Нанотехнологии: назад в будущее

Говорят, что нанотехнологии - это наше будущее. На самом деле пользуемся мы ими давно, просто не знаем, что они «нано». Более того, нанотехнологии применяли уже три тысячи лет назад. В статье рассказывается о том, как мастера и ученые разных времен и и народов манипулировали нанообъектами, еще не понимая, что делают именно это. И если уж их технологии заслуживают модной приставки «нано», то современным химикам тем более не стоит упускать эту возможность.
Основатель нанотехнологий - знаменитый американский физик и лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман. Он довольно подробно рассмотрел последствия безграничной миниатюризации с позиций теоретической физики в своем известную выступлении перед Американским физическим обществом в декабре 1959 года. Правда термин «нанотехнологии» был введен позже, а широкое распространение получил только в последние годы.
Однако тот факт, что мелкие частицы различных веществ обладают другими свойствами, чем то же вещество с более крупными размерами частиц, был известен давно. Люди занимались нанотехнологиями и не догадывались об этом. Конечно, нельзя говорить о широком и осознанное использование таких технологий, поскольку во многих случаях секрет производства просто передавали из поколения в поколение, не вдаваясь в причины уникальных свойств материалов. Древний Египет
Недавние исследования захоронений, проведенные доктором Филиппом Вальтером из Центра исследований и реставрации французских музеев, показали, что в Древнем Египте нанотехнологии применяли для окрашивания волос в черный цвет. Группа исследователей не только изучила образцы волос из древнеегипетских захоронений, но также в серии экспериментов воспроизвела древнюю технологию покраски.
До этого считалось, что египтяне использовали преимущественно натуральные растительные красители - хну и басму. Однако оказалось, что в черный цвет волосы красили пастой из извести Ca (OH) 2, оксида свинца PbO и небольшого количества воды. В процессе окрашивания выходили наночастицы галенита (сульфида свинца).
Естественный черный цвет волос обеспечивает пигмент меланин, который в виде включений распределен в кератине волос. Древнеегипетским парикмахерам удавалось добиться, чтобы красящая паста реагировала с серой, которая входит в состав кератина, и образовывались частицы галенита размером до пяти нанометров. Они и обеспечивали равномерное и стойкое окрашивание. При этом процесс затрагивал только волосы, а в кожу головы соединения свинца не проникали.
Древний Рим
Чаша Ликурга (IV век до н.э.) - один из выдающихся произведений древнеримских стеклодувов, хранящейся в Британском музее. Этот кубок необычен не только своими оптическими свойствами, но и уникальной для того времени методике изготовления. Матовая зеленая чаша становится красной, если ее осветить изнутри.
Впервые анализ фрагмента чаши Ликурга провели в лабораториях «Дженерал электрик» в 1959 году - ученые пытались выяснить, что это за уникальная красящее вещество. Химический анализ показал, что хотя чаша состоит из обычного натриево-известково-кварцевого стекла, в нем есть около 1% золота и серебра, а также 0,5% марганца. Тогда же исследователи предположили, что необычный цвет и рассеивающий эффект стекла обеспечивает коллоидное золото. Очевидно, что технология получения подобного материала была очень сложной.
Позже, когда методики исследования стали более совершенными, ученые обнаружили с помощью электронного микроскопа и рентгенограммы частицы золота и серебра размером от 50 до 100 нм. Именно они отвечали за необычную окраску кубка. Профессор Гарри Етуотер в своей обзорной статье о плазмонов, опубликованной в апрельском номере «Scientific American» 2007 года, объяснил это явление так: «Благодаря плазмонного возбуждению электронов металлических частиц, распределенных в стекле, чаша поглощает и рассеивает синее и зеленое излучение видимого спектра (это сравнительно короткие волны).
Когда источник света снаружи и мы видим отраженный свет, то плазмонный рассеяния предоставляет чаши зеленоватый цвет, а когда источник света оказывается внутри чаши, то она кажется красной, так как стекло поглощает синюю и зеленую составляющие спектра, а более длинная красная - проходит ».
Витражи
Яркие цвета витражей, украшающих храмы средневековой Европы, поражают нас до сих пор. Исследования показали, что стекло делали цветным добавки наночастиц золота и других металлов. Чжу Хуай Юн из Технологического университета Квинсленда (Австралия) высказал предположение, что витражи были не только произведениями искусства, но и, выражаясь современным научным языком, фотокаталитическими очистителями воздуха, удаляют органические загрязнения. Катализаторами служили те же наночастицы золота. Ученый доказал, что крошечные частицы золота на поверхности стекла под воздействием солнечного света переходили в возбужденное состояние и могли разрушать органические загрязнения (те, которые к ним долетали). Более того, они и сегодня сохраняют свою каталитическую активность.
«Когда золото измельченные до размеров наночастиц, оно становится очень активным под действием солнечного света. Электромагнитные колебания солнечного излучения резонирует с колебаниями электронов золотых наночастиц. В результате общее магнитное поле на поверхности наночастиц золота увеличивается в сотни раз и разрушает межмолекулярные звьязкb загрязняющих агентов, содержащихся в воздухе ». Профессор Чжу предполагает, что побочным продуктом этих реакций был углекислый газ, который в небольших количествах сравнительно безопасный.
В настоящее время аналогичная технология лежит в основе создания эффективных очистителей воздуха. Для их работы достаточно солнечного света, нагревает наночастицы золота, тогда как обычные очистители (у них обычно используют оксид титана, серебро) требуют гораздо больше энергии для нагрева всего катализатора.
Восток - дело тонкое
Во время крестовых походов европейцы столкнулись с лезвиями из дамасской стали, обладающие уникальными свойствами. Европейские оружейники не умели делать такие клинки. У них был характерен волнистый узор на поверхности (его по названию плетения ткани называли Дамаск), необычные механические свойства (гибкость и твердость) и исключительно острое лезвие.
Считается, что дамасские лезвия выковывали из небольших «пирогов» стали (его называли вуц), произведенных в Древней Индии. Сложная термомеханическая обработка, ковка и отжиг, применяемые при получении вуца, оказывали стали необычные свойства и обеспечивали ее исключительное качество. Чаще всего в литературе можно встретить «рецепт» производства вуца, который был на ходу в Салеме и некоторых частях Майсора (Южная Индия).
Кусок плавки железа, полученный из магнитной руды, весом около фунта мелко дробится, увлажняется и помещается в горн из огнеупорной глины вперемешку с мелко нарубленными кусками древесины ранавара (Cassia auriculata, дерево семейства бобовых). После плавки в горне открытые горшки покрывают зелеными листьями калотрописа (Calotropis gigantea), поверх которых накладывают лепешки из глины, высушенной на солнце до твердого состояния. Древесным углем заменить зеленые листья нельзя, получится не то. Дюжины две таких горшков (тиглей) размещают на пол печи, жар в которой поддерживают с помощью мехов из бычьих пузырей. Топливом служило в основном древесный уголь и высушенные на солнце коровьи лепешки. Через два-три часа плавки тигле остужают, раскалывают и оттуда извлекают заготовку, которая по форме и размеру напоминает половину яйца. Согласно записям известного путешественника и купца Жана-Батиста Тавернье, лучшие заготовки для стали делали во Голконда (Центральная Индия). Они были размером с небольшой пирог, и их хватало на два меча.
Образец стали, взятый от настоящей дамасской сабли работы известного оружейника семнадцатого века Асседа Уллаха, ученые Дрезденского университета (Германия) четыре года назад исследовали с помощью электронного микроскопа высокого разрешения. В структуре материала они обнаружили углеродные нанотрубки. Ученые и до этого не раз пытались определить микроструктуру дамасской стали, но в этот раз они сначала протравили образцы соляной кислотой, и именно это дало неожиданные результаты. После обработки оказались неразрушенными структуры цементита (карбида железа, который укрепляет сталь). Это позволило физикам предположить, что волокна цементита заключены в углеродные нанотрубки, которые и защищают его от растворения в соляной кислоте.
Откуда в дамасской стали взялись нанотрубки? Сформировались из углеводородов внутри микропор, причем катализатором могли служить ванадий, хром, марганец, кобальт, никель и некоторые редкоземельные металлы, содержащиеся в руде. При производстве дамасской стали температура обработки была ниже стандартной - 800 ° C. При циклической тепловой обработки выходили углеродные нанотрубки, которые потом превращались в нановолокна и крупные частицы цементита (Fe3C). Циклическая механическая обработка (поковки) и соответствующий температурный режим постепенно распределяли углеродные нанотрубки в плоскостях, параллельных плоскости ковка, делая микроструктуру стали мелкозернистой и пластинчатой. И действительно, как показали последние исследования ученых из Дрезденского технического университета, микроструктура цементита представлена нановолокнами.
Авторы исследования считают, что особое слоистая структура дамасских лезвий связана также с примесями, содержавшиеся в руде из редких индийских месторождений. Уменьшение запасов этой руды привело к тому, что многие оружейников, которые не знали тогда о легирующие элементы, не смогли получить дамасской стали, и после истощения рудников в конце XVIII века никому так и не удалось полностью воссоздать ее. Даже зная древний рецепт, европейские оружейники не смогли сделать настоящую дамасская сталь, которая имела уникальные свойства благодаря наноструктурах.
Удивительные свойства серебра
Серебро используется как природный антибиотик уже несколько тысячелетий. Первое упоминание о том, что серебро обеззараживает воду, можно найти у древнегреческого историка Геродота. Он писал, что персидский царь Кир пил воду только из определенной реки. В путешествии он брал с собой целый караван серебряных вещей, наполненных этой водой, и она всегда была свежей.
В XIV веке от чумы умерло более четверти населения Европы. И хотя к тому времени была неизвестна причина заболевания, но было замечено, что богатые люди заражались довольно редко. Есть основания считать, что богатые ели из серебра и это до некоторой степени защищало их от бактерий, вызывающих чуму.
Известно, что американские пионеры клали серебряный доллар в молоко, чтобы сохранить его свежим. Во второй половине XIX века немецкий акушер-гинеколог Карл Кредо открыл мощный антигонорейний эффект 1%-ного раствора азотнокислого серебра. Это открытие позволило ликвидировать в родильных домах Германии гнойные гонорейные воспаления глаз у новорожденных.
Немецкий хирург Бенне (Stuart Bennett Кредо, продолживший исследования своего отца, на XII международном съезде врачей доложил о широких возможностях применения препаратов серебра в гнийнии хирургии и о хороших результатах лечения септической инфекции их введением. Существующие на тот момент препараты на основе солей серебра владели прижигающими эффектом. Бенне (Stuart Bennett Кредо совместно с химиками предложил использовать серебро в неионизированной состоянии - в виде коллоидных частиц металлического серебра. По сути, это были наноразмерные частицы серебра, взвешенные в воде.
После этого были созданы лекарственные препараты протаргол (золь оксида серебра) и колларгол (коллоидный раствор серебра). Высокая бактерицидная эффективность коллоидного серебра связана с тем, что оно подавляет работу фермента, который обеспечивает кислородный обмен в бактериальных клеток - это вызывает их гибель.
С открытием антибиотиков и сульфаниламидов интерес к препаратам серебра снизился. Но в последнее время за побочных эффектов этих лекарств (аллергия, дисбактериоз, токсическое воздействие на внутренние органы, развитие полирезистентности патогенных бактерий к антибиотикам) противомикробные свойства серебра вновь стали привлекать внимание медиков. Современные исследования коллоидного серебра показали, что оно обладает способностью обезвреживать некоторые штаммы вируса гриппа, а также энтеро-и аденовирусы.
Сегодня нанотехнологии интегрированы в огромное количество научных дисциплин, а современные методы позволяют создавать наноматериалы с заданными свойствами. Когда в древности применения нанотехнологий носило случайный характер. Суть была непонятна, поэтому производство уникальных материалов сводилось к точного повторения стадий технологий. Только теперь с помощью современных методов исследования мы узнаем, что это были наноматериалы.

 статья здесь
http://www.skybox.net.ua/node/157