Лекция и лаба по Холмской / ДодатковийМатер_ал
.pdf
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Владимирский государственный университет
Т.А. ТРИФОНОВА, Л.А. ШИРКИН
Экологическая безопасность наночастиц, наноматериалов и нанотехнологий
Учебное пособие
Владимир 2009
1
УДК 504.05 ББК 20.18 Т69
Рецензенты:
Кандидат технических наук, лауреат премии Совета Министров РФ 1995 г. за разработки в области науки
и техники, генеральный директор ЗАО «Баромембранная технология»
А.А. Поворов
Кандидат физико-математических наук, доцент Владимирского государственного университета
А.О. Кучерик
Трифонова, Т. А.
Т69 Экологическая безопасность наночастиц, наноматериалов и нанотехнологий : учеб. пособие / Т. А. Трифонова, Л. А. Ширкин; Владим. гос. ун-т. –
Владимир : Изд-во Владим. гос. ун-та, 2009. – 64 с. – ISBN 978-5-89368-933-4
Работа посвящена проблемам анализа и обеспечения экологической безопасности наночастиц, наноматериалов и нанотехнологий. Дан обзор состояния отечественных и зарубежных нанотехнологических исследований. Рассмотрены направления и методы оценки в области экологической безопасности на примере наночастиц металлов и углеродных нанотрубок. Представлены результаты собственных поисковых и прикладных исследований.
Подготовлена с целью изучения студентами дисциплины «Экологическая безопасность», а также аспирантами и специалистами новейших технологий наносистем, наноматериалов и проблем нанобезопасности.
Ил. 4. Табл. 1. Библиогр. 11 назв.
|
УДК 504.05 |
|
ББК 20.18 |
ISBN 978-5-89368-933-4 |
© Владимирский государственный |
|
университет, 2009 |
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
1. ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ...................... |
5 |
1.1. Нанотехнологии за рубежом......................................................... |
10 |
1.2. Нанотехнологии в России............................................................. |
12 |
2. ПРОБЛЕМА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ |
|
НАНОЧАСТИЦ, НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ........ |
16 |
3. НАНОЧАСТИЦЫ И КЛАСТЕРЫ........................................................... |
19 |
3.1. Наночастицы металлов и оксидов металлов............................... |
20 |
3.2. Углеродные нанотрубки................................................................ |
27 |
4. ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ НАНОЧАСТИЦ НА ОКРУЖАЮЩУЮ |
|
СРЕДУ И ЗДОРОВЬЕ. ОЦЕНКА ЭКОТОКСИКОКИНЕТИКИ |
|
НАНОПРИМЕСЕЙ....................................................................................... |
31 |
4.1. Выявление потенциальных источников поступления |
|
наночастиц и параметров их распределения в воздушной среде .... |
31 |
4.2. Исследование миграции наночастиц ........................................... |
34 |
4.3. Наноразмерные эффекты в проблеме безопасности |
|
наночастиц для здоровья...................................................................... |
38 |
5. РАЗРАБОТКА ПРОГНОСТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ |
|
ВОЗМОЖНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ НА |
|
ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ И ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА........................... |
43 |
5.1. Разработка модели для оценки воздействия отработанных |
|
наноматериалов на окружающую среду............................................. |
44 |
5.2. Разработка методов определения возможной экотоксичности |
|
наноматериалов, наносубстанций, используемых в производстве, |
|
и отходов, содержащих отработанные наноматериалы.................... |
48 |
6. ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ |
|
НАНОТЕХНОЛОГИЙ.................................................................................. |
49 |
6.1. Разработка моделей оценки рисков для здоровья населения в |
|
результате поступления в окружающую среду наночастиц и |
|
наноматериалов..................................................................................... |
50 |
3
6.2. Разработка технических регламентов опытного и |
|
промышленного производства наноматериалов в части разделов |
|
«Требования техники безопасности» и «Охрана окружающей |
|
среды»..................................................................................................... |
54 |
6.3. Анализ жизненного цикла производимых наноматериалов |
|
и наносубстанций, используемых в производстве. ........................... |
57 |
ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ................................................................... |
60 |
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.......................................................... |
61 |
4
1. ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
Под термином «нанотехнологии» подразумевают процессы обработки и манипуляции частицами, характеризующая размерность которых находится в пределах ста нанометров. Само по себе учение о наночастицах молодо по меркам современной науки и возникло благодаря двум изобретениям конца ХХ столетия. Первое из них принадлежит физикам, нобелевским лауреатам, Герду Биннигу (Gerd Binnig) и Генриху Рореру (Heinrich Rohrer) из исследовательской лаборатории IBM, которые в 1981 г. сконструировали сканирующий электронный микроскоп с туннельным эффектом, позволивший распознать отдельные атомы. Второе открытие произошло в 1986 г., когда сканирующий электронный микроскоп с туннельным эффектом был модернизирован Гердом Биннигом и позволил не только наблюдать атомы, но и манипулировать ими с помощью специальных электромагнитных полей. Далее появилась статья двух исследователей из той же лаборатории IBM – Айглера и Швейцера под названием «Позиционирование отдельных атомов с помощью сканирующего туннельного микроскопа». В ней научные сотрудники IBM весьма подробно расписали не только принцип функционирования разработки их коллег, но и перспективы нового открытия. В частности, авторы рассказали об огромных экономических перспективах тех компаний, что начнут выпускать продукты на основе нанотехнологии. По их мнению, конструктивный размер и объем материалов, которые смогли бы применяться при таком производстве, не может быть крупным и, следовательно, дорогим. В результате многие инвесторы начали рассматривать нанотехнологии как перспективную область финансовых вложений.
К нанотехнологиям относятся разработки, в которых используются материалы и системы, отвечающие трем условиям:
–по крайней мере одно из их пространственных измерений не превышает 100 нанометров;
–при их изготовлении используются процессы, в основе которых лежит фундаментальный контроль над физическими и химическими свойствами молекулярных структур;
–они (материалы и системы) могут быть объединены в более крупные
структуры.
5
Кнаноструктурным (наноразмерным, нанокристаллическим, нанофазным и др.) материалам относят обычно объекты с характерным структурным размером менее 100 нанометров. Малый размер частиц, их развитые поверхностные и энергетические качества приводят к появлению уникальных физико-химических, энергетических, механических и других свойств. Эти свойства и используются в перспективных технологиях и материалах.
Среди наиболее вероятных научных прорывов в области нанотехнологий эксперты называют увеличение производительности компьютеров, восстановление человеческих органов с использованием вновь воссозданной ткани, получение новых материалов, созданных напрямую из заданных атомов и молекул, и появление новых открытий в химии и физике.
Кобластям, в которых нанотехнология может существенно повлиять на технический прогресс, обычно относят:
– элементы наноэлектроники и нанофотоники (полупроводниковые транзисторы и лазеры; фотодетекторы; солнечные элементы; различные сенсоры);
– устройства сверхплотной записи информации;
– телекоммуникационные, информационные и вычислительные технологии; суперкомпьютеры;
– видеотехника – плоские экраны, мониторы, видеопроекторы;
– молекулярные электронные устройства, в том числе переключатели
иэлектронные схемы на молекулярном уровне;
–нанолитография и наноимпринтинг;
–топливные элементы и устройства хранения энергии;
–устройства микро- и наномеханики, в том числе актюаторы и трансдукторы, молекулярные моторы и наномоторы, нанороботы;
–нанохимия и катализ, в том числе управление горением, нанесение покрытий, электрохимия и фармацевтика;
–авиационные, космические и оборонные приложения;
–устройства контроля состояния окружающей среды;
–целевая доставка лекарств и протеинов, биополимеры и заживление биологических тканей, клиническая и медицинская диагностика, создание искусственных мускулов, костей, имплантация живых органов;
–биомеханика, геномика, биоинформатика, биоинструментарий;
–регистрация и идентификация канцерогенных тканей, патогенов и биологически вредных агентов; безопасность в сельском хозяйстве и при производстве пищевых продуктов.
6
Десятитомная «Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology» (American Scientific Publishers, 2004) представляет уже реально достигну-
тое улучшение качества и появление новых функциональных возможностей при наноструктурировании материалов, среди которых:
1.Возрастание прочности и твердости наноструктурированных материалов.
2.Увеличение эффективности сгорания топлива – добавка нанопорошкового алюминия в ракетное топливо увеличивает скорость его сгорания.
3.Создание новых взрывчатых веществ с объемным горением на основе интеркалированного графита.
4.Очистка воды от бактериофагов (вирусов) – фильтры на основе нановолокон и нанотрубок.
5.Теплоносители в системах охлаждения – жидкости, содержащие наночастицы металлов, имеют многократно более высокую теплопроводность.
6.Самоочищающиеся материалы под действием солнечного излучения – оконные стекла, строительные материалы с покрытием из наноструктурированных материалов.
7.Водородная энергетика – нанокомпозиты, углеродные нанотрубки с повышенной способностью к накоплению водорода.
8.Компактные источники электропитания (миниатюрные батареи) – нанокомпозиты на основе твердых материалов с высокой ионной проводимостью.
9.Наноструктурирование лекарственных средств позволит использовать меньшие дозы лекарств при большей эффективности (проведены испытания наноструктурированного аспирина).
10.Будут созданы новые бактерицидные и противовирусные средства – наночастицы серебра в порах цеолитов для эффективного залечивания ран, фильтры на нанотрубках для водоочистки.
11.Магнитные наночастицы применимы для очистки крови от токсикантов.
12.Квантовые точки могут использоваться как люминесцирующие наномаркеры для ранней диагностики раковых клеток.
Выбрав в качестве приоритетных критериев популярность на рынке и возможность применения в повседневной жизни, компания NanoBillboard составила список 10 лучших на сегодня продуктов, созданных с помощью нанотехнологий.
7
1.Органическиесветоизлучающиедиодныедисплеи(Organic Light Emitting Diode OLED Displays) тоньше и легче современных LCD-дисплеев, поэтому практически идеально подходят к применению в мобильных телефонах, карманных компьютерах, цифровых камерах и фотоаппаратах. Эти устройства собраны из нескольких слоев нанопленок, содержащих матрицы электродов, и расположенного между ними светоизлучающего органического полимера. Изображения на дисплее можно рассматривать под разными углами без потери качества.
2.Наноэмульсии и антибактериальные нанопокрытия.
3.Нанокапсулы – «контейнеры для лекарств», которые созданы искусственно и имеют размеры от 100 до 600 нанометров.
4.Наножидкостные системы, имеющие каналы диаметром в несколько десятков и сотен нанометров, предназначены для работы в составе лабора- торий-на-чипе, которые проводят экспресс-анализы ДНК, белков и других биомолекул.
5.Наноэлектронные устройства с тактовой частотой 1 ГГц. В 2004 г. был сделан ряд важных исследований, по результатам которых стало возможным создание рабочих наномеханических и наноэлектронных систем с тактовой частотой около 1 ГГц. Это разнообразные осцилляторы, модули механопамяти нанометровых размеров, датчики на основе нанотрубок и т.п. В основном эти устройства изготовлены на кремниевых подложках методами электронно-лучевой литографии.
6.Нанокатализаторы для автотранспорта. Различные нанокатализаторы уже применяются при обработке сырой нефти.
7.Устройства на основе нанотрубок. Углеродные нанотрубки уже зарекомендовали себя как универсальный стройматериал наноэлектроники.
Сих применением получаются и осцилляторы, и диоды, и транзисторы, и наножидкостные устройства. Нанотрубками сегодня даже убивают бактерии. Со временем, когда технология их производства и применения будет отточена, они займут 1-е место по продажам на рынке нанотехнологий. Примеры их современных применений велики – от дисплеев на нанотрубках, до велосипедов, в которых нанотрубки обеспечивают жесткость материала.
8.Нанокристаллы, получаемые методами испарения и конденсации металлов.
9.Наноэлектромеханические системы (НЭМС). В отличие от микроэлектромеханических систем, которые появились в 1980-х годах, НЭМС зародились всего несколько лет назад. Механические устройства умень-
8
шаются в размерах, при этом снижается их масса, увеличивается резонансная частота и уменьшаются их константы взаимодействия. Используя НЭМСтехнологию, можно ожидать появления высокофункциональных сенсоров
исверхъемких устройств для хранения информации.
10.Бытовые продукты, улучшенные с помощью нанотехнологий. Современные нанотехнологические исследования включают в себя три
различных научных направления: «инкрементные», «эволюционные» и «радикальные» нанотехнологии.
1. «Инкрементные» нанотехнологии (Incremental nanotechnology). Порош-
ки, нанокапсулы, умные текстили и поверхности. Промышленное применение наночастиц в красках для автомобилей и автокосметике – пример «инкрементных» нанотехнологий.
В настоящее время наноматериалы используют для изготовления защитных и светопоглощающих покрытий, спортивного оборудования, транзисторов, светоиспускающих диодов, топливных элементов, лекарств и медицинской аппаратуры, материалов для упаковки продуктов питания, косметики и одежды. Однако на данный момент переход от производства в лаборатории к массовому производству нанотехнологической продукции осложняется значительными проблемами, так как надежную обработку материалов в наномасштабе требуемым образом все еще очень трудно реализовать с экономической точки зрения. Создание соответствующих производств и метрологических служб, обеспечивающих необходимую характеризацию нанопродуктов, требует намного больших затрат, чем собственно нанотехнологические исследования.
2. «Эволюционные» нанотехнологии (Evolutionary nanotechnology). Улуч-
шение существующих микросхем. Одноэлектроника, молекулярная электроника, мемсы и немсы.
Результатом нанотехнологических разработок должны выступить НЭМСы – наноэлектромеханические системы. С практической точки зрения производство НЭМСов подразделяется на две категории: по нисходящей линии сборки и по восходящей.
Нанотехнологии первой категории предполагают первоначальное создание МЭМСов – микроэлектромеханических систем, способных к самовоспроизводству в уменьшенных масштабах. По замыслу, для запуска всего процесса достаточно создать одну самовоспроизводящуюся МЭМ-систему, запрограммированную на производство двух себе подобных систем в масштабе один к двум, то есть в два раза меньше ее самой. Новое поколение МЭМСов создаст уже четыре системы в четыре раза меньше первоначаль-
9
ной и так далее. Таким образом, через тысячу поколений на свет должна появиться уже не микро-, а наносистема, которая будет меньше первоначальной в два в тысячной степени раз. В настоящее время активно разрабатываются «ассемблеры» – микроэлектромеханические роботы-сборщики. Они представляют собой произведенные литографическим способом микроскопические захваты-манипуляторы, которые могут собирать более мелкие производственные системы, используя для этого наборы деталей, литографически «вырезанные» на кремниевых ваферах – тончайших срезах полупроводниковых кристаллов. Предположительно наноассемблеры появятся через 10 – 20 лет.
К нанотехнологиям второй категории – по восходящей линии – относится сборка наносистем из отдельных атомов. Отцом-теоретиком этого метода считается футуролог Эрик Дрекслер, автор книги «Машины сози-
дания: грядущая эра нанотехнологии» (Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. K.E. Drexler. Fourth State, 1990), в которой он предска-
зывает появление в будущем дистанционно управляемых нанороботов (или «наноботов»), способных манипулировать отдельными атомами.
«Эволюционные» нанотехнологии представлены также наномерными датчиками, использующими флуоресцентные свойства квантовых точек (диаметром от 2 до 10 нанометров) и электрические свойства углеродных нанотрубок (диаметром от 1 до 100 нанометров), хотя эти разработки пока находятся в зачаточном состоянии.
3. «Радикальные» нанотехнологии (Radical nanotechnology). Радикальные нанотехнологии – разработки сложных машин, соединение нанотехнологии, биотехнологии, квантовой механики, органической химии и т.д. Это приборы, работающие на радикально новых идеях, от мифических ассемблеров и репликаторов до вполне реальных катенанов и ротаксанов. «Радикальные» нанотехнологии пока что не встречаются.
1.1. Нанотехнологии за рубежом
Исследования в области нанотехнологий сейчас активно развиваются более чем в 50 странах.
По подсчетам американского Проекта по исследованию нанотехноло-
гий (Wilson Center's Project on Emerging Nanotechnologies), в свободной продаже находятся более 350 наименований товаров, изготовленных с помощью нанотехнологий. Большинство (229) товаров относятся к категории «здоровье и спорт» – сюда занесены косметика, одежда, спортивные това-
10