ПАВ. Что это такое и нужно ли их бояться?

Не просто нечто очень маленькое

Обычно нанотехнологию определяют как вид технологии, занимающийся объектами, размеры которых не превышают 100 нм. Нано, а по-гречески это «карлик», означает 10-9 или миллиардную часть чего-либо. Например, нанометр — это миллиардная часть метра. Ангстрем — это 1/10 часть нанометра. Атомы обычно имеют размер 0,2 нм. Диаметр человеческого волоса примерно 200 000 нм. «Большинство людей путают нанотехнологию с миниатюризацией, — добавляет Гош. — Но это далеко не одно и то же. Нано значит не просто еще меньше. Нанотехнология позволяет соединять атомы и молекулы и располагать их в определенном порядке для получения вполне конкретного результата. Нанотехнология — это наука и искусство управления материей на атомном или молекулярном уровне». Манипулирование молекулами придает им совершенно новые свойства, и в результате они изменяют свое поведение. «Например, — поясняет Гош — если вы разместите атомы углерода в определенном порядке, то связи между ними станут гораздо прочнее. Из материала с такими атомами можно сделать клюшку для гольфа, которая будет гораздо прочнее и легче обычной». В Rockwell Automation дают такое же определение этого термина. Доктор Сюжит Чэнд, старший вице-президент, который занимается передовыми технологиями и является главным техническим директором, а также доктор Рэм Пэй, руководитель технических лабораторий, определяют нанотехноло-гию как выполнение различных операций (манипулирование), точное размещение, измерение, моделирование и создание материалов на уровне меньше сотни нанометров. «Тем не менее, — добавляет Пэй, — я бы несколько уточнил это определение: хотя бы в одном измерении». Вопрос и состоит в том, в каком именно измерении? Например, углеродные нанотрубки могут быть очень длинными или очень узкими. Характеристика важна и ее следует принимать во внимание.

«Когда вы переходите в масштаб наномира, — поясняет Пэй, — отношение площади поверхности к объему чрезвычайно увеличивается. Поэтому физические законы, которые управляют поведением вещества в этом масштабе, кардинально отличаются от законов микро- и макромира».

Что такое наносенсоры

Существенный прогресс в области нанотехнологий стал возможен после создания методов, позволяющих проводить формирование наноструктур и наблюдение за ними (сканирующая туннельная микроскопия в 1981 году и атомно-силовая микроскопия в 1986 году).

В дальнейшем это привело к появлению наносенсоров — объектов, содержащих чувствительные наноэлементы, которые воспринимают параметры анализируемого объекта (например, состав воздуха или крови) и передают их в виде пригодного для практического использования сигнала.

По типу анализируемых объектов наносенсоры делятся на три класса: 

• физические наносенсоры — выявляют физические параметры анализируемых объектов;
• химические наносенсоры — выявляют химический состав объекта и наличие тех или иных веществ в окружающей среде; 
• биологические наносенсоры (бионаносенсоры) — выявляют физиологическое состояние анализируемых объектов, наличие биологических веществ в окружающей среде.

Наносенсорами интересуются представители разных сфер деятельности, в том числе и медицины. Важнейшая цель диагностической медицины — выявление проблемы в максимально короткий срок, чтобы позволить врачам лечить пациентов до того, как произойдут необратимые или долгосрочные повреждения. 

Одна из проблем, возникающих при диагностике медицинских состояний, состоит в том, что симптомы некоторых заболеваний проявляются только после определенного периода времени. 

К тому моменту заболевание уже достигает той стадии, когда лечение становится более сложным, дорогим и зачастую менее результативным, чем если бы эта проблема была обнаружена раньше. 

Наиболее яркий пример — это диагностика злокачественных новообразований, таких, как рак поджелудочной железы, который часто не сопровождается симптомами на ранней стадии. 

Другим примером может служить инфицирование имплантата, что приводит к избыточному формированию рубцовой ткани. Когда инфицирование протеза становится очевидным, единственным решением становится его удаление и замена на новый. 

Наносенсоры, созданные из углеродных нанотрубок (углеродные пластинки, свернутые в крошечные трубки), позволяют ускорить процесс диагностики. Они позволяют обнаружить заболевание на начальных стадиях развития за счет того, что их малый размер дает возможность точно регистрировать параметры объектов, локализованных в очень малых объемах. 

К примеру, бионаносенсоры могут свободно циркулировать в потоке крови и скапливаться около клеток-мишеней или возле конкретных молекул, обнаруживая генетические дефекты в ДНК, поврежденные клетки или токсические вещества. Разработаны биосенсоры и для селективного определения фенолов, глутамина, молочной и аскорбиновой кислот, глюкозы, аммония и других веществ.

Существует и другой вариант наносенсора — нанопроволока, перспективный материал для диагностики. Ее поверхность без труда поддается химической модификации, что позволяет легко нанести на нее распознающие элементы для различных молекул и получать актуальную информацию о процессах, происходящих в живой клетке, без нарушения ее целостности и жизнеспособности.

Кроме диагностики, наносенсоры уже сейчас проявляют себя в терапии. У углеродных нанотрубок есть огромный потенциал для доставки лекарственных препаратов в необходимую локацию, а также для роли нагревательного элемента, способного разрушительно воздействовать на новообразования. 

Нанотехнологии значительно улучшают систему доставки лекарств и делают ее безопаснее, нацеливая их терапевтические свойства только на пораженные участки тела, что особенно актуально в онкологии.

Крупнейшие открытия в области материаловедения

Новые инструменты помогли создать метаматериалы, используемые в композитах из углеродного волокна для разработки более легких транспортных средств, усовершенствованные сплавы — для более долговечных реактивных двигателей и биоматериалы — для замены суставов человека.

Мы также видим прорывы в области сохранения энергии и квантовых вычислений. В робототехнике новые материалы помогают нам выращивать искусственные мышцы, необходимые для создания гуманоидных роботов.

• Литий-ионные аккумуляторы

Такого рода аккумулятор, который сегодня питает все — от наших смартфонов до автономных автомобилей — был впервые разработан в 1970-х годах, но не мог полноценно выйти на рынок вплоть до 1990-х годов. Производство достаточного их количества для удовлетворения спроса было постоянной проблемой. Но компания Tesla шагнула навстречу этому вызову: одна из гигафабрик компании в штате Невада производит в год накопители энергии мощностью в 20 ГВт — впервые литий-ионные аккумуляторы производятся в таком масштабе.

Другие компании также быстро двигаются к этой цели: Renault строит домашний накопитель энергии на основе своих батарей Zoe, аккумуляторы BMW 500 i3 интегрируются в национальную энергетическую сеть Великобритании, а Toyota, Nissan и Audi объявили о собственных пилотных проектах.

Американский предприниматель Илон Маск предсказывает, что сотня подобных гигафабрик смогли бы удовлетворить энергетические потребности всего земного шара.

• Графен

Полученный из того же графита, что и обычные карандаши, графен представляет собой лист углерода толщиной всего в один атом. Он почти невесом, но в 200 раз прочнее стали. Этот суперматериал проводит электричество и рассеивает тепло быстрее, чем любое другое известное вещество.

Графен позволяет использовать сенсоры и высокопроизводительные транзисторы. Во многих гибких экранах устройств, 3D-принтерах, солнечных панелях и защитной ткани используется графен. Поскольку производственные затраты снижаются, этот материал способен ускорить прогресс во всех сферах.

• Перовскит

Сейчас «эффективность преобразования» солнечной панели (сколько «захваченного» солнечного света может быть превращено в электричество) составляет в среднем 16%. Светочувствительный минерал перовскит способен довести это значение до 66%, что удвоит возможности кремниевых панелей.

Технологии работы с перовскитом широко доступны и недороги. Что означают все эти факторы в совокупности? Доступная солнечная энергия для всех.

• Материалы нано-мира

Нанотехнологии — это та «точка» материаловедения, где манипуляции становятся наноформатными: это в миллион раз меньше, чем размер муравья, в 8 тыс. раз меньше, чем эритроцит, и в 2,5 раза меньше, чем нить ДНК. Наноботы — это машины, которые могут самовоспроизводиться и разобрать на части любой материал, атом за атомом, и использовать это «сырье» для создания чего угодно.

Индивидуальный дизайн: зачем нужна генная инженерия

Прогресс в нано-мире был удивительно быстрым, и сейчас на рынке появилось множество нанопродуктов. Не хочется складывать одежду? Наноразмерные вплетения в ткани делают их немнущимися и стойкими к повреждениям. Не любите мыть окна? Не проблема! Нанопленки могут сделать окна самоочищающимися, «антибликовыми» и даже способными проводить электричество. Хотите пустить солнечную энергию в свой дом? Есть нанопокрытия, которые улавливают энергию солнца.

Наноматериалы позволяют делать более легкие автомобили, самолеты, бейсбольные биты, шлемы, велосипеды, электроинструменты — список можно продолжать долго.

Исследователи из Гарварда создали наноразмерный 3D-принтер, способный производить миниатюрные батареи шириной менее одного миллиметра. Ученые также используют нанотехнологии для создания умных контактных линз с разрешением в шесть раз большим, чем у современных смартфонов. Биоинженер из Гарварда недавно сохранил 700 терабайт данных в одном грамме ДНК.

Нанофлешка: как хранить фильмы и фотографии в ДНК человека

Дальше — больше. Наноботы для транспортировки лекарств были бы особенно полезны в борьбе с раком. На экологическом фронте ученые могут извлекать углекислый газ из атмосферы и превращать его в сверхпрочные углеродные нановолокна для использования в производстве.

Если мы сможем масштабировать технологию в солнечной энергии, то система размером в 10% пустыни Сахара сможет снизить содержание CO2 в атмосфере до доиндустриального уровня примерно за десятилетие.

Как ПАВы влияют на окружающую среду?

ПАВ используют в технологических процессах при производстве множества товаров. Они могут сбрасываться в виде отходов в воздух и с атмосферными осадками попадать в мировой океан, реки, на землю, проникая в подземные воды, в том числе и из стоков. Из природных или искусственных резервуаров вода попадает в очистные сооружения и центральные водопроводные системы, а также, в источники с питьевой водой. ПАВ оседают в почве и накапливаются до концентрации, превышающей норму 0,5 мг/дм3. В результате, нарушаются естественные процессы в природе. Для примера: 100 г ПАВ могут убить лошадь за сутки.

Важно понимать, что агрессивные не разлагаемые ПАВы становятся причиной ухудшения экологии. Чтобы избежать описанных последствий, важно применять биоразлагаемые альтернативные решения.