2.7. Наноструктуры с иерархической самосборкой для адсорбции атомов тяжелых металлов.

На рис. 1 схематически показано строение функционального мезопористого композитного материала, представляющего собой силикатную решетку с цилиндрическими порами, образующими сотообразную структуру с очень высокой удельной поверхностью и наноразмерными порами. Поры действуют как ловушки для захвата молекул заданного размера, а химические функциональные группы обеспечивают образование плотных монослоев на поверхности стенок. Один конец молекулы жестко связывается с керамической подложкой, а второй остается свободным и может взаимодействовать с веществами, подлежащими удалению.

Такие нанокомпозиты, образующиеся в результате самосборки монослоев на мезопористых подложках, не только весьма эффективны при очистке стоков от ионов тяжелых металлов, но и могут найти многочисленные применения в технологиях, связанных с энергетикой, разделением веществ, катализом и очисткой окружающей среды.

• Молекулы поверхностно-активных веществ, обладающие химической избирательностью, осуществляют самосборку в междоузлиях кремнеземной матрицы, полученной в результате реакций в растворах.

• Полученный материал имеет высокую адсорбционную способность по отношению к ртути и другим тяжелым металлам.

• Многочисленные применения в промышленности и экологии.

Рис. 1. Трехмерные наноструктурные материалы с иерархической самосборкой: самосборка монослоев на мезопористой подложке.

2.8. Уникальный лазер для зондирования окружающей среды

Ученым из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) удалось создать СО лазер, который может перестраиваться по более чем 400 спектральным линиям в диапазонах длин волн от 2,5 до 4 мкм и от 5 до 6,5 мкм. Такой лазер может стать уникальным спектроскопическим инструментом для обнаружения в атмосфере даже малых примесей наркотических, ядовитых и взрывчатых веществ, выявление которых является на сегодня весьма актуальной проблемой.

Идея создания такого лазера пришла группе физиков под руководством кандидата физ.-мат.наук Дмитрия Синицына еще в 2005 году. Дело в том, что спектральные диапазоны излучения СО лазера перекрывают те диапазоны, в которых расположены линии поглощения не только обычных веществ, таких как H2O, CO2, CH4, NO2, NO, ацетон, бензин, метанол и т.д., но и сильных загрязнителей, токсинов, взрывчатых и наркотических веществ. Но для того, чтобы подтвердить оправданность идеи, нужно было провести ряд расчетов. А они уже показали, что лучше всего для решения задач лазерного спектрального анализа многокомпонентных газовых смесей подходит обертонный (когда квант света излучается при переходе молекулы не на соседний колебательный уровень, а через один) СО лазер с криогенным охлаждением и накачкой высокочастотным разрядом.

"Газовые лазеры, обладающие по своей "природе" узкой линией излучения, являются хорошим инструментом для спектрального анализа. Высокочастотный (ВЧ) разряд позволяет относительно просто управлять параметрами накачки, например, переходить из непрерывного в импульсный режим излучения. Что касается криогенного охлаждения, то именно при охлаждении активной среды СО лазера до температуры ниже 77 К он имеет наилучшие выходные характеристики", - объясняет один из членов группы разработчиков нового типа лазера старший научный сотрудник лаборатории Газовых лазеров Отделения квантовой радиофизики ФИАН Леонид Селезнев.

Первые попытки совместить все эти "условия" генерации излучения в одной лазерной установке были предприняты в начале 2000-х годов. Тогда российскими физиками совместно с физиками из США и Германии была впервые экспериментально доказана возможность генерации излучения на обертонных переходах молекулы окиси углерода при возбуждении высокочастотным разрядом и последующим охлаждением до криогенных температур. До этого СО лазеры с накачкой высокочастотным разрядом исследовались только на слегка пониженной температуре и только на основных переходах. Эксперименты производились на немецкой установке, которая, несмотря на немалые размеры (со среднюю жилую комнату), перекочевала в США. Такие размеры были необходимы для получения криогенных температур, для чего требовались мощные и достаточно громоздкие вакуумные насосы.

Тем временем, вернувшись из командировки, российские физики продолжили исследования. И уже здесь, на территории родной лаборатории Газовых лазеров КРФ ФИАН, которой заведует профессор Андрей Ионин, впоследствии будет создан компактный лазер (объем активной среды около 25 мл), воплощающий первоначальную идею.

"Компактного вида установки удалось достичь благодаря возбуждению высокочастотного разряда между двумя близко расположенными друг к другу электродами, то есть, так называемого, щелевого разряда. Так как зазор между электродами в этом случае небольшой, то, охлаждая их до криогенных температур жидким азотом, мы охлаждаем и газ, расположенный между ними. С такой геометрией мы можем вложить в газ энергию и при этом практически не нагреть его", - рассказывает Леонид Селезнев.

Однако получить идеальную установку, отвечающую всем требованиям и ожидаемым характеристикам не так-то просто. Это длительный процесс, требующий нескольких итераций модернизации. Например, для улучшения энергетических характеристик лазера в его активную среду добавляется кислород, но при работе с кислородом и низкими температурами в больших количествах вырабатывается и сжижается взрывоопасный озон [12].

"Обычно электроды располагаются горизонтально щели, но при сильном охлаждении между ними сжижается газ, например, взрывоопасный озон, и выйти ему оттуда при таком расположении электродов практически невозможно. Поэтому было решено поставить электроды вертикально, тогда то, что сжидилось, уходит само собой, а из-за присутствия теплого воздуха еще и испаряется. И подобных модернизаций было еще очень много", - комментирует младший научный сотрудник той же лаборатории Андрей Козлов.

В настоящее время физики из ФИАНа в рамках проекта РФФИ занимаются проработкой в лабораторных условиях различных модельных задач и расчетами характеристик лазера для каждой конкретной задачи. Как показывают расчеты, длина трассы, на которой возможно обнаружение атмосферных примесей, и значение минимально обнаружимой концентрации примесного вещества, в первую очередь зависят от степени поглощения конкретной длины волны излучения в атмосфере. Так, расстояние для дистанционного зондирования атмосферы может достигать как нескольких метров, так и нескольких десятков километров[7].

Таблица 2. Применение наноматериалов в окружающей среде

Наноструктурные материалы и нанотехнологии	Применение в окружающей среде	Свойства и принцип действия
Фильтрующие мембраны из наноструктурных материалов на основе оксида-гидроксида алюминия или железа	Служат для очистки воздуха от газовых выбросов	Пористость таких мембран регулируется размером составляющих ее наночастиц с размером 10-500 им. При прохождении воздуха через такую мембрану происходит каталитическое окисление органических примесей, обезвреживание бактерий, вирусов и пестицидов
Спектральный обертонный (СО) лазер с криогенным охлаждением и накачкой высокочастотным разрядом	Служит для обнаружения в атмосфере примесей наркотических, ядовитых и взрывчатых веществ	Лазер, действующий на обертонных колебательных переходах молекулы окиси углерода перестраивается с одной излучаемой длины волны на другую. Высокочастотный (ВЧ) разряд позволяет относительно просто управлять параметрами накачки, а криогенное охлаждение активной среды СО лазера охлаждается до температуры ниже 77 К и имеет наилучшие выходные характеристики
Углеродные наноматериалы (углеродные нанотрубки)	Эффективная очистка питьевой воды, промышленных и бытовых стоков от органических и неорганических загрязняющих веществ, очистка водоемов от нефтепродуктов.	Углеродные наноматериалы представляют собой смесь наноразмерных графитовых плоскостей, нанотрубок, аморфного углерода с высокой реакционной способностью за счет наличия оборванных углеродных связей. Производится путем самораспространяющегося синтеза в реакторе без дополнительных затрат энергии

Таблица 3. сравнения характеристи обычных и наноматериалов

Нанома-териал	Анологичный по выполняемой функции обычный материал	Преимущества наноматериалов перед аналогами	Недостатки
Нанострук-турный материал МСМ-41	Адсорбенты, мембраны.	Высокая избирательность, долговечность, изностойкость, высокая коррозионная стойкость, устойчивость к влажности среды, удаляет тонкие соединения размером до 10-80нм.	Дорогой материал, отравляется сероводородам и мало подходит для нефти с высоким содержанием серы, механически малостоек.
Мезопорис-тый композит-ный материал	Мембраны, химические реагенты, растворы отстаивания.	Не загрязняет среду и продукт, атмосферу, долгий срок службы, способность удерживать частицы размером до 7нм, коррозионностойкие.	Дорогой материал, отравляется некоторыми органическими ядами, механически не прочен, тяжело восстанавливается.
Лазер для зондирова-ния	Аналогов нет	Выявляет участки загрезнения и разрушения озонового слоя, может широко применятся в различных условиях, долгий срок службы.	Высокая стоимость оборудования, высокая энергоёмкость(лазер накачки), возможность использования только при доступе к источнику энергии с высоким разрядом
Нанострук-туры, обладаю-щие фотокаталитической активно-стью	Химические катализаторы, активаторы, реагенты.	Селективность, долгое старение, долгое сохранение начальных свойств и степени очистки, работа при подводе светового потока	Дорогая цена, высокая степень отравления органическими каталитическими ядами, сложная система организации аппаратурного оформления, т.к. высокая температура при прохождении реакции.
Углеродные нанотрубки	Химические реагенты, электрохимическая очистка, отстаивание, диализ, физические методы.	Не загрязняют среду, селективные, возможно регулирование степени очистки, малая площадь при большой удельной поверхности, высокая степень очистки, обнаружение и удаление частиц размером до 100нм.	Малый срок службы, дорогая стоимость, дорогое обслуживание (по сравнению с электрохимическими методами), требует первоначальных стадий очистки.
Фильтрую-щие мембраны из нанострук-турных материалов	Асбестовые мембраны, органические полимерные мембраны.	Не вредны, долгий срок службы, коррозионностойкие, высокоселективные, экологически безопасные.	Дорогие, требуют квалифицированного обслуживания, сложность конструкции.

Заключение

Нынешняя ситуация не позволяет нам надеяться, что с нанотехнологией у нас "все будет только хорошо". И на производстве, и в лабораториях работа в большинстве случаев ведется без надлежащих мер, обеспечивающих безопасность и защиту работников. Потребители поневоле оказываются в ситуации, когда на них могут оказать воздействие наноматериалы, содержащиеся в продуктах, не имеющих соответствующей маркировки, при этом их никто не информирует относительно потенциальных рисков. Наноматериалы утилизируются и попадают в окружающую среду, несмотря на то, что об их воздействии в настоящее время известно очень мало и пока необходимые средства для обнаружения, отслеживания или удаления этих новых материалов в основном только разрабатываются. Правительства и разработчики нанотехнологий в промышленности редко дают возможность общественности для информированного участия в дискуссиях и принятии решений относительно того, как следует (и следует ли вообще) проводить "нанотехнологизацию" мира.

Направленное перемещение частиц дисперсной фазы под действием приложенной разности потенциалов называется электрофорезом.  Электрофоретическое движение частиц в электролите имеет родственную электроосмосу природу: внешнее электрическое поле увлекает ионы подвижной части ДЭС, заставляя слои жидкости, граничащие с частицами, перемещаться относительно поверхности частиц. Однако в силу массивности объема жидкости и малости взвешенных частиц эти перемещения сводятся в отсутствие внешних сил к движению частицы в покоящейся жидкости. Для непроводящих частиц с плоской поверхностью в системах с тонкой диффузной частью ДЭС скорость электрофореза совпадает со скоростью электроосмотического скольжения, взятой с обратным знаком. Для проводящих сферических частиц скорость электрофореза м. б. рассчитана по уравнению.  где  - удельная электрическая проводимость частицы. В этом уравнении учитываются особенности искажения силовых линий электростатического поля в окрестности проводящей частицы. С увеличением толщины диффузной части ДЭС скорость электрофореза начинает зависеть от отношения дебаевского радиуса к диаметру частицы. В общем случае эта зависимость имеет довольно сложный характер.

Не смотря на все, за последнее время профиль науки расширился, с основным упором на потенциальные долгосрочные воздействия нанотехнологий и, точнее, наноматериалов, на людей и окружающую среду. Как и в случае с любой находящейся на виду технологией, будут задаваться вопросы, но многие наноматериалы служат нам уже много лет, не вызывая никакой озабоченности. Тем не менее, для успеха данной отрасли очень важно, чтобы этой озабоченности уделили должное внимание. Основной вопрос здесь в следующем: имеются ли какие-либо неблагоприятные воздействия в дополнение к тем, которые уже выявлены для этих материалов, возникающие только потому, что эти материалы находятся в наноформе? Также наноматериалы вряд ли будут использоваться без введения в какую-либо иную среду, такую как композит или жидкость. Исследования воздействий наноматериалов сейчас ведутся, и на данный момент трудно сделать какие-либо окончательные выводы, но имеются данные, что у этого типа материалов все-таки будут положительные воздействия, как на людей, так и на окружающую среду.

Список использованной литературы

1. Алексеева О. Воздействие наноматериалов на окружающую среду (Опубликовано в Tiniel 30 июля, 2008)-журнал «NanoWeek» № 28 2008.

2. Стасовский Ю.Н. Нанотехнологии и наноматериалы - журнал «Металл клуб» №3 2008.

3. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию. – М.:Бином, 2005.

4. Авторское право: Project Syndicate Что нужно для безопасного использования наноматериалов(перевод с английского: Е.Унанянц)-[электронный ресурс]-режим доступа: http://www.popnano.ru/ec2006

5. Пастухов Е. Нанотехнологии – ключевой приоритет обозримого будущего - журнал Нанотехнология №6 2008-[электронный ресурс]-режим доступа:http://www.nanorf.ru

6. Ткачев А.Г. Фильтрующие элементы-[электронный ресурс]-режим доступа:http://www.polimery.ru

7. Ковальчук М.В. Нанотехнологии 21 века - Российские нанотехнологии №1 2007-[электронный ресурс]-режим доступа:http://www.nanorf.ru

8. Шевченко В.Я., Шудегов В.Е. Развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий – доктрина, 2009.

9. Шевченко В.Я. Лаборатория исследования наноструктур (ЛИН)-журнал "Ремедиум" №9 2008.

10. http://www.bll.ru/default.aspx?id=10

11. http://www.infrahim.ru/sprav/spravochnik/article/30.html

12. http://www.elsosbit.ru/news/novaja-tehnologija-pokrytija-povysila-kachestvo-radiatorov-kinhil

38