Линн Фостер - Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности

С 1999 года Фиона Кейс возглавляла исследовательскую группу в фирме Colgate Palmotive, занимающуюся изучением структуры и свойств самых разнообразных косметических и пищевых продуктов (зубные пасты, детергенты, лаки, покрытия и т. п.), а также разработкой технологии их производства, упаковки и т. д. В 2003 году Ф. Кейс (совместно с мужем Мартином Кейсом) основала собственную компанию Case Scientific ( www.casescientific.com ), занимающуюся научными консультациями и заказными исследованиями в области так называемой «мягкой» нанотехнологии, моделирования поведения разнообразных материалов, полимерной химии, поверхностно-активных веществ и т. п. Фиона Кейс является членом Королевского химического общества Англии, американского Химического общества, а также Национальной ассоциации писателей, популяризирующих достижения науки.

Многие жидкие или мягкие потребительские товары и изделия (к ним относятся продукты питания, краски, моющие средства, предметы личной гигиены, косметика и т. п.) содержат микро– или наноструктуры, которые образуются обычно методами естественной самоорганизации многих натуральных или синтетических поверхностно-активных веществ и блок-сополимеров. Для получения разнообразных структур и материалов разработана сложная технология получения нужных смесей из поверхностно-активных веществ (ПВА) и полимерных материалов. Эта область наноматериалов и методик их обработки получила название мягкой нанотехнологии.

На рис. 13.12 показана схема действия очень простого неионогенного поверхностно-активного вещества, а на рис. 13.13 приведены некоторые механизмы образования более сложных структур в растворах ПАВ и блок-сополимеров. Образующиеся при этом конкретные структуры определяются множеством условий, среди которых важнейшими являются относительные размеры гиброфильной «головки» и гидрофобного «хвоста» химической молекулы (эта терминология является привычной для специалистов по полимерам и коллоидной химии). Например, ионогенные ПАВ (характеризующиеся наличием заряженных головных групп) в показанных на рисунках механизмах легко образуют сферические мицеллы, неионогенные ПАВ-структуры в виде стержней или нитей, а молекулы ПАВ с несколькими концевыми группами – ячеистые структуры или ламеллы со слоистой, иногда почти плоской структурой. Естественно, в мягкой нанотехнологии форма структур может легко изменяться за счет введения в растворы небольшого количества различных дополнительных веществ, регулирующих параметры жидкой среды и условия роста.

Рис. 13.12. Пример очень простого неионогенного поверхностно-активного вещества (ПАВ). Структурная химическая формула (вверху), общий вид в растворе (слева внизу), схема (внизу справа)

Рис. 13.13. Схематическое представление образования структур различными поверхностно-активными веществами в водной среде: сферические мицеллы (вверху); стержни, или нити (средний рисунок); пузырьки (внизу). На рисунке показаны разрезы наноструктур, показывающие роль гидрофильных головных групп и гидрофобных концевых групп при взаимодействии с окружающей водной средой

Мягкая нанотехнология отличается исключительной чувствительностью к изменению условий процесса. Стоит добавить немного горячей воды в реакционный сосуд с примесями и жирами, как соотношение компонент чуть-чуть изменится, и в среде начнут образовываться мицеллы совершенно новых форм, а примеси начнут объединяться совсем по-другому. Нанося аккуратно на любую поверхность самую высококачественную эмульсионную краску, необходимо помнить, что через некоторое время структура краски (а следовательно, ее вязкость и другие физико-химические свойства) неизбежно изменится, хотя бы в незначительной степени. Многие такие процессы, относящиеся именно к мягкой нанотехнологии, играют очень важную роль при смешивании компонент коммерчески важных изделий, то есть о них следует постоянно помнить при оценке вкуса и текстуры пищевых продуктов типа шоколада, мороженого или йогурта.

Очень трудно или почти невозможно объективно или точно описывать и оценивать характеристики многих продуктов мягкой нанотехнологии, поэтому до самого последнего времени большинство технологов (например, в производстве продуктов питания) руководствуется просто личным опытом, эмпирическими правилами и секретами производства, передаваемыми из поколения в поколение. Проблема заключается в том, что интересующие нас процессы в этой области осуществляются простой молекулярной самоорганизацией, законы которой нам неизвестны, вследствие чего мы не можем предсказывать изменение характера растущих структур при изменении состава смеси. Кроме того, в косметике или пищевой промышленности вообще очень трудно определить, какой именно получаемый продукт следует считать коммерчески успешным (например, очень трудно угадать, какое именно мороженое потребители сочтут вкусным?). Вкусовые и потребительские предпочтения публики остаются неопределенными и изменчивыми, вследствие чего исследователям и технологам часто даже непонятно, к созданию каких структур им следует стремиться и что является важным для конкретных приложений.

Новейшие методы позволяют использовать более строгие и физически обоснованные параметры оценки качества продуктов мягкой нанотехнологии, например, мы может объективно оценивать их характеристики, применяя методики динамического рассеяния света в веществе, ядерного магнитного резонанса, рентгеновского и нейтронного рассеяния, электронной микроскопии и т. п. Более того, для оценки таких продуктов уже предлагаются и применяются автоматические методы, однако следует помнить, что формулы и исходные оценки должны как-то задаваться человеком-программистом. С другой стороны, развиваются совершенно новые теории восприятия, оценки вкуса и методы компьютерного моделирования поведения, что, возможно, позднее и приведет к революционным преобразованиям в самых консервативных производствах, связанных с мягкими нанотехнологиями.

В заключение хотелось бы отметить еще одно важное обстоятельство. Выше рассказывалось лишь о возможностях использования мягких нанотехнологий в производстве продуктов питания, косметики и других товаров бытового назначения, но читатель не должен полагать, что эти технологии не могут быть применены и для более серьезных целей. Наоборот, многие исследователи считают, что самоорганизация и структурирование нанообъектов в жидкой среде позволит в будущем разработать надежные и дешевые способы промышленного производства новых материалов и очень сложных устройств. Например, фирма IBM уже изучает возможности синтеза наноструктур для электронной промышленности в процессах молекулярной самосборки и блок-сополимеризации. В последнее время наметился еще путь к созданию совершенно новых материалов для электроники, связанных именно с разнообразными «мягкими» или гибкими наноструктурами, подобными описанным выше. Идея метода состоит в том, что получаемые в жидких и эмульсионных средах структуры используются затем в качестве своеобразных шаблонов, или матриц, для производства «жестких» объектов с заданными свойствами. Образуемые при блок-сополимеризации эмульсионные формирования (ячейки, мембраны, пузырьки) могут быть химически стабилизированы и применены в качестве «устройств», обеспечивающих перенос лекарственных препаратов внутри организма (включая введение препаратов внутрь клеток). В целом можно сказать, что методы мягкой нанотехнологии, связанные со стабилизацией разнообразных коллоидных систем (растворы и гели наночастиц) и их дальнейшим использованием, представляют новую и весьма перспективную область исследований. [Читатель, заинтересовавшийся возможностями использования эмульсий, мембран и коллоидных систем для практических целей (особенно в области медицины и биохимии), найдет много полезной и разнообразной информации в книге М. Накагаки «Физическая химия мембран». М., Мир, 1991. Прим. перев. ]. Читать дальше