При поддержке

Сквозь огонь, воду и нанотрубы

магистрант Сколковского института науки и технологий, лаборант института физической химии и электрохимии РАН – о практическом использовании наноматериалов
Рассказывает Дмитрий Кузнецов

Разберемся с «нано»

Сегодня везде звучит: наноматериал, наноструктура, нанокомпозиты, нанотрубки, нанотехнологии, Роснано, в конце концов. Но что такое «нано», большинство из нас так и не представляет. Как представить нанометр?
Представим себе толщину человеческого волоса, поделим ее на тысячу и получим размер бактерии: сотни нанометров. Теперь поделим на сотню размер бактерии и получим один нанометр.
1.
С точки зрения науки, нам интересны переходные металлы. Подавляющее большинство их (железо, кобальт, никель и медь), в виде наночастиц представляет собой маленькие шарики, как в подшипниках, только уменьшенные в миллионы раз. Резюмируем: приставка «нано» означает миллиардную часть. Соответственно, нанометр — это одна миллиардная часть метра.
Нанометр — это метр, деленный на миллиард
метра
Короче, нанометр — это половина всеми нами любимой ДНК, дезоксирибонуклеи́новой кислоты.
Вот настолько это маленькие масштабы. И на таких масштабах могут происходить невероятные вещи. Например, частицы золота будут бликовать не ярко-желтым оттенком, а всеми цветами радуги, кроме голубого.
Нанометр — это сколько?
Хехе, но нет. Чтобы понять, что такое нанометр, представьте себе толщину человеческого волоса, поделите ее на тысячу, получим размер бактерии — сотни нанометров. Поделим размер бактерии на сотню и получим один нанометр. Это половина всеми нами любимой дезоксирибонуклеи́новой кислоты — ДНК. Вот настолько это маленькие масштабы.
Еще меньше. Чтобы понять, что такое нанометр, представьте себе толщину человеческого волоса, поделите ее на тысячу, получим размер бактерии — сотни нанометров. Поделим размер бактерии на сотню и получим один нанометр. Это половина всеми нами любимой дезоксирибонуклеи́новой кислоты — ДНК. Вот настолько это маленькие масштабы.
Да. Чтобы понять, что такое нанометр, представьте себе толщину человеческого волоса, поделите ее на тысячу, получим размер бактерии — сотни нанометров. Поделим размер бактерии на сотню и получим один нанометр. Это половина всеми нами любимой дезоксирибонуклеи́новой кислоты — ДНК. Вот настолько это маленькие масштабы.
Дальше
Узнать результат
Чтобы удержать наночастицы в композите, нужно...
Верно! Наноматериалы, то есть наноразмерные вещества — это те, у которых структурная единица не превышает 100 нанометров. Наночастицы нельзя увидеть в обычный микроскоп. С добавлением наночастиц изготавливают металлоуглеродные нанокомпозиты — в них частицы распределяются по объему с помощью углеродной матрицы.
Нет, именно углеродную матрицу. Наноматериалы, то есть наноразмерные вещества — это те, у которых структурная единица не превышает 100 нанометров. Наночастицы нельзя увидеть в обычный микроскоп. С добавлением наночастиц изготавливают металлоуглеродные нанокомпозиты — в них частицы распределяются по объему с помощью углеродной матрицы.
Наноматериалы, то есть наноразмерные вещества — это те, у которых структурная единица не превышает 100 нанометров. Наночастицы нельзя увидеть в обычный микроскоп. С добавлением наночастиц изготавливают металлоуглеродные нанокомпозиты — в них частицы распределяются по объему с помощью углеродной матрицы.
Дальше
Узнать результат
Из чего в ИТМО сделали магнитную паутину?
Не-а. Паучку в брюшко влили марганцево-цинковый феррит и в итоге получили магнитную паутину, которую можно применять в медицине — в суперпластырях, например.
Верно! Паучку в брюшко влили марганцево-цинковый феррит и в итоге получили магнитную паутину, которую можно применять в медицине — в суперпластырях, например.
Не-а. Паучку в брюшко влили марганцево-цинковый феррит и в итоге получили магнитную паутину, которую можно применять в медицине — в суперпластырях, например.
Дальше
Узнать результат
Есть два метода получения нанокомпозитов. Первый — с помощью термической обработки определенных материалов. А второй?
Правильно! Второй, как считают ученые, более «крутой» метод — это когда углеродосодержащее начало смешивают с солями (не с салями!) металлов. И нанокомпозит готов!
Упс, нанокомпозит не удался: для его получения углеродосодержащее начало надо смешать с солями (не путать с салями!) металлов.
Упс, нанокомпозит не удался: для его получения углеродосодержащее начало надо смешать с солями (не путать с салями!) металлов.
Дальше
Узнать результат
Для чего можно использовать нанокомпозиты?
Не только. Еще и для получения альтернативных источников энергии.
Не только. Еще и для самодиагностики материалов нужно.
Да, оба. Если вы выбрали эту версию — значит внимательно смотрели выступление Дмитрия.
Дальше
Узнать результат
Нда, вам пока далеко до нанознаний в нанотехнологиях, предлагаем еще раз посмотреть видео Дмитрия, чтобы точно уяснить, что же такое наночастицы и для чего ученые их изучают?
Супер! Это уже очень хорошо! Нанопаучок болеет за вас. Для более точных ответов посмотрите видео с выступлением Дмитрия снова.
Браво! Наномир уверен, что он в надёжных руках.

Матрица и Нео

Следующий вывод: чтобы удержать наночастицы, важно создать углеродную матрицу.
2.
Наноматериалы, то есть наноразмерные вещества — это те, у которых структурная единица не превышает 100 нанометров, то есть находится в каком-то конкретном нанодиапазоне. Наночастицы в обычный микроскоп увидеть нельзя, а если они не будут ничем связаны, то просто упадут.

Есть такое интересное вещество — акрилонитрил. Путем незамысловатой реакции полимеризации это вещество, точнее, огромное количество его молекул, сцепляются связями углерода и превращаются в ПАН — полиакрилонитрил. Это белый порошок, аморфный полимер, который мы используем в своем исследовании. Мы его беспощадно термически обрабатываем, сжигаем и получаем углерод. Это и есть наша углеродная основа, углеродная матрица, которую мы используем для наночастиц.

НАНО

Как это можно использовать в реальной жизни? Например, для регенерации тканей в лечении ожогов
Крче говоря,

Карбонизируйся и синтезируй!

3.
Кафедра технологии материалов электроники НИТУ МИСИС и Институт нефтехимического синтеза им. Топчиева РАН разработали второй метод, с помощью которого мы можем одновременно карбонизировать полимер, то есть получать углерод из полимера и синтезировать наночастицы.
Начнем просто с композита. Это многокомпонентная структура, свойства которой представляют собой не суперпозицию свойств того, что включено в его состав, а другой материал с совершенно иными свойствами, отличными от свойств первоначальных материалов.
При этом, по аналогии, этот метод можно сравнить с покраской стен, все знают, как это происходит: сначала мы грунтуем, потом шпаклюем, потом красим. Представленный метод все эти процессы организовывает буквально за пару минут одновременно, причем, все сохнет быстро — за несколько минут.
Примером композита может выступать всем знакомая фанера. Или любой стол, исходный материал которого покрывает лак или краска.
Еще важно понимать, что такое нанокомпозит. В науке есть два метода получения металлоуглеродных нанокомпозитных материалов: первый – с помощью термической обработки для получения матрицы, на которую потом наносятся наночастички. Второй метод еще круче: сначала смешивают углеродсодержащее начало с солями металлов, нитратами, например, и затем получают готовый нанокомпозит.

Лечение ожогов и альтернативные источники энергии

4.
В университете ИТМО мы провели опыт с использованием наночастиц марганцево-цинкового феррита. И в качестве матрицы для них выбрали паутину тарантулов. Ну, или почти тарантулов. Мы буквально влили в брюшко паука наночастицы для того, чтобы получить магнитную паутину. Мы разделяем ее на маленькие волокна, приклеиваем к пластырю и можем использовать в регенерации соединительной ткани.
В биологические шарики мы закачиваем препарат, крепим наночастицы, все это помещаем на «паутину» наночастиц, клеим на место раны. Просыпаемся – раны нет, ожог зажил.
В Сколтехе нанокомпозиты используют для того, чтобы диагностировать эти же материалы. Представьте, мы создали нанокомпозит, который может диагностировать свойства других материалов, допустим, теплопроводность или температуру, при которой он плавится. Затем человечество изготавливает или находит новый материал, но не знает его свойств, и тут на помощь приходят те самые нанокомпозиты, с помощью которых мы можем измерить все данные изучаемого материала.
В МИСИС также разработали накопитель энергии на основе нанокомпозита, чтобы внедрить альтернативные источники энергии в нашу жизнь, поскольку нефть имеет свойство заканчиваться.

Нано-век

5.
Помните уроки истории, где вам рассказывали про разные эпохи развития человечества? Каменный век, бронзовый, железный. Люди обнаруживали материал и пытались его использовать.
Однако, в 21 веке поменялась парадигма научного познания и практического применения. В наши дни ученые думают, что требуется сделать, а уже затем — как и каких свойств нужно добиться на основе применения тех или иных материалов. Так как мы назовем наш век?
<
>
Знакомьтесь со звездами российской науки
Руководитель проекта
Елена Куликова
Project менеджер
Александра Худорожкова
Ведущий продюсер проекта
 Наталья Макарова
Генераторы идей по оформлению лонгрида
 Евгений Кучук
Алина Лебедева
Анастасия Павлова
Операторы
 Роман Садовой
Александр Ширков
Андрей Минаев
Вячеслав Волков
Алексей Иванов
Алексей Епифанов
Режиссеры монтажа
Игорь Куприянов
Павел Яковлев
Режиссер и редактор
 Александра Лябина
Видео
В спецпроекте использованы мемы и изображения из платных и свободных источников (freepik, shutterstock, unsplash), а также кадры из фильмов: «Матрица» (1999, Warner Bros. Pictures Co. Сценарий и режиссура: Лана Вачовски, Лилли Вачовски; композитор — Дон Дэвис), «Наша Russia» (2006—2011, Comedy Club Production. Сценарий: Семён Слепаков, Гарик Мартиросян; режиссеры: Пётр Буслов, Максим Пежемский, Дмитрий Ефимович; композитор: Алексей Массалитинов), «Человек-паук» (2002, Marvel Enterprises. Сценарий: Дэвид Кепп, Стэн Ли, Стив Дитко; режиссер — Сэм Рэйми; композитор: Дэнни Элфман)
При поддержке