Нанокремнезём

Нанокремнезём — это общее название для синтетических или природных материалов, состоящих из частиц диоксида кремния (SiO₂) с размерами в нанометровом диапазоне (от 1 до 100 нм). Относится к классу наноматериалов и аморфных диоксидов кремния. Ключевые характеристики: чрезвычайно высокая удельная поверхность (до 800 м²/г и более), развитая пористость, химическая инертность, высокая адсорбционная способность и оптическая прозрачность в видимом диапазоне. В отличие от кристаллического кварца, нанокремнезём обычно находится в аморфном (стеклообразном) состоянии.

История

Первые упоминания о получении коллоидного диоксида кремния относятся к началу XX века. В 1915 году немецкий химик Вальтер Нернст запатентовал способ получения кремниевого геля. Однако массовое промышленное производство нанокремнезёма началось в 1940-х годах в США и Германии (процесс «Aerosil» — получение пирогенного кремнезёма пламенным гидролизом тетрахлорида кремния). В СССР разработки в этой области велись с 1950-х годов, в частности, в Институте химии силикатов имени И. В. Гребенщикова РАН. Современные методы (золь-гель технология, микроэмульсионный синтез) позволили получать частицы с контролируемым размером, формой и пористостью.

Классификация

Нанокремнезём классифицируют по нескольким признакам:

По способу получения

• Пирогенный (аэросил) — получают сжиганием тетрахлорида кремния SiCl₄ в пламени водорода или метана. Частицы сферические, не пористые, размер 5–50 нм.
• Преципитированный (осаждённый) — синтезируют осаждением из растворов силикатов щелочных металлов (например, силиката натрия) кислотами. Частицы более крупные (10–100 нм), часто образуют агрегаты.
• Золь-гель кремнезём — получают гидролизом алкоксисиланов (например, тетраэтоксисилана, TEOS) в водно-спиртовой среде. Позволяет создавать частицы с точным контролем размера (например, сферические частицы Stöber-методом, 50–2000 нм).
• Механический (размол) — получают измельчением природного кварца или стекла до наноразмеров. Менее распространён из-за загрязнений и полидисперсности.

По структуре

• Непористый (сплошной) — плотные частицы без внутренних пор.
• Мезопористый — содержит поры диаметром 2–50 нм (например, MCM-41, SBA-15).
• Микропористый — поры менее 2 нм.
• Полые (капсулы) — имеет пустоту внутри, что позволяет использовать для доставки веществ.

По форме

• Сферический — наиболее распространённая форма.
• Волокнистый — нитевидные структуры.
• Пластинчатый — чешуйки (встречается редко).

Физико-химические свойства

Основные свойства нанокремнезёма определяются его наноразмером и высокой удельной поверхностью:

• Удельная поверхность: от 50 до 800 м²/г (для пирогенного — до 400 м²/г, для мезопористого — до 1000 м²/г).
• Плотность: истинная плотность аморфного кремнезёма около 2,2 г/см³; насыпная плотность может составлять 0,03–0,2 г/см³ (очень лёгкий порошок).
• Адсорбция: эффективно поглощает влагу (гигроскопичен) и другие полярные молекулы; может адсорбировать до 40–60 % воды от собственной массы.
• Оптические свойства: прозрачен в видимом диапазоне; в ультрафиолете может проявлять люминесценцию (при легировании).
• Химическая стойкость: устойчив к действию большинства кислот (кроме HF), но растворяется в щелочах с образованием силикатов.
• Температурная стабильность: аморфный кремнезём кристаллизуется при температурах выше 1200 °C, превращаясь в кристобалит или тридимит.

Применение

Нанокремнезём используется в самых разных отраслях промышленности и науки.

В строительстве и производстве бетона

• Добавка в бетон и цемент (микрокремнезём) повышает прочность, водонепроницаемость и долговечность (до 50 % увеличения прочности на сжатие). В России активно применяется при строительстве мостов, плотин и высотных зданий.

В химической промышленности

• Загуститель и тиксотропный агент в красках, лаках, клеях, герметиках. Предотвращает оседание пигментов.
• Носитель катализаторов — мезопористый кремнезём используется для иммобилизации металлических наночастиц (например, палладия) в каталитических процессах.
• Сорбент для очистки газов и жидкостей (в том числе для удаления влаги, масел, органических загрязнителей).

В фармацевтике и медицине

• Наполнитель в таблетках и капсулах (улучшает сыпучесть и прессуемость).
• Носитель для лекарственных средств — пористые частицы позволяют контролировать высвобождение активных веществ.
• Компонент зубных паст (абразивный агент) и косметических средств (пудра, тональные основы — матирует, впитывает жир).

В электронике и оптике

• Покрытия для оптических линз (просветляющие и защитные плёнки).
• Материал для фотоники — создание фотонных кристаллов и волноводов.
• Компонент диэлектрических слоёв в микроэлектронике (interlayer dielectrics).

В экологии

• Очистка сточных вод — адсорбция ионов тяжёлых металлов (свинца, кадмия, ртути) и органических красителей.
• Улавливание CO₂ — функционализированный кремнезём (например, аминами) используется для поглощения углекислого газа из промышленных выбросов.

В пищевой промышленности

• Пищевая добавка E551 — используется как антислёживающий агент (в соли, сахаре, специях, сухих смесях). В России разрешён к применению в соответствии с ТР ТС 029/2012.

Биологическая безопасность и токсикология

Вопрос безопасности нанокремнезёма остаётся предметом исследований. Аморфный кремнезём (в отличие от кристаллического кварца) не вызывает силикоза — профессионального заболевания лёгких. Однако при вдыхании наночастиц возможны воспалительные реакции в лёгких, особенно при высокой концентрации и длительном воздействии. В 2019 году Международное агентство по изучению рака (МАИР) классифицировало аморфный кремнезём как «возможно канцерогенный для человека» (группа 2B) при ингаляционном воздействии. При пероральном поступлении (через пищу) нанокремнезём считается безопасным в используемых дозах — он не всасывается в кишечнике и выводится с калом. В России действуют гигиенические нормативы: ПДК в воздухе рабочей зоны для аэрозолей аморфного кремнезёма — 6 мг/м³.

Интересные факты

• Нанокремнезём является основой для создания «жидкого стекла» (раствора силиката натрия), но сам по себе не растворяется в воде.
• В природе нанокремнезём встречается в виде опалов (гидратированный аморфный кремнезём) и в составе скелетов диатомовых водорослей (диатомит).
• В 2018 году российские учёные из Института физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск) разработали метод получения мезопористого кремнезёма из рисовой шелухи — доступного и возобновляемого сырья.

Источники

• ГОСТ Р 54607.1-2011 «Кремнезём аморфный. Технические условия».
• IARC Monographs on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans. Volume 108 (2019).
• Bergna, H. E., Roberts, W. O. (Eds.). Colloidal Silica: Fundamentals and Applications. CRC Press, 2005.
• Brinker, C. J., Scherer, G. W. Sol-Gel Science: The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing. Academic Press, 1990.
• Материалы конференции «Нанотехнологии в строительстве» (Москва, 2020).