Текст книги "Наполовину мертвый кот, или Чем нам грозят нанотехнологии"

Автор книги: Кирилл Иванов

Соавторы: Артем Балякин,Сергей Тараненко
сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 16 страниц) [доступный отрывок для чтения: 6 страниц]

1.2. Порошок или пыль?

Наука не может быть виновата. Виноваты только те люди, которые плохо используют ее достижения.

Фредерик Жолио-Кюри

Конечно, есть риски, которые мы осознаем и понимаем, которые мы учитываем уже сегодня, которые мы пытаемся оценить и предотвратить. Вот тому пример.

Нанотехнологии, что называется, генетически связаны с манипулированием наночастицами и их совокупностью, нанопорошком – огромным количеством наночастиц примерно одинакового или различного размера. Нанопорошок применяется для создания множества самых различных наноматериалов. Это и нанокомпозиты на основе специальных пластиков с добавлением упрочняющих нанодобавок (употребляют мудреное слово «препреги»), это и покрытие поверхностей нанопорошком, это и создание керметов [16]16
  Кермет – керамический металл, металлокерамика, искусственный материал, представляющий собой гетерогенную композицию металлов или сплавов, в том числе с неметаллами.


[Закрыть]– спекание смеси нанопорошков металлов в металлокерамику. Это и многое другое – конечно, если использовать наночастицы «похитрее», такие, например, как дендримеры (дендримеры подробно описаны в п. 2.1 «Фрактальная симфония»). Но факт остается фактом. При производстве нанопродукции часто используется нанопорошок. А бывает, что наноматериал содержит этот наноразмерный порошок в себе (так, например, устроены нанокомпозиты).

Риски, связанные с применением нанопорошков, изучены лучше всего. В чем здесь основная опасность? Частицы нанопорошка настолько малы, что клеточные мембраны (а в них есть маленькие «окошки» для того, чтобы обеспечить необходимый обмен веществ, работающий на принципах осмотического калий-натриевого насоса) не препятствуют проникновению наночастиц в клетки. Попадая в организм, возможно наш, наночастицы любят накапливаться в определенных его органах и тканях. Чтобы понять это, в жертву науки была принесена не одна мышка, естественно, не компьютерная. Таких мышей специально выводят для проведения экспериментов. Это так называемые чистые линии [17]17
  Чистая линия – группа организмов, имеющих некоторые признаки, полностью передающиеся потомству в силу генетической однородности всех особей.


[Закрыть]. Все они ближайшие родственники, поэтому про каждую из них известно очень многое – с ее копией уже проведено множество экспериментов. Но что еще важнее – результаты различных опытов, проведенных различными научными группами в разное время и в различных местах нашего мира, можно сравнивать! Ведь опыты ставились – пусть почти – на одной и той же мыши.

Вот на основании результатов множества опытов с различными нанопорошками ученые выработали свои рекомендации: это представляет опасность, это нет, данная концентрация порошка или экспозиция (концентрация, помноженная на время) безопасна, а вот эта – нет.

Свои рекомендации они оформили в виде СанПиНов. СанПиНы (санитарные правила и нормы) – это нормативные документы, обязательные к применению. Следует отметить, что российская система СанПиНов в сравнении с зарубежными наиболее адекватна возможным угрозам. Во-первых, если ее сравнивать с европейской или американской системой санитарных норм, она наиболее тщательно проработана, наиболее научно обоснована, опирается на мощнейший действующий институт Российской Федерации – Роспотребнадзор. Пусть вас не введет в заблуждение слово «санитарные» в названии – СанПиНы регулируют практически все вплоть до света лампочек, о чем речь идет в п. 1.5 «Светло, да не видно», а служба контролирует все, что регулируется СанПиНами. Кто не знает Геннадия Онищенко!

Но кроме общей «мощности» системы норм, устанавливающих санитарные правила, российский подход к разработке таковых для нанотехнологий отличается от мировых (американского и европейского) в лучшую сторону вот еще чем.

Европейский подход рассматривает нанотехнологии как один из видов технологий, которые регулируются уже существующими нормами. Возможно, их надо подправить, но они уже есть – написаны и зафиксированы. Очевидно, что такой подход не учитывает особенностей, связанных непосредственно с нанотехнологиями, а эти особенности есть. Во всяком случае они ожидаются: мы связываем с нанотехнологиями большие надежды, которые не реализуются в рамках традиционных технологий, значит, должны предполагать и их принципиальные особенности.

Американский подход, напротив, «пренебрегает» накопленным опытом. Нанотехнологии – это принципиально новое. И все должно строиться по-новому.

Российский подход – синтетический. Не отвергая накопленного опыта (надо заметить, громадного!), для нанотехнологий создают самостоятельные СанПиНы в рамках уже существующей единой системы СанПиНов.

Важно подчеркнуть, Российская Федерация – мировой лидер в области обеспечения нанобезопасности, понимаемой как санитарная безопасность (а это понимание крайне широко, как мы только что отмечали), как гарантия непричинения вреда здоровью отдельного человека: взрослого и ребенка, здорового и больного, потенциальной матери и беременной женщины. Для каждой группы населения, в том числе для отдельных профессиональных групп, – свои требования, свои нормы. И дело не только в том, что выбран правильный подход. В Российской Федерации проведен огромный объем практических исследований по обеспечению такой безопасности. И на основании полученных результатов создана система СанПиНов, рассматривающая нанобезопасность во множестве ее аспектов.

Правда, по утверждению самих разработчиков, далеко не все риски удалось устранить. Есть один риск, который трудно поддается анализу. Это риск долговременных последствий. Конечно, в опытах на животных мы заглянули далеко в будущее. За несколько лет исследований на мышах можно заглянуть за горизонт 50–70 лет человеческой жизни – учитывая разные темпы жизненных процессов. Но заглянуть дальше – трудно. Не все опыты можно ставить на быстроживущих дрозофилах, как это делают генетики.

Правда, один опыт природа сама поставила в долгосрочной перспективе. Есть такой материал – асбест. Это природный минерал, состоящий из нановолокон. Его применяют не только как огнеупорный материал (нановолокна – отличный термоизолятор), но и как термоизолирующий материал в строительстве. Было время, когда нельзя было найти дом, в котором при его строительстве не был применен асбест – где-то в большом объеме, где-то совсем немного. К счастью, это уже в прошлом. Оказалось, что этот материал, попадая в легкие человека, приводит к тяжелым последствиям. Астма – наименьшее из зол. Среди самых тяжелых последствий – рак дыхательных путей. И все это исключительно в силу механических свойств нановолокон асбеста, тех свойств, которыми обладают любые нановолокна. Следовательно, контакт нановолокон с органами дыхания должен быть исключен. СанПиНы это предусматривают уже давно.

То, что размер частиц может иметь последствия – и не только для здоровья человека, – хорошо демонстрирует факт запрета курения в машинных залах электронно-вычислительных машин в 70–80 годы прошлого века. Дело вовсе не в том, что заботились о здоровье сотрудников, – из-за табачного дыма выходили из строя дисковые накопители, ласково называемые ЭВМ-щиками «кастрюлями». Размер частицы табачного дыма соответствовал ширине зазора между диском и магнитной головкой. Попадая в этот зазор, дым работал как абразив, стачивая магнитную поверхность диска. И для организма человека (да и животного) тоже есть «критические» размеры частиц, например «дыма» из нановолокон, когда в нашем организме что-то «истирается». И СанПиНы это учитывают – этот размер частиц безопасен, а этот нет.

Но одними СанПиНами дело не ограничивается. Во-первых, совершенно все ими отрегулировать попросту невозможно. На каждый случай правило не напишешь. А во-вторых, там, где правила есть, их надо соблюдать, а это сложно.

И дело не только в потенциальной недобросовестности. Мы просто часто думаем, что делаем правильно, поступая так, как не следовало бы. Вам любой химик скажет, что с ионами металлов – любых металлов, в том числе серебра, – нужно быть осторожными. Их растворы лучше не пить. Однако еще совсем недавно было широко распространено изготовление «святой воды»: опускаешь в воду серебряную ложку, и вода не портится. И правда – не портится, потому что микробы передохли. И ключевое слово здесь «передохли». Но мы отчего-то уверены, что нам это не во вред, мы – не микробы! И если раньше это могло быть оправданно – не пить же воду, рискуя заразиться холерой или брюшным тифом, то сегодня у нас есть иные источники безопасной воды, в том числе благодаря нанотехнологичным фильтрам. И ионы серебра глотать для этого не обязательно.

Вы скажете, что пример «притянут за уши». Мало ли каких заблуждений раньше не было? Но именно этот пример сегодня «успешно» реализуется в нанотехнологиях.

Конечно, в условиях космического полета очень трудно часто менять носки. Да и для военнослужащего в условиях боевых действий, учений, к ним приближенных, просто в сложных условиях, актуальна та же проблема. Поэтому носки, ткань которых содержит серебряные наночастицы, не дающие ногам «потеть», – вещь, безусловно, полезная. Но это не отменяет того факта, что наночастицы серебра в целом для организма вовсе не полезны. Но за дело принимается реклама – и носки с наночастицами серебра становятся предметом моды. Они становятся «желательными». Мы носим такие носки на том же основании, которое побуждает нас чистить зубы. Неряшливо поступать иначе!

А может быть лучше чаще менять носки? Мы же не космонавты – нам это не трудно. Но что мы будем делать, если других носков попросту не будет? А такое вполне может случиться, например по экономическим причинам. Зачем выпускать дешевые носки, если можно делать их дороже? Они не только носки, но и антисептик. Два в одном. Значит – дороже! Вам это не нужно? А ответьте себе, сколькими опциями своего мобильного телефона вы активно пользуетесь? Заплатили-то вы за все!

С применением санитарных норм связано и следующее обстоятельство. Для разных категорий людей, как мы уже отмечали, установлены разные нормы. И это справедливо! Для детей – одно, для взрослых – другое. Все верно! Вот только осталось объяснить, почему учеников кормят школьными обедами такого качества, что взрослый есть не станет. Он-то, взрослый, имеет – пусть ограниченную – возможность выбирать, а школьник нет. Вот захотели взрослые дяди дать в руки ребенку планшетник вместо привычной книги. И оказывается одни СанПиНы можно изменить (что равносильно отмене), а другие придумать: нельзя же «бедному» ребенку носить тяжелые книги – вредно это, а на остальное – наплевать. Наплевать на зрение, на навыки, на… впрочем, подумайте сами.

Риск, что с нанотехнологиями будет так же, можно считать уже состоявшимся (планшетник, кстати, проходил по статье «нано», правда трудно понять, с какой стати [18]18
  Конечно, можно считать, что все, что делает Роснано, – по определению нано, но строго обратное утверждение, по мнению авторов, гораздо больше соответствует фактам.


[Закрыть]).

Вы можете заметить, что все это «человеческий фактор». Просто власть должна быть более эффективной и не принимать неверных решений, как это имеет место с вышеприведенным планшетником, что дельцы должны быть не дельцами, а бизнесменами, не лоббирующими такие решения, что рынок должен быть совершенным, конкуренция на котором не позволяет принуждать нас к ношению чудо-наноносков с вредным для здоровья серебром, что, наконец, мы сами должны быть готовы… И так далее… Да, наверно, фактор действительно «человеческий». Вот только не бывает технологий в отрыве от «человеческого» фактора – мы об этом вас предупреждали еще во введении.

Предполагать идеальные условия – это значит отказаться от учета рисков в принципе. Природа риска такова, что нежелательного может и не быть. Мы вообще-то надеялись и надеемся, что нежелательного не произойдет. Вот только «карты легли» как-то не так. И то, что казалось в идеальных условиях безопасным, безвредным, вдруг оказалось пренеприятной гадостью.

Конечно, при анализе рисков следует различать технологический и человеческий факторы, хоть они и принципиально связаны. И лишь технологическая составляющая позволяет риску иметь место – не можем же мы устроить взрыв из ничего, какой человеческий фактор ни прикладывай, а вот из мелкодисперсного порошка – пожалуйста. Если взять бумажный пакет сахарной пудры, «хлопнуть» его, чтобы пудра разлетелась, и бросить в облако пудры горящую спичку… Пудра, продававшаяся в конце 60-х, первой половине 70-х годов в каждой московской булочной, – технологический фактор. Юный возраст одного из авторов этой книги – человеческий фактор. К счастью, в те далекие годы все закончилось относительно благополучно. А вот взрыв на мукомольном производстве – а такое, наверное, было не раз – имеет куда более тяжелые последствия. И поди пойми, какой человеческий фактор сработал: закурил ли какой-нибудь идиот, не досмотрел ли за электрическим контактом электрик, что привело к искре, – скорее всего, этого никогда не узнать. Важно помнить: если есть технологическая возможность – человеческий фактор найдется, например в лице ребенка, ставящего небезопасный эксперимент с сахарной пудрой, или взрослого, испытывающего очередную версию вакуумной бомбы (о которой речь пойдет ниже) на основе взвеси нанодисперсных частиц, нашего нанопорошка – разница часто бывает не велика. Заодно запомним: если нанопорошок получен из материала, который в принципе может гореть – а это наши фуллерены и нанотрубки, то над ним лучше не проводить подобных экспериментов по распылению. А производства должны иметь соответствующую систему взрывобезопасности – как на мукомольном производстве, с учетом всех «человеческих» факторов.

Краткая таблица рисков

Риск вреда наночастиц здоровью человека на производстве. Риск применения материалов с содержанием нанопорошка для здоровья потребителя.

Риск побуждения к неправильному применению изделий с содержанием наноматериалов.

Риск долговременных воздействий наноматериалов на организм человека.

Риск недостаточности или несоблюдения санитарных норм и правил.

Риск сознательного искажения санитарных норм и правил в силу нетехнологических причин.

Риск неучета человеческого фактора при обращении с наноматериалами.

1.3. Коварная прочность и оловянная чума

Чтоб доверие было прочным, обман должен быть длительным.

Дон Аминадо (А. П. Шполянский)

Наша санитарная безопасность применения наноматериалов, как написано выше, во многом зависит от поверхности материала. Но безопасность – не только санитарная. Что мы хотим от материала? Прочности? Пластичности? Электропроводности? Конечно, для разных материалов – разного. Но только ли этого мы хотим? Нет! Прежде всего мы хотим, чтобы материал, любой, нас не подвел, чтобы он в любых разумных условиях был прочным, пластичным или электропроводящим. А это зависит, как правило, не от поверхности, а от всего материала целиком. Соответственно риски, которые мы рассмотрим здесь, – это риски применения объемно наноструктурированных материалов. А с ними связана одна принципиальная особенность.

Наноструктурное состояние – это так называемое метастабильное состояние. Пояснить это можно следующим образом. В разных условиях материал предпочитает находиться в различных состояниях: для каждого условия – свое состояние. Так, вода выше 100 градусов должна быть паром. Это ее нормальное, стабильное состояние. Она и закипает. Но можно воду – очень чистую воду, не содержащую ни пузырьков газа, ни пылинок, ни растворенной соли (всего того, что может быть центрами закипания), – нагреть до температуры и выше 100 градусов. Вода бы закипела, но она не знает, откуда начать. Но стоит бросить в нее крупинку, вода «взорвется», мгновенно превратится в пар. Перегретая жидкость (в нашем случае – вода) – это нестабильное состояние. Метастабильное состояние в чем-то похоже на стабильное – оно относительно устойчиво. Одновременно оно похоже и на нестабильное – также относительно. Дело только в степени этой относительности. Как правило, мы считаем мета-стабильные состояния столь же устойчивыми, сколь и стабильные. Твердое тело – а именно для него не только возможны, но и характерны метастабильные состояния – может находиться в различных состояниях. Замечательный тому пример – углерод.

Мы хорошо знаем уголь, графит и алмаз. Но благодаря нанотехнологиям мы узнали и другие состояния углерода: фуллерены, углеродные нанотрубки, графен. Все эти состояния устойчивы – но в том смысле, о котором речь шла выше. Материаловеды и технологи знают, что металлы и сплавы могут находиться в различных состояниях, в зависимости от условий, переходящих друг в друга. Для каждого набора условий: температуры, давления и других – свое состояние. Но твердое тело на то и твердое, что переходы между состояниями затруднены. Состояние, забравшееся не в свои условия, и есть состояние метастабильное. Оно устойчиво, но все же предпочтительнее другое состояние. И если постараться, то в этих условиях будет реализовано именно оно.

Так вот, повторим: наноструктурные состояния часто и есть состояния метастабильные. Приведем тому пример. Для корпусов ядерных реакторов нужен металл, не разрушающийся от потока постоянно бомбардирующих его, вылетающих из активной зоны реактора, нейтронов. Это достигается так. Сталь наноструктурируют: она состоит из зерен наноразмера – около 3 нм в диаметре. И дефекты (а это дефекты кристаллической решетки: здесь что-то лишнее, а в другом месте этого не хватает), образующиеся от бомбардирующих нейтронов, не могут покинуть границы этого маленького, в полтора десятка атомов, зерна. Из-за этого через какое-то время дефекты, двигающиеся по кристаллической решетке [19]19
  Дефекты могут двигаться по кристаллической решетке так же или почти так же, как в ней движется электрон проводимости. Для того чтобы дефект двигался, не нужно, чтобы двигался атом решетки: атомы передают дефекты «из рук в руки», как электроны.


[Закрыть], но неспособные покинуть область пространства, ограниченного частицей, обязательно встретятся. И дефекты компенсируют друг друга. Кристаллическая решетка станет такой же, какой она была до ее поломки пролетевшим нейтроном.

Для нас важно здесь вот что. Наноструктурированная сталь – это не сталь с большими зернами. Каждое зерно – малюсенькое. Такое состояние метастабильно. В естественном состоянии сталь устроена иначе.

Мы можем быть уверены, что в тех условиях, которые мы имеем, между стабильным и метастабильным состояниями нет никакой практической разницы. Да и не «вскипит» материал, как перегретая вода, – не тот случай. Да – не вскипит. И все же…

1912 год. Экспедиция Р. Скотта гибнет при возвращении с Южного полюса. Увы, норвежец Р. Амундсен и его экспедиция обогнали экспедицию Скотта на 33 дня; англичанин Скотт, покорив Южный полюс, увидел там уже установленный национальный флаг Норвегии. После этого горького разочарования беды обрушились на экспедицию. Гангрена. Температура минус 35. Они не смогли вернуться – не дошли совсем немного. Топливо закончилось 23 марта, пищи оставалось на два дня. А до склада, где было все нужное, было меньше 17 километров. Скотт умер последним. Последняя запись в дневнике Скотта датирована 29 марта 1912 г.

«Закончилось топливо» – это одна из важнейших причин трагедии. Именно топливо – то, что позволяет выжить при таком морозе. А топлива не хватило лишь потому, что оно было утеряно, просочилось из баллонов сквозь запаянные оловом швы. Скотт не знал, не мог знать, что на таком холоде с оловом происходит, казалось бы, неожиданное.

Привычное нам олово в обычных условиях – белый металл, пластичный и ковкий. При нормальной плюсовой температуре олово выглядит так, что никто не может усомниться в его принадлежности к классу металлов. Но при температуре ниже всего 13,2°C (чуть ниже комнатной температуры!) устойчивое состояние олова иное. Начиная с этой температуры, в структуре олова начинается перестройка. Белое олово превращается в порошкообразное серое, или альфа-олово, и чем ниже температура, тем больше скорость этого превращения. Максимума она достигает при минус 39°C.

Плотность серого олова заметно меньше, чем белого. Видимый результат превращения белого олова в серое называют «оловянной чумой» – она проявляется в виде серых пятен на белом олове, чем и напоминает чуму. Кроме того, чумой этот процесс назван потому, что для начала процесса превращения белого олова в серое достаточно незначительного количества «затравки» – кристаллов серого олова. Словно заразная болезнь, серое олово расползается, заражая здоровый металл.

Итак, давайте не забывать, что наноструктурированные материалы метастабильны. И хорошо заранее тщательно проверить, как они ведут себя в различных условиях, прежде чем в условиях сильных магнитных полей или космического пространства наш материал неожиданно для нас заболеет какой-нибудь наноструктурной ветрянкой или метастабильной корью.

Но проверять надо не только материалы для космических аппаратов или термоядерных реакторов – токамаков (именно там существуют такие сильные магнитные поля, превышающие магнитные поля Солнца). Наноструктурные материалы будут повсюду: в автомобильных и железнодорожных мостах, подверженных постоянной вибрации, в корпусах самолетов, в которые попадают сильные электрические разряды – молнии во время грозы, в контактных сетях скоростных электропоездов, подверженных длительному воздействию постоянного тока – текущего в одну сторону, в отличие от привычного нам переменного. И главное, чего мы хотим от этих материалов, – чтобы он не подвел. А если материал новый – такой риск нельзя сбрасывать со счетов.

Риск того, что достаточно проверенный новый материал может в неординарных условиях повести себя не так, как мы того ожидаем, имеет своего «тезку». Речь идет о риске нештатного поведения нового материала в стандартных условиях, чего мы тоже от него не ожидаем, но по иным основаниям – ложной уверенности, необоснованного доверия к качеству, предъявляемому наиболее высокотехнологичными секторами экономики.

При создании космических аппаратов применяют новый наноматериал – кермет. Зерна металла, размером до 5 нм, окруженные такими же зернами другого металла или его окисла (а чтобы такое получилось, металлов должно быть несколько), спекают под давлением. Получается композит – много металлов вперемешку. Почему металлы разные? Очень просто. Нанопорошок получают размолом металла специальными мельницами (есть и другие способы, но сейчас нам это не важно). При размоле частицы становятся все меньше: начинают с размера несколько микрон и доходят до наноразмера. Однако начиная с диаметра частиц около 25 нм процесс помола сталкивается с препятствием. Отдельные, более мелкие частицы предпочитают слипаться – между ними образуются перемычки, и наноструктура нарушается. А нам нужны частицы от 10 до 5 нм. Именно они обладают нужными нам свойствами. Если соседние частицы принадлежат разным металлам, такого слипания не происходит, как минимум быстро.

Но у нас нет гарантии, что зерно кермета не будет укрупняться с течением длительного времени. Сегодня космический аппарат – как правило, спутник, живущий менее 5–7 лет [20]20
  Время жизни спутников нового поколения – 15 лет.


[Закрыть], или вообще одноразовые ракетоносители и разгонные блоки. Этой проблемой можно и не озадачиваться.

В основе некоторых современных автомобилей лежат технологии авиастроения. Таковы, например, компании «Субару» и «Мазда». Существует устойчивое мнение об «авиационном» генезисе некоторых автомобилестроительных компаний, например «Ауди». Как же – авиационные технологии, примененные в автомобилестроении; качество, недоступное другим! Прекрасная основа для продвижения своей продукции.

Представьте, что кто-то решит перенести космические технологии в нашу «земную» жизнь, например в судостроение, под лозунгом: космическое – значит надежное. Гражданское судно или военный корабль, живущие 40 лет и более, – норма. Но как поведет себя критически важная деталь из кермета через 20–25 лет? В рамках космических разработок этого никто не проверял.

Для того чтобы точно знать, как ведет себя материал с течением длительного времени, нужно это самое время. Не каждый процесс можно ускорить, быстро и надежно промоделировать численными методами. Все эти методы сами требуют верификации и, прежде всего, натурного опытного подтверждения, т. е. времени.

Но мы торопимся. У нас множество планов, новых конструкторских решений, которые стали возможными только благодаря появлению нового материала. Такая ситуация – особенность наноматериалов. Мы их для этого и разрабатывали и создавали: сделать невозможное. И мы не можем ждать.

И как результат – вынуждены нести риски.

Краткая таблица рисков

Риск метастабильного состояния – риск утраты наноструктуры.

Непредсказуемость поведения материала в неординарных условиях.

Риск нештатного ошибочного применения наноматериалов на основании опыта других секторов экономики.

Риск несоответствия высоких темпов технологического развития, требующих новых материалов «сегодня», времени на их полноценную проверку.