Нанотехнології на стражі чистоти

Канадська фірма Gens Nano створила самоочисне покриття (Gens Nano SolarStucco) для фасадів будівель і об'єктів, що знаходяться під відкритим небом, на основі нанофотокаталізатора, повідомляє MasterPla.net.

Що таке нанотехнології?

Нанотехнології в широкому сенсі - це область прикладної науки і техніки, яка об'єднує темою яких є контроль матерії на молекулярному рівні в масштабах менше, ніж 1 мкм, зазвичай від 1 до 100 нм, а також виготовлення пристроїв в цьому діапазоні розмірів. Ця галузь науки спирається на прикладну фізику, матеріалознавство, молекулярну хімію, широко застосовується в машинобудуванні та електротехніці.

Нанотехнології можна розглядати як продовження існуючих наук на нанорівні.

Два основних підходи, що використовуються в нанотехнологіях.

1. Підхід «знизу-вгору» - від окремих атомів - до виробу. Метод полягає в тому, що в контрольованих умовах відбувається формування ансамблів з атомів і іонів. В результаті утворюються нові об'єкти з новими структурами і, відповідно, з новими властивостями, які можна програмувати шляхом зміни умов формування ансамблів. Цей підхід полегшує вирішення проблеми мініатюризації об'єктів, наближає до вирішення низки проблем літографії високого дозволу, створення нових мікропроцесорів, тонких полімерних плівок, нових напівпровідників. Методом «знизу-вгору», маніпулюючи молекулами і атомами, можна створювати штучні об'єкти (синтетичні молекули, кластери, що складаються з сотень атомів), яких не існує в природі, і створювати з них блоки наноматеріалів. У зв'язку з цим вивчення атомів і молекул проводять з точки зору їх функцій.
2. Підхід "зверху-вниз", він полягає в зменшенні розмірів об'єктів до нановелічін в межах можливостей промислового обладнання та використовуваного матеріалу.

Поштовхом до розвитку нанотехнології став знову виник інтерес до колоїдної хімії (Наука про дисперсні системи і поверхневі явища. Вивчає адгезію, адсорбцію, змочування, коагуляцію, електрофорез. Розробляє технології будівельних матеріалів, буріння гірських порід, золь-гель-технології. Грає фундаментальну роль в нанотехнології. Сучасна колоїдна хімія - це наука на стику хімії, фізики, біології).

Нове покоління аналітичних інструментів, таких як атомно-силовий мікроскоп (АСМ), і скануючий тунельний мікроскоп (СТМ), дозволяють спостерігати нові явища в процесах електронно-променевої літографії та молекулярно-променевої епітаксії. Вивчаючи їх, стало можливе створення сучасних нанополімеров, заснованих на малекулярних структурах, а також проектування комп'ютерних чіпів і макетів на основі поверхневих наноматеріалів.

Незважаючи на великі перспективи численних розробок нанотехнологій, таких як наночастки, квантові точки і нанотрубки, реальні комерційні пропозиції в основному стосується колоїдних наночастинок в об'ємній формі, наприклад, лосьйони, косметика, функціональні покриття і засоби для видалення плям на одязі. Тут використовується механізм фотокаталізу. Коли фотокаталізатором діоксиду титану (TiO2) поглинається ультрафіолетове (УФ) випромінювання від сонячного світла або від джерела світла (люмінесцентні лампи), починається утворення пар електронів і дірок. Електрони валентної зони діоксиду титану приходять у стан збудження при висвітленні світлом. Надлишкова енергія цього процесу сприяє переходу порушеної електрона в зону провідності діоксиду титану, тому і відбувається утворення пари - негативного електрона (е-) і позитивної дірки (Н +). Цей процес називається фотозбудженням. Довжина хвилі світла необхідна для фото-збудження: 1240 (постійна Планка, H) / 3,2 еВ (енергія забороненої зони) = 388 нм. Позитивна дірка діоксиду титану розпадається на молекулу води з утворенням газоподібного водню і гідроксильного радикала. Негативний електрон реагує з киснем, утворюючи аніон супероксиду. Цей цикл триває поки діє джерело світла.

Поняття фотокаталізу

Фотокаталіз - прискорення хімічної реакції, обумовлене спільною дією каталізатора та опромінення світлом. При фотогенеруючому каталізі фотокаталітична активність залежить від здатності каталізатора створювати пари електрон-дірка, які генерують вільні радикали, здатні вступати у вторинні реакції. Розуміння механізму стало можливим після відкриття електролізу води на каталізаторі з діоксиду титану.

Прикладом фотокаталізу може служити фотосинтез - процес утворення органічних речовин з вуглекислого газу і води на світлі за участю фотосинтетичних пігментів (хлорофіл у рослин, бактеріохлорофіл і бактериородопсин у бактерій).

Різницею між фотосинтезом від фотокаталізу Nano TiO2 є те, що на відміну від фотосинтезу, під дією світла на поверхні покриття утворюються радикали, здатні зруйнувати шкідливі органічні сполуки з утворенням води і вуглекислого газу.

Ґрунтуючись на викладених вище наукових розробках, канадська фірма Gens Nano створила самоочисне покриття (Gens Nano SolarStucco) для фасадів будівель і об'єктів, що знаходяться під відкритим небом, на основі нанофотокаталізатора.

Властивості Gens Nano-покриття

1. Покриття, що саме очищується, являє собою спеціальний нанофотокаталізатор, створений за нанотехнологією. Як правило, миючі засоби знижують поверхневий натяг води і кут контакту зменшується. Під впливом світла, кут контакту води з поверхнею, обробленою нанофотокаталізатором, зменшується. При достатньому освітленні поверхня досягає супер-гидрофильности, тобто вода розтікається по поверхні. Після дощу, покриті таким засобом поверхні залишаються чистими, тому вода стікає повністю, несучи з собою частинки пилу і бруду.
2. Функція розкладання органічних забруднень. Коли покриття піддається впливу сонячних променів, воно може розкладати майже всі органічних речовини, що скупчилися на ньому. Залишки неорганічних забруднень змиваються дощем або іншими механічними способами.
3. Покриття має антибактеріальний ефект, не даючи утворюватися цвілі і моху на поверхні і очищаючи навколишній простір завдяки поширенню речовин повітряними потоками.
4. Одним з важливих властивостей покриття є захист обробленої поверхні від ультрафіолетових променів, а як наслідок - захист від вигорання фарб.
5. Антистатичні властивості покриття захищають поверхню від налипання електризуватися частинок пилу.

На знімку: гранітна стіна, яка протягом багатьох років ставала брудною під впливом навколишнього середовища. Площа, виділена жовтою стрічкою буде піддаватися експерименту з обробкою покриттям SolarStucco.

(Фото № 1 від 14 грудня 2005).

Перед нанесенням фотокаталізатора поверхню обов'язково потрібно очистити від бруду. У лівій частині очищеної області було застосовано покриття SolarStucco Top Coa.

(Фото № 2 від 14 грудня 2005).

Знімок, зроблений через три місяці, свідчить, що покриття захищає стіну від забруднень, в той час як необроблена поверхня знову почала бруднитися.

(Фото № 3 від 15 березня 2006 року).

Подібні покриття здатні додати не тільки естетично чистий вид будовам, але й захистити навколишнє середовище від утворення шкідливих органічних забруднень, допомагають нейтралізувати шкідливий вплив вихлопних газів від автомобілів. Тому фахівці рекомендують використовувати їх для обробки шосе і тротуарів. Використання такого покриття здатне значно скоротити витрати на очищення та обслуговування будівель.