Виктор Балабанов - Нанотехнологии. Правда и вымысел

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.

Основные направления использования нанотехнологий и наноматериалов в агропромышленном комплексе (АПК) – биотехнология (прежде всего это относится к генной инженерии), производство и переработка продукции агропромышленного комплекса, очистка воды, а также проблемы качества продукции и защиты окружающей среды (в частности, сельскохозяйственных угодий).

Одной из самых главных проблем ближайших десятилетий станет проблема обеспечения человечества достаточным количеством питьевой воды. Запасы пресной воды, пригодной для использования, составляют всего 3 %, из которых лишь 1 % потребляется населением Земли. В настоящий момент 1,1 млрд человек не имеют возможности использовать чистую пресную воду. Принимая во внимание текущие объемы потребления воды, рост населения и развитие промышленности, к 2050 году две трети населения Земли будут испытывать недостаток в пригодной для употребления пресной воде.

Огромное значение имеет применение нанотехнологий для очистки и дезинфекции воды. Следует ожидать, что нанотехнологии позволят найти решение этой проблемы за счет использования недорогой децентрализованной системы очистки и опреснения воды, систем отделения загрязняющих веществ на молекулярном уровне и фильтрации нового поколения.

Другой важнейшей проблемой является повышение урожайности в сельском хозяйстве. Согласно статистике, численность мирового населения в настоящее время составляет около 6,5 млрд человек, а к 2050 году достигнет 8,9 млрд, что вызовет существенное увеличение потребления продуктов питания.

Несмотря на протесты мировой общественности, в ряде регионов, особенно с большим приростом населения и неблагоприятными условиями для сельскохозяйственных работ, продовольственную проблему не удастся решить без разработки, создания и производства методами био– и нанотехнологий трансгенных высокопродуктивных растений, устойчивых к вирусной ин фекции.

Предполагается, что применение нанотехнологий позволит изменить технику возделывания земель за счет использования наносенсоров, нанопестицидов и системы децентрализованной очистки воды. Нанотехнологии сделают возможным лечение растений на генном уровне, позволят создать высокоурожайные сорта, особо стойкие к неблагоприятным экологическим условиям.

В растениеводстве применение нанопорошков, совмещенных с антибактериальными компонентами, обеспечивает повышение устойчивости к неблагоприятным погодным условиям и приводит к двукратному повышению урожайности многих продовольственных культур, например картофеля, зерновых, овощных и плодово-ягодных.