Мир нано: в 100 раз тоньше волоса

С применением нанотехнологий в более чем 30 странах мира производятся тысячи наименований товаров - потребительских, промышленных, строительных

Вряд ли будет преувеличением сказать, что нанонаука и нанотехнологии в сознании большинства из нас сродни снежному человеку - каждый что-то слышал, но мало кто может поведать что-либо определенное. Между тем с результатами исследований в этой области в своей повседневной жизни мы сталкиваемся гораздо чаще, чем себе это представляем.
В настоящее время различные компании из более чем 30 стран мира выпускают свыше 1300 наименований потребительских изделий (6-кратный рост по сравнению с 2006 годом), в описании которых обоснованно, по мнению экспертов, присутствует слово «нано» (косметические и гигиенические средства, спортивный инвентарь, одежда и т.д.). 
Индустриальное производство (полупроводниковые кристаллы в микропроцессорах, нанопокрытия режущих инструментов, композитные пластмассы и т.д.) является другой важной областью применения современных нанотехнологий. Формально любой предмет, линейные размеры которого хотя бы в одном измерении меньше 1 микрометра (1000 нанометров, в 100 раз тоньше человеческого волоса), попадает под определение «нано» (наночастица, нанопленка, наноробот и т.д.). 
В то же время многие специалисты полагают, что этого недостаточно, - «истинными» наночастицами, по их мнению, являются лишь объекты, размер которых не превышает 100 нм (одна десятимиллионная метра, или 1/1000 толщины человеческого волоса). 
Как бы то ни было, с легкой руки современных масс-медиа слова и выражения с приставкой «нано» прочно вошли в нашу жизнь, означая, как правило, явления или объекты, относящиеся к категории сверхмалых, таких, что «меньше, чем микро».

Почему нано
За счет так называемых «размерных эффектов»  физикохимические характеристики (электрические, магнитные, механические и т.д.) наноматериалов в значительной мере отличаются от свойств веществ в обычном состоянии. Потому использование наноразмерных частиц при производстве потребительских товаров и промышленных изделий придает им замечательные свойства, увеличивает твердость, прочность, сроки службы и т.д.
Взять хотя бы открытый недавно материал графен, являющийся, по сути, графитовой пленкой толщиной в один атом. Но его прочность на разрыв в 200 раз больше высококачественной стали. 
С другой стороны, с точки зрения законов физики, нет никаких препятствий к тому, чтобы создавать материальные объекты прямиком из атомов, перемещая их по отдельности при помощи неких манипуляторов соответствующих размеров. 
Впервые на возможность этого еще в 1959 году указал известный американский физик, Нобелевский лауреат Ричард Фейнман. В этом смысле нанонаука и нанотехнологии, которые работают с объектами размером в десятки и сотни атомов (молекул), как никто другие, приближают время, когда предсказанные Фейнманом молекулярные машины и роботы станут реальностью.

Чистота - навечно
Среди множества существующих на сегодняшний день нанотехнологических продуктов и изделий мы решили остановиться на тех, что нашли применение в строительстве. Данная отрасль с ее крупнотоннажным производством, казалось бы, будет в числе последних, кого коснутся достижения нанонауки. Реальность, между тем, выглядит совсем иначе.
Возьмем, к примеру, Церковь Милосердного Бога Отца, построенную в 2003 году в одном из спальных районов Рима. На протяжении всех этих лет она остается ослепительно белой, как будто смог и пыль большого города не властны над ней. 
Секрет в том, что при строительстве использовался специальный цемент, содержащий добавки нанокристаллического диоксида титана (торговое название - ТХ Актив). Последний, помимо придания зданию характерного белоснежного цвета, является и главной причиной того, что эта белизна не меркнет с годами.
Под действием солнечного света диоксид титана начинает работать как фотокатализатор, помогая кислороду воздуха разлагать осевшие на поверхности здания частицы пыли, грязи и смога.
По словам компании «Италцементи груп», разработавшей ТХ Актив, несмотря на относительно высокую стоимость (примерно в три раза выше, чем у обычного цемента), применение данной технологии позволяет внешним поверхностям зданий оставаться чистыми десятилетиями, что существенно снижает эксплуатационные расходы.

Нано спасёт экологию
Кроме того, такие строения могут внести значительный вклад в улучшение экологической ситуации в больших городах, разлагая угарный газ, оксиды азота и другие компоненты автомобильных выхлопов. 
Согласно расчетам ученых из «Италцементи груп», если 15% всех фасадов зданий Милана были бы построены с использованием фотокаталитической добавки ТХ Актив, количество смога в воздухе этого итальянского города сократилось бы вдвое.
Похожий принцип используется в самоочищающихся оконных стеклах «Пилкингтон Актив», содержащих незаметное глазу, толщиной всего 50 нанометров (1/2000 человеческого волоса), покрытие из диоксида титана. 
Как и в случае с цементом ТХ Актив, присутствие в данном случае нанопленки диоксида титана активирует фотокаталитический процесс разложения и разрушения органической грязи, в то время как потоки дождя в дальнейшем смывают остатки, не оставляя характерных грязных разводов.
Другим примером осязаемого, зримого воплощения достижений современных нанотехнологий может служить силиконовая краска для наружных работ «Лотозан», обладающая «эффектом лотоса».

Эффект лотоса
В начале 1990-х годов немецкий ботаник, профессор Боннского университета Вильгельм Бартлотт выяснил, что удививительная способность листьев лотоса оставаться всегда сухими и чистыми обусловлена особым, «шипастым» (на наноуровне), строением поверхности.
Как результат, капли воды не могут удержаться на ней и, скатываясь, уносят с собой частицы пыли, сажи, споры грибов и т.д. («эффект лотоса»).
В 1999 году ученые компании «Сто корпорейшн», используя наночастицы гидрофобного (водоотталкивающего) оксида кремния, сумели воспроизвести «шипастую» поверхность листьев лотоса в фасадной краске «Лотозан». Окрашенные ею здания приобретают водоотталкивающие свойства и способность самоочищаться, что позволяет  оставаться чистыми на протяжении значительного периода времени. 
Как и в случае с листьями лотоса, дождевая вода не просто скатывается с обработанных «Лотозаном» поверхностей, а увлекает с собой частицы пыли и сажи, предотвращая тем самым образование темных отложений на стенах домов.
В свою очередь, американская компания ММФХ «Технолоджис» в сотрудничестве с Университетом Беркли разработала способ производства наноструктурированной стали, прочность которой вдвое, а коррозийная стойкость - вчетверо выше, чем у обычных сортов. Строительная арматура из такого сплава прослужит в бетоне мостов и зданий около 200 лет против 50 минимально допустимых. 
Примечательно, что ее производство не требует какого-либо специального сталелитейного оборудования, а посему данный продукт нанотехнологий ММФХ «Технолоджис» способна выплавлять в количестве 100 тонн в час.

Александр ЛЕОНТЬЕВ