Примеры уникальных свойств некоторых наночастиц

 Министерство образования и науки Республики Казахстан

Западно-Казахстанский университет им.М.Утемисова

 

 

Кафедра физики и математики

 

 

Реферат

    на тему:

  Примеры уникальных свойств    некоторых наночастиц.

  «Умные» материалы.

 

 

                  Выполнила: маг-ка  1 курса Карман А.

 

 

 

 

Уральск 2013

Оглавление

Введение

1.  Примеры уникальных свойств    некоторых наночастиц.

1.1. Серебро

1.2. Оксид цинка

1.3. Серпентин

1.4. Диоксид кремния

2. «Умные» материалы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Серебро

Свойства у наночастицы серебра на самом деле уникальные.

Во-первых, это феноменальная бактерицидная  и антивирусная активность. Об антимикробных свойствах, присущих ионам серебра, человечеству известно уже очень давно. Наверняка большинство читателей слышали о целительных способностях церковной “святой воды”, получаемой путем прогонки обычной воды сквозь серебряный фильтр. Такая вода не содержит многих болезнетворных бактерий, которые могут присутствовать в обычной воде. Поэтому она может храниться годами, не портясь и не “зацветая”.

Кроме того, такая вода содержит некоторую  концентрацию ионов серебра, способных  нейтрализовать вредные бактерии и  микроорганизмы, чем и объясняется  ее благотворное влияние на здоровье человека.

Установлено, что наночастицы серебра в тысячи раз эффективнее борются с бактериями и вирусами, чем серебряные ионы.

Как показал эксперимент, ничтожные концентрации наночастиц уничтожали все известные микроорганизмы (в том числе и вирус СПИДа), не расходуясь при этом.                                                 

Кроме того, в отличие от антибиотиков, убивающих не только вредоносные  вирусы, и но и пораженные ими клетки, действие наночастиц очень избирательно: они действуют только на вирусы, клетка при этом не повреждается! Дело в том, что оболочка микроорганизмов состоит из особых белков, которые при поражении наночастицами перестают снабжать бактерию кислородом. Несчастный микроорганизм больше не может окислять свое «топливо» -глюкозу - и гибнет, оставшись без источника энергии. Вирусы, вообще не имеющие никакой оболочки, тоже получают свое при встрече с наночастицей. А вот клетки человека и животных имеют более «высокотехнологичные» стенки, и наночастицы им не страшны.

В настоящий момент проводятся исследования возможностей использования наночастиц серебра в фармацевтических препаратах. Но уже сейчас они находят огромное количество применений.

Например, фирма “Гелиос” выпускает  зубную пасту “Знахарь” с наночастицами серебра, эффективно защищающую от различных инфекций. Также небольшие концентрации наночастиц добавляют в некоторые кремы из серии “элитной” косметики для предотвращения их порчи во время использования. Добавки на основе серебряных наночастиц применяются в качестве антиаллергенного консерванта в кремах, шампунях, косметических средствах для макияжа и т.д. При использовании наблюдается также противовоспалительный и заживляющий эффект.

Ткани, модифицированные серебряными  наночастицами, являются, по сути, самодезинфицирующимися. На них не может “ужиться” ни одна болезнетворная бактерия или вирус. Наночастицы не вымываются из ткани при стирке, а эффективный срок их действия составляет более шести месяцев, что говорит о практически неограниченных возможностях применения такой ткани в медицине и быту. Материал, содержащий наночастицы серебра, незаменим для медицинских халатов, постельного белья, детской одежды, антигрибковой обуви и т.д., и т.п.

Наночастицы способны долго сохранять бактерицидные свойства после нанесения на многие твердые поверхности (стекло, дерево, бумага, керамика, оксиды металлов и др.). Это позволяет создать высокоэффективные дезинфицирующие аэрозоли длительного срока действия для бытового применения. В отличие от хлорки и других химических средств обеззараживания, аэрозоли на основе наночастиц не токсичны и не вредят здоровью людей и животных.

Люди всегда искали способы борьбы с инфекциями, передаваемыми воздушно-капельным путем — гриппом, туберкулезом, менингитами, вирусным гепатитом и т. п. Но, увы, воздух в наших квартирах, офисах и особенно в местах массового скопления людей (больницы, общественные учреждения, школы, детские сады, казармы, тюрьмы и т. п.) перенасыщен патогенными микроорганизмами, выдыхаемыми зараженными людьми.

Традиционные способы профилактики не всегда справляются с этой проблемой, поэтому нанохимики предложили для ее решения очень элегантный способ: добавить в лакокрасочные материалы, покрывающие стены заведений, наночастицы серебра. Как оказалось, на покрашенных такими красками стенах и потолках не может “жить” большинство патогенных микроорганизмов.

Наночастицы, добавленные в угольные фильтры для воды, практически не вымываются с ней, как это происходит в случае обычных серебряных ионов. Это говорит о том, что срок действия таких фильтров будет несоизмеримо больше, а качество очистки воды возрастет на порядок.

Короче говоря, крошечные, незаметные, экологически чистые серебряные наночастицы могут применяться везде, где необходимо обеспечить чистоту и гигиену: от косметических средств до обеззараживания хирургических инструментов или помещений. При этом, как уверяют ведущие российские ученые в данной области, стоимость средств и материалов, созданных на их основе, будет не намного дороже традиционных аналогов, и с развитием нанотехнологий они станут доступны каждому. Фирма Samsung уже добавляет наночастицы серебра в сотовые телефоны, стиральные машины, кондиционеры и другую бытовую технику.

Помимо обеззараживающих свойств, наночастицы серебра обладают также высокой электропроводностью, что позволяет создавать различные проводящие клеи. Проводящий клей может быть использован, например, в микроэлектронике для соединения мельчайших электронных деталей.

 

 

 

 

 

Оксид цинка

Наночастицы ZnO также обладают рядом уникальных свойств (в том числе и бактерицидных), среди которых особый интерес вызывает способность поглощать широкий спектр электромагнитного излучения, включая ультрафиолетовое, инфракрасное, микроволновое и радиочастотное.

Такие частицы могут служить, например, для защиты против УФ-лучей, придавая новые функции стеклам, пластмассам, краскам, синтетическим волокнам и т.д. Это позволяет создавать солнечные очки, специальную одежду и другие вещи, не только защищающие от ультрафиолета, но и препятствующие нагреву в жаркий летний день. Их можно использовать в солнцезащитных кремах, мазях и других препаратах, поскольку они мягки, безопасны и не раздражают кожу.

Кроме того, способность этих наночастиц к рассеянию электромагнитных волн может использоваться в тканях одежды для придния ей свойств невидимости в инфракрасном диапазоне за счет поглощения излучаемого человеческим телом тепла. Это позволяет изготавливать камуфляжи и покрытия типа “стелс”, невидимые в широком диапазоне частот — от радио до ультрафиолета. Такая одежда просто незаменима в военных или антитеррористических операциях, поскольку позволяет вплотную подойти к противнику без риска быть замеченным приборами ночного видения.

Материал на основе наночастиц ZnO может также применяться в инфракрасных датчиках.

Серпентин

Нанотрубки серпентина — замечательный пример промышленного применения уникальных свойств наночастиц. Отечественный концерн “Наноиндустрия” выпустил на основе минеральных нанотрубок (не путать с углеродными!) специальный ремонтно-восстанавительный состав (РВС). Такой нанотехнологический РВС способен восстановить после износа практически любые трущиеся металлические поверхности (двигатели автомобилей, узлы трения различных станков и механизмов), а залив его в картер автомобиля, можно надолго забыть о проблеме износа двигателя.

В обычном состоянии механические части двигателя постепенно разрушаются из-за трения, так как созданы по грубой балк-технологии. Но если добавить в масло флакончик РВС, то происходит следующее: при работе механические части нагреваются от трения, этот нагрев катализирует присоединение нанотрубок к поврежденным областям, в результате чего в областях интенсивного трения на поверхности деталей образуется идеально ровный защитный слой. А при сильном нагреве они утрачивают свою способность к присоединению. Таким образом, в трущемся узле постоянно поддерживается тепловое равновесие и детали, ввиду идеальной гладкости взаимодействующих поверхностей, практически не изнашиваются.

Рис 78. Схема действия восстановительного состава РВС “Нанотехнология”

 

Результаты исследований показали, что слой остается в целости и сохранности феноменально долгое время после смены масла. Такая простая, казалось бы, технология помимо продления жизни вашего автомобиля дает еще кучу полезных преимуществ, в частности:

• возможность восстановления изношенных деталей без

разборки двигателя;

очистка двигателя от нагара и смолистых  отложений; увеличение мощности двигателя  на 15-17%; снижение стоимости ремонта  деталей в 2-3 раза; снижение вибрации и шума;

уменьшение токсичности выхлопных  газов на 70-80%!

Последнее заслуживает особого  внимания в связи с далеко не благоприятной  экологической обстановкой, вызванной  переизбытком выхлопных газов по всему миру. Руководство стран западной Европы, уделяющее большое внимание этой проблеме, мгновенно оценило возможности нового продукта. В частности, итальянская “партия зеленых”, проведя необходимые исследования, пришла к выводу, что если все владельцы автомобилей обработают их российским РВС, это снизит уровень выбросов настолько, что Италия сможет подписать Киотское соглашение¹ без снижения промышленных выбросов вообще. В настоящее время в Италии лоббируется соответствующий законопроект.

Ликвидация некоторого числа промышленных предприятий привело бы к многомиллиардным убыткам для экономики страны, в то время как стоимость обработки одного автомобиля 
составляет менее $30 (не говоря уже о личных выгодах для каждого автолюбителя). Нам же остается только удивляться равнодушию российских чиновников, не проявивших никакого интереса к представленному им подробному отчету о результатах испытаний отечественного нанотехнологического продукта.

Диоксид кремния

Наночастицы диоксида кремния (SiO2) обладают удивительным свойством: если их нанести на какой-либо материал, то они присоединяются к его молекулам и позволяют поверхности отторгать грязь и воду. Самоочищающиеся нанопокрытия на основе этих частиц защищают стекла, плитку, дерево, камень и т.д. Частицы грязи не могут прилипнуть или проникнуть в защищаемую поверхность, а вода легко стекает с нее, унося любые загрязнения.

 

 

 

 

 

 

Рис 79. Принцип действия самоочищающихся нанопокрытий

Нанотехнологи придумали, как защищать не только такие монолитные структуры, как дерево или камень, но и нашу с вами одежду. Одного литра водного раствора наночастиц SiO₂,

глубоко проникающих в волокна  тканей, хватает для обработки 5-30 кв.м полотна. Ткань после нанесения покрытия свободно пропускает воздух, но не пропускает влагу. Можно забыть про трудновыводимые пятна от кофе, жира, грязи и пр. Покрытие устойчиво к трению, гибко, не портится от солнечного света, температуры и стирки.

“Умные” материалы

Одним из главных практических применений нанохимии является производство всевозможных наноматериалов. Благодаря специфическим свойствам наночастиц, лежащих в их основе, такие материалы часто превосходят “обычные” по многим параметрам. 

Например, прочность металла, полученного  средствами нанотехнологии, превышает прочность обычного в 1,5 — 2, а в некоторых случаях — и в 3 раза. Твердость его больше в 50-70 раз, а коррозийная стойкость — в 10-12 раз!

Разнообразие наноматериалов с уникальными свойствами буквально поражает воображение: это и сверхлегкие, сверхпрочные нанопокрытия для чего угодно — от самолетов до режущих инструментов, и самоочищающиеся ткани, и материал, защищающий человека от вредного воздействия радиоизлучения (ведущие производители сотовых телефонов уже планируют производить из него корпуса для телефонов нового поколения).

"Умные" материалы активно  реагируют на изменения окружающей  среды и изменяют свои свойства  в зависимости от обстоятельств.

Помимо улучшения свойств привычных  промышленных материалов развитие нанохимии ведет ко все большему распространению так называемых “умных материалов”.

Самым простым примером “умного  материала”, созданного природой, является наша кожа. Ведь подумать только: наше тело покрыто миллиардами чувствительных “нанодатчиков”, связанных с головным мозгом! Даже с закрытыми глазами мы легко отличаем круглое от квадратного, мокрое от сухого, горячее от холодного... Наша кожа способна реагировать на “опасность”, заставляя нас рефлекторно одергивать руку, чтобы не обжечься, или одеваться потеплее, чтобы защитить свой организм от переохлаждения; она способна к самозаживлению при травмах, самодостраивается по мере роста человека.

Кроме того, наша кожа обладает уникальной системой потоотделения, необходимой для защиты организма в условиях высоких температур. Каждый школьник знает, что оптимальная температура здорового человека — около 36,6°С. При повышении или понижении температуры тела всего лишь на 2-3 градуса мы чувствуем слабость, наша работоспособность падает, внимание и память ухудшаются, портится настроение. Падение температуры тела ниже 30°С очень опасно для здоровья. При 27°С наступает кома, происходит нарушение сердечной деятельности и дыхания. Температура ниже 25°С является критической — человек умирает. Не менее опасно и повышение температуры тела. Критической считается температура 42°С — при ней происходит нарушение обмена веществ в тканях мозга, человек теряет сознание. Если такая температура долго не спадает, это грозит повреждением головного мозга и даже смертью.