Экология \6. Экологический мониторинг

Анциферова И.В. Макарова Е.Н.

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Наносвойства живой природы для производства наноматериалов

Нанотехнологи очень дорожат живой природой. За четыре миллиарда лет своего существования природа нашла удивительные решения проблем, с которыми ей пришлось столкнуться. Характерно, что жизнь структурирует материю вплоть до мельчайших деталей, вплоть до уровня атомов. То же самое намереваются сделать и нанотехнологи.

Природа – искусный строитель. В последнее время появилась тенденция перенимать природные конструктивные решения и использовать их в современной технике или промышленном производстве. Многочисленные животные и растения восхищают учёных простотой, а также поразительной эффективностью своего строения.

Эффект Лотоса. Настурция очищает листья с помощью эффекта лотоса. Растровый электронный микроскоп для изучения в условиях окружающей среды экологического РЭМ (ESEM) показывает, как капли воды скатываются с поверхности листа. Это происходит благодаря наклонной поверхности листьев, с которых вода сбегает с большой скоростью, увлекая за собой всю грязь.

Как же повторить уникальное свойство. Над этим работают ученые многих стран мира. Пока создано несколько покрытий, отвечающих подобными свойствами. Первое из них создано в Японии – это тончайшая пленка с выступами и впадинами. Другой метод основан на использовании электрохимического способа. Используются при этом никель и тефлон. Процесс напоминает никелирование, но с электролитом, содержащим тефлон [1].

Листья растений применяют и другие виды нанотехнологий. Их система водоснабжения контролируется форисомами, микроскопическими мышцами, которые открывают каналы в капиллярной системе растения или закрывают их, если растение повреждено. В настоящее время три института Фраунгофера и Университет Гиссена пытаются найти техническое применение мышцам растений, например в микроскопических линейных двигателях или в полноценной лаборатории на чипе (лаборатории на интегральной микросхеме).

Одной из наиболее тонких технологий в масштабе атома является процесс фотосинтеза, аккумулирующий энергию для жизни на Земле. Это дело для каждого отдельного атома. Тот, кто сможет воспроизвести этот процесс с помощью нанотехнологий, будет всегда иметь неограниченное количество энергии [2].

Гекконы - носители нанотехнологий. Гекконы могут взбежать по любой стене, бегать по потолку вниз головой и даже висеть на нем на одной ноге. Делают они это – как вы уже догадались – с помощью нанотехнологий.

Лапка геккона покрыта очень тонкими волосками, которые соприкасаются с большой площадью поверхности на расстоянии нескольких нанометров. Это позволяет образоваться так называемой ван-дер-ваальсовой связи, и, несмотря на то, что сама по себе связь эта очень слаба, она удерживает вес геккона благодаря миллионам точек сцепления. Связи легко разрушаются при отцеплении, так же, как при отрывании липкой ленты, что позволяет геккону бегать по потолку.

Андре Тайм из Манчестерского университета (Великобритания) и российские ученые из Института микроэлектронной технологии (Черноголовка) изготовили по принципу лапки геккона самоочищающуюся полиамидную ленту, которая, прилепившись к стеклу площадью 0,5 см2, выдерживает груз в 100 г. [3].

Цепляясь за жизнь. Жизнь существует потому, что ее компоненты удерживаются вместе с помощью утонченных нанотехнологических способов сцепления. Обычные моллюски являются мастерами искусства нанотехнологического сцепления. Когда моллюск хочет прицепиться к скале, он открывает раковину и ставит ногу на камень, выгибает ее в форме присоски и через тончайшие трубочки выстреливает потоки клейких капель, мицелл, в образовавшуюся область низкого давления, где они разрываются и из них вытекает клейкое водоотталкивающее вещество. Так мгновенно создается пенная подушка. Моллюск прикрепляется к подушке-амортизатору с помощью эластичных нитей биссуса, и в таком положении может выдержать напор приливных волн [2]. Биоинженеры из Северо-Западного университета США объединили в новом материале принцип липкости лапок геккона и способность мидий выделять белковый клей, работающий под водой [3].

Биоминерализация. Моллюски способны даже на большее. Их перламутр состоит из бесчисленных крошечных кристаллов карбоната кальция в форме минерала арагонита, который сам по себе очень хрупок. Однако у моллюсков эти кристаллы удерживаются вместе с помощью спиралевидных, высокоэластичных белков.

Ранее стратегическое значение имела биоминерализация диатомовых водорослей. Эти микроскопические существа защищают панцирь из кремниевой кислоты, главным компонентом которой является SiO2 , или диоксид кремния. Подобно кварцевому стеклу, также состоящему из диоксида кремния, панцири из кремниевой кислоты относительно устойчивы к действию многих коррозийных кислотных и щелочных растворов, поэтому нанотехнологи надеются использовать их в качестве реакционных сосудов для получения нанометровых кристаллов. Почему одно время диатомовым водорослям придавали «стратегическое значение»? В 1867 году швед Альфред Нобель обнаружил, что диатомит, диатомовая земля, образующаяся из отложений диатомовых водорослей, поглощает нитроглицерин, сдерживая таким образом склонность данного взрывчатого вещества к спонтанному взрыву. Нобель назвал эту смесь «Динамитом», и его бешеный объем продаж заложил основы фонда, финансирующего теперь Нобелевские премии [2].

Нанотехнологии основываются на природных свойствах: однако возможности живой природы ограничены, она не может работать ни с высокими температурами, которые необходимы например для производства керамики, ни с металлическими проводниками. С другой стороны, современные технологии располагают возможностью создания целого ряда искусственных условий – абсолютной чистоты, холода, вакуума – при которых материя обнаруживает удивительные свойства. К ним, в частности, относятся квантовые эффекты, которые порой резко противоречат законам нашего повседневного мира.

По мере того как размер частиц приближается к нанометру, они приобретают совершенно новые свойства. Когда частицы становятся наноскопических размеров, количество атомов на их поверхности значительно увеличивается по сравнению с количеством атомов внутри. Однако поверхностные атомы часто отличаются по свойствам от находящихся внутри и обычно более активны и готовы к реакции.

Список литературы:

1. А. Хачоян. Синтетический лист лотоса, или Как получить сверхгидрофобные покрытия. «Химия и жизнь», 2006, №2. С. 12

2. Др. Матиас Шуленбург. Нанотехнологии. Новинки завтрашнего дня. Европейская Комиссия. Люксембург: Служба по официальным изданиям Европейского Сообщества, 2006. ISBN 92-79-00336-4

3. Г.Е.Кричевский. Нанощетинистая лапка. // Журнал «Химия и жизнь», №10-2009