Кредит: Pixabay/CC0 Public Domain
Крошечные наночастицы находятся на переднем крае материаловедения — благодаря особым свойствам, которые делают их отличными для поглощения света в солнечных панелях, очистки сточных вод и точной доставки лекарств.
Некоторые наночастицы имеют форму листов или волокон. Но у всех наноматериалов есть одна общая черта — их структура содержит компоненты с размерами в нанометровом масштабе. Это более чем в 10 000 раз меньше ширины человеческого волоса. Исследования показывают, что наноматериалы часто работают лучше, чем те же материалы, изготовленные в большем масштабе. У них огромный потенциал, но в настоящее время их производство может привести к вредным последствиям для окружающей среды из-за использования или производства опасных химикатов.
Я один из многих исследователей, изучающих, как создавать, манипулировать и применять эти материалы устойчивым образом для разработки новых технологий и улучшения существующих. Это дает преимущества во многих областях применения, включая аэрокосмическую промышленность, солнечные панели и электронику.
Наноматериал из кремния уже повсюду вокруг вас, но вы, вероятно, даже не осознаете этого. Кремний (SiO2), соединение, которое содержит как кремний, так и кислород, обычно встречается в горных породах. Это один из самых массово производимых наноматериалов в мире, с ожидаемым рынком в 5 триллионов долларов США (3,8 триллиона фунтов стерлингов) к 2025 году.
Он используется для создания вещей, с которыми вы сталкиваетесь каждый день, от улучшения прочности бетона до улучшения долговечности резиновых шин, а также он улучшает чистящие свойства и консистенцию зубной пасты. Наноматериал из кремния может иметь захватывающие высокоценные применения, такие как лекарства и очистка сточных вод.
Хотя кремниевые продукты могут быть отличными, способ их производства часто не очень хорош для окружающей среды или даже экономически нецелесообразен. Производство является ключом к общей устойчивости продукта, но оно часто невидимо для потребителей. Таким образом, это аспект, который большинство людей учитывает гораздо меньше, чем, например, будет ли что-то переработано.
Производство кремния часто требует энергоемких процессов или приводит к образованию неприятных отходов, которые трудно безопасно утилизировать. Попыток сократить экологический след существующих процессов недостаточно. Разработка новых методов производства имеет первостепенное значение для обеспечения того, чтобы новые технологии, такие как более совершенные солнечные панели, могли как помогать обществу, так и оказывать меньшее воздействие на окружающую среду, чем традиционное производство.
Я являюсь частью исследовательской группы Green Nanomaterials в Университете Шеффилда, где мои коллеги и я усердно работаем над разработкой устойчивых, масштабируемых и экономичных путей к функциональным наноструктурированным материалам. Мы занимаемся аспектами от открытия до производства, применения и коммерциализации, учитывая производительность, масштабируемость, окружающую среду и стоимость.
Более экологичный подход к химии
Мы стремимся создавать лучшие наноматериалы для важных приложений, учитывая при этом воздействие на окружающую среду на каждом этапе жизни наноматериала, от сырья до использования и утилизации продукта и любых побочных продуктов. Этот подход известен как «зеленая химия», концепция, разработанная в 1998 году, которая использовалась для разработки стратегий для более зеленых путей к наноматериалам.
Наноматериал из кремния подходит для этого подхода зеленой химии, потому что он уже производится в природе растениями и губками в качестве структурной поддержки. Какой лучший учитель для зеленой химии, чем учиться у самой природы? Моя исследовательская группа создала биоинспирированный кремний, продукт, который можно производить при комнатной температуре и в мягких условиях, в которых кремний естественным образом производится в биологии.
Теперь коллеги в моей исследовательской группе масштабируют производство биоинспирированного кремния, изучают его использование в различных приложениях и создают различные наноматериалы. Тем временем я изучаю, как изменение условий, в которых мы производим кремний, может улучшить свойства, такие как площадь поверхности, которые позволяют ему функционировать лучше.
У зеленых наноматериалов есть огромный потенциал для продвижения основных технологий, и если зеленый кремний можно будет масштабировать, потенциал для существенных изменений в доставке лекарств и возобновляемых источниках энергии будет огромным.
Предоставлено The Conversation
