background image
Город науки
суббота
k
144, 22 декабря 2012 г.
ПОИСКИ, НАХОДКИ, РАЗМЫШЛЕНИЯ, ИЗОБРЕТЕНИЯ
Через тернии к звздам!
В ы п у с к 88
g o r o d n a u k i @ b k . r u
Редактор выпуска Н.Я. ДОРОЖКИН, научный обозреватель Калининградской правды
Надо решать задачу создания
бактерицидной атмосферы в жи
лых и рабочих модулях на МКС и
вообще на пилотируемых косми
ческих станциях и аппаратах при
продолжительных полтах.
Артур Владимирович, какие нано
технологии и с какой целью разраба
тываете вы с коллегами?
Давайте начнм с цели наших ис
следований, которыми мы с доктором
технических наук Георгием Николае
вичем Залогиным занимаемся уже не
первый год. Нас давно интересуют спо
собы борьбы с вредной для человека
микрофлорой (бактериями, вирусами,
грибками и т. п.), которой всегда дос
таточно много заводится и обитает в
различных закрытых объмах в жи
лых и производственных помещениях,
офисах, школах и детских садах, боль
ничных палатах, в транспортных сред
ствах салонах автомобилей и авто
бусов, вагонах метро и поездов. Этот
интерес особенно обострился, когда я
узнал о бактерицидных свойствах на
нодиоксида титана ТiО
2
.
Что это за вещество?
Это очень интересное вещество.
В настоящее время диоксид титана
и
особенно его наноразмерные структу
ры привлекают внимание многих ис
следователей и в чисто научных, и в
прикладных аспектах. Дело в том, что
диоксид (двуокись) титана ТiО
2
может
иметь множество применений в раз
личных областях науки, техники, меди
цины, охраны окружающей среды. С
его добавлением можно получать ши
рокий спектр материалов, обладающих
уникальными свойствами. Это оптичес
кие материалы, фотокатализаторы,
сенсибилизаторы для солнечных эле
ментов и т. д.
Целый ряд свойств ультрадисперс
ного диоксида титана проявляется при
взаимодействии его с ультрафиолето
вым (УФ) излучением. Даже его нано
размерные плнки или небольшие до
бавки в материалы существенно сни
жают воздействие ультрафиолетового
излучения за счт его поглощения, от
ражения и рассеивания. Поэтому нано
частицы диоксида титана (с размерами
первичных частиц в 20 70 нм) ис
пользуются при производстве солнце
защитных экранов, пластиковых филь
тров для защиты от УФ излучения, ав
томобильных эмалей, магнитных лент,
тонеров и катализаторов.
При облучении ТiО
2
ультрафиолетом
с длиной волны ниже 385 нм в присут
ствии паров воды образуются радика
лы ОН и ионы 0
2
1
, которые активно
взаимодействуют со всеми органичес
Нанотехнология это, в частности, совокупность методов и примов, обеспечивающих
возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие
компоненты с размерами менее 100 нм (хотя бы в одном измерении) и в результате
получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществлять их интеграцию в
полноценно функционирующие системы большего масштаба. Об одной из интересных работ
в области нанотехнологий, ведущихся во ФГУП ЦНИИмаш, рассказал главный научный
сотрудник института, доктор технических наук, действительный член Российской академии
космонавтики и Американского института аэронавтики и астронавтики, лауреат премии
им. Н.Е. Жуковского А.В. Красильников.
Титанические способности
наноразмерных структур
Титанические способности
Титанические способности
Титанические способности
Титанические способности
наноразмерных структур
наноразмерных структур
кими веществами. Недавно была обна
ружена способность нанодиоксида ти
тана под воздействием ультрафиоле
тового излучения генерировать свобод
ные радикалы, смертоносные для мик
роорганизмов, в том числе вирусов
гриппа. Фотокатализаторы на основе
ТiО
2
используются для ускорения про
цесса фотохимических реакций. К сфе
рам их применения относятся очистка
воды, дезодорация и очистка воздуха,
антибактериальная обработка, удале
ние пятен и потускнения. В космичес
кой отрасли наноразмерный диоксид
титана применяют при производстве
специальных пластмасс для защиты от
ультрафиолетового излучения, изго
товлении самоочищающихся сткол,
фотокатализаторов, электрохромных
дисплеев, электротехнических керамик
и композиционных материалов.
А как насчт использования бак
терицидных свойств диоксида титана
в космонавтике?
Когда о нашей работе узнал гене
ральный директор ЦНИИмаша Г.Г. Рай
кунов, он сразу же сориентировал е в
космическом направлении. Геннадий
Геннадьевич сказал, что прежде всего
надо решать задачу создания бактери
цидной атмосферы в жилых и рабочих
модулях на МКС и вообще на пилотиру
емых космических станциях и аппара
тах при продолжительных полтах. Он
подсказал нам, что пилотируемая кос
мическая станция объект для наибо
лее чистого эксперимента, поскольку,
в отличие от наземных транспортных
средств, она абсолютно герметична.
Показателен пример станции Мир.
Там за время полта сменилось почти
200 000 поколений микроорганизмов.
А в условиях космоса все эти бактерии,
вирусы, грибы могут стремительно
мутировать. Если на Мире в 1990
году их было 94 вида, то в 1997 м
уже 140. Среди них могут быть и опас
ные для человека. Но Мир и МКС
хотя бы орбитальные станции, где сме
няются экипажи. А ведь планируются и
долговременные автономные полты
к Марсу, к астероидам. Так что надо
быть во всеоружии.
Каким способом вы получаете
нанодиоксид титана и наносите его на
другие материалы?
Развитие технологий, в которых
используются наноматериалы, сдержи
вается из за отсутствия возможности
их получения в достаточных количе
ствах. Весьма перспективным в этом
отношении является плазмохимичес
кий способ. Он дат возможность как
синтезировать наноструктурированные
материалы с использованием нагрева
и сублимации, так и разлагать исход
ные вещества в плазме высокочастот
ного индукционного газового разряда.
Есть, правда, и другие способы элек
тродуговой, лазерный или ещ метод
электронного пучка. Но принцип на
грева газа и исходных химических ве
ществ с помощью высокочастотных
индукционных плазмотронов (ВЧ плаз
мотронов) имеет в сравнении с ними
ряд существенных преимуществ. Преж
де всего это уникальные параметры
плазменных струй, генерируемых в
ВЧ плазмотронах.
Другие важные преимущества таких
устройств: химическая чистота полу
чаемой плазмы, обусловленная отсут
ствием электродов; практически нео
граниченное время работы, что позво
ляет организовать непрерывное про
изводство; высокая стабильность по
лучаемых плазменных струй; возмож
ность работы с агрессивными среда
ми; возможность
варьирования па
раметрами в ши
роких пределах
во время работы
установки; воз
можность экспе
риментального и
расчтного опре
деления парамет
ров плазмы для
оптимизации разрабатываемых техно
логических процессов.
Кроме того, большие размеры уже
используемой установки (диаметр раз
рядной камеры D = 180 мм) и большие
расходы плазмообразующего газа (до
20 г/с) и исходного вещества (до 3 г/с)
позволяют наносить покрытия необ
ходимой толщины на образцы разме
ром до 250 х 300 мм за несколько
секунд. Большие удельные значения
мощности (теплового потока), подводи
мой к частицам порошка (до 3 МВт/м
2
) в
плазменной струе, позволяют диспер
гировать до атомарного состояния
даже самые тугоплавкие материалы.
Подача исходных материалов (порош
ков) как с плазмообразующим газом,
так и за зоной энерговклада дат воз
можность получения покрытий из ис
ходных оплавленных частиц и путм
конденсации паров исходного мате
риала на подложке. Вс это в совокуп
ности позволяет рассчитывать на ши
рокое применение установок такого
типа в разработке различных техно
логических процессов как получения
наноматериалов, так и нанесения по
крытий. Мой коллега Г.Н. Залогин
имеет большой опыт использования
наших ВЧ плазмотронов и всегда по
могает точнейшим образом подобрать
режимы их работы.
Какой материал вы использовали
для получения нанодиоксида титана?
Исходным веществом для полу
чения покрытия из нанодиоксида тита
на служила метатитановая кислота
г
ТiO
3
). В качестве плазмообразую
щего газа использовался воздух. По
дача исходного материала производи
лась вместе с воздухом через ракет
ку после разрядной камеры. Конст
руктивно ракетка представляет со
бой кольцо с внутренним жлобом, в
который поступает исходный продукт
из специального сосуда за счт пере
пада давления. Из жлоба он затем
через 36 отверстий диаметром 2,5 мм,
расположенных равномерно по коль
цу, поступает в плазменный поток пер
пендикулярно направлению его дви
жения. В качестве подложки, на кото
рую проводилось нанесение покрытия
из диоксида титана, использовались
пластинки алюминиевого сплава АМГ
размером 100х100 мм и толщиной
2 мм, которые во избежание перегрева
крепились к массивному медному дис
ку (диаметром 150 мм и толщиной
100 мм). Нанесение покрытия прово
дилось при давлении газа в рабочей
части р = 10 мбар и величине энерго
вклада N = 100 кВт.
Использование описанного способа
дат равномерное покрытие из диок
сида титана с достаточно хорошей ад
гезией.
Где и как проводились исследова
ния бактерицидных свойств покрытия
из нанодиоксида титана?
В этом нам оказали бескорыст
ную помощь сотрудники Тверского го
сударственного университета про
фессор Э.М. Сульман, заведующая ла
бораторией В.Г. Матвеева и доцент
Е.Л. Прутенская. Исследования были
проведены на пластинах из алюмини
евого сплава АМГ размером 2х2 и
6х6 см, покрытых наноразмерными ча
стицами диоксида титана. В качестве
модельной культуры использовались
дрожжи рода Candida. Культивирова
ние микроорганизмов осуществляли
в конических колбах на среде Сабуро
следующего состава: гидролизат ка
зеина, пептон, глюкоза. Питательные
среды стерилизовали при температу
ре 120 С. Общее время нагрева, сте
рилизации и охлаждения составляло
1 час. Основными показателями при
культивировании микроорганизмов
были температура, рН (водородный
показатель, характеризующий соотно
шение кислоты и щлочи в среде) и
количество клеток. Для обеспечения
быстрого накопления биомассы дрож
жей рода Candida культивирование
осуществляли при температуре 30 С.
По окончании культивирования клет
ки использовали в качестве исследуе
мого материала. В качестве конт
рольного образца брали суспензию
дрожжевых клеток без внесения пла
стины, покрытой наночастицами ди
оксида титана.
Для изучения влияния наночастиц
диоксида титана на микроорганизмы
пластинки с покрытием помещали в
химический стакан с дрожжевой сус
пензией объмом 50 мл при началь
ной концентрации клеток 10
5
кл/мл.
Суспензия и контрольный образец
подвергались воздействию ультра
фиолета. Время экспозиции состав
ляло 10, 15, 30 минут. Концентрацию
клеток после облучения определяли
методом Коха и с помощью камеры
Горяева. Посев производили на ага
ризованную питательную среду Са
буро. Количество параллельных по
севов микроорганизмов составляло
от 3 до 5 раз.
По окончании опыта пластины, по
крытые наночастицами диоксида тита
на, вынимали из суспензии. На них сор
бировалось достаточно большое коли
чество дрожжевых клеток. Распреде
ление их по поверхности на пластинах
размером 2х2 было равномерное, а на
пластинах 6х6 наблюдалось концент
рирование клеток в центре пластин.
Для определения числа живых клеток
использовали метод отпечатков на
питательной среде Сабуро. При отпе
чатывании пластины размером 2х2
было обнаружено 10 колоний, пласти
ны 6х6 15 колоний.
Полученные результаты свидетель
ствуют о снижении количества живых
дрожжевых клеток в опытной суспен
зии по сравнению с контрольной. По
окончании проведения опыта было за
регистрировано большое количество
дрожжевых клеток на поверхности пла
стины с наночастицами диоксида тита
на. Это значит, что инактивация дрож
жевых клеток происходит непосред
ственно на пластинах с наночастицами
диоксида титана, а не в суспензии. При
определении жизнеспособности кле
ток на поверхности пластины было об
наружено, что практически все они
мертвы.
Как можно кратко сформулиро
вать некоторые итоги ваших исследо
ваний?
Во первых, разработан плазмо
химический способ нанесения нанос
труктурированных покрытий диокси
да титана с достаточно хорошей адге
зией в высокочастотном индукцион
ном плазмотроне. Во вторых, иссле
дования бактерицидных свойств по
лученного покрытия показали, что в
присутствии пластин, покрытых диок
сидом титана, количество микроорга
низмов в дрожжевой суспензии сни
жается в 10 раз по сравнению с конт
рольной. И в третьих, инактивирую
щие свойства покрытий, содержащих
наночастицы диоксида титана, полу
ченных разработанным способом,
могут быть использованы для созда
ния современных методов обеззара
живания, безвредных для окружаю
щей среды и человека.
Беседовал Николай ДОРОЖКИН
А.В. Красильников (справа) и Г.Н. Залогин на фоне рабочей установки.