Кое-что о наночастицах

В последнее десятилетие популярными и модными стали названия с приставкой «нано»: наночастицы (сюда входят и графены, фуллерены), нанотрубки, наноструктуры, наноглина, нанопластика и многие другие. К наночастицам относят твердофазные или жидкофазные частицы наноразмеров (от 1 до 100 нм - ультрадиспесные, иногда размерность расширяют до 300 - 500 нм - выскодисперсные).  Многие думают, что это что-то новое. Это не совсем так. Наноразмерные системы и частицы - это очень распространенные явления в Природе:
вирусы и бактерии (в основном нанобактерии), молекулы ДНК;
космическая пыль (10-150 нм);
вулканическая пыль;
пыль природных пожаров (содержит помимо сажи, графены, нанотрубки и фуллерены);
кристаллы соли и диметилсульфида над морями и океанами;
пыль от природных эрозионных процессов (выветривания);
выделения черных курильщиков в океанах;
гидротермальные растворы;
облака и пар, кристаллики льда.
К природным наноструктурам относятся, например, структуры на листьях лотоса, которые придают ему исключительные гидрофобные свойства (т.е. полное не смачивание).

Нано частицы в атмосфере  в основном влияют на рассеивание света, так как их размеры совпадают с длинами волн видимого света:
 Яркий желто-оранжевый закат можно увидеть,  когда атмосфера достаточно чиста (до 6 тыс. наночастиц на 1 сантиметр кубический в слое 3 км). К примеру, после недавнего дождя.
Если в атмосфере более 6 тысяч наночастиц, то закат приобретает оранжево-красный цвет.
При перегрузке атмосферы наночастицами закат становится красным.
Изучением наночастиц (под названием «ультрадисперсные») занималась коллоидная химия. Интерес к наночастицам породил массу научных исследований, в результате которых и стало известно то, что приведено выше.

Кроме того, эти исследования были связаны с получением, изучением уже техногенных наночастиц. Нанотрубки, например, сначала были синтезированы в лаборатории, а позднее обнаружены и в Природе.

Техногенная человеческая цивилизация добавила к природным наночастицам и большое количество своих:
Частицы выбросов тепловых электростанций, металлургических предприятий и любых котелен, домашних печей (последние вызвали известный эффект смога в Лондоне);
Частицы, образующиеся при добыче полезных ископаемых (открытым и подземных способом) и их переработка;
Частицы, образующиеся при сжигании мусора (включая листву, стерню на полях);
Частицы аэрозолей промышленного, бытового и косметического назначения;
Частицы табачного дыма;
Частицы, образующиеся при сжигании жидкого автомобильного топлива в ДВС;
Частицы, образующиеся при сжигании жидкого авиационного топлива и топлива ракет;
Частицы, образующиеся при разрушении дорожного покрытия при движении автотранспорта;
Частицы пыли от машин (на полях и грунтовых дорогах);
Частицы  от техногенных пожаров и военных действий;
Частицы  косметических средств (мыла и кремы для защиты от УФ излучения, которые содержат диоксид титана);
Частицы, образующиеся при стирке (за счет истирания);
Частицы, образующиеся при разложении полимерных материалов;
Частицы, образующиеся при переработке сх продукции  (очистка, измельчение);
Частицы, образующиеся при реакциях в сточных водах.

Таким образом, зафиксировано и техногенное загрязнение Земли наночастицами.

На сегодняшний день проведено уже достаточно много исследований, показывающих опасность наночастиц для здоровья людей и Биосферы. Эта опасность связана, как непосредственно с размерами наночастиц, способными проникать в живые организмы, так и с необычными свойствами наночастиц. В интернете можно найти много материалов по этой проблеме.

Прежде, чем  понять, что такое наночастицы и их свойства, надо вспомнить что-то из школьного курса химии.

Большинство, надеюсь, помнят со школы, что все вещества (и мы сами в том числе)   состоят из химических элементов. Химические элементы – атомы и молекулы – это еще не вещество. Веществом они становятся, когда объединяются с помощью химических связей (ковалентных и ионных) и  дисперсионных (электростатических) сил.

Относительно недавно стало известно, что при переходе от химических элементов к веществам (жидким или твердым) существует промежуточная фаза – наночастицы. Они уже не химические молекулы в чистом виде, но еще и не вещество. Почему? По некоторым своим свойствам.

Частицы вещества – это частицы, в которых однородные или разнородные  атомы и молекулы химических элементов, как сказано выше, объединены с помощью химических и дисперсионных связей. Все бы ничего, но любая частица вещества внешний имеет слой, граничащий с окружающей средой (газовой или жидкой).  Состояние внешних атомов и молекул в этом слое отличается от атомов и молекул внутренних слоев. Чем отличается? Силами взаимодействия. Внутри частицы вещества атомы и молекулы связаны одинаковыми по силе взаимодействиями, а внешние – лишь частично. Эта разница сил направлена внутрь частицы и создает поверхностное натяжение и  свободную поверхностную энергию.

Эта свободная поверхностная энергия должна быть чем-то компенсирована. И она компенсируется атомами и молекулами, которые находятся в окружающей частицу среде. Эта свободная поверхностная энергия обеспечивает такие явления как адсорбция – самопроизвольное увеличение растворенного (в растворителе или газе) вещества на границе двух фаз (твердое-жидкое, твердое – газ или жидкое-газ) - и адгезия.   Явление адсорбции приводит к тому, что на поверхности частиц образуются адсорбционные слои из молекул жидкости (или растворенных веществ в жидкости) или газов.

Любая частица вещества (твердого или жидкого) характеризуется такими физическими параметрами, как объем и поверхность. От соотношения объема и поверхности зависят многие физико-химические свойства веществ (например, температуры плавления и возгорания).

Наночастицы отличаются тем, что имеют максимальную поверхность относительно своего объема. Это и придает наночастицам уникальные свойства.
Одной важной особенностью является то, что наночастицы не теряют своих свойств при совмещении с иными твердыми или жидкими веществами. Это, например, уже используется в науке и технике при создании наноструктур на поверхности твердых тел.

Повторюсь, что наночастицы и наноструктуры – это изобретение Природы, а не человека. Человек на основании знаний о природных наночастицах и структурах создает новые частицы и структуры.

Рассмотрим несколько интересных эффектов наноструктур.

1. Твердые наночастицы в воздухе или высокодисперсная пыль. За счет адсорбции на поверхности частиц определенных молекул из воздуха (кислорода или углекислого газа) образуются достаточно прочные адсорбционные слои. В результате кажущаяся удельная или объемная плотность частиц уменьшается, что увеличивает ее «плавучесть» (за счет архимедовой силы). Это приводит к тому, что наночастицы (вплоть до 300 нм) не осаждаются очень длительное время. Этому способствует и еще один  интересный  фактор: воздух, как система, перестает отличать наночастицы от иных компонентов воздуха, так как частицы прикрыты слоем молекул компонентов газов. Такие частицы и трудно удалить из воздуха с помощью воды, т.к. адсорбционный слой придает этим частицам гидрофобность   
(не смачиваемость каплями жидкости). Гидрофобности таких частиц способствует размеры самих частиц (малая площадь контакта, как и у наноструктуры на листе лотоса). Удаление (механическое) таких частиц возможно с помощью фильтров или  другой наносистемы – тумана.

2. Твердые наночастицы в воде. За счет явления адсорбции на поверхности твердых тел образуются гидратные слои. Толщина гидратных слоев различна в зависимости от химического состава твердых тел, наличия полярных и кислородсодержащих групп. Большинство твердых веществ имеют отрицательный заряд поверхности. Молекулы воды – это диполи (разнесенные заряды «+2 и «-«). Поэтому вода может адсорбироваться за счет разности зарядов. Гидратный слой имеет свою структуру. Первые к поверхности слои максимально прочно связываются с поверхность. Далее следует диффузный слой (также разной толщины в зависимости от свойств твердого тела). Граница между прочными слоями молекул воды и диффузным слоем – это граница скольжения (т.е. наличие минимального трения при движении воды). Понятно, что у гидрофильных наночастиц будет максимальным прочный гидратный слой. Эти гидратные слои делают наночастицу «своей» для воды, т.е. молекулы воды не опознают наночастицу, как фазу в воде.
Снижение трения при движении в воде важно для судов и, особенно, для подводных лодок. Сегодня эта проблема частично решается для подводных лодок с помощью высокомолекулярных полимеров (подсмотрено у дельфинов) и с помощью пара (который образует слой скольжения между обшивкой и водой).  Эта проблема может успешно решаться и с помощью гидрофильных наноструктур, которые способны создавать толстые гидратные слои на поверхности корпуса судов и подводных лодок.

3. Наноструктуры и летающие животные. На сегодня доказано наличие наноструктур у насекомых и птиц (перья). Какую же роль могут играть наноструктуры для летающих животных? Для водных и воздушных сред справедливо правило Архимеда – связь выталкивающий силы с плотностью объекта. Большинство летающих животных имеют невысокую объемную плотность. Для птиц эволюция даже обеспечила пустые кости. Однако неучтенным является фактор влияния наноструктур на объемную плотность летающих животных. Как уже сказано выше, наноструктуры имеют  очень высокую площадь поверхности и адсорбционную способность. То есть на всех наноструктурных элементах летающих животных адсорбируются молекулы газов, содержащихся в воздухе. И это также способствует снижению объемной плотности летающих животных.