Виктор Балабанов - Нанотехнологии. Правда и вымысел

Несколько слов стоит сказать о различных свойствах аэрогелей, потенциально востребованных промышленностью.

В обычном состоянии аэрогели полупрозрачны, но за счет рассеяния видимого света (аналогично протекающему рассеянию земной атмосферы) на древовидных структурах они выглядят голубоватыми в отраженном свете и светло-желтыми в проходящем свете.

Наиболее распространены кварцевые аэрогели, которые при высокой гигроскопичности (возможности поглощения и удержания излишков влаги) являются хорошими теплоизоляторами. Они свободно пропускают видимый солнечный свет, но эффективно поглощают его инфракрасное (тепловое) излучение.

Кварцевый аэрогель обладает самой малой плотностью из всех известных в настоящее время твердых тел – 1,9 кг/м3, что всего в 1,5 раза выше плотности воздуха и в 500 раз ниже плотности воды. К тому же аэрогели обладают достаточно высокой температурой плавления – 1200 °C.

При чрезвычайно низкой теплопроводности (0,003 Вт/(м-К)), все эти свойства позволили уже сейчас успешно применять аэрогели в качестве теплоизолирующих и теплоудерживающих материалов в строительных конструкциях.

Углеродные аэрогели состоят из наночастиц, ковалентно связанных друг с другом, и обладают электропроводностью. За счет этого, а также огромной площади внутренней поверхности (до 800 м2/г), они уже используются в изготовлении суперконденсаторов значительной емкости (104 Ф/г и 77 Ф/см3).

В отличие от кварцевых, углеродные аэрогели поглощают до 99,7 % падающего на них излучения (в диапазоне длин волн от 0,25 до 14,3 мкм), что делает их эффективными поглотителями солнечного света для применения в солнечных коллекторах.

Таблица 9. Свойства материалов, улучшаемые за счет применения нанотехнологий и наноматериалов

Наночастицы обладают комплексом самых разных и уникальных свойств. Многие из них еще не полностью изучены, а некоторые, возможно, и не открыты. Эти свойства открывают перед человечеством огромный потенциал принципиального изменения современного состояния науки и техники и создают предпосылки к новой – третьей – технической революции, которая уже началась.

Как ни парадоксально это звучит, но человечество с давних времен использовало наноматериалы. Именно наличием наночастиц теперь можно объяснить самые невероятные свойства материалов, изготавливаемых несколько веков назад и порой недоступных даже современной науке.

Декоративная глазурь с глянцем, характерная для средневековой гончарной посуды, содержала сферические металлические наночастицы, придающие ей специфические оптические свойства.

Прекрасный рубиновый цвет стекла получали введением наночастиц серебра и золота в стеклянную матрицу. Из такого материала изготовлены знаменитые римские рубиновые кубки, содержащие семь частей серебра и три части золота (70 нм каждая). В отраженном свете эти кубки кажутся зелеными, а при подсветке сзади меняют цвет от темно-красного до светлозолотистого (в том числе Кубок Ликурга, IV век, Национальный Британский исторический музей; на стенах кубка изображены сцены из жизни великого законодателя).

Из аналогичного материала и по аналогичной технологии изготовлены витражи во многих католических соборах Италии, Франции, Германии. Эти витражи не только создавали особое состояние, подчеркивающее таинство общения с Господом, но и, как оказалось, выполняли важную антибактериологическую (гигиеническую) роль.

Пресс-служба Технологического института Квинсленда (Австралия) сообщает об удивительных исследованиях профессора Чжу Хуай Юна (Zhu Huai Yong). Установлено, что наночастицы золотой краски, применяемой в убранстве внутренних помещений церквей, при освещении солнечным светом являются катализатором разложения летучих органических веществ (volatile organic chemical, VOC), которые даже в очень небольших количествах чрезвычайно вредны для здоровья людей. Воздух, насыщенный запахами и потом прихожан, испарениями горящих свечей, различными патогенными бактериями, очищается под действием наночастиц золота. Вредные органические соединения распадаются с образованием безопасного углекислого газа и влаги.

При этом оказалось, что воздух в богатых приходах, где больше позолоченных предметов, был значительно чище, чем в обычных домах прихожан. Именно поэтому размещение госпиталей в церквях во время эпидемий оказалось полезным и эффективным средством, так как больные здесь выздоравливали чаще и быстрее.

«Веками люди создавали эти великолепные произведения искусства, даже не задумываясь, что сегодня их цветные витражи назовут «фотокаталитическими очистителями воздуха на основе наноструктурного золота», – отметил руководитель исследовательской группы.

Как утверждается, средневековые мастера, знавшие секрет получения золотого рубина, умерли, а вместе с ними оказался утрачен и этот секрет.

Технология была восстановлена в советское время отечественными химиками и мастерами при изготовлении «рубиновых» звезд Московского Кремля в 1937 году (рис. 42).

Однако кремлевские «рубиновые» звезды уже не содержат в себе «ни серебра, ни злата». Они изготовлены путем введения в обыкновенное стекло селена в комбинации с другими химическими соединениями, получившими название «селенового рубина». Звезды, созданные с применением селенового стекла, много дешевле золотых, но не уступают им по насыщенности и глубине цвета, а медные даже значительно превосходят (http://supercook.ru/glass-history-10.html).

Рис. 42. Кремлевская звезда с селеновыми рубинами: 1 – слой молочно-белого стекла; 2 – слой светло-красного стекла, окрашиваемого в рубиновый цвет; 3 – наночастицы селена (красителя)

Подсвеченные изнутри селеновые рубиновые звезды имеют очень красивую, яркую окраску. Чтобы звезды были красивого красного цвета днем, их сделали из светло-красного стекла и положили на слой молочно-белого стекла.

Селеновые стекла способны окрашиваться в различные оттенки (от желтого до темно-красного цвета) за счет изменения соотношения между количествами красителей. Оказалось, что аналогичные по цвету рубиновые стекла можно получать и при применении меди. При этом технология должна быть более точной и длительной.