VIVOS VOCO: О.А. Богатиков, "НЕОРГАНИЧЕСКИЕ НАНОЧАСТИЦЫ В ПРИРОДЕ"

Мы живем в окружении мириадов наночастиц. Они существуют в космосе, атмосфере, гидросфере, горных породах и магмах, также зафиксированы и техногенные наночастицы. В геологических процессах наночастицы могут образовываться: при распаде твердых растворов в минералах и стеклах; при субмикронном двойниковании некоторых кристаллов; при фазовых переходах из жидкого или газообразного состояния в твердое, при физических и химических процессах выветривания.

Наночастицы в космосе образуются при физических процессах, включающих импактный механизм, а также электрические разряды и реакции конденсации, происходящие в солнечной туманности.

Еще 15 лет назад американцы на своих космических кораблях собрали протопланетную пыль. При ее изучении в земных лабораториях оказалось, что эта пыль имеет размеры от 10 до примерно 150 нм. Ученые сделали химический анализ пыли и отнесли ее к углистым хондритам класса С1 (рис. 1). В верхней части рисунка представлены слаборастворимые силикатные минералы, высокообогащенные летучими соединениями и водой. Если провести дифференциацию углистых хондритов, то мы получим минералы, входящие в состав мантии Земли, показанной в средней части рисунка. Можно сделать вывод, что, по крайней мере, планеты земной группы Солнечной системы произошли из наночастиц, состав которых отвечает углистым хондритам.

Советские космические корабли доставили на Землю лунный грунт. Большей частью он состоит из реголита. Реголит - продукт переработки коренных лунных пород космическими агентами: солнечным ветром, галактическим излучением, микро- и макрометеоритной бомбардировкой и кометными ударами. Лунный реголит миллиарды лет подвергается воздействию так называемого солнечного ветра. На Луне солнечный ветер - это протоны или ядра водорода. Под воздействием этих протонных бомбардировок происходит аморфизация поверхности лунного грунта или, другими словами, поверхностные слои реголита (металло-окислы) превращаются в наночастицы. Мы изучаем реголит более 15 лет и пришли к следующим выводам: нанофазы в лунном реголите чрезвычайно устойчивы к окислительным условиям.

Практическое применение наночастиц в промышленности можно проиллюстрировать следующим опытом. Мы взяли металлическую пластину, отполировали ее до зеркального блеска и написали на ней с помощью ионной пушки слово "Мир". Затем на 10 минут поместили пластину в эксикатор с "царской водкой", что равносильно 10-летнему пребыванию этого куска металла на воздухе. После извлечения пластины из эксикатора она была напрочь проржавевшая, кроме слова "Мир". Этот простой опыт доказывает, что с помощью несложных приспособлений мы можем на 5-10 лет увеличить срок службы приборов и машин по сравнению с применяемыми сейчас способами закалки металлов.

Наночастицы в атмосфере. Главным источником атмосферных частиц по массе является минеральная пыль, выдуваемая ветром из почв, и частицы морской соли, образующиеся в океане.

Самыми крупными поставщиками наночастиц на большие высоты в атмосфере служат вулканы (вулканическая пыль). Концентрация наночастиц в атмосфере различна, и даже в одном конкретном месте она сильно изменяется во времени.

Вспышки формирования наночастиц совпадают со временем высокой солнечной активности. Наночастицы сульфидных минералов - элементарной серы, барита, ангидрита - переносятся на огромные расстояния, не растворяясь в морской воде. Наиболее поразительной является сохранность металлов (алюминия, хрома, цинка, титана и др.) в самородном виде в морской воде.

Наночастицы в гидросфере образуются большей частью в вершинах так называемых черных курильщиков, которые были открыты всего лишь 10 лет назад. Гидротермальные растворы - это наночастицы. Но, соединяясь с холодной водой (а их температура около 400°С), они обращаются уже в видимые частицы.

Высокие уровни наноминерализации связаны с зонами разгрузки флюидно-гидротермальных горячих источников (жерла "черных курильщиков"), которые смешиваются с холодной водой. Из них образуются рудные месторождения. Подобные месторождения давно были открыты на Урале, в Сибири и в других районах.

Наночастицы в горных породах и магмах. При процессах химического выветривания образуются аморфный или опаловидный кремнезем, водные алюмосиликаты (аллофан), алюмосиликатные глины (галлуазит), оксиды (магнетит, гематит), гидрооксиды (гетит). Процессы ретроградного метаморфизма приводят к таким реакциям, когда, например, биотит в твердом состоянии переходит в хлорит, вермикулит, смектит и т.д. Процессы преобразования терриконов приводят к тому, что наноминеральные ассоциации стекловатых и раскристаллизованных фаз поликомпонентного состава находятся в метастабильном состоянии. При выделении полезных ископаемых образуются так называемые пустые породы, в том числе и с примесью благородных металлов. Здесь уже говорилось о самоорганизации наночастиц. И в этих, вроде бы пустых, отвалах, образуются вторичные месторождения за счет самоорганизации благородных металлов. В первую очередь - золото и серебро. И уже через 20 лет эти "пустые" терриконы преобразуются во вторичные месторождения.

Я думаю, что лет через 15-20 мы столкнемся с такой ситуацией, когда у нас уже не будет настоящих крупных месторождений со многими полезными компонентами, необходимыми нашей промышленности. Но зато сейчас открывается все больше и больше месторождений с нанофазами. Это черные сланцы. Первое золоторудное месторождение черных сланцев - Мурунтау - было открыто много лет тому назад. Его мы подарили Узбекистану. Совсем недавно, буквально два года тому назад, в Мурунтау открыли платиновую минерализацию. И в России существует множество месторождений подобного типа.

На рисунке показано месторождение Сухой лог. Черные сланцы этого месторождения образуются в океане и являются ни чем иным, как аккреционными призмами при образовании островных дуг. В сланцах, на фоне сульфидов, других силикатных образований находятся наночастицы благородных металлов. Я бы сказал, не только благородных металлов, которые мы видим, потому что их размеры 100, иногда 120 нм. Там, в субмикронном состоянии, различимы такие рудные минералы, как редкие земли, Cr, Ni, Fe, W, Nb и другие, представленные в самородной, сульфидной и оксидной формах. Сначала Сухой лог был выставлен на продажу как золоторудное месторождение. Но совсем недавно, около пяти лет назад, там обнаружили платину. Практически в этих черных сланцах находится вся таблица Менделеева, поскольку океанские воды содержат элементы всех полезных ископаемых.

Изливающиеся на поверхность нашей планеты магмы, находясь в ее глубине, участвовали в высокотемпературных геологических процессах и проходили стадию наночастиц. Известно, что химия или физика наночастиц сильно отличаются от химии и физики макроэлементов, и именно наночастицы являются зародышем для образования крупных кристаллов полезных ископаемых и просто силикатов.

Техногенные наночастицы. Большое место в наших работах занимает изучение частиц, находящихся в атмосфере. Воздух, содержащий до 6 тыс. аэрозольных частиц в 1 см³, считается чистым. На высоте около 6 тыс. м над уровнем океана в 1 см³ воздуха содержится только 20 наночастиц. Но в городах, на высоте около 100 м от земли, их количество оценивается 45 тыс./см³. Для городских территорий примерно половину ультрамелких частиц составляют органические соединения. Оставшаяся масса представлена оксидами редких металлов, элементарным углеродом, сульфатами, нитратами, хлоридами и аммонием.

Реакция в тропосфере с участием наночастиц существенно влияет на концентрацию в воздухе таких важнейших газообразных загрязнителей, как азотная кислота, двуокись серы и другие. Эти реакции часто изменяют состав частиц, что сказывается на формировании облаков, рассеивании и поглощении света, воздействии на здоровье человека и окружающую среду. Эпидемиологические исследования показали, что ухудшение легочных функций человека и животных коррелируются с количеством ультрамелких (D < 100 нанометров) наночастиц.

Токсичные наночастицы возникают в атмосфере в результате внешних выбросов радиоактивного материала при ядерных катастрофах. В нашей стране произошло несколько подобных катастроф. Самая страшная из них - Чернобыльская. В результате Чернобыльской катастрофы суммарная активность выброса составила 50 МКи, его высота была 2 км, а радиоактивные осадки зарегистрированы на расстоянии более 2 тыс. км (на территории 20 государств). И такие опасные для нас радиоактивные осадки находятся в виде наночастиц.

Сейчас большое количество лабораторий занимается проблемой захоронения долгоживущих радиактивных отходов в матрицах. Например, на микрофото представлен минерал муратаид (рис. 2). Он составляет всего около 5% объема керамики, представленной еще и цирконолитом, голландитом, первокситом и рутилом. Муратаид аккумулирует половину общего количества урана, введенного в состав шихты, несмотря на его малое количество.

Появление высокоразрешающих методик изучения вещества дало нам инструмент для прямого наблюдения за процессами зарождения минералов, а также изучения различных материалов на наноуровне. Исследование природных ультрадисперсных систем инициировало создание новых наноматериалов для развития новых нанотехнологий. Уровень в 1 нм предполагается освоить в промышленном масштабе через 5-10 лет. Так что можно сделать следующее заключение: наночастицы - это наше прошлое, настоящее и будущее. Поэтому нанотехнологии одно из самых приоритетных направлений современных исследований не только у нас в стране, но и во всем мире.