Материал: Перспективные композиционные и керамические материалы

Микропоры образуются при формировании геля и удалении излишков дисперсионной среды. Спекание материала приводит к снижению микропористости. В образцах, полученных из порошков с высоким содержанием добавок, уже после спекания при 1350 °С фиксируется стабильная открытая пористость. Нанопоры, присутствующие в материале, по-видимому, пронизывают агломераты частиц.

Полученные материалы перспективны в качестве теплозащитных и фильтрующих материалов, а также носителей катализаторов, особенно при проведении процесса в газовой фазе.

4.5.3. Процессы микро- и ультрафильтрации. Виды мембран и методы их получения

Фильтрация – пропускание жидкости или газа через пористую среду с целью очистки. Мембранная фильтрация (рис. 4.28) – разновидность фильтрации, когда фильтр представляет собой тонкую перегородку толщиной менее 0,1 мм. Мембранная фильтрация основана на преимущественной проницаемости одного или нескольких компонентов фильтруемой среды через мембрану под действием градиентов давления, концентрации или электрического потенциала. В зависимости от размера фильтруемых частиц мембранные процессы разделяются на 4 группы (табл. 4.5).

Целесообразность применения, техническая и экономическая доступность мембран определяются их химической, физической, механической и микробиологической стабильностью, а также гидро- и газодинамическими характеристиками.

126

Рис. 4.29. Методы получения керамических мембран

Фильтрующий элемент с мембранным покрытием состоит из макропористой подложки (основы) толщиной от одного до нескольких миллиметров и одного или нескольких мембранных слоев толщиной от нескольких микрометров до 20…30 мкм, обеспечивающих сепарацию. Диаметр пор мембранного слоя подбирается по размеру веществ, подвергаемых сепарации. Материалом основы служат керамические материалы из оксида алюминия, углерода, карбидов и др.

Области применения мембранных процессов:

•пищевая промышленность – экстракция протеинов из лактазы, стандартизация и концентрация протеинов молока, осветление фруктовых соков, очистка алкогольных напитков;

•биотехнология – производство, очистка энзимов и ферментов;

•фармакология – стерилизация лекарственных препаратов, сыворотки крови и т.д.;

•текстильная промышленность – восстановление красителей;

•бумажная промышленность – восстановление и очистка лигнина

иего соединений;

•машиностроение – обработка эмульсий, масел и смазок;

•нефтяная промышленность – очистка сырой нефти, восстановление растворителей битума, повторное рафинирование использованных масел.

128

4.6. Биоматериалы

Материалы могут быть как синтетического, так и природного происхождения, особенно если речь идет, например, о нанопористых материалах. Нанопористые материалы широко распространены в природе. Без преувеличения можно сказать, что они являются неотъемлемой принадлежностью жизни на Земле. Например, многие виды бактерий и архей имеют регулярно построенный поверхностный слой (S-слой), расположенный над клеточной стенкой (рис. 4.30).

Рис. 4.30. Схематическое изображение S-слоев: а – S-слои на поверхности грамположительных бактерий; б – две стороны S-слоя; в – схема S-слоя с тетрагональной симметрией (p4). S-слой имеет три вида пор (1, 2, 3)

S-слои состоят из одного белка или гликопротеина. Белковые субъединицы S-слоев реагируют друг с другом и с подлежащими компонентами клеточной оболочки, образуя нековалентные связи.

Кристаллические решетки S-слоев могут иметь косую, квадратичную или гексагональную симметрии. В зависимости от типа решетки одна морфологическая единица S-слоя содержит одну, две, три, четыре или шесть белковых субъединиц. Расстояние между центрами субъединиц колеблется от 2,2 до 35 нм для разных слоев, а толщина их составляет 5–25 нм. Размер пор колеблется от 2 до 8 нм, причем в одном и том же слое могут содержаться поры разных типов. Поры могут занимать до 70 % объема S-слоя.

129

Изолированные белки S-слоя могут рекристаллизоваться в двухмерные кристаллические решетки в растворе, на твердой подложке, на плоских липидных мембранах. Эта уникальная особенность S-слоев приводит к широкому спектру практических приложений.

Исследователи из наноцентра в Вене (Австрия) решили использовать эти естественные «сверхрешетки» для построения искусственных белковых структур. В первую очередь S-слой был удален с поверхности бактерии и разбит на «субъединицы». Далее, поместив субъединицы в раствор, исследователи добились их реорганизации на кремниевых и металлических подложках, а также на синтетических полимерах

(рис. 4.31).

Рис. 4.31. Реконструкция рельефа кристаллизированного белка Bacillus sphaericus CCM2177 с помощью сканирующего электронного микроскопа (расстояния между центрами решетки – 13,1 нм)

Как только S-слой помещен на подложку, к нему можно добавить специальные сенсорные молекулы, которые вместе со слоем образуют точный биоаналитический сенсор. Так, например, был создан сенсор глюкозы на основе S-слоя и молекулы фермента оксидазы глюкозы. Исследователи измеряли величину электрического тока, проходящего через сенсор, в то время как фермент реагировал с глюкозой. Исследователи также использовали S-слой в качестве фоторезиста в современной фотолитографии. Выдерживание слоя в ультрафиолетовом излучении полностью уничтожает его. Однако толщина слоя всего 5–10 нм. Современные фоторезистивные материалы имеют гораздо большую толщину.

В последнее время материаловеды и химики приложили значительные усилия для создания синтетических аналогов биологических

130