Нанотехнология является одним из наиболее важных научно-исследовательских приоритетов правительства США
1. Научноисследовательская программа в области нанотехнологий Управления по охране окружающей среды (Environmental Protection Agency - EPA) является частью Национальной нанотехнологической инициативы (National Nanotechnology Initiative - NNI), которая обеспечивает координацию всех усилий и контроль над ними в этой области. C точки зрения NNI, все технологии и исследования, которые выполняются на атомарном, молекулярном или макромолекулярном уровне (то есть в диапазоне размеров 1-100 нм), считаются нанотехнологическими.
Согласно определению NNI, к нанотехнологиям относятся все структуры, устройства и системы с уникальными свойствами / функциями, которые создаются и которыми манипулируют или управляют на атомарном уровне.
На наномасштабном уровне законы квантовой механики часто коренным образом меняют механические, оптические, химические и электронные свойства материалов. Эти свойства можно использовать в новых нанотехнологиях для защиты окружающей среды, включая улучшенные сенсоры мониторинга текущего состояния и обнаружения загрязнений, эффективные и дешевые методы очистки, «зеленые» (то есть безопасные для окружающей среды) способы производства энергии и товаров.
Новые наноматериалы также могут представлять опасность для окружающей среды из-за своего химического состава, повышенной реактивности и сверхмалых размеров.
Поэтому большое значение имеют тщательные исследования всех наноматериалов. Особенно важна оценка их влияния на атмосферу, почву и грунтовые воды, включая весь жизненный цикл и транспортировку.
Анализ рисков, связанных с применением наноматериалов, должен включать проверку их токсичности и восприимчивости со стороны растений, животных и человека.
Правительственные исследования
EPA принимает активное участие в исследованиях токсичности новых нанотехнологий.
Это агентство не только ведет несколько собственных научноисследовательских программ, но и участвует в других проектах вместе с подкомитетом по наномасштабной науке и технике (Nanoscale Science, Engineering and Technology subcommittee) Совета по научной и технологической политике, национальной науке и технике (Science and Technology Policy, National Science and Technology Council) Правительства США. Научноисследовательская деятельность EPA включает перечисленные ниже направления.
- Национальный центр исследований по защите окружающей среды финансировал многомиллионные гранты на научные исследования нанотехнологий для защиты окружающей среды (то есть разработку дешевых, быстрых и простых методов очистки воды от токсичных загрязняющих веществ, новые сверхчувствительные сенсоры загрязняющих веществ, «зеленое» производство наноматериалов и высокоизбирательные катали заторы)
- Избранные научно_исследовательские проекты посвящены изучению возможного вредного воздействия наноматериалов (тоесть их токсичности, превращений, накопления и т.д.).
- В рамках программы поддержки малого бизнеса (Small Business Innovation Research Program) выделялись средства на разработку и коммерциализацию новых наноматериалов и методов очистки (например, компания SBIR создала фильтр на основе углеродных нановолокон с большой поверхностной площадью, который мог эффективно удалять летучие органические соединения и частицы диаметром менее 3 мкм из выхлопных газов двигателей, генераторов энергии и кондиционеров).
- Несколько научно-исследовательских проектов посвящены изучению наноструктурных фотокатализаторов, которые предполагается использовать в качестве «зеленой» альтернативы для углеводородного окисления; использованию наноматериалов в качестве адсорбентов, мембран и катализаторов для контроля над чистотой воздуха и выхлопных газов; проверке вредного влияния сверхмалых частиц во время их производства.
Нанокатализаторы
Наночастицы в растворах или вместе с мембранами могут оказать заметное влияние не только на перемещение загрязняющих веществ, но и на химическую деградацию. В настоящее время ученые интенсивно исследуют роль нанокатализаторов в деле защиты окружающей среды, поскольку каталитические реакции могут заметно удешевить методы очистки воды.
Например, огромное значение имеет очистка грунтовых вод от пестицидов. Однако часто для каждого типа загрязняющего вещества требуется отдельный катализатор и определенная стратегия точистки.
Специализированные наноматериалы могут ускорить очистку сделать ее более эффективной.
Глобальное потепление
Одной из важнейших экологических проблем выступает длительный рост средней температуры атмосферы нашей планеты. За период 1960-2000 гг. эта величина возросла примерно на 0,5, причем этот рост приобрел особо устойчивый характер в 80-е годы прошлого столетия. Ученые уверены, что основной причиной такого повышения является все возрастающее количество сжигаемого топлива (каменного угля, нефти и т.п.), промышленными установками, автомобилями и т.д. Именно продукты горения (двуокись углерода, метан и т.п.) и их взаимодействие с солнечным излучением являются основными факторами роста температуры атмосфера (парниковый эффект).
Поэтому уже давно основной проблемой экологии стало снижения уровня потребления, так называемого ископаемого топлива (нефти и угля), что должно уменьшить и объем выбрасываемой в атмосферу окиси углерода и других продуктов горения. Поэтому поиск альтернативных источников энергии и разработка эффективных методов сохранения и передачи энергии (например, создание солнечных батарей и топливных элементов нового типа) стали важной научно - технической задачей. В самое последнее время выяснилось, что применение углеродных нанотрубок может привести к значительному повышению коэффициента полезного действия существующих преобразователей солнечной энергии. Кроме этого, было обнаружено, что углеродные нанотрубки могут весьма эффективно адсорбировать большие количества водорода, что сразу активизировало разнообразные исследования, относящиеся к разработке топливных элементов, батарей и т.п.
Нанотрубки
В 1991 году японский профессор Сумио Иидзима обнаружил длинные углеродные цилиндры, получившие названия нанотрубок.
Нанотрубка - это молекула из более миллиона атомов углерода, представляющая собой трубку с диаметром около нанометра и длиной несколько десятков микрон. В стенках трубки атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников.
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!