Материал: Нанотехнологии для всех (Рыбалкина), 2005, c.444

ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы

Например, прочность металла, полученного средствами нанотехнологии, превышает прочность обычного в 1,5 – 2, а в некоторых случаях – и в 3 раза. Твердость его больше в 50 70 раз, а коррозийная стойкость – в 10 12 раз!

Разнообразие наноматериалов с уникальными свойствами буквально поражает воображение: это и сверхлегкие, сверхпроч ные нанопокрытия для чего угодно – от самолетов до режущих инструментов, и самоочищающиеся ткани, и материал, защища ющий человека от вредного воздействия радиоизлучения (веду щие производители сотовых телефонов уже планируют произво дить из него корпуса для телефонов нового поколения).

"Умные" материалы активно реагируют на изменения окружающей среды и изменяют свои свойства в зависимости от обстоятельств.

Помимо улучшения свойств привычных промышленных материалов развитие нанохимии ведет ко все большему распро странению так называемых “умных материалов”.

Самым простым примером “умного материала”, созданно го природой, является наша кожа. Ведь подумать только: наше тело покрыто миллиардами чувствительных “нанодатчиков”, связанных с головным мозгом! Даже с закрытыми глазами мы легко отличаем круглое от квадратного, мокрое от сухого, горя чее от холодного... Наша кожа способна реагировать на “опас ность”, заставляя нас рефлекторно одергивать руку, чтобы не обжечься, или одеваться потеплее, чтобы защитить свой орга низм от переохлаждения; она способна к самозаживлению при травмах, самодостраивается по мере роста человека.

Кроме того, наша кожа обладает уникальной системой по тоотделения, необходимой для защиты организма в условиях высоких температур. Каждый школьник знает, что оптималь ная температура здорового человека – около 36,6°С. При повы шении или понижении температуры тела всего лишь на 2 3 гра дуса мы чувствуем слабость, наша работоспособность падает, внимание и память ухудшаются, портится настроение. Падение температуры тела ниже 30°С очень опасно для здоровья. При 27°С наступает кома, происходит нарушение сердечной дея тельности и дыхания. Температура ниже 25°С является крити ческой – человек умирает. Не менее опасно и повышение тем

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

пературы тела. Критической считается температура 42°С – при ней происходит нарушение обмена веществ в тканях мозга, че ловек теряет сознание. Если такая температура долго не спада ет, это грозит повреждением головного мозга и даже смертью.

Тем не менее, благодаря потовым железам, “встроенным” в нашу кожу, мы способны без особого вреда переносить темпе ратуры, намного превышающие эти критические 42 градуса. Как доказали английские физики Благден и Чентри (проводив шие ради опыта несколько часов в натопленной печи хлебопе карни), в сухом воздухе при постепенном нагревании наш орга низм способен выдержать до 160°С! (напомним, что это больше чем в полтора раза выше температуры кипения воды!). То есть можно запросто сварить яйцо или поджарить бифштекс в воз духе, в котором люди могут достаточно долго оставаться без вреда для себя.

Чем же объясняется такая выносливость? Тем, что наша ко жа автоматически реагирует на повышение температуры окру жающей среды посредством обильного выделения пота. Испа рение капелек пота с поверхности нашего тела поглощает теп ло из того слоя воздуха, который непосредственно прилегает к коже, тем самым охлаждая его до нормальной температуры.

Природа позаботилась о своих созданиях, наградив нас этим поистине волшебным средством защиты. Но и человеческая мысль тоже не стоит на месте! Уже довольно давно металлурги изобрели “потеющий” металл для защиты промышленных объ ектов от высоких температур. Этот, тоже своего рода “умный”, материал представляет собой пористую сталь с вкраплениями множества микрочастиц меди. Так как температура плавления меди меньше, чем стали, то, как только внешняя температура достигает некоторого критического предела, металл начинает активно “потеть”: медь расширяется и сквозь поры выходит на поверхность, унося излишек тепла из системы. При остывании капельки меди снова “всасываются” стальными капиллярами и материал возвращается в исходное состояние.

Разброс свойств наноматериалов огромен. В настоящий момент группа российских ученых под руководством Г.В. По повой работает над созданием биомиметических материалов – материалов, подражающих биологическим тканям, распрост раненным примером которых могут быть производимые насе

154

ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы

комыми паутины, отличающиеся эластичностью и проч ностью, превышающими эластичность и прочность всего, что до сих пор смогли создать наши технологии.

Основу всех биомиметиков составляют искусственные бел ки. Подобно своим природным собратьям, они также состоят из аминокислот, но синтезируются не рибосомой, а человеком. Причем если обычные белки имеют уникальную последова тельность из двадцати различных аминокислот, то белки для биомиметиков вполне могут ограничиться какой либо одной, но повторяющейся молекулой. Так получаются аналоги белковполиаминокислоты, построенные на основе одного един ственного элемента. Затем эти белковые блоки можно как угодно соединять между собой, "цеплять" к ним другие молеку лы красители, фотоактивные, электроактивные, люминесци рующие и т.д., всякий раз получая материалы с новыми инте ресными свойствами.

Вспомните, какое огромное количество белков с самыми разными функциями создала природа. Большинство из них умеют активно реагировать на изменения внешней среды, ак тивно приспосабливаться к ним. Искусственные биомимети ки, сходные по своим качествам с природными белками, также проявляют "разумность" в ответ на слабые внешние раздражи тели: облучение, тепло, электроток, вредные вещества. На их основе уже сконструированы оптические сенсорные материалы для нанобиотехнологии и наноустройств, производящих эко логический мониторинг.

Повышаешь, например, температуру на полградуса био миметический сенсор сразу меняет цвет, а потом приходит в ис ходное состояние. Или пускаешь совсем слабенький электри ческий ток и система тут же обесцвечивается. Откроешь рядом банку с нашатырным спиртом или даже Комет гелем система начинает светиться (люминесцировать), а закроешь банку и никаких "кошачьих глаз". Чем не разумный материал? Самое интересное, что с самим материалам при этом вроде бы ничего не происходит все эти отклики и изменения вызываются внут ренней перестройкой, неразличимой для человеческого глаза.

Особый интерес представляют также и биодеградируемые материалы, среди которых очень интересен упаковочный био материал, способный быстро разлагаться на естественные при

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

родные компоненты по истечении определенного времени (скажем, срока хранения продукта), не загрязняя окружающую среду, как это делают металлические и пластиковые упаковки.

В этом направлении британскими учеными реализован весьма оригинальный проект по утилизации сотовых телефо нов. В настоящее время мобильные телефоны являются одни ми из самых выбрасываемых устройств среди потребительской электроники. В Европе пользователи ежегодно избавляются от более чем ста миллионов старых телефонов. Суть инновации заключается в материале, из которого изготавливается корпус телефона. Ученые предлагают заменить его на новый полимер, который способен разлагаться в земле в течение нескольких не дель. Кроме того, внутри корпуса, под прозрачным окошком, можно разместить семена растений – например, подсолнуха. После того, как телефон попадет в землю, семя начнет прорас тать, и из телефона вырастет цветок. Новый полимер совер шенно нетоксичен и полностью разлагается при попадании на мусорную свалку. Таким образом, по мнению специалистов, удастся решить проблему экологичной утилизации старых со товых телефонов.

К числу вещей, созданных из "умных материалов" можно отнести так называемую "умную одежду". Среди огромного ко личества подобных проектов можно выделить, например, одежду, реагирующую на изменение температуры: когда жарко, одежда пропускает воздух, чтобы охладить своего владельца, а когда холодно наоборот, уплотняется. Совсем скоро на при лавках магазинов появится одежда, не впитывающая запах та бачного дыма, самоочищающаяся одежда, спортивная одежда с эффектом охлаждения, костюмы и куртки, самостоятельно "подгоняющие" свой размер под размер хозяина, одежда, отго няющая насекомых, носки, благоухающие цветочными арома тами, рубашки которые не мнутся, даже если их скомкать и на долго запихнуть в чемодан.

Современные фантастические фильмы буквально изобилу ют примерами подобных “умных” материалов. Самый яркий пример – жидкий “Терминатор” из одноименного фильма, принимающий любую форму. С развитием нанотехнологий ма териалы с подобными чудодейственными способностями ста новятся реальностью. А сегодня уже существует уникальная

156

ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы

ферромагнитная жидкость, способная принимать определен ную форму под действием электромагнитного поля. На рисун ке изображены несколько кадров видеоролика, демонстрирую щего поведение ферромагнитной жидкости под действием электромагнитного поля.

Рис 80. Кадры видеозаписи ферромагнитной жидкости под действием изменяющегося магнитного поля

Ферромагнитная жидкость представляет собой трехкомпо нентную систему, состоящую из дисперсионной среды, магнитной фазы и стабилизатора. В качестве дисперсионной среды может выступать любая жидкая среда: вода, масло, различные раство ры. В качестве магнитной составляющей обычно используются наночастицы, обладающие сильными ферромагнитными свой ствами. Введение же в жидкость стабилизатора, прочно связыва ющегося с поверхностью магнитных частиц и препятствующего их агрегации, обеспечивает устойчивость такой жидкости. Фер ромагнитные жидкости – это совершенно новый обширный класс магнитных материалов, и их, несомненно, ждет широкий спектр применений в технике и промышленности.

Такая система не только активно реагирует на изменения окружающей среды, но и поддается управлению. Поведение та ких материалов можно запрограммировать заранее.

"Умные материалы" следующего поколения представляют собой программно аппаратный комплекс из всевозможных сенсоров, миниатюрных компьютеров и исполнительных наноустройств.

Разработчиками компании Philips был предложен проект по созданию нижнего белья, со встроенными нанодатчиками, отслеживающими нарушения в сердечном ритме своего обла дателя. В экстренном случае (например, инфаркт) одежда свя зывается по беспроводной связи с ближайшей станцией скорой помощи и спасает человеку жизнь...