Кричевский Г.Е.

доктор технических наук, профессор,

Вице-президент Нанотехнологического общества России,

gek20003@gmail.com

Эта статья часть (введение) книги автора под одноименным названием, которая выйдет в свет в первой половине этого года. Остальные части книги будут опубликованы в следующих номерах этого журнала.

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ: БИОСИНТЕЗ И СВОЙСТВА НАНОЧАСТИЦ МЕТАЛЛОВ

Посвящается моему непростому замечательному военному и послевоенному детству.

/Герман Кричевский

Я не участвовал в войне, война присутствует во мне.

/Юрий Левитанский

В моем двухтомнике «Основы Нанотехнологии» содержатся главы по наночастицам металлов, их биосинтезе и уникальных свойствах. Но время идет, это направление динамически развивается. Поэтому всё это требует более детального рассмотрения на основе объективного и критического анализа результатов, отражённых в публикациях за последние 10-15 лет. Что и будет сделано в этой книге. В книге в некоторых таблицах и в подрисуночных подписях используются латинские названия микроорганизмов и растений, которые не переводятся на русский язык.

Введение

Данная монография (можно сказать учебное пособие) касается только одного, но важного направления нанотехнологий, поэтому напрашивается необходимость привести во введении кратко общую картину современных основ нанотехнологии. Без этого не обойтись. Для более детального ознакомления следует обратиться к двухтомнику Г.Е. Кричевского «Основы нанотехнологий».

Надо начать с определения нанотехнологии и нанонауки.

Нанотехнологии и наночастицы – новые, прорывные направления и вещества, в которых определения и термины ещё окончательно не устоялись и приходится приводить по нескольку определений.

Определение нанотехнологии по М.К. Роко: «Под термином нанотехнологии понимаем создание и использование материалов, устройств и систем, структура которых регулируется в нанометровом масштабе, то есть в диапазоне размеров атомов, молекул и надмолекулярных образований».

И далее «нанотехнологии подразумевают умение работать с такими объектами и создавать из них более крупные структуры, обладающие принципиально новой упорядоченностью надмолекулярной организацией».

Такие структуры характеризуются новыми физическими, химическими и биологическими свойствами.

Рисунок 1. Основные новые свойства наночастиц.

Определение нанотехнологий по РОСНАНО (пока еще существует):

«Совокупность приёмов и методов, применяемых при изучении, проектировании, производстве и использовании наноструктур, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и модификацию формы, размера, взаимодействия, интеграции составляющих их наномасштабных элементов (1-100 нм) для получения объектов с новыми химическими, физическими, биологическими свойствами».

Рисунок 2. Знаменитая кривая академика Ю.Д. Третьякова, первого президента нанотехнологического общества России.

В силу малых наноразмеров элементов наноструктур в этих системах поверхностные свойства играют бо́льшую роль, чем объёмные: чем меньше размер частиц, тем больше общая поверхность структуры при постоянном объёме 𝑆/V = 𝑓(∅), где ∅ - диаметр частицы (условно шарообразный).

Рисунок 3. Масштабы природных и рукотворных существ и веществ, в том числе наноразмерных.

На рис. 4, 5 показана зависимость числа атомов на поверхности структуры от размера частиц.

Рисунок 4. Зависимость числа поверхностных атомов от размера частиц.

Рисунок 5. Зависимость внешней поверхности в км² от размера частиц на примере 50 кг кварцевого песка.

Например, в кубе размером граней 1 м и 1нм размером частиц, его составляющих, общая площадь поверхности составляет 6000 км². Впечатляет! Сколько может сорбировать (вместить) такая структура других частиц, т.е. мы имеем в случае наноматериалов, дело с суперсорбентами.

Для наноструктур с наноразмерами их элементов, сравнимых с длинами волн видимой части спектра, начинают проявляться квантовые эффекты. Это ярко очень демонстрируют наночастицы благородных и тяжёлых металлов, для которых характерна проявление поверхностного плазмонного эффекта (рис.6). В свою очередь этот эффект приводит к окрашиванию нанодисперсии металлов. При этом цвет зависит от вида металла, размера и формы наночастиц.

Рисунок 6. Поверхностный плазмонный резонанс.

Для наноструктур характерна строгая организация в макрообъекте, как это показано на рис. 7.

Рисунок 7.

Нанотехнология является ярко выраженной междисциплинарной технологией, опирающейся на все фундаментальные (физика, математика, химия, биология, материаловедение) науки, и конвергентно (плотно) связанная в научно-технологический кластер с информационными, био-, когнитивными технологиями (НБИК).

На рис.8 показана связь нанотехнологий с различными областями науки.

Рисунок 8. Связь нанотехнологии с различными областями науки и техники.

Влияние размера частиц наноструктур проявляются на их многие физические, электрические, тепловые и другие свойства.

На рис.9 показана конвергентная (плотная, взаимопроникающая) связь нанотехнологий с информационными, био- и когнитивными технологиями.

Рисунок 9.

На рис.10 показаны основные цели нанотехнологий.

Рисунок 10. Использование нанотехнологии в разных областях науки и техники

Рисунок 11. Зависимость температуры плавления золота от размера наночастиц.

Все свойства наноструктур, наночастиц кратко описанные в введении, в полной мере относятся к наночастицам благородных и тяжёлых металлов, которым посвящена основная часть монографии.

Но дополнительно наночастицы металлов имеют свои свойства и особенности, которые будут изложены в основных частях монографии.

Поскольку размер (1-100 нм) наночастиц и нанообъектов определяет ещё одну их особенность – часть атомов этих образований находится на поверхности (~90 %), то большую роль играют силы поверхностного межмолекулярного взаимодействия. Это приводит к существенному повышению механической прочности наноматериалов за счёт аддитивного сложения поверхностного взаимодействия.

1. Свойства и производство наночастиц металлов

Биосинтез наночастиц металлов можно отнести не только к природоподобным (подробнее позже), но и к зеленым технологиям, т.е. к зеленой химии.

Чем отличается классическая химическая технология от зеленой химии? Очень многим! Зеленая химия не нагружает природу своими рисками, в отличии от «классической» химии, которая всегда нагружала, но при этом старалась это делать по возможности меньше. В результате родилось очень важное направление науки, практики - экология.

Экология во всех отраслях индустрии в химической промышленности специальным набором технических средств избавляется от отходов разной природы (очистные сооружения, очистка выхлопных газов и воздуха и др. Экология – это «чистильщик» классических химических и других технологий. Зеленые технологии и зеленая химия разрабатывают и принимают в дело только те технологии, которые превентивно не нагружают природу отходами всех видов, употреблением невозобновляемых источников энергии, не употребляют вредное сырье, органические растворители, не являются взрыво- и пожароопасными, имеют высокий выход реакции. На рис. 12 показано отличие зеленой химии от классической, а на рис. 13 показаны принципы зеленой химии и как в неё вписывается биосинтез наночастиц металлов.

Рисунок 12. Сравнение зеленой и классической химий.

Рисунок 13. Зеленая химия в биосинтезе наночастиц металлов.

Классификация наночастиц и нанобъектов по их размерности в пространстве

В зависимости от размерности наночастицы наноматериалов их классифицируют следующим образом:

− нанообъекты квази нульмерные (0D), когда все три измерения укладываются в шкалу 1-100 нм, то есть в наноразмеры. Это атомы, молекулы, их агрегаты (кластеры), коллоидные частицы, квантовые точки, нанокристаллы, нанопорошки;

− нанообъекты квазиодномерные (1D), то есть с одним измерением в несколько микрон и двумя нанометровыми. Это нановолокна, нанотрубки, наностержни, то есть нанообъекты цилиндрической формы;

− нанообъекты двухмерные (2D), для которых только одно измерение (толщина) нанометровое, два других микроскопические. Это наноплёнки, нанопокрытия;

− к нанообъектам также относятся и объёмные (3D) структурированные материалы (металлы, сплавы, керамика, губки, мембраны).

На рис.14 схематично изображена вышеописанная классификация нано- объектов.

Рисунок 14. Классификация наночастиц и нанообъектов.

СВОЙСТВА НАНОЧАСТИЦ И НАНОЧАСТИЦ МЕТАЛЛОВ

Схематично все способы производства наночастиц делятся на происходящие «сверху-вниз» или «снизу-вверх».

Согласно международной организации стандартизации ISO наночастицы – это нанообъекты, внешние размеры которых укладываются в наношкалу.

Наночастицы – изолированные, твёрдофазные объекты, имеющие отчётливо выраженную границу с окружающей средой, размеры которых во всех трёх измерениях составляют 1-100 нм, или наночастицы, у которых хотя бы одно измерение находится в диапазоне 1-100 нм.

Наночастицы – это микроскопические объекты, например кристаллы или ультратонкие порошки.

Различные виды наночастиц отличаются по форме, размеру, структуре, что существенно влияет на их свойства.

По форме наночастицы могут быть сферическими, цилиндрическими, коническими, трубчатыми, полыми, спиральными и бесформенными.

Наночастицы принимают ту пространственную форму, которая соответствует максимальным затратам энергии для данной конкретной наночастицы (рис.14).

Рисунок 15. Различные виды рукотворных наночастиц-транспортеров.

Если размер наночастиц ниже одного нанометра, то её называют атомарным кластером. В медицине, в биологии наночастицами считаются и превосходящие 100 нанометров объекты (~ 200-300 нм), поскольку и при таких размерах они отличаются высокой биологической активностью.

Наночастицы могут иметь кристаллическую и аморфную структуру.

Наночастицы могут быть свободными или в форме агломератов.

Наночастицы могут иметь простое строение или состоять из нескольких слоёв (внешней состоит из различных маленьких молекул, ионов металлов, и полимеров). Внутреннее ядро наночастиц содержит основную часть наночастиц.

КЛАССИФИКАЦИЯ НАНОЧАСТИЦ ПО ХИМИЧЕСКОМУ СТРОЕНИЮ: ОРГАНИЧЕСКИЕ, НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДА, НЕОРГАНИЧЕСКИЕ

Рисунок 16. Различная морфология наночастиц (их форма).

Наночастицы этого типа нетоксичны, биоразлагаемы, часто они имеют внутреннюю пустую полость (липосомы). Наночастицы этого типа чувствительны к действию тепла и света. Они способны образовывать нековалентные межмолекулярные связи. Это делает их лабильными в составе живых организмов, способными к перемещению.

Наночастицы на основе разных форм углерода

Наиболее известны из них фуллерены, сажа, углеродные квантовые точки (рис.17).

Молекулы фуллерена имеют симметричную закрытую клеточную структуру. Фуллерен C60 содержит 60 атомов углерода, образующих форму футбольного мяча. Имеются фуллерены, молекулы которых состоят из большего числа атомов углерода, например С70 и С540.

Сажа (black carbon) – агрегаты виноградоподобной структуры, сферические частицы.

Углеродные квантовые точки состоят из дискретных квазисферических частиц углерода размером ~10 нм.

Рисунок 17. Наноматериалы на основе углерода.

Углеродные наночастицы имеют уникальные свойства, обязанным sp2- гибридизированных связей, что приводит к особым физико-химическим свойствам в наноразмерном состоянии: высокая электропроводность, высокая прочность, сродству к электрону, повышение оптических, термических и сорбционных свойств. Области использования: доставка лекарств в качестве нано-транспортёров, накопители энергии, фотовальтаика, сенсоры для оценки параметров окружающей среды (наличие патогенных микробов).

Наночастицы металлов характеризуются наличием локализованного, поверхностного, плазмонного резонансного эффекта (рис. 6), в силу чего эти наночастицы металлов проявляют особые, специфические оптические и электрические свойства, а некоторые из наночастиц металлов обладают уникальными термическими, магнитными и биологическими свойствами. Эти свойства определяют широту областей их применения: наноустройства, используемые в физических, химических, биологических, биомедицинских и фармацевтических областях, катализ, сельское хозяйство, очистка окружающей среды и др.

Все вышеперечисленные свойства в значительной степени зависят от размеров, формы, наночастиц металлов, поэтому эти характеристики каждого конечного продукта стараются по возможности контролировать при синтезе наночастиц металлов по любой технологии.

Наночастицы металлов – полупроводники производят из полупроводниковых материалов, которые обладают свойствами промежуточными между металлами и неметаллами.

Полупроводниковые наночастицы металлов являются эффективными катализаторами, элементами оптических и электронных устройств.

Керамические наночастицы – неорганические твёрдые карбонаты, карбиды, фосфаты и оксиды металлов и неметаллоидов (титан, кальций). Они синтезируются при нагреве и последующем охлаждении и могут быть в аморфной, полукристаллической, плотной, пористой и полой форме. Они используются в биомедицине, поскольку проявляют долговечность в живых организмах. Также используются в катализе, деструкции красителей, в фотонике и оптоэлектронике.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОЧАСТИЦ

Наночастицы проявляет уникальные, вышеперечисленные свойства только благодаря своим наноразмерам, а в макро- и микроформах эти свойства отсутствуют или очень слабые.

Механические свойства

Механические свойства оцениваются следующими характеристиками:

прочность, хрупкость, твёрдость, жёсткость, прочностная усталость, пластичность, эластичность, вязкость, предельная текучесть.

Большинство неорганических, не металлических материалов хрупкие и не обладают пластичностью, эластичностью, вязкостью.

Органические материалы напротив гибкие и не склонны к хрупкости.

В силу проявления больших поверхностных эффектов наночастицы демонстрируют существенные качественные повышения механических свойств по сравнению с объёмными материалами той же химической структуры. Например, обычный FeAl в форме порошка (микрочастицы > 4µм) – хрупкое вещество. В то же время это соединение в наноформе демонстрирует сочетание высокой прочности и пластичности. Объяснением такого изменения является проявление межмолекулярных сил взаимодействия между наночастицами малого размера. Высокая суммарная поверхность наночастиц приводит к высоким суммарным значениям энергии когезии (связи между частицами). Между наночастицами образуются ван-дер- вальсовые связи (их много, и они каждая мала, но в сумме их много). Электростатические (ионные) силы высокой энергии, но способные гидролизоваться водной среде и приводящие к формированию двойного электрического слоя.

Устойчивость нанодисперсий зависит от проявления межмолекулярных сил и от электрокинетических явлений, возникающих в нанодисперсии.

Термические свойства

Теплопроводимость наночастиц зависит от проводимости энергии, то есть электронов и фотонов (вибрация решётки), и эффекта рассеяния обоих.

Основные характеристики термических свойств: термическая проводимость, термоэлектрическая сила, накопление тепла и термостабильность.

Размер наночастиц прямо влияет на электрическую и термическую проводимость. При уменьшении размера наночастицы отношение 𝑆/𝑉 (площадь, объём) увеличивается гиперболически, поэтому проводимость электронов увеличивается существенно по сравнению с массивной формой материала. И этот феномен проявляется только в случае, если наночастицы находятся в форме водной дисперсии.

Когда размер наночастиц уменьшается, то есть увеличивается отношение 𝑆/𝑉, температура плавления снижается, как результат повышения свободной энергии поверхности наночастиц. Например, температура плавления наночастиц золота размером 3 нм в 300 раз ниже, чем у массивного золота (рис 11).

Магнитные свойства

Магнитные вещества включают магнитные элементы (Fe, Co, Ni) в свою

формулу (при обычной температуре).

Такие элементы как Pd, Au, Ag – диамагнитные, некоторые из них не магнетики в объёмной форме и становится магнетиками в форме наночастиц, например FeAl – немагнетик, а наночастица FeAl – магнетик.

Рисунок 18.

Электронные и оптические свойства наночастиц

Металлические и полупроводниковые наночастицы проявляют интересную линейную абсорбцию, фотолюминесцентную эмиссию и немагнитные оптические свойства в силу наличия у них квантовых свойств и локализованного поверхностного плазмонного эффекта (рис. 18).

По этой причине нанодисперсии благородных металлов изменяют цвет в зависимости от размера, формы и диалектической характеристики жидкости дисперсии.

На рис. 18 схематично показано формирование плазмонного эффекта у наночастиц металлов.

Каталитические свойства наночастиц

Использование наночастиц в качестве катализаторов динамично развивается по отношению к химическому, особенно органическому катализу. Наночастицы как катализаторы проявляют высокую реактивность и селективность. Как в случае других свойств, каталитическая активность наночастиц зависит от их размера и формы, состава композиции, характера взаимодействия частиц, степени окисления и природы подложки.

Чем мельче становятся наночастицы, тем сильнее они проявляют каталитическую активность. Форма наночастиц оказывает влияние на скорость и селективность катализа, например окисление СО с помощью наночастиц золота. Более детально каталитические свойства наночастиц будут описаны в отдельной части.

МЕТОДЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВОЙСТВ НАНОЧАСТИЦ И НАНОЧАСТИЦ МЕТАЛЛОВ

Свойства наночастиц и наночастиц металлов определяют потенциал и широту использования методов анализа. Используются различные современные методы и приборы для анализа и характеристики комплекса физико-химических наночастиц.

Магнитные свойства наночастиц очень важны, поскольку они определяют потенциал их использования в качестве катализаторов, в электронике и медицине (нанодиагностика).

Для определения квантификации малых магнитных моментов наночастиц применяют различные техники, приведенные ниже.

Магнитную силовую микроскопию, которая отличается от атомной силовой микроскопии. В этом методе магнитной насадкой первоначально изучают топографию образца.

Вибрационная магнитометрия образца. Этот метод замеряет магнитные свойства образца на основе закона Фарадея.

Электронная спин резонансная спектроскопия замеряет магнитные свойства образца и определяет непарные электроны в образце.

Термические свойства: точка плавления, кристаллизация, переход структурных фаз, теплоёмкость, теплопроводность, термо- и термоокислительная устойчивость. Проводится дифференциальная сканирующая калориметрия, дифференциальный термический анализ, термогравиметрический анализ.

Механические свойства – это прочность на разрыв и на компрессию, эластичность, вязкость, жёсткая, твёрдость. Проводят тейзометрические испытания, динамический механический анализ.

Перечень методов, используемых для оценки свойства наночастиц:

2.Производство наночастиц

Существует два вида наночастиц – это природные и рукотворные наночастицы. Природные наночастицы создаёт природа. Они принимают активное участие в живой природе (ДНК, РНК, ферменты, наночастицы металлов и др.). Производятся и существуют природные наночастицы, не участвующие в функционирование живых организмов (продукты извержения вулканов, продукты сгорания при естественном пожаре, рукотворные наночастицы, наночастицы воды при морских прибоях). Можно разделить на преднамеренно, целенаправленно произведённые для нужд человека наночастицы, которые используются как таковые – нанопорошки, наночастицы металлов, наночастицы углерода и другие, и на наночастицы, образующиеся в качестве побочных продуктов в различных видах деятельности человека (выхлопы автомобильных газов, заводских газов, различные виды сжигания материалов, например травы, сигаретный дым).

Также наночастицы образуются в атмосфере в результате сложных химических, биохимических и фотохимических реакций.

На рис.19 приведена классификация наночастиц в зависимости от их свойств и области использования. На рис. 20 указаны виды металлов в форме наночастиц и их основные области использования.

Рисунок 19. Классификация наночастицы металлов и их функциональность.

Рисунок 20. Виды наночастиц металлов и области их использования.

Мы будем детально рассматривать только рукотворное производство наночастиц и ещё более узко биосинтез наночастиц благородных и тяжёлых металлов.

Причины такого фокусного внимания именно к этому виду частиц:

− эти наночастицы играют очень большую роль во многих областях науки и техники;

− биосинтез наночастиц металлов имеет много преимуществ перед другими методами производства наночастиц – экологичен (протекает водной среде, при комнатной или умеренной температуре), нет вредных выделений, экономичен (простые условия синтеза, доступные продукции реакции).

Подробно биосинтез наночастиц благородных и тяжёлых металлов будет описан ниже, но сначала коротко укажем о других схемах получения (синтеза производства) наночастиц. Несколько слов о терминологии.

Рисунок 21. Различные принципы производства наночастиц.

Используют два термина, более общий: «производство» и «частный синтез» наночастиц. Синтез наночастиц некорректно употреблять тогда, когда наночастицы получают из массивного (макроформа) исходного материала путём его дробления, диспергирования до наноразмеров. Конечно, это не синтез, потому что синтез в химии – это получение химического соединения из составных частей (прекурсоров) путём химических реакций. Синтезом наночастиц, конечно, можно назвать в том случае, когда наночастицы возникают в результате определённых химических реакций. Таков и биосинтез наночастиц.

Существует множество методов синтеза наночастиц и производства путём различных физических методов дробления.

Если обобщить все методы производства наночастиц, то можно образно сказать, что что существует технология производства «сверху-вниз» (анг. «top- down») и синтез «снизу-вверх» (англ. «bottom-up»), как это показано на рис.21 и 22.

Рисунок 22. Технологии производства наночастиц.

Из приведённой схемы следует, что метод «сверху-вниз» сводится к дроблению материалов массивной формы до наноразмерных частиц различными физическими методами (см. схемы).

Методы «снизу-вверх» – это химические, коллоидно-химические, биохимические методы, основанные на химических редокс реакциях и последующих ассоциациях атомов молекул в нанокластеры. Надо отметить, что процессы образования наночастиц в живой природе в основном протекает по этому механизму.

Из всех указанных на схеме методах получения наночастиц укажем на биохимический, имеющий аналогию в живой природе, поэтому этот метод можно назвать природоподобным. Этому будет ниже посвящен следующий специальный раздел.

ПРИРОДОПОДОНЫЙ, БИОСИНТЕЗ НАНОЧАСТИЦ МЕТАЛЛОВ

Как уже говорилось ранее, в живой природе наночастицы различной природы принимают активное участие в функционировании живых организмов, такими наночастицами являются составляющие клеток (ДНК, РНК, вирусы и др.). Наночастицы металлов также являются обязательными участниками функционирования живых организмов и могут в них появиться за счёт попадания из внешней среды катионов солей общей формулы КА, где К – катион, а А – анион. В водной среде происходит диссоциация:

КА → К⁺ + А^–.

Попадая из внешней среды (водоёмы, почва), соли металлов поселяются в растениях, животных, микроорганизмах. В водной среде соли диссоциируют на катионы и ионы различной природы. Катионы начинают участвовать в очень важных превращениях, в реакциях их восстановления до атомарного состояния металлов.

К^𝑛+ + биовосстановитель → К⁰ + ОФВ, где Кⁿ⁺ – катион, ОФВ – окисленная формы восстановителя, К⁰ – атом металла. Например, для катиона серебра Ag⁺ и этилового спирта C₂H₅OH подобные реакции 𝐴𝑔⁺ + C₂H₅OH → 𝐴𝑔 + CH₃𝐶𝐻𝑂 (этиловый альдегид), протекающие в живых организмах – биохимические реакции взяты за основу, за прототип для рукотворного биосинтеза наночастиц благородных и тяжёлых металлов, будут подробно рассмотрены во всех его аспектах и вариациях. В них принимают участие катионы этих металлов и молекул и биомолекулы (метаболиты) живых организмов, обладающих восстановительными свойствами, то есть содержащие функциональные группы, способные восстанавливать катионы металлов и окисляться (редокс система). А таких биомолекул живых организмов множество. Позднее мы укажем большинство этих биомолекул системно, классификационно. Это низкомолекулярные и высокомолекулярные вещества, принимающие участие в обмене веществ живых организмах.

С практической точки зрения за эффективными технологиями биосинтеза наночастиц металлов закрепились следующие направления:

− биосинтез с помощью растений как таковых;

− биосинтез с помощью специально подготовленной биомассы растений;

− биосинтез с помощью молекул метаболитов - биовосстановителей, извлечённых (экстракты) из растений;

− биосинтез с помощью отходов сельского хозяйства, пищевой промышленности, содержащих метаболиты биовосстановителя;

− биосинтез с помощью отходов горнодобывающей и электронной промышленности;

− биосинтез с помощью широкого круга микроорганизмов (бактерии, грибы, дрожжи, микроводоросли и вирусы), содержащих биомолекулы восстановителя (ДНК, РНК).

Все эти технологии последовательно разберём с их достоинствами и недостатками.

Все перечисленные технологии биосинтеза наночастиц металлов являются по определению зелёными по следующим характеристикам:

− все эти технологии водные и не используют токсические

− органические растворители;

− в качестве восстановителей катионов используются безвредные биологические молекулы;

− все эти технологии реализуются при температурах 25 - 60°С, при обычном давлении.

Все перечисленные условия означают, что эти технологии не оказывают вредной нагрузки на природу и их можно признать относящимся к зелёным.

Преимущества биосинтеза наночастиц металлов

В этой части книги мы рассмотрим особенности использования в качестве биовосстановителей катионов металлов, в том числе полисахаридов, активные биологические молекулы, содержащиеся в растениях:

− соответствует принципам зеленой технологии;

− замена токсичных неорганических восстановителей на биомолекулы биовосстановителей, характеризующиеся биосовместимостью и биоразлагаемостью (все активные молекулы);

− использование в качестве стабилизаторов коллоидной нанодисперсии металлов тех же полимерных восстановителей (белки, моносахарид и др.);

− использование комнатной температуры - энергосберегающие технологии;

− использование в качестве нетоксичных прекурсоров

− водорастворимых солей металлов;

− наночастицы металлов обладают широким спектром биоцидности, низкой токсичностью, цитотоксичностью, лечебными свойствами (ранозаживление);

− гибридные материалы такого типа проявляют синергический лечебный эффект при лечении многих заболеваний, и прежде всего снижается токсичность наночастицы металлов по отношению к здоровым тканям.

Природа много миллиардов лет тому назад научила организмы, живущие в водоёмах, аккумулировать неорганические вещества. Примером тому является способность таких организмов извлекать из морской воды кремний и создавать на его основе гибридные (органика/неорганика) биоматериалы с уникальными свойствами. Такими свойствами извлечения минеральных веществ из окружающей среды обладают глубоководные губки и диатомовые водоросли, в структуре которых образуются кальцит и арагонит (карбонат кальция). Диатомовые и одноклеточные водоросли обладают уникальной способностью продуцировать в различных вариантах биосиликатные структуры (чем не Силиконовая долина). Всё это происходит внутри клеток диатомовых водорослей. Это у беспозвоночных. А позвоночные на суше усваивают минеральные вещества и образуют в костях кальций фосфат (апатит).

Эти вещества содержатся в костях и перьях птиц, придавая им высокую прочность. Они, как правило, образуют комплексы с биополимерами. Можно сказать, что живые организмы являются минерализованными гибридными биоматериалами с белковой основой. Человек пока такой технологией не владеет, но должен овладеть (бионика).

Для «зелёного» синтеза НЧМ характерны простота, дешевизна, экологическая безопасность технологии, практически безотходность, возможность управлять заданными характеристиками нанодисперсии (размер, форма, стабильность).

Эти достоинства «зелёного» биосинтеза привлекали внимание нанотехнологов и пользователей НЧМ в различных областях их применения. Об этом говорит впечатляющая динамика публикаций по данной проблеме на примере наносеребра. В табл.1 и на рис.23 эта динамика отражена в период 1980-2014 годов.

Таблица 1. Публикации в журналах по зеленому биосинтезу наночастиц.

Рисунок 23. Динамика публикаций по «зелёному» синтезу НЧ серебра.

Если к этому добавить публикации по «зелёному» синтезу НЧ других металлов (золото, железо, медь, платина и др.) и публикации по использованию наночастицы металлов, синтезированных по этой технологии в различных областях науки и техники, то картина будет ещё более впечатляющая (см. рекомендуемую литературу).

В табл.2 и на рис. 25 указаны компании, выпускающие различные формы наносеребра. На рис. 26 показана динамика роста потребления наносеребра по годам, а на рис. 27 области использования наночастиц серебра.

Таблица 2. Компании, выпускающие различные формы наносеребра.

Рисунок 24. Компании, выпускающие различные формы наносеребра.

Рисунок 25. Динамика роста потребления наносеребра.

Рисунок 26. Области использования наночастиц серебра.

Поскольку наночастицы металлов приобретают новые или существенно улучшают исходные свойства металлов в массивной форме, то расширяются области их использования. На рис.27-28 показаны основные области использования наночастицы металлов, основанные на их уникальных оптических, каталитических, биоцидных и магнитных свойствах.

Рисунок 27. Области использования наночастицы металлов.

Рисунок 28. Области использования наночастиц металлов.