Страница 2 из 3
Что такое «нано»
Греческое слово «нанос» переводится как «гном», «карлик». От этого слова и произошла приставка «нано», означающая одну миллиардную часть любой меры длины. Например, один нанометр меньше метра в один миллиард раз, или равен одной миллионной доли миллиметра.
Вообразить такую величину, на много меньшую микроскопической, почти невозможно. Мы привыкли к другим размерам, значительно большим. Их называют макроскопическими.
Один из витражей, украшающих Кельнский собор
Толщина человеческого волоса равна примерно 50 тысячам нанометров. Величина микроба – это сотни нанометров. Опыты показывают, что наш глаз без микроскопа способен разглядеть объект размером не менее 10 тысяч нанометров. Где уж тут увидеть микроорганизмы, не говоря об атомах и молекулах.
Размер атома водорода, самого маленького атома из всех, – около одной десятой нанометра. Сказать иначе, на отрезке в один нанометр могут поместиться бок о бок десять водородных атомов. Меньше нанометра также небольшие молекулы, свободно блуждающие в пространстве. Нанонаука занимается изучением мельчайших частиц, размер которых хотя бы по одному параметру из трех (ширине, длине, высоте) равняется от одного до ста нанометров.
Мир наночастиц – особый, совершенно отличный от привычного нам большого макромира. При наноразмерах основные, или фундаментальные, химические, физические, электрические, оптические свойства совсем другие, чем при макроразмерах. В подтверждение этого только один пример.
В школе все изучают закон Ома, определяющий зависимость между силой электрического тока, его напряжением и сопротивлением проводника. Для «большого» провода этот закон строго соблюдается. Однако он уже не действует, если сечение провода имеет размер в один атом. В обычных условиях электроны могут двигаться по проводнику свободно. Другое дело – по нанопроводу. Тут они должны идти лишь строем, гуськом, по одному, то есть совсем не по закону Ома.
Старинный собор в немецком городе Кельне
Чтобы ясно представить изменения, происходящие с веществом при переходе в наномир, мысленно разрежем большой куб из чистого золота на восемь равных кубиков. Разумеется, свойства каждого из них останутся теми же, что и были.
Будем таким же образом разрезать наши золотые кубики все дальше и дальше. Даже когда они достигнут микроскопических размеров, свойства их не изменятся. Но так будет лишь до тех пор, пока мы не перейдем через границу наномира и кубики не превратятся в наночастицы. Тогда мы увидим, что цвет золота начнет меняться. Из желтого и блестящего оно превратится в красное, оранжевое, зеленоватое, в зависимости от размеров кубика.
Объясняется это тем, что общая поверхность частиц при измельчении до наноразмеров увеличивается в миллионы раз. Вместе с этим возрастет и химическая активность золота, а также изменятся его оптические свойства. Оно будет плавиться уже при другой температуре, иначе проводить электричество, изменится его твердость. Но самое интересное, что вступит в права совсем другая физика, квантовая, при которой свойства веществ изменяются дискретно, то есть скачками, неделимыми порциями, квантами.
И такие превращения будут происходить с любым материалом: железом, медью или свинцом. Но интересно, что при соединении частиц вместе нанозолото снова превратится в обычное, со своими прежними свойствами.
Чудеса нанотехнологий
Поведать об удивительных свойствах наночастиц всех веществ в коротком рассказе невозможно. Для этого понадобилась бы большая, толстая книга. Исследованием свойств наноматериалов занимаются целые институты и крупные фирмы. Способы производства и применения таких материалов получили название нанотехнологий.
Кто же не знает, что вода, обработанная серебром, говоря другими словами, содержащая наночастицы серебра, может храниться, не портясь, годами и даже становиться целебной? При этом, уничтожая микробы и вирусы, серебряные наночастицы ничуть не повреждают человеческий организм, для него они безвредны. И самое замечательное, что с течением времени эти частицы никуда не деваются, не исчезают, а их защитная сила остается прежней.
Бактерицидная ткань с серебряными нанопроволочками, уничтожающими болезнетворные бактерии и вирусы
Давно возник вопрос: нельзя ли с помощью наночастиц серебра усилить действенность различных косметических и гигиенических средств? Оказалось, что можно. Появились зубная паста, кремы и шампуни с серебряными наночастицами, лучше очищающие, сильнее смягчающие.
Было выяснено также, что ткань, в которую добавлены наночастицы серебра, сама себя очищает, дезинфицирует. Значит, если из такой ткани пошить медицинские халаты, то они всегда будут оставаться стерильными. Да и не только они. Из подобной же наноткани можно изготавливать больничное постельное белье, полотенца, занавески. Очень важно, что при стирке этих вещей наночастицы не вымываются, остаются и продолжают обеспечивать стерильность.
Но и это еще не все. Уже существуют специальные бактерицидные аэрозоли с серебряными наночастицами. Они намного эффективнее других химических средств для обработки бытовых предметов и вещей из стекла, керамики, дерева и к тому же безвредны.
Нанотехнологи разработали специальные дезинфицирующие нанокраски для окрашивания стен больничных помещений, где требуется особая чистота. Созданы также угольные фильтры с наночастицами серебра для очистки воды, действующие долго и надежно.
Вот какими ценными свойствами обладают серебряные наночастицы, защитники от болезнетворных микробов и вредных веществ. Но есть и другие защитники.
Химическое соединение цинка с кислородом, оксид цинка, отличается тем, что его наночастицы способны поглощать различные виды электромагнитного излучения: радиочастотное, микроволновое и др. Стекла солнечных очков с наночастицами оксида цинка надежно защищают от ультрафиолетовых лучей. А одежда, изготовленная из материалов с теми же частицами, не только послужит преградой для ультрафиолета, но и защитит от перегрева.
Уникальными свойствами обладают и наночастицы диоксида кремния (химического соединения кремния с кислородом). Достаточно покрыть, например, стену этим веществом, и она становится самоочищающейся: грязь к ней уже не пристает.
Можно сделать незагрязняющейся и одежду, обработав ее раствором с наночастицами диоксида кремния. После обработки этим составом жир, мороженое или пролитое по неосторожности кофе не смогут оставить пятен на платье, рубашке или костюме.
И это только три примера удивительных свойств частиц из наномира.
Одежда, сшитая из наноткани, созданной в Англии, вырабатывает электричество. Оно возникает при трении нановолокон друг о друга и может быть использовано, например, для обогрева
Рождение невидимок
Но как получить наночастицы, как их изготовить? Ученые придумали ряд способов. И хотя они разные, их можно свести к трем основным.
Первый способ заключается, говоря упрощенно, в том, что исходные материалы измельчают подобно тому, как зерно перемалывают в муку. Образовавшаяся «наномука» и есть масса наночастиц. Это наиболее простой способ. У него есть научное название – диспергационный метод.
Но дробить вещество можно не только механически. Российские нанотехнологи предложили другой способ измельчения: мощным электрическим разрядом, электрическим импульсом, как говорят физики. Для этого тонкая металлическая проволока закрепляется между двумя электродами. На них подается электрический ток. Проволока взрывается и превращается во множество наночастиц.