Нанотехнологии в охране окружающей среды

Структуру нанотрубок можно представить  себе так: берем графитовую плоскость, вырезаем из нее полоску и «склеиваем» ее в цилиндр (на самом деле, конечно, нанотрубки растут совсем по-другому). Казалось бы, что может быть проще – берешь графитовую плоскость и сворачиваешь в цилиндр! – однако до экспериментального открытия нанотрубок никто из теоретиков их не предсказывал. Так что ученым оставалось только изучать их и удивляться.

А удивляться было чему – ведь эти  изумительные нанотрубки в 100 тыс. раз  тоньше человеческого волоса оказались  на редкость прочным материалом. Нанотрубки в 50_100 раз прочнее стали и имеют  в шесть раз меньшую плотность! Модуль Юнга – уровень сопротивления материала деформации – у нанотрубок вдвое выше, чем у обычных углеродных волокон. То есть трубки не только прочные, но и гибкие, и напоминают по своему поведению не ломкие соломинки, а жесткие резиновые трубки. Под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки ведут себя довольно экстравагантно: они не «рвутся», не «ломаются», а просто-напросто перестраиваются!

Эти необычные свойства нанотрубок можно использовать для создания искусственных мускулов, которые при одинаковом объеме могут быть вдесятеро сильнее биологических, не боятся высоких температур, вакуума и многих химических реагентов.

Из нанотрубок можно создать  сверхлегкие и сверхпрочные композиционные материалы, чтобы шить из них одежду, не стесняющую движений, для пожарных и космонавтов. Нанокабель от Земли до Луны из одиночной трубки можно было бы намотать на катушку размером с маковое зернышко. Небольшая нить диаметром 1 мм, состоящая из нанотрубок, могла бы выдержать груз в 20 т, что в несколько сотен миллиардов раз больше ее собственной массы!

Правда, в настоящее  время максимальная длина нанотрубок составляет десятки и сотни микрон – что, конечно, очень велико по атомным  масштабам, но слишком мало для повседневного  использования. Однако длина получаемых нанотрубок постепенно увеличивается  – сейчас ученые уже вплотную подошли к сантиметровому рубежу. Полиучены многослойные нанотрубки длиной 4 мм. Поэтому есть все основания надеяться, что в ближайшем будущем ученые научатся выращивать нанотрубки длиной в метры и даже сотни метров. Безусловно, это сильно повлияет на будущие технологии: ведь невидимый невооруженным взглядом «трос» в тысячи раз тоньше человеческого волоса и способный удерживать груз в сотни килограмм найдет бесчисленное множество применений.

Нанотрубки бывают самой  разной формы: однослойные и многослойные, прямые и спиральные. Кроме того, они демонстрируют целый спектр самых неожиданных электрических, магнитных, оптических свойств.

Например, в зависимости  от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости (хиральности) нанотрубки могут быть как проводниками, так и полупроводниками электричества. Электронные свойства нанотрубок можно целенаправленно менять путем введения внутрь трубок атомов других веществ.

Пустоты внутри фуллеренов и нанотрубок давно привлекали внимание ученых. Эксперименты показали, что если внутрь фуллерена внедрить атом какого-нибудь вещества (этот процесс носит название «интеркаляция», т.е. «внедрение»), то это может изменить его электрические свойства и даже превратить изолятор в сверхпроводник!

 

 

 

Однослойные углеродные нанотрубки

Со времен Галилея  точные приборы и инструменты  в руках умелых ученых часто становились  источником новых открытий. Нанотехнологии также способствовали появлению  более мощных и точных инструментов.

Ричард Смолли изобрел  инструмент, с помощью которого ему удалось обнаружить фуллерены и перевернуть прежние представления. С тех пор ученые добились значительных успехов в изучении фуллеренов, но исследования однослойных углеродных нанотрубок (ОСУН) считаются наиболее перспективной областью современной науки. Многие ученые считают, что возможности углеродных нанотрубок намного превосходят потенциал фуллеренов. Они исследуют характеристики связей между атомами углерода в ОСУН, которые позволят понять и предсказать их химические свойства. Например, ученые следят, как атомы некоторых металлов образуют сложные образования с ОСУН, и таким образом прослеживают тонкие химические взаимосвязи на отдельных этапах создания ОСУН.

Группе Смолли удалось  синтезировать удивительно длинные  и симметричные ОСУН. Смолли верил, что ОСУН обладают практически неограниченным потенциалом для усовершенствования современных методов передачи энергии. Он обнаружил, что нанотрубки могут очень хорошо проводить электрический ток, обладая гораздо меньшей, чем металлические провода, массой без ущерба для прочности. Путем точной подгонки размеров можно создать конфигурацию «трубка в трубке», то есть поместить проводящую нанотрубку внутрь изолирующей нанотрубки. На рисунке 5 показаны примеры такой конфигурации на основе обычного медного провода и ОСУН.

 

Рис. 5. Концентрические нанотрубки (справа) могут стать основой для более эффективной передачи электрического тока по сравнению с обычной технологией на основе изолированного медного провода (слева)

Крупнейшие японские автомобильные концерны («Тойота», «Хонда» и другие) уже обратили пристальное внимание на развитие нанотехнологий, связанных с производством новых источников энергоснабжения и возможностью массового выпуска экологически безопасных средств транспорта.

 

Озоновый слой

Другой важной экологической проблемой является сохранение озонового слоя атмосферы, который расположен примерно на высоте 20 километров и играет исключительно важную роль в защите поверхности планеты от ультрафиолетового излучения Солнца. Известно, что в последние годы озоновый слой разрушается под воздействием многих химических реагентов, используемых в быту и промышленности. Основную роль в процессах разрушения озонового слоя играют фреоны, которые являются не «природными», а искусственными продуктами и производятся химической промышленностью для различных целей (аэрозоли, хладагенты, установки кондиционирования воздуха и т.д.).

Уменьшение озонового  слоя на 1% сразу приводит к повышению  частоты заболевания раком кожи на 3–6% и лейкемией – на 1%. Уменьшение озонового слоя на 10% имело бы катастрофические последствия, так как, в соответствии с некоторыми прогнозами, число страдающих раком кожи возросло бы сразу на 20%, а число болеющих лейкемией – на 1,6–1,7 миллиона человек. Вот уже около 10 лет наблюдается заметное разрушение озонового слоя, что ученые связывают с нарастающим выбросом в атмосферу различных фреоновых соединений. Наилучшим решением проблемы стало бы, конечно, полное запрещение использования фреонов, однако это является нереальным, и в наше время интенсивно ведется поиск веществ, которые могли бы заменить фреоны в различных применениях. Нанотехнологии могут дать достаточно эффективные методы решения этой задачи.

 

 

Использование диоксина

Еще одной очень важной экологической проблемой является использование диоксина, который (как и фреоны) практически не существовал в природе, а появился в результате промышленного производства. Диоксин возникает при сжигании хлорсодержащих отходов и пластиков (типа поливинилхлорида, уретана и т.д.) в мусоросжигающих утановках и т.п. Образовавшийся диоксин легко поступает в атмосферу, почву или водные бассейны становясь активным источником химического загрязнения окружающей среды. Дело в том, что диоксин обладает способностью накапливаться в жировых тканях живых организмов, вследствие чего он легко концентрируется во многих пищевых продуктах.

Кроме того, диоксин является очень устойчивым соединением, вследствие чего он плохо перерабатывается и  организмом (сейчас диоксин можно  обнаружить даже в материнском молоке).

Все упомянутое делает диоксид одним из самых опасных в экологическом отношении веществ. Пока единственным средством борьбы с диоксином является разработка более высокотемпературных печей для сжигания отходов, однако даже этот метод (помимо его дороговизны) не позволяет решить проблему. Нанотехнология позволяет реально надеяться не только на создание веществ, которые могли бы заменить опасные хлорсодержащие пластинки или соединения, но и создать высокочувствительные биодатчики, позволяющие измерять и контролировать уровень содержания загрязняющих веществ в окружающей среде.

Кроме этого следует  задуматься и о возможностях изменения  самой техники переработки отходов  и мусора, т.е. замены высокотемпературного сжигания другими технологиями. Возможно, нанотехнологии позволят нам решить эту задачу, и в XXI веке человечество сможет создать общество с обеспеченной «экологической безопасностью».

 

 

 

Кислотные дожди

Очень серьезной экологической  проблемой для многих стран (и  особенно, для Японии) являются так  называемые кислотные дожди (т. Е. дожди, при которых вместе с водой выпадают серная и соляная кислота). Причиной возникновения таких дождей стало то, что в атмосферу попадает большое количество отходов промышленного производства выхлопных газов автомобилей. Такие отходы могут образовывать в дождевых облаках разнообразные окиси серы и азота ( ), вступающие в реакцию с водными парами, в результате чего вместо дождя выпадает слабый раствор кислот.

Для Японии такие кислотные  дожди стали проблемой, начиная  с конца 90-х годов. По статистике, относящейся к центральны областям Японии, в этот период резко возросло число заболеваний органов дыхания, хотя необходимо отметить, что еще в 1974 году в области Тохоку при кислотных дождях было зафиксировано дополнительно около 30 тысяч пациентов, жаловавшихся на расстройства зрения и заболевания кожи.

Наиболее радикальным  средством борьбы с кислотными дождями  стал бы переход к новым источника  энергии, не связанным со сжиганием  нефти, угля и т.п. Нанотехнологии открывают  широкие перспективы для повышения коэффициента полезного действия.

 

Нанотехнологии в энергетике

Большая часть проблем  загрязнения окружающей среды связана  с используемой энергией, которая  генерируется за счет сжигания ископаемых ресурсов (угля, нефти и газа), древесины или продуктов жизнедеятельности человека и домашних животных. Это сжигание приводит к возрастанию в атмосфере концентрации углекислого газа, сажи и других загрязняющих веществ, которые приводят к отравлению атмосферы и глобальному потеплению.

Причиной множества болезней является загрязнение питьевой воды. Если бы у человечества было достаточно энергии для очистки воды, уровень заболеваний можно было бы существенно снизить.

 

Проблема Тераватта

Этот термин образно  описывает проблемы современной  энергетики. В пересчете на нефть человечество ежедневно потребляет более 210 млн баррелей нефти, из которых около трети приходится на саму нефть, а остальная часть – на уголь, газ, ядерное топливо, биомассу и гидроресурсы. За исключением гидроресурсов основная часть топлива – это невозобновляемые источники энергии. Благосостояние в XX в. было связано с потреблением нефти. Что же станет основой энергетики в XXI в.?

По самым скромным оценкам, в 2050 г. человечеству потребуется вдвое больше энергии, чем сегодня (а если учесть некоторые дополнительные факторы, то даже вчетверо). Это значит, что ежегодно будет тратиться 10–15 тераватт.

Тераватт – это  миллион миллионов ватт (то есть 1012 ватт), что приблизительно соответствует  миллиону баррелей нефти.

 

Альтернативные виды энергии

Правительство США уделяет  пристальное внимание использованию  водорода в качестве топлива. Однако чтобы сжигать водород, его сначала  нужно получить.

Группа исследователей под руководством профессора Манораньяна  Мисры (Manoranjan Misra) из Университета штата Невада в Рино (США) использует массивы нанотрубок на основе диоксида титана для генерации водорода на основе расщепления воды с помощью солнечного света. Если этот процесс удастся перенести на более крупный промышленный масштаб, то он может стать основой для получения водорода из воды.

При использовании нового метода молекулы воды расщепляются гораздо  эффективнее. В настоящее время  изучаются различные материалы, полученные на основе углеродных нанотрубок, чтобы повысить эффективность процесса расщепления воды с использованием бесплатной солнечной энергии.

В методе Мисры около 1 трлн нанотрубок помещается на площадке из диоксида титана величиной с ноготь. Полученный водород удается сохранять  в системах наноразмерных пор  титана и углеродных нанотрубок. Такой наноматериал способен сохранять водород для последующего использования в двигателях автомобилей.

В майском номере журнала Physical Review Letters группа ученых из Национальной лаборатории Лос_Аламос (США) поделилась своим открытием. Они обнаружили, что один фотон может генерировать три свободных электрона в квантовой точке. В современных солнечных фотоэлементах один фотон способен генерировать только один электрон, а остальная энергия рассеивается в виде тепла. Таким образом, новый метод позволит повысить эффективность солнечных фотоэлементов с 20–30 до 65%.

 

Ядерная энергия

Как насчет энергии, получаемой на основе ядерного распада? Для решения «проблемы тераватт» нужно построить очень много новых атомных электростанций. Причем это должны быть электростанции – бридеры, поскольку имеющегося урана будет недостаточно для получения многих тераватт энергии. Сколько нужно построить бридеров к 2050 г., чтобы получить 10 тераватт? Не удивляйтесь, но для этого потребуется построить 10 тыс. атомных элетростанций с мощностью 1 гигаватт. Это значит, что в течение 27 лет каждый день должна вводиться в строй новая атомная электростанция. Вряд ли человечество сможет осилить такую задачу в ближайшие 50 или даже 100 лет.