XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

В мире современных технологий появляется много новых материалов, но наибольший рост наблюдается среди наноматериалов: нановолокна, нанотрубки, наношарики, наностержни, квантовые точки, иммобилизированные наночастицы и еще ряд экзотических структур. Большинство наноматериалов имеют углеродную природу, но есть металлические, силикатные, целлюлозные и иные структуры. Растет объем их присутствия в жизни человека и окружающей среде, так как из лабораторных образцов, получаемых в микрограммовых количествах, они вырастают в многотонные производства. Наиболее изучены токсические свойства углеродных наноматериалов, и, в, частности, нанотрубок – одно- или многослойных цилиндрических структур, состоящих из углерода диаметром до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров. Сообщения о токсичности нанотрубок в мировой литературе начали появляться сравнительно недавно (с начала 2000-хх гг.) и исследования в данном направлении продолжается до сих пор.

Интенсивное развитие теории углеродных нанотрубок приходится на 90-е годы ХХ века, после того как группа ученых из США Ричрд Смолли, Харольд Уолер Крот и Роберт Кёрл в 1985 году открыли Фуллерен (C₆₀) это молекула, представляющая собой замкнутую сферу, состоящую из шестидесяти атомов углерода, за это открытие было удостоены Нобелевской премии по химии. В 1986 году профессор кафедры органической химии Киевского университета М. Ю. Корнилов не только предсказал существование одностенных углеродных нанотрубок, но и высказал предположение об их большой упругости. В 1991 году Японский учёный изNippon Electric Corporation Сумио Иидзима, используя просвечивающий электронный микроскоп с высоким разрешением, обнаружил закрытую структуру и открытую, вскоре он описал их образование, геометрию, кристаллическую структуру. Первую микрофотографию нанотрубок нитрида бора, смогли сделать в 1995 году в Национальном институте материаловедения, который является одним из самых крупнейших научно-исследовательских центров в Японии, на фото видно, что полученные трубки многослойные у них от трёх до шести слоёв (рис 1-2).

Рисунок 1 Рисунок 2

Таким образом, исследования показали, что углеродные нанотрубки - это углеродный материал, представляющий собой цилиндрические структуры с диаметром порядка нескольких нанометров, состоящие из свернутых в трубку графитовых плоскостей. Нанометр равен одной миллиардной части метра, что составляет около одной десятитысячной толщины человеческого волоса. Графитовая плоскость представляет собой непрерывную гексагональную сетку с атомами углерода в вершинах шестиугольников. Углеродные нанотрубки могут различаться по диаметру, длине, хиральности (симметрии свернутой графитовой плоскости) и по количеству слоев. И хотя углеродные нанотрубки образованы, по сути, из плоскостей графита, в зависимости от структуры, они могут обладать как полупроводниковыми, так и металлическими, что делает их потенциально применимым в самых разных областях. Углеродные нанотрубки обычно имеют диаметр от <1 нм до 50 нм. Их длина, как правило, составляет несколько микрон, но последние достижения сделали возможным производство нанотрубок с длиной до нескольких сантиметров.

Идеальная нанотрубка представляет собой свёрнутую в цилиндр графитовую плоскость, то есть поверхность, выложенную правильными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода. Результат такой операции зависит от угла ориентации графитовой плоскости относительно оси нанотрубки. Угол ориентации, в свою очередь, задаёт хиральность нанотрубки, которая определяет, в частности, её электрические характеристики.

Хиральность нанотрубок обозначается набором символов (m, n), указывающих координаты шестиугольника, который в результате сворачивания плоскости должен совпадать с шестиугольником, находящимся в начале координат.

Для того чтобы высчитать хиральность углеродной нанотрубки требуется формула:

(1)

где d₀= 0,142нм— расстояние между соседними атомами углерода в графитовой плоскости. Связь между индексами хиральности (m, n) и углом α даётся соотношением:

(2)

Среди различных возможных направлений сворачивания нанотрубок выделяются те, для которых совмещение шестиугольника (m, n) с началом координат не требует искажения его структуры. Этим направлениям соответствуют, в частности, углы α = 0 (armchair конфигурация) и α = 30° (zigzag конфигурация). Указанные конфигурации отвечают хиральностям (m, 0) и (2n, n) соответственно (рис 3)

Рисунок 3

Возможное применение углеродных нанотрубок:

1) Механические применения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы.

2) Применения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы.

3) Для создания соединений между биологическими нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках.

4) Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки.

5) Оптические применения: дисплеи, светодиоды.

6) Медицина (в стадии активной разработки).

7) Трос для космического лифта, так как нанотрубки теоретически, могут держать и больше тонны… но только в теории. Потому как получить достаточно длинные углеродные трубки с толщиной стенок в один атом не удавалось до сих пор.

8) Листы из углеродных нанотрубок можно использовать в качестве плоских прозрачных громкоговорителей, к такому выводу пришли китайские учёные

Кроме бесспорных достоинств эти перспективные материалы обладают недостатками. Ученые проведя множество экспериментов пришли к выводу что углеродные нанотрубки опасны для живых клеток. Вдыхание длинных многослойных углеродных нанотрубок может причинить такой же вред здоровью, как вдыхание асбеста. Фиброгенность и канцерогенность волокон асбеста хорошо известна: по этой причине материал недавно запрещён к использованию для отделки помещений. В 2008 году в центре по исследованиям воспалительных заболеваний при Эдинбургском университете (MRC Center for Inflammation Research) выявили, что углеродные нанотрубки вызывают такие же проблемы с дыханием и способны спровоцировать такую же опасную и редкую форму рака — мезотелиому, неизлечимое поражение лёгочной плевры, которое может проявиться через 30-40 лет после вдыхания асбеста.Медики провели исследование влияния на организм лабораторной мыши длинных нанотрубок толщиной в 2-50 цилиндров, расположенных вдоль общей оси (рис 4). Такой материал и под микроскопом похож на волокна асбеста, и обладает такими же свойствами при попадании в лёгкие. Другой важный путь попадания наноматериалов в организм – через кожу. Наночастицы, в отличие от обычных материалов, могут проникать даже через неповрежденную кожу - при ее изгибе, например, когда мы двигаем запястьем или сгибаем ногу в колене. Кроме того, в действии наночастиц на организм может играть значение не только их размер, но и форма. Ряд авторов утверждает, что наночастицы вытянутой формы (например, нанотрубки) в целом более опасны, чем сферические наночастицы. Уникальная поражающая способность асбеста объясняется сверхмалым диаметром и большой длиной волокон. Это сочетание характеристик позволяет волокнам проникнуть глубоко в лёгкие, но не даёт возможность иммунной системе уничтожить их. Углеродные нанотрубки обладают такими же свойствами. Особенно опасными могут быть многослойные нанотрубки, составленные из нескольких цилиндрических слоёв, потому что такие структуры особенно хорошо сохраняют свою форму и острые края. Научная работа центра по исследованиям воспалительных заболеваний при Эдинбургском университете опубликована в журнале Nature Nanotechnology в мае 2008 года. «Существует срочная необходимость проверить, как используются углеродные нанотрубки, нужно посмотреть, есть ли шанс, что люди подвергаются воздействию опасных материалов», — сказал тогда доктор Эндрю Мэйнард (Andrew Maynard), один из соавторов исследования. Он добавил, что в течение многих десятилетий никто не обращал внимания на опасность асбеста, пока не стало слишком поздно для многих людей.

Рисунок 4

Разумеется, когда мы говорим о безопасности наноматериалов, следует иметь в виду возможность их воздействия не только на человека. Попадая во окружающую среду, наноматериалы могут взаимодействовать практически с любыми видами животных и растений. Может ли это навредить природе? Ведь наночастицы благодаря своим размерам могут очень легко проникать в любые организмы через мембрану клеток. Исследователи из МГУ и Тамбовского университета, например, обнаружили, что наночастицы могут всысываться корневой системой растений и переноситься куда угодно, до самых крайних листьев и побегов. Опасно это или нет? Ведь в природе даже гибель одного вида организмов может вызвать цепную реакцию разрушения всей экосистемы. Исследование воздействия наночастиц на природные системы пока только начинает развиваться. В России методические подходы к оценке экологической безопасности наноматериалов разрабатываются в уже упоминавшемся центре «Биотест-Нано». Но большинство вопросов в этой области остается пока без определенных ответов.

Чтобы решать этот вопрос для углеродных нанотрубок, нужно как можно активнее развивать работы по нанотоксикологии. Это поможет нам не гадать, а точно знать - какие наноматериалы и когда безопасны. А для небезопасных мы сможем установить условия и нормы применения так, чтобы не нанести вреда себе и природе вокруг нас. Как известно, человек всегда боится только того, чего он не понимает. А что понимает - использует себе на благо.

Список литературы

1. Булярский С.В. Углеродные нанотрубки: технология, управление свойствами, применение. Издательство: ООО Стрежень год 2011

2. Дьячков П.Н. Углеродные нанотрубки. Строение, свойства, применения. Год 2006

3. Кац Е.А. Фуллерены, углеродные нанотрубки и нанокластеры. Год 2014

4. Сухно И.В., Бузько В.Ю. Углеродные нанотрубки. Часть 1. Высокотехнологичные приложения. год 2008

5. Интернет ресурс: https://studfiles.net/preview/4519356/page:8/

6. Интернет ресурс: https://works.doklad.ru/view/e7cKW3tmS1U/all.html

7. Интернет ресурс: http://www.vokrugsveta.ru/telegraph/theory/527/