Понятно, что чем больше поверхность твердого тела, тем большее количество вещества оно может поглотить. Также понятно, что для практических приложений важна не столько общая поверхность, сколько ее удельная величина, отнесенная к единице веса или объема сорбента. Как можно увеличить удельную поверхность твердого тела? Представим себе сплошной кубик с ребром 1 см. Легко подсчитать, что его поверхность составит 6 см2. А теперь возьмем дрель со сверлом диаметром несколько нанометров и начнем просверливать в кубике сквозные отверстия – поры, создавая при каждом проходе новую поверхность. В итоге мы получим все тот же кубик, но с суммарной поверхностью в сотни квадратных метров. Это именно та величина, которая нужна для практического применения.
У природы и ученых есть в арсенале более изощренные методы создания твердых тел с высокой удельной величиной поверхности, чем механическое сверление, но общий принцип сохраняется: все практически важные сорбенты имеют внутреннюю пористую структуру, характеризующуюся наноразмерами.
Таков активированный уголь, таблетки которого мы глотаем при желудочных отравлениях. Получают его до сих пор почти по Ловицу, обжигом без доступа воздуха древесины или костей животных, но лучше всего – скорлупы кокосовых орехов. Активацию полученного таким образом угля осуществляют попросту обработкой перегретым водяным паром, при этом вскрываются и очищаются внутренние поры, диаметр которых составляет несколько нанометров. После такой обработки активированный уголь готов принять на своей поверхности всякую гадость из содержимого нашего желудка, вредные вещества из питьевой воды или смолы из табачного дыма.
Другой сорбент, не менее важный и также встречающийся вам в быту, – силикагель. Пакетики с ним часто кладут в упаковку различных товаров, чтобы не отсыревали, – силикагель прекрасно сорбирует влагу из воздуха. По своему составу силикагель – тот же песок, только пористый. И получить его можно из песка с помощью незамысловатых операций – обработка щелочью, обработка кислотой, нагревание. Хитрость кроется в режимах обработки. Варьируя их, получают огромное количество марок силикагеля с различными диаметрами пор, в единицы и десятки нанометров.
И, говоря о сорбентах, нельзя обойти вниманием цеолиты – одно из самых совершенных и красивых творений мира неорганической природы. Казалось бы, обычная глина (даже и по составу), но заглянем внутрь! Представьте себе полость в форме правильного многогранника – кубооктаэдра, соединенную шестью “окнами” правильной формы с шестью точно такими же полостями и так до бесконечности, с регулярностью идеального кристалла. Собственно, цеолиты и являются кристаллами, но очень своеобразными. У меня же при взгляде на их структуру возникает другая ассоциация – с громадной космической станцией, одинаковые отсеки которой соединены между собой шлюзами.
Внутренний диаметр полости составляет 1,1–1,2 нм, форма же и диаметр “окон” зависит от типа цеолита. Бывают квадратные окна с диаметром менее 0,1 нм, шестичленные – 0,22 нм, восьмичленные – 0,4–0,5 нм, двенадцатичленные – 0,8–0,9 нм.
Как минералы цеолиты известны с незапамятных времен, но на их необычные свойства первым обратил внимание шведский естествоиспытатель Аксель Фредрик Кронштедт. В 1756 году он обнаружил, что при нагревании стильбита, минерала семейства алюмосиликатов, происходит вспучивание – увеличение объема образца, сопровождающееся выделением воды. Поэтому он и ввел термин “цеолит”, что в переводе с греческого означает “кипящий камень”. Впоследствии оказалось, что аналогичным свойством обладают и другие минералы этого семейства – клиноптилолит, морденит, фожазит, шабазит.
Ученые, расшифровав структуру цеолита более полувека назад, задались амбициозной целью воспроизвести и превзойти Природу. Это удалось сделать практически одновременно исследователям из СССР, США и Великобритании. Они разработали технологии производства синтетических цеолитов, позволявшие получать вещества с заданной структурой, не встречавшиеся ранее в природе. К настоящему времени синтезировано и изучено уже более 500 различных цеолитов, различающихся формой и размерами полостей и окон, составом и свойствами. В частности, ученые научились варьировать в относительно широких пределах (до 1,5 нм) размер пор цеолита.
Зачем это нужно? Алюмосиликаты, в частности глины, сами по себе являются хорошими сорбентами и с большей или меньшей эффективностью поглощают все компоненты сложных смесей. Но в цеолитах в дело вмешивается размерный фактор. В коммерческом цеолите А, например, диаметр входных отверстий составляет 0,22 нм, что совпадает с размером молекулы воды. Молекулы больших размеров просто не пролезут в цеолит, поэтому из влажной смеси газов цеолит А сорбирует только воду. Благодаря этому свойству цеолиты называют часто молекулярными ситами. При этом цеолиты поглощают воду до тех пор, пора она полностью не заполнит все свободное пространство внутри сорбента, все полости и поры.
Еще ярче молекулярно-ситовой эффект проявляется в случае углеводородов. Цеолиты с диаметром пор 0,4–0,5 нм пропускают внутрь линейные молекулы и дают от ворот поворот их разветвленным изомерам. Это свойство применяется в процессе депарафинизации керосино-газойлевых и масляных фракций нефти. Проблема состоит в том, что линейные (нормальные) углеводороды обладают высокой температурой застывания и их удаление из фракции снижает температуру застывания моторных топлив и масел, что чрезвычайно важно для России с ее зимними холодами.
С цеолитами вы сталкиваетесь и в быту, ведь современные стиральные порошки содержат от 15 до 30 % цеолитов. Они избирательно поглощают из воды ионы кальция и магния, именно поэтому современные стиральные порошки можно использовать в воде любой жесткости.
Но основная область применения цеолитов все же не адсорбция, а процессы нефтепереработки, где они произвели настоящую революцию. Они не только заменили в ряде процессов платиновые катализаторы, что само по себе поразительно, настолько сильно они различаются по химической природе и цене. При этом они еще позволили увеличить эффективность процессов: если в 1980 году, до внедрения синтетических цеолитных катализаторов, на производство одной тонны моторного топлива расходовали две тонны нефти, то сейчас – менее полутора.
Впрочем, мы заступили на поле катализа, о котором речь пойдет впереди, сразу в нескольких главах, ведь катализ – одна из основных областей нанотехнологий. Поэтому не будем больше углубляться в этот вопрос и подчеркнем лишь одну общую мысль: свойства поверхности зависят не только от ее химического состава и условий обработки, но и от геометрии. В наибольшей степени этот эффект проявляется при радиусе кривизны поверхности порядка нанометров, возможно, за счет роста напряжений и избыточной поверхностной энергии. Именно поэтому свойства поверхности, обрамляющей поры полости цеолитов, столь разительно отличаются от свойств плоских поверхностей алюмосиликатов с близким химическим составом.
Ученые имеют в запасе еще один мощный метод изменения свойств поверхности и тонкого регулирования структуры сорбентов или, в более общем случае, твердых тел. Представляю его с особым удовольствием, потому что с ним связаны пятнадцать лет моей жизни. Речь идет о химическом модифицировании поверхности. Конкретно мы занимались прививкой разнообразных органических соединений к поверхности неорганического вещества – силикагеля. Тогда совмещение воедино столь разных субстанций называлось скрещиванием ужа и ежа, аналогия нашего времени, порожденная рекламой, – пересадка волос на лысину. То, что мы получали, было действительно похоже на ежика – частокол органических молекул, накрепко связанных с поверхностью. Толщина этого слоя равнялась длине молекулы, то есть 1–2 нм.
Зачем мы этим занимались? Во-первых, это была интересная научная задача, находящаяся на переднем крае науки того времени, 70–80-х годов прошлого века. Во-вторых, получаемые материалы имели просто необъятное поле применения, в том числе в качестве сорбентов. Целенаправленно выбирая структуру прививаемого органического соединения, мы синтезировали сорбенты для извлечения из растворов конкретных ионов металлов, определенных органических веществ, аминокислот, белков и других биологически активных соединений. Извлечения и разделения. Разделения и определения. Затем, уже в новые времена, мы организовали производство разработанных нами сорбентов, их ассортимент сейчас измеряется сотнями наименований, они широко используются для мониторинга загрязнений окружающей среды, химического и биохимического анализа, в биотехнологии. Это была славная охота!
