Идею учёным подсказала сама природа.
«Растения очищают воздух, поглощая ультрамелкую пыль через устьица, расположенные на поверхности листьев, – рассказывает доцент кафедры экологии и химической технологии Института естественных и точных наук ЮУрГУ Татьяна Крупнова. – Устьица работают, как мельчайшие насосы, осуществляя газообмен между растением и атмосферой. Коллектив лаборатории экологических проблем постиндустриальной агломерации в ходе исследований, поддержанных Российским научным фондом и Правительством Челябинской области, показал, что накопление металлов в листьях деревьев происходит именно за счет поглощения ультрамелкой пыли через устьица».
.jpg)
Ультрамелкие частицы, переносимые по воздуху, часто называют РМ10 и РМ2,5. Подстрочный индекс характеризует диаметр частицы: не больше 10 мкм и не больше 2,5 мкм. Под фотографией, сделанной электронным микроскопом, есть шкала. По ней мы видим частицу, застрявшую в устьице размером примерно 5 мкм. Пыль как пыль. А из чего она состоит? Узнать это помогает рентгенофлуоресцентная приставка, благодаря которой «высветится» каждый элемент таблицы Менделеева.
В состав пылинки входят кальций, углерод, кислород, кремний, алюминий. Это не страшно: алюмосиликаты и карбонаты – обычный состав уличной пыли. Куда большую тревогу вызывают мышьяк (As) и свинец (Pb). Поэтому так важно в промышленных городах убирать и вывозить листву с газонов вблизи предприятий, в противном случае свинец и прочие опасные вещества останутся в почве и с частицами пыли снова будут засорять устьица листьев и наши лёгкие.
Один из трендов современной науки – использование природоподобных технологий. Почему бы не «скопировать» то, что создавала веками природа, что отрабатывалось в ходе эволюции? И учёные ЮУрГУ задумались над разработкой покрытий, поры которых смогли бы поглощать микро- и наночастицы, подобно устьицам листьев.
Основой для таких покрытий послужили мезопористые сферические частицы оксида титана. Их синтезировали химики кафедры экологии и химической технологии ЮУрГУ и опубликовали об этом статью в «Журнале некристаллических твердых тел» (“Journal of Non-Crystalline Solids”) престижного издательства «Эльзевир».
Взгляните на иллюстрацию, как они выглядят под электронным микроскопом. Симпатичные шарики микроразмеров годятся в качестве «строительного материала».
Оказалось, что если их добавить к силикату калия или калийному жидкому стеклу, то можно получить пористые покрытия, которые удерживают частицы мелкой промышленной пыли. Это открытие было опубликовано Татьяной Крупновой и её коллегами в японском Международном журнале Геомейт (International Journal of Geomate) в начале 2023 года.
Вот фотографии, сделанные электронным микроскопом «до» и «после». Слева видны поры покрытия, а справа в них уже попали пылинки.
«На основе этого открытия мы предложили состав силикатной фасадной краски и подали заявку в Роспатент, – рассказывает Татьяна Крупнова. – Сотрудники ЮУрГУ первые, кто предложил состав краски именно с функцией очистки воздуха от ультрамелких частиц».
Такая краска абсолютно экологична, она не содержит органических компонентов. Ею можно красить не только фасады домов, но и промышленные помещения. На дорогах города «умной» краской можно покрывать бордюры или наносить дорожную разметку. В первом случае краска сможет улавливать микрочастицы промышленной пыли, а во втором – невыхлопные транспортные, образующиеся при истирании дорожного полотна или шин. Чтобы очистить забитые «устьица», достаточно промыть поверхность под напором воды, и краска снова будет работать, как фильтр.
Сейчас челябинские ученые работают над тем, чтобы подобрать состав, который позволит краске не только поглощать пыль, но и удалять из воздуха органические загрязнения. Микробиологические исследования показали, что суспензии некоторых гранул фотокаталитического оксида титана эффективно убивают бактерии кишечной палочки и стафилококка.
Вот как это выглядит под электронным микроскопом: «оксититановая» оболочка окружает бактерию, словно скорлупа, и «выдавливает» её. Иными словами, под воздействием оксида титана бактерия кишечной палочки приобретает форму кокко-бактерии, а затем и вовсе разрушается, становится нежизнеспособной.
«Такие свойства обнаружены нами впервые и пока не опубликованы, требуется детально разобраться с механизмом, объяснить полученные явления, – рассказывает Татьяна Крупнова. – Мы работаем над составом краски, которая будет очищать и обеззараживать воздух. Нужны будут сначала лабораторные испытания, а затем и исследования в реальных условиях».
Исследования и работы, упомянутые в статье, выполнены при поддержке Мегагранта в рамках проекта «Приоритет-2030».