Токсичност на наночастици
Автор: Михаил Василиевич Супотницки.
Федерална държавна институция "42 Научноизследователски център за биологична безопасност на Министерството на отбраната на Руската федерация"
Федерална държавна организация "42 Изследователски център по биологична сигурност на Министерството на отбраната на Руската федерация"
Специална комисия на НАТО наскоро заключи, че съществува голям риск от разработване на нови видове химически и биологични оръжия на основата на наночастици. Освен това, с развитието на нанотехнологиите у нас, неизбежно ще се сблъскаме с разпространението на различни наноматериали и технологии за тяхното производство. Следователно прицелвам се тази работа е да се идентифицират онези характеристики на наночастиците, които определят тяхната токсичност.
Границите на наносвета. Наносветът е представен от структури, чиито характерни размери са представени с нанометри (1 nm = 10 -9 m = 10-6 mm = 10 -3 микрона), но това не означава, че ако даден обект се измерва с нанометри, тогава ще проникнем в новия свят. Размерът на атомите и атомните молекули е около 0,1 nm, но отделен атом не е наноструктура. В химията е общоприето, че наноструктурата е резултат от самокондензация на атоми и молекули в малки атомни агрегати (клъстери), които са междинна връзка между изолирани атоми и молекули (от една страна) и масивна ( насипни) твърди, от друга. Отличителна черта на клъстерите атоми (молекули) от първоначалните атоми (молекули) е „немонотонната зависимост на свойствата от броя на атомите в клъстера“. Преходът към твърдо вещество се осъществява чрез увеличаване на клъстерите - минималният брой атоми в клъстера е два, горната граница съответства на броя на атомите, когато добавянето на още един атом не променя свойствата на клъстера, тъй като преходът от количествени промени към качествени вече е приключил. Обикновено такава структура отговаря на 1-2 хиляди атома и тя е границата между клъстера и изолирана наночастица (фиг. 1)
Ето как очертахме долна граница наночастици - започва в размер от 1 до 4 nm, т.е.с образуването на твърдо вещество. Горна граница наночастицата се определя от свойствата на нейния повърхностен слой. Фракция от атоми (α), разположени в тънък повърхностен слой (
1 nm), расте с намаляващ размер на частиците R, тъй като α ≈ S/V ≈ R 2/R 3 ≈ 1/R (тук S е повърхността на частицата, V е нейният обем). Но атомите, дислоцирани на повърхността на частицата, имат свойства, които се различават от „обемните“, тъй като те са свързани с околните атоми по различен начин, отколкото по обем. В резултат на ненаситеност на връзките на повърхността на наночастица може да настъпи атомна реконструкция и да се появи ново подреждане на атомите; свободните повърхности могат да съдържат атоми и молекули, адсорбирани от външната среда; допълнителни характеристики се появяват в близост до атоми, разположени по краищата на едноатомни тераси, первази и вдлъбнатини. Взаимодействието на електроните със свободната повърхност също води до появата на специфични явления в близост до повърхността. Има и други ефекти, повече подробности за тях можете да намерите в специалната литература (например от [1]). Важно е и друго нещо, всичко това, взето заедно, дава основание на химиците да разгледат повърхностния слой на частиците, при който съотношението на броя на атомите (молекулите), лежащи на повърхността, е по-голямо или равно на обемно, тъй като някои ново състояние на материята. Външно тя се проявява като рязко увеличаване на химическата и каталитичната активност на повърхността, увеличаване на нейната сорбционна способност и други ефекти. Следователно в химията под наночастици се разбират тези със съотношение на броя на повърхностните атоми (молекули) към обемните ≥ 1. В това определение наночастиците с вещества с ниско молекулно тегло се считат за обекти с размер до 10 nm, за високо молекулно тегло - до 100 nm. Тези размери са горната граница на наносвета.