Трифонова Т.А., Ширкин Л.А. Экологическая безопасность наночастиц, наноматериалов и нанотехнологий

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Владимирский государственный университет

Т.А. ТРИФОНОВА, Л.А. ШИРКИН

Экологическая безопасность

наночастиц, наноматериалов

и нанотехнологий

Учебное пособие

Владимир 2009

УДК 504.05

ББК 20.18

Т69

Рецензенты:

Кандидат технических наук, лауреат премии Совета

Министров РФ 1995 г. за разработки в области науки

и техники, генеральный директор ЗАО «Баромембранная технология»

А.А. Поворов

Кандидат физико-математических наук, доцент

Владимирского государственного университета

А.О. Кучерик

Трифонова, Т. А.

Экологическая безопасность наночастиц, наноматериалов и

нанотех-

нологий : учеб. пособие / Т. А. Трифонова, Л. А. Ширкин; Владим. гос. ун-т. –

Владимир : Изд-во Владим. гос. ун-та, 2009. – 64 с. – ISBN 978-5-89368-933-4

Работа посвящена проблемам анализа и обеспечения экологической безопасно-

сти наночастиц, наноматериалов и нанотехнологий. Дан обзор состояния отечествен-

ных и зарубежных нанотехнологических исследований. Рассмотрены направления и

методы оценки в области экологической безопасности на примере наночастиц металлов

и углеродных нанотрубок. Представлены результаты собственных поисковых и при-

кладных исследований.

Подготовлена с целью изучения

студентами дисциплины «Экологическая безо-

пасность», а также аспирантами и специалистами новейших технологий наносистем,

наноматериалов и проблем нанобезопасности.

Ил. 4. Табл. 1. Библиогр. 11 назв.

УДК 504.05

ББК 20.18

ISBN 978-5-89368-933-4 © Владимирский государственный

университет, 2009

Т69

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ ...................... 5

1.1. Нанотехнологии за рубежом.........................................................10

1.2. Нанотехнологии в России ............................................................. 12

2. ПРОБЛЕМА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

НАНОЧАСТИЦ, НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ........ 16

3. НАНОЧАСТИЦЫ И КЛАСТЕРЫ........................................................... 19

3.1. Наночастицы металлов и оксидов металлов............................... 20

3.2. Углеродные нанотрубки................................................................ 27

4. ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ НАНОЧАСТИЦ НА ОКРУЖАЮЩУЮ

СРЕДУ И ЗДОРОВЬЕ. ОЦЕНКА ЭКОТОКСИКОКИНЕТИКИ

НАНОПРИМЕСЕЙ ....................................................................................... 31

4.1. Выявление потенциальных источников поступления

наночастиц и параметров их распределения в воздушной среде .... 31

4.2. Исследование миграции наночастиц ........................................... 34

4.3. Наноразмерные эффекты в проблеме безопасности

наночастиц для здоровья...................................................................... 38

5. РАЗРАБОТКА ПРОГНОСТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ

ВОЗМОЖНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ НА

ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ И ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА ........................... 43

5.1. Разработка модели для оценки воздействия отработанных

наноматериалов на окружающую среду............................................. 44

5.2. Разработка методов определения возможной экотоксичности

наноматериалов, наносубстанций, используемых в производстве,

и отходов, содержащих отработанные наноматериалы.................... 48

6. ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ

НАНОТЕХНОЛОГИЙ .................................................................................. 49

6.1. Разработка моделей оценки рисков для здоровья населения в

результате поступления в окружающую среду наночастиц и

наноматериалов ..................................................................................... 50

6.2. Разработка технических регламентов опытного и

промышленного производства наноматериалов в части разделов

«Требования техники безопасности» и «Охрана окружающей

среды»..................................................................................................... 54

6.3. Анализ жизненного цикла производимых наноматериалов

и наносубстанций, используемых в производстве. ........................... 57

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ................................................................... 60

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..........................................................61

1. ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ

НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Под термином «нанотехнологии» подразумевают процессы обработки

и манипуляции частицами, характеризующая размерность которых нахо-

дится в пределах ста нанометров. Само по себе учение о наночастицах мо-

лодо по меркам современной науки и возникло благодаря двум изобрете-

ниям конца ХХ столетия. Первое из них принадлежит физикам, нобелев-

ским лауреатам, Герду Биннигу (Gerd Binnig) и

Генриху Рореру (Heinrich

Rohrer) из исследовательской лаборатории IBM, которые в 1981 г. сконст-

руировали сканирующий электронный микроскоп с туннельным эффектом,

позволивший распознать отдельные атомы. Второе открытие произошло в

1986 г., когда сканирующий электронный микроскоп с туннельным эффек-

том был модернизирован Гердом Биннигом и позволил не только наблю-

дать атомы, но и манипулировать ими с помощью

специальных электро-

магнитных полей. Далее появилась статья двух исследователей из той же

лаборатории IBM – Айглера и Швейцера под названием «Позиционирова-

ние отдельных атомов с помощью сканирующего туннельного микроско-

па». В ней научные сотрудники IBM весьма подробно расписали не только

принцип функционирования разработки их коллег, но и перспективы ново-

го открытия. В частности,

авторы рассказали об огромных экономических

перспективах тех компаний, что начнут выпускать продукты на основе на-

нотехнологии. По их мнению, конструктивный размер и объем материа-

лов, которые смогли бы применяться при таком производстве, не может

быть крупным и, следовательно, дорогим. В результате многие инвесторы

начали рассматривать нанотехнологии как перспективную область финан-

совых вложений.

К нанотехнологиям относятся разработки, в которых используются ма-

териалы и системы, отвечающие трем условиям:

– по крайней мере одно из их пространственных измерений не превы-

шает 100 нанометров;

– при их изготовлении используются процессы, в основе которых ле-

жит фундаментальный контроль над физическими и химическими свойст-

вами молекулярных структур;

–

они (материалы и системы) могут быть объединены в более крупные

структуры.

К наноструктурным (наноразмерным, нанокристаллическим, нанофаз-

ным и др.) материалам относят обычно объекты с характерным структур-

ным размером менее 100 нанометров. Малый размер частиц, их развитые

поверхностные и энергетические качества приводят к появлению уникаль-

ных физико-химических, энергетических, механических и других свойств.

Эти свойства и используются в перспективных технологиях и материалах.

Среди наиболее

вероятных научных прорывов в области нанотехноло-

гий эксперты называют увеличение производительности компьютеров, вос-

становление человеческих органов с использованием вновь воссозданной

ткани, получение новых материалов, созданных напрямую из заданных ато-

мов и молекул, и появление новых открытий в химии и физике.

К областям, в которых нанотехнология может существенно повлиять на

технический

прогресс, обычно относят:

– элементы наноэлектроники и нанофотоники (полупроводниковые

транзисторы и лазеры; фотодетекторы; солнечные элементы; различные

сенсоры);

– устройства сверхплотной записи информации;

– телекоммуникационные, информационные и вычислительные техно-

логии; суперкомпьютеры;

– видеотехника – плоские экраны, мониторы, видеопроекторы;

– молекулярные электронные устройства, в том числе переключатели

и электронные схемы на молекулярном уровне;

–

нанолитография и наноимпринтинг;

– топливные элементы и устройства хранения энергии;

– устройства микро- и наномеханики, в том числе актюаторы и транс-

дукторы, молекулярные моторы и наномоторы, нанороботы;

– нанохимия и катализ, в том числе управление горением, нанесение

покрытий, электрохимия и фармацевтика;

– авиационные, космические и оборонные приложения;

– устройства контроля

состояния окружающей среды;

– целевая доставка лекарств и протеинов, биополимеры и заживление

биологических тканей, клиническая и медицинская диагностика, создание

искусственных мускулов, костей, имплантация живых органов;

– биомеханика, геномика, биоинформатика, биоинструментарий;

– регистрация и идентификация канцерогенных тканей, патогенов и

биологически вредных агентов; безопасность в сельском хозяйстве и при

производстве пищевых продуктов.

Десятитомная «Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology»

(American Scientific Publishers, 2004) представляет уже реально достигну-

тое улучшение качества и появление новых функциональных возможно-

стей при наноструктурировании материалов, среди которых:

1. Возрастание прочности и твердости наноструктурированных мате-

риалов.

2. Увеличение эффективности сгорания топлива – добавка нанопорош-

кового алюминия в ракетное топливо увеличивает скорость его сгорания.

3. Создание новых взрывчатых веществ с объемным

горением на основе

интеркалированного графита.

4. Очистка воды от бактериофагов (вирусов) – фильтры на основе на-

новолокон и нанотрубок.

5. Теплоносители в системах охлаждения – жидкости, содержащие на-

ночастицы металлов, имеют многократно более высокую теплопровод-

ность.

6. Самоочищающиеся материалы под действием солнечного излучения –

оконные стекла, строительные материалы с покрытием из наноструктури-

рованных материалов

7. Водородная энергетика – нанокомпозиты, углеродные нанотрубки с

повышенной способностью к накоплению водорода.

8. Компактные источники электропитания (миниатюрные батареи) –

нанокомпозиты на основе твердых материалов с высокой ионной проводи-

мостью.

9. Наноструктурирование лекарственных средств позволит использо-

вать меньшие дозы лекарств при большей эффективности (проведены ис-

пытания наноструктурированного аспирина).

10. Будут созданы новые

бактерицидные и противовирусные средства –

наночастицы серебра в порах цеолитов для эффективного залечивания ран,

фильтры на нанотрубках для водоочистки.

11. Магнитные наночастицы применимы для очистки крови от токси-

кантов.

12. Квантовые точки могут использоваться как люминесцирующие на-

номаркеры для ранней диагностики раковых клеток.

Выбрав в качестве приоритетных критериев популярность на рынке и

возможность применения в повседневной жизни, компания NanoBillboard

составила список 10 лучших на сегодня продуктов, созданных с помощью

нанотехнологий.

1. Органические светоизлучающие диодные дисплеи (Organic Light Emitting

Diode OLED Displays) тоньше и легче современных LCD-дисплеев, поэтому

практически идеально подходят к применению в мобильных телефонах,

карманных компьютерах, цифровых камерах и фотоаппаратах. Эти устрой-

ства собраны из нескольких слоев нанопленок, содержащих матрицы элек-

тродов, и расположенного между ними светоизлучающего органического

полимера. Изображения на дисплее можно рассматривать под

разными уг-

лами без потери качества.

2. Наноэмульсии и антибактериальные нанопокрытия.

3. Нанокапсулы – «контейнеры для лекарств», которые созданы искус-

ственно и имеют размеры от 100 до 600 нанометров.

4. Наножидкостные системы, имеющие каналы диаметром в несколько

десятков и сотен нанометров, предназначены для работы в составе лабора-

торий-на-чипе, которые проводят экспресс-анализы

ДНК, белков и других

биомолекул.

5. Наноэлектронные устройства с тактовой частотой 1 ГГц. В 2004 г.

был сделан ряд важных исследований, по результатам которых стало воз-

можным создание рабочих наномеханических и наноэлектронных систем с

тактовой частотой около 1 ГГц. Это разнообразные осцилляторы, модули

механопамяти нанометровых размеров, датчики на основе нанотрубок и

т.п.

В основном эти устройства изготовлены на кремниевых подложках ме-

тодами электронно-лучевой литографии.

6. Нанокатализаторы для автотранспорта. Различные нанокатализаторы

уже применяются при обработке сырой нефти.

7. Устройства на основе нанотрубок. Углеродные нанотрубки уже за-

рекомендовали себя как универсальный стройматериал наноэлектроники.

С их применением получаются и осцилляторы, и диоды, и транзисторы, и

наножидкостные устройства. Нанотрубками сегодня даже убивают бакте-

рии. Со временем, когда технология их производства и применения будет

отточена, они займут 1-е место по продажам на рынке нанотехнологий.

Примеры их современных применений велики – от дисплеев на нанотруб-

ках, до велосипедов, в которых нанотрубки обеспечивают жесткость мате-

риала.

8. Нанокристаллы, получаемые методами

испарения и конденсации ме-

таллов.

9. Наноэлектромеханические системы (НЭМС). В отличие от микро-

электромеханических систем, которые появились в 1980-х годах, НЭМС

зародились всего несколько лет назад. Механические устройства умень-

шаются в размерах, при этом снижается их масса, увеличивается резонансная

частота и уменьшаются их константы взаимодействия. Используя НЭМС-

технологию, можно ожидать появления высокофункциональных сенсоров

и сверхъемких устройств для хранения информации.

10. Бытовые продукты, улучшенные с помощью нанотехнологий.

Современные нанотехнологические исследования включают в себя три

различных научных направления: «инкрементные», «эволюционные» и

радикальные» нанотехнологии.

1. «Инкрементные» нанотехнологии (Incremental nanotechnology). Порош-

ки, нанокапсулы, умные текстили и поверхности. Промышленное приме-

нение наночастиц в красках для автомобилей и автокосметике – пример

«инкрементных» нанотехнологий.

В настоящее время наноматериалы используют для изготовления за-

щитных и светопоглощающих покрытий, спортивного оборудования, тран-

зисторов, светоиспускающих диодов, топливных элементов, лекарств и

медицинской аппаратуры, материалов для

упаковки продуктов питания,

косметики и одежды. Однако на данный момент переход от производства в

лаборатории к массовому производству нанотехнологической продукции

осложняется значительными проблемами, так как надежную обработку ма-

териалов в наномасштабе требуемым образом все еще очень трудно реали-

зовать с экономической точки зрения. Создание соответствующих произ-

водств и метрологических служб,

обеспечивающих необходимую характе-

ризацию нанопродуктов, требует намного больших затрат, чем собственно

нанотехнологические исследования.

2. «Эволюционные» нанотехнологии (Evolutionary nanotechnology). Улуч-

шение существующих микросхем. Одноэлектроника, молекулярная элек-

троника, мемсы и немсы.

Результатом нанотехнологических разработок должны выступить

НЭМСы – наноэлектромеханические системы. С практической точки зре-

ния производство НЭМСов подразделяется на две категории: по нисходя-

щей линии сборки

и по восходящей.

Нанотехнологии первой категории предполагают первоначальное соз-

дание МЭМСов – микроэлектромеханических систем, способных к само-

воспроизводству в уменьшенных масштабах. По замыслу, для запуска всего

процесса достаточно создать одну самовоспроизводящуюся МЭМ-систему,

запрограммированную на производство двух себе подобных систем в мас-

штабе один к двум, то есть в два раза меньше

ее самой. Новое поколение

МЭМСов создаст уже четыре системы в четыре раза меньше первоначаль-

ной и так далее. Таким образом, через тысячу поколений на свет должна

появиться уже не микро-, а наносистема, которая будет меньше первона-

чальной в два в тысячной степени раз. В настоящее время активно разра-

батываются «ассемблеры» – микроэлектромеханические роботы-сборщики.

Они представляют собой произведенные литографическим способом мик-

роскопические захваты-манипуляторы, которые могут

собирать более мел-

кие производственные системы, используя для этого наборы деталей, ли-

тографически «вырезанные» на кремниевых ваферах – тончайших срезах

полупроводниковых кристаллов. Предположительно наноассемблеры поя-

вятся через 10 – 20 лет.

К нанотехнологиям второй категории – по восходящей линии – отно-

сится сборка наносистем из отдельных атомов. Отцом-теоретиком этого

метода считается футуролог Эрик Дрекслер, автор

книги «Машины сози-

дания: грядущая эра нанотехнологии» (Engines of Creation: The Coming Era

of Nanotechnology. K.E. Drexler. Fourth State, 1990), в которой он предска-

зывает появление в будущем дистанционно управляемых нанороботов

(или «наноботов»), способных манипулировать отдельными атомами.

«Эволюционные» нанотехнологии представлены также наномерными

датчиками, использующими флуоресцентные свойства квантовых точек

(диаметром от 2 до 10 нанометров) и электрические свойства углеродных

нанотрубок (диаметром от 1 до 100 нанометров),

хотя эти разработки пока

находятся в зачаточном состоянии.

3. «Радикальные» нанотехнологии (Radical nanotechnology). Радикаль-

ные нанотехнологии – разработки сложных машин, соединение нанотех-

нологии, биотехнологии, квантовой механики, органической химии и т.д.

Это приборы, работающие на радикально новых идеях, от мифических ас-

семблеров и репликаторов до вполне реальных катенанов и ротаксанов.

«Радикальные» нанотехнологии пока что

не встречаются.

1.1. Нанотехнологии за рубежом

Исследования в области нанотехнологий сейчас активно развиваются

более чем в 50 странах.

По подсчетам американского Проекта по исследованию нанотехноло-

гий (Wilson Center's Project on Emerging Nanotechnologies), в свободной

продаже находятся более 350 наименований товаров, изготовленных с по-

мощью нанотехнологий. Большинство (229) товаров относятся к категории

«здоровье и спорт» – сюда занесены косметика, одежда,

спортивные това-