1407

называемые пустые породы, в том числе и с примесью благородных металлов (рис. 3.3). И в этих, вроде бы пустых, отвалах образуются вторичные месторождения за счет самоорганизации благородных металлов, в первую очередь золота и серебра. И уже через 20 лет эти пустые терриконы преобразуются во вторичные месторождения [7].

Сейчас открывается все больше и больше месторождений с нанофазами. Это черные сланцы (рис. 3.4). Первое золоторудное месторождение черных сланцев – Мурунтау – было открыто много лет тому назад. Сейчас оно принадлежит Узбекистану. Совсем недавно в Мурунтау открыли платиновую минерализацию. В России также существует множество месторождений подобного типа.

Рис. 3.4. Черные сланцы с нанофазами

Черные сланцы месторождения Мурунтау образуются в океане и являются аккреционными призмами при образовании островных дуг. В сланцах, на фоне сульфидов, других силикатных образований, находятся наночастицы благородных металлов, их размеры 100, иногда 120 нм. Там, в субмикронном состоянии, различимы такие рудные минералы, как редкие земли, Cr, Ni, Fe, W, Nb и другие, представленные в самородной, сульфидной и оксидной формах (рис. 3.5). В этих черных сланцах находится практически вся таблица Менделеева, поскольку океанские воды содержат элементы всех полезных ископаемых.

41

Рис. 3.5. Руды черных сланцев

Появление высокоразрешающих методик изучения вещества дало инструмент для прямого наблюдения за процессами зарождения минералов, а также изучения различных материалов на наноуровне. Исследование природных ультрадисперсных систем привело к созданию новых наноматериалов для развития новых нанотехнологий [6].

3.2. Наносвойства живой природы

Лотос очищает листья с помощью эффекта лотоса. Растровый электронный микроскоп для изучения в условиях окружающей среды частиц РЭМ (ESEM) показывает, как капли воды скатываются с поверхности листа (рис. 3.6).

Это происходит благодаря наклонной поверхности листьев, с которых вода сбегает с большой скоростью, увлекая за собой всю грязь. А лепестки и листья лотоса сплошь покрыты микроскопическими бугорками, размер которых не более 20 тыс. нм, а расстояние между ними в 10 раз меньше. На шишечках расположены волоски, и они как будто отталкивали воду, грязь, споры грибков и бактерии. Шероховатый рельеф лучше удерживает

42

воду. Листья растений применяют и другие виды нанотехнологий. Их система водоснабжения контролируется форисомами – микроскопическими мышцами, которые открывают каналы, если растение повреждено.

Рис. 3.6. Лотос-эффект

На рис. 3.7 мы видим ладошку геккона. Гекконы могут взбежать по любой стене, бегать по потолку вниз головой и даже висеть на нем на одной ноге [8]. Делают они это с помощью нанотехнологий. Лапка геккона покрыта очень тонкими волосками, которые соприкасаются с большой площадью поверхности на расстоянии нескольких нанометров, благодаря чему образуется так называемая вандерваальсовая связь, и, несмотря на то, что сама по себе связь эта очень слаба, она удерживает вес геккона благодаря миллионам точек сцепления. Связи легко разрушаются при отцеплении, так же, как при отрывании липкой ленты, что позволяет геккону бегать по потолку. Система, которой природа снабдила геккона, очень эффективна, и она может найти применение.

Ученые обратили внимания на мидий. Эти двустворчатые моллюски липнут к всевозможным предметам под водой – к скалам, к другим ракушкам, к песку. Обычные моллюски являются мастерами искусства нанотехнологического сцепления. Когда моллюск хочет прицепиться к скале, он открывает раковину и ставит ногу на камень, выгибает ее в форме присоски

43

и через тончайшие трубочки выстреливает потоки клейких капель, мицелл, в образовавшуюся область низкого давления, где они разрываются, и из них вытекает клейкое водоотталкивающее вещество. Так мгновенно создается пенная подушка. Моллюск прикрепляется к подушке-амор-тизатору с помощью эластичных нитей биссуса и в таком положении может выдержать напор приливных волн.

Рис. 3.7. Геккон: а – лапка геккона; б – щетинки; в – одна щетинка; г – лес щетинок; д – щетинки с лопаточками на конце

Моллюски способны даже на большее. Они обладают свойствами минерализации. Их перламутр состоит из бесчисленных крошечных кристаллов карбоната кальция в форме минерала арагонита, который сам по себе очень хрупок. Однако у моллюсков эти кристаллы удерживаются вместе с помощью спиралевидных, высокоэластичных белков. Присутствие трех процентов белков более чем достаточно для того, чтобы раковина морского ушка стала в три тысячи раз тверже простого кристалла кальцита. Морские ежи таким же способом укрепляют свои 30-санти- метровые шипы, которым становятся не страшны никакие вол-

ны (рис. 3.8).

44

Рис. 3.8. Морские ежи

На небольшом участке океанского дна недалеко от Филиппинских островов живет разновидность стекловидной губки

Venus Flower basket (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Venus Flower Basket

Это существо изогнуто наподобие ножен турецкого кинжала, но имеет округлую форму вдоль своей длинной оси. Своим названием (дословно «цветочная корзина») губка обязана структуре внутреннего скелета своей оболочки. Он состоит из тонких

45

игл двуокиси кремния, по своему расположению напоминающих плетеную спинку деревянного кресла. Волокна из игл переплетены под прямым углом и по диагонали. Данная разновидность стекловидной губки считается шедевром биоминерализации: мельчайшие первичные строительные блоки из двуокиси кремния диаметром 3 нм сначала объединяют клетки губки в сверхтонкие слои, последние затем сворачиваются и принимают форму игл, являющихся основным элементом в плетеной структуре, которая может выдерживать высокие перепады давления. Эту глубоководную губку сейчас изучают как биологическую модель для волоконной оптики.

Долгое время волосистая звезда размером с тарелку являлась загадкой. Это создание с бронированным дискообразным телом с пятью лучами спешит в укрытие при первом приближении потенциальных врагов, хотя, казалось бы, не имеет глаз. Глаза наконец нашлись в бронированном панцире звезды, сплошь усыпанном участками совершенных микролинз, превращающих все тело волосистой звезды в один сложный глаз. Морская звезда Ophiocoma wendtii снабжена совершенной системой микролинз для оптического зрения. Это тоже нанотехнология. Отдельные линзы кристаллизуются таким образом, что кальцит вопреки обыкновению перестает создавать двойное изображение – так осуществляется контроль кристаллизации на нанометровом уровне. Присутствие небольшого количества магния предотвращает сферическую аберрацию линз, т.е. появление нежелательной цветной кромки. Таким образом, Ophiocoma пользуется нанотехнологическими ухищрениями (рис. 3.10).

Ранее стратегическое значение имела биоминерализация диатомовых водорослей. Эти микроскопические существа защищают панцирь из кремниевой кислоты, главным компонентом которой является диоксид кремния. Подобно кварцевому стеклу, также состоящему из диоксида кремния, панцири из кремниевой кислоты относительно устойчивы к действию многих коррозийных кислотных и щелочных растворов, поэтому нанотехнологии надеются использовать их в качестве реакционных сосудов для получения

46

нанометровых кристаллов. Один из секретов получения наночастиц в ходе химических реакций состоит в ограничении объема реакции. Когда находящиеся в сосуде реактивы используются полностью, полученные в ходе реакции кристаллы остаются маленькими. В диатомовых водорослях содержится много таких нанопор или нанореакторов. В растворе кремниевой кислоты определенной концентрации обнаружили группу белков полиаминов и они могут создавать наночастицы с контролируемым диаметром от 50 до 900 нм; происходит это спонтанно, под действием сил самосборки. В соответствии с простыми моделями роста диатомовые водоросли образуютсятакжеспонтанно[8].

Рис. 3.10. Морская звезда

Когда то диатомовым водорослям не придавали стратегического значения. Но в 1867 году швед Альфред Нобель обнаружил, что диатомит, диатомовая земля, образующаяся из отложений диатомовых водорослей, поглощает нитроглицерин, сдерживая, таким образом, склонность данного взрывчатого вещества к спонтанному взрыву. Нобель назвал эту смесь динамитом и благодаря ее продажам заложил основы фонда, финансирующего теперь Нобелевские премии.

47

Таким образом, нанотехнологии основываются на природных свойствах, однако возможности живой природы ограничены, она не может работать ни с высокими температурами, которые необходимы, например, для производства керамики, ни с металлическими проводниками. Современные же технологии располагают возможностью создания целого ряда искусственных условий – абсолютной чистоты, холода, вакуума, – при которых материя обнаруживает удивительные свойства.

3.3.Нанотехнологии древних времен

Сдавних времен люди практически применяли наночастицы, однако они не знали об этом. Древнейшим примером могут служить предметы, изготовленные из глины. Основа глины – минерал каолинит, состоящий из очень тонких пластинок, размером в несколько десятков нанометров. Они белого цвета, мяг-

кие и пластичные, их основное преимущество заключается в способности скользить друг на друге, как только минерал впитывает в себя воду, поэтому глина такая пластичная и пригодна для мазки.

Уже в VIII столетии индейцы племени майя могли раскрашивать глиняные фигурки высокотехнологической краской, которая содержала глинистый минерал палыгорскит. На своих месторождениях этот прозрачный минерал встречается порой в виде войлочных ковриков, поэтому он называется также «горной кожей». В нем много нанотонких каналов, заполненных водой. В результате нагревания материала, который вероятнее всего имет порошкообразную структуру, и добавления голубой органической краски индиго индейцы майя могли синтезировать многослойный материал из органических и неорганических компонентов, краску высокой стабильности, которая смогла пережить века. В США фирма MCI Mayan Pigments Inc. возобновила производство старых красок племени майя [9].

Дамасские клинки были очень известны в средние века благодаря своим узорам, остроте лезвия и, прежде всего, ударостойкости. В современной металлургии долгое время не могли

48

найти научного объяснения этим свойствам, но в конце 2006 года ученые факультета структурной физики Технического уни- вер-ситета г. Дрезден нашли возможное решение загадки.

Дамасские клинки содержат углеродные нанотрубки, которые частично наполнены цементитом, соединением железа с углеродом (рис. 3.13). Видимо, данное укрепление при помощи нанопроволоки придает дамасским клинкам их легендарные свойства или, по меньшей мере, объясняет их ударостойкость. Древние кузнецы не могли знать о существовании наночастиц, но имели умелые руки исветлые головы, они проводили эксперименты с древесиной, листвойиспециальной железной рудойизИндии[9].

Стекольщики средних веков тоже знали толк в окрашивании стекла с помощью наночастиц. Яркий красный цвет церковных витражей получается благодаря наимельчайшим, наномасштабного размера, частицам золота (коллоидный наноэлемент золота) (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Амьенский собор

Такой красный цвет средневековых витражей в значительной степени определяется характером распределения, формой и химическим составом кристаллитов (наноразмерных элементов). Эта краска вечна.

49

4. КОНТРОЛИРУЕМЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ, СПОСОБЫ ИХ ПРОИЗВОДСТВА И СВОЙСТВА

Нанообьекты – обьекты, размеры которых по крайней мере вдоль одной пространственной оси измеряются в пределах от 1 до 100 нм. Нанометр настолько меньше атома, насколько горошина меньше земного шара.

Размер и свойства наночастиц во многом зависят от методов получения материалов.

Существует два способа получения наночастиц. Первый, более простой метод – «сверху вниз». Исходный материал измельчают разнообразными способами до тех пор, пока частица не станет наноразмерной (рис. 4.1) [12].

Рис. 4.1. Первый способ получения наночастиц – измельчение материала

Второй – получение наночастиц путем объединения отдельных атомов, «снизу вверх». Это более сложный способ, но именно за ним, по мнению ученых, будущее (рис. 4.2).

В зависимости от способов получения объекты нанотехнологий, с одной стороны, могут быть представлены макроскопическими объектами, атомарная структура которых контроли-

50