«Токсичные» нанотехнологии
В масштабе нанометров даже не ядовитое вещество может вдруг оказаться настоящим ядом
![]() Башни главного калибра размером в 500 нм на поверхности кристалла AlGaAs Арман Розенбери, Рон Тонуччи и Даг Пирсон из Научно-исследовательской лаборатории ВМС США вырастили специально к конкурсу «Наука как искусство» в 1998 году. Фото: Armand Rosenbery, Ron Tonucci and Doug Pearson |
10 ноября 2004 года, выступая в Технологическом институте Нью-Джерси (
Под «дутыми» Дайсон понимал те, которые позволят создавать микроскопического сборщика, способного к самовоспроизводству. Однажды возникнув, такие сборщики якобы будут множиться и множиться до тех пор, пока не вытеснят с земли все живое, превратив биосферу в «серую слизь» (
К вопросу о «приземленных и не очень романтических» истинных нанотехнологиях Дайсон не стал возвращаться. Зачем, если и так ясно, что они «не очень опасны»?
Дело в размере
Мода на нанотехнологии докатилась и до России. И представляется вполне своевременным разговор о рисках, с ними связанных. А основания считать, что такие риски вполне реальны, уже появились. Конечно, до «серой слизи» им в любом случае далеко, но токсичность структур нанометровых размеров (1 нм = 10–9 м) может существенно отличаться от токсичности того же самого по химическому составу вещества, когда оно имеет форму вполне макроскопических частиц.
Объекты, с которыми имеют дело нанотехнологи, настолько малы, что ничего меньшего и быть не может. Обычно, говоря о наночастицах, подразумевают нечто размером от 0,1 нм до 100 нм, при том, что размеры большинства атомов лежат в интервале от 0,1 нм до 0,2 нм, Ширина молекулы ДНК примерно 2 нм, характерный размер клетки крови приблизительно 7500 нм, человеческого волоса — 80 000 нм. В зависимости от контекста, говоря о нанообъекте, можно иметь в виду и отдельный атом, и органическую молекулу, содержащую более 109 атомов и размером более 1 мкм (10–6 м).
![]() В пробирке слева — коллоидный раствор наночастиц золота в воде. В пробирке слева — кассиев пурпур, возникающий после того, как в левую пробирку добавляют 5–10 капель насыщенного раствора поваренной соли. Фото: University of Wisconsin |
На этих масштабах активность элементов сильно меняется с изменением размера. Например, инертность золота и серебра хорошо известна, однако кластеры, состоящие из нескольких их атомов, демонстрируют уникальные каталитические свойства, а наночастицы серебра демонстрируют отчетливо выраженные антибактериальные свойства. И эти специфические свойства несложно объяснить.
При уменьшении размера частиц растет отношение поверхности к объему (например, площадь поверхности шара пропорциональна квадрату его радиуса, а объем шара — кубу радиуса — а значит, такое отношение обратно пропорционально радиусу). Именно по этой причине «внутренность» наночастицы оказывается ближе к её поверхности, на которой и протекают химические реакции. Но дело не только в этом: на расстояниях меньше 100 нм в игру вступают квантовые эффекты, заметно влияющие на оптические, электрические и магнитные свойства материалов.
Например, как уже говорилось, частицы золота нанометровых размеров могут обладать сильными каталитическими свойствами. Но это так, только если частицы состоят из восьми или двадцати двух атомов; частицы же золота, состоящие из семи или, к примеру, двадцати атомов, каталитическими свойствами уже не обладают.
Эффект тонкой стенки
Особое место среди наноструктур занимают нанотрубки и фуллерены. В каком-то смысле эти наноструктуры похожи на полимеры. Поверхности графитовой нанотрубки и графитового фуллерена подобны кристаллической поверхности идеально чистого графита, но имеют другую топологию. Кристаллическая поверхность кристалла графита — это плоскость, нанотрубка имеет топологию цилиндра, а фуллерен — сферы. Первые экспериментально полученные фуллерены содержали по шестьдесят атомов углерода, объединенных в одну молекулу, но были получены фуллерены из семидесяти, семидесяти двух и даже пятисот сорока атомов.
Поскольку стенки в этих структурах имеют атомарную толщину, можно ожидать их необычной химической активности. В природе ни нанотрубки, ни фуллерены, по общему мнению, сами по себе возникать не могут. А рассчитать последствия, которые могут повлечь их необычные свойства, если они покинут пределы лаборатории, совсем не просто.
При этом, достаточно внести незначительные изменения в технологии изготовления нанотрубок, чтобы их характеристики весьма существенно изменились. В общей сложности в настоящее время насчитывается около 50 000 разновидностей нанотрубок, и токсичность одной нанотрубки не означает токсичности другой, пусть даже и похожей на первую.
![]() Питер Заполь (Peter Zapol) и Ларри Куртис (Larry Curtiss) из Аргоннской национальной лаборатории демонстрируют свое искусство модифицировать углеродные трубки с одноатомной стенкой. В определенных узлах стенки атомы углерода замещаются другими атомами или даже целыми комплексами атомов. Фото: Argonne National Laboratory/DoE |
Обычно, когда в лаборатории изучается токсичность определенного вещества, исследуется, как это вещество воздействует на то или иное подопытное животное. Однако в случае с наноматериалами такой подход становится неэффективным. Химические их свойства сильно зависят не только от входящих в состав наночастицы атомов, но и от размеров этих частиц и их структуры. И токсикологам иногда бывает достаточно трудно установить, какой именно материал они изучают в данный момент.
Так, например, в январе этого года в журнале «Toxicology letters» появилась статья группы исследователей из Швейцарии и Германии, где сообщалось о
В целом результаты токсикологических тестов в отношении углеродных нанотрубок неутешительны. Иногда нанотрубки даже сравнивают с асбестом, во многих случаях ответственным за возникновение онкологических заболеваний легких (длинные и тонкие волокна асбеста, попадая в легкие, судя по всему, не разрушаются, и становятся причиной воспалительного процесса, последствия которого проявляются спустя много лет). Специальный обзор по токсичности углеродных нанотрубок — учитывающий и исследования на животных, и лабораторные исследования — опубликовал в прошлом году Лам Чувинг (Chiu-Wing Lam), член токсикологической группы
Наноболезни
Кроме сходства с асбестом, эксперты отмечают необычайное сходство нанотрубок с частицами, содержащимися в выхлопах дизельных двигателей. Вдыхание таких частиц считается — в той же степени, что и курение, — фактором, заметно влияющим на здоровье человека и, в первую очередь, на его сердечно-сосудистую систему. Судя по всему, нанотрубки действуют на организм человека похожим образом — к такому выводу пришли исследователи из Национального института производственной безопасности и здравоохранения США (
![]() Процесс образования фуллерена из одноатомного слоя графита с последующим его тепловым разрушением был заснят при помощи трансмиссионного электронного микроскопа (ТЭМ) в Национальной лаборатории Сандия. Фото: Sandia/Los Alamos CINT center/DoE |
Если предположение подтвердится, это будет означать, что мы в данном случае скорее всего имеем дело не просто с похожими, а с идентичными объектами. Иными словами, что частицы дизельного выхлопа и есть углеродные нанотрубки. Лоуренс Мурр (
Можно ли, однако, с уверенностью утверждать, что по воздействию на человека те нанотрубки, которые Лоренс Мурр нашел в окружающей среде, идентичны тем, которые изучаются в лабораторных условиях? Вопрос остается открытым. Разумеется, «лабораторные» нанотрубки отличаются существенно большей степенью чистоты, и именно в этом смысле можно говорить об их меньшем воздействии на наш организм — в сравнении, к примеру, со всем известной копотью. Допустим все же, что исследования подтвердили высокий уровень токсичности углеродных нанотрубок. В этом случае нам придется искать ответ на ещё один вопрос: насколько часто мы вступаем с нанотрубками в непосредственный контакт?
Винсент Кастранова (
Остается неясным также и «уровень загрязнения» наноматериалами той среды, которая нас окружает в повседневной жизни. На окна и даже на стены на станциях метро нередко наносят покрытия с различными наноматериалами — и с антибактериальными целями, и для того, чтобы продлить их срок службы. Могут ли подобные покрытия представлять опасность?
![]() Материаловеды Технологического института Джорджии искусственно воспроизвели самоочищающуюся поверхность листа лотоса. Только если у настоящего листа лотоса самоочищение происходит благодаря уникальному сочетанию микрометровых неровностей и нанометровых воскообразных капелек, у искусственного — эти капельки заменяются пучками нанотрубок. Фото:Gary Meek/Georgia Tech |
Соответствующие эксперименты были проведены в Промышленном технологическом исследовательском институте (
О широком использовании нанотехнологий эксперты говорят как о ближайшем будущем, а потому человечеству следует как можно быстрее выявить — и, разумеется, снизить до минимально возможного уровня — ту вполне прозаическую и «лишенную всякого романтизма» опасность, скрытую в высокой эффективности наноматериалов.
Борис Булюбаш, 18.01.2008
Новости партнёров