Нанотехнологии в охране окружающей среды

метки: Нанотехнология, Окружать, Охрана, Вещество, Нанотрубка, Загрязнять, Свойство, Топливо

В данном реферате мы рассмотрим применение нанотехнологи в экологии и их влияние на охрану окружающей среды, а также возможность решения глобальных экологических проблем.

Проблема экологии занимала человечество с давних времён. А с ростом прогресса, соответственно, загрязнением окружающей среды, проблемы экологии становятся всё более важными. В последнее время их всё чаще пытаются решить с помощью нанотехнологий.

Идея создания технологий в масштабах нанометра впервые пришла в голову нобелевскому лауреату Ричарду Фейнману (Richard Feynman).

В 1959 году он высказался о проблеме контроля и управления строением вещества в интервале очень малых размеров — лекция «Там внизу ещё много места»: «ни один физический или химический закон не мешает нам менять взаимное положение атомов».

Само понятие «нанотехнология» было введено японцем Норио Танигучи (Norio Taniguchi) в 1974, он предложил называть так технологии и механизмы, размером менее одного микрона, а так же дал краткое определение нанотехнологии, как: междисциплинарной, образующей технологии, позволяющей «технологично» (воспроизводимо, по описанным процедурам) производить исследования, манипуляцию и обработку вещества в диапазоне размеров и с допусками 0,1/100 нм.

В 1985 Ричардом Смолли (Richard Smalley) открыты фуллерены — молекулы углерода в форме шара (молекула С60, атомы углерода в которой расположены в углах пяти- и шестиугольников, образуя форму мяча).

В 1991 Суоми Иияма (Suomi Iiyama) из компании NEC открыл углеродные нанотрубки.

Нанотехнологии смогут помочь человечеству достигнуть очень амбициозных (даже фантастических) задач:

• § создание новейших промышленных технологий на атомарном и молекулярном уровнях;
• § твердых тел и поверхностей (материалов и пленок) с измененной молекулярной структурой, что даст сверхпрочные металлы, ткани, пластмассы;
• самовосстанавливающиеся материалы;

• § новых химических веществ посредством составления из молекул, т.е. без химических реакций;
• § логических наноэлементов и нанокомпьютеров (миниатюризация и повышение вычислительной мощности компьютеров), и сверхпроводников нового типа (сверххолодных);
• § вычислительных устройств на белковых молекулах;
• § искусственных аналогов живых организмов (растений и животных);
• § нанороботов, наномашин (нанодвигателей), прецизионных (точных) наноманипуляторов;
• § роботов-врачей для имплантации в организм (для устранения генетических и физиологических повреждений на клеточном и надклеточном уровнях);
• § нанороботов, наномашин (нанодвигателей), прецизионных (точных) наноманипуляторов;
• § Разработка самореплицирующихся (саморазмножающихся) систем на базе биоаналогов — бактерий, вирусов, простейших;

— Применение нанотехнологий в экологии имело бы играло бы большую роль, поскольку помогло бы значительно снизить загрязнение окружающей среды. Уже имеется немало достижений в нанотехнологиях, которые помогают уменьшить вредное влияние на окружающую среду: например, эта наука даёт новые возможности переработки мусора, очистки воды, определения ртути и так далее. Дальнейшие исследования дадут новые результаты, а, значит, и новые возможности.

По экологии «Охрана окружающей среды — актуальная проблема современного ...

... по охране природы. Объекты охраны окружающей среды В соответствии с российским законодательством объектами охраны окружающей среды ... фермерских, гидроэлектрических, химических, нефтяных ... с тем, что ... экологии на длительный период времени. Кроме этого, действует федеральный закон «Об охране окружающей среды», определяющий права граждан и государственных органов в данной области, а также принципы охраны ...

В наше время развитие науки нанотехнологии, а также промышленности, с ней связанной, показывает на развитость государства. Однако нанотехнология — новая наука, и, несмотря на свои преимущества и достоинства, вызывает и опасения. Впрочем, у любой медали всегда две стороны. Поэтому, несмотря на множество явного положительного влияния нанотехнологий на жизнь современных людей, наночастицы могут наносить и вред, используясь в некоторых отраслях.

Нанотехнологии в наши дни используются почти во всех сферах современной жизни. Наночастицы используются, например, даже в косметике и парфюмерии. Так, наночастицы оксида титана содержатся в некоторых солнцезащитных кремах. Эти наночастицы поглощают излучение ультрафиолета с большой эффективностью, что, несомненно, делают такие кремы куда более эффективными, чем обычные. Однако впоследствии были проведены исследования, которые показали, что, например, углеродные нанотрубки оказывали губительное воздействие на крыс. Углеродные нанотрубки, попадая в лёгкие крыс, вызывали сильные нарушения, а затем разносились кровью по организму. Или, например, были изобретены носки, содержащие наночастицы серебра. Таким образом, носки не приобретают неприятный запах. Но исследования показали, что при стирке эти наночастицы попадают в воду, в которой могут вызвать сильные нарушения работы мозга и функций размножения организмов, живущих в воде. Так как практически все канализационные воды попадают в природные водоёмы, это может нанести вред не только организмам, живущих в них, но и людям.

Главная проблема в том, что наночастицы проникают сквозь абсолютно все очистительные фильтры, которые существуют на наш день. Поэтому, так как использование нанотехнологий становится всё более активным, произойдёт и некоторая революция в экологии. Будут создаваться специальные фильтры, задерживающие наночастицы. И, конечно, практически все новые технологии чаще всего в первую очередь применяются в военной отрасли. Если применять нанотрубки при создании взрывчатых веществ, то, во-первых, это обеспечит огромную силу взрыва, во-вторых, нанотрубки, рассеивающиеся в воздухе, могут нарушать работу органов и клеток людей.

Впрочем, фантазировать можно много про любое новое явление. Так как нанотехнологии видимо облегчают жизнь человека, то можно предположить, что, во-первых, нанотехнологии будут использовать не во всех отраслях, а только в тех, где это необходимо. И, во-вторых, вскоре негативное влияние наночастиц будет изучено и будут придуманы новые методы защиты.

Загрязнение окружающей среды

Охрана окружающей среды от загрязнения — одна из наиболее важных проблем современности. При этом недостаточно сфокусироваться только на охране атмосферы, поскольку окружающая среда является чрезвычайно сложной системой, состоящей из бесчисленного множества подчиненных взаимосвязанных систем. Вода и почва с их свойствами и обитателями также являются частями этой системы. Одни считают, что загрязнение окружающей среды — неизбежное следствие прогресса, а другие хотели бы вернуться в более чистое прошлое. Эти споры велись всегда и будут продолжаться бесконечно.

Не нужно быть активным защитником окружающей среды, чтобы понимать, какой вред и какую угрозу нашему здоровью и жизни несет ее загрязнение. Дымящие трубы извергают все виды зловоний, от которых не только болит голова, но и слезает краска с автомобилей. Страшнее всего то, что испускаемые заводскими трубами химикаты являются канцерогенами.

Канцерогены

Однако определение степени загрязнения воды или почвы — очень трудная задача, поскольку часто оно не превышает нескольких частей на миллион или даже миллиард. Многие люди верят только тому, что видят воочию, а токсины можно увидеть только под сильным микроскопом. В настоящее время мы должны заботиться не только о чистоте воздуха и питьевой воды, но и о качестве пищи. Действительно, некоторые виды рыб, например тунец, способны поглощать и накапливать опасные химические вещества из загрязненных водоемов.

В таблице 1 перечислены токсичные химические вещества и их типичные концентрации в почве и воде.

Таблица 1. Уровни концентрации некоторых токсичных химических веществ в почве и воде

Вещество	Токсическая концентрация (промилле)
Мышьяк (в детской песочнице)	10
Мышьяк (в отходах горных пород	1320
Диэтиловый эфир	400
Тригалометан (в воде)	0,1
Нитраты (в воде)	10
Нитриты (в воде)	1
Серебро (в воде)	0,05
Кадмий (в воде)	0,005
Ртуть (в воде)	0,002

загрязнение среда нанотехнология охрана

Во многих промышленно развитых странах воздух загрязнен дымом, макрочастицами и токсичными химическими веществами, которые генерируются в результате бытовой и промышленной деятельности человека.

Наиболее распространенными загрязняющими веществами считаются:

• окись углерода (или угарный газ);
• фреон (chlorofluorocarbon — CFC);
• тяжелые металлы (мышьяк, хром, кадмий, свинец, ртуть, цинк);
• углеводороды;
• оксиды азота;
• органические химикаты (летучие органические соединения, диоксины);
• диоксид серы (или сернистый ангидрид);
• макрочастицы.

Качество нашей жизни во многом зависит от деятельности местных, региональных и общенациональных органов охраны окружающей среды. Их работа затрудняется тем, что загрязняющие вещества часто не имеют цвета, вкуса и запаха.

Кислотные дожди

Около 95% повышенного содержания оксидов азота и диоксида серы в атмосфере связано с деятельностью человека и лишь 5% — с естественными природными процессами.

Главными источниками оксидов азота и диоксида серы являются:

• сжигание нефти, угля и газа;
• вулканическая деятельность;
• лесные пожары;
• распад почвенных бактерий;
• молнии.

Загрязнение воды вызывается внезапными или непрерывными, случайными или запланированными выбросами загрязняющих веществ. По мере роста населения планеты человечеству приходится иметь дело с более масштабным загрязнением морей и океанов.

Вода чаще всего загрязняется:

• стоками промышленных отходов;
• сожженными ископаемыми видами топлива;
• утечками нефти;
• удобрениями, гербицидами, пестицидами, которые используются в сельском хозяйстве и при уходе за садами и парками;
• вследствие вырубки лесов.

Сегодня политики и общественные деятели прилагают усилия для борьбы с загрязнением атмосферы и водного пространства. Помимо роста населения Земли, существует множество других сложных и взаимосвязанных причин загрязнения окружающей среды.

Нанотехнологии в охране окружающей среды

Порой кажется, что загрязнение окружающей среды столь велико, что его уже нельзя устранить. Многие давно смирились с текущим положением вещей. Однако исследователи нанотехнологий видят свет в конце туннеля.

Проектирование материалов на молекулярном и атомарном уровне и манипулирование ими открывает перед учеными огромные возможности для создания новых методов защиты окружающей среды. Уникальные свойства наноматериалов могут дать ощутимые преимущества в методах производства энергии, ее эффективного использования, водопользования и восстановления окружающей среды. Многие текущие проекты нацелены на изучение характера взаимодействия наночастиц с биологическими и экологическими системами, включая перемещение наночастиц в микроструйных системах. Исследователи пытаются определить, как разные виды загрязняющих веществ связываются с наноматериалами, переносятся ими в грунтовых водах, взаимодействуют с биологическими клетками и поражают их.

Очистка воды

Вода жизненно важна для человечества. Загрязненная отходами вода пагубно влияет на здоровье. Доступ к чистой воде — гораздо большая проблема, чем голод, в развивающихся странах с локальными военными конфликтами и частыми стихийными бедствиями.

В США стандарты использования питьевой воды пересматривались несколько раз с целью повышения ее чистоты. Рост народонаселения и интенсивное ведение сельского хозяйства связаны с постоянно растущим потреблением чистой воды, поэтому все более актуальными становятся поиски новых методов ее очистки. Применение наноматериалов может помочь улучшить существующие, а также создать совершенно новые технологии и материалы, используемые для очистки воды. С помощью нанотехнологий можно усовершенствовать способы обработки и доставки воды в удаленные регионы без достаточных запасов электрической

энергии. Специально созданные наноматериалы являются новым классом, который относительно мало известен большинству специалистов по охране окружающей среды и водопользования. Однако постепенно ситуация меняется к лучшему. Благодаря дальнейшим исследованиям безопасных, дешевых и эффективных методов обработки воды постепенно меняются прежние традиционные практические способы.

Керамические мембраны

Мембраны и фильтры разнообразных размеров используются для разделения веществ. В зависимости от своих свойств им удается выполнять эту работу с переменным успехом.

При ультрафильтрации создается повышенное давление с одной стороны мембраны, которое способствует прониканию компонентов с малым молекулярным весом сквозь поры. При этом более крупные молекулы могут перемещаться только вдоль мембраны и не проникают сквозь поры из-за своего размера. Полунепроницаемая ультрафильтрационная мембрана имеет поры величиной от 0,0025 до 0,01 мкм.

Исследователи из центра CBEN Университета Райс (США) создали реактивную мембрану из ферроксана (ferroxane), то есть керамики на основе оксида железа. Благодаря уникальным химическим свойствам железа эти реактивные мембраны позволяют очищать воду, удаляя из нее загрязняющие вещества и органические отходы. Кроме того, обнаружено, что ферроксановые материалы способны разлагать загрязнения с бензойной кислотой. При использовании мембран из алюмоксана (alumoxane), то есть керамики на основе оксида алюминия, ученые научились управлять их свойствами (толщиной, распределением диаметров пор, проницаемостью), контролируя размеры алюмоксановых частиц и режим термической обработки мембраны. На рисунке 1 показана типичная схема такой керамической мембраны.

Наноструктурные керамические мембраны способны фильтровать и очищать воду в пассивном и активном режимах. Керамические мембраны можно использовать в традиционных системах очистки загрязненной воды и воздуха. Интеграция нанокатализаторов и методов очистки воды позволяет получить новые преимущества.

Нанокатализаторы — это вещества или материалы, которые обладают каталитическими свойствами и имеют по крайней мере один наноразмер.

Рис. 1. Типичное распределение размеров пор в керамической мембране

Благодаря увеличению поверхностной площади нанокатализаторы обладают большей контактной поверхностью и более эффективно реагируют, чем сплошные материалы. Нанокатализаторы можнотиспользовать, например, для очистки загрязненных грунтовых вод, в обычных устройствах для очистки воды, а затем восстанавливать их (то есть возвращать в рабочее состояние) с помощью наномембран.

На рисунке 2 показана часть наноструктурной мембраны, созданной на основе шаблона.

Рис. 2. Типичная керамическая наномембрана (фото любезно предоставлено М. Визнером из Университета Дьюк, США)

Наночастицы железа

Уникальные исследования, проведенные инженером по защите окружающей среды Чжан Вейсянем (Wei_xian Zhang) из Университета Лехай (США), продемонстрировали потенциал наномасштабного железного порошка, способного очищать почву и грунтовые воды, загрязненные промышленными веществами. Железо, один из наиболее распространенных металлов на Земле, может стать недостающим звеном в решении мультимиллиардной проблемы.

Дело в том, что в США и других странах имеется огромное количество загрязненных в результате промышленной деятельности регионов, подземных хранилищ вредных веществ, заброшенных шахт и горных выработок. Железо обладает способностью легко окисляться и образовывать ржавчину. Если это окисление происходит в присутствии таких опасных загрязняющих веществ, как трихлорэтилен, тетрахлорид углерода, диоксины или полихлорированные дифенилы (ПХД), то их сложные молекулы распадаются на более простые и менее токсичные углеродные компоненты.

Аналогичное явление наблюдается, когда окисление железа происходит в присутствии таких опасных тяжелых металлов, как свинец, никель, ртуть и даже уран. Тогда эти металлы образуют нерастворимые формы, которые оседают в почве и не переносятся по пищевой цепочке (следовательно, их вредное влияние на окружающую среду уменьшается).

Поскольку железо не обладает токсичным эффектом и в большом количестве присутствует в горных породах, почве и воде, многие компании в настоящее время начали применять железный порошок для очистки своих промышленных отходов перед выбросом их в окружающую среду. Эта технология прекрасно подходит для новых промышленных отходов, но ученых беспокоит ситуация и со старыми отходами. В этом деле им могут помочь наночастицы железа.

Наночастицы железа в 10-1000 р. активнее обычных макроскопических частиц.

Обладая меньшим размером и большей активной поверхностью, наночастицы могут легко проникнуть в центр загрязненной зоны. Они легко переносятся вместе с грунтовыми водами и попутно очищают все окружающее пространство. На рисунке 3 показана принципиальная схема данного процесса.

Нанотехнологии не только самым тесным образом связаны с проблемами окружающей среды и энергетики, но и, возможно, приведут к новым решениям весьма сложных проблем.

Рис. 3. Опасные тяжелые металлы в почве и грунтовых водах нейтрализуются инъекцией наночастиц железа

На свойства наночастиц железа не влияют кислотность, температура 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 частицами почвы. Лабораторные и полевые испытания показали, что благодаря наночастицам железа уровни загрязнения возле места инъекции значительно падают уже за 1-2 дня и снижаются практически до безопасного уровня за несколько недель. Результаты этих исследований показывают, что наночастицы железа остаются активными в течение 4-6 недель, то есть до тех пор, пока не распределятся в грунтовых водах до достижения естественной концентрации железа в природе.

Этот тип нанотехнологической инновации может быстро улучшить ситуацию в загрязненной окружающей среде. Более того, он может вдохновить других исследователей на поиски новых способов 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 использовать для изучения перемещения полимерных молекул. Дело в том, что способы перемещения полимерных молекул сквозь узкие проходы играют огромную роль в химических и биологических процессах.

Эксперименты с такими молекулами, как ДНК и РНК, показали, что их перемещение сквозь поры в мембранах сопровождается переносом электрического тока. Эти процессы играют огромную роль в изучении взаимодействия данных молекул с вирусами и в исследовании методов секвенирования генов. Действительно, благодаря своей структуре и форме молекула ДНК является прекрасной моделью для проектирования длинных синтетических полимеров. На рисунке 4 показано, как молекула белка проникает сквозь пору в мембране.

Физика перемещения молекул ДНК и РНК через наноканалы связана непосредственно с будущими методами фильтрации и проектирования наномембран. Наномасштабные компьютерные модели позволяют получить новые данные для проектирования таких наномембран, предназначенных для более эффективной фильтрации воды.

Рис. 4. Перемещение полимерной молекулы сквозь пору мембраны

Нанотехнологии и государственные приоритеты

Нанотехнология является одним из наиболее важных научно-исследовательских приоритетов правительства США

1. Научноисследовательская программа в области нанотехнологий Управления по охране окружающей среды (Environmental Protection Agency — EPA) является частью Национальной нанотехнологической инициативы (National Nanotechnology Initiative — NNI), которая обеспечивает координацию всех усилий и контроль над ними в этой области. 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 нанотехнологическими.

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.

На наномасштабном уровне законы квантовой механики часто коренным образом меняют механические, оптические, химические и электронные свойства материалов. Эти свойства можно использовать 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 производства энергии и товаров.

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 транспортировку.

Анализ рисков, связанных с применением наноматериалов, должен включать проверку их токсичности и восприимчивости со стороны растений, животных и человека.

Правительственные исследования

EPA принимает активное участие в исследованиях токсичности новых нанотехнологий.

Это агентство не только ведет несколько собственных научноисследовательских программ, но и участвует в других проектах вместе с подкомитетом по наномасштабной науке и технике (Nanoscale Science, Engineering and Technology subcommittee) Совета по научной и технологической политике, национальной науке и технике (Science and Technology Policy, National Science and Technology Council) Правительства США. Научноисследовательская деятельность EPA включает перечисленные ниже направления.

— Национальный центр исследований по защите окружающей среды финансировал многомиллионные гранты на научные исследования нанотехнологий для защиты окружающей среды (то есть разработку дешевых, быстрых и простых методов очистки воды от токсичных загрязняющих веществ, новые сверхчувствительные сенсоры загрязняющих веществ, «зеленое» производство наноматериалов и высокоизбирательные катали заторы)

• Избранные научно_исследовательские проекты посвящены изучению возможного вредного воздействия наноматериалов (тоесть их токсичности, превращений, накопления и т.д.).

— В рамках программы поддержки малого бизнеса (Small Business 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 органические соединения и частицы диаметром менее 3 мкм из выхлопных газов двигателей, генераторов энергии и кондиционеров).

• Несколько научно-исследовательских проектов посвящены изучению наноструктурных фотокатализаторов, которые предполагается использовать в качестве «зеленой» альтернативы для углеводородного окисления;
• использованию наноматериалов в качестве адсорбентов, мембран и катализаторов для контроля над чистотой воздуха и выхлопных газов;
• проверке вредного влияния сверхмалых частиц во время их производства.

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 интенсивно исследуют роль нанокатализаторов в деле защиты окружающей среды, поскольку каталитические реакции могут заметно удешевить методы очистки воды.

Например, огромное значение имеет очистка грунтовых вод от пестицидов. Однако часто для каждого типа загрязняющего вещества требуется отдельный катализатор и определенная стратегияточистки.

Специализированные наноматериалы могут ускорить очистку сделать ее более эффективной.

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

Стронгин с коллегами изучает химические реакции, которые могут способствовать сгущению опасных металлов или выделению их из раствора, предотвращая их распространение в грунтовых водах или просачивание в почву. Экспериментируя с токсичным хромом, ученые создали наночастицы, которые вступают в реакцию с хромом.

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

Группа Стронгина работает и над созданием других наночастиц, пособных реагировать с токсичными металлами, например технецием, которым загрязнено несколько мест в штате Вашингтон (США).

Дело в том, что в 1940-1950-е гг. там были захоронены большие емкости 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.

Глобальное потепление

Одной из важнейших экологических проблем выступает длительный рост средней температуры атмосферы нашей планеты. За период 1960-2000 гг. эта величина возросла примерно на 0,5, причем этот рост приобрел особо устойчивый характер в 80-е годы прошлого столетия. Ученые уверены, что основной причиной такого повышения является все возрастающее количество сжигаемого топлива (каменного угля, нефти и т.п.), промышленными установками, автомобилями и т.д. Именно продукты горения (двуокись углерода, метан и т.п.) и их взаимодействие с солнечным излучением являются основными факторами роста температуры атмосфера (парниковый эффект).

Поэтому уже давно основной проблемой экологии стало снижения уровня потребления, так называемого ископаемого топлива (нефти и угля), что должно уменьшить и объем выбрасываемой в атмосферу окиси углерода и других продуктов горения. Поэтому поиск альтернативных источников энергии и разработка эффективных методов сохранения и передачи энергии (например, создание солнечных батарей и топливных элементов нового типа) стали важной научно — технической задачей. В самое последнее время выяснилось, что применение углеродных нанотрубок может привести к значительному повышению коэффициента полезного действия существующих преобразователей солнечной энергии. Кроме этого, было обнаружено, что углеродные нанотрубки могут весьма эффективно адсорбировать большие количества водорода, что сразу активизировало разнообразные исследования, относящиеся к разработке топливных элементов, батарей и т.п.

Нанотрубки

В 1991 году японский профессор Сумио Иидзима обнаружил длинные углеродные цилиндры, получившие названия нанотрубок.

Нанотрубка — это молекула из более миллиона атомов углерода, представляющая собой трубку с диаметром около нанометра и длиной несколько десятков микрон. В стенках трубки атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников.

Структуру нанотрубок можно представить себе так: берем графитовую плоскость, вырезаем из нее полоску и «склеиваем» ее в цилиндр (на самом деле, конечно, нанотрубки растут совсем по-другому).

Казалось бы, что может быть проще — берешь графитовую плоскость и сворачиваешь в цилиндр! — однако до экспериментального открытия нанотрубок никто из теоретиков их не предсказывал. Так что ученым оставалось только изучать их и удивляться.

А удивляться было чему — ведь эти изумительные нанотрубки в 100 тыс. раз тоньше человеческого волоса оказались на редкость прочным материалом. Нанотрубки в 50_100 раз прочнее стали и имеют в шесть раз меньшую плотность! Модуль Юнга — уровень сопротивления материала деформации — у нанотрубок вдвое выше, чем у обычных углеродных волокон. То есть трубки не только прочные, но и гибкие, и напоминают по своему поведению не ломкие соломинки, а жесткие резиновые трубки. Под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки ведут себя довольно экстравагантно: они не «рвутся», не «ломаются», а просто-напросто перестраиваются!

Эти необычные свойства нанотрубок можно использовать для создания искусственных мускулов, которые при одинаковом объеме могут быть вдесятеро сильнее биологических, не боятся высоких температур, вакуума и многих химических реагентов.

Из нанотрубок можно создать сверхлегкие и сверхпрочные композиционные материалы, чтобы шить из них одежду, не стесняющую движений, для пожарных и космонавтов. Нанокабель от Земли до Луны из одиночной трубки можно было бы намотать на катушку размером с маковое зернышко. Небольшая нить диаметром 1 мм, состоящая из нанотрубок, могла бы выдержать груз в 20 т, что в несколько сотен миллиардов раз больше ее собственной массы!

Правда, в настоящее время максимальная длина нанотрубок составляет десятки и сотни микрон — что, конечно, очень велико по атомным масштабам, но слишком мало для повседневного использования. Однако длина получаемых нанотрубок постепенно увеличивается — сейчас ученые уже вплотную подошли к сантиметровому рубежу. Полиучены многослойные нанотрубки длиной 4 мм. Поэтому есть все основания надеяться, что в ближайшем будущем ученые научатся выращивать нанотрубки длиной в метры и даже сотни метров. Безусловно, это сильно повлияет на будущие технологии: ведь невидимый невооруженным взглядом «трос» в тысячи раз тоньше человеческого волоса и способный удерживать груз в сотни килограмм найдет бесчисленное множество применений.

Нанотрубки бывают самой разной формы: однослойные и многослойные, прямые и спиральные. Кроме того, они демонстрируют целый спектр самых неожиданных электрических, магнитных, оптических свойств.

Например, в зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости (хиральности) нанотрубки могут быть как проводниками, так и полупроводниками электричества. Электронные свойства нанотрубок можно целенаправленно менять путем введения внутрь трубок атомов других веществ.

Пустоты внутри фуллеренов и нанотрубок давно привлекали внимание ученых. Эксперименты показали, что если внутрь фуллерена внедрить атом какого-нибудь вещества (этот процесс носит название «интеркаляция», т.е. «внедрение»), то это может изменить его электрические свойства и даже превратить изолятор в сверхпроводник!

Однослойные углеродные нанотрубки

Со времен Галилея точные приборы и инструменты в руках умелых ученых часто становились источником новых открытий. Нанотехнологии также способствовали появлению более мощных и точных инструментов.

Ричард Смолли изобрел инструмент, с помощью которого ему удалось обнаружить фуллерены и перевернуть прежние представления. С тех пор ученые добились значительных успехов в изучении фуллеренов, но исследования однослойных углеродных нанотрубок (ОСУН) считаются наиболее перспективной областью современной науки. Многие ученые считают, что возможности углеродных нанотрубок намного превосходят потенциал фуллеренов. Они исследуют характеристики связей между атомами углерода в ОСУН, которые позволят понять и предсказать их химические свойства. Например, ученые следят, как атомы некоторых металлов образуют сложные образования с ОСУН, и таким образом прослеживают тонкие химические взаимосвязи на отдельных этапах создания ОСУН.

Группе Смолли удалось синтезировать удивительно длинные и симметричные ОСУН. Смолли верил, что ОСУН обладают практически неограниченным потенциалом для усовершенствования современных методов передачи энергии. Он обнаружил, что нанотрубки могут очень хорошо проводить электрический ток, обладая гораздо меньшей, чем металлические провода, массой без ущерба для прочности. Путем точной подгонки размеров можно создать конфигурацию «трубка в трубке», то есть поместить проводящую нанотрубку внутрь изолирующей нанотрубки. На рисунке 5 показаны примеры такой конфигурации на основе обычного медного провода и ОСУН.

Рис. 5. Концентрические нанотрубки (справа) могут стать основой для более эффективной передачи электрического тока по сравнению с обычной технологией на основе изолированного медного провода (слева)

Крупнейшие японские автомобильные концерны («Тойота», «Хонда» и другие) уже обратили пристальное внимание на развитие нанотехнологий, связанных с производством новых источников энергоснабжения и возможностью массового выпуска экологически безопасных средств транспорта.

Озоновый слой

Другой важной экологической проблемой является сохранение озонового слоя атмосферы, который расположен примерно на высоте 20 километров и играет исключительно важную роль в защите поверхности планеты от ультрафиолетового излучения Солнца. Известно, что в последние годы озоновый слой разрушается под воздействием многих химических реагентов, используемых в быту и промышленности. Основную роль в процессах разрушения озонового слоя играют фреоны, которые являются не «природными», а искусственными продуктами и производятся химической промышленностью для различных целей (аэрозоли, хладагенты, установки кондиционирования воздуха и т.д.).

Уменьшение озонового слоя на 1% сразу приводит к повышению частоты заболевания раком кожи на 3-6% и лейкемией — на 1%. Уменьшение озонового слоя на 10% имело бы катастрофические последствия, так как, в соответствии с некоторыми прогнозами, число страдающих раком кожи возросло бы сразу на 20%, а число болеющих лейкемией — на 1,6-1,7 миллиона человек. Вот уже около 10 лет наблюдается заметное разрушение озонового слоя, что ученые связывают с нарастающим выбросом в атмосферу различных фреоновых соединений. Наилучшим решением проблемы стало бы, конечно, полное запрещение использования фреонов, однако это является нереальным, и в наше время интенсивно ведется поиск веществ, которые могли бы заменить фреоны в различных применениях. Нанотехнологии могут дать достаточно эффективные методы решения этой задачи.

Использование диоксина

Еще одной очень важной экологической проблемой является использование диоксина, который (как и фреоны) практически не существовал в природе, а появился в результате промышленного производства. Диоксин возникает при сжигании хлорсодержащих отходов и пластиков (типа поливинилхлорида, уретана и т.д.) в мусоросжигающих утановках и т.п. Образовавшийся диоксин легко поступает в атмосферу, почву или водные бассейны становясь активным источником химического загрязнения окружающей среды. Дело в том, что диоксин обладает способностью накапливаться в жировых тканях живых организмов, вследствие чего он легко концентрируется во многих пищевых продуктах.

Кроме того, диоксин является очень устойчивым соединением, вследствие чего он плохо перерабатывается и организмом (сейчас диоксин можно обнаружить даже в материнском молоке).

Все упомянутое делает диоксид одним из самых опасных в экологическом отношении веществ. Пока единственным средством борьбы с диоксином является разработка более высокотемпературных печей для сжигания отходов, однако даже этот метод (помимо его дороговизны) не позволяет решить проблему. Нанотехнология позволяет реально надеяться не только на создание веществ, которые могли бы заменить опасные хлорсодержащие пластинки или соединения, но и создать высокочувствительные биодатчики, позволяющие измерять и контролировать уровень содержания загрязняющих веществ в окружающей среде.

Кроме этого следует задуматься и о возможностях изменения самой техники переработки отходов и мусора, т.е. замены высокотемпературного сжигания другими технологиями. Возможно, нанотехнологии позволят нам решить эту задачу, и в XXI веке человечество сможет создать общество с обеспеченной «экологической безопасностью».

Кислотные дожди

Очень серьезной экологической проблемой для многих стран (и особенно, для Японии) являются так называемые кислотные дожди (т. Е. дожди, при которых вместе с водой выпадают серная и соляная кислота).

Причиной возникновения таких дождей стало то, что в атмосферу попадает большое количество отходов промышленного производства выхлопных газов автомобилей. Такие отходы могут образовывать в дождевых облаках разнообразные окиси серы и азота (), вступающие в реакцию с водными парами, в результате чего вместо дождя выпадает слабый раствор кислот.

Для Японии такие кислотные дожди стали проблемой, начиная с конца 90-х годов. По статистике, относящейся к центральны областям Японии, в этот период резко возросло число заболеваний органов дыхания, хотя необходимо отметить, что еще в 1974 году в области Тохоку при кислотных дождях было зафиксировано дополнительно около 30 тысяч пациентов, жаловавшихся на расстройства зрения и заболевания кожи.

Наиболее радикальным средством борьбы с кислотными дождями стал бы переход к новым источника энергии, не связанным со сжиганием нефти, угля и т.п. Нанотехнологии открывают широкие перспективы для повышения коэффициента полезного действия.

Адсорбция загрязняющих веществ

Хотя при помощи обычных методов очистки воды удаляется большая часть загрязняющих веществ, для удаления некоторых токсичных примесей порой требуется использовать более эффективные специализированные методы. Для многих тяжелых металлов не удалось найти подходящие нанокатализаторы, поэтому ученые сосредоточили свои усилия на методах их адсорбции, например, при помощи полимеров или наночастиц.

Мышьяк является одним из наиболее распространенных загрязняющих воду веществ. Этот ядовитый химический элемент может реагировать с кислородом, хлором, серой, углеродом, водородом, свинцом, золотом и железом, а потому присутствует во многих горных породах и минералах. Присутствие мышьяка в природе объясняется его участием в естественных геологических и искусственных промышленных процессах, сельскохозяйственной деятельности и т.п.

Мышьяк пагубно действует на пищеварительную систему человека и ухудшает доставку кислорода в клетки. Симптомами отравления мышьяком являются нарушение сердечной деятельности, ускоренное сердцебиение, бледность, сильные желудочные боли, рвота и расстройство сознания. Это отравление часто вызывает увеличение мочевого пузыря и рак прямой кишки.

В связи с тем, что мышьяк представляет собой большую опасность 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, Тайване и Таиланде от 10 до 40% населения страдают от отравления мышьяком, находящемся в питьевой воде. Хотя загрязнение питьевой воды повышенным содержанием мышьяка обычно характерно для стран третьего мира, многие системы водоснабжения в США содержат мышьяк в большей концентрации, чем 10 ‰. Поэтому разработка и применение новых технологий очистки воды от таких опасных металлов, как, например, мышьяк, имеет огромное значение для здравоохранения.

Нанотехнологии в энергетике

Большая часть проблем загрязнения окружающей среды связана с используемой энергией, которая генерируется за счет сжигания ископаемых ресурсов (угля, нефти и газа), древесины или продуктов жизнедеятельности человека и домашних животных. Это сжигание приводит к возрастанию в атмосфере концентрации углекислого газа, сажи и других загрязняющих веществ, которые приводят к отравлению атмосферы и глобальному потеплению.

Причиной множества болезней является загрязнение питьевой воды. Если бы у человечества было достаточно энергии для очистки воды, уровень заболеваний можно было бы существенно снизить.

Проблема Тераватта

Этот термин образно описывает проблемы современной энергетики. В пересчете на нефть человечество ежедневно потребляет более 210 млн баррелей нефти, из которых около трети приходится на саму нефть, а остальная часть — на уголь, газ, ядерное топливо, биомассу и гидроресурсы. За исключением гидроресурсов основная часть топлива — это невозобновляемые источники энергии. Благосостояние в XX в. было связано с потреблением нефти. Что же станет основой энергетики в XXI в.?

По самым скромным оценкам, в 2050 г. человечеству потребуется вдвое больше энергии, чем сегодня (а если учесть некоторые дополнительные факторы, то даже вчетверо).

Это значит, что ежегодно будет тратиться 10-15 тераватт.

Тераватт — это миллион миллионов ватт (то есть 1012 ватт), что приблизительно соответствует миллиону баррелей нефти.

В настоящее время нет никаких возможностей для удовлетворения столь высоких потребностей человечества. Потребление нефти, газа и угля составит лишь малую долю от общего потребления энергии. Для удовлетворения повышенного спроса потребуется использовать новые источники энергии на основе ядерного распада и синтеза, гидроэнергетики и новых возобновляемых источников энергии. Сможет ли человечество овладеть этими новыми источниками в ближайшие десятилетия?

Эффективность

По мнению Эймори Ловинс (Amory Lovins) из Института Роки Маунтэйн (США), решить энергетические проблемы можно с помощью повышения эффективности производства и использования новых материалов. Например, если делать автомобили из композитов, то их масса уменьшится, и потребление энергии снизится. Такие автомобили могли бы дать до 69% экономии потребляемого топлива.

Использование более прочных композитных материалов также позволило бы создавать конструктивно иные грузовики и микроавтобусы и получить экономию топлива до 65%.

Компании Boeing и Airbus достигли заметного прогресса в применении новых материалов. Например, новый самолет Boeing 787 Dreamliner спроектирован на основе композитных материалов, позволяющих более эффективно использовать топливо.

Нельзя ли приостановить рост потребления энергии и удовлетвориться текущими потребностями? Большинство экспертов считают, что даже при современном уровне потребления ископаемых ресурсов человечеству надолго не хватит имеющихся запасов биомассы, чтобы прокормиться и отопить свои жилища.

Альтернативные виды энергии

Правительство США уделяет пристальное внимание использованию водорода в качестве топлива. Однако чтобы сжигать водород, его сначала нужно получить.

Группа исследователей под руководством профессора Манораньяна Мисры (Manoranjan Misra) из Университета штата Невада в Рино (США) использует массивы нанотрубок на основе диоксида титана для генерации водорода на основе расщепления воды с помощью солнечного света. Если этот процесс удастся перенести на более крупный промышленный масштаб, то он может стать основой для получения водорода из воды.

При использовании нового метода молекулы воды расщепляются гораздо эффективнее. В настоящее время изучаются различные материалы, полученные на основе углеродных нанотрубок, чтобы повысить эффективность процесса расщепления воды с использованием бесплатной солнечной энергии.

В методе Мисры около 1 трлн нанотрубок помещается на площадке из диоксида титана величиной с ноготь. Полученный водород удается сохранять в системах наноразмерных пор титана и углеродных нанотрубок. Такой наноматериал способен сохранять водород для последующего использования в двигателях автомобилей.

В майском номере журнала Physical Review Letters группа ученых из Национальной лаборатории Лос_Аламос (США) поделилась своим открытием. Они обнаружили, что один фотон может генерировать три свободных электрона в квантовой точке. В современных солнечных фотоэлементах один фотон способен генерировать только один электрон, а остальная энергия рассеивается в виде тепла. Таким образом, новый метод позволит повысить эффективность солнечных фотоэлементов с 20-30 до 65%.

Ядерная энергия

Как насчет энергии, получаемой на основе ядерного распада? Для решения «проблемы тераватт» нужно построить очень много новых атомных электростанций. Причем это должны быть электростанции — бридеры, поскольку имеющегося урана будет недостаточно для получения многих тераватт энергии. Сколько нужно построить бридеров к 2050 г., чтобы получить 10 тераватт? Не удивляйтесь, но для этого потребуется построить 10 тыс. атомных элетростанций с мощностью 1 гигаватт. Это значит, что в течение 27 лет каждый день должна вводиться в строй новая атомная электростанция. Вряд ли человечество сможет осилить такую задачу в ближайшие 50 или даже 100 лет.

Вероятно, наиболее перспективным является создание реакторов на основе ядерного синтеза. Если они будут созданы, то, несомненно, начнут использоваться. Однако, по современным оценкам, их стоимость будет чрезвычайно высока.

Кроме того, использование ядерных реакторов всех типов связано с огромной опасностью для окружающей среды, прежде всего из-за наличия радиоактивных отходов.

Уникальные свойства наноматериалов могут пригодиться для передачи и распределения энергии, выработанной атомной электростанцией.

На рисунке 6 показана схема типичной атомной электростанции и ее компонентов, в основе которых могут использоваться нанотехнологии.

Геотермальная энергетика

Геотермальная энергия генерируется за счет использования подземных тепловых потоков, которые поднимаются к поверхности земли с водой и паром. Представьте себе парилку с горячими камнями, на которые льют воду.

Чтобы воспользоваться этой энергией, в зонах с термальными подземными водами сверлят скважины, по которым нагретые грунтовые воды поступают на поверхность. Для извлечения этой энергии в промышленном масштабе требуется пробурить как можно больше скважин, что существенно повышает стоимость такой энергии.

По данным Всемирного геотермального конгресса, по состоянию на 2005 г. 72 страны использовали около 16 гигаватт геотермальной энергии для обогрева жилищ, растапливания снега, обогрева лечебниц и парников, а 24 страны — около 9 гигаватт для выработки электрической энергии. Рейкьявик, столица Исландии, полностью отапливается за счет геотермальной энергии вулканических пород Среднеатлантического хребта, который пересекает Исландию. Для этого к системе отопления подключены подземные резервуары с горячей водой с температурой 80-100 °С. А для выработки электрической энергии используются резервуары с температурой около 180 °С и выше. Такие резервуары обычно находятся вблизи вулканов и содержат горячий пар внутри раскаленных горных пород. Благодаря наноматериалам ученые и инженеры могут повысить эффективность передачи геотермальной и электрической энергии.

Солнечная энергетика

Взгляните на Солнце на рис. 7 (непосредственно на него лучше не смотреть, чтобы не повредить зрение) и сравните его огромные размеры с гораздо меньшими размерами Земли.

Рис. 7. Солнце ежедневно генерирует гораздо больше энергии, чем может использовать человечество

Сколько тераватт солнечной энергии поступает на Землю ежедневно? Около 165 тыс. тераватт, что гораздо больше, чем необходимые человечеству 10 тераватт. Остается только найти такие способы их получения, чтобы эту энергию можно было использовать вместо нефти, газа и угля. Возможно ли это? И да, и нет. В 2006 г. США использовали около 3 тераватт. Чтобы удовлетворить все энергетические потребности человечества, солнечными батареями пришлось бы полностью покрыть территорию нескольких штатов: Техаса, Оклахомы, Канзаса, Колорадо и Нью_Мексико, но это непрактично.

Что является наибольшей проблемой при получении и использовании солнечной энергии? Дело в том, что солнечный свет не всегда одинаково освещает поверхность Земли. Необходимо найти способ сохранения солнечной энергии для ее использования в темное или пасмурное время суток.

Солнечная энергия — наиболее перспективный альтернативный источник энергии для южных штатов США. С ее помощью можно было бы удовлетворить потребности в электроэнергии в масштабах всей страны. Однако Правительство США ежегодно выделяет менее 100 млн долларов на исследования способов получения солнечной энергии. Для удовлетворения растущих энергетических потребностей правительству нужно инвестировать большие средства в этот и другие возобновляемые источники энергии.

Природный газ

Можно ли использовать другие химические виды топлива, например природный газ? К сожалению, это связано с проблемой повышения уровня углекислого газа и стоимостью добычи, доставки и распределения природного газа. В июле 2005 г. в журнале Scientific American в статье Can We Bury Global Warming? («Можно ли похоронить глобальное потепление?») Роберт Х. Соколов (Robert H. Socolow) привел оценку, согласно которой Уильям Шекспир с каждым миллионом вдыхаемых молекул поглощал 280 молекул углекислого газа, а мы — 380.

Сейчас изучается возможность секвестрации углерода (carbon sequestration), то есть сохранения углекислого газа под землей или в глубинах океана вместо выброса его в атмосферу. Альтернативные способы получения энергии должны основываться на более эффективном использовании ископаемых видов топлива и замещении их другими возобновляемыми источниками энергии.

Экологически чистое использование угля — одно из перспективных направлений, но для этого с помощью нанотехнологий придется решить проблемы секвестрации углерода и снижения стоимости использования угля.

«Умные» энергосети

Для создания поистине «умных» энергосетей США и другие промышленно развитые страны стремятся улучшить свойства электрических кабелей. Они пытаются кардинально изменить способы хранения и передачи энергии на основе сверхпроводящих кабелей, в которых практически нет потерь энергии. Смолли называет такую систему распределенной сетью генерирования и хранения электроэнергии (distributed storage and generation grid).

Всемирная энергетическая сеть должна перейти от транспортировки

традиционного массивного топлива (угля, нефти, газа и т.д.) к передаче невесомой энергии (электрического тока по проводам).

На рисунке 8 представлена схема возможного улучшения системы доставки энергии.

Рис. 8. Передачу энергии можно сделать гораздо более эффективной за счет усовершенствования методов и материалов

Наноматериалы, например углеродные нанотрубки, представляют собой один из вариантов, повышающих эффективность системы передачи электрической энергии. Дело в том, что проводимость углеродных нанотрубок в 6 раз выше проводимости меди. К тому же они имеют гораздо меньший размер, что особенно важно в местах, где подземные коммуникации уже переполнены медными проводами, например в подземных коммуникациях Нью_Йорка, которые на основе углеродных нанотрубок вполне могут разместиться в уже существующих подземных коммуникациях, и для них не придется рыть новые туннели.

Современная энергосеть уже заметно устарела. Ее основные компоненты имеют возраст от 15 до 20 лет. Энергосеть должна обладать положительными свойствами Интернета, то есть быть надежной, защищенной от атак злоумышленников, а также сохранять энергию (например, в батареях, механических аккумуляторах, водородных элементах и т.п.).