Силикатная безопасность
При словосочетании «слоистый силикат» на память сразу же приходит неприятное слово «силикоз» — хроническое заболевание легких у шахтеров и других рабочих, пребывающих в пыльных помещениях. Очевидно, что при разложении тары из нанокомпозита с пластинками монтмориллонита будет образовываться пыль, состоящая из этих пластинок, более-менее плотно обмотанных обрывками молекул полигидроксибутирата. Вряд ли, рассеявшись по лесу, продукты разложения пластиковой бутылки способны причинить какой-то вред: полимер довольно быстро разложится на воду и углекислый газ, а глина — она и есть глина. Этим предлагаемое учеными из ИНХС РАН решение выгодно отличается от альтернативы смешать при изготовлении пленки разлагаемый и неразлагаемый пластики: первые разложатся, а вторые превратятся в полимерную пыль, и мусор как будто исчезнет, хотя на самом деле он лишь измельчится и долгие годы будет присутствовать в окружающей среде.
Однако биоразлагаемый нанокомпозит начинает разлагаться сразу после изготовления, и заметные количества нанопыли будут присутствовать ив местах производства тех же прохладительных напитков, и на складах продукции, ив крупных торговых центрах, не говоря уже про еду в биоразлагаемой тарелке. Сам полигидрокисбутират абсолютно биосовместим, стало быть, безвреден. А как насчет наночастиц монтмориллонита?
До проведения соответствующих испытаний наверняка сказать ничего нельзя, а общие соображения можно найти в соответствующей статье справочника «Вредные вещества в промышленности», т. 3 (Л: Химия, 1977).
Про сам монтмориллонит в нем ничего не сказано, следовательно, это вещество, издавна применяемое в виде гончарной или сукновальной глины, в своем природном виде безвредно. Более того, адепты глинолечения (есть и такое направление народной медицины) считают, что полезнее всего употреблять внутрь именно монтмориллонитовую глину. Однако в природном виде частицы этого минерала равноосны, а в нанокомпозитах используют пластины нанометровой толщины. Это заставляет задуматься: не секрет, что основа нанотехнологии — кардинальное изменение свойств вещества при переходе к наноразмерам. Вполне возможно, что это изменение может быть как полезным, так и вредным. Как себя ведут другие силикаты с неравноосной формой частиц?
Наиболее вредный среди них — асбест. Под этим названием объединена группа силикатов, способных расщепляться на тончайшие волокна. Именно с этой особенностью ученые и связывают способность асбестовой пыли вызывать самую опасную форму силикоза — асбестоз.
Досконально механизм действия асбеста не выявлен. Одно время считалось, что острые волокна повреждают ткани, но эта гипотеза не подтвердилась, поскольку не удалось найти связь между степенью повреждения легких и размером волоконец асбеста. Впоследствии возникло мнение, что во всем виновата кристаллическая структура, свойственная наиболее опасному виду асбеста — хризотилу, а также большая площадь поверхности его тонких волокон: прокаливание хризотила, которое переводит его в форстерит, существенно снижает агрессивность этого вещества. Предполагается также, что агрессивность асбеста связана с образованием ненасыщенных ионных связей на поверхности частиц при их расщеплении. Кроме того, обладая большой поверхностью, этот материал хорошо сорбирует вредные примеси, в том числе канцерогенные, например ионы тяжелых металлов (они попадают туда из нержавейки при размоле минерала) или полициклические ароматические углеводороды. Возможно, за канцерогенность асбеста отвечает это обстоятельство, а возможно, и особенности кристаллического строения. Самое неприятное состоит в том, что асбест вызывает болезни не только легких, но и желудочно-кишечного тракта, а его мелкие волокна способны проникать из желудка в кровь и затем отлагаться по всему организму. Крупные же, длиной более пяти микрон, застревают в бронхах.
Нанопластины, а тем боле равноосные наночастицы — это не нановолкна, в ткань они проникают гораздо хуже, значит, и вреда от них надо ждать гораздо меньшего. Действительно, все остальные силикаты не так опасны; по крайней мере, они не обладают канцерогенным действием. Отложение их пыли вызывает лишь локальное поражение легких, так называемый фиброз, при этом все они гораздо менее агрессивны, чем чистый диоксид кремния, то есть кварц. Поэтому расскажем подробнее о поведении этого вещества в легких.
В основе его действия лежит способность повреждать макрофаги — клетки иммунной системы, которые должны поглощать и утилизировать чужеродные объекты. Из поврежденного частицей кварца макрофага выделяется специальный фактор, который стимулирует синтез фибробластами соединительной ткани — коллагена. Причем если макрофаг разрушается по какой-то другой причине, этот фактор не образуется. Причина предположительно состоит в том, что на поверхности частицы кварца имеются свободные силанольные группы: они вступают в электронно-обменные взаимодействия с фосфолипидами на поверхности клетки и нарушают проницаемость клеточной мембраны. Возможно, что и сама частица кварца, будучи полупроводником, способна служить катализатором ферментативных процессов на поверхности клетки. Также не исключено, что макрофаг гибнет уже после того, как он проглотил частицу кварца, и эта гибель связана с нарушением окислительно-воосстановительных процессов. Как бы то ни было, распад макрофагов стимулирует образование новых клеток этого типа, ив конце концов в местах скопления пыли образуются рубцы. При соблюдении современных методов охраны труда на пыльных производствах силикоз может развиваться десятилетиями, хотя есть и особо чувствительные люди, способные заболеть за пару лет работы. А ПДК по данным на 1977 год составлял 1–4 мг кварцевой пыли в кубическом метре воздуха помещения. Это гораздо больше, чем общее содержание пыли в городском воздухе — менее 0,5 мг/м3.
Полезно эти данные сравнить с информацией по силикатам. Так, оливин вызывает силикоз, причем в не слишком тяжелой форме при длительной работе в помещении с содержанием до 1000 мг на кубический метр. Слюда, состав которой (в виде мусковита и вермикулита) наиболее близок к монтмориллониту, также приводит к заболеванию при длительной, в течение четверти века, работе с ней. Есть закономерность: чем меньше в минерале свободного кварца, тем менее опасным он оказывается.
Из приведенных данных следует, что к проведению испытаний нанопластин монтмориллонита на биобезопасность следует отнестись со всей серьезностью, чтобы, во-первых, в очередной раз не получить вместо торжества науки серьезную проблему: на изготовление упаковки идет 41% общемирового производства полимеров, а значит, и объем образующейся пыли будет измеряться отнюдь не килограммами и не тоннами. А во-вторых, лучше заранее найти ответы на вопросы, которые неизбежно зададут противники прогресса.
Кандидат физико-математических наук
С.М. Комаров