velikol.ru
1

426

НАУЧНАЯ СЕССИЯ ОБЩЕГО СОБРАНИЯ PAI3

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ НАНОЧАСТИЦЫ В ПРИРОДЕ

Академик О.А. Богатиков

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.



Рис. 1. Углистые хондриты

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 амор-физация 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 оксикатор с "царской водкой", что равносильно 10-летнему пребыванию этого куска металла на воздухе. После извлечения пластины из оксика-тора 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.

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 73 № 5 2003

^ НЕОРГАНИЧЕСКИЕ НАНОЧАСТИЦЫ В ПРИРОДЕ

427


Наночастицы в гидросфере образуются боль­шей частью в вершинах так называемых черных курильщиков (рис. 2), 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 (рис. 3).

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), алюмосили-катные глины (галлуазит), оксиды (магнетит, ге­матит), гидрооксиды (гетит). Процессы ретро­градного метаморфизма приводят к таким реак­циям, когда, например, биотит в твердом состоянии переходит в хлорит, вермикулит, смек-тит и т.д. Процессы преобразования терриконов приводят к тому, что наноминеральные ассоциа­ции стекловатых и раскристаллизованных фаз поликомпонентного состава находятся в метаста-бильном 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 ак-риционными 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, пото-



Рис. 2. Вершина "черного курильщика", хребет Хуан де Фука

му 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 (рис. 4). Практичес­ки в этих черных сланцах находится вся таблица Менделеева, поскольку океанские воды содержат элементы всех полезных ископаемых.

Рис. 3. Полиметаллические отложения около выхо­дов гидротермальных растворов

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




ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 73

№ 5 2003

428

^ НАУЧНАЯ СЕССИЯ ОБЩЕГО СОБРАНИЯ РАН




Рис. 4. Наночастицы самородной платины на крис­талле пирита



Рис. 5. Микрофото матрицы из различных минералов для захоронения радиоактивных отходов / - циркономит, 2 - голландит, 3 - перовскит, 4 - мурабалит, 5 - рутил


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 - Чернобыль-

екая. 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. 5). 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 нанотехно-логий. 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.


ВЕСТНИК

АКАДЕМИИ НАУК том 73 № 5 2003