Как можно уменьшить расход энергии? Тут на помощь приходит эффект Ребиндера. Не поленимся рассмотреть его еще раз, на этот раз с энергетической точки зрения. Поверхность любого объекта обладает избытком энергии по сравнению с его объемом, при размоле образуются новые поверхности, на обеспечение их “избыточной” энергии идет значительная доля энергии, затрачиваемой на весь процесс. Сорбция любого вещества на поверхности уменьшает величину ее избыточной энергии и, следовательно, затраты энергии на ее образование. Понятно, что для этого оба процесса – образование “горячей” поверхности и ее “гашение” сорбирующимся веществом – должны протекать практически одновременно. Но это как раз представить очень легко: если есть дефект – углубление на поверхности, заполненное жидкостью, то при механической нагрузке дефект превращается в трещинку, в которую немедленно втягивается жидкость, смачивая образующуюся новую поверхность. Современная техника позволяет наблюдать сей процесс воочию, и, поверьте, это стоит потраченного времени: создается впечатление, как будто жидкость “силой” проникает внутрь вещества, раздвигая стенки наметившейся трещинки.
Таким образом, правильный выбор адсорбирующегося (поверхностно-активного) вещества обеспечивает заметное снижение энергозатрат. Более того, измельчить твердые материалы механическим способом до частиц размером порядка десяти нанометров без добавления сорбирующихся на поверхности веществ никому пока не удалось.
И вряд ли это возможно в принципе. Ведь модификаторы поверхности выполняют еще одну важную функцию – они препятствуют плотному слипанию образующихся наночастиц. Даже если нам удастся расколоть частицу пополам в отсутствие модификатора, то половинки могут встретиться вновь и – слипнуться. Отчасти поэтому при механическом размоле независимо от его продолжительности всегда образуются порошки с очень широким разбросом по размерам частиц, например от двадцати до двухсот нанометров.
Надо сказать, что стремление наночастиц к слипанию и агрегации – едва ли не главная головная боль всех специалистов, работающих в области нанотехнологий. Причина заключается в упомянутой выше избыточной поверхностной энергии, которую частицы стремятся уменьшить за счет слипания. В сущности, это ничем не отличается от слияния двух капелек ртути. Как говорят ученые, – самопроизвольный процесс.
“Голая”, изолированная наночастица – редчайшее исключение из общего правила{4}. Если исследователи хотят получить именно изолированные наночастицы, то независимо от использованного подхода – “сверху-вниз” или “снизу-вверх” – им приходится одевать их в защитную шубу из тех же поверхностно-активных веществ, препятствующих слипанию. Процедура эта обязательная, настолько обязательная, что многие даже не упоминают о ней как о чем-то само собой разумеющемся, и для простоты говорят, например, о наночастицах золота, забывая добавить “стабилизированных тем-то и тем-то”. Это порождает недоразумения даже в кругу специалистов, ведь одни и те же наночастицы золота, покрытые разными модификаторами, – по сути дела, разные вещества, отличающиеся по свойствам. И это составляет еще одну большую проблему нанотехнологий – зависимость свойств наночастиц от их предыстории, мало ли что они могут нахватать из раствора или атмосферы в процессе получения, выделения и очистки (последнее слово в этой связи звучит несколько двусмысленно).
Да, сложности есть, но они решаемые. Специалисты в области коллоидной химии за многие десятилетия накопили колоссальный опыт по стабилизации наночастиц, которые они на своем языке называют золями. Они научились также использовать во благо стремление частиц к слипанию, направляя этот самопроизвольный процесс в нужную им сторону, от максимально плотного заполнения пространства (это необходимо, например, для получения сверхпрочных керамик) до создания ажурных, воздушных структур.
(Эпитет “воздушный” – отнюдь не метафора. Есть такое вещество – аэрогель, представляющий собой пространственную сетку, составленную из наночастичек диоксида кремния. По своему химическому составу это тот же песок или всем известный силикагель, да и получают его так же, но с некоторыми технологическими ухищрениями, в которые мы углубляться не будем. Аэрогели диоксида кремния – одни из самых легких твердых веществ, существующих в природе. Их плотность достигает 1,9 кг/м3, что всего лишь в полтора раза больше плотности воздуха. При всей своей “воздушности”, они весьма прочны и способны выдерживать механическую нагрузку, в тысячи раз превышающую их собственный вес. Они являются отличными теплоизоляторами, что удачно сочетается с их высокой термостабильностью – температура плавления аэрогелей диоксида кремния составляет ~1200 °C. Это делает их чрезвычайно перспективными для применения в самых различных областях, от строительства до аэрокосмической отрасли.)
Все эти исследования составляют в настоящее время одну из важнейших частей нанотехнологий. Научные основы этих технологий были заложены еще в первой трети прошлого века и весомый вклад в них внесли работы Петра Александровича Ребиндера, выдающегося ученого и потрясающего человека.
Глава 5
Таким образом, правильный выбор адсорбирующегося (поверхностно-активного) вещества обеспечивает заметное снижение энергозатрат. Более того, измельчить твердые материалы механическим способом до частиц размером порядка десяти нанометров без добавления сорбирующихся на поверхности веществ никому пока не удалось.
И вряд ли это возможно в принципе. Ведь модификаторы поверхности выполняют еще одну важную функцию – они препятствуют плотному слипанию образующихся наночастиц. Даже если нам удастся расколоть частицу пополам в отсутствие модификатора, то половинки могут встретиться вновь и – слипнуться. Отчасти поэтому при механическом размоле независимо от его продолжительности всегда образуются порошки с очень широким разбросом по размерам частиц, например от двадцати до двухсот нанометров.
Надо сказать, что стремление наночастиц к слипанию и агрегации – едва ли не главная головная боль всех специалистов, работающих в области нанотехнологий. Причина заключается в упомянутой выше избыточной поверхностной энергии, которую частицы стремятся уменьшить за счет слипания. В сущности, это ничем не отличается от слияния двух капелек ртути. Как говорят ученые, – самопроизвольный процесс.
“Голая”, изолированная наночастица – редчайшее исключение из общего правила{4}. Если исследователи хотят получить именно изолированные наночастицы, то независимо от использованного подхода – “сверху-вниз” или “снизу-вверх” – им приходится одевать их в защитную шубу из тех же поверхностно-активных веществ, препятствующих слипанию. Процедура эта обязательная, настолько обязательная, что многие даже не упоминают о ней как о чем-то само собой разумеющемся, и для простоты говорят, например, о наночастицах золота, забывая добавить “стабилизированных тем-то и тем-то”. Это порождает недоразумения даже в кругу специалистов, ведь одни и те же наночастицы золота, покрытые разными модификаторами, – по сути дела, разные вещества, отличающиеся по свойствам. И это составляет еще одну большую проблему нанотехнологий – зависимость свойств наночастиц от их предыстории, мало ли что они могут нахватать из раствора или атмосферы в процессе получения, выделения и очистки (последнее слово в этой связи звучит несколько двусмысленно).
Да, сложности есть, но они решаемые. Специалисты в области коллоидной химии за многие десятилетия накопили колоссальный опыт по стабилизации наночастиц, которые они на своем языке называют золями. Они научились также использовать во благо стремление частиц к слипанию, направляя этот самопроизвольный процесс в нужную им сторону, от максимально плотного заполнения пространства (это необходимо, например, для получения сверхпрочных керамик) до создания ажурных, воздушных структур.
(Эпитет “воздушный” – отнюдь не метафора. Есть такое вещество – аэрогель, представляющий собой пространственную сетку, составленную из наночастичек диоксида кремния. По своему химическому составу это тот же песок или всем известный силикагель, да и получают его так же, но с некоторыми технологическими ухищрениями, в которые мы углубляться не будем. Аэрогели диоксида кремния – одни из самых легких твердых веществ, существующих в природе. Их плотность достигает 1,9 кг/м3, что всего лишь в полтора раза больше плотности воздуха. При всей своей “воздушности”, они весьма прочны и способны выдерживать механическую нагрузку, в тысячи раз превышающую их собственный вес. Они являются отличными теплоизоляторами, что удачно сочетается с их высокой термостабильностью – температура плавления аэрогелей диоксида кремния составляет ~1200 °C. Это делает их чрезвычайно перспективными для применения в самых различных областях, от строительства до аэрокосмической отрасли.)
Все эти исследования составляют в настоящее время одну из важнейших частей нанотехнологий. Научные основы этих технологий были заложены еще в первой трети прошлого века и весомый вклад в них внесли работы Петра Александровича Ребиндера, выдающегося ученого и потрясающего человека.
Глава 5
Био и Нано – близнецы-братья
Название главы навеяли строки из поэмы Владимира Маяковского. Немного перефразировав “лучшего и талантливейшего поэта советской эпохи”, продолжим:
В качестве главного персонажа этой главы я выбрал человека, чей приоритет в рассматриваемой области признается всеми, включая гуру истории науки Айзека Азимова. Звали его Константин Готлиб Сигизмунд Кирхгоф, по-нашему, Константин Сигизмундович.
Константин Кирхгоф родился в 1764 году в местечке Тетеров немецкого герцогства Мекленбург-Шверин в семье аптекаря. Фармацевтическое и химическое образование он получал, помогая отцу в работе, после смерти которого продолжил семейную традицию и дослужился до звания гезеля – помощника провизора. В 1792 году Кирхгоф, как и многие немцы той поры, отправился в Россию, полагаю, что за “длинным” рублем, крепким и полновесным. Он устроился работать в Главную петербургскую аптеку, которой в то время управлял уже знакомый вам Товий Егорович Ловиц. Под его руководством Кирхгоф выполнил свою первую научную работу, опубликованную в 1795 году: “Об очистке хлебной водки (сивухи) при помощи древесных углей”.
Эта работа задала тон всей последующей научной деятельности Кирхгофа. Он не изучал явления, а решал практические задачи, которые ему в изобилии подбрасывали жизнь и правительство. По складу своего мышления он был технологом, а не ученым-естествоиспытателем. При этом Кирхгоф был, несомненно, наделен феноменальной научной интуицией, ведь он выдавал новые технологии на гора едва ли не ежегодно. Добиться такого результата лишь за счет немецкой основательности и методичности невозможно, они в какой-то мере даже мешают такой скорострельности, потому что исследователь надолго увязает в деталях и несущественных мелочах.
Одна из многих технологий, разработанных Кирхгофом, – получение киновари, сульфида ртути. Из нее делали ярко-алую краску, столь любимую на Руси, ввозили же киноварь, как и все сейчас, преимущественно из Китая. Предложенный Кирхгофом способ получения киновари привел бы в ужас современных специалистов по охране труда и экологов: ртуть смешивали с серой и перетирали пестиком в ступке, затем прибавляли крепкий раствор щелочи и, помешивая, грели до готовности. Но по тем временам способ считался вполне безопасным. В 1805 году Кирхгоф ходатайствует перед Министерством внутренних дел о выдаче ему разрешения на устройство фабрики по производству киновари и о привилегии (эквивалент патента) на это производство. Закона о привилегиях в России тогда не было, поэтому в этом Кирхгофу было всемилостивейше отказано, но фабрику построить разрешили. Академик Я.Д. Захаров, посетивший эту фабрику через несколько лет, писал в отчете: “Сию киноварь можно здесь сколько угодно купить по 10 рублей за фунт, и она отправляется по изящной ее доблести за море”. При отсутствии “привилегии”, способ стали быстро использовать и другие русские фабриканты.
Точно такая же схема была реализована Кирхгофом при создании технологии очистки постного масла, которой он стал заниматься по указанию министра внутренних дел Кочубея в 1805 году. Дело в том, что масленичные семена[8] составляли значительную долю общероссийского экспорта. Еще выгоднее было продавать масло из них, потребность в котором была огромна, ведь оно использовалось не только для приготовления пищи, но и для освещения – масляные лампы Карселя были широко распространены в России и за границей. Но масло, вырабатываемое на российских кустарных маслобойнях, для этой цели не подходило. В общем, извечная наша проблема: как сделать так, чтобы поставлять на экспорт не сырье (семена/нефть/ металл), а продукты его переработки (масло/бензин/трубы).
Технологию Кирхгоф разработал, но ее детали, наученный опытом, придержал. Известно лишь было, что он использовал для очистки серную кислоту. Кирхгоф попросил у правительства беспроцентную ссуду в двадцать пять тысяч рублей на пять лет для открытия фабрики по очистке масла с условием, что по истечении срока ссуда будет возвращена, а “секрет” будет опубликован. Вышло как по писаному, сначала заработала фабрика Кирхгофа, а через пять лет технология была передана всем заинтересованным лицам и вскоре стала широко применяться на русских маслобойных предприятиях.
В 1808 году Кирхгоф выполнил еще одну работу – “О сохранении молока и яиц путем высушивания”, которая, естественно, проходила по военному ведомству. В условиях безостановочных войн во всех странах разрабатывали способы снабжения войск питательными и транспортабельными продуктами длительного хранения. Француз Николя Аппер (1749–1841) изобрел в 1809 году консервы, за что получил награду из рук самого Наполеона Бонапарта. Вполне возможно, что и Кирхгоф получил “наградной лист” за подписью Александра I – разрешение на строительство фабрики по производству сухого молока и яичного порошка, но известные мне исторические источники об этом умалчивают.
Постараюсь доказать вам, что это сопоставление по меньшей мере столь же верно, как утверждение Маяковского о тандеме Партия – Ленин, и что привычные нам биотехнологии есть в основе своей не что иное, как нанотехнологии.
“Био и Нано – близнецы-братья.
Кто более матери Природе ценен?
Мы говорим Био – подразумеваем Нано,
Мы говорим Нано – подразумеваем Био”.
В качестве главного персонажа этой главы я выбрал человека, чей приоритет в рассматриваемой области признается всеми, включая гуру истории науки Айзека Азимова. Звали его Константин Готлиб Сигизмунд Кирхгоф, по-нашему, Константин Сигизмундович.
Константин Кирхгоф родился в 1764 году в местечке Тетеров немецкого герцогства Мекленбург-Шверин в семье аптекаря. Фармацевтическое и химическое образование он получал, помогая отцу в работе, после смерти которого продолжил семейную традицию и дослужился до звания гезеля – помощника провизора. В 1792 году Кирхгоф, как и многие немцы той поры, отправился в Россию, полагаю, что за “длинным” рублем, крепким и полновесным. Он устроился работать в Главную петербургскую аптеку, которой в то время управлял уже знакомый вам Товий Егорович Ловиц. Под его руководством Кирхгоф выполнил свою первую научную работу, опубликованную в 1795 году: “Об очистке хлебной водки (сивухи) при помощи древесных углей”.
Эта работа задала тон всей последующей научной деятельности Кирхгофа. Он не изучал явления, а решал практические задачи, которые ему в изобилии подбрасывали жизнь и правительство. По складу своего мышления он был технологом, а не ученым-естествоиспытателем. При этом Кирхгоф был, несомненно, наделен феноменальной научной интуицией, ведь он выдавал новые технологии на гора едва ли не ежегодно. Добиться такого результата лишь за счет немецкой основательности и методичности невозможно, они в какой-то мере даже мешают такой скорострельности, потому что исследователь надолго увязает в деталях и несущественных мелочах.
Одна из многих технологий, разработанных Кирхгофом, – получение киновари, сульфида ртути. Из нее делали ярко-алую краску, столь любимую на Руси, ввозили же киноварь, как и все сейчас, преимущественно из Китая. Предложенный Кирхгофом способ получения киновари привел бы в ужас современных специалистов по охране труда и экологов: ртуть смешивали с серой и перетирали пестиком в ступке, затем прибавляли крепкий раствор щелочи и, помешивая, грели до готовности. Но по тем временам способ считался вполне безопасным. В 1805 году Кирхгоф ходатайствует перед Министерством внутренних дел о выдаче ему разрешения на устройство фабрики по производству киновари и о привилегии (эквивалент патента) на это производство. Закона о привилегиях в России тогда не было, поэтому в этом Кирхгофу было всемилостивейше отказано, но фабрику построить разрешили. Академик Я.Д. Захаров, посетивший эту фабрику через несколько лет, писал в отчете: “Сию киноварь можно здесь сколько угодно купить по 10 рублей за фунт, и она отправляется по изящной ее доблести за море”. При отсутствии “привилегии”, способ стали быстро использовать и другие русские фабриканты.
Точно такая же схема была реализована Кирхгофом при создании технологии очистки постного масла, которой он стал заниматься по указанию министра внутренних дел Кочубея в 1805 году. Дело в том, что масленичные семена[8] составляли значительную долю общероссийского экспорта. Еще выгоднее было продавать масло из них, потребность в котором была огромна, ведь оно использовалось не только для приготовления пищи, но и для освещения – масляные лампы Карселя были широко распространены в России и за границей. Но масло, вырабатываемое на российских кустарных маслобойнях, для этой цели не подходило. В общем, извечная наша проблема: как сделать так, чтобы поставлять на экспорт не сырье (семена/нефть/ металл), а продукты его переработки (масло/бензин/трубы).
Технологию Кирхгоф разработал, но ее детали, наученный опытом, придержал. Известно лишь было, что он использовал для очистки серную кислоту. Кирхгоф попросил у правительства беспроцентную ссуду в двадцать пять тысяч рублей на пять лет для открытия фабрики по очистке масла с условием, что по истечении срока ссуда будет возвращена, а “секрет” будет опубликован. Вышло как по писаному, сначала заработала фабрика Кирхгофа, а через пять лет технология была передана всем заинтересованным лицам и вскоре стала широко применяться на русских маслобойных предприятиях.
В 1808 году Кирхгоф выполнил еще одну работу – “О сохранении молока и яиц путем высушивания”, которая, естественно, проходила по военному ведомству. В условиях безостановочных войн во всех странах разрабатывали способы снабжения войск питательными и транспортабельными продуктами длительного хранения. Француз Николя Аппер (1749–1841) изобрел в 1809 году консервы, за что получил награду из рук самого Наполеона Бонапарта. Вполне возможно, что и Кирхгоф получил “наградной лист” за подписью Александра I – разрешение на строительство фабрики по производству сухого молока и яичного порошка, но известные мне исторические источники об этом умалчивают.
Конец бесплатного ознакомительного фрагмента