1407

венных культур: картофеля, зерновых, овощных, плодовоягодных, хлопка и льна – показатели урожая увеличились в 1,5– 2 раза. Эффект здесь достигается благодаря более активному проникновению микроэлементов в растение за счет наноразмера частиц и их нейтрального (в электрохимическом смысле) статуса. Нанотехнологии уже активно внедряются при послеуборочной обработке подсолнечника, табака и картофеля, хранении яблок в регулируемых средах, озонировании воздушной среды.

В свете последних открытий нанотехнологий была изучена биологическая роль кремния в развитии живых организмов и биологическая активность органических соединений кремния – силатранов. Силатраны, являющиеся клеточным образованием и содержащие кремний, оказывают физиологическое действие на живые организмы на всех этапах эволюционного развития – от микроорганизмов до человека. Применение кремнеорганических биостимуляторов в растениеводстве позволяет повысить холодостойкость, выносливость к жаре и засухе, помогает благополучно выйти из стрессовых погодных ситуаций (возвратные заморозки, резкие перепады температуры и т.д.), усиливает защитные функции растений к болезням и вредителям. Препараты снимают угнетающее, седативное действие химических реагентов по защите растенийприкомплексных обработках.

Суперсовременное направление нанобиотехнологии в растениеводстве – это создание культурных растений, особенно устойчивыхкнасекомым вредителям.

Нанотехнологии в животноводстве и птицеводстве.

В животноводстве нанотехнологии целесообразно использовать в технологических процессах, где они дают вспомогательное превосходство. При формировании микроклимата в помещениях, где содержатся животные и птицы, их использование позволяет заменить энергоемкую приточно-вытяжную систему вентиляции электрохимической очисткой воздуха с обеспечением нормативных параметров микроклимата: температура, влажность, газовый состав, микробиообсемененность, запыленность, скорость движения воздуха, устранение запахов с сохранением

141

тепловыделений животных. Российские ученые применяют на практике экологически чистую нанотехнологию электроконсервирования силосной массы зеленых кормов электроактивированным консервантом. Делается это взамен дорогостоящих органических кислот, требующих соблюдения строгих мер техники безопасности. Такая новая нанотехнология повышает сохранность кормов до 95 %. В животноводстве и птицеводстве при приготовлении кормов нанотехнологии обеспечивают повышение продуктивности в 1,5–3 раза, сопротивляемость стрессам, и падеж уменьшается в 2 раза. Наноустройства, которые могут имплантироваться в растения, животных, позволяют автоматизировать многие процессы и передавать в реальном времени необходимые данные.

Нанотехнологии в переработке агропродукции. Новая на-

ноэлектротехнология комбинированной сушки зерна основана на том, что в нагретом зерне создается избыточное давление влаги при температуре ниже температуры кипения воды. Вследствие этого ускоряется фильтрационный перенос влаги из зерновки на поверхность в капельно-жидком состоянии. С поверхности влага выпаривается горячим воздухом. Расход энергии на сушку зерна по сравнению с традиционной конвективной сокращается в 1,3 раза и более, снижаются микроповреждения семян до 6 %, их посевные качества улучшаются на 5 %. Для низкотемпературной досушки и обеззараживания зерна дополнительно использовали озон, что уменьшило количество бактерий в 24 раза и снизило в 1,5 раза энергозатраты [25].

Нанотехнологии в производстве сельхозтехники. На ос-

нове наноматериалов создано большое число препаратов, позволяющих сократить трение и износ деталей, что продлевает срок службы тракторов и другой сельхозтехники.

В 2009 году была успешно завершена разработка ресурсосберегающих технологий с применением наноматериалов для использования в агропромышленной сфере. В частности, новая технология ремонта гидростатических трансмиссий обеспечивает восстановление 92 % ресурса и 100 % технического уровня

142

агрегатов. Исследования позволили выбрать перспективные триботехнические нанопрепараты для увеличения продолжительности эксплуатации машинно-тракторного парка, повышения мощности двигателей и уменьшения расхода смазочных материалов до 15 %, уменьшения расхода топлива до 10 %, сокращения продолжительности обкатки агрегатов в полтора раза, повышения качества приработки трущихся соединений. Добавки наноматериалов в консервационные составы замедляют процесс коррозии металла. Создана технология, позволяющая уменьшить коррозионные потери металлических деталей до восьми раз, износ втулочно-роликовых цепей вдвое.

Незаменимую роль могут сыграть наноматериалы при использовании их в качестве различных катализаторов, например, катализаторов горения для различных видов топлива, в том числе и биотоплива, или катализаторов для гидрирования растительного масла в масложировой промышленности. В частности, в Санкт-Петербургском технологическом институте рассматривается возможность использования наноразмерного палладия для гидрирования растительного масла взамен катализатора на основе никеля, обладающего аллергенным и канцерогенным действием.

7.5. Нанотехнологии в пищевой промышленности

Помимо сельского хозяйства существуют еще три направления пищевой промышленности, в которых используются нанотехнологии:

1)производство пищи;

2)нанофильтрация и наносенсоры;

3)хранение пищи.

Производство пищи

Производство пищи в первую очередь связано с нанодиспергированными и наноинкапсулированными компонентами для функциональных продуктов питания.

143

Многие полезные вещества имеют не очень приятный вкус, а жиры и масло, растворяющие и транспортирующие витамины, не смешиваются с водой. Эти проблемы могут быть решены при помощи нанокапсул.

На основе анализа данных мировой литературы предложено классифицировать все пищевые наносистемы на две категории:

1)водо- (жиро) растворимые (нанодисперсии витаминов, антиоксидантов, белковых препаратов);

2)водо- (жиро) нерастворимые (нанодисперсии глинистых минералов, серебра, селена, двуокиси титана, двуокиси кремния, оксидов цинка, железа и других переходных металлов и т.д.).

Большинство пищевых продуктов содержит частицы естественного происхождения, размеры которых вписываются в наномасштаб. Например, протеины представляют собой обычно сферические структуры размером 1–10 нм. Большинство полисахаридов (углеводов) и липидов (жиров) – это линейные полимеры, толщина которых составляет менее нескольких нанометров. Функциональные свойства многих сырьевых материалов

иуспешная переработка пищевых продуктов обусловлены наличием, модификацией и возникновением самоформирующихся наноструктур. Конкретные примеры таких наноструктур включают плоские упорядоченные структуры волокон целлюлозы

в стенках растительных клеток; кристаллические структуры в крахмале и переработанные пищевые продукты на основе крахмала, которые определяют степень клейстеризации и усиливают полезные диетологические свойства пищевых крахмальных продуктов в процессе переваривания пищи; волокнистые структуры, которые регулируют плавление, формирование

итекстуру желатина; наноструктуры (мицеллы), которые образуются на границе контакта масла и воды или воздуха и воды

ирегулируют стабильность пищевой пены и пищевых эмульсий. Более полное понимание природы наноструктур в пищевых продуктах обеспечит более широкие возможности для рационального выбора, модифицирования и переработки сырьевых материалов. Таким образом, использование нанотехнологии

144

должно, как предполагается, способствовать дальнейшему повышению качества и безопасности пищевых продуктов.

Ученые изобретают все новые способы применения нанотехнологий в пищевых продуктах. Дэвид Джулиан МакКлементс, профессор кафедры пищевых наук в Университете Массачусетса в Амхерсте, разрабатывает способ нейтрализации масляной кислоты в молоке, чтобы превратить его в средство против рака толстой кишки. Организм поглощает эту кислоту прежде, чем молоко достигнет толстой кишки. Изменения, по Мак-Клементсу, «будут означать, что молоко может путешествовать, как на санках, по толстой кишке и это поможет бороться с болезнью».

Британский институт Food Research нашел способ изменить свойства жира с использованием нанотехнологий, что способствует замедлению пищеварения. Это открытие ведет к созданию продуктов, от которых потребители чувствуют сытость, что поможет миллионам людей, страдающих ожирением и избыточным весом.

Нанотехнологии в изготовлении пищевых добавок используют:

–для лечения патологии обмена кальция;

–комплексного лечения широкого спектра заболеваний;

–увеличения продолжительности и качества жизни людей;

–улучшения работы сердца (добавки с магнием). Нанотехнологии в пищевых производствах – это:

–наноструктурированные ингредиенты и формы пищевых веществ (мицеллы, липосомы и др.);

–улучшение качества, текстуры, вкуса, меньшее количество

жира;

–улучшение биодоступности нутриентов и добавок;

–нанокапсулированные ингредиенты и добавки;

–маскировка вкуса;

–защита от деградации;

–улучшение биодоступности;

–сконструированные наноразмерные добавки;

145

–антимикробная активность;

–польза для здоровья.

Нанофильтры и наносенсоры

Сито, фильтр и мембрана уже давно взяты на вооружение технологами производства продуктов питания, применение нанотехнологий в этой области означает лишь их усовершенствование. Фильтры с отверстиями меньше одного микрометра могут задерживать бактерии, а отверстия еще меньше не пропускают и вирусы. Кроме того, они могут использоваться при холодной стерилизации соков, молока и других жидкостей, позволяя сберечь витамины. Там, где нужна особая точность, уже сегодня используются фильтры из кремниевых пластин, применяемые также для изготовления полупроводников. При помощи фотолитографических методов в фильтрах выжигаются субмикроскопические отверстия, размеры которых точно заданы. Такие фильтры позволяют проводить точную механическую сортировку смесей. Толщина мембраны обычно меньше, чем диаметр отверстий, благодаря чему их способность пропускать вещества на два-три порядка выше, чем у обычных фильтров. Кроме того, такие фильтры применяются в качестве насадки для производства стабильных смесей веществ, которые по своей природе склонны к расслоению, например жиров и воды. Примером такой смеси является мороженое: вступая в контакт с воздухом при длительном хранении в морозильной камере, оно, как правило, покрывается крупинками льда, происходит частичное разделение смеси на составляющие – воздух, жир и воду.

При помощи наносопла можно создавать сверхмелкие однородные каплеобразные смеси, которые распадаются значительно медленнее; мороженое, произведенное по такой технологии, дольше сохраняет свою первоначальную форму. Объясняется это двумя правилами, которые существуют для смесей, состоящих из капелек или пены: крупные поглащают мелкие, и, если мелкие хотят расти, им надо помочь. Действие этих закономерностей можно наблюдать на примере кружки пшеничного

146

пива: пенная шапка, однородная вначале, распадается на разного размера пузырьки, причем крупные растут за счет мелких. Основным источником образования пивных пузырьков (после того, как налитая жидкость пришла в спокойное состояние) являются совершенно определенные места на стенках стакана – небольшие механические и химические повреждения, ворсинки, за счет которых процесс кристаллизации сокращается, поскольку энергобаланс, необходимый для роста пузырьков, будет положительным только при наличии частиц определенного минимального размера. Влияние извне уменьшает этот минимальный размер, и образуется пена. В смешанных веществах, которые должны сохранять свою первоначальную форму (например, в майонезе), необходимо следить за однородностью пузырьков (капелек), за стабильностью их размера и за условиями, препятствующими их росту.

Большое будущее в пищевой промышленности принадлежит производству наносенсоров, которые будут выдавать информацию о сроках изготовления и состоянии продуктов питания.

Хранение пищи

Для создания упаковки, смешиваемой с пищей, австралий-

ская фирма Advanced Nanotechnology изучила влияние химических абсорбентов ультрафиолета, которые содержатся в упаковке и призваны продлевать сроки хранения продуктов питания, на состояние этих продуктов. Эксперты Advanced Nanotechnology установили, что подобные абсорбенты могут мигрировать из достаточно тонких упаковочных пластиковых пленок непосредственно в упакованное питание, и теперь предлагают заменять эти химические вещества новейшими наночастицами оксида цинка, которые не вызывают подобного вредного эффекта, но столь же эффективно препятствуют проникновению УФлучей в упаковку. Кроме того, наночастицы оксида цинка (а также магнезии) оказывают на упаковку антимикробное воздействие. Теперь перед учеными стоит задача разработки нано-

147

частиц, способных нейтрализовывать вредные газы, проникающие в продукты питания извне через полимерную пленку.

Нанобумага. Исследователи Университета Арканзаса разработали новый материал – бумагу из нановолокна. И хотя ее точно так же можно складывать, мять, резать, остальные свойства мало напоминают о привычном целлюлозном продукте.

Используя метод гидротермального нагрева, ученые под руководством профессора Райана Тяня создали длинные нанонити из диоксида титана, а затем из них сделали плоские мембраны. Получился белый материал, напоминающий бумагу, из которого легко можно делать трехмерные предметы самой широкой функциональности. Экспериментаторы ради интереса попробовали сделать из него пробирки, тарелки, чашки. Они утверждают, что для этого требуются только ножницы. Увидев, что материал действительно удобный, они решили протестировать его с более серьезными целями и провели испытания, которые позволили очертить возможнуюобластьприменения.

Как выяснилось, бумагу можно использовать в военном обмундировании, в качестве огнеупорного материала, для фильтрации жидкостей, для дозирования лекарственных препаратов

идаже для разложения опасных веществ – от обычных загрязнителей среды до химического оружия. Все это возможно благодаря химической инертности и огнеупорности – материал выдерживает температуру до 700 °С.

Наноклей с обратным свойством. До недавнего времени правило было таково: чем лучше клей, тем труднее разъединить склеенное. И еще меньше было шансов удалить клей без остатка. Нарушить традицию решили ученые из бременского Исследовательского института производственных разработок

иприкладных материалов имени Фраунгофера (IFAM) совместно с химическим концерном Degussa. Они разработали «клей будущего», который способен приобретать или терять клеящие свойства при нажатии кнопки. Происходит это так: в обычный клей добавляют оксид железа, помещенный в слой наночастиц оксида кремния. При воздействии высокочастотного магнитно-

148

го поля частицы колеблются в такт с полем и масса в считанные секунды затвердевает. Для расклеивания вновь понадобится высокочастотное магнитное поле, причем такой же частоты, только несколько большей интенсивности. Технология уже опробована в лабораторных условиях, и до выпуска продукта на рынок остались лишь финальные тесты. «Пока есть лишь одно условие: чтобы склеенная вещь работала, одна из склеиваемых частей не должна проводить электричество. Мы много экспериментировали: процесс наномагнитного склеивания действует при самых разных сочетаниях материалов», – говорит Андреас Хартвиг из IFAM.

Нанолаки и нанокомпозиты. Саратовское предприятие

«Москатель» – единственное в России предприятие, внедрившее в производство лакокрасочных и композиционных материалов опыт молекулярной нанотехнологии. Переход производственного предприятия «Москатель» на молекулярное производство (использование молекулярной нанотехнологии вместо макротехногенной технологии с еe энерго- и металлоeмким оборудованием) позволил снизить энергоeмкость производства.

Наноупаковки могут хранить пищу в более безопасном режиме. Например, кислородные датчики состоят из чернил, которые содержат наночастицы диоксида титана и могут быть включены в упаковку. Эти наночастицы становятся чувствительны к уровню кислорода, когда подвергаются воздействию УФ, а затем меняют цвет, показывая, что продукт окислился и может быть или уже испорчен.

Свежие продукты, такие, например, как брокколи, завернутые в нанообертку, хранятся дольше, потому что она предотвращает окисление и увеличивает срок годности овощной продукции от трех или четырех дней до трех-четырех недель. Продукты питания затронуты во многих пищевых циклах, так как нанотехнологии используются на заводах, в области переработки, упаковки и хранения [64].

Другие примеры также заманчивы: кислое молоко благодаря наноиндикатору становится в упаковке красным; упаковка куриной грудинки благодаря окрашиванию в голубой цвет ука-

149

зывает, что срок годности продукта уже истек или нарушена герметичность упаковки. Все это еще один шаг, а если учесть наши сегодняшние представления – даже целый прыжок вперед: «Пицца глубокой заморозки наномультивкус» сама настраивается путем нажатия кнопки на различные прихоти и вкусы потребителей. Посредством разных микроволн активизируются различные нанокапсулы так, чтобы пицца приобретала разный вкус и цвет: 400 ватт – для «Маргариты», 800 ватт – для пиццы с ветчиной и грибами и 1600 ватт – для «Четырех времен года». Так или подобным образом могут выглядеть продукты питания или упаковки будущего. И все благодаря нанотехнологии.

Очень важно на сегодняшний день оценить основные объекты контроля производства пищевых продуктов. Необходимо контролировать образующие в продукции и наноматериалы, мигрирующие из пищевой упаковки, потому что, по мнению ученых, наноматериалы – это именно то, на чем будет основано все производство продовольствия в будущем.

7.6. Нанотехнологии в авиации и космонавтике

При использовании нанотехнологий могут производиться востребованные авиапромом композиционные материалы, гальванические покрытия, антистатические покрытия, клеи-гер- метики. Продукция, произведенная при помощи нанотехнологий, значительно превосходит сделанную традиционными методами.

Преимущества реализации нанотехнологий:

–прочность летательных аппаратов;

–аэроупругость;

–снижение трения;

– решение проблемы с обледенением и прилипанием к внешней стороне конструкции летательных аппаратов различной «биологической живности»;

– снижение заметности летательных аппаратов. Нанотехнологии в авиационной промышленности исполь-

зуются:

150