О проекте

Нанотехнологии обеспечивают огромные преимущества во всех сферах: от обороны, космоса, информатики до медицины, фармацевтики, пищевой промышленности. Однако, бурное развитие нанотехнологий опасно для биосферы. В первую очередь, опасность связана с наночастицами, представляющими собой или основной, или побочный продукт многих технологий.

Возможные последствия нарушения эффективности барьеров, возникших в процессе эволюции, можно проследить на примере использования антибиотиков. Активное применение антибиотиков при лечении простудных и инфекционных заболеваний стимулировало массовое возникновение аллергических реакций на внешние раздражители. Аллергические заболевания отражают изменения метаболизма и являются наследуемыми, т.е., снижают устойчивость процесса развития жизни и даже вероятность самого выживания. От эффективности контроля использования наноразмерных объектов зависит стабильность биосферы, а, следовательно, и выживание человечества.

Одним из наиболее многообещающих направлений (наряду с использованием устройств, основанных на квантово-механических эффектах) является медицина. Ожидаемые последствия от их медицинского применения столь существенны, что возникла тенденция рассматривать производство наночастиц как отрасль биомедицинских нанотехнологий. Однако существует серьезная опасность неконтролируемого развития нанотехнологий (и, в особенности, наномедицины) с негативными последствиями. Это во многом вызвано нехваткой знаний о путях и механизмах встраивания наночастиц в биохимические процессы в живом организме, будь то растение или животное. В этом отношении показательны исследования биохимических процессов, связанных с частицами двуокиси титана (TiO₂). Ультрадисперсные фракции этих частиц способствуют ускорению генерации фермента лактата дегидрогеназы (LHD) в эпителии легких, т.е. изменению метаболизма. К чему приведут такие изменения через 10 – 20 лет – неизвестно.

В настоящее время делаются попытки ограничить негативные эффекты, связанные с использованием нанообъектов, посредством определения номенклатуры частиц, опасных для жизни, или выявления технологий, где их применение должно быть ограничено, но эти попытки не эффективны. Производство большинства наноматериалов (в частности, наночастиц) относится к группе химических производств, для которых в основу стандарта безопасности положен подход, базирующийся на зависимостях «доза/эффект» (дозиметрический) и использующий положение о предельно допустимых концентрациях химических веществ (ПДК).

Однако экологическая безопасность не может основываться на контроле только одного параметра по ряду причин:

• поверхностная функциональность изменяется не только с изменением размеров частиц, но также с вариациями их структуры и огранки;
• в нанообласти структурно-морфологические характеристики размер, структура, габитус (форма частицы), связаны термодинамически и при изменении каждой из них соответственно изменяются остальные;
• эти характеристики связаны функционально, т.е., частицы с разными габитусами имеют разные функциональности при одних и тех же размерах и фазе и наоборот. При этом важна не внешняя форма частиц, а относительные доли граней с различными кристаллографическими индексами;
• они связаны методически, т.е., невозможно определить тип грани, если не определить её ориентацию относительно кристаллографических осей.

Современные технологии не могут обеспечить формирование массивов наночастиц идентичных по свойствам, и они включают фракции с различными структурно-морфологическими характеристиками, т.е., с различными функциональностями. Эффективный контроль в технологиях наночастиц может быть обеспечен только в результате комплексной характеризации:

• обнаружения всех структурно-морфологических фракций, которые возникают для конкретных типов частиц при конкретных технологиях их формирования,
• физического выделения этих фракций,
• последующего изучения окислительно-восстановительных и метаболических реакций, а также перестроек на молекулярном уровне в тканях и субстанциях живого организма, наблюдающихся при контактах живой материи с частицами каждой из фракций.

Для наночастиц следует контролировать не только характерный размер наночастиц, но также их распределение по размерным фракциям, устанавливать доли моно- и поликристаллических наночастиц, определять не только суммарную площадь поверхностей, но также выявлять процентное содержание наночастиц с различной кристаллической структурой и развитие граней с разными кристаллографическими индексами. Причем доли частиц, отвечающих разным фазам, и граней с разными кристаллографическими индексами должны указываться как в объеме всего материала, так и для каждой размерной фракции в отдельности. Следует контролировать возможность вариаций состава, типов реконструкции граней и наличия адсорбатов в разных размерных фракциях. Необходим также контроль процессов конгломерации. Особой разновидностью контроля должен быть контроль закономерностей упаковок наночастиц в конгломератах и стабильности этих конгломератов.

Переход к массовому производству наноматериалов требует решения задач производственного контроля нанопродукции и увязки контроля, осуществляемого на предприятиях или иных центрах производства наноматериалов, с инспекционным, разрешительным контролем, осуществляемым надзорными органами, уполномоченными государством. Уже сегодня наноматериалы производятся в значительных объемах, и их производство стремительно расширяется. Отсутствие национальных стандартов безопасности, относящихся к наноматериалам, приводит к появлению экологически сомнительной продукции за рубежом, а отсутствие российского национального стандарта безопасности не позволяет ограничить потоки этой продукции на российские рынки.

Таким образом экологическая безопасность в нанообласти должна основываться на контроле набора структурно-морфологических фракций для каждой конкретной технологии Методы Просвечивающей Элетронной Микроскопии и Растровой Зондовой Микроскопии позволяют контролировать форму отдельных нанообъектов уже сегодня, однако они не пригодны для контроля больших массивов и, следовательно, не могут стать основой обеспечения производственного контроля и контроля экологической безопасности, требующих обработки большого числа нанообъектов в режиме реального времени.

Нами предложен метод контроля, принципиально решающий данную задачу. Ппредлагаемый подход теоретически обоснован, начат переход к практической части работ.

Работы, которые ведутся нашей командой, доказывают, что практическое решение проблемы измерений существует.

Предлагаемые принципы экологического контроля выдвигает жесткие требования к контрольному оборудованию.