Немного алхимии, много нанотехнологий, две щепотки зеленных и природоподобных технологий

Опубликовано 22.04.2024
Герман Кричевский   |   просмотров - 461,   комментариев - 0
Немного алхимии, много нанотехнологий, две щепотки зеленных и природоподобных технологий

а на выходе продукция с необыкновенными полезными свойствами - наночастицы благородных металлов… Ну и чуть-чуть похвальбы.


Профессор Герман Кричевский

«Если гора не идёт к Магомеду, то …»

Введение

Я уже несколько лет не преподаю ни в каком вузе (университете), но продолжаю заниматься научно-практическими разработками для нашей семейной фирмы (научный руководитель) и просвещением в разной форме (книги, учебники, учебные пособия, издание журнала НБИКС-НТ и др.).

Но в этом тексте я о просветительстве говорить не буду. Это отдельная тема и требует написания другой статьи. Этот текст даже не обо всей науке, которой я занимаюсь, а только об одной очень интересной теме для меня и очень многих отраслей индустрии и областей науки и техники. Речь идёт о получении и практическом использовании наночастиц благородных (серебро, золото, платина) и тяжёлых (железо, никель, кобальт, свинец, титан и др.) металлов.

Почему я пишу этот текст? Во-первых, большинство людей не знают об очень интересном научно-практическом направлении, которым я занимаюсь уже много лет. Это направление динамично развивается во многих развитых странах. Наши ученые идут другим очень дорогим и опасным путем. Во-вторых, мне очень много лет. Есть опасность, что не успею рассказать о том, что меня волнует, а кому-то мои знания могут пригодиться. Книги читать не в моде, не в тренде в клиповом мире. А так прочитают этот текст, и кто-то полезет в мои книги.

Почему я химик текстильщик уже около 20 лет занимаюсь этой проблемой, одним из важнейших направлений нанотехнологий? Притом, что химия текстиля – моя основная, любимая специальность. Про отношения к моей специальности (признание в любви) я давно собираюсь написать отдельный текст. Даже имеются его наброски. Может и соберусь.

Так вот и меня, и практически всех специалистов химиков-текстильщиков, да и других специалистов (прядильщиков, ткачей и т.д.) распад СССР, последующая за этим индустриализация экономики России, в том числе практическое исчезновение текстильной промышленности и, как следствие, закрытие соответствующих специальностей в российских вузах и в университетах лишила возможности работать по специальности. Каждый искал себя в новых обстоятельствах. Многие выпали насовсем и навсегда из своей специальности. К счастью, наша специальность – химия текстиля (сегодня, можно сказать, химия, физика, фотохимия, нанотехнологии, информационные, био-, когнитивные технологии текстиля) плотно связана со всеми фундаментальными науками и прорывными технологиями XXI века. Эта плотная связь (конвергенция) касается и связи химии текстиля с нанотехнологиями, сегодня играющей большую роль в производстве текстиля: нановолокна разной природы, наноформы препаратов в заключительной отделке, антибактериальные препараты на основе наночастиц металлов и др. Нанотехнологии, которые изучают, используют наночастицы (размер 1-100 нанометров), меня заинтересовали почти сразу после её признания в ряде высокотехнологичных стран (США, Германия, Китай).

К тому же нанотехнология «опирается», как и земля, на двух китов. Одна часть нанотехнологии стоит прочно на радиоэлектронике (современные чипы уже уменьшились до 2 наноматериал) и на неё верно работает. Без нанотехнологии не было бы современной микро-, наноэлектроники и многих других современных областей науки и техники, в том числе современной информационной технологии.

А вот вторая часть нанотехнологий и её вторая нога, на которой она также прочно стоит, как и на первой ноге – это один из интереснейших разделов химии – коллоидная химия. Коллоидная химия много чего изучает, но одно из главных её направлений – это изучение свойств и поведение твердых частиц веществ в жидкостях. Если эти частицы имеют размер 1-100 нм, то это не только коллоидная химия, но и нанотехнологии. Другое дело, что коллоидники никогда не фокусировались на этом интервале размера частиц и поэтому не знали, что в этом интервале частицы, то есть наночастицы приобретают очень ценный набор новых свойств. И это джентльменский набор физических, химических, биологических свойств делают наночастицы и материалы на их основе чрезвычайно ценными продуктами в электронике, медицине, современной оптике, в очистке воды и воздуха, в защите окружающей среды, в сельском хозяйстве, в производстве текстиля, военном деле, в дизайне и т.д.

С учётом того, что химия текстиля с теоретической точки зрения является прикладной физической и коллоидной химией, и многие мои учебники и монографии подводят в качестве базы химии текстиля физическую и коллоидную химию, я очень быстро стал большим поклонником нанотехнологии. На сегодняшний день я написал и издал несколько книг, учебников и учебных пособий по нанотехнологии (смотри в конце текста библиографию), а в 2014 году меня выбрали вице-президентом Нанотехнологического общества России (НОР). Так что с тех пор от нанотехнологий я завишу не только идеями, ну и по общественной линии.

Часть 1

Очень коротко про нанотехнологии, про зелёные и природоподобные технологии. Это нам понадобится, поскольку то, чем я занимаюсь – это три важнейших направления современности, которые тесно переплетаются, синергично действуют друг на друга, находясь в одном флаконе современного развития цивилизации.

Нанотехнология – наука и технология, оперирующая частицами наноразмеров (1-100 нм), изучает свойства этих частиц и материалов на их основе.

Нанотехнологии – междисциплинарная технология, которая основывается на фундаментальных науках (физика, математика, химия, биология) и конвергентно связана с прорывными технологиями XXI века (информационные, био-, когнитивные, робототехника, ИИ).

Нанотехнологии – межотраслевые технологии, широко используемые практически во всех отраслях индустрии и областях науки и техники.

Один из важнейший постулатов нанотехнологии гласит: «Свойства (весь набор) наночастиц и материалов из них определяется не только их химической природой (металлы, формы углерода, керамика, белки, углеводы и др.), но и их размером и формой.

Чтобы подчеркнуть значимость этих показателей в нанотехнологии, я даже вынес эту зависимость на обложку моего двухтомника «Основы нанотехнологий»

Зелёные технологии – это не только технологии, но новая философия взаимоотношений технологий и природы. Они пришли из химии, где были разработаны их принципы.

Зелёные технологии – это те технологии, которые не несут вредных нагрузок на природу:

– не имеют отходов (не надо от них избавляться);

– не используют невозобновляемое сырьё и источники энергии;

– не используют вредное сырьё;

– не используют органические растворители, а используют водные технологии;

– используют катализаторы и биокатализаторы;

– исключают риски и опасности пожаров и взрывов;

– используют контроль и управление в режиме 24/7;

– используют энерго-, сырьё- и водосберегающие технологии.

Это очень разумные правила, щадящие природу, но целиком их выполнять непросто. Тем не менее, многие отрасли, в том числе и химия, динамично развиваются и становятся всё зеленее и зеленее.

Я мог бы привести множество примеров зелёных технологий, но на это уйдёт много строк. Это имеется в моих книгах. Пожалуй, приведу несколько примеров:

1. Ресайклинг бутылок из полиэфира (полиэтилентерефталат). Их полимерный состав аналогичен полимерному полиэфирному волокну (лавсан). Бутылки собирают и отправляют на заводы по их переработке, то есть их переплавляют и делают полиэфирную крошку, а из расплава формируют вторичное волокно, идущее на производства текстиля.

2. Фотовольтаика – это использование солнечной энергии для выработки электричества. Солнечная энергия поступает на нашу планету в избытке, а употребляется только небольшая ее часть. При этой трансформации энергии на природу не оказывается вредной нагрузки, как в случае ТЭС, ГЭС и АЭС.

Вы вправе спросить, чем отличаются зелёные технологии от экологии.

Принципиально отличаются.

Экология тоже изучает взаимоотношения антропогенного воздействия на природу и ищет пути очистки выбросов обычных технологий (газа, жидкости). Она действует как чистильщик (клининг). Зелёные технологии превентивно формируются, создаются безотходными, безвредными, безаварийными, энерго-, сырьё- и водосберегающими.

Природоподобные технологии – это технологии, подсмотренные в природе, проанализированные и переведённые на инженерный и технологический язык. А дальше происходит создание рукотворной природоподобной технологии. Это научно-практическое направление называется бионикой, или биомиметикой, или биомимикрией.

Человек занимается бионикой с незапамятных времен, с самого начала цивилизации. Только и делает, что подсматривает, изучает, чтобы взять у мудрой природы и приспособить для своей пользы.

Так происходило, когда человек окультуривал все виды полезных растений, когда одомашнивал диких животных, когда учился производить хлеб, вино, пиво, кисломолочные продукты, и уже недавно, когда слямзил у солнца способность к атомным и ядерным превращениям. Да и упомянутая в зелёных технологиях фотовольтаика, конечно, природоподобная технология, цап-царапнутая у всех растений, использующих фотосинтез.

Очень часто зелёные и природоподобные технологии совпадают (фотовольтаика). Но не всегда. Например, ресайклинг полиэфира из бутылок

– только зелёная, но не природоподобная технология.

Огромную роль в развитии нанотехнологий сыграло открытие в середине прошлого века целой серии различных видов электронной микроскопии (просвечивающая, сканирующая, атомно-силовая и др.). С её помощью можно наблюдать объекты размером до 1-2 нанометров. Эти возможности дали развитие не только нанотехнологиям, но и практически всем фундаментальным и технологическим наукам.

Алхимия – это эмпирическая прото наука, предшествовавшая в Европе началу формирования наук, основанных на реальных законах физики, химии, математики и биологии. Время европейской алхимии – позднее средневековье. Алхимия искала возможности превращения неблагородных металлов в благородные (золото прежде всего) и открытие эликсира жизни. Ни того, ни другого алхимии достичь не удалось. Зато по дороге алхимия открыла очень много полезных материалов и технологий. Так что не стоит ругать алхимию, как это делали в моё время. Алхимия могла сделать только то, что позволяло ей общее развитие науки того времени.

Сейчас и нанотехнологии, и ядерная физика близки к мечте алхимиков. Нанотехнологии, переводя многие вещества, в том числе и благородные металлы из макроразмеров в наночастицы, придаёт им новые, не присущие им ранее свойства. Например, наночастицы и материалы из них приобретают суперпрочность, способность переходить из класса непроводников в проводники, а благородные металлы в зависимости от размера и формы наночастиц могут менять цвет, который не совпадает с цветом этих металлов в макроформе. Например, золото может иметь такие цвета как красный, синий, серебро – коричневый.

Часть 2. Как можно и как лучше производить наночастицы

Наночастицы в нанотехнологиях занимают ведущее место. Поэтому их производство также очень важно. Существует два принципа производства наночастиц.

Традиционные методы: «сверху-вниз» и «снизу- вверх».

«Снизу-вверх» – это дробление разными физическими дорогостоящими методами макроформы материала до наноразмерных частиц. Это рукотворные технологии, и они широко описаны в моих книгах по нанотехнологиям. С них нанотехнологи-физики начали и продолжают производить наночастицы.

Нанотехнологии «снизу-вверх» – это ассоциация атомов и молекул до наноразмерных частиц.

Эта технология широко используется природой. Два ярких примера: биосинтез белков из аминокислот и фотосинтез полисахаридов из моносахаров.

Химические методы заключаются в восстановлении катионов металлов до нуль-валентных атомов, которые дальше ассоциируются до наночастиц.

В химических методах производства наночастиц металлов в качестве восстановителей используются вредные и экзотические восстановители. Значит, это не зелёная технология.

Зелёная и природоподобная биотехнология, используемая на нашем производстве

Вот мы, наконец, добрались до того, чем занимаюсь я, мои коллеги и помощники.

Это биосинтез наночастиц всех благородных и тяжёлых металлов по зелёной и природоподобной технологии. А это значит, что эта технология не грузит, не напрягает природу (комнатная или не более 60°С температура), водная система, всё безвредное, экологичное.

Если это природоподобная технология, следовательно, её подобие, её основы имеются в природе. Ну, и что именно?

Растения, произрастающие на земле и водоёмах (пресных, солёных) под действием солнца используют принцип фотосинтеза, в результате которого синтезируется множество продуктов обмена (высокомолекулярные полисахариды и белки, моносахара, фенолы и др.), которые обладают восстановительными свойствами. Когда корневая система растений сталкивается с катионами металлов, находящихся в почве или в воде, то происходит взаимодействие катионов с продуктами обмена, обладающими восстановительными свойствами, и катионами металлов. Последние восстанавливаются до атомов металлов, а далее ассоциируется до наночастиц. Получается, что растения, все их части (корни, ствол, листья, цветы, ягоды, плоды), содержащие продукты обмена, выступают в роли биофабрик. Нам остаётся перевести основу этой биотехнологии на язык человеческой рукотворной технологии. Что мы и делаем.

Ответить на вопрос, кто первый начал реализовывать природную технологию восстановления катионов металлов метаболитами растений, не удаётся. Кому принадлежит первородство этой технологии? Видимо, правильно сказать, что главным автором является природа, а рукотворная технология на основе природной появилась в Индии, Китае в начале XXI века. И сразу можно было наблюдать лавину публикацией по биосинтезу наночастиц благородных и тяжёлых металлов и сразу началось практическое использование их в разных областях, прежде всего, в медицине (ранозаживление, онкология, санитария, диагностика и др.). Наночастицы металлов также используются в электронике, при защите окружающей среды, в фильтрах для очистки воды и воздуха («чистая комната»).

На сегодня сложилось несколько направлений биосинтеза наночастиц металлов:

– Использование растений в качестве фабрики по производству наночастиц металлов. Растения подкармливают солями металлов; внутри растений соли металлов диссоциируют на ионы остатков кислоты и на катионы металлов. Последние восстанавливаются продуктами обмена растений до атомов металлов, агрегирующих до наночастиц металлов. Далее растения подвергают измельчению и выделяют из них наночастицы. Эта технология экзотическая, малотехнологичная, но её иногда используют для обогащения металлической руды, содержащий драгметаллы.

– Использование биомассы растений, заранее измельчённой и высушенной. Далее следует процесс, аналогичный описанному выше. Эта технология более экономична и технологична. Она часто используется для биосинтеза наночастиц металлов.

– Использование экстрактов растений, в которых содержится множество продуктов обмена, и практически все они являются биовосстановителями катионов. Эта технология более технологична, чем первые две, но требует специальной операции получения экстракта.

– Использование индивидуальных продуктов обмена растений, выделенных из экстрактов. Это могут быть полимеры (полисахариды, белки, моносахара, фенола и др.). Эта технология очень удобная, контролируемая, управляемая в том числе по размеру и форме наночастиц металлов, но она включает в себя операции экстракции и выделения из экстракта индивидуальных продуктов обмена. Она используется не только для производства наночастиц, но и для изучения механизмов протекающих реакций.

– Ещё одной весьма экзотической технологией биосинтеза наночастиц металлов является использование всех видов микроорганизмов (бактерий, грибов, дрожжей, микроводорослей и вирусов) в качестве очень маленьких фабрик биосинтеза наночастиц металлов. Дело в том, что катионы металлов при встрече с этими малюсенькими организмами сначала вступают в реакцию восстановления катионов с определённым веществом оболочки клетки до нуль-валентного атома, который, в свою очередь, агрегирует до наночастиц металлов. При этом клетка микроорганизмов «продырявливается» и туда проходит часть катионов. Там они наводят шухер. Если их концентрация невысока, то они взаимодействуют с основными составляющими клетки (ДНК, РНК, ферменты и др.), которые восстанавливают катионы до атомов металлов, агрегирующих затем до наночастиц металлов.

Эта технология относится к микробиологии, и её должны проводить микробиологи в определённых безопасных условиях.

Но! И это надо знать! Если концентрация катионов, проникших внутрь клетки микроорганизма, выше критической, то начинается деструкция аппарата репликации клетки (ДНК, РНК), возникает так называемый кислородный стресс, и клетка погибает. Следовательно, катион металла и наночастицы металлов являются биоцидами, способными выступать в роли антисептика, антимикробных и антивирусных, противораковых препаратов. Отсюда следует такой интерес к наночастицам металлов в различных областях медицины (ранозаживление, онкология, гинекология, проктология, дерматология, урология и др.).

- И ещё одна технология – самая экономичная. В качестве биовосстановителей используют отходы сельского хозяйства и пищевые отходы (из столовых и ресторанов: очистки фруктов и овощей, возникающих при их переработке, при приготовлении соков и вина) - всё то, что уничтожается органической природой. Там содержится все те же продукты обмена, что и в растениях, овощах, фруктах, зерновых, в чае и кофе. Это технология похожа на технологию использования биомассы.

Все перечисленные технологии объединены основной реакцией биовосстановления, в которой катионы металлов восстанавливаются органическими веществами до нейтральных атомов металлов, ассоциирующихся в наночастицы металлов.

При этом биовосстановители окисляются, то есть это редокс (окислительно-восстановительная) система:

Биовосстановитель играет ещё и роль коллоидного стабилизатора, удерживающего нанодисперсию в определённых размерах частиц (1-100 нм).

В нашей технологии мы выбрали в качестве биовосстановителя полисахарид – альгинат (соль альгиновой кислоты, фотосинтезируемой бурыми водорослями).

В нашей биотехнологии альгинат в форме гидрогеля играет тройственную роль:

– как биореактор, в котором происходит восстановление катионов до нейтральных атомов;

– как биовосстановитель (содержит большое количество гидроксильных групп (полисахарид));

– как коллоидный стабилизатор нанодисперсии наночастиц металла.

На нашем производстве (город Москва), которое специализируется на выпуске медицинских изделий на основе гидрогелей биополимеров (матрица депо), содержащих лекарственные вещества и активные биологические молекулы, производятся в форме аппликаций и гелей – ранозаживляющие медицинские изделия, содержащие наночастицы серебра, биосинтезированные на вышеописанной технологии биосинтеза.

Наша продукция под общим брендом «Колетекс» (Сolеtex) широко используется в разных областях медицины (хирургия, онкология, гинекология, стоматология, проктология, урология) и доходит до больных через многочисленные сети аптек и через главные медицинские учреждения РФ.

Что касается наночастиц металлов, производимых нами по оригинальной, экономичной, зелёной технологии, то они могли бы быть эффективно использованы в следующих важных направлениях:

– в медицине: онкология, подавление болезнетворных бактерий и вирусов, дезинфекция в больницах;

– в органическом катализе;

– в сельском хозяйстве для обработки посевного материала;

- в производстве современной упаковки продуктов питания (антимикробность);

– для повышения эффективности солнечных батарей;

– для защиты окружающей среды;

– для фильтрации воды и воздуха.

Это всё реально, но для небольшой компании, как наша, это не по силам. Надо искать заинтересованных наночастицами металлов структуры, как потенциальных потребителей. Мы можем производить наночастицы всех благородных и всех тяжёлых металлов. Если кто-то из вас может в организации таких контактов помочь или сам пожелает поучаствовать в использовании наночастиц металлов, то буду благодарен.

Не думайте, что я не предпринимал каких-то усилий. Это был бы не Я. Я в период пандемии предлагал Минздраву организовать производство антиковидных препаратов на основе наночастиц металлов (в Израиле произвели и использовали назальный спрей от ковида). Предлагал специалистам по органическому катализу, - мимо. За рубежом успешно используют наночастицы серебра, золота, платины в органическом катализе.

Видимо, у большинства современных российских учёных прививка от всего нового (а не от ковида). «Только своё, пускай и старьё, но моё, - чужого нам не надо». К сожалению, до сих пор ключевое слово, пришедшее из времен СССР, – это «внедрение». В том смысле, что человек или организация разработали что-то новое, но кто-то препятствует новации, и ее приходится насильно внедрять.

Почему мне захотелось написать этот текст

Это возрастное. Могу в любое время покинуть этот мир. Туда не захватишь богатство, тем более, если у тебя его нет. А вот знания утащить можно, если ими не поделиться. Поделишься, и кому-то это окажется полезным, кто-то, кто не знал, чем я занимался профессионально, узнает.

В дополнение к этому тексту прикладываю список моих книг, изданных в последние годы, имеющих отношение к данному тексту.

PS. Я большую часть жизни занимаюсь проблемами, напрямую или опосредованно связанными с живой природой и не перестаю удивляться и восхищаться её мудростью, целесообразностью и функциональностью. Стараюсь учиться у неё, оберегать природу как технолог. Об этом я пишу, просвещаю людей разными способами.

Я человек в традиционном смысле неверующий, скорее агностик, но не совсем. Мне близка позиция позднего Альберта Эйнштейна. Конечно, люди, серьёзно занимающиеся наукой, не могут верить в религиозные сказки, сочинённые много тысяч лет тому назад. Человек того времени был ещё очень мало знающим об окружающем мире, страшащийся его, и поэтому коллективно формировал разные религии, населенные человекоподобными богами, которые должны были человека защищать, наказывать. Прошли тысячелетия, а эти сказки, которые реально были очень полезны человеку тогда, остались без изменений и служат на пользу, прежде всего, религиозным начальникам, присвоившим себе право общаться с богами.

Я считаю, что мир, вселенная, в том числе жизнь на земле животных, растений и микроорганизмов подчиняется законам физики, химии, биологии, часть из которых человек открыл, а часть ещё остаётся для нас пока за кадром. Как мудро выразился Альберт Эйнштейн, «Самое удивительное состоит в том, что мир познаваем», то есть это процесс. Вот в фундаментальные законы физики, химии, биологии я верю. Для меня это и есть "божественное". Они не могут быть другими, во всяком случае в нашем мире обитания. То, что им противоречит, при объективной проверке оказывается ошибкой или обманом.


Литература, имеющее отношение к теме этого текста

1. Кричевский Г. Е. Нано-, био-, химические технологии в производстве нового поколения волокон, текстиля и одежды. Издание первое. — М.: 2011. - 528 с. Учебное пособие переиздано в Германии в 2011 г.

2. Кричевский Бионика. Учимся мудрости у природы. Учебное пособие. – М. 2015 – 132 с. Учебное пособие переиздано в Германии на 6ти европейских языках.

3. Кричевский. Возрождение природных красителей / Москва: ПабЛит, 2017, 563 с. Переиздано в Германии в 2012 г.

4. Г.Е. Кричевский. Зеленые и природоподобные технологии – основа устойчивого развития для будущих поколений. Т.1-3 Москва: Грин Принт, 2019, 416 с. Переиздано в Германии в 2020 г.

5. Г.Е. Кричевский. НБИКС-технологии для Мира и Войны / Саарбрюккен, Германия: Ламберт, 2017, 634 с.

6. Г.Е. Кричевский. Золь-гель технологии: учебное пособие в двух частях / Г. Е. Кричевский. – Москва: Грин Принт, 2023, 256 с.

7. Основы нанотехнологий: учебное пособие: в 2 т. / Г. Е. Кричевский. - Москва: Грин Принт, cop. 2022., 570 с.

8. Г.Е. Кричевский. Структурная беспигментная окраска в природе. – М.: Грин Принт, 2023 – 158 с.               


Комментарии:

Пока комментариев нет. Станьте первым!