атом угле

162