Огонь, безусловно, является одним из величайших открытий человечества. Он сыграл ключевую роль в развитии общества, став основой для многих из самых трансформирующих изобретений — от приготовления пищи и ковки оружия до генерации энергии и работы автомобильных двигателей внутреннего сгорания.
Сегодня огонь продолжает открывать двери к самым передовым нанотехнологиям, которые разрабатываются для лечения рака и создания дыхательных сенсоров для раннего выявления диабета и других метаболических заболеваний.
Нанотехнологии проникают практически во все аспекты нашей повседневной жизни. Например, я ранее писал о нанотехнологиях, использованных в мРНК-вакцинах, которые помогли нам преодолеть пандемию, и участвовал в обсуждениях о том, как нанотехнологии влияют на наше вино, здоровье кишечника и климат.
К примеру, газовые датчики, содержащие наночастицы, созданные с помощью огня, могут использоваться для проверки отсутствия метанола в алкогольных напитках. Метанол — это крайне токсичный спирт, который стал причиной многочисленных отравлений по всему миру.
Огонь — это способ, с помощью которого производятся наиболее широко используемые наночастицы и, следовательно, нанотехнологии. Например, треть веса автомобильной шины составляет углеродные наночастицы, которые создаются с использованием огня. Эти наночастицы помогают укрепить шину. Белая краска, которую мы используем для стен, и покрытия на некоторых таблетках содержат наночастицы титана, полученные в результате горения. Аналогично, фумигированный кремний — необходимый для оптоволоконных систем связи и интернета — также создается в огне.
Как производятся нанотехнологии?
Но как же образуются наночастицы, которые в 80-100 тысяч раз меньше толщины человеческого волоса, внутри пламени?
Я специализируюсь на производстве наночастиц в огне, используя технологию под названием пиролиз с распылением в пламени.
В ходе моих исследований я сжигаю горючие химические вещества, содержащие целевые металлические элементы, чтобы сформировать свои наночастицы. Во время сгорания все окисляется: углерод превращается в CO2, водород — в водяной пар, а металлические элементы — в металлические оксиды.
В течение миллисекунд, которые эти частицы металлического оксида проводят в огне, они сталкиваются и вырастают в нано- или микрочастицы. Я собираю эти частицы на фильтре, установленном над пламенем. Важные свойства, такие как размер и кристаллическая структура получаемых наночастиц, зависят от времени, проведенного частицами в огне.
Чем больше времени частицы проводят в кузнечном огне, тем крупнее они становятся. Мы также можем создавать сложные частицы, состоящие из нескольких элементов, сжигая смесь различных химических веществ. Этот процесс одновременно универсален и масштабируем — позволяя производить миллионы тонн наночастиц каждый год.
Преодоление ограничений!
Способность массово производить наночастицы стала одной из самых больших проблем в производстве нанотехнологий в больших масштабах. Это связано с тем, что большинство наночастиц, используемых в нанотехнологиях, можно создать только с помощью «мокрой химии» или с использованием жидкостей.
Процесс получения наночастиц из жидкостей в колбах может занимать часы: смешивание, нагрев, отделение и центрифугирование для получения лишь крошечных количеств материала. Эти процедуры зачастую слишком затратны и опасны для масштабирования, необходимого для жизнеспособной коммерциализации.
Например, квантовые точки (наночастицы, созданные из полупроводниковых материалов, обладающих как оптическими, так и электрическими свойствами) — открытие, отмеченное Нобелевской премией по химии в 2023 году. Эти наночастицы имеют потенциал революционизировать множество технологий, включая солнечные элементы, улавливание углерода и контрастные агенты, используемые в медицинской визуализации.
Тем не менее, квантовые точки практически не применяются в этих технологиях на большом масштабе, поскольку их производство с использованием мокрой химии может обойтись в колоссальные 45 000 долларов за грамм.
Однако в отличие от мокрой химии, огонь является простым, дешевым, масштабируемым и, что удивительно, безопасным процессом. Поэтому, когда разрабатываются методы, позволяющие производить высокоценные наночастицы, такие как квантовые точки, с помощью огня, затраты резко снижаются, и они становятся немедленно масштабируемыми и интересными для промышленности.
Тем не менее, огонь также может производить вредные частицы и побочные продукты.
Например, если вы положите салфетку перед выхлопом вашего автомобиля, на ней накопится черный налет. Этот черный осадок — сажа, образующаяся в результате горения внутри двигателя. Аналогично, курение сигарет приводит к образованию сажи и ее накоплению в легких курильщика, что часто вызывает рак.
Сажа также, по некоторым оценкам, является третьим по величине источником глобального потепления после углекислого газа и метана. Однако эти оценки могут недооценивать истинный вклад сажи в парниковые эффекты.
Технология пиролиза с распылением в пламени также использовалась для моделирования условий горения, чтобы более точно изучить влияние образующейся сажи, а также протестировать изменения процесса, которые могли бы практически исключить выбросы сажи. Например, одно из исследований показало, что инъекция воздуха после сгорания реактивного топлива может снизить выбросы сажи более чем на 90 процентов. Пиролиз с распылением в пламени может оставаться полезным инструментом для исследования воздействия загрязнений.
Будущее наночастиц.
Однако не все наночастицы могут быть произведены с помощью огня. Поэтому исследования, направленные на поиск новых рецептов и процессов для создания высокоценного материала, который в настоящее время невозможно получить с помощью огня, могут оказать значительное влияние.
Например, одной из основных задач моей текущей работы является исследование возможности использования огня для производства графена. Графен — это самый прочный материал, известный на наноуровне. Мои предыдущие работы показывают, что с помощью ультрафиолетового света графен может быть преобразован в прочные макроскопические структуры, что, возможно, позволит использовать его в 3D-печати.
Кроме того, существует огромный неиспользованный потенциал в наномедицине для интеграции наночастиц, которые уже можно производить с помощью огня. В настоящее время лишь около 30 типов наночастиц одобрены Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США — например, те, которые используются в вакцинах против COVID-19, а также железосодержащие наночастицы, применяемые для лечения анемии и заболеваний почек.
Все одобренные наномедикаменты вводятся инъекционно. Это оставляет много возможностей для исследования преимуществ неорганических наночастиц в медицине, особенно в области перорально применяемых терапий.
