Барбара РЭЙ

Помощники из мира нанометров

Коллоиды – удивительное оружие химии. Бедовые парни из мира нанометров делают фурор. Коллоиды могут положить конец ремеслу преступников, создать более эффективные катализаторы и медикаменты высокоспецифичного действия.

Слово – серебро, молчание – золото. Так во всяком случае думали немецкие банкиры в связи с изобретением доктора наук Рюдигера Идена. Химик из немецкой фирмы БАСФ в недавнем прошлом стал объектом внимания: он представил метод изготовления надежно защищенных от подделок банкнот. Благодаря этому методу высокопроизводительные копировальные станки, с помощью которых фальсификаторы ежегодно пускают в обращение пару миллионов марок «монопольных» денег, вместо красочных купюр выплевывают черные денежные знаки. Маскирующими веществами служат так называемые эффект-пигменты, которые наносят на поверхность денежных знаков. Защищенные таким образом банкноты отражают свет копировального станка, и копия получается черной. Между тем немецкие денежные учреждения наложили запрет на сообщение Идена. Они опасались, что фальшивомонетчики смогут найти контрмеры.
Эффект-пигменты – одно из ответвлений коллоидной химии, переживающей в настоящее время бурное возрождение (ренессанс). Коллоиды – это частички размером в нанометры, тончайше распределенные в какой-нибудь жидкости, газе или в твердом веществе.

Р.А.Зигмонди (1865–1929)

Коллоидная химия уже однажды переживала бум в двадцатые годы XX в. Тогда немецкий лауреат Нобелевской премии (1925) Рихард Зигмонди (Жигмонди) своими пионерскими работами помог совершить скачок в этой области науки. Жигмонди был первым, кто увидел коллоидные частички с помощью своего микроскопа высокой разрешающей способности. Тем самым он положил конец спору ученых – между защитниками «гетерогенной теории» и приверженцами теории растворов. Спор шел о том, что же, собственно, представляют собой коллоиды. Жигмонди решил спор в пользу защитников гетерогенности (рис. 1). Однако он еще не мог изучить строение и свойства этих «крошек». Это смогли сделать только современные растр-микроскопы и лазеры. Поэтому коллоидная химия сейчас переживает второе рождение.

Рис. 1. Коллоиды – пограничные системы

Тому, кто хотел бы увидеть коллоидные частички, имеющие размеры от одного до ста миллимикрон (нанометров), обычный световой микроскоп нисколько бы не помог. Эти частички меньше, чем длины волн видимого света, хотя они и состоят из тысяч миллиардов атомов.
Невооруженным глазом разглядеть коллоиды в каком-нибудь растворе совершенно невозможно: жидкость кажется кристально прозрачной. Только с помощью одного приема можно заставить коллоидные частички проявить себя. Это так называемый эффект Тиндаля. Если луч света проходит через коллоидный раствор, то он рассеивается маленькими твердыми частицами по всем направлениям. В случае истинного раствора из молекул этот луч при боковом наблюдении не виден, в случае коллоидного раствора путь света виден как светящийся конус (рис. 2).

Рис. 2. Конус Тиндаля

Коллоидные частицы могут быть тонко распределены в газе, жидкости или в твердом веществе. Более того, они сами принимают все агрегатные состояния. Их излюбленными формами при этом являются шарообразная, в виде палочек или дисков (рис. 3). Коллоиды могут состоять из углеводородов, т.е. иметь органическое происхождение, или из неорганического вещества, например серебра. Единственным критерием для отнесения их к коллоидам является размер частиц – от одного до ста нанометров.
Хорошо замаскированными встречаются нам такие наночастички изо дня в день и на каждом шагу: в ламинированной бумаге, красках, не образующих капель, суперпоглощающих пеленках, противокоррозионных покрытиях или в тюбике блестящей губной помады. К тому же они пригодились для приготовления безалкогольного пива. С помощью селективной коллоидной мембраны, которая пропускает только спирт, пивовары методом диализа делают напиток менее алкогольным. Все другие вещества в пиве при этом сохраняются, вкус его не изменяется. И наоборот, возможно сделать более алкогольное пиво, причем вода отфильтровывалась бы из пива с помощью специальной мембраны. Вопрос в том, понравилось бы на вкус такое «пиво-шнапс». Тем не менее такие мембраны существуют. Их назначение – очищать воду из отстойников. Некоторые фирмы в Германии выбрали этот метод для того, чтобы грязное пиво концентрировать в специальных сбросовых отстойниках и одновременно получать воду качества дистиллированной воды. При этом коллоиды выполняют еще одну задачу – освобождать воду из отстойников от бактерий.
Столь чужеродно звучащее слово «коллоид» происходит от греческого слова «коlla» – клей. Коллоиды знакомы нам под другими названиями. Так, большие молекулы протеинов, полисахаридов и нуклеиновых кислот в нашем организме являются не чем иным, как коллоидами.
«Кровь, кожа и многое другое представляют собой коллоидные системы, – объясняет профессор Маркус Антониетти из института Макса Планка по изучению коллоидов и граничных поверхностей. – Само собой разумеется, что мы берем природу за образец, когда создаем коллоиды сами. Между тем мы можем мастерить молекулы с различными функциями».
В химии полимеров стали возможными новые методы синтеза, с помощью которых химическая система может быть нарезана на частички, имеющие размеры в области нанометров. Тем самым ученые могут изготовлять коллоидные шарики из полистирола, на которых они прикрепляют тысячи щупальцеобразных акцепторов. Такие ловушечки из блокполимера, состоящего из стирола и винилпиридина, позволяют, например, «выуживать» ртуть из крови при отравлении ртутью.
Коллоиды, построенные таким образом, чрезвычайно реакционноспособны. Они могут связывать ионы тяжелых металлов в количестве, составляющем до 16 процентов их массы.
На основе твердых коллоидов можно создавать защитные оболочки из белковых тел. Таким способом в капсуле наночастиц удалось бы с потоком крови доставить нерастворимые в крови лекарства к месту действия. «Особенно полезными были бы такие нанокапсулы, – заявил Антониетти, – которые благодаря дополнительному помещению в них какого-нибудь антитела были бы адресными и целенаправленно могли посылаться к определенному типу клеток».
При такой форме применения лекарственное средство действует только в очаге заболевания, так что достаточно лишь незначительной дозы препарата. Кроме того, такие наночастицы так малы, что могут проходить через большинство барьеров, например через стенки кишечника. Правда, такие нанокапсулы не должны вызывать побочного действия в организме. Из пробирных методов оправдал себя тест на беременность.

Но коллоиды в медицине, конечно, способны на большее. Гели, которые содержат полимеры коллоидных частиц, реагируют на внешние факторы, такие, как изменения значений рН, температуры или силы электрического поля. В кислой среде желудка такой гель коагулирует, а в слабокислой среде кишечника, напротив, разбухает. Гели могли бы стать идеальным транспортным средством для медикамента, который должен проявить свое действие только в кишечнике.
Несомненно, существует целая палитра возможных новшеств в медицине. Например, в эндоскопии покрывают кабель-зонд из стекловолокна коллоидным гелем. Гель то разбухает, то снова сжимается, когда накладывается переменное напряжение. В результате кабель продвигается вперед. Сейчас в Японии проводят опыты по внедрению таких искусственных роботов – «дождевых червей» в хирургию минимального вмешательства в организм. Большим преимуществом метода является то, что не нужно с усилием проталкивать эндоскоп через сосуды, он сам себе прокладывает путь.
Коллоиды успешно применяют также в автоиндустрии, например, при создании катализаторов. Каталитическая активность обусловлена большой поверхностью частиц, которым «коллоидный архитектор» может придать желаемую форму, как на чертежной доске. Представим, что игральный кубик с длиной ребра один сантиметр раздробили на 10¹⁵ мини-кубиков с длиной ребра 100 нанометров. При этом поверхность увеличилась бы в 100 000 раз. Один грамм коллоида может запросто иметь поверхность футбольного поля.
Действие катализаторов проявляется только на их поверхности. Поэтому катализатор из коллоидной смеси металлов на несколько порядков активнее, чем из одного металла.
Коллоиды могут заботиться о том, чтобы водитель автомобиля даже в жаркий летний день сохранял холодную голову. Они превращают крышу автомобиля в некий щит против нагревания с высокой отражательной способностью. Специальные эффект-пигменты, находящиеся в лаке, отражают инфракрасное излучение, так что солнечные лучи больше не нагревают крышу автомобиля. Эффект-пигменты – это пластинки из стекла и слюды, покрытые диоксидом олова. Использование таких охлаждающих систем имело бы большое значение в защите окружающей среды.
Замена установок искусственного климата, поглощающих бензин, на эффект-пигменты позволила бы сэкономить только в Америке три процента от общего потребления бензина. Это количество превосходит потребление нефти всей химической промышленностью Германии при производстве различных химикатов за год.
Когда химик Вольфганг Оствальд первый раз увидел коллоиды под микроскопом в двадцатых годах XX в., он уже тогда осознал их громадный потенциал: «Я не знаю ни одной области нынешних естественных наук, которая так или иначе не затрагивала бы так много и таких разнообразных областей интересов. Конечно, теория атомов и радиоактивность тоже интересует каждого. Но эти вдохновенные деликатесы сравнимы с химией коллоидов, которая для многих областей необходима как насущный хлеб».
Тем не менее прошло более семидесяти лет, прежде чем открытие получило новую жизнь.

Сокр. пер. с нем. Н.Г.Роковой
(Bild der Wissenshaft, 1994, B. 11, S. 38–41)