Что же такое нанотехнологии и чем обычные материалы отличаются от наноматериалов?

     О том, что практически все твердые материалы имеют упорядоченную структуру, знают многие. Также, хорошо известно, что от взаимного расположения атомов одного и того же химического элемента в кристаллической решетке, зависят химические и физические свойства вещества.   

     Например,  одни и те же атомы углерода в одной структуре образуют графит, а в другой – алмаз. Всего из трёх атомов – углерода, кислорода и водорода с небольшими добавками строятся все органические вещества, бактерии и вирусы, да и мы сами.

    Но оказалось, что   физические и химические свойства вещества могут сильно меняться  в зависимости еще от одного фактора - от количества атомов в решетке, при условии, если данное количество атомов формирует частицу менее 100 нонометров.

    Более того, кристаллические частицы вещества размерностью менее 100 нонометров, могут проявлять свойства вообще не присущие данному веществу  в привычном мире.  Так, например, хорошо   известно,  что золото и серебро не участвуют в большинстве химических реакций. Однако наночастицы серебра или золота не только становятся очень хорошими катализаторами химических реакций (ускоряют их протекание), но и непосредственно участвуют в химических реакциях. Задачами современной науки является не только разработка промышленных методов производства наноматериалов, но и изучение их физических, химических, механических и других свойств  с целью  использования на практике в  производственных процессах.

     Таким образом, нанотехнологии, это совокупность методов производства наноразмерных структур,   выявление их физических, химических, механических и других свойств с целью   использования на практике для оптимизации производственных процессов, а также создания  на их основе материалов, в том числе с эволюционно  новыми свойствами

     Одним из способов производства наноматериалов является сборка  под контролем физических методов   кристаллических структур с заданными свойствами из отдельных атомов.   То есть речь идет о технологиях позволяющих под контролем, в том числе и визуальном, перемещать отдельные атомы.

     Другим способом производства наноматериалов, является создание специальных условий, при которых из отдельных атомов вещества происходят процессы самоорганизованной сборки конкретных структур с заданными размерами.  Это может  быть, например, термическое испарение вещества с последующей конденсацией паров в присутствии катализаторов. Именно так были получены углеродные нанотрубки.

     В 2004 году в лаборатории Манчестерского университета под руководством  Родни Руоффа было наработано 8 миллиграмм наноразмерных углеродных структур - графенов. Сообщение стало научной сенсацией, так как уникальные оптические, электрические и механические свойства графенов можно использовать в самых разных приложениях, в том числе в микро- и наноэлекторнике, создании дисплеев, разных композиционных материалов.  

     Графены – одиночные слои атомов углерода расположенные в одной плоскости, и являющиеся своеобразными  двумерными кристаллами были получены лазерным отделением от слоистых углеродных образований, в частности от графита.

     Экспериментальное открытие графена в 2004 году  стало важнейшим звеном в цепочке исследований углеродных структур, начало которым было положено в 1985−м, когда ученым удалось обнаружить принципиально новые углеродные соединения — фуллерены, каркасные сферические многогранники, составленные из правильных пяти и шестиугольников с атомами углерода в вершинах. Данное открытие было удостоено Нобелевской премии. 

     Ранее, за три года до открытия, сделанного в Манчестерском университете,  3 января 2001  года Международной Ассоциацией авторов научных открытий  было зарегистрировано   открытие:   «Явление образования наноструктурных углеродных комплексов» (Диплом № 163).

     На основании данного открытия, автор открытия академик РАЕН В.И. Петрик впервые  в мире, разработал промышленный способ получения углеродных наноструктур   методом холодной деструкции слоистых углеродных соединений. Создано первое в мире промышленное производство наноуглеродного материала состоящего преимущественно из графенов, а также продуктов их хаотического сращивания в ассоциаты в виде сфероидальных наночастиц и нанотрубок.  Этот материал получил название -  Углеродная смесь высокой реакционной способности (УСВР).

     Изобретения запатентованы в 54 странах мира.

     Итак, углеродная смесь высокой реакционной способности (УСВР) состоит из различных углеродных каркасных нанообразований, которые в результате межмолекулярного взаимодействия соединяются  между собой и  формируют единую углеродную массу с огромной удельной поверхностью (500 – 2000 м²  на 1 грамм вещества) и  плотностью способной пропускать воду и задерживать мельчайшие механические частицы.  

     Ожидаемые необыкновенные свойства новых материалов из нано мира подтвердились. Согласно проведённым в США исследованиям, УСВР по сорбционным способностям превосходит лучший на американском рынке сорбент GAC (активированный уголь из кокосового ореха) в  100 - 350 раз (Sierra, Ca, USA). Такие сорбционные свойства, ранее, были недостижимы ни для одного из известных  сорбентов.   

     УСВР является  новым веществом определенного класса, не имеющим аналогов в мире по физическим, химическим, функциональным и экономическим характеристикам, а также экологической чистоте, универсальности и многообразию сфер применения.  Его   характеристики  подтверждены результатами многократных натурных испытаний (в разных странах мира), а также многочисленными экспертизами, проведёнными компетентными национальными и международными организациями.

      УСВР  может быть использован в качестве специального материала для решения различных технологических задач в сфере экологии, промышленного производства и других, включая:

-         обезвреживание токсичных отходов и деструкцию боевых отравляющих веществ;

-         высококачественную доочистку питьевой воды;

-         локализацию и тушение пожаров токсичных и горючих жидкостей на суше и водной  поверхности;

-         ликвидацию аварийных проливов нефти и нефтепродуктов на суше и водной поверхности, в том числе рекультивацию грунтов и окончательную очистку воды;

-         создание медицинских препаратов;

-         удаление полиароматических углеводородов из табачного дыма;

-         влагоудержание в песчаных и солонцовых почвах; 

     Почему очистка воды с помощью УСВР лучше традиционных методов?

     Проблема очистки воды

     Проблема воды и влияние ее состава на различные биологические  процессы уже многие десятилетия привлекает постоянное внимание со стороны физиков, химиков и биологов. 
     Важность этой темы обуславливается уникальным значением воды в биологических системах, где вода наряду с белками и нуклеиновыми кислотами является их обязательной составляющей. В соответствие с этим важнейшим свойством питьевой воды является ее ионный (солевой) состав, определяющий нормальную жизнедеятельность организма. Это, прежде всего, ионы натрия, калия, кальция, магния, определяющие нервную, сердечную, ферментативную и другие функции человеческого организма. К жизненно важным относятся также ионы переходных металлов – Fe, Co, Zn, Cu, V, Cr, Mn, Ni и не металлические элементы – С, N, O, P, S, Cl, J, F. Ряд элементов, биологическая функция которых не известна, и поступающие в организм с питьевой водой (селен, олово, молибден и другие), являются существенными компонентами  биологических процессов.
              Их дефицит приводит к отклонениям в развитии и может служить причиной патологических изменений. Однако, при высоких концентрациях, эти же элементы становятся токсичными.
              Например, натрий – в зависимости от концентрации может быть и полезен, и опасен. Так, все морские организмы приспособлены к жизни в 0,6 М растворе NaCl – морской воде, а плазма крови – 0,3% раствор хлористого натрия. Но при слишком высокой концентрации хлористый натрий становится токсичным и вызывает гипертонию, то есть осмотическую дегидратацию и гибель клеток и организма в целом. С другой стороны, дистиллированная вода, не содержащая ионов натрия в концентрации, соответствующей концентрации натрия в плазме крови, также вызывает разрушение клеток вследствие внутриклеточного осмотического давления.
            С прогрессом цивилизации потребление природных ресурсов увеличилось, и в природе начали развиваться необратимые изменения. Это привело к нарушению естественного распределения элементов в природных водах. Ряд жизненно важных элементов отсутствует, ряд – в избытке. Одновременно наблюдается загрязнение поверхностных и подземных вод углеводородами и другими опасными соединениями (удобрениями, хлорорганическими соединениями и другими продуктами человеческой жизнедеятельности). Поэтому очистка питьевой воды является  абсолютно необходимой мерой обеспечения здорового образа жизни.
             С учетом этого, компания «Холдинг «Золотая формула»  поставила задачу: разработать технологии очистки  питьевой воды от вредных для здоровья загрязнителей и сохранением в ней естественного солевого состава.  

     Традиционные методы очистки

     Обратный осмос и иониты

        Существующие в настоящее время методы водоподготовки включают следующие основные процессы:

-        удаление взвесей и механических примесей фильтрованием и (или) коагуляцией

-        удаление избыточных солей жесткости и ионов тяжелых металлов методами сорбции или ионного обмена

-        обеззараживание с использованием химических реагентов и способом ультрафиолетового  облучения

-        удаление органических и высокомолекулярных загрязнителей методом сорбции, как правило, на активных углях.       

      Особое место в их ряду занимают методы очистки, основанные на обратном осмосе, которые позволяют более чем на 99% удалять из воды все соли, бактерии, вирусы, делая ее практически дистиллированной. В то же время летучие органические вещества (ароматические и хлорорганические соединения), представляющие особую опасность для здоровья в силу их канцерогенности, удаляются всего на 60 – 70%. Кроме того, органические волокна, используемые в качестве мембран в установках обратного осмоса, сами по себе служат источником органических соединений, поступающих в воду.
      Для удаления солей жесткости, тяжелых металлов и ряда неметаллических элементов (азот, фосфор) в бытовых и промышленных системах водоочистки используют также ионообменные смолы. Ионообменные смолы, или иониты, представляют собой высокомолекулярные органические вещества,  способные к обратимому обмену своих ионов на эквивалентное количество других ионов, находящихся в растворе. Периодически ионообменный материал регенерируется раствором хлористого натрия. Использование органических материалов (ионитов) в системе водоочистки неизбежно ведет к загрязнению воды продуктами разложения полимеров, фактическое содержание которых в воде, прошедшей ионообменную очистку, в процессе эксплуатации не контролируется.
       Таким образом, очистка воды с использованием метода обратного осмоса и ионного обмена неизбежно ведет к нарушению солевого баланса и загрязнению воды продуктами разложения полимерных материалов.
       Воссоздание естественного солевого состава воды путем искусственной минерализации с использованием смеси химических реактивов практически невозможно, поскольку соли в природной воде находятся в так называемом акватированном состоянии.
       Процесс акватации для ряда ионов протекает медленно (в частности, для кобальта и хрома ≈ 100 часов), поэтому внесение какой-либо соли в раствор воды не обеспечивает возможности участия соответствующих ионов в биологических процессах. 
       Хорошо известно, что длительное употребление обессоленной или искусственно минерализованной воды может привести к нарушению солевого баланса в организме, что неминуемо приводит к развитию патологических процессов. Так, организованные Всемирной организацией здравоохранения  клинические испытания, проведенные на добровольцах, а также на животных   показали, что постоянное употребление слабоминерализованной воды может вызвать системные патологические  изменения, при этом симптомы могут проявиться   и через много лет. Было также показано, что при интенсивной физической работе и употреблении дистиллированной воды может возникнуть так называемая водная интоксикация (гипонатриемический шок), сопровождаемая бредом и различными физиологическими нарушениями.   Серьезные проблемы со здоровьем возникали у альпинистов, употреблявших пищу, приготовленную на талом льду. Такая вода не содержит анионов и катионов, необходимых человеку. У детей, которые употребляют напитки, приготовленные на дистиллированной или слабоминерализованной воде, возникали такие заболевания, как отек мозга, конвульсии и ацидоз.

                                   Дорогие господа пользователи воды!  

       У нас есть для вас очень хорошая новость. Проводимые  в течение двух лет на Санкт-Петербургском водоканале базовые  испытания   фильтров «Золотая Формула», в которых загрузкой является УСВР, а также проведенные в МГУ им. Ломоносова и  многих научных центрах мира, в том числе Кувейте, Испании, Италии и т.д. многочисленные лабораторные испытания, показали,  что УСВР проявляет уникальную сорбционную активность по отношению к различным загрязняющим факторам, в том числе таким как;  углеводороды, мышьяк,  стронций, барий, ртуть, кадмий и др. и очищает воду  по этим показателям до уровня значительно ниже предельно допустимых концентраций. При этом УСВР полностью сохраняет в воде полезные минеральные соли!

       В крупных городах, в системах централизованного водоснабжения,  в силу высокого уровня химиче­ского и микробиологического загрязнения поверхностных вод,  в процессе водоподготовки используются максимально допустимые  дозы химических реагентов. 
       В летнее время производится двойное, а иногда и тройное хлорирование воды. В случае угрозы эпидемии, осуществляется шестикратное хлорирование. При обеззараживании пи­тьевой воды жидким хлором образуются побочные хлорор­ганические соединения, коли­чество и качество которых за­висят от состава органических соединений в исходной воде, водородного показателя воды, температуры и времени обра­ботки хлором, количества ра­бочей дозы хлора.
        Применение хлора с целью обеззараживания воды  начато в начале XX века. В России хлорирование воды было осуществлено в 1908 году, в связи с эпидемией холеры. В дальнейшем, его проводили в Кронштадте, Нижнем Новгороде, Ростове-на-Дону, Петербурге. На первом этапе, однако, это носило спорадический характер. В последующие годы хлорирование воды как эффективное средство борьбы с инфекционными заболеваниями, распространилось во всем мире быстрыми темпами, и в настоящее время такой водой пользуются многие сотни миллионов людей.
       Статистически достоверные данные о связи потребления хлорированной питьевой воды поверхностных водоисточников с частотой злокачественных новообразований у населения стали накапливаться только с 70-х годов.  Рак, одно из самых грозных заболеваний известных медицине вот уже более 200 лет. Причины, вызывающие возникновение злокачественной опухоли сложны и многообразны.    Жилище, атмосферный воздух, пища, питьевая вода — вот далеко не полный перечень канцерогенных носителей, которые могут стать причиной формирования онкологического заболевания. Что касается воды, то в настоящее время доказана достоверная связь между содержанием хлорорганических соединений  в питьевой воде и смертностью населения от онкологических заболеваний. Две независимые группы экспертов (Комитет по безопасности питьевой воды Национальной академии наук США и Группа оценки канцерогенов Агентства по защите окружающей среды) попытались с применением математических методов оценить возможность вклада отдельных загрязнителей воды (в концентрации 1 мкг/л) в формировании онкологического  риска для населения. Обе группы выявили  высокую канцерогенную активность четыреххлористого углерода и трихлорэтилена по сравнению с другими водными загрязнителями. Еще одним  канцерогенным  хлорорганическим  соединением    является диоксин - самый опасный и коварный яд из всех известных человечеству.  В отличие от обычных ядов, токсичность которых связана с подавлением ими определенных функций организма, диоксин  поражает организм благодаря способности сильно повышать активность  окислительных железосодержащих ферментов (монооксигеназ), что приводит к нарушению обмена многих жизненно важных веществ и подавлению функций ряда систем организма.

      За последнее время в мире опубликованы сотни работ, посвященных проблеме связи  хлорорганических соединений с онкологическими заболеваниями. Основными локализациями опухолей, которые связываются с действием хлорсодержащих соединений, является мочевой пузырь, толстая и прямая кишка.

      В настоящее время статистически достоверно установлены данные   распределения частоты онкологических заболеваний     по территориальному признаку.

      Так  вот, на этом  жутком пьедестале первенства, первое место в мире по данным заболеваниям занимает г. Санкт - Петербург. Сегодня продукты питания в известной мере унифицированы – в основном они заграничные, те же что и в Москве. Тогда встает закономерный вопрос – а в чем различие, не в воде ли?