Нанотехнологии: настоящее и будущее
Шрифт:
Средневековые мастера, изготавливавшие стекла для витражей соборов и замков, заметили, что крохотные частички золота меняют цвет в зависимости от своих размеров. Они могут быть зелеными, оранжевыми, красными, пурпурными. Добавляя эти частички в стекольную массу, можно получить разноцветные стекла изумительной красоты.
То же самое происходило, если золотые частички подмешивали в глазурь, которой покрывали затем дорогие изделия. Старинные мастера умели создавать истинные произведения искусства, но объяснить, почему изменяется цвет золотых частичек, они не смогли бы.
В
Или вот еще один пример. В Карелии, вблизи Онежского озера царь Петр I повелел создать курорт Марциальные воды, первый в России. Целебная сила этих вод была давно известна. Но только сотни лет спустя после основания курорта удалось выяснить причину целебности марциальной, или шунгитовой, воды.
Причина же состоит в том, что на воду источника воздействует залегающий здесь минерал шунгит, содержащий природные наночастицы. Они-то и делают воду полезной для здоровья.
Любопытно, что шунгит, как полагают ученые, образовался в давние-предавние времена в результате падения огромного метеорита. Сильнейший удар космической глыбы о землю породил и минерал шунгит, и чудодейственные частицы.
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
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.