Щороку отруйні змії кусають приблизно 2,7 мільйона людей1. Але протиотрути дорогі й доволі рідко під рукою. Щоб принаймні зупинити поширення отрути та пошкодження тканин, Хосе Марія Гутьєррес, фахівець з отрут Університету Коста-Ріки, використав наночастинки гідрогелю, покриті полімерами2. Він ввів десяткам мишей отруту кобри чорношиї і підтвердив, що наночастинки значно зменшили пошкодження тканин. Цей метод не замінить протиотруту, але він міг би виграти час на те, щоб людина дісталася до лікарні.
Це лише один з прикладів застосування наноматеріалів і нанотехнологій. Сьогодні їх використовують у різноманітних галузях – від створення наноботів, чіпів і косметичних засобів до виявлення та лікування раку. В чому секрет наночастинок, чи завжди вони безпечні та як наноматеріали можуть очищати повітря від бактерій? Розповідає Андрій Рагуля, заступник директора Інституту проблем матеріалознавства імені І. М. Францевича НАН України.
Проєкт з популяризації досліджень та розробок, здійснених у рамкових програмах Європейського Союзу з досліджень та інновацій «Горизонт 2020», «Горизонт Європа». Зміст матеріалів є відповідальністю її авторів та не може сприйматися як такий, що відображає погляди Європейського Союзу, Уряду України.
Прекрасний новий світ?
Ера наноматеріалів почалася з досліджень німецького фізика Герберта Ґляйтера3 про нанодисперсний паладій. Він визначив, що механічні властивості матеріалу, створеного з наночастинок паладію (тобто частинок речовини розміром від 1 до 100 нанометрів) набагато більші, ніж у звичайного паладію. Це й започаткувало еру наноматеріалів. Вони підтягнули за собою і нанотехнології.
Саме тоді, ще в студентські часи я познайомився з наноматеріалами. Коли я навчався на п’ятому курсі університету, професор Ростислав Андрієвський запропонував мені поекспериментувати з частинками нанодисперсного нікелю. Відтоді я займаюся наноматеріалами. Дисертації та загалом увесь мій науковий доробок стосується цієї теми.
Наноматеріали – це надзвичайний світ, який багато чого змінює в думках вчених та інженерів. Відкриваються можливості, що раніше не були відомі для матеріалознавців, наукової спільноти та підприємців. За сорок років відкрилися сотні тисяч нових підприємств, які виробляють різноманітну нанопродукцію. Якщо в минулому столітті найбільшою і найрозгалуженішою була металургійна індустрія, яка сягала приблизно 1,2 трильйона доларів, то сьогодні нанотехнологічний ринок оцінюють майже в чотири трильйони доларів. Він і далі зростає.
Хоча є й певні загрози. Зокрема ці знання можуть використати для створення зброї. (Є різна нанозброя: і типові види зброї з покращеними хімічними, фізичними властивостями (наприклад, меншою масою), і гіперактивні вибухові сполуки, і мережеві прилади, які руйнують електромережу та інфраструктуру зв’язку, і гібридна хіміко-біологічна зброя. – прим. ред.). Людство завжди використовувало технології з хорошими і поганими намірами. І якщо з’являються такі розробки, то треба знати, як з ними боротися.
Але з наночастинками потрібно завжди бути обережними. З одного боку, через зменшення розміру наночастинки різних речовин можуть набувати нових властивостей: мати кращі механічні показники, плавитися за нижчих температур або краще поглинати сонячну радіацію. Наприклад, наночастинки оксиду цинку добре захищають від ультрафіолетового випромінювання, тому їх можуть використовувати в засобах від засмаги. З іншого боку, на клітинному рівні деякі наночастинки можуть призвести до та запалення4. Але їхня токсичність залежить від форми, розмірів і дози. Тому однозначно сказати, що якісь наночастинки негативно впливають на живі організми й довкілля, не можна. До того ж більшість досліджень проведені на культурах клітин або стосуються якогось конкретного наноматеріалу, але це питання потрібно досліджувати комплексно.
Якщо говорити про концентрацію наночастинок у повітрі, то зазвичай вона невелика (наноструктури є природними та штучними, вони можуть утворюватися внаслідок виверження вулканів, вітрів, пожеж, ядерних процесів тощо, також ними можуть бути дуже малі віруси – прим. ред.). Та коли вони потрапляють в легені чи на шкіру, потрібно бути дуже обережними. Тому виробники нанопродукції мають їх ретельно фіксувати. Колись була популярною ідея наноцементу. І справді, якщо подрібнити до 20–30 нанометрів, то бетон схоплюється швидше і набирає міцності не за 28 днів, а приблизно за 3–4 дні. Це вигідно, але треба вживати додаткових заходів безпеки під час його використання. А це не так просто, особливо в умовах сьогоднішньої культури будівництва.
«Нанотехцентр» і «Горизонт 2020»
Якщо накопичується багато наукових знань, настає момент, коли вчені переходять від досліджень до впровадження результатів. Так само закономірно в Інституті проблем матеріалознавства ми замислилися над прикладним аспектом нашої роботи, і в 2014 році створили стартап-компанію «Нанотехцентр».
Щойно компанія з’явилася, ми відразу потрапили в середовище європейської програми «Горизонт 2020», що здавалася дуже привабливою для участі малих компаній через великі пільги. Тож ми надіслали листа до Єврокомісії, зареєструвалися й отримали фінансування для двох проєктів, пов’язаних з наноматеріалами (NANOGUARD2AR і Engima). Сьогодні ми обговоримо перший проєкт, другий – то вже окрема історія.
Ідея першого проєкту полягала в тому, щоб створити наноматеріал, за допомогою якого можна очищати повітря від бактерій і спор грибків. Разом з португальськими, французькими та іспанськими колегами ми розробили повітряну штору, розміщену над дверима, яка розділяє приміщення на зони з чистим і забрудненим повітрям за допомогою потоку повітря.
Саму ідею повітряної штори придумали наші колеги – українці, які сьогодні працюють в Португалії. У межах програми «Горизонт 2020» у напрямку збереження культурної спадщини вони хотіли створити своєрідні повітряні штори, які огородили і захистили б картини в музеях від органічної маси, що потрапляє в повітря під час дихання відвідувачів. Але проєкт не вийшло реалізувати, і вони запропонували зробити таку повітряну штору вже для того, щоб розділити зони, наприклад, в лікарнях чи транспорті.
Головні механізми
Спочатку ми знайшли дуже цікаву роботу5. У ній згадувалось, що у 1985 році Такехіро Мацунага вперше розповів світові, як можна руйнувати мікроорганізми за допомогою діоксиду титану TiO2 у водній суспензії й ультрафіолетового випромінювання. Розгляньмо, як це працює.
Коли світло (фотони) потрапляють на наночастинки TiO2, вони можуть передати електронам достатньо енергії, щоб останні почали рухатися, залишивши по собі позитивно заряджену ділянку – так звану електронну «дірку». Ці носії заряду впливають на окиснення або відновлення молекул на поверхні частинок TiO2.
Коли збуджений фотоном електрон, що залишив по собі «дірку», з поверхні наночастинки фотокаталізатора переходить на молекулу кисню O2, то утворюється радикал, заряджений негативно. Якщо до поверхні підходять молекули води H2O, вони розщеплюються, і через реакцію з електронними дірками утворюють OH. радикали та іони водню Н+. У цьому випадку вільний радикал OH. як сильний окислювач впливає на будь-яку органічну речовину та призводить до її розпаду. Коли ж ми візьмемо шкідливі бактерії у воді, то під впливом радикалів відбудеться окиснення мембрани бактерії та інших органічних складових на її поверхні.
У нашому проєкті ми використовували оксиди титану й цинку, що схоже реагують на світло – TiO2 і ZnO. З їхньою допомогою під дією УФ-випромінювання можна знищити багато шкідливих органічних речовин у воді. А якщо додати до цих оксидів ще наночастинки срібла, можна підвищити антибактеріальну дію такого композиту. Цей спосіб руйнування бактерій ми тестували на кишкових паличках (E. coli) і стафілококах. Але вони руйнувалися кілька днів, тому ми вирішили знайти спосіб, який би прискорив час їхньої смерті.
Тоді ми запропонували додати ще механічне руйнування – зробити наночастинки у формі шипів або нанотрубок. Загалом розмір бактерії – десь п’ять мікронів, а наночастинок – приблизно 50 нанометрів або й менше. Тому коли бактерія рухатиметься в краплині води, вона може наколотися на шипи наночастинок і втратити свою механічну цілісність.
Це бачення ми втілили в нашому пристрої. Він містить каркас, на якому фіксуються світлодіоди, що опромінюють в УФ-діапазоні наночастинки, та підкладинки, на яких фіксуються самі наночастинки.
Що ми отримали? Графіки демонструють, що в темряві без дії УФ випромінювання, через механічне руйнування знищилося 20% бактерій. А коли додали фотокаталітичний вплив і УФ випромінювання, кількість знищених бактерій збільшилася приблизно до 60%. Так ми підтвердили комбінований вплив на руйнування бактерій і спор грибків для очищення повітря.
Створивши прилад, ми змонтували модуль і розмістили його в Національній бібліотеці імені Вернадського. Він продемонстрував, що протягом 40 хвилин провітрювання у повітрі майже не залишається бактерій. Мені здається, це виразний доказ ефективності та користі нашої роботи.
У цьому проєкті «Нанотехцентр» відповідав за синтез наночастинок. Також нашій команді належить авторське право на розробку комбінованого впливу для очистки повітря. Проєкт закінчився у 2019 році, але ми продовжуємо свої дослідження. Нас цікавить, як можна за допомогою такої концепції очистити повітря ще й від вірусів. Мені здається, якщо ми придумаємо додаткові методи захоплення й окиснення вірусів, тоді ми зможемо поборотися і з ними.
***
Якщо українці справді відчувають себе частиною європейської спільноти, то програми «Горизонт 2020», «Горизонт Європа» – гарна можливість стати її частиною де-факто. Звісно, коли починаєш будь-яку серйозну справу, можуть виникати труднощі. Але їх реально подолати. І якщо сьогоднішня молодь піде на те, щоб створювати маленькі компанії на основі своєї інтелектуальної власності, а досвідчені вчені підтримуватимуть їхнє прагнення, це піде на користь усім.
Специфіка європейських проєктів у тому, що вони насамперед підтримують розвиток молодих вчених, які отримують можливість поспілкуватися з відомими дослідниками з-за кордону й сформувати наукове співдружжя з молодими колегами, закупити обладнання. Всередині нашої країни цього обмаль. Це можливо суттєво збільшити завдяки ось таким міжнародним програмам.
І на мою думку, співпраця в міжнародних проєктах – це важливий фактор для відкритості. У термодинаміці відкрита система більш стійка, якщо вона інтенсивно обмінюється субстанцією та енергією з оточенням. Те з саме з нашим суспільством. Якщо обмін інформацією інтенсивний, це йде на користь всій системі.
