Серебряный нанобум

Серебряный нанобум. Украинский вариант

XXI век — век нанотехнологий. Это потихоньку становится заметным. Первыми в мире на рынок бытовых продуктов начали выходить электроника и биомедицинские препараты, использующие наночастицы. Затем к этим отраслям добавились текстиль, спорт, косметика. В 2005 году этот список пополнила пищевая промышленность. В 2006-м к ним добавятся автомобилестроение, военная промышленность, нефтегазовая отрасль и сельское хозяйство. Интерес к нанотехнологиям переходит в нанобум.

Ежегодно в мире составляется список 10 наиболее популярных нанопродуктов. И с каждым годом выбрать лучшие становится все труднее, так как их число неуклонно растет. Лидерами по производству top-нанопродуктов в 2005 году стали электроника, текстиль, спорт, медицина и косметика. В списке первой десятки коммерческих нанопродуктов наиболее продвинутой позицией в прошлом году оказалось наносеребро благодаря его потрясающим бактерицидным свойствам. Как известно, серебро — самый сильный из существующих на Земле естественных антибиотиков. Многократными экспериментами доказано, что серебро способно уничтожать более 650 видов бактерий. Поэтому на протяжении тысячелетий оно используется человеком для борьбы с различными микроорганизмами. Этот факт свидетельствует о стабильном бактерицидном эффекте серебра. Естественно, что была создана и новая форма серебра — наносеребро.

Чтобы понять, чем наносеребро отличается от серебра, привычного нам в быту, надо сделать несколько замечаний. «Нанос» в переводе с греческого — «карлик». Эта приставка используется для обозначения миллиардной доли чего-либо, в данном случае — метра. Что же такое «наночастица» и «наноматериал»? Школьные (да и не совсем школьные) курсы физики и химии дают довольно полное представление о веществе в форме изолированных атомов и молекул, а также в конденсированном (сплошном) состоянии — в форме жидкостей и кристаллов. Для последнего состояния характерно отсутствие зависимости физико-химических свойств и характеристик вещества от геометрических размеров образца, числа атомов или молекул в нем. Каждый на практике может наблюдать это на примере воды. Температура кипения воды в кофейной чашке составляет 100°С. При этой же температуре будет кипеть вода и в большом котле емкостью несколько кубометров. Это потому, что размеры образца в такое огромное число раз превосходят межатомные расстояния, что любая зависимость этих свойств и характеристик от мелких, локальных подробностей взаимного расположения атомов и их полного числа в практическом плане совершенно пропадает. Но так ли это будет, если мы начнем дробить вещество?

Человечество с древних времен пыталось решить эту проблему на примере дробления кристаллов. Всем известный кристалл поваренной соли имеет форму куба. До какого предела можно его дробить, чтобы кристалл сохранил исходную форму? Существует ли кристалл минимального критического размера, свойства которого не отличаются от свойств массивного кристалла? Наука дала положительный ответ на этот вопрос. Дальнейшее уменьшение геометрических размеров (числа атомов или молекул в кристалле) в большинстве случаев приводит к скачкообразному изменению какого-либо его физического или химического свойства. Такие кристаллы, имеющие размеры, близкие к критическому, выделили в особую группу материалов — нанокристаллы. Они, в свою очередь, по своим свойствам отличаются и от изолированных атомов или молекул, их составляющих. Что же это за масштабы? Разумеется, не существует четко определенного граничного размера, о котором можно сказать: больше — это конденсированная фаза, а меньше — наночастица. Но некоторый типичный масштаб все же есть. Он условно равен 100 нм. Начиная с этого размера, агломерат атомов или молекул уже ведет себя как наночастица.

Наиболее ярко размерные эффекты проявляются на дискретных наночастицах, не образующих компактных наноматериалов, а также в нанослойных структурах. Было обнаружено, что серебро в наноразмерном состоянии радикально отличается по своим бактерицидным свойствам от окружающих нас в быту серебряных изделий и предметов.

Встречайте — наносеребро!

На сегодняшний день известно много технологических приемов (нанометодов) получения наносеребра. Наиболее популярные методы синтеза наночастиц серебра связаны с применением электрохимических и вакуумных технологий. Электрохимические методы синтеза наносеребра в жидких средах используются уже в течение 76 лет. Как это ни парадоксально сегодня звучит, самая первая в мире промышленная технология синтеза наносеребра в жидких средах создана в Украине. В 1930 году выдающийся украинский ученый, академик АН УССР, профессор Леонид Адольфович Кульский впервые разработал метод обеззараживания питьевой воды электролитическими растворами серебра. Хотя серебряная вода была известна в глубокой древности, начало систематическому применению серебра для обеззараживания и дезинфекции воды положил именно профессор Л.А. Кульский. Зарубежные коллеги пришли к его результатам через несколько лет. Его работы в этой области широко признаны и общеизвестны. Книга Л.А. Кульского «Серебряная вода» с 1946 года переиздавалась более 10 раз.

Вместе с тем надо отметить, что в период работы над техникой очистки питьевой воды от вредных веществ, и особенно от болезнетворных микроорганизмов, идеи нанотехнологий и наноматериалов еще не были сформулированы. Поэтому интерпретация результатов исследований велась в рамках существовавших тогда представлений об образовании ионных растворов серебра в воде. Предполагалось, что имеет место угнетающее влияние ионов серебра непосредственно на бактерии. По-видимому, в действительности Л.А. Кульский и его последователи имели дело со слабыми коллоидными растворами серебра в воде. Роль коллоидных частиц выполняли наночастицы (кластеры) серебра числом от нескольких атомов до нескольких сот или агломераты кластеров. Именно такие наночастицы серебра, как показывают исследования последних двух лет, проведенные в техасском и мексиканском университетах, обладают самой мощной бактерицидной активностью. Поэтому роль наночастиц в серебряной воде оказывалась недооцененной до самого последнего времени. Отметим лишь для примера, что кластеры серебра с числом атомов 13 кардинально меняют магнитные свойства. То есть мир наночастиц серебра только начинает приоткрывать свои тайны. Пока же можно констатировать, что они являются эффективным антибактериальным средством для обеззараживания широкого спектра различных жидких сред. Оставляем читателям возможность самим ознакомиться со всем богатством идей в вышеупомянутой книге Л.А. Кульского с поправкой на нанотехнологическую суть его методов.

Другие популярные способы синтеза наночастиц и нанослоев серебра — это вакуумные нанотехнологии. В этом случае массивный образец серебряной мишени переводится в состояние пара или плазмы с получением отдельных атомов или ионов, последующая конденсация которых приводит к образованию большого числа стабильных серебряных наночастиц (нанопорошка) или нанослоев. Например, наночастицы могут состоять всего из нескольких десятков атомов серебра. Такими наночастицами или нанослоями серебра (в отличие от наночастиц в жидких средах) можно легко оперировать. Их можно вводить в качестве бактерицидных добавок в продукты или изделия. Нанослои серебра можно легко наносить на любые подходящие поверхности твердых тел и в дальнейшем использовать их в качестве функциональных бактерицидных покрытий. На этих наноразмерных системах серебра мы и остановимся. Просим учесть, что публикуемый материал не является обзором всего рынка нанопродуктов.

«Нанопули» против микроорганизмов

На сегодняшний день это наиболее коммерциализированный за рубежом нанопродукт. В основе новых технологий — использование мощных противомикробных свойств наночастиц серебра. Поскольку наночастица в среднем в 2 тысячи раз меньше диаметра человеческого волоса, она легко взаимодействует с вызывающими болезни микроорганизмами, мешая им расти-размножаться или вовсе убивая их. Бактерицидные добавки на основе наночастиц серебра являются одним из последних достижений мировой науки в области нанобиотехнологий.

Сегодня наносеребро в виде частиц используется в четырех видах бытовой техники. Во-первых, в холодильниках, где серебряное напыление на пластиковые внутренние покрытия помогает дольше сохранять продукты свежими и на корню убивает неприятные запахи. Во-вторых, в кондиционерах — кто не слышал о том, что в зданиях с центральным кондиционированием вирусы распространяются мгновенно? В-третьих, в пылесосах. И, наконец, в стиральных машинах, лидирующих в первой top-десятке в 2005 году.

Стиральная машина с технологией наносеребра

Антибактериальные «способности» стиральной машины особенно важны, если хозяйка стирает очень часто. Или если в семье есть маленький ребенок и нужно добиться эффекта кипячения, стирая при температуре 95°С. Наночастицы серебра справляются с той же задачей при 30°С, экономя тем самым 92% электроэнергии. К тому же благодаря «серебряной» стирке не нужно раз в полгода устраивать профилактическую стирку с пустым барабаном. А оставшиеся в барабане бактерии самоликвидируются в течение 24 часов.

Серебряная пластина рассчитана на стирки в течение 8 лет. Цена стиральной машины с наносеребром на 10—15% выше «бессеребряной» модели. По данным тестов микробиологической лаборатории, наносеребро убивает до 90% достаточно распространенных стафилококков и сальмонеллы. Оставшиеся после стирки в белье наночастицы препятствуют размножению бактерий, которые попали на кожу «извне», тем самым немного облегчая работу иммунной системы. И еще наносеребро в течение 30 дней сохраняет вещи свежими, как будто они только что выстираны. Среди других бытовых товаров top-десятки отметим еще два впечатляющих примера.

Наноноски

Уникальный, экологически чистый материал этих носков, содержащий наночастицы серебра, благотворно влияет на состояние организма. При взаимодействии с кожей этот материал вызывает легкий тепловой эффект, оказывающий благотворное воздействие: стимулирует кровообращение, улучшает внутриклеточные метаболические функции и микроциркуляцию крови, помогает клеткам кожи эффективнее выводить воду и шлаки. Основное назначение наночастиц серебра — противомикробное действие.

Арктические наноноски для экстремалов

Чудо-ткань с нановолокнами и нанопузырьками, содержащими воздух и предотвращающими замерзание ног, пользуется большим спросом среди солдат и экстремалов. В 2005 году к высокой теплоизолирующей способности носков прибавилось новое полезное свойство — наночастицы серебра обеззараживают ноги, предохраняя их от заболеваний и грибка. Наночастицы здесь стали еще меньше — всего 19 нанометров. Это позволило увеличить теплоизоляцию носков. Теперь можно стоять на льду долгое время, прежде чем почувствуешь холод .

Другие нанопродукты

Кроме нанопродуктов из первой top-десятки, есть и другие примеры эффективного использования наночастиц серебра. Дадим их краткий перечень. Надев наноноски, вы влезаете сразу же в нанотапочки. Невероятно удобные домашние нанотапочки с мягко пружинящими под ступнями стельками из вискоэластика с наночастицами серебра, которые также не дают размножаться бактериям, вызывающим неприятные запахи. Коммерческий успех наноносков и нанотапочек дал мощный импульс превращению обычной одежды в антибактериальную с помощью тех же наночастиц серебра. Перечень средств борьбы с бактериями, генерирующими дурные запахи, можно дополнить. Например, продукты, содержащие наночастицы серебра, уникальны тем, что подавляют рост и развитие бактерий, которые являются не только возбудителями инфекций, но и источниками неприятных запахов.

Серебряная терапия

Хорошо известно, что терапевтическая ценность синтетических антибиотиков после длительного применения уменьшается из-за появления устойчивых к ним микроорганизмов. Сопротивляемость микроорганизмов антибиотикам может быть обусловлена как непосредственной мутацией микроорганизма, так и путем приобретения его геномом частей ДНК от других организмов. Но уже на протяжении тысячелетий бактерии и вирусы не способны выработать «иммунитет» к серебру, в то время как серебро полностью безопасно для млекопитающих (в том числе и человека), рептилий, растений и всех других живых существ, имеющих многоклеточное строение. Поэтому наночастицы серебра стали основой современной серебросодержащей аптечной косметики, профилактических кремов и зубных паст. Единственный в мире естественный фильтр для душа создан с применением нанотехнологий. В таком фильтре сначала наноуглеродные слои устраняют раздражающие вещества, пагубно влияющие на волосы и кожу (например, хлор, сероводород и оксид железа). На второй ступени слои из частиц наносеребра задерживают любые грибки и бактерии.

Медикам пригодятся бинты с наночастицами серебра. Благодаря высоким противомикробным свойствам они убивают бактерии, и раны заживают быстрее. В общих чертах механизм борьбы серебра с одноклеточными (бактериями) и бесклеточными микроорганизмами (вирусами) выглядит следующим образом: серебро реагирует с клеточной мембраной бактерии, которая представляет собой структуру из особых белков (пептидогликанов), соединенных аминокислотами для обеспечения механической прочности и стабильности. Серебро взаимодействует с внешними пептидогликанами, блокируя их способность передавать кислород внутрь клетки бактерии, что приводит к «удушью» микроорганизма и его гибели. Действие серебра специфично не по инфекции (как у антибиотиков), а по клеточной структуре. Дело в том, что клеточная структура у многоклеточных организмов включает в себя химически устойчивую клеточную стенку, не содержащую пептидогликанов, уязвимых для серебра. Пептидогликаны — это ахиллесова пята микроорганизмов.

Типичные наночастицы серебра имеют размер 25 нм. У них чрезвычайно большая удельная площадь поверхности, это увеличивает область контакта серебра с бактериями и вирусами, значительно улучшая его бактерицидное действие. Таким образом, применение серебра в виде наночастиц позволяет в сотни раз снизить концентрацию серебра с сохранением всех его бактерицидных свойств. Так как особым образом модифицированные наночастицы серебра длительное время способны сохранять биоцидные свойства, рационально использовать наносеребро не в качестве дезинфицирующего средства частого применения, а добавлять в краски, лаки и другие материалы, что позволяет экономить деньги, время и трудозатраты. В разработке и производстве антимикробных красок и эмалей для защиты помещений от болезнетворных бактерий преуспели российские исследователи и бизнес-структуры. Краски с наполнителями из наночастиц серебра являются top-продуктом российского рынка.

Российские ученые исследовали водоэмульсионные краски и эмали, содержащие наносеребро, на штаммах сильновирулентных (заразных) бактерий: сальмонеллы, палочки Коха, стафилококка, листерии, энтерококка. В результате проведенных исследований доказана их высокая эффективность: при попадании на поверхность, покрытую такой краской, концентрация бактерий сразу же снижается на 0,5—2 порядка, а полная гибель колонии происходит через 2 часа. При нанесении краска образует тонкую стойкую бактерицидную пленку с широким спектром действия. Поэтому ее рекомендуется использовать в учебных и медицинских учреждениях, на предприятиях пищевой промышленности, на продовольственных складах, в местах массового скопления людей, в домах и квартирах, например, для покрытия стен или потолков в детской комнате, на кухне, в туалете, ванной комнате.

В свете последних событий, связанных с проблемой птичьего гриппа, серебросодержащие лакокрасочные материалы пригодятся птицеводам для профилактической обработки стен, потолков и других конструкций на птицекомбинатах и птицефабриках. Свойство стерильности и антибиотичности особенно актуально для влажных помещений (холодильных камер, экспедиций готовой продукции хлебокомбинатов, хранилищ муки, зерна, круп, аквапарков, бассейнов, бань, подвалов и т.п.). В медицинских учреждениях, на предприятиях лечебно-профилактического профиля, чтобы снизить микробное загрязнение, используют дезинфицирующие растворы, которыми обрабатывают стены. Но покраска этих же стен антимикробными красками, у которых биоцидное действие сохраняется не менее года, позволит значительно экономить трудозатраты и финансы. Краски для наружных и внутренних работ эффективны в тонком слое, образуя экологически чистое, «дышащее» покрытие. Имея прекрасную адгезию к бетону, дереву, гипсу, кирпичу, штукатурке, они быстро высыхают до степени 3 (отлипа) в течение двух часов. Они пожаровзрывобезопасны, влаго-, атмосферо- и светостойки, не желтеют. Краски с наносеребром экологичны — они не содержат токсичных компонентов и не имеют запаха, что позволяет применять их в помещениях с повышенными санитарными требованиями — школах, яслях, больницах, детских садах и других детских учреждениях.

Функциональные бактерицидные покрытия

А вот еще пример эффективного использования замечательных свойств серебра в наносостоянии: нанесение наноструктурных слоев серебра, в которых его малые частицы образуют сплошную тонкую пленку, на поверхность твердых тел методами вакуумных технологий. Общенациональным лидером в использовании таких покрытий (а также и одним из мировых лидеров) является харьковское предприятие «Рубин». Его директор Богдан Черный — инициатор и главная движущая сила в области разработок серебряных нанотехнологий (подробности на интернет-сайте www.rubin-ukraine.narod.ru). В Интернете нами обнаружена лишь одна широко разрекламированная зарубежная разработка. Это нанесение бактерицидных наноструктурных серебряных покрытий на компьютерные мониторы. Тонкое покрытие из наносеребра создает дополнительный антибактериальный эффект встроенному ионизатору воздуха. В отличие от зарубежных конкурентов, предприятие «Рубин» является владельцем 22 национальных патентов на серебряные нанотехнологии и нанослои. И, в сущности, это только начало.

Toп-продуктом №1 украинского рынка являются стеклянные шарики с нанопокрытием из серебра для очистки питьевой воды от микробов. В емкость для хранения воды помещают шарики с покрытием из наносеребра, обеспечивающие дезинфицирующий эффект. Применение двухслойных покрытий, комбинирующих чистое наносеребро с наноструктурным покрытием из йодистого серебра, позволяет проводить не только дезинфицирующую обработку воды, но и обеспечивать ее лечебный эффект за счет ионов йода, которые из покрытия переходят в воду. Toп-продукт №2 — серебряная зубочистка. Простую деревянную зубочистку держал в руках каждый. А у этой зубочистки оба конца запылены малыми частицами серебра, образующими тонкую пленку. Toп-продуктом №3 стала обыкновенная дверная ручка. В местах массового скопления людей, проходящих через двери, ручка с частицами серебра в виде пленки становится эффективным орудием против бактерий.

Качественная бытовая продукция в Украине никогда не была приоритетом. Мы либо делаем ракеты, либо производим все «числом поболее, ценою подешевле». В этом смысле «рубиновская» стратегия «наука—технологии—социальный продукт высокого стандарта» основана, в сущности, на глубоком гуманитарном принципе безопасной жизнедеятельности. Что может быть важнее? Скажем, если нагревательный элемент чайника покрыть нанопленкой серебра, уровень стерилизации воды при кипячении резко возрастает. А если на оправу очков напылять серебряные нанопокрытия? На массажные приборы? Использовать в электробритвах?.. Все это креативные разработки харьковской фирмы. Здесь создана, например, технология нанесения сверхтонких покрытий на внутренние поверхности упаковочных материалов для хранения продуктов. Результат впечатляет: не только увеличивается срок их хранения, но и исчезают неприятные запахи. Или «серебряные» шарики в алкогольных напитках. И продлевают срок хранения, и являются средством борьбы с фальсификатом. Почему? Потому что у фальсификаторов нет оборудования для воспроизводства композитной структуры этих шариков, структуры, видимой невооруженным глазом.
У серебряных наноматериалов — как систем дискретных наночастиц, так и нанослоев — большое бизнес-будущее. Повторимся, это новый уровень бытовой продукции, потребность в которой в любом обществе, желающем стать здоровым, будет только возрастать. Эта область лишь начинает осваиваться.

Данная статья не заменяет собой рекомендации профессиональных медиков. Ни газета, ни авторы ни в коем случае не несут ответственности за качество каких-либо товаров или услуг, упоминаемых в этой статье, и не берут на себя обязательств лично исполнять заказы на их предоставление, а также ни при каких обстоятельствах не отвечают за убытки, потери, расходы или ущерб, которые могут быть причинены личности или собственности в результате неправильного использования таких товаров или услуг.

Валерий Шулаев, Валерий Тырнов

Тэги: наночастицы, наносеребро, нанопокрытия, бытовая техника