Наночастицы серебра в карбонатной шубе
Развитие химических, физических и технических наук привело в конце XX века к появлению новой отрасли — нанотехнологии. В настоящее время наноматериалы* активно создаются и быстро и широко внедряются в разные сферы жизни — промышленность, медицину, сельское хозяйство. Причина этого — комплекс новых и полезных свойств по сравнению с макроматериалами. К числу широко используемых наноматериалов относятся наночастицы серебра различного размера и формы. Как и все металлы в наноразмерном состоянии они имеют высокое соотношение площади поверхности к объёму, что придаёт им особые свойства и обуславливает большую эффективность работы при их использовании, например, в транзисторах, устройствах магнитной записи, в качестве катализаторов.
Нужно заметить, что человечество использует серебро уже не одну тысячу лет. Люди рано обнаружили его способность подавлять развитие опасной микрофлоры и успешно использовали это свойство для продления сроков хранения воды и пищевых продуктов, получения разнообразных лекарственных и косметических средств. Были также замечены и необычные оптические свойства серебра и золота, благодаря которым при внесении этих металлов в небольших количествах в стекло оно приобретало красивую окраску. Поэтому их добавляли в изделия из стекла (например, в Древнем Риме). Свидетельство тому — кубок Ликурга (IV век). Находящиеся в бронзовой оправе кубка вставки из окрашенного стекла содержат небольшие добавки сплава серебра (70%) с золотом (30%), который, как теперь установлено, состоит из наночастиц со средним диаметром 40 нм. Кубок имеет красный цвет в проходящем свете, а в отражённом он выглядит серо-зелёным, что придаёт ему красоту и загадочность. Другой пример использования небольших добавок благородных металлов в стекле — изготовление в XII—XVI веках лимонно-жёлтых витражей в католических и протестантских соборах Европы. Такое окрашивание — исключительно стойкое; кроме того, оно даёт возможность варьировать цвет стекла, изменяя режим плавки, а значит, размер и форму наночастиц. Последнее стало понятно лишь недавно, когда появились современные методы изучения наночастиц. Сферические частицы серебра и золота имеют жёлтый и красный цвет соответственно, а частицы тех же металлов в форме палочек, призм и других структур приобретают практически все цвета и оттенки от жёлтого до фиолетового. Впервые устойчивый водный раствор коллоидного золота красного цвета получил Майкл Фарадей в 1857 году. Открытие инициировало интерес к изучению малых частиц металла и их необычных свойств. Однако широкие и системные исследования стали возможны, когда появились физические приборы, позволяющие непосредственно «увидеть» частицы, размеры которых в десятки тысяч раз меньше толщины человеческого волоса. Сейчас мы можем увидеть не только сами эти частицы, но и отдельные атомы на их поверхности, а также оценить размер и форму частиц.
* Материалы считаются наноразмерными, если одно, два или все три измерения имеют размеры от 1 до 100 нм
Перспективное направление применения наноразмерного серебра связано с его возможностью подавлять жизнедеятельность опасной для здоровья людей микрофлоры. Появление новых штаммов болезнетворных бактерий, устойчивых к антибиотикам узкого действия, — угроза для жизни и здоровья человека. Серебро же обладает широким спектром противомикробного действия — у большинства патогенных микроорганизмов устойчивости к нему нет. Вдобавок это гипоаллергенный наноматериал.
Будучи мощным токсином для большинства бактерий и вирусов, серебро в небольших концентрациях безопасно для клеток млекопитающих и в том числе для человеческого организма. Бактерицидные свойства серебра связывают в первую очередь с высвобождением ионов серебра при частичном окислительном растворении наночастиц (коррозии), которые подавляют опасную микрофлору. Создание наноразмерного серебра, устойчивого в водной среде (гидрозоли), резко расширило области его применения. Появилась возможность доставлять наночастицы серебра как источник медленно освобождающихся ионов в локальные участки организма, а также использовать способность наноразмерных частиц проникать сквозь клеточные мембраны напрямую в клетки и влиять на биологические процессы в них.
Предложено множество механизмов воздействия серебра на микроорганизмы. Один из наиболее распространённых — адсорбционный: отрицательно заряженная бактериальная клетка погибает вследствие электростатического взаимодействия с положительно заряженными ионами серебра, которое возникает при адсорбции. В общих чертах механизм борьбы серебра с одноклеточными (бактериями) и бесклеточными вирусами выглядит следующим образом: серебро реагирует с клеточной мембраной бактерии, которая представляет собой структуру из особых белков (пептидогликанов), соединённых аминокислотами для обеспечения механической прочности и стабильности. Серебро взаимодействует с внешними пептидогликанами, блокируя перенос кислорода внутрь клетки бактерии. Это приводит к «удушью» микроорганизма и его гибели.