Нанотехнологии. Правда и вымысел

Цеолиты имеют строго определенный диаметр входных отверстий (от 0,3 до 1 нм в зависимости от вида минерала) и являются высокоактивным адсорбентом.

В настоящее время известно более 600 типов цеолитов и только около 50 из них имеют природное (естественное) происхождение. Искусственные, или синтетические, цеолиты имеют классификацию А, Х и Y. Причем:

• тип А – кристаллическая структура на основе алюмосиликата натрия с диаметром пор 0,4 нм (4 А), что соответствует цеолиту с коммерческим названием 4 А (NaA);

• тип Х – кристаллическая структура натриевой формы (аналогична типу А), но с диаметром пор порядка 10А (фо-жазит), что соответствует молекулярным ситам 13Х (NaX);

• тип Y – кристаллическая структура типа Х, но с другим химическим составом молекулярного каркаса.

При использовании цеолитов в качестве адсорбирующего элемента происходит молекулярно-ситовый отбор при сорбции молекул из газа в жидкости, позволяющей разделять молекулярные смеси в интервале размера молекул в 10–20 пм.

В 2007 году Омар Яги и его коллеги из университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (UCLA) создали еще один органический кристалл, получивший наименование COF-108. Его составили из водорода, бора, углерода и кислорода, который имеет самую низкую плотность в мире – всего 0,17 г на см3.

Созданная учеными кристаллическая структура является кристаллом-пластмассой и относится к новому классу веществ, называемых «ковалентными органическими каркасами» (covalent organic frameworks, COF). Данная структура может быть использована в качестве каталитических мембран и резервуаров для топливных элементов и очистительных систем в автомобильной промышленности.

Фильтрующие и поглотительные системы углекислого газа, созданные из таких цеолитных материалов для автомобильной техники и тепловых электростанций, могут заметно снизить выбросы парниковых газов в атмосферу, что предусмотрено требованиями Киотского протокола.

Основные направления использования нанотехнологий и наноматериалов в агропромышленном комплексе (АПК) – биотехнология (прежде всего это относится к генной инженерии), производство и переработка продукции агропромышленного комплекса, очистка воды, а также проблемы качества продукции и защиты окружающей среды (в частности, сельскохозяйственных угодий).

Одной из самых главных проблем ближайших десятилетий станет проблема обеспечения человечества достаточным количеством питьевой воды. Запасы пресной воды, пригодной для использования, составляют всего 3 %, из которых лишь 1 % потребляется населением Земли. В настоящий момент 1,1 млрд человек не имеют возможности использовать чистую пресную воду. Принимая во внимание текущие объемы потребления воды, рост населения и развитие промышленности, к 2050 году две трети населения Земли будут испытывать недостаток в пригодной для употребления пресной воде.

Огромное значение имеет применение нанотехнологий для очистки и дезинфекции воды. Следует ожидать, что нанотехнологии позволят найти решение этой проблемы за счет использования недорогой децентрализованной системы очистки и опреснения воды, систем отделения загрязняющих веществ на молекулярном уровне и фильтрации нового поколения.

Другой важнейшей проблемой является повышение урожайности в сельском хозяйстве. Согласно статистике, численность мирового населения в настоящее время составляет около 6,5 млрд человек, а к 2050 году достигнет 8,9 млрд, что вызовет существенное увеличение потребления продуктов питания.

Несмотря на протесты мировой общественности, в ряде регионов, особенно с большим приростом населения и неблагоприятными условиями для сельскохозяйственных работ, продовольственную проблему не удастся решить без разработки, создания и производства методами био– и нанотехнологий трансгенных высокопродуктивных растений, устойчивых к вирусной ин фекции.

Предполагается, что применение нанотехнологий позволит изменить технику возделывания земель за счет использования наносенсоров, нанопестицидов и системы децентрализованной очистки воды. Нанотехнологии сделают возможным лечение растений на генном уровне, позволят создать высокоурожайные сорта, особо стойкие к неблагоприятным экологическим условиям.

В растениеводстве применение нанопорошков, совмещенных с антибактериальными компонентами, обеспечивает повышение устойчивости к неблагоприятным погодным условиям и приводит к двукратному повышению урожайности многих продовольственных культур, например картофеля, зерновых, овощных и плодово-ягодных.

Рассмотренные выше цеолитные материалы, вследствие значительной суммарной емкости пор и способности к ионному обмену с питательными микроэлементами (молекулами) удобрений, могут успешно применяться для обеспечения более длительного действия (эффект пролонгирования), предотвращения вымывания питательных веществ после внесения, а также в качестве носителя пестицидов. Установлено также положительное воздействие цеолитов на оптимизацию кислотности песчаных, заливных, вулканических и дерново-подзолистых почв, а также на предотвращение слеживания минеральных удобрений в процессе хранения.

Применение цеолитных материалов в земледелии из расчета 0,5–2 т на 1 гектар сельскохозяйственных угодий способствует повышению урожайности моркови на 63 %, баклажанов – на 55 %, риса – на 35 %, томатов и перцев – на 33 %, яблок – на 28 %, кукурузы – на 10 %, пшеницы – на 15 % и т. д.

В результате отмечается не только прирост урожайности, но и улучшение всхожести семян, повышение устойчивости растений к заболеваниям (например, ячменя – к мучнистой росе), а также длительное удержание влаги в почве, что особенно актуально для южных регионов или возможных периодов засухи.

Будет получен новый тип нанотехнологических препаратов для борьбы с фитопатогенными бактериями на основе использования новых микроорганизмов, впервые выделенных учеными Российской Федерации, – хищных нанобактерий, своего рода «живых антибиотиков» для растений.

В настоящее время создаются микробные препараты на основе ассоциативных, эндофитных и симбиотических бактерий для использования в качестве продуцентов и транспортеров в растения различных ферментов и низкомолекулярных биологически активных веществ (нанообъектов), которые способны улучшать адаптацию растений к неблагоприятным факторам среды: загрязнению токсичными металлами, засолению, повышенной кислотности почвы и засухе.

На основе металлоорганических наноразмерных структур микробного и растительного происхождения будут созданы технологии выведения токсичных элементов из системы ризосфера-микроорганизмы-растение, что позволит повысить устойчивость широкого набора сельскохозяйственных культур к неблагоприятным агроклиматическим факторам и условиям.

Нанотехнологии в сельском хозяйстве могут успешно применяться для оптической расшифровки белково-липидно-витаминно-хлорофильного комплекса в растениеводстве (табл. 16), а также для создания биосовместимых материалов, перестройки, облагораживания и восстановления тканей, создания неотторгаемых организмом искусственных тканей и сенсоров (молекулярно-клеточная организация) в животноводстве и для снижения вредного воздействия автотракторного парка на природную среду.