Нанотехнологии. Правда и вымысел - Виктор Балабанов

Как отмечает научное издание Science Daily, установлено, что даже воздух, окружающий нас, часто содержит частицы, которые вредны для здоровья человека. Особенно разрушительны для ДНК частицы, находящиеся в воздухе метро, считает Ханна Карлссон (Hanna Karlsson), ученая из Karolinska Institutet (Швеция). По ее мнению, частицы, содержащиеся в кислороде стокгольмской подземки, оказывают на ДНК человека более сильное воздействие, нежели частицы из автомобильных выхлопов. Исследование показало, что воздух в метро наполнен частицами железа, которые образуются вследствие трения колес о рельсы. Наибольший вред человеческому организму они наносят при попадании в легкие, в результате чего в клетках организма образуются свободные радикалы. Свободные радикалы – это быстро-движущиеся молекулы, которые как раз и наносят наибольший вред ДНК человека. При этом, как отмечает Карлссон, повреждение клетки, нанесенное радикалами, может быть устранено самой клеткой, однако если оно остается «невылеченным», это увеличивает риск заболевания раком.

Нанотехнологии несут в себе ряд реальных и потенциальных опасностей. Так, в 2002 году американское Агентство по защите окружающей среды (EPA), NASA и международная неправительственная группа по защите прав человека в технологическую эру (ETC Group) в результате совместного исследования заявили, что вдыхание нанотрубок, которому случайно подверглась группа астронавтов, привело к заболеванию легких. Такие углеродные трубки весьма похожи по негативному воздействию на обычную сажу. Кроме того, наночастицы могут легко проникать в клетки через поры стенок и накапливаться в органах.

Поэтому при работе с наноматериалами рекомендуется использовать специальные средства защиты органов дыхания и рук. Учитывая высокую проникающую способность наночастиц, кожные покровы целесообразно защищать специальными кремами, создающими буферные слои на поверхности.

Аналогичные частицы возникают в результате трения автомобильных шин об асфальт и также приводят к различным воспалительным заболеваниям в организме.

В отличие от промышленных и автотранспортных выбросов, загрязняющих атмосферу, выбросы мобильной сельскохозяйственной техники распространяются, хотя и неравномерно, на все обрабатываемые площади. При этом загрязняющие вещества попадают в атмосферу на высоте до 4 м от уровня почвы, что повышает их экологическую опасность.

На первом месте по количественному содержанию и степени отрицательного воздействия на человека, животный и растительный мир стоят газообразные выбросы мобильной техники. В глобальном масштабе автотракторным парком в мире выбрасывается в атмосферу 20–27 млн т оксида углерода, 2–2,5 млн т углеводородов, 6–9 млн т оксида азота, 200–230 млн т оксида углерода (IV), а также до 100 тыс. т сажи. В Российской Федерации только дизелями тракторов и комбайнов выбрасывается свыше 5 млн т вредных веществ в год.

Наиболее опасны сажа, бензапирен, оксиды азота, альдегиды, оксид углерода (II) и углеводороды. Степень их воздействия на человеческий организм зависит от концентрации вредных соединений в атмосфере, состояния человека и его индивидуальных особенностей.

Одно из первых мест в общем уровне токсичности занимает сажа, так как, во-первых, ее выбросы значительны (определяют повышенную дымность) и достигают по массе 1 % от расхода топлива, во-вторых, она выступает в роли накопителя полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Выбросы сажи дизелем 6Ч 15/18 в смену достигают 1,2–1,6 кг, а дизелем 6Ч 13/14 – до 3 кг. Наличие сажи в отработавших газах (ОГ) приводит к появлению неприятных ощущений, загрязненности воздуха и ухудшению видимости. Частицы сажи высокодисперсны (диаметр – 50-180 нм, масса – не более 10-10 мг), поэтому они долго остаются в воздухе, проникают в дыхательные пути и пищевод человека. Подсчеты показывают, что частицы сажи размером до 150 нм могут находиться в воздухе во взвешенном состоянии около восьми суток. Если относительно крупные частицы сажи размером 2-10 мкм легко выводятся из организма, то мелкие (размером 50-200 нм) задерживаются в легких и вызывают аллергию.

Высокое содержание сажи (20–90 %) обычно для частиц в ОГ дизельных двигателей. Частицы сажи сформированы в так называемой газовой стадии и вызваны неполным процессом сгорания. При этом частицы меньше 50 нм, обнаруживаемые в дизельной эмиссии, в основном образованы из серы, которая все еще входит в состав дизельного топлива.

Касаясь важнейшей проблемы защиты человека и окружающей среды, следует рассматривать не столько возможные негативные последствия, сколько положительное влияние, которое нанотехнологии могут оказать на развитие окружающей среды и здоровье человека.

Рассматривая экологическую проблему больших городов, отдельных помещений и целых городских массивов, следует еще раз вспомнить работы А. Л. Чижевского. В 1933 году им было экспериментально установлено, что направленный поток аэроионов убивает микроорганизмы и осаждает пыль из воздуха, очищая его от основных загрязнений.

Полученные Чижевским опытные результаты и созданный им прибор по искусственной генерации легких ионов кислорода воздуха отрицательной полярности (электроэффлювиального аэроионизатора – знаменитая люстра Чижевского) нашли применение в современной медицине (аэроионотерапия), сельском хозяйстве, промышленной и бытовой гигиене. Во многих офисных помещениях можно встретить достаточно простые приборы, основанные на данном принципе, которые создают эффект горного воздуха и помогают людям справляться с многочисленными экологическими проблемами больших городов.

На аналогичных принципах в настоящее время разрабатываются устройства синтеза озона (с размерами частиц 1,5 нм в коронном электрическом разряде) непрерывного действия, используемые для поточной технологии очистки и обеззараживания рециркуляционного и внутреннего вентиляционного воздуха в системах микроклимата животноводческих помещений. Эти устройства позволяют снизить энергозатраты до 60 %, улучшить экологию внутри и вне зданий животноводческих ферм и повысить продуктивность животных на 5-10 %.

В Калифорнийском институте наносистем (California NanoSystems Institute) в лаборатории профессора химии Омара Яги (Omar Yaghi) завершены исследования синтетических высокопористых цеолитных материалов, которые селективно отбирают углекислый газ из газовой смеси и надежно удерживают его в своих многочисленных порах – 83 л СО2 в одном литре материала.

Как известно, цеолиты – большая группа близких по составу и свойствам минералов – это водные алюмосиликаты кальция и натрия из подкласса каркасных силикатов со стеклянным или перламутровым блеском. Так вот, лишенный воды цеолит представляет собой нанопористую кристаллическую «губку» с общим объемом пор до 50 % всего объема минерала (рис. 80).

Рис. 80. Молекулярная структура цеолита с диаметром пор от 0,3 до 1 нм

Цеолиты имеют строго определенный диаметр входных отверстий (от 0,3 до 1 нм в зависимости от вида минерала) и являются высокоактивным адсорбентом.

В настоящее время известно более 600 типов цеолитов и только около 50 из них имеют природное (естественное) происхождение. Искусственные, или синтетические, цеолиты имеют классификацию А, Х и Y. Причем:

• тип А – кристаллическая структура на основе алюмосиликата натрия с диаметром пор 0,4 нм (4 А), что соответствует цеолиту с коммерческим названием 4 А (NaA);

• тип Х – кристаллическая структура натриевой формы (аналогична типу А), но с диаметром пор порядка 10А (фо-жазит), что соответствует молекулярным ситам 13Х (NaX);

• тип Y – кристаллическая структура типа Х, но с другим химическим составом молекулярного каркаса.

При использовании цеолитов в качестве адсорбирующего элемента происходит молекулярно-ситовый отбор при сорбции молекул из газа в жидкости, позволяющей разделять молекулярные смеси в интервале размера молекул в 10–20 пм.

В 2007 году Омар Яги и его коллеги из университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (UCLA) создали еще один органический кристалл, получивший наименование COF-108. Его составили из водорода, бора, углерода и кислорода, который имеет самую низкую плотность в мире – всего 0,17 г на см3.

Созданная учеными кристаллическая структура является кристаллом-пластмассой и относится к новому классу веществ, называемых «ковалентными органическими каркасами» (covalent organic frameworks, COF). Данная структура может быть использована в качестве каталитических мембран и резервуаров для топливных элементов и очистительных систем в автомобильной промышленности.

Фильтрующие и поглотительные системы углекислого газа, созданные из таких цеолитных материалов для автомобильной техники и тепловых электростанций, могут заметно снизить выбросы парниковых газов в атмосферу, что предусмотрено требованиями Киотского протокола.