2014-04-04

Нанотехнології: назад у майбутнє

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 голосів)

Кажуть, що нанотехнології - це наше майбутнє. Насправді користуємося ми ними давно, просто не знаємо, що вони «нано». Більш того, нанотехнології застосовували вже три тисячі років тому. У статті розповідається про те, як майстри і вчені різних часів і і народів маніпулювали нанооб'єктами, ще не розуміючи, що роблять саме це. І якщо вже їхні технології заслуговують модною приставки «нано», то сучасним хімікам тим більше не варто упускати цю можливість.

Засновник нанотехнологій - знаменитий американський фізик і лауреат Нобелівської премії Річард Фейнман. Він досить докладно розглянув наслідки безмежної мініатюризації з позицій теоретичної фізики в своєму відому виступі перед Американським фізичним суспільством в грудні 1959 року. Щоправда термін «нанотехнології» був введений пізніше, а широке розповсюдження отримав тільки в останні роки.

Однак той факт, що дрібні частинки різних речовин володіють іншими властивостями, ніж та ж речовина з більш великими розмірами частинок, був відомий давно. Люди займалися нанотехнологіями і не здогадувалися про це. Звичайно, не можна говорити про широке і усвідомлене використання таких технологій, оскільки в багатьох випадках секрет виробництва просто передавали з покоління в покоління, не вдаючись у причини унікальних властивостей матеріалів.

Стародавній Єгипет 

Недавні дослідження поховань, проведені доктором Філіпом Вальтером з Центру досліджень і реставрації французьких музеїв, показали, що в Стародавньому Єгипті нанотехнології застосовували для фарбування волосся в чорний колір. Група дослідників не тільки вивчила зразки волосся з давньоєгипетських поховань, але також у серії експериментів відтворила древню технологію фарбування. До цього вважалося, що єгиптяни використовували переважно натуральні рослинні барвники - хну і басму. Однак виявилося, що в чорний колір волосся фарбували пастою з вапна Ca(OH)2, оксиду свинцю PbO і невеликої кількості води. У процесі фарбування виходили наночастинки галеніту (сульфіду свинцю).

Природний чорний колір волосся забезпечує пігмент меланін, який у вигляді включень розподілений в кератині волосся. Староєгипетським перукарям вдавалося домогтися, щоб барвна паста реагувала із сіркою, яка входить до складу кератину, і утворювалися частинки галеніту розміром до п'яти нанометрів. Вони і забезпечували рівномірне і стійке забарвлення. При цьому процес зачіпав тільки волосся, а в шкіру голови сполуки свинцю не проникали.

Стародавній Рим

Чаша Лікурга (IV століття до н.е.) - один з видатних творів давньоримських склодувів, що зберігається в Британському музеї. Цей кубок незвичайний не тільки своїми оптичними властивостями, але й унікальною для тих часів методикою виготовлення. Матова зелена чаша стає червоною, якщо її освітлити зсередини.

Вперше аналіз фрагмента чаші Лікурга провели в лабораторіях «Дженерал електрик» у 1959 році - учені намагалися з'ясувати, що це за унікальна фарбувальна речовина. Хімічний аналіз показав, що хоча чаша складається зі звичайного натрієво-вапняно-кварцового скла, в ньому є близько 1% золота і срібла, а також 0,5% марганцю. Тоді ж дослідники припустили, що незвичайний колір і розсіюючий ефект скла забезпечує колоїдне золото. Очевидно, що технологія отримання подібного матеріалу була дуже складною.

Пізніше, коли методики дослідження стали досконалішими, вчені виявили за допомогою електронного мікроскопа і рентгенограм частинки золота і срібла розміром від 50 до 100 нм. Саме вони відповідали за незвичайне забарвлення кубка. Професор Гаррі Етуотер у своїй оглядовій статті про плазмони, опублікованій у квітневому номері «Scientific American» 2007 року, пояснив це явище так: «Завдяки плазмонному збудженню електронів металевих частинок, розподілених в склі, чаша поглинає і розсіює синє і зелене випромінювання видимого спектру (це порівняно короткі хвилі). Коли джерело світла зовні і ми бачимо відбите світло, то плазмонне розсіювання надає чаші зеленуватий колір, а коли джерело світла опиняється всередині чаші, то вона здається червоною, оскільки скло поглинає синю і зелену складові спектру, а більш довга червона - проходить ».

Вітражі

Яскраві кольори вітражів, що прикрашають храми середньовічної Європи, вражають нас до цих пір. Дослідження показали, що скло робили кольоровим добавки наночастинок золота та інших металів. Чжу Хуай Юн з Технологічного університету Квінсленда (Австралія) висловив припущення, що вітражі були не тільки творами мистецтва, а й, висловлюючись сучасною науковою мовою, фотокаталітичними очисниками повітря, що видаляють органічні забруднення . Каталізаторами служили ті ж самі наночастинки золота. Учений довів, що крихітні частинки золота на поверхні скла під впливом сонячного світла переходили в збуджений стан і могли руйнувати органічні забруднення (ті, які до них долітали). Більш того, вони і сьогодні зберігають свою каталітичну активність.

«Коли золото подрібнене до розмірів наночастинок, воно стає дуже активним під дією сонячного світла. Електромагнітні коливання сонячного випромінювання резонує з коливаннями електронів золотих наночасток. В результаті загальне магнітне поле на поверхні наночастинок золота збільшується в сотні разів і руйнує міжмолекулярні зв'язкb забруднюючих агентів, які містяться в повітрі ». Професор Чжу припускає, що побічним продуктом цих реакцій був вуглекислий газ, який в невеликих кількостях порівняно безпечний.

В даний час аналогічна технологія лежить в основі створення ефективних очищувачів повітря. Для їх роботи достатньо сонячного світла, яке нагріває наночастинки золота, тоді як звичайні очисники (у них зазвичай використовують оксид титану, срібло) вимагають значно більше енергії для нагрівання всього каталізатора.

Схід 

Під час хрестових походів європейці зіштовхнулися з лезами із дамаської сталі, що володіють унікальними властивостями. Європейські зброярі не вміли робити такі клинки. У них був характерний хвилястий візерунок на поверхні (його за назвою плетіння тканини називали Дамаск), незвичайні механічні властивості (гнучкість і твердість) і виключно гостре лезо.

Вважається, що дамаські леза виковували з невеликих «пирогів» стали (його називали вуц), вироблених в Стародавній Індії. Складна термомеханічна обробка, кування і відпал, що застосовуються при отриманні вуца, надавали сталі незвичайні властивості і забезпечували її виняткову якість. Найчастіше в літературі можна зустріти «рецепт» виробництва вуца, який був на ході в Салемі і деяких частинах Майсора (Південна Індія).

Шматок плавки заліза, отриманий з магнітної руди, вагою близько фунта дрібно дробиться, зволожується і поміщається в горн з вогнетривкої глини упереміш з дрібно нарубаними шматками деревини ранавара (Cassia auriculata, дерево родини бобових). Після плавки в горні відкриті горщики покривають зеленим листям калотропіса (Calotropis gigantea), поверх яких накладають коржі з глини, висушеної на сонці до твердого стану. Деревним вугіллям замінити зелене листя не можна, вийде не те. Дюжини дві таких горщиків (тиглів) розміщують на підлогу печі, жар в якій підтримують за допомогою міхів з бичачих міхурів. Паливом служило в основному деревне вугілля та висушені на сонці коров'ячі коржі. Через дві-три години плавки тиглі остуджують, розколюють і звідти витягують заготовку, яка за формою і розміром нагадує половину яйця. Згідно із записами відомого мандрівника і купця Жана-Батіста Таверньє, найкращі заготовки для сталі робили під Голкондою (Центральна Індія). Вони були розміром з невеликий пиріг, і їх вистачало, щоб зробити два мечі.

Зразок сталі, узятий від справжньої дамаської шаблі роботи відомого зброяра сімнадцятого століття Асседа Уллаха, вчені Дрезденського університету (Німеччина) чотири роки тому досліджували за допомогою електронного мікроскопа з високою роздільною здатністю. У структурі матеріалу вони виявили вуглецеві нанотрубки. Вчені і до цього не раз намагалися визначити мікроструктуру дамаської сталі, але на цей раз вони спочатку протравили зразки соляною кислотою, і саме це дало несподівані результати. Після обробки виявилися незруйнованими структури цементиту (карбіду заліза, який зміцнює сталь). Це дозволило фізикам припустити, що волокна цементиту укладені в вуглецеві нанотрубки, які і захищають його від розчинення в соляній кислоті.

Звідки в дамаської сталі взялися нанотрубки? Сформувалися з вуглеводнів всередині мікропор, причому каталізатором могли служити ванадій, хром, марганець, кобальт, нікель і деякі рідкоземельні метали, що містяться в руді. При виробництві дамаської сталі температура обробки була нижче стандартної - 800 ° C. Під час циклічної теплової обробки виходили вуглецеві нанотрубки, які потім перетворювалися в нановолокни і великі частинки цементиту (Fe3C). Циклічна механічна обробка (кування) і відповідний температурний режим поступово розподіляли вуглецеві нанотрубки в площинах, паралельних площині кування, роблячи мікроструктуру сталі дрібнозернистою і пластинчастою. І дійсно, як показали останні дослідження вчених з Дрезденського технічного університету, мікроструктура цементиту представлена нановолокнами.

Автори дослідження вважають, що особлива шарувата структура дамаських лез пов'язана також з домішками, що містилися в руді з рідкісних індійських родовищ. Зменшення запасів цієї руди привело до того, що багато зброярів, котрі не знали тоді про легуючі елементи, не змогли отримати дамаської сталі, і після виснаження рудників в кінці XVIII століття нікому так і не вдалося повністю відтворити її. Навіть знаючи стародавній рецепт, європейські зброярі не змогли зробити справжню дамаську сталь, яка мала унікальні властивості завдяки наноструктурам.

Дивовижні властивості срібла

Срібло використовують як природний антибіотик вже кілька тисячоліть. Перша згадка про те, що срібло знезаражує воду, можна знайти у старогрецького історика Геродота. Він писав, що перський цар Кір пив воду тільки з певної річки. У подорожі він брав із собою цілий караван срібних речей, наповнених цією водою, і вона завжди була свіжою.

У XIV столітті від чуми померло більше чверті населення Європи. І хоча на той час була невідома причина захворювання, але було відмічено, що багаті люди заражалися досить рідко. Є підстави вважати, що багаті їли з срібла і це до деякої міри захищало їх від бактерій, які викликають чуму.

Відомо, що американські піонери клали срібний долар в молоко, щоб зберегти його свіжим. У другій половині XIX століття німецький акушер-гінеколог Карл Кредо відкрив потужний антигонорейний ефект 1%-ного розчину азотнокислого срібла. Це відкриття дозволило ліквідувати в пологових будинках Німеччини гнійні гонорейні запалення очей у новонароджених.

Німецький хірург Бенне Кредо, що продовжив дослідження свого батька, на XII міжнародному з'їзді лікарів доповів про широкі можливості застосування препаратів срібла в гнійнії хірургії і про добрі результати лікування септичної інфекції їх внутрішньовенним введенням. Існуючі на той момент препарати на основі солей срібла володіли припікальними ефектом. Бенне Кредо спільно з хіміками запропонував використовувати срібло у неіонізованому стані - у вигляді колоїдних частинок металевого срібла. По суті, це були нанорозмірні частинки срібла, завислі у воді.

Після цього були створені лікарські препарати протаргол (золь оксиду срібла) і коларгол (колоїдний розчин срібла). Висока бактерицидна ефективність колоїдного срібла пов'язана з тим, що воно пригнічує роботу ферменту, який забезпечує кисневий обмін у бактеріальних клітин - це викликає їхню загибель.

З відкриттям антибіотиків і сульфаніламідів інтерес до препаратів срібла знизився. Але останнім часом через побічні ефекти цих ліків (алергія, дисбактеріоз, токсичну дію на внутрішні органи, розвиток полірезистентності патогенних бактерій до антибіотиків) протимікробні властивості срібла знову стали привертати увагу медиків. Сучасні дослідження колоїдного срібла показали, що воно має здатність знешкоджувати деякі штами вірусу грипу, а також ентеро- та аденовіруси.

Сьогодні нанотехнології інтегровані у величезну кількість наукових дисциплін, а сучасні методи дозволяють створювати наноматеріали із заданими властивостями. Колись у давнину застосування нанотехнологій носило випадковий характер. Суть була незрозуміла, тому виробництво унікальних матеріалів зводилося до точного повторення стадій технологій. Тільки тепер за допомогою сучасних методів дослідження ми дізнаємося, що це були наноматеріали.

 

Коментарі:

blog comments powered by Disqus