Титанические способности наноразмерных структур

Артур Красильников (справа) и Георгий Залогин на фоне рабочей установки.
Фото из личного архива А.В.Красильникова

Об одной из интересных разработок в области нанотехнологий в беседе с журналистом Николаем ДОРОЖКИНЫМ рассказывает главный научный сотрудник ФГУП ЦНИИ машиностроения (г. Королев), лауреат премии имени Н.Е.Жуковского доктор технических наук Артур КРАСИЛЬНИКОВ.

– Артур Владимирович, какие нанотехнологии и с какой целью разрабатываете вы с коллегами?

– Давайте начнем с цели наших исследований, которыми мы с доктором технических наук Георгием Николаевичем Залогиным занимаемся уже не первый год. Нас давно интересуют способы борьбы с вредной для человека микрофлорой (бактериями, вирусами, грибками и т.п.), которой всегда достаточно много заводится и обитает в различных закрытых объемах – в жилых и производственных помещениях, офисах, школах и детских садах, больничных палатах, в транспортных средствах. Этот интерес особенно обострился, когда я узнал о бактерицидных свойствах нанодиоксида титана ТiО2.

– Что это за вещество?

– Это очень интересное вещество. Сейчас диоксид титана и особенно его наноразмерные структуры привлекают внимание многих исследователей и в чисто научных, и в прикладных аспектах. Дело в том, что диоксид (двуокись) титана может иметь много применений в различных областях науки, техники, медицины, охраны окружающей среды. С его добавлением можно получать широкий спектр материалов, обладающих уникальными свойствами. Это материалы оптические, фотокатализаторы, сенсибилизаторы для солнечных элементов и т.д.

Целый ряд свойств ультрадисперсного диоксида титана проявляется при взаимодействии его с ультрафиолетовым излучением. Даже его наноразмерные пленки или небольшие добавки в материалы существенно снижают воздействие ультрафиолетового (УФ) излучения за счет его поглощения, отражения и рассеивания. Поэтому наночастицы диоксида титана (с размерами первичных частиц в 20–70 миллиардных долей метра, нанометров) используются при производстве солнцезащитных экранов, пластиковых фильтров для защиты от УФ-излучения, автомобильных эмалей, магнитных лент, тонеров и катализаторов.

При облучении диоксида титана ультрафиолетом с длиной волны ниже 385 нм в присутствии паров воды образуются радикалы – ОН и ионы кислорода, которые активно взаимодействуют со всеми органическими веществами. Недавно была обнаружена способность нанодиоксида титана под воздействием ультрафиолетового излучения генерировать свободные радикалы, смертоносные для микроорганизмов, в том числе для вирусов гриппа. Фотокатализаторы на основе диоксида титана используются для ускорения процесса фотохимических реакций. К сферам их применения относятся очистка воды, дезодорация и очистка воздуха, антибактериальная обработка, удаление пятен и потускнения. Диоксид титана применяют в производстве специальных пластмасс для защиты от ультрафиолетового излучения, при изготовлении самоочищающихся стекол, фотокатализаторов, электрохромных дисплеев, электротехнических керамик и композиционных материалов.

– А как насчет применения бактерицидных свойств диоксида титана в космонавтике?

– Когда о нашей работе узнал генеральный директор ЦНИИмаш Геннадий Райкунов, он сразу же сориентировал ее в космическом направлении. Прежде всего надо решать задачу создания бактерицидной атмосферы в жилых и рабочих модулях на Международной космической станции (МКС) и вообще на пилотируемых космических станциях и аппаратах при продолжительных полетах. Пилотируемая космическая станция – объект для наиболее чистого эксперимента, поскольку в отличие от наземных транспортных средств она абсолютно герметична.

Показателен пример станции «Мир». Там за время полета сменилось почти 200 тыс. поколений микроорганизмов. А в условиях космоса все эти бактерии, вирусы, грибы могут стремительно мутировать. Если на «Мире» в 1990 году их было 94 вида, то в 1997 году – уже 140. Среди них могут быть и опасные для человека. Но «Мир» и МКС – хотя бы орбитальные станции, где сменяются экипажи. А ведь планируются и долговременные автономные полеты – к Марсу, астероидам. Так что надо быть во всеоружии.

– Каким способом вы получаете нанодиоксид титана и наносите его на другие материалы?

– Развитие технологий, использующих наноматериалы, сдерживается из-за отсутствия возможности их получения в достаточных количествах. Весьма перспективным в этом отношении является плазмохимический способ. Он дает возможность как синтезировать наноструктурированные материалы с использованием нагрева и сублимации, так и разлагать исходные вещества в плазме высокочастотного индукционного газового разряда.

Есть, правда, и другие способы – электродуговой, лазерный, метод электронного пучка. Но принцип нагрева газа и исходных химических веществ с помощью высокочастотных индукционных плазмотронов (ВЧ-плазмотронов) имеет в сравнении с ними ряд существенных преимуществ. Прежде всего это уникальные параметры плазменных струй, генерируемых в ВЧ-плазмотронах.

Схема ВЧ-плазмотрона: 1 – генератор; 2 – индуктор; 3 – разрядная камера; 4 – рабочая камера; 5 – подложка; 6 – система газообеспечения; 7 – система выхлопа; 8 – система охлаждения. Схема предоставлена А.В.Красильниковым

– В чем состоят уникальные свойства таких устройств?

– Химическая чистота получаемой плазмы, обусловленная отсутствием электродов; практически неограниченное время работы, что позволяет организовать непрерывное производство; высокая стабильность получаемых плазменных струй; возможность работы с агрессивными средами; возможность варьирования параметрами в широких пределах во время работы установки; возможность экспериментального и расчетного определения параметров плазмы для оптимизации разрабатываемых технологических процессов.

Кроме того, большие размеры уже используемой установки (диаметр разрядной камеры 180 миллиметров) и большие расходы плазмообразующего газа (до 20 граммов в секунду) и исходного вещества (до 3 граммов в секунду) позволяют наносить покрытия необходимой толщины на образцы размером до 250х300 миллиметров за несколько секунд. Большие удельные значения мощности (теплового потока), подводимой к частицам порошка в плазменной струе, позволяют диспергировать («распылить») до атомарного состояния даже самые тугоплавкие материалы.

Все это в совокупности позволяет рассчитывать на широкое применение установок такого типа в разработке различных технологических процессов – как получения наноматериалов, так и нанесения покрытий.

Использование описанного способа дает равномерное покрытие из диоксида титана с достаточно хорошей адгезией.

– Где и как проводились исследования бактерицидных свойств покрытия из нанодиоксида титана?

– В этом нам оказали бескорыстную помощь сотрудники Тверского государственного университета – профессор Э.М.Сульман, заведующая лабораторией В.Г.Матвеева и доцент Е.Л.Прутенская. Исследования были проведены на пластинах из алюминиевого сплава АМГ размером 2х2 и 6х6 сантиметров, покрытых наноразмерными частицами диоксида титана. В качестве модельной культуры использовались дрожжи рода Candida. Для обеспечения быстрого накопления биомассы дрожжей рода Candida культивирование осуществляли при температуре 30 градусов. По окончании культивирования клетки использовали в качестве исследуемого материала. В качестве контрольного образца использовали суспензию дрожжевых клеток без внесения пластины, покрытой наночастицами диоксида титана.

Для изучения влияния наночастиц диоксида титана на микроорганизмы пластинки с покрытием помещали в химический стакан с дрожжевой суспензией. Суспензия и контрольный образец подвергались воздействию ультрафиолета. Время экспозиции составляло 10, 15 и 30 минут.

По окончании опыта пластины, покрытые наночастицами диоксида титана, вынимали из суспензии. На пластинах сорбировалось достаточно большое количество дрожжевых клеток. Для определения числа живых клеток использовали метод «отпечатков» на питательной среде.

Полученные результаты свидетельствуют о снижении количества живых дрожжевых клеток в опытной суспензии по сравнению с контрольной. По окончании проведения опыта было зарегистрировано большое количество дрожжевых клеток на поверхности пластины с наночастицами диоксида титана. Это свидетельствует о том, что инактивация дрожжевых клеток происходит непосредственно на пластинах с наночастицами диоксида титана, а не в суспензии. При определении жизнеспособности клеток на поверхности пластины было обнаружено, что практически все они мертвы.

– Как можно кратко сформулировать некоторые итоги ваших исследований?

– Во-первых, разработан плазмохимический способ нанесения наноструктурированных покрытий диоксида титана с достаточно хорошей адгезией в высокочастотном индукционном плазмотроне. Во-вторых, исследования бактерицидных свойств полученного покрытия показали, что в присутствии пластин, покрытых диоксидом титана, количество микроорганизмов в дрожжевой суспензии снижается в 10 раз по сравнению с контролем. И, в-третьих, инактивирующие свойства покрытий, содержащих наночастицы диоксида титана, полученных разработанным способом, могут быть использованы для создания современных методов обеззараживания, безвредных для окружающей среды и человека.