|
Читайте также: |
Эпидемиологические исследования английских ученых показали, что повышенный уровень ультрадисперсных частиц в окружающей среде вызывает более высокую склонность к сердечно-сосудистым и легочным болезням. При этом наиболее восприимчивыми являются пожилые люди.
В некоторых случаях проявляется своеобразный размерный эффект: токсичность наночастиц Cu в логарифмических координатах линейно возрастает с уменьшением диаметра.
Наночастицы могут играть роль «троянского коня» и переносить в организм другие вредные вещества: их используют для адресной доставки лекарств (например, путем ингаляции), но тот же путь открыт и для ядов. Вопросы вредного влияния наноматериалов на биологические процессы стали предметом нового направления – нанотоксикологии.
К успокаивающим факторам относится то, что многие биологические системы уже содержат нанофазные материалы. В атмосферный воздух ежегодно попадает 2.5 млрд. т. частиц с размером менее 1 мкм (соли из морской воды, частицы почвы, вулканическая пыль и др.). Важным природным процессом является биоминерализация – образование нанокристаллов в белковой матрице. Этот процесс связан с образованием костей и зубов, а также раковин моллюсков, скелетов диатомовых водорослей и др.
Кроме того, многие виды наночастиц длительное время (иногда – в течение геологических периодов) находятся в неживой природе: сажа после лесных пожаров, фуллерены, шунгиты, нанотрубки слоистых алюмосиликатов. 4-46 В то же время наноматериалы открывают новые возможности в фармацевтике. Наночастицы некоторых веществ проявляют выраженный терапевтический эффект. 4-47
Многие наноматериалы являются биосовместимыми. Перевод гидроксиапатита, аспирина и фталоцианинов в нанодисперсное состояние резко усиливает их лечебное действие. 4-48 Наночастицы TiO2 могут стать основой лекарственных средств для лечения вирусных, онкологических и даже некоторых наследственных заболеваний. Фильтрация через мембраны из TiO2 позволяет эффективно очищать кровь от остаточных вирусов. 4.49
Биомедицинские применения наночастиц включают несколько важных направлений. Наночастицы могут применяться:
для транспорта лекарств или молекул ДНК,
в качестве биологических меток и трассеров,
как контрастные вещества при исследованиях методом ЯМР,
как регенты для гипертермии,
как антисептики.
Использование наночастиц металлов как антисептиков определяется несколькоми факторами: они на порядок менее токсичны, чем металлы в ионной форме; их действие более продолжительно; они многофункциональны и стимулируют обменные процессы. Бактерицидные свойства Ag, известные чуть ли не с доисторических времен, наиболее ярко проявляются при использовании наночастиц. Небольшие концентрации Ag не влияют на клетки человека, но губительно действуют на большинство видов бактерий и вирусов. Установлено, что только частицы размером менее 10 нм способны взаимодействовать с бактериями. Ионы Ag убивают 650 видов болезнетворных организмов. Наночастицы могут проникать через клеточные мембраны и влиять на процессы внутри клеток.
Бактерицидные композиционные покрытия (пластыри) с наночастицами Ag от 10до 30 нм в длину предполагается применять для лечения хронических воспалений, открытых ран и экзем. Их действие может длиться несколько суток. Ранозаживляющим действием обладают химически модифицированные наночастицы Cu.
Наночастицы TiO2, ZnO и некоторых композиций применяют в солнцезащитных кремах.
4.9. Другие свойства
Наноматериалы могут иметь необычные акустические свойства. Вообще акустические материалы предназначены для контролирования, направления и управления звуками. В последние годы разработаны акустические метаматериалы. К ним относятся акустические и фононные кристаллы, созданные вслед за фотонными кристаллами (разд.... и примеч. 1-2) и позволяющие «вырезать» звуки определенной частоты, акустические диоды, меняющие частоту звука. Созданы композиты с углеродными нанотрубками для применения в автомобилестроении (звукопоглощение) и для изготовления микрофонов, точно передающих даже взрывные звуки.
Трение – способность соприкасающихся плоскостей двух материалов сопротивляться скольжению. Численно оно выражается коэффициентом трения k т, который находят по выражению
F = k т L, где F – сила трения, L – приложенная нагрузка.
Этот коэффициент не зависит от приложенной силы, скорости скольжения, площади соприкосновения и шероховатости материалов. Еще одна численная величина, принятая для трения – угол трения, величина которого определяется наибольшим наклоном к горизонту двух материалов без соскальзывания. Коэффициент трения, таким образом, определяется лишь взаимодействием на атомно-молекулярном уровне и в зависимости от состава материалов и выбора смазки меняется от 0.07 до 1.5. Основные законы трения были сформулированы Г. Амонтоном еще в 1699 г. При переходе к наноматериалам, как показали теоретические расчеты, линейная зависимость между F и L меняется на нелинейную. 4-50
Наноматериалы, нанесенные на поверхности, могут проявлять гидрофобность и супергидрофобность. Гидрофобными считаются материалы, угол смачивания которых водой и водными растворами превышает 90 о, высокогидрофобными – 120 о, супергидрофобными – 150 о. Такие материалы водонепроницаемы, коррозионностойки, устойчивы к биообрастанию и неорганическим загрязнениям. Супергидрофобные свойства достигаются преимущественно за счет текстурирования поверхности («эффект лотоса»), причем текстурирование может проводиться в нанометровом диапазоне. 4-51
Области применения высокогидрофорбных и супергидрофобных покрытий – защита открытых металлических поверхностей (ЛЭП, спутниковые антенны, чувствительные детали летательных аппаратов) от обледенения, водозащитная одежда.
На ультратонких углеродных плёнках получены доказательства снижения работы выхода электронов с уменьшением толщины плёнки.
Снижение размеров частиц может приводить к ослаблению радиационного повреждения материала. Некоторые наночастицы способствуют уменьшению вредного побочного действия облучения при радиотерапии опухолей.
И.П. Суздалев* выделяет особый класс многофункциональных наноматериалов, относя к ним мультиферроики, спинтроники, пьезоэлектрики, магнитострикторы, термо- и хемоэлектрики, а также метаматериалы (определение последних дано в разделе 1.3). В этих материалах прослеживается взаимное влияние электрических, магнитных, термических, механических, химических и оптических свойств.
Мультиферроики – материалы, проявляющие свойства ферроэлектрика и магнетика, – могут находиться в двух или более состояниях и способны менять состояние в магнитных или электрических полях. 4-52
Спинтроники – материалы, в которых электрическая проводимость зависит от спина атома, нанокластера или домена при действии магнитных или электрических полей. Эффект гигантского магнетосопротвления (разд. 4.6) был открыт при исследовании спинтроников.
Пьезоэлектрики – материалы, в которых электрическая поляризация Р линейно связана с механическим напряжением σ:
Р = k σ.
Распространенным пьезоматериалом длительное время был кварц, однако титанаты-цирконаты бария или стронция имеют на два порядка большую величину пьезоконстанты k, а их относительное удлинение может достигать 10–2.
Нанопьезоэлектрики могут находиться в форме нанопластинок, нанопроволок и нанотрубок и использоваться для создания пьезорегулируемых диодов, пьезоэлектрических полевых транзисторов, пьезоэлектрических резонаторов (частота обратна толщине нанопластин).
Магнитострикторы – материалы, в которых магнитное упорядочение и намагниченность связаны с механическим напряжением и искажениями кристаллической решетки. Они отличаются способностью к обратимой деформации под действием магнитного поля и обратным эффектом – способностью менять магнитные свойства при изменении объема.
К термоэлектрикам И.П. Суздалев* относит материалы, способные преобразовывать тепло напосредственно в электрический ток (разд. 7.8), к хемоэлектрикам – способные обратимо преобразовывать энергию химического взаимодействия в электрический ток (разд. 7.7, литий-ионные аккумуляторы).
Размерный эффект иногда проявляется неожиданным образом. Например, отклик плёночных газовых сенсоров из In2O3 повышается с уменьшением размера кристаллитов (рис. 93).
Рис. 93.
Предложена универсальная формула, связывающая характеристические температуры с размером наночастиц. 4-53
Контрольные вопросы и задания по главе 4.
4.1. Что такое поверхностная энергия?
4.2. Причины неравновесного состояния наночастиц.
4.3. Влияние размера и формы частиц на электронные свойства веществ.
4.4. Что характеризуют основные механические свойства веществ?
4.5. Понятие ударной вязкости.
4.6. Закон Гука и модули упругости.
4.7. Закон Холла-Петча и области его применения.
4.8. Как влияет размер частиц на энтальпию образования?
4.9. Влияние размера частиц на температуру плавления.
4.10. Влияние размера частиц на диаграммы плавкости.
4.11. Понятие баллистической проводимости.
4.12. Твёрдые электролиты.
4.13. Понятие диффузии в твёрдом теле. Взаимная диффузия. Самодиффузия.
4.14. Каковы механизмы диффузии в твёрдом теле?
4.15. Понятие поверхностного плазмонного резонанса.
4.16. Проявления оптического размерного эффекта.
4.17. Однодоменные магнитные материалы. Суперпарамагнетизм.
4.18. Наномагнитные материалы.
4.19. Как проявляются размерных эффектов в химии?
4.20. Влияние размера и формы частиц катализатора на каталитическую активность.
4.21. Особенности наночастиц в биологических системах.
4.22. Последовательность, которую необходимо учитывать для определения биологического воздействия наноматериалов.
Дата добавления: 2015-07-24; просмотров: 93 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
| Глава 4. Свойства материалов 3 страница | | | Глава 5. Получение наноматериалов |