Основы наноелектроники / Основы наноэлектроники / ИДЗ / Книги и монографии / Нанотехнологии без тайн (Уильямс), 2010, c.362

ЧАСТЬ II «Мокрые» (органические) приложения

Рис. 7.1. Типичное распределение размеров пор в керамической мембране

Благодаря увеличению поверхностной площади нанокатализато

ры обладают большей контактной поверхностью и более эффектив но реагируют, чем сплошные материалы. Нанокатализаторы можно использовать, например, для очистки загрязненных грунтовых вод, в обычных устройствах для очистки воды, а затем восстанавливать

их (то есть возвращать в рабочее состояние) с помощью наномем

бран. На рисунке 7.2 показана часть наноструктурной мембраны, созданной на основе шаблона.

ГЛАВА 7 Охрана окружающей среды

ГЛАВА 7 Охрана окружающей среды

На свойства наночастиц железа не влияют кислотность, темпе ратура или содержание питательных веществ в почве. Крошечные

размеры (1–100 нм, что в 10–1000 раз меньше бактерии) позволяют наночастицам железа легко и быстро перемещаться между частица ми почвы. Лабораторные и полевые испытания показали, что благо

даря наночастицам железа уровни загрязнения возле места инъек

ции значительно падают уже за 1–2 дня и снижаются практически до безопасного уровня за несколько недель. Результаты этих иссле дований показывают, что наночастицы железа остаются активными

втечение 4–6 недель, то есть до тех пор, пока не распределятся в грунтовых водах до достижения естественной концентрации железа

вприроде.

Этот тип нанотехнологической инновации может быстро улуч шить ситуацию в загрязненной окружающей среде. Более того, он

может вдохновить других исследователей на поиски новых спосо

бов очистки от загрязняющих веществ. Следует отметить, что метод Чжана гораздо дешевле и эффективнее, чем раскопки загрязненной почвы и ее полная переработка обычными методами.

НАНОМАСШТАБНЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ ПОТОКИ

Новые улучшенные мембраны с нанопорами можно использо вать для изучения перемещения полимерных молекул. Дело в том, что способы перемещения полимерных молекул сквозь узкие про

ходы играют огромную роль в химических и биологических про

цессах.

Эксперименты с такими молекулами, как ДНК и РНК, показали, что их перемещение сквозь поры в мембранах сопровождается пере носом электрического тока. Эти процессы играют огромную роль

визучении взаимодействия данных молекул с вирусами и в иссле

довании методов секвенирования генов. Действительно, благодаря своей структуре и форме молекула ДНК является прекрасной мо

делью для проектирования длинных синтетических полимеров. На рисунке 7.4 показано, как молекула белка проникает сквозь пору

вмембране.

ЧАСТЬ II «Мокрые» (органические) приложения

Рис. 7.4. Перемещение полимерной молекулы сквозь пору мембраны

Нанотехнологии и государственные приоритеты

Нанотехнология является одним из наиболее важных научно исследовательских приоритетов правительства США1. Научно исследовательская программа в области нанотехнологий Управления

по охране окружающей среды (Environmental Protection Agency —

EPA) является частью Национальной нанотехнологической инициа

тивы (National Nanotechnology Initiative — NNI), которая обеспе чивает координацию всех усилий и контроль над ними в этой обла

сти. C точки зрения NNI, все технологии и исследования, которые выполняются на атомарном, молекулярном или макромолекулярном уровне (то есть в диапазоне размеров 1–100 нм), считаются нанотех

нологическими.

Согласно определению NNI, к нанотехнологиям относятся все структуры, устройства и системы с уникальными свойствами/функциями, которые создаются и которыми манипулируют или управляют на атомарном уровне.

ГЛАВА 7 Охрана окружающей среды

На наномасштабном уровне законы квантовой механики часто коренным образом меняют механические, оптические, химические

и электронные свойства материалов. Эти свойства можно исполь зовать в новых нанотехнологиях для защиты окружающей среды,

включая улучшенные сенсоры мониторинга текущего состояния и обнаружения загрязнений, эффективные и дешевые методы очистки,

«зеленые» (то есть безопасные для окружающей среды) способы про

изводства энергии и товаров (более подробно данные методы описы

ваются в главе 11).

Новые наноматериалы также могут представлять опасность для окружающей среды из за своего химического состава, повышенной

реактивности и сверхмалых размеров.

Поэтому большое значение имеют тщательные исследования всех наноматериалов. Особенно важна оценка их влияния на атмосферу, почву и грунтовые воды, включая весь жизненный цикл и транспор тировку.

Анализ рисков, связанных с применением наноматериалов, дол

жен включать проверку их токсичности и восприимчивости со сторо ны растений, животных и человека.

ПРАВИТЕЛЬСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

EPA принимает активное участие в исследованиях токсичности

новых нанотехнологий.

Это агентство не только ведет несколько собственных научно исследовательских программ, но и участвует в других проектах вме сте с подкомитетом по наномасштабной науке и технике (Nanoscale Science, Engineering and Technology subcommittee) Совета по на учной и технологической политике, национальной науке и техни

ке (Science and Technology Policy, National Science and Technology Council) Правительства США.

Научно исследовательская деятельность EPA включает перечис ленные ниже направления.

Национальный центр исследований по защите окружающей

среды финансировал многомиллионные гранты на научные исследования нанотехнологий для защиты окружающей сре

ды (то есть разработку дешевых, быстрых и простых методов очистки воды от токсичных загрязняющих веществ, новые

ЧАСТЬ II «Мокрые» (органические) приложения

Избранные научно исследовательские проекты посвящены изу чению возможного вредного воздействия наноматериалов (то

есть их токсичности, превращений, накопления и т. д.).

В рамках программы поддержки малого бизнеса (Small Busi ness Innovation Research Program) выделялись средства на

разработку и коммерциализацию новых наноматериалов и методов очистки (например, компания SBIR создала фильтр на основе углеродных нановолокон с большой поверхностной площадью, который мог эффективно удалять летучие орга

нические соединения и частицы диаметром менее 3 мкм из

выхлопных газов двигателей, генераторов энергии и конди ционеров).

Несколько научно исследовательских проектов посвящены изучению наноструктурных фотокатализаторов, которые

предполагается использовать в качестве «зеленой» альтерна

тивы для углеводородного окисления; использованию нано материалов в качестве адсорбентов, мембран и катализаторов для контроля над чистотой воздуха и выхлопных газов; про верке вредного влияния сверхмалых частиц во время их про

изводства.

НАНОКАТАЛИЗАТОРЫ

Наночастицы в растворах или вместе с мембранами могут оказать заметное влияние не только на перемещение загрязняющих веществ, но и на химическую деградацию. В настоящее время ученые интен сивно исследуют роль нанокатализаторов в деле защиты окружа ющей среды, поскольку каталитические реакции могут заметно уде шевить методы очистки воды.

Например, огромное значение имеет очистка грунтовых вод от пестицидов. Однако часто для каждого типа загрязняющего веще

ства требуется отдельный катализатор и определенная стратегия очистки.

Специализированные наноматериалы могут ускорить очистку

и сделать ее более эффективной.

Доктор Дэниэл Р. Стронгин (Daniel R. Strongin), профессор хи

мии из Университета Тэмпл в Филадельфии (США), использует

белковые структуры для проектирования и сборки наночастиц на основе оксидов металлов. Он считает, что такие наночастицы можно применять в качестве нанокатализаторов для защиты окружающей

150 среды.

ГЛАВА 7 Охрана окружающей среды

Стронгин с коллегами изучает химические реакции, которые могут способствовать сгущению опасных металлов или выделению

их из раствора, предотвращая их распространение в грунтовых во дах или просачивание в почву. Экспериментируя с токсичным хро мом, ученые создали наночастицы, которые вступают в реакцию

схромом.

Вкомбинации с наночастицами хром уже не растворяется в воде и легко отфильтровывается. Этот метод позволяет гораздо эффек тивнее очищать воду озер, рек и ручьев от загрязнения.

Группа Стронгина работает и над созданием других наночастиц,

способных реагировать с токсичными металлами, например технеци

ем, которым загрязнено несколько мест в штате Вашингтон (США). Дело в том, что в 1940–1950 е гг. там были захоронены большие ем кости с ядерными отходами. С течением времени в них образовались бреши, которые грозят загрязнением грунтовых вод. В отличие от

обычных макрочастиц, наночастицы позволили бы ученым гораздо

эффективнее справиться с таким загрязнением.

АДСОРБЦИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ

Хотя при помощи обычных методов очистки воды удаляется

ЧАСТЬ II «Мокрые» (органические) приложения

В связи с тем, что мышьяк представляет собой большую опас ность для здоровья человека, EPA ужесточила стандарты для его

предельного содержания в питьевой воде до 10‰. В глобальном масштабе угроза отравления мышьяком является очень серьезной проблемой. В Бангладеш, Индии, Мексике, Чили, Аргентине, Тай

ване и Таиланде от 10 до 40% населения страдают от отравления мы

шьяком, находящемся в питьевой воде. Хотя загрязнение питьевой воды повышенным содержанием мышьяка обычно характерно для стран третьего мира, многие системы водоснабжения в США содер жат мышьяк в большей концентрации, чем 10‰. Поэтому разработ ка и применение новых технологий очистки воды от таких опасных металлов, как, например, мышьяк, имеет огромное значение для здравоохранения.

Факторы риска окружающей среды