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.