Наночастицы и наноматериалы

В настоящее время все возрастающее внимание во всем мире уделяется перспективам развития нанотехнологий, то есть технологий направленного получения и использования веществ и материалов в диапазоне размеров до 100 нанометров. Особенности поведения вещества в виде частиц таких размеров открывают широкие перспективы в целенаправленном получении материалов с новыми свойствами, такими как уникальная механическая прочность, особые спектральные, электрические, магнитные, химические, биологические характеристики. Такие материалы могут найти и уже находят применение в микроэлектронике, энергетике, строительстве, химической промышленности, научных исследованиях.

Наноматериалы классифицируют в соответствии с их химическим составом. За основу принята классификация, используемая в международном реестре наночастиц и наноматериалов:

– металлические наночастицы;

– наночастицы оксидов металлов и неметаллов;

– полупроводниковые наночастицы;

– углеродные наночастицы;

– наночастицы органически модифицированных слоистых сили-катов и алюмосиликатов;

– наночастицы из органически разветвленных полимеров;

– квантовые точки.

Многие вещества при переходе в наносостояние приобретают новые биологические свойства: способность проникать внутрь биологических структур, проходить через мембраны клеток, и более того, они обретают большую каталитическую активность. Даже абсолютно инертное исходное вещество в наносостоянии способно вызывать существенный эффект, поскольку суммарная поверхность его частиц очень велика. Например, у кубика вещества с размером ребра 1 см суммарная поверхность составляет 6 квадратных сантиметров. Если раздробить его до 2–3 нанометров, то суммарная площадь всех наночастиц будет размером примерно 400–500 квадратных метров!

Наночастицы и наноматериалы обладают комплексом физических, химических свойств и биологическим действием, которые часто радикально отличаются от свойств этого же вещества в форме сплошных фаз или макроскопических дисперсий. Эта специфика наноматериалов определяется известными законами квантовой физики. В наносостоянии можно выделить ряд физико-химических особенностей поведения веществ:

1. Увеличение химического потенциала веществ на межфазной границе высокой кривизны. Для макрочастиц (более микронного размера) данный эффект незначителен (не более долей процента). Большая кривизна поверхности наночастиц и изменение топологии связи атомов на поверхности приводит к изменению их химических потенциалов. Вследствие этого существенно изменяется растворимость, реакционная и каталитическая способность наночастиц и их компонентов. Эти эффекты могут быть использованы для создания биологически активных препаратов нового поколения, но они же и несут и потенциальные риски.

2. Большая удельная поверхность наноматериалов. Очень высокая удельная поверхность (в расчете на единицу массы) наноматериалов увеличивает их адсорбционную емкость, химическую реакционную способность и каталитические свойства. Это может приводить, в частности, к увеличению продукции свободных радикалов и активных форм кислорода, и далее к повреждению биологических структур (липиды, белки, нуклеиновые кислоты, в частности, ДНК).

3. Небольшие размеры и разнообразие форм наночастиц. Наночастицы, вследствие своих небольших размеров, могут связываться с нуклеиновыми кислотами, вызывая, например, образование аддуктов ДНК, изменять пространственную структуру и активность белков, барьерные функции мембран, проникать в клеточные органеллы и, тем самым, влиять на функции биоструктур. Но все перечисленные особенности наночастиц несут в себе риск неконтролируемого изменения состояния клетки. Следует обратить внимание на то, что наночастицы могут не вызывать иммунный ответ.

Процессы переноса наночастиц в окружающей среде с воздушными и водными потоками, их накопление в почве, донных отложениях могут также значительно отличаться от поведения частиц веществ более крупного размера.

4. Высокая адсорбционная активность. Из-за своей огромной поверхности наночастицы обладают свойствами высокоэффективных адсорбентов, способных поглощать на единицу своей массы во много раз больше адсорбируемых веществ, чем макроскопические дисперсии. Это делает их потенциально полезными для удаления вредных продуктов. Многие наноматериалы обладают гидрофобными свойствами или являются электрически заряженными, что усиливает как процессы адсорбции на них различных химических агентов, так и их проникающую способность. Последнее может резко увеличивать их токсичность.

5. Высокая способность к аккумуляции. Возможно, что из-за малого размера наночастицы не распознаются защитными системами организма, не подвергаются биотрансформации и не выводятся из организма. Это ведет к накоплению наноматериалов в растительных, животных организмах, а также микроорганизмах, передаче по пищевой цепи, что, тем самым, увеличивает их поступление в организм человека.

Совокупность фрагментарно изложенных фактов свидетельствует о том, что наноматериалы могут обладать совершенно иными физико-химическими и биологическими свойствами (в том числе токсическим) по сравнению с веществами в обычном физико-химическом состоянии и их следует отнести к новым видам ксенобиотиков, характеристика потенциального риска которых для здоровья человека и состояния среды обитания во всех случаях является обязательной.