Материал: Нанотехнологии. Наука будущего (Балабанов), 2009, c.258

- НАНОТЕХНОЛОГИЙ -

России исследования нанотехнологий в медицине проводятся двумя десятками научных организаций.

Следует отметить, что направление медицинских нанотехнологических исследований также развивается стремительными темпами. При этом уже сейчас полученные на подопытных животных результаты обещают значительные перспективы в лечении людей. Вообще, если к нанотехнологиям отнести работы и достижения в области генной инженерии, то результаты окажутся фантастическими, но в целом это уже другое направление, которое потребует написания отдельной книги.

Нанотехнологий, экология и сельское хозяйство

«Мы все ближе к открытию наукой Бога, поэтому я содрогаюсь, думая о его судьбе».

СтаниславЕжиЛЕЦ. польскийпоэт, писатель-сатирик

Основными направлениями использования нанотехнологий и наноматериалов в сельском хозяйстве являются биотехнология, прежде всего это относится к генной инженерии, производству и переработке продукции агропромышленного комплекса, очистке воды, а также проблемам качества продукции и защиты окружающей среды.

В отличие от промышленных и автотранспортных выбросов, загрязняющих атмосферу, выбросы мобильной сельскохозяйственной техники распространяются, хотя и неравномерно, но на все обрабатываемые площади. При этом загрязняющие вещества попадают в атмосферу на высоте до 4 м от уровня почвы, что повышает их экологическую опасность.

На первом месте по количественному содержанию и степени отрицательного воздействия на человека, животный и растительный мир стоят газообразные выбросы мобильной техники. В глобальном масштабе автотракторным парком в мире выбрасывается в атмосферу 20—27 млн т оксида углерода, 2-2,5 млн т углеводородов, 6—9 млн т оксидов азота, 200230 млн т диоксида углерода, а также до 100 тыс. т сажи. В Российской Федерации только дизелями тракторов и комбайноЕ выбрасывается свыше 5 млн т вредных веществ в год.

Наиболее опасны сажа, бензапирен, оксиды азота, альде гиды, оксид углерода (II) и углеводороды. Степень их воздей

- НАНОТЕХНОЛОГИИ -

ствия на человеческий организм зависит от концентрации вредных соединений в атмосфере, состояния человека и его индивидуальных особенностей.

Одно из первых мест в общем уровне токсичности занимает сажа, так как, во-первых, ее выбросы значительны (определяют повышенную дымность) и достигают по массе 1 % от расхода топлива, во-вторых, она выступает в роли накопителя полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Выбросы сажи дизелем б х 15/18 в смену достигают 1,2—1,6 кг, а дизелем 6 х13/14 —доЗкг. Наличие сажи в отработавших газах (ОГ) приводит к появлению неприятных ощущений, загрязненности воздуха и ухудшению видимости. Частицы сажи высокодисперсны (диаметр — 50—180 нм, масса — не более 10~10 мг), поэтому они долго остаются в воздухе, проникают в дыхательные пути и пищевод человека. Подсчеты показывают, что частицы сажи размером до 150 нм могут находиться в воздухе во взвешенном состоянии около восьми суток. Если относительно крупные частицы сажи размером 2-10 мкм легко выводятся из организма, то мелкие (размером 50—200 нм) задерживаются в легких и вызывают аллергию.

Высокое содержание сажи (20—90%) обычно для частиц в ОГ дизельных двигателей. Частицы сажи сформированы в так называемой газовой стадии и вызваны неполным процессом сгорания. При этом частицы меньше 50 нм, обнаруживаемые в дизельной эмиссии, в основном образованы из серы, которая все еще входит в состав дизельного топлива.

Замена углерода элементами с более высокой удельной теплотой сгорания позволяет получать топливо с лучшими энергетическими характеристиками. Особое место занимают работы в области разработки металлического топлива, которое широко применяется в ракетных двигателях.

Выходец из бывшего Советского Союза, уехавший в США, Соломон Лабинов, предлагает концепцию нового двигателя внутреннего сгорания, работающего на твердом металлическом топливе. В этом двигателе система питания объединена с выпускной системой. Топливный бак, оснащенный специальной подвижной перегородкой, заполняет-

— Нанотехнологии, экология и сельское хозяйство —

ся топливом на основе нанопорошка железа. Горение (окисление) топлива происходит в камерах сгорания с образованием в отработавших газах практически чистого азота, без оксидов углерода и азота, углеводородов и сажи, а сгоревшие частицы порошка улавливаются с помощью специальных фильтров или магнитов. По мере использования порошка перегородка перемещается, а в образовавшийся объем подается отработавший порошок оксидов. После израсходования всего порошка топливный бак легко снимается с автомобиля и направляется на регенерацию, где под воздействием высокой температуры оксиды разлагаются на металл и кислород. Для восстановления оксидов также можно продувать сгоревший порошок чистым водородом.

По мнению Дэвида Бича (David Beach), руководителя группы химии материалов в Национальной лаборатории Окриджа штата Теннесси (США), металлическое топливо, подобно водороду, — источник экологически чистой энергии. Однако, в отличие от водорода, металлическое топливо, например железо или алюминий, обладает более высокой удельной теплотой сгорания. Такое топливо можно хранить и транспортировать при температуре и давлении окружающей среды и эффективно использовать в двигателе без значительных затрат на водородные топливные элементы.

Коллективом лаборатории создана топливная пудра с диаметром металлических частиц около 50 нм, что обеспечивает процесс горения, аналогичный бензиновому, но с выделением почти в три раза большей энергии, чем в современном бензиновом двигателе.

Большие частицы металла не воспламеняются до тех пор, пока не будут нагреты до точки кипения металла, при которой металлический пар воспламеняется с образованием металлических оксидов. В тоже время, этот процесс приводит к очень высоким температурам сгорания, загрязнению внутренних поверхностей камеры сгорания и образованию большого количества оксидов азота. Металл в виде наночастиц сгорает значительно быстрее и полнее при более низких температурах без стадии газового горения.

227

- НАНОТЕХНОЛОГИИ -

Газы от металлического топлива, отработавшие в газотурбинном двигателе или двигателе Стирлинга, являются экологически чистыми: кислород берется из воздуха, а в результате получается почти чистый азот. Еще лучшим источником энергии мог бы быть бор, если бы его наночастицы можно было получать по разумной стоимости.

Главная проблема двигателя на металлическом топливе — достаточно большой вес топлива, даже с учетом его большей энергетической емкости. Объем топливного бака в 33 л, заполненный порошком железа, обеспечивает пробег автомобиля, эквивалентный 50 л солярки или бензина, но весит почти в три раза больше. При этом суммарный вес автомобиля и топлива остается неизменным, так как отработавшее металлическое топливо не выбрасывается в атмосферу.

Бор и углерод — соседи по таблице Менделеева, оба элемента — неметаллы, различия в размерах их атомов и ионов небольшие. Главное следствие этого сходства — быстрое развитие химии бороводородов, которая, по мнению многих ученых, может со временем стать «новой органикой». Напомним, что просто «органика», органическая химия — это, по существу, химия углеводородов и их производных.

Удельная теплота сгорания бора (59,4 МДж/кг почти вдвое больше, чем углерода (32,7 МДж/кг). При замене углеводородных видов топлива бороводородными в воздушнореактивных двигателях при заданной дальности полета самолета можно уменьшить его габариты, увеличить полезную нагрузку и сократить разбег при взлете.

В типичном твердом топливе для ракетно-прямоточных двигателей содержится до 50% бора; столь высокое содержание металла обеспечивает получение максимально объемного импульса. К недостаткам бороводородного топлива относятся высокая токсичность и химическая активность, а также легкая воспламеняемость на воздухе.

В то же время нанотехнологии несут ряд реальных и потенциальных опасностей. Так, в 2002 году американское Агентство по защите окружающей среды (EPA)t NASA и международная неправительственная группа по защите прав че-

228

— Нанотехнологии, экология и сельское хозяйство —

ловека в технологическую эру (ETC Group) по результатам совместного исследования заявили, что вдыхание нанотрубок, которому случайно подверглась группа астронавтов, привело к заболеванию легких. Такие углеродные трубки весьма похожи по негативному воздействию на обычную сажу. Кроме того, наночастицы могут легко проникать в клетки через поры их стенок и накапливаться в органах.

В то же время показано, что наночастицы очень опасны для мембран клеток. Так, например, эпителиальные клетки человека и клетки печени были разрушены наполовину через 48 ч при выдерживании их в сильно разбавленном (до 20 частей на миллиард) растворе фуллеренов. Однако установлен возможный путь предотвращения потенциального токсического действия этих молекул: чем больше гидроксильных групп связано с молекулами фуллеренов, тем менее токсичными они становятся (до 10 млн раз). Проблема лишь в том, что модифицированные фуллерены могут восстановить токсичность, например, под действием ультрафиолетовых лучей, разрушающих гидроксигруппы.

При работе с наноматериалами рекомендуется использовать специальные средства защиты органов дыхания и рук. Учитывая высокую проникающую способность наночастиц, кожные покровы целесообразно защищать специальными кремами, создающими буферные слои на поверхности.

Касаясь важнейшей проблемы защиты человека и окружающей среды, следует рассматривать не столько возможные негативные последствия, сколько положительное влияние, которое нанотехнологии могут оказать на развитие окружающей среды и здоровье человека.

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.

Предполагается, что применение нанотехнологии позволит изменить технику возделывания земель за счет использования наносенсоров, нанопестицидов и системы децентрализованной очистки воды. Нанотехнологии сделают воз-

229