«Токсичные» нанотехнологии

Башни главного калибра размером в 500 нм на поверхности кристалла AlGaAs Арман Розенбери, Рон Тонуччи и Даг Пирсон из Научно-исследовательской лаборатории ВМС США вырастили специально к конкурсу «Наука как искусство» в 1998 году. Фото: Armand Rosenbery, Ron Tonucci and Doug Pearson

10 ноября 2004 года, выступая в Технологическом институте Нью-Джерси (New Jersey Institute of Technology) на форуме «Технологии и общество», известный американский ученый Фримен Дайсон (Freeman Dyson) в частности говорил о нанотехнологиях и связанных с ними опасностях.

«Сейчас нанотехнологии вошли в моду, — объяснял он, — и новые nanotech-компании множатся, как грибы после дождя, как множились internet-компании десять лет назад. Вообще их есть две разновидности, которые я предпочитаю называть истинными технологиями и „дутыми“. Первые имеют дело с микроскопическими механическими устройствами и новыми материалами. Микроскопические механические устройства оказываются полезными во многих приложениях, особенно когда речь идет о микроскопических количествах жидкости, что нередко при химических анализах и в медицине. Новые материалы производятся путем соединения микроскопических компонентов непривычным образом. Истинные нанотехнологии — приземленные, не очень романтичные и не очень опасные».

Под «дутыми» Дайсон понимал те, которые позволят создавать микроскопического сборщика, способного к самовоспроизводству. Однажды возникнув, такие сборщики якобы будут множиться и множиться до тех пор, пока не вытеснят с земли все живое, превратив биосферу в «серую слизь» (grey goo), — хороший сюжет для ужастика. Для того чтобы показать, что эта опасность не существует, Дайсон воспользовался теорией конечных автоматов Джона фон Неймана: оказывается, худшее, что можно создать на таком пути, — это искусственная бактерия, очень похожая на возбудителя какого-то тяжелого заболевания. Вещь, конечно, неприятная, но до «серой слизи» тут ещё далеко.

К вопросу о «приземленных и не очень романтических» истинных нанотехнологиях Дайсон не стал возвращаться. Зачем, если и так ясно, что они «не очень опасны»?

Дело в размере

Мода на нанотехнологии докатилась и до России. И представляется вполне своевременным разговор о рисках, с ними связанных. А основания считать, что такие риски вполне реальны, уже появились. Конечно, до «серой слизи» им в любом случае далеко, но токсичность структур нанометровых размеров (1 нм = 10–9 м) может существенно отличаться от токсичности того же самого по химическому составу вещества, когда оно имеет форму вполне макроскопических частиц.

Объекты, с которыми имеют дело нанотехнологи, настолько малы, что ничего меньшего и быть не может. Обычно, говоря о наночастицах, подразумевают нечто размером от 0,1 нм до 100 нм, при том, что размеры большинства атомов лежат в интервале от 0,1 нм до 0,2 нм, Ширина молекулы ДНК примерно 2 нм, характерный размер клетки крови приблизительно 7500 нм, человеческого волоса — 80 000 нм. В зависимости от контекста, говоря о нанообъекте, можно иметь в виду и отдельный атом, и органическую молекулу, содержащую более 109 атомов и размером более 1 мкм (10–6 м).

В пробирке слева — коллоидный раствор наночастиц золота в воде. В пробирке слева — кассиев пурпур, возникающий после того, как в левую пробирку добавляют 5–10 капель насыщенного раствора поваренной соли. Фото: University of Wisconsin

На этих масштабах активность элементов сильно меняется с изменением размера. Например, инертность золота и серебра хорошо известна, однако кластеры, состоящие из нескольких их атомов, демонстрируют уникальные каталитические свойства, а наночастицы серебра демонстрируют отчетливо выраженные антибактериальные свойства. И эти специфические свойства несложно объяснить.

При уменьшении размера частиц растет отношение поверхности к объему (например, площадь поверхности шара пропорциональна квадрату его радиуса, а объем шара — кубу радиуса — а значит, такое отношение обратно пропорционально радиусу). Именно по этой причине «внутренность» наночастицы оказывается ближе к её поверхности, на которой и протекают химические реакции. Но дело не только в этом: на расстояниях меньше 100 нм в игру вступают квантовые эффекты, заметно влияющие на оптические, электрические и магнитные свойства материалов.

Например, как уже говорилось, частицы золота нанометровых размеров могут обладать сильными каталитическими свойствами. Но это так, только если частицы состоят из восьми или двадцати двух атомов; частицы же в золота, состоящие из семи или, к примеру, двадцати атомов, каталитическими свойствами уже не обладают.

Эффект тонкой стенки

Особое место среди наноструктур занимают нанотрубки и фуллерены. В каком-то смысле эти наноструктуры похожи на полимеры. Поверхности графитовой нанотрубки и графитового фуллерена подобны кристаллической поверхности идеально чистого графита, но имеют другую топологию. Кристаллическая поверхность кристалла графита — это плоскость, нанотрубка имеет топологию цилиндра, а фуллерен — сферы. Первые экспериментально полученные фуллерены содержали по шестьдесят атомов углерода, объединенных в одну молекулу, но были получены фуллерены из семидесяти, семидесяти двух и даже пятисот сорока атомов.

Поскольку стенки в этих структурах имеют атомарную толщину, можно ожидать их необычной химической активности. В природе ни нанотрубки, ни фуллерены, по общему мнению, сами по себе возникать не могут. А рассчитать последствия, которые могут повлечь их необычные свойства, если они покинут пределы лаборатории, совсем не просто.

При этом, достаточно внести незначительные изменения в технологии изготовления нанотрубок, чтобы их характеристики весьма существенно изменились. В общей сложности в настоящее время насчитывается около 50 000 разновидностей нанотрубок, и токсичность одной нанотрубки не означает токсичности другой, пусть даже и похожей на первую.

Питер Заполь (Peter Zapol) и Ларри Куртис (Larry Curtiss) из Аргоннской национальной лаборатории демонстрируют свое искусство модифицировать углеродные трубки с одноатомной стенкой. В определенных узлах стенки атомы углерода замещаются другими атомами или даже целыми комплексами атомов. Фото: Argonne National Laboratory/DoE

Обычно, когда в лаборатории изучается токсичность определенного вещества, исследуется, как это вещество воздействует на то или иное подопытное животное. Однако в случае с наноматериалами такой подход становится неэффективным. Химические их свойства сильно зависят не только от входящих в состав наночастицы атомов, но и от размеров этих частиц и их структуры. И токсикологам иногда бывает достаточно трудно установить, какой именно материал они изучают в данный момент.

Так, например, в январе этого года в журнале «Toxicology letters» появилась статья группы исследователей из Швейцарии и Германии, где сообщалось о более высокой токсичности скрученных углеродных нанотрубок по сравнению с дисперсными частицами. А всего через месяц в том же самом журнале появилась другая статья, на этот раз группы американских токсикологов, пришедших к прямо противоположному выводу: сильно размельченные нанотрубки, даже в небольших концентрациях, оказались токсичнее, нежели крупные кластеры.

В целом результаты токсикологических тестов в отношении углеродных нанотрубок неутешительны. Иногда нанотрубки даже сравнивают с асбестом, во многих случаях ответственным за возникновение онкологических заболеваний легких (длинные и тонкие волокна асбеста, попадая в легкие, судя по всему, не разрушаются, и становятся причиной воспалительного процесса, последствия которого проявляются спустя много лет). Специальный обзор по токсичности углеродных нанотрубок — учитывающий и исследования на животных, и лабораторные исследования — опубликовал в прошлом году Лам Чувинг (Chiu-Wing Lam), член токсикологической группы NASA и сотрудник Джонсоновского центра космических исследований (Johnson Space Center) в Хьюстоне штата Техас. Он и его коллеги пришли к выводу, что углеродные нанотрубки способны «запускать» воспалительный процесс в легких.

Наноболезни

Кроме сходства с асбестом, эксперты отмечают необычайное сходство нанотрубок с частицами, содержащимися в выхлопах дизельных двигателей. Вдыхание таких частиц считается — в той же степени, что и курение, — фактором, заметно влияющим на здоровье человека и, в первую очередь, на его сердечно-сосудистую систему. Судя по всему, нанотрубки действуют на организм человека похожим образом — к такому выводу пришли исследователи из Национального института производственной безопасности и здравоохранения США (National Institute for Occupational Safety and Health, NIOSH) в городе Моргантаун штата Западная Виргиния. В серии экспериментов на мышах в их легкие была произведена инъекция углеродных нанотрубок, после чего в аортах у мышей обнаружили следы свободных радикалов — ответственных, как известно, за повреждение клеток. Когда же в качестве подопытных использовались мыши с генетической предрасположенностью к атеросклерозу, то результатом эксперимента стало образование у них большого числа артериальных бляшек, ответственных за возникновение инфарктов. В настоящее время исследователи NIOSH пытаются установить, могут ли углеродные нанотрубки проникать в кровоток и непосредственно повреждать кровяные сосуды. Именно таким свойством обладают частицы дизельного выхлопа.

Процесс образования фуллерена из одноатомного слоя графита с последующим его тепловым разрушением был заснят при помощи трансмиссионного электронного микроскопа (ТЭМ) в Национальной лаборатории Сандия. Фото: Sandia/Los Alamos CINT center/DoE

Если предположение подтвердится, это будет означать, что мы в данном случае скорее всего имеем дело не просто с похожими, а с идентичными объектами. Иными словами, что частицы дизельного выхлопа и есть углеродные нанотрубки. Лоуренс Мурр (Lawrence Murr), специалист по охране окружающей среды и материаловедению из Техасского университета в Эль-Пасо (University of Texas at El Paso), уже обнаружил нанотрубки в пробах городского воздуха и в выбросах из газовых печей. «Мы начали находить углеродные нанотрубки просто повсюду, — прокомментировал он свое открытие. — Скорее всего, они являются неотъемлемой составляющей процесса горения».

Можно ли, однако, с уверенностью утверждать, что по воздействию на человека те нанотрубки, которые Лоренс Мурр нашел в окружающей среде, идентичны тем, которые изучаются в лабораторных условиях? Вопрос остается открытым. Разумеется, «лабораторные» нанотрубки отличаются существенно большей степенью чистоты, и именно в этом смысле можно говорить об их меньшем воздействии на наш организм — в сравнении, к примеру, со всем известной копотью. Допустим все же, что исследования подтвердили высокий уровень токсичности углеродных нанотрубок. В этом случае нам придется искать ответ на ещё один вопрос: насколько часто мы вступаем с нанотрубками в непосредственный контакт?

Винсент Кастранова (Vincent Castranova), координатор реализуемой в NIOSH нанотоксикологическрой программы, предупреждает на страницах журнала New Scientist, что о соблюдении мер безопасности на нанотехнологических производствах никому ничего не известно. Вполне вероятно, что приготовление содержащих нанотрубки смесей вообще осуществляется вручную

Остается неясным также и «уровень загрязнения» наноматериалами той среды, которая нас окружает в повседневной жизни. На окна и даже на стены на станциях метро нередко наносят покрытия с различными наноматериалами — и с антибактериальными целями, и для того, чтобы продлить их срок службы. Могут ли подобные покрытия представлять опасность?

Материаловеды Технологического института Джорджии искусственно воспроизвели самоочищающуюся поверхность листа лотоса. Только если у настоящего листа лотоса самоочищение происходит благодаря уникальному сочетанию микрометровых неровностей и нанометровых воскообразных капелек, у искусственного — эти капельки заменяются пучками нанотрубок. Фото:Gary Meek/Georgia Tech

Соответствующие эксперименты были проведены в Промышленном технологическом исследовательском институте (The Industrial Technology Research Institute) на Тайване. В отношении кафеля, покрытого веществом с содержанием наночастицы диоксида титана, было имитировано действие солнечного излучения и действие ветра. В результате удалось установить, что некоторое число наночастиц «слетает» с кафельных покрытий. Подобным исследованиям многие эксперты придают особое значение. Действительно, люди могут быть предельно осторожны в отношении высокотоксичных веществ (при том, что концентрация их в окружающей среде никогда не будет достаточно высокой) и не отдавать себе отчета, насколько опасны вещества малой токсичности, в больших количествах уже скопившиеся в окружающей среде.

О широком использовании нанотехнологий эксперты говорят как о ближайшем будущем, а потому человечеству следует как можно быстрее выявить — и, разумеется, снизить до минимально возможного уровня — ту вполне прозаическую и «лишенную всякого романтизма» опасность, скрытую в высокой эффективности наноматериалов.

Борис Булюбаш