Нанотехнология в химии

На протяжении многих веков все помыслы и все усилия алхимиков были сосредоточены на одном-единственном вожделенном элементе – золоте. Однако современные химики – можно сказать, продолжатели дела древних алхимиков в том, что касается экспериментов с не всегда предсказуемыми результатами, – долгое время никакого интереса к золоту не проявляли. В отличие от своих предшественников, они считали этот благородный металл едва ли не самым «скучным» элементом из всей периодической таблицы Менделеева, поскольку в химическом отношении он чрезвычайно инертен и практически не образует сколько-нибудь прочных соединений с другими элементами. Однако бурное развитие так называемой «зелёной», то есть более экологичной химии заставило учёных пристальнее присмотреться к этому металлу. Дело в том, что разработка новых, не причиняющих ущерба окружающей среде технологий для производства тех или иных химических соединений требует, прежде всего, новых катализаторов.

Помнится, всем нам ещё в школе рассказывали, что существуют вещества, ускоряющие химические реакции, но сами в них не участвующие и не входящие в состав конечных продуктов, и что эти вещества называются катализаторами. Правда, сегодня слово «катализатор» у большинства населения ассоциируется, как правило, с устройством, расположенным в выхлопной трубе автомобиля и предназначенным для снижения токсичности отработавших газов. Между тем, без катализаторов было бы невозможно и само наше существование, потому что едва ли не все биохимические реакции в живом организме протекают только в присутствии ферментов, то есть биологических катализаторов. И современная промышленность тоже остро нуждается в катализаторах: достаточно сказать, что 80 процентов всей продукции химической отрасли производится с их помощью. Без катализаторов многие производственные процессы были бы вообще невозможны, а все остальные потребовали бы значительно более высоких энергозатрат. Именно поэтому экологичная химия и проявляет повышенное внимание к проблеме катализа. Этой теме было посвящено несколько докладов на Международной конференции по проблемам «зелёной» химии, прошедшей в начале июля в нидерландском городе Делфте. Так вот, судя по всему, очень перспективным катализатором может оказаться золото. По крайней мере, в этом не сомневается профессор химии Кардиффского университета в Уэльсе Грэм Хатчингс (Graham Hutchings). Британский учёный сегодня признаётся, что во времена, когда он ещё учился сам, а не учил других, золото и на него навевало скуку:

Тогда я сравнил бы золото по характеру с человеком твёрдых убеждений, надёжным и неизменным. На такого всегда можно положиться, он – само воплощение постоянства, но никаких сюрпризов – ни хороших, ни плохих – от него ждать не приходится.

Однако с тех пор, как профессор избрал этот благородный металл главным объектом своих научных интересов, он кардинально переменил своё мнение о нём:

Сейчас я представляю себе золото скорее как Золушку, которой вскоре предстоит превратиться в королеву бала. Ведь сегодня мы всё чаще обнаруживаем, что золото вовсе не столь уж постоянно и неизменно. Теперь мы научились проделывать с ним такие вещи, какие ещё совсем недавно считались невозможными. И это только начало. Расцвет новой химии – химии на основе золота – ещё впереди.

Профессор Хатчингс использует золото в качестве катализатора. Но чтобы выполнять эту функцию, металл должен образовывать соединения, пусть и непрочные, то есть ненадолго, с другими участниками реакции. А на это, как всем известно, золото неспособно – по крайней мере, до тех пор, пока оно находится в виде слитка, или монеты, или пластины. Профессор Хатчингс поясняет:

Но если продолжать делить кусок золота на всё более мелкие фрагменты с тем, чтобы получить наночастицы размером всего в несколько атомов, то золото становится химически чрезвычайно активным. И перед нами открывается совершенно новый, неведомый мир реакций, которые оно способно ускорять.

Прежде всего, это реакции окисления, в которых золото помогает молекуле одного из реагентов присоединить атом кислорода. До сих пор химикам-технологам приходилось использовать для этих целей очень агрессивные, а нередко ещё и ядовитые субстанции – например, соединения хрома. Золото же в качестве «зелёного» катализатора позволяет осуществлять безвредные реакции окисления с использованием атмосферного кислорода.

Эсбен Торнинг (Esben Taarning), сотрудник химического факультета Технического университета в датском городе Люнгбю, пошёл ещё дальше – он использует не только золото в качестве экологичного катализатора, но ещё и биомассу в качестве экологичного сырья. В частности, глюкозу из картофельного или кукурузного крахмала, которую он сперва обезвоживает:

Таким образом мы можем сформировать молекулы вещества, именуемого гидроксиметилфурфурал. А из него методом окисления в присутствии золотого катализатора можно получить один из основных компонентов для производства биопластмасс.

Такая технология позволит изготовлять, скажем, бутылки для минеральной воды из пластика на основе растительного сырья. Сегодня большая часть таких бутылок производится из полиэтилентерефталата – пластмассы на основе терефталевой кислоты. Эсбен Торнинг говорит:

Одно из вещество, производимых сегодня химической промышленностью в огромных количествах, – это терефталевая кислота. Причём в процессе её производства используются нефтепродукты, а между тем, всё идёт к тому, что некоторые их этих нефтепродуктов могут стать очень дефицитными, а значит, непомерно дорогими. Поэтому представляется разумным уже сегодня позаботиться об альтернативе. Наши химикаты, которые мы получаем из биомассы с помощью наночастиц золота в качестве катализатора, вполне могут, как мне кажется, претендовать на то, чтобы стать такой альтернативой.

А тем, кто думает, что золото – чересчур дорогой катализатор, я советую сравнить мировые цены на золото и на платину. Хотя платина вдвое дороже, она, тем не менее, относится сегодня к катализаторам, весьма широко распространённым в химическом производстве. Так что и золоту, похоже, уготована та же судьба, несмотря на всё «благородство» этого металла.

Понятно, впрочем, что одним лишь превращением инертного золота в химически активное роль нанотехнологий в химии не исчерпывается. Особое значение они обретают, например, в пищевой промышленности. Как известно, жиры в воде нерастворимы, поэтому при мытье посуды в воду обязательно добавляют специальные поверхностно-активные вещества – так называемые тензиды. Типичным примером может служить мыло. Эти вещества состоят из удлинённых молекул, один конец которых обладает сродством к воде, другой легко сцепляется с жирами. В результате в воде образуется множество мельчайших капелек жира, поверхность которых, если посмотреть на неё в микроскоп, щетинится молекулами тензидов, словно ёж колючками. Без тензидов получить такую эмульсию, состоящую из взвешенных в воде капелек жира, то есть перемешать жир с водой, было бы невозможно. Теперь расположенная в Дармштадте фирма «AquaNova» предложила основанную на этом же принципе технологию, позволяющую заключать различные биологически активные вещества в миниатюрные капсулы диаметром в 30 нанометров и вводить их в пищевые продукты. Таким путём нам удаётся смешивать то, что по природе своей вообще-то смешиваться не должно, – говорит сотрудник фирмы Франк Бенам (Frank Behnam):

Обычно химические вещества бывают либо водорастворимыми, либо жирорастворимыми. Скажем, витамин С растворяется только в воде, а витамин Е – только в масле. Заключая эти вещества в нанокапсулы, мы как бы отменяем эти ограничения. То есть теперь мы можем и воду насытить витамином Е, получив совершенно прозрачную жидкость. Это и для промышленности преимущество, потому что такой напиток легче производить, и для потребителя, потому что прозрачный напиток чисто визуально воспринимается лучше, чем мутный.

Всё очень просто: нанокапсулы так малы, что не рассеивают свет, поэтому жидкость сохраняет прозрачность. Нанокапсулы фирмы «AquaNova» имеют ряд преимуществ перед такими уже давно применяемыми частицами сходного назначения, как, скажем, липосомы: продукция дармштадтских химиков термически и механически стабильнее и устойчивее к воздействию желудочного сока, что позволяет использовать её не только в пищевой промышленности, но и в медицине, в фармацевтике, в косметологии. Ещё один пример такого применения – введение нанокапсул, содержащих витамин С, то есть аскорбиновую кислоту, в пищевые растительные масла с целью предотвращения их окисления. Франк Бенам говорит:

Аскорбиновая кислота является природным антиоксидантом, однако до сих пор её не удавалось ввести в масло. И вот теперь мы именно это и сделали. То есть сегодня мы можем предложить растительные масла, обогащённые витамином С с целью защиты от прогоркания. Сходные технологии мы разработали и для целого рада других промышленных консервантов, которые иначе внедрить, скажем, в молоко и некоторые кисломолочные продукты невозможно.

В тех случаях, когда при смешивании несмешиваемых веществ можно не обращать внимание на такие показатели как прозрачность – например, при изготовлении майонеза, – сегодня всё чаще используется другой метод, также базирующийся на нанотехнологиях. Каждый из компонентов, подлежащих смешиванию, пропускаются под давлением сквозь очень мелкопористое сито. Образующаяся в результате эмульсия достаточно стабильна – если только поры не слишком сильно отличаются размерами. В противном случае эмульсия норовит расслоиться, что придаёт, скажем, тому же майонезу мало аппетитный вид. Всё дело в том, что среди образующих эмульсию капель действует звериный закон: большие и сильные пожирают маленьких и слабых. Поэтому важнейшими условиями стабильности эмульсии являются её гомогенность и тонкодисперсность, которые достигаются за счёт применения сит с нанопорами строго одинакового размера. Технология производства таких сит во многом сходна с технологией производства микропроцессоров: и те, и другие изготовляются из тончайших пластин кремния, которые подвергаются фототравлению. Наиболее совершенные сита такого рода могут выполнять роль фильтров: они способны задерживать патогенные микроорганизмы и даже вирусы...

Но вернёмся к тензидам. У медали есть и обратная сторона. Изрядную тревогу вызвало около года назад сообщение о том, что исследователи из Боннского университета обнаружили в двух реках Германии повышенную концентрацию так называемых исчерпывающе фторированных тензидов. Эти искусственно синтезированные вещества крайне плохо поддаются биологическому расщеплению, а потому склонны накапливаться в окружающей среде и в живых организмах. Они содержатся в пене огнетушителей, в жидкости для водоотталкивающей пропитки одежды и обуви, в химикатах для облагораживания бумаги и во многих других составах. Пока, правда, не вполне ясно, оказывают ли они какое-либо негативное воздействие, но их концентрация в реках Германии внимательно отслеживается. Франк Томас Ланге (Frank Thomas Lange) из Технологического центра по проблемам качества воды в Карлсруэ, говорит:

В целом по Германии можно сказать, что питьевая вода здесь имеет крайне низкий уровень загрязнения. Речь идёт о нанограммах на литр, такие концентрации едва поддаются измерению. Однако, как мы теперь знаем, есть отдельные, строго ограниченные, районы, где показатели, рекомендованные Федеральным ведомство по охране окружающей среды, достигаются или даже несколько превышаются.

Бактерии в очистных сооружениях против таких соединений бессильны. Не помогает и так называемая береговая фильтрация сквозь донные отложения в руслах рек: многие искусственно синтезированные органические вещества остаются в воде. Причём одними лишь исчерпывающе фторированными тензидами дело не ограничивается. Микрозагрязнениями называют учёные такие примеси, которые содержатся в воде в очень низких концентрациях, но оказывают порой весьма ощутимое воздействие. В первую очередь это касается гормоноподобных веществ и лекарственных препаратов. Вальтер Гигер (Walter Giger), сотрудник Швейцарского института охраны водоёмов и водных технологий в Дюбендорфе, говорит:

По сути дела, речь идёт о так называемых игнорированных соединениях. То, что такие микрозагрязнения в сточных водах имеют место, было известно давно. Понятно ведь, что продукты расщепления лекарств выводятся из организма и попадают в канализацию. Однако долгое время мы не располагали аналитическими возможностями для обнаружения многих из них. Такие возможности появились лишь недавно – лет 10-15 назад. И теперь мы уже имеем более или менее полное представление о том, какие субстанции не могут быть удалены из воды в стандартных очистных сооружениях.

При этом следует иметь в виду, что стабильность многих лекарственных препаратов заложена в них изначально и вполне сознательно, поскольку медикамент не должен слишком быстро расщепляться в организме больного. По словам Вальтера Гигера, на подходе ещё одно соединение, которое в недалёком будущем может стать источником микрозагрязнений. Речь идёт об искусственно стабилизированном сахаре: в молекулы самого обычного сахара химики внедрили атомы хлора. Вальтер Гигер поясняет:

Это приводит к тому, что молекулы такого хлорированного сахара не расщепляются в организме. То есть сахар по-прежнему обеспечивает сладкий вкус во рту, но не усваивается и, соответственно, не даёт лишних калорий – или джоулей, если хотите, – человек не толстеет. Такой сахар в полном объёме выводится из организма. Мы пока очень мало знаем о том, как это вещество воздействует на окружающую среду, но у нас есть все основания предполагать, что оно будет накапливаться в водоёмах. Мы уже получили первое сообщение об обнаружении этой субстанции в Норвегии, в заливе Осло-фьорд.

Теми же проблемами чревато и распространение новых наноматериалов. Как правило, они представляют собой мелкодисперсную, нерастворимую в воде пыль. Сегодня химики активно работают над тем, чтобы сделать эти частицы пригодными для тех или иных применений. При этом они меняют поверхностные свойства наночастиц, – говорит Вальтер Гигер:

…с целью сделать их растворимыми. И тогда мы вдруг столкнёмся с массой очень подвижных частиц, от которых, возможно, исходит опасность для окружающей среды. Но оценить её мы пока не в состоянии.