1407

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

И.В. Анциферова

НАНОЧАСТИЦЫ И НАНОМАТЕРИАЛЫ

СОГРОМНЫМ ПОТЕНЦИАЛОМ

ИВОЗМОЖНЫМИ РИСКАМИ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2012

1

УДК 620.3+504.05:620.3 ББК 20.18

А74

Рецензенты:

д-р. техн. наук, проф. В.Ф. Олонцев (Пермский институт железнодорожного транспорта);

д-р. техн. наук, проф. С.В. Порозова (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Анциферова, И.В.

А74 Наночастицы и наноматериалы с огромным потенциалом и возможными рисками: учеб. пособие / И.В. Анциферова. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. – 345 с.

ISBN 978-5-398-00717-6

Рассмотрена основная классификация наноматериалов и их структур, а также особенности свойств и основные направления использования наноматериалов. Изложены методы контроля структурных и химических характеристик наноматериалов, определения формы и размера. Показан двойственный характер нанотехнологий.

Также рассмотрены механизмы воздействия на окружающую среду и здоровье человека. Освещены физико-химические и токсикологические аспекты безопасности материалов и процессов наноиндустрии. Предложены методологии оценки и предотвращения рисков при производстве наноматериалов, а также техническое обеспечение безопасности.

Предназначено для студентов старших курсов, магистров и аспирантов, обучающихся по специальностям «Материаловедение и технологии новых материалов», «Металловедение и термическая обработка металлов», «Порошковая металлургия и композиционные материалы», «Нанотехнологии». Может быть полезно также для научных работников, преподавателей и инженерно-технических работников, специализирующихся в области наук о материалах.

УДК 620.3+504.05:620.3 ББК 20.18

Издано в рамках программы опережающей профессональной подготовки, ориентированной на инвестиционные проекты Фонда инфраструктурных и образовательных программ «Роснано» в области производства погружных электронасосов для нефтедобычи и их узлов с наноструктурными покрытиями.

5

ВВЕДЕНИЕ

Одним из приоритетных направлений развития современной науки являются новые материалы, в том числе наноматериалы. Об этом свидетельствует то, что в США Национальный совет по новым материалам возглавляет Президент США, в России Совет по новым материалам, технологиям и образованию также возглавляет Президент России.

К наноматериалам условно относят дисперсные и массивные материалы, содержащие структурные элементы (зерна, кристаллиты, блоки, кластеры), геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками. К нанотехнологиям можно отнести технологии, обеспечивающие возможность контролируемым образом создавать и модифицировать наноматериалы, а также осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба.

Нанотехнология – это технология, которая применяется во всех сферах производства, поэтому она может преобразовать не только производства, но и человеческую жизнь.

Нанотехнологии сыграют значительную роль в решении многих проблем, связанных с охраной окружающей среды, благодаря использованию наноустройств в системах исследования и контроля продуктов и отходов различных химических производств, созданию чистых технологий, систем очистки сточных вод. Основное в нанотехнологиях – производство и применение продукции, отвечающей принципу экономии ресурсов, и сокращение выбросов – откроет широкие перспективы в области устойчивого развития.

Изменения в социальной сфере также связаны с развитием нанотехнологий в информационных технологиях, в биологии, медицине, экологии, энергетике, материаловедении, автомобильной промышленности, сельском хозяйстве.

6

Использование нанотехнологий в информационной сфере – это многократное повышение производительности системы передачи, это техника хранения информации, создание биодатчиков, способных контролировать состояние организма, анализировать микроколичества вещества, создание устройств новой сетевой связи, создание новой полупроводниковой техники (углеродные нанотрубки, запоминающие устройства нового типа).

Применение наноустройств в информационных технологиях также приведет к значительному снижению энергопотребления, увеличению объема памяти запоминающих устройств, изменению в системе здравоохранения (развитие системы медицинского обслуживания, снижение расходов на медицинское обслуживание, развитие систем ранней диагностики).

В то же время сами наноструктурные материалы могут вызывать загрязнение окружающей среды. Загрязнение связано и с технологиями, и с частицами.

Можно сказать, что нанотехнологии имеют двойственный характер, поэтому необходимо учитывать:

1)содержательность (нанотехнологии должны быть понятными для общества);

2)устойчивое развитие (нанотехнологии должны быть безопасными, эффективными, содействовать стабильному развитию);

3)осторожность (нанотехнологии должны развиваться таким образом, чтобы не навредить окружающей среде, здоровью

ибезопасности человека);

4)открытость (нанотехнологии должны быть открытыми для всех заинтересованных сторон);

5)соответствие лучшим стандартам (нанотехнологии должны отвечать лучшим научным стандартам);

6)инновационность (нанотехнологии должны содействовать развитию творчества и гибкости для инноваций и роста);

7)ответственность (производители наноматериалов должны отвечать за социальные последствия и последствия для окружающей природной среды и здоровья человека).

7

Для того чтобы определить проблемы охраны окружающей среды, необходимо провести междисциплинарные исследования нанотехнологических процессов и материалов.

В пособии сделана попытка описать проблемы и возможности наноматериалов. Рассмотрено влияние структуры, свойств и способа производства на возможности и опасности нанотехнологий.

Таким образом, среди основных составляющих науки о наноматериалах и нанотехнологиях можно выделить:

1)фундаментальные исследования свойств материалов на наномасштабном уровне;

2)развитие нанотехнологий как для целенаправленного создания наноматериалов, так и для поиска и использования природных объектов с наноструктурными элементами, создания готовых изделий с использованием наноматериалов и интеграции наноматериалов и нанотехнологий в различные отрасли промышленности и науки;

3) развитие средств и методов исследования структуры и свойств наноматериалов, а также методов контроля и аттестации изделий и полуфабрикатов для нанотехнологий;

4) воздействие наноматериалов на окружающую среду и человека.

8

1. ФОРМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОБЩЕСТВА И ПРИРОДЫ, ИХ РАЗВИТИЕ НА СОВРЕМЕННОМ ЭТАПЕ

Окружающая природная среда обеспечивает человека условиями и средством жизни, территорией, на которой он проживает, пространственным пределом осуществляемой государственной власти, местом для размещения объектов промышленности, сельского хозяйства и других объектов культурно-бытового назначения. Таким образом, окружающая природная среда образует сложное понятие, в рамках которого исторически получили развитие две формы взаимодействия общества и природы. Первая – потребление природы человеком, использование природы для удовлетворения человеком своих материальных и духовных потребностей. Эта форма может быть названа экономической формой взаимодействия. Второй формой взаимодействия стала охрана окружающей природной среды с целью сохранения человека как биологического и социального организма и его естественной среды обитания. Это экологическая форма взаимодействия.

1.1. Использование природной среды

Природа и жизнь исследуются многими науками. Особую роль здесь играет философия, так как она изучает наиболее общие законы и принципы организации природы и жизни, а также проблемы их взаимовлияния. Уяснение взаимосвязи природы и общества имеет важное значение для формирования оптимального их взаимодействия.

Понятие «природа» употребляется в широком и узком смысле слова. В узком смысле слова природа – это земная среда обитания человека. Земная среда обитания человека, или географическая среда, включает в себя совокупность предметов живой и неживой природы (рис. 1.1). В широком смысле слова под природой понимают весь окружающий нас материальный мир. В этом смысле она выступает синонимом Вселенной.

9

Рис. 1.1. Природа как среда обитания

Сфера распространения жизни называется биосферой. Этот термин ввел в научный обиход Ж.-Б. Ламарк. Значительный вклад в развитие представлений о биосфере внес В.И. Вернадский. В биосфере учеными выделяется три области: континентальная, океаническая и переходная.

Человек воздействует на естественную среду своего обитания, не только потребляя ее ресурсы, но и изменяя природную среду, приспосабливая ее для решения своих практических, хозяйственных задач. В силу этого человеческая деятельность оказывает существенное влияние на окружающую среду, подвергая ее изменениям, которые затем влияют и на самого человека. За всю историю цивилизации было вырублено 2/3 лесов, уничтожено в результате человеческой деятельности более 200 видов животных, растений.

На 10 млрд т уменьшились запасы кислорода, деградировано около 200 млн га земель в результате неправильного, нерационального ведения сельского хозяйства [1].

В последние десятилетия происходит ускоренная потеря массы ледников. Сегодня в некоторых регионах, таких как Ев-

10