ОСТАННІЙ ПОДКАСТ
Підписуйся на найнауковішу розсилку!
І отримуй щотижневі новини науки і технологій

    Ми під'їдаємо крихти cookies за вами. Навіщо це нам?

    Читати

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Повідомлення успішно надіслано

    Для пошуку
    введіть назву запису
    Наука — 22.12.21
    ТЕКСТ: Діана Сяркі
    Ілюстрації: Каталіна Маєвська
    Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
    Ctrl+Enter.
    Відкриття на горизонті: Як наночастинки очищують повітря

    Щороку отруйні змії кусають приблизно 2,7 мільйона людей1. Але протиотрути дорогі й доволі рідко під рукою. Щоб принаймні зупинити поширення отрути та пошкодження тканин, Хосе Марія Гутьєррес, фахівець з отрут Університету Коста-Ріки, використав наночастинки гідрогелю, покриті полімерами2. Він ввів десяткам мишей отруту кобри чорношиї і підтвердив, що наночастинки значно зменшили пошкодження тканин. Цей метод не замінить протиотруту, але він міг би виграти час на те, щоб людина дісталася до лікарні. 

     

    Це лише один з прикладів застосування наноматеріалів і нанотехнологій. Сьогодні їх використовують у різноманітних галузях – від створення наноботів, чіпів і косметичних засобів до виявлення та лікування раку. В чому секрет наночастинок, чи завжди вони безпечні та як наноматеріали можуть очищати повітря від бактерій? Розповідає Андрій Рагуля, заступник директора Інституту проблем матеріалознавства імені І. М. Францевича НАН України. 

     

    Проєкт з популяризації досліджень та розробок, здійснених у рамкових програмах Європейського Союзу з досліджень та інновацій «Горизонт 2020», «Горизонт Європа». Зміст матеріалів є відповідальністю її авторів та не може сприйматися як такий, що відображає погляди Європейського Союзу, Уряду України.

    Прекрасний новий світ?

     

    Ера наноматеріалів почалася з досліджень німецького фізика Герберта Ґляйтера3 про нанодисперсний паладій. Він визначив, що механічні властивості матеріалу, створеного з наночастинок паладію (тобто частинок речовини розміром від 1 до 100 нанометрів) набагато більші, ніж у звичайного паладію. Це й започаткувало еру наноматеріалів. Вони підтягнули за собою і нанотехнології.

     

    Саме тоді, ще в студентські часи я познайомився з наноматеріалами. Коли я навчався на п’ятому курсі університету, професор Ростислав Андрієвський запропонував мені поекспериментувати з частинками нанодисперсного нікелю. Відтоді я займаюся наноматеріалами. Дисертації та загалом увесь мій науковий доробок стосується цієї теми. 

     

    Наноматеріали – це надзвичайний світ, який багато чого змінює в думках вчених та інженерів. Відкриваються можливості, що раніше не були відомі для матеріалознавців, наукової спільноти та підприємців. За сорок років відкрилися сотні тисяч нових підприємств, які виробляють різноманітну нанопродукцію. Якщо в минулому столітті найбільшою і найрозгалуженішою була металургійна індустрія, яка сягала приблизно 1,2 трильйона доларів, то сьогодні нанотехнологічний ринок оцінюють майже в чотири трильйони доларів. Він і далі зростає. 

     

    Хоча є й певні загрози. Зокрема ці знання можуть використати для створення зброї. (Є різна нанозброя: і типові види зброї з покращеними хімічними, фізичними властивостями (наприклад, меншою масою), і гіперактивні вибухові сполуки, і мережеві прилади, які руйнують електромережу та інфраструктуру зв’язку, і гібридна хіміко-біологічна зброя. – прим. ред.). Людство завжди використовувало технології з хорошими і поганими намірами. І якщо з’являються такі розробки, то треба знати, як з ними боротися.

     

    Але з наночастинками потрібно завжди бути обережними. З одного боку, через зменшення розміру наночастинки різних речовин можуть набувати нових властивостей: мати кращі механічні показники, плавитися за нижчих температур або краще поглинати сонячну радіацію. Наприклад, наночастинки оксиду цинку добре захищають від ультрафіолетового випромінювання, тому їх можуть використовувати в засобах від засмаги. З іншого боку, на клітинному рівні деякі наночастинки можуть призвести до оксидативного стресуОксидативний стрес – процес пошкодження і загибелі клітин тіла внаслідок окислення. та запалення4. Але їхня токсичність залежить від форми, розмірів і дози. Тому однозначно сказати, що якісь наночастинки негативно впливають на живі організми й довкілля, не можна. До того ж більшість досліджень проведені на культурах клітин або стосуються якогось конкретного наноматеріалу, але це питання потрібно досліджувати комплексно.

     

    Якщо говорити про концентрацію наночастинок у повітрі, то зазвичай вона невелика (наноструктури є природними та штучними, вони можуть утворюватися внаслідок виверження вулканів, вітрів, пожеж, ядерних процесів тощо, також ними можуть бути дуже малі віруси – прим. ред.). Та коли вони потрапляють в легені чи на шкіру, потрібно бути дуже обережними. Тому виробники нанопродукції мають їх ретельно фіксувати. Колись була популярною ідея наноцементу. І справді, якщо подрібнити цементний клінкерЦементний клінкер — спечена суміш вапняку та глини, що використовується для виробництва цементу. до 20–30 нанометрів, то бетон схоплюється швидше і набирає міцності не за 28 днів, а приблизно за 3–4 дні. Це вигідно, але треба вживати додаткових заходів безпеки під час його використання. А це не так просто, особливо в умовах сьогоднішньої культури будівництва.

    «Нанотехцентр» і «Горизонт 2020»

     

    Якщо накопичується багато наукових знань, настає момент, коли вчені переходять від досліджень до впровадження результатів. Так само закономірно в Інституті проблем матеріалознавства ми замислилися над прикладним аспектом нашої роботи, і в 2014 році створили стартап-компанію «Нанотехцентр». 

     

    Щойно компанія з’явилася, ми відразу потрапили в середовище європейської програми «Горизонт 2020», що здавалася дуже привабливою для участі малих компаній через великі пільги. Тож ми надіслали листа до Єврокомісії, зареєструвалися й отримали фінансування для двох проєктів, пов’язаних з наноматеріалами (NANOGUARD2AR і Engima). Сьогодні ми обговоримо перший проєкт, другий – то вже окрема історія.

     

    Ідея першого проєкту полягала в тому, щоб створити наноматеріал, за допомогою якого можна очищати повітря від бактерій і спор грибків. Разом з португальськими, французькими та іспанськими колегами ми розробили повітряну штору, розміщену над дверима, яка розділяє приміщення на зони з чистим і забрудненим повітрям за допомогою потоку повітря.

     

    Саму ідею повітряної штори придумали наші колеги – українці, які сьогодні працюють в Португалії. У межах програми «Горизонт 2020» у напрямку збереження культурної спадщини вони хотіли створити своєрідні повітряні штори, які огородили і захистили б картини в музеях від органічної маси, що потрапляє в повітря під час дихання відвідувачів. Але проєкт не вийшло реалізувати, і вони запропонували зробити таку повітряну штору вже для того, щоб розділити зони, наприклад, в лікарнях чи транспорті.

    Головні механізми

     

    Спочатку ми знайшли дуже цікаву роботу5. У ній згадувалось, що у 1985 році Такехіро Мацунага вперше розповів світові, як можна руйнувати мікроорганізми за допомогою діоксиду титану TiO2 у водній суспензії й ультрафіолетового випромінювання. Розгляньмо, як це працює.

     

    Коли світло (фотони) потрапляють на наночастинки TiO2, вони можуть передати електронам достатньо енергії, щоб останні почали рухатися, залишивши по собі позитивно заряджену ділянку – так звану електронну «дірку». Ці носії заряду впливають на окиснення або відновлення молекул на поверхні частинок TiO2.

     

    Коли збуджений фотоном електрон, що залишив по собі «дірку», з поверхні наночастинки фотокаталізатора переходить на молекулу кисню O2, то утворюється радикал, заряджений негативно. Якщо до поверхні підходять молекули води H2O, вони розщеплюються, і через реакцію з електронними дірками утворюють OH. радикали та іони водню Н+. У цьому випадку вільний радикал OH. як сильний окислювач впливає на будь-яку органічну речовину та призводить до її розпаду. Коли ж ми візьмемо шкідливі бактерії у воді, то під впливом радикалів відбудеться окиснення мембрани бактерії та інших органічних складових на її поверхні.

     

    У нашому проєкті ми використовували оксиди титану й цинку, що схоже реагують на світло – TiO2  і ZnO. З їхньою допомогою під дією УФ-випромінювання можна знищити багато шкідливих органічних речовин у воді. А якщо додати до цих оксидів ще наночастинки срібла, можна підвищити антибактеріальну дію такого композиту. Цей спосіб руйнування бактерій ми тестували на кишкових паличках (E. coli) і стафілококах. Але вони руйнувалися кілька днів, тому ми вирішили знайти спосіб, який би прискорив час їхньої смерті.

     

    Тоді ми запропонували додати ще механічне руйнування – зробити наночастинки у формі шипів або нанотрубок. Загалом розмір бактерії – десь п’ять мікронів, а наночастинок – приблизно 50 нанометрів або й менше. Тому коли бактерія рухатиметься в краплині води, вона може наколотися на шипи наночастинок і втратити свою механічну цілісність. 

     

    Це бачення ми втілили в нашому пристрої. Він містить каркас, на якому фіксуються світлодіоди, що опромінюють в УФ-діапазоні наночастинки, та підкладинки, на яких фіксуються самі наночастинки.

    Що ми отримали? Графіки демонструють, що в темряві без дії УФ випромінювання, через механічне руйнування знищилося 20% бактерій. А коли додали фотокаталітичний вплив і УФ випромінювання, кількість знищених бактерій збільшилася приблизно до 60%. Так ми підтвердили комбінований вплив на руйнування бактерій і спор грибків для очищення повітря.

     

    Створивши прилад, ми змонтували модуль і розмістили його в Національній бібліотеці імені Вернадського. Він продемонстрував, що протягом 40 хвилин провітрювання у повітрі майже не залишається бактерій. Мені здається, це виразний доказ ефективності та користі нашої роботи.

     

    У цьому проєкті «Нанотехцентр» відповідав за синтез наночастинок. Також нашій команді належить авторське право на розробку комбінованого впливу для очистки повітря. Проєкт закінчився у 2019 році, але ми продовжуємо свої дослідження. Нас цікавить, як можна за допомогою такої концепції очистити повітря ще й від вірусів. Мені здається, якщо ми придумаємо додаткові методи захоплення й окиснення вірусів, тоді ми зможемо поборотися і з ними.

     

    ***

     

    Якщо українці справді відчувають себе частиною європейської спільноти, то програми  «Горизонт 2020», «Горизонт Європа» – гарна можливість стати її частиною де-факто. Звісно, коли починаєш будь-яку серйозну справу, можуть виникати труднощі. Але їх реально подолати. І якщо сьогоднішня молодь піде на те, щоб створювати маленькі компанії на основі своєї інтелектуальної власності, а досвідчені вчені підтримуватимуть їхнє прагнення, це піде на користь усім. 

     

    Специфіка європейських проєктів у тому, що вони насамперед підтримують розвиток молодих вчених, які отримують можливість поспілкуватися з відомими дослідниками з-за кордону й сформувати наукове співдружжя з молодими колегами, закупити обладнання. Всередині нашої країни цього обмаль. Це можливо суттєво збільшити завдяки ось таким міжнародним програмам.

     

    І на мою думку, співпраця в міжнародних проєктах – це важливий фактор для відкритості. У термодинаміці відкрита система більш стійка, якщо вона інтенсивно обмінюється субстанцією та енергією з оточенням. Те з саме з нашим суспільством. Якщо обмін інформацією інтенсивний, це йде на користь всій системі.

    ТЕКСТ: Діана Сяркі
    Ілюстрації: Каталіна Маєвська
    Статті
    Медицина
    Невидимий ворог на нашій землі: чому варто зробити щеплення від правця

    За останні декілька місяців українці навчились остерігатись багатьох речей: ракет, мін, російської музики та ютубу, але ми все ще забуваємо про невидимого ворога у нашій землі. Неприємно познайомитись – Clostridium tetani, збудник правця.

    Промо
    Проєкт інтелект. Воєнний сезон. Епізод 5: NFT та Україна

    Чи можна написати «Проєкт інтелект» на гривні й продати за мільйони доларів як NFT?

    Людина
    Від батька до сина: що таке генеалогія і як досліджувати свій рід

    Що таке ДНК-генеалогія і як далеко кожний з нас може просунутися у вивченні свого роду?

    Наука
    Екологічно чиста отрута: уривок з книжки «Зоологічна екскурсія супермаркетом»

    Чому краще утриматися від «дикого» промислу морепродуктів, особливо у водоймах, де цвіте вода?

    Наука
    Передумови приходу диктаторів до влади: Італія, Німеччина, РФ

    Що стало передумовами приходу диктаторів до влади на прикладі фашистської Італії, нацистської Німеччини та путінської росії? Розповідає співавтор і ведучий каналу «Історія Без Міфів» Владлен Мараєв.

    Людина
    Як кожен з нас може подякувати військовим і допомогти їм з адаптацією

    Як змінюється світосприйняття військових і що ми можемо зробити, аби висловити їм вдячність і допомогти в адаптації до мирного життя?