Поскольку коэффициент теплопроводности аэрогелейв2−3 раза ниже, чем у широко используемой в промышленности минеральной ваты, они сразу после появления стали очень перспективным, а в ряде отраслей даже незаменимым, теплоизоляционным материалом. Благодаря очень развитой наноразмерной структуре аэрогели обладают высокой способностью к сорбции. Это свойство позволяет использовать их в качестве сорбентов для разделения и очистки различных газов. В настоящее время активно ведутся исследования по применениюаэрогелей в качестве сорбентов диоксида углерода, свободного хлора, фосгена и многих других газов, которые используются или получаются в качестве побочных продуктов при проведении органических и неорганических синтезов [18]. Разработчики, путем изменения природы веществ, из которых получаются структурные матрицы аэрогелей, добавляя различные функциональные группы, могут в значительной степени изменять селективность аэрогелей, тем самым обеспечивая избирательную сорбцию газов или других активных веществ.
Т.о. это позволяет использовать аэрогели в качестве разделителей газовых смесей. К более экзотичным примерам использования аэрогелей можно отнести использование аэрогелей с внедрённыминанотрубками для производства водородных топливных элементов, в качестве супер конденсаторов, как катализаторов для топливных элементов. Благодаря своим характеристикам аэрогели находят все большее применениевмедицине. Выдающиеся свойства и хорошаябиоразлагаемость органических аэрогелейпозволяют использовать их в качестве носителей лекарственных субстанций. Сочетание уникальных структурных свойств с их физиологической совместимостью приводит к тому, что аэрогели обладают высоким потенциалом к использованию в качестве современных систем доставки лекарств. Стабильность и кинетика высвобождения активного вещества могут быть значительно улучшены путем загрузки лекарственного средства в аэрогель [19]. В настоящее время также разрабатываются технологии их применения в качестве сорбентов для остановки массивной кровопотери при ранениях различной степени тяжести. Аэрогели рассматривают в качестве возможных носителей клеточного материала, имплантируемого для более быстрого восстановления повреждённых человеческих тканей и т. д.К единой большой группе органических аэрогелей относятся гели на основе полисахаридов: альгината, альгиновой кислоты, агара, хитина, хитозана, крахмала, целлюлозы и других. Аэрогели на их основе обладают свойствами биоразлагаемости и биосовместимости [20].
aб сРисунок 7 — Различные виды аэрогелей: a — на основе хитозана-альгината и целлюлозы, б — на основе Ca-альгината, c- Ca-альгината.
Целлюлозные аэрогели по сравнению с неорганическими менее рыхлые и хрупкие, не рассыпаются в порошок при деформации. Их структура кроме природы прекурсоров, растворителей и катализаторов, участвующих реакции образования существенно зависит от физических свойств: коагуляции и различных видов сушки, при изменении которых происходит определенная усадка объема в сравнении с объемом исходного раствора в кристаллизаторе. Аэрогели на основе целлюлозы имеют довольно высокую удельную поверхность, колеблющуюся в пределах 240−310 м2/г, и которая увеличивается при увеличении концентрации целлюлозы. Рисунок 8 — Аэрогель на основе целлюлозы.
Водорослевая целлюлоза представляет собой перспективный материал для получения аэрогелей, которые являются свехлегкими материалами со сверхнизкой теплопроводностью. Аэрогели на основе бактериальной целлюлозы могут применяться в строительстве и в промышленности в качестве теплоизолирующих и теплоудерживающих материалов, например, для теплоизоляции стальных трубопроводов, различного оборудования с высокои низкотемпературными процессами, зданий и различных других объектов [21]. Важно еще раз отметить, что аэрогели на основе органических веществ являются биодоступными и биодеградируемыми, благодаря чему обеспечивается безопасность получаемых на их основе лекарственных форм. Аэрогели целлюлозы нашли широкое применение в медицине в качестве высокоэффективных перевязочных материалов. Так, на основе матриц целлюлозы изготавливают композитные раневые покрытия, включающие наночастицы серебра или селена, обладающиеантимикробными, противовоспалительными и заживляющими свойствами. Одним из активно развивающимся направлением исследований является создание на основе аэрогелей из водорослевой целлюлозы систем с контролируемым выделением биологически активных соединений и для создания трансдермальных терапевтических систем. Инкапсуляция активных лекарственных веществ в аэрогели улучшает их фармакокинетические свойства.
В результате проведенных экспериментов было доказано, что после адсорбции в аэрогель растворимость лекарственных веществ возрастает. Это объясняется тем, что активное вещество адсорбируется, а в аморфной, а не в кристаллической форме. Использование аэрогелей для ингаляций может обеспечить быструю доставку в легкие через кровоток с сопутствующим терапевтическим эффектом. Существует возможность использования аэрогелей в регенеративной медицине, т.
к. в порах аэрогеля можно создать комфортную среду для выращивания клеток ткани. Т. о., аэрогели являются особенно перспективными материалами для использования в фармацевтической промышленности. Также возможно использование аэрогелей произведенных на основе водорослевой целлюлозы в биотехнологической промышленности, в качестве мембран для иммобилизации ферментов и клеток. В электронной промышленности аэрогели на основе бактериальной и водорослевой целлюлозы используются для изготовления органических светоизлучающих диодов, пленочных солнечных батарей, фотохромных материалов и материалов с жидкокристаллическими свойствами [22]. Американские исследователи из наноцеллюлозы водорослей создали материал, который можно использовать в разных целях: можно из него изготавливать гибкие дисплеи для мобильных устройств, или даже бронежилеты для военных. Производство такого материала не требует особых затрат: нужна только вода, солнце и время. Исследователи из Уппсальского университета (Швеция) выяснили, что применение водорослевой целлюлозы позволяет получать электродные материалы с уникальными эксплуатационными характеристиками. В своих исследованиях ученые использовали водоросли рода Cladophora, собранные в Балтийском море. Ранее уже рассматривалась возможность применения целлюлозы этих водорослей в фармацевтике и было установлено, что она может служить загустителем или связующим веществом. Перспективы применения целлюлозы в аккумуляторах связаны с большой величиной удельной поверхности этого вещества. Покрыв целлюлозное волокно нанослоем (50 нм) проводящего полимера (полипиррола), учеными получен новый электродный материал и созданы аккумуляторные батареи сверхмалой массы, демонстрирующие очень высокие для своего класса зарядную емкость и величину тока заряда. Как показанов экспериментах, ток заряда батареи может доходить до 600 мА/см2, а ее зарядная емкость составляет 25−33 мА•ч/г (38−50 мА•ч/г, если учитывать только массу химически активного вещества). При этом после завершения 100 циклов заряда емкость батареи уменьшается всего на 6%. Рекордную зарядную емкость батареи обеспечивает то обстоятельство, что при использовании целлюлозы водорослей слой проводящего полимера можно делать очень тонким.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Целлюлоза крайне востребованный сырьевой материал. Вопросы экологии и экономики современного мира диктуют условия необходимости поиска альтернативных экологичных и низкозатратных источников для производства целлюлозы, а также разработки технологических схем производств на основе этих источников. Водоросли представляют собой превосходную сырьевую базу в качестве источника целлюлозы.
Ее свойства несколько отличны от свойств растительной и бактериальной целлюлозы, но эти отличия не становятся критичным пунктом в решении вопроса производства и применения водорослевой целлюлозы. На сегодняшний день разработано несколько схем получения целлюлозы из водорослей, а сферы применения ее включают как традиционную бумажную и текстильную, так и новые сферы, включающие производство и применение твердофазных аэрогелей с использованием сверхкритической сушки. Структура аэрогеля — это связная сетка из соединенных между собой наночастиц с большим количеством микропор. Фактически аэрогели на 95 — 99% состоят из воздуха. Благодаря этому они обладают практически самой низкой полностью среди твердых веществ и лучшимитермоизолирующими свойствами. Отраслями, в которых применяются аэрогели, в настоящий момент являются строительство, фармацевтика, медицина, экология, атомная про-мышленность, аэрокосмическая отрасль и машиностроение, энергетика, текстильная промышленность и др. На современном этапе аэрогелипредставлены на рынке в различных формах. Аэрогели уже выпускаются в виде монолитов, гибких одеял и порошков. Ведутся работы по созданию высокопористых материалов низкой плотности в виде пены, которая наносится на изолируемую поверхность.
Все это делает возможным расширение круга их применения.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Авакова О. Г. Растительная клетчатка: структура, свойства, применение / О. Г. Авакова, К. Г. Боголицын // Лесной журнал. — 2004. № 4, с.122−129.Юркевич Д. И. Медузомицет (Чайный гриб): научная история, состав, особенности физиологии и метаболизма / Д. И. Юркевич, В. П. Кутышенко // Биофизика — 2002., № 6.
С. 1116−1129.
Гладышева Е. К. Исследование физико-химических свойств бактериальной целлюлозы, продуцируемой культурой Мedusomycesgisevii / Фундаментальные исследования — 2015., № 5 (часть 1) — C. 53−57.Котельникова Н. Е. Самоорганизующиеся целлюлозные биоматериалы из растворов лигноцеллюлоз в ДМАА/LiCl/ Н. Е. Котельникова, Ю. В. Мартакова, Е. Н. Власова, М. М. Мокеев, Н. Н. Сапрыкина // Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья: материалы VI Всероссийской конференции. 22−24 апреля 2014 г. / под ред. Н. Г. Базарновой. В. И. Маркина.
— Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2014., С. 34−35Барашков Г. К. Химия водорослей / Г. К. Барашков. — М.: АН СССР, 1963.
— 143 с. Целлюлоза и ее производные / Под ред. Н. Байклза и Л. Сегала. — М.: Мир, 1974.
— Т. 1. — 500 с.]. Боголицын.
К.Г.Структура и физико-химические свойства целлюлозы арктических бурых водорослей/ К. Г. Боголицын, П. А. Каплицин, А. С. Дружинина, Д. В. Овчинников, Е. В. Шульгина, А.Э. Паршина// Современные наукоемкие технологии№ 14. 2015.
Способ получения целлюлозы из бурых морских водорослей. Патент на изобретение №: 2 556 115 (класс C08B) Авакова О. Г. Изучение состава и физико-химических свойств препаратов, выделенных из бурых водорослей / О. Г. Авакова // Материалы междунар. конф. студентов и аспирантов по фундамент.
наукам «Ломоносов — 2003». — Москва, 2003. — Т.
1. — С. 99. Freudenberg K. T he relationship of cellulose to lignin in wood / K.
F reuden-berg // J. C hem.
E duc. — 1932. — V ol. 9, N 7. — P.
1171−1180Strnad S. C orrelation between structure and adsorption characteristics of oriented polymers / S. S trnad [et al.] // Mat. R.
es. I nnovat. — 2001. — N 4. — P.
197−203.Плечова О. Г. Характеристика сорбционных свойств водорослевой клетчатки. Авторефдисс. на соискание уч.степ. канд. хим. наук, Архангельск. ;
2006. — 20 с. Сорбент на основе клетчатки бурых водорослей. Патент на изобретение №: 2 637 436 (A61K)Ловская Д. Д. Аэрогели — современные системы доставки лекарств / Д.
Д. Ловская, Л. Е. Лебедев, А.
М. Каталевич // Успехи в химии и химической технологии. Том XXVII — 2013, № 1, С. 79−85.Чурагулов Б. Р. Аэрогели // Микроструктуры новых функциональных материалов.
Выпуск 1. Наноструктурированные материалы. — М.: МГУ им. М. В. Ломоносова, 2006. — 10 С. Меньшутина Н. В. Аэрогели — новое слово в науке и фармацевтике / Н. В. Меньшутина, Д. Д.
Ловская, Е. А. Лебедев // Фармацевтическиетехно-логии и упаковка — 2014, № 4, С. 62−63Меньшутина Н. В. Аэрогели — новые наноструктурированные материалы: получение, свойства и биомедицинское применение: учеб.
пособие. / Н. В. Меньшутина, И. В. Смирнова, П. Л. Гуриков — М.: РХТУ им.
Д.И. Менделеева, 2012., 60 C. Наноматериалы: свойства и перспективные приложения: монография / [А. Б. Ярославцев и др.]; отв. ред. А. Б. Ярославцев. — Москва: Науч.
мир, 2014. — 455 C.: ил. Рыбакова О. А. Прочная невесомость или аэрогель / О. А. Рыбакова, А. В. Лисенко, В. Б. Алиаметов // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество» — 2008., Т. 2., № 1., C. 1−3.Семакова Е. А Получение аэрогелей из целлюлозы с помощью биотехнологий // Инновационные технологии при решении технических задач: сборник статей Международной научно-практической конференции (5 сентября 2017 г., г. Волгоград). -.
Уфа: АЭТЕРНА, 2017. — C. 53−55Синельников И. Г. Динамика накопления продуктов ферментативного гидролиза древесной целлюлозы комплексом гликозилгидролаз на основе грибов рода Penicillium / И. Г. Синельников О.В. Лужкова, Е. А. Семакова.// «Экология — 2015» Материалы докладов Всероссийской конференции с международным участием (22 — 24 сентября 2015 года). — Архангельск, 2015, с. 57 — 58Оболенская А. В. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы: учебное пособие для вузов. /.
А.В. Оболенская, З. П. Ельницкая, А. А. Леонович — М.: Экология — 1991., 320 C.
