Американские ученые продолжают насыщать мировой рынок нанотехнологическими продуктами. Создано уже немало изделий нанотекстильной промышленности, предназначенных для личного пользования. В последнем же выпуске Nature Nanotechnology вышла статья, описывающая новый тканый материал, обладающий уникальными абсорбционными свойствами. Сами создатели позиционируют этот материал в первую очередь как губку для сбора разлившейся нефти.
Согласно данным Международной федерации владельцев танкеров по предотвращению загрязнений, с начала ХХI века в воды морей и океанов было пролито около двухсот тысяч тонн нефти. И каждый новый случай розлива нефти оборачивается самыми серьезными последствиями для экосистемы, а также требует титанических усилий по сбору разлившейся нефти, в то время как эффективных и простых методов её сбора пока что просто не существует.
Наиболее сложные случаи разлива нефтепродуктов сопровождаются формированием нефтяных эмульсий — микроскопических капелек нефти распределенных в морской воде. Такую нефть не только трудно собрать, но и не менее трудно впоследствии отделить от воды. Особенно эта процедура трудоемка в случае масштабных разливов, когда перерабатывать и очищать приходится в сотни раз больше загрязненной воды, чем разлитой нефти.
Группа исследователей из Райсовского университета нашла еще один способ применения наночастиц для очистки сточных и морских вод. Для этого они создали вытянутые комбинированные углеродные нанотрубки, один из концов которых модифицирован частицей металла. В эксперименте применялось золото, но для масштабных промышленных применений ученые сумеют приспособить и металлы подешевле.
Такие частицы обладают способностью спонтанно самоорганизовываться в капсулы вокруг капель гидрофобных жидкостей в воде – тех самых эмульсий органических растворителей и нефтепродуктов, так досаждающих экологам во время разливов нефти. Частицы могут «закапсулировать» капли нефти и других органических растворителей, причем принцип работы таких частиц так же основан на гидрофильности металлизированных концов нанотрубок и гидрофобности чистых.
Ученые научились не только наглухо запирать нефть и органику в капсулы из наночастиц, но и выпускать её оттуда при помощи ультрафиолетового излучения и воздействия магнитным полем. Такие воздействия разворачивают миллионы наночастиц, образующих капсулы и позволяют их содержимому выбраться наружу.
В то же время статья ученых, вышедшая на страницах журнала Nano Letters, не описывает способа управления движением этих частиц с тем, чтобы собрать и удалить органические загрязнители из воды. Вероятно, такие капсулы должны хорошо отделяться фильтрованием.
Сами же ученые смотрят еще дальше и планируют модифицировать свои наночастицы каталитическими добавками, облегчающими реакции разложения токсических органических примесей в воде до безопасных компонентов – углекислого газа, воды и так далее. Такие частицы будут самостоятельно собираться в капсулы вокруг капель загрязнителей, окислять опасные химические компоненты, а после завершения реакции переходить к новым каплям водно-органической эмульсии.
Новый материал американских изобретателей основан на применении нановолокон оксидного материала, относящегося к классу манганитов K2-xMn8O16.
В случае утечки он может эффективно вобрать в себя нефть, масса которой может в 20 раз превышать массу самого тканого материала.
Открытие было совершено в Массачусетском технологическом институте под руководством Франческо Стеллаччи. Именно ему пришла идея использовать спутанные волокна оксидного материала для создания мембран, толщина которых не превышает 50 микронов. Нановолокна манганитного материала были синтезированы учеными по технологии так называемого гидротермального синтеза, уже довольно давно и прочно вошедшего в практику синтетической неорганической химии. Впрочем, этот метод легко переносим и в промышленные масштабы.
(от греч. «вода» и «тепло») – получение кристаллических неорганических веществ в условиях, моделирующих физико-химические процессы образования минералов в земных недрах. Гидротермальный метод синтеза основан на способности воды и водных растворов растворять при высоких температуре (до 500 оС) и давлении (10–80 МПа, иногда до 300 МПа) вещества, практически нерастворимые в обычных условиях – оксиды, силикаты, сульфиды и другие.
Существуют два технологических способа гидротермального синтеза. По первому исходные реагенты растворяются, взаимодействуют между собой и образуют новые соединения в одной емкости. Если при растворении реагенты не взаимодействуют, применяют второй способ – растворы каждого из реагентов готовят в отдельных аппаратах, а собственно синтез происходит при смешении этих растворов. При этом часто достигается 100%-ное превращение исходных компонентов в конечный кристаллический продукт. Гидротермальными методами в промышленности получают большое число соединений, например: SiO2, NaNdSi6O14, CaSiO3, GeO2, KNaP4O12, NdP5O14, HgS, ZnS, PbS и другие.
Однако для создания материала, способного эффективно сорбировать нефтепродукты, этого мало. Дело в том, что поверхность нановолокон оксидного соединения марганца обладает очень большой адгезией к воде. Грубо говоря, к таким волокнам очень хорошо прилипает вода и другие полярные растворители, в то время как нефть и другие неполярные жидкости от нее отталкиваются. Поэтому микроскопические поры такой неорганической бумаги очень эффективно смачиваются и заполняются водой, а никак не органическими неполярными растворителями и нефтепродуктами.
характеристики способности веществ или образуемых ими тел к межмолекулярному взаимодействию с жидкостями. Интенсивное взаимодействие, то есть достаточно сильное взаимное притяжение молекул вещества (тела) и контактирующей с ним жидкости, характеризует лиофильность; слабое взаимодействие – лиофобность.
В наиболее практически важном случае взаимодействия вещества с водой лиофильность и лиофобность называется гидрофильностью и гидрофобностью, а в случае масел и жиров – олеофильностью (липофильностью) и олеофобностью. Понятия «лиофильный» и «лиофобный» относят к высокомолекулярным соединениям или к поверхностям различных тел, в том числе находящихся в коллоидно-дисперсном состоянии. Эти термины используют также при описании отдельных атомных групп или участков (радикалов) одной молекулы вещества, по-разному взаимодействующих с молекулами растворителя.
Лиофильные вещества (тела) растворяются в данной жидкости, набухают в ней или хорошо смачиваются. Лиофобные вещества (тела), напротив, не растворяются и не набухают в жидкости, а также плохо смачиваются ею. Вещества или поверхности тел, проявляя лиофильность к одним жидкостям, могут быть лиофобными по отношению к другим. Так, парафин, сажа и некоторые пластмассы олеофильны, но гидрофобны.
Лиофильность и лиофобность определяют по количеству теплоты, выделившейся при растворении, набухании или смачивании. Распространён способ оценки лиофильности и лиофобности по поведению капли жидкости, нанесённой на гладкую поверхность твёрдого тела. На лиофильной поверхности капля растекается полностью, образуя тонкий слой жидкости (жидкую плёнку), тогда как на лиофобной поверхности она не растекается, сохраняя форму линзы или сплющенного шара. Количественной мерой лиофобности может служить величина угла между поверхностями капли и смачиваемого тела, так называемого краевого угла, или угла смачивания.
Лиофильность и лиофобность можно направленно изменять путём химических превращений или физико-химических воздействий. Усиление взаимодействия вещества или поверхности тела с окружающей жидкостью называется лиофилизацией, ослабление – лиофобизацией. Оба эти процесса имеют важное значение в производстве строительных и конструкционных материалов, в текстильной, целлюлозно-бумажной и другиз отраслях промышленности.
Справедливости ради стоит сказать, что подобные материалы создавались и ранее, однако мембраны на основе полимерных нитей или стекловолокна все же обладали некоторой способностью адсорбировать воду, а потому были менее эффективны; к тому же они термически не стабильны и менее износостойки.
Создатели материала поясняют, что большие мембраны — так называемые нефтяные покрывала — могут оставаться на поверхности воды в течение нескольких месяцев и не намокать, при этом все гидрофобные жидкости — смазочные масла, солярка, керосин, бензин, органические растворители и так далее — полностью засасываются с поверхности воды в тканую структуру мембран в течение нескольких минут.
После абсорбции нефть и нефтепродукты можно удалить простой перегонкой (нагреванием мембран).
В этом случае, правда, силоксановое покрытие также теряется, однако его легко восстановить и вернуть мембрану в работу.
Однако и в этом удивительном материале можно найти ложку дёгтя — на этот раз в переносном смысле. Оксид марганца, конечно, не считается токсичным соединением, однако масштабное его применение в морских водах все же вызывает у экологов озабоченность. Поэтому новые мембраны — скорее прототип для следующих модификаций изделия на основе более инертных компонентов, чем готовое решение проблемы загрязнения океанов нефтью.
