Представьте себе бесценную картину, которая была испорчена разрушительным пожаром. Прекрасные краски, кропотливо нанесенные во множестве оттенков, скрылись под слоями черной копоти. Казалось бы, шедевр безвозвратно утрачен.
Научное волшебство
Но не стоит отчаиваться. Картина помещается в вакуумную камеру, внутри которой создается невидимая мощная субстанция, называемая атомарным кислородом. В течение нескольких часов или дней медленно, но верно налет уходит, и цвета начинают появляться вновь. Покрытая свежим слоем прозрачного лака, картина возвращается в былой славе.
Может показаться, что это волшебство, но это наука. Метод, разработанный учеными в Гленновском исследовательском центре (ГИЦ) НАСА, использует атомарный кислород для сохранения и восстановления произведений искусства, которым иначе был бы нанесен непоправимый ущерб. Вещество также способно полностью стерилизовать хирургические имплантаты, предназначенные для человеческого тела, что значительно снижает риск воспаления. Для пациентов с сахарным диабетом оно может улучшить устройство мониторинга глюкозы, для которого потребуется лишь часть крови, ранее необходимой для тестирования, чтобы больные могли контролировать свое состояние. Субстанция может текстурировать поверхность полимеров для лучшей адгезии костных клеток, что открывает новые возможности в медицине.
И это мощное вещество может быть получено прямо из воздуха.
Атомарный и молекулярный кислород
Кислород существует в нескольких различных формах. Газ, который мы вдыхаем, называется О2, то есть он состоит из двух атомов. Есть еще атомарный кислород, формула которого – O (один атом). Третья форма данного химического элемента – О3. Это озон, который, например, встречается в верхних слоях атмосферы Земли.
Атомарный кислород в природных условиях на поверхности Земли длительное время существовать не может. Он обладает чрезвычайно высокой реакционной способностью. Например, атомарный кислород в воде образует перекись водорода. Но в космосе, где есть большое количество ультрафиолетового излучения, молекулы О2 более легко распадаются, образуя атомарную форму. Атмосфера на низкой околоземной орбите на 96 % состоит из атомарного кислорода. На заре полетов космических челноков НАСА его наличие вызывало проблемы.
Вред во благо
По словам Брюса Бэнкса, старшего физика «Альфапорта», занимающегося исследованиями космической среды в филиале Гленновского центра, после первых нескольких полетов шаттла материалы его конструкции выглядели так, как будто были покрыты изморозью (они подверглись сильной эрозии и текстурированию). Атомарный кислород вступает в реакцию с органическими материалами обшивки космических аппаратов, постепенно повреждая их.
ГИЦ занялся расследованием причин причинения ущерба. В результате исследователи не только создали методы защиты космических аппаратов от атомарного кислорода, они также нашли способ использовать потенциальную разрушительную силу этого химического элемента для улучшения жизни на Земле.
Эрозия в космосе
Когда космический корабль находится на низкой околоземной орбите (куда выводятся пилотируемые аппараты и где базируется МКС), атомарный кислород, образующийся из остаточной атмосферы, может реагировать с поверхностью космических аппаратов, в результате чего они повреждаются. При разработке системы электроснабжения станции были опасения, что батареи солнечных элементов, сделанные из полимеров, подвергнутся быстрому разрушению из-за действия этого активного окислителя.
Гибкое стекло
НАСА нашло решение. Группа ученых из Гленновского исследовательского центра разработала тонкопленочное покрытие для солнечных батарей, которое было невосприимчивым к действию агрессивного элемента. Диоксид кремния, или стекло, уже окислен, поэтому он не может быть поврежден атомарным кислородом. Исследователи создали покрытие из прозрачного кремниевого стекла, настолько тонкого, что оно стало гибким. Этот защитный слой крепко сцеплен с полимером панели и защищает ее от эрозии, не ухудшая при этом каких-либо ее тепловых свойств. Покрытие до сих пор успешно защищает солнечные батареи Международной космической станции, а также использовалось для предохранения фотоэлементов станции «Мир».
По словам Бэнкса, солнечные батареи успешно выдержали более чем десятилетнее пребывание в космосе.
Укрощение силы
Проведя сотни тестов, которые были частью разработки покрытия, устойчивого к атомарному кислороду, группа ученых из Гленновского исследовательского центра приобрела опыт в понимании того, как действует это химическое вещество. Эксперты увидели другие возможности применения агрессивного элемента.
По словам Бэнкса, группе стало известно об изменении химии поверхности, об эрозии органических материалов. Свойства атомарного кислорода таковы, что он способен удалить любую органику, углеводород, который не так просто реагирует с обычными химическими веществами.
Исследователи обнаружили множество способов его использования. Они узнали, что атомарный кислород превращает поверхности силиконов в стекло, что может быть полезно при создании компонентов с герметичным уплотнением без их прилипания друг к другу. Данный процесс разрабатывался для герметизации Международной космической станции. Кроме того, ученые обнаружили, что атомарный кислород может восстанавливать и сохранять поврежденные произведения искусства, улучшать материалы конструкций летательных аппаратов, а также приносить пользу людям, так как может быть использован во множестве биомедицинских применений.
Камеры и портативные устройства
Существуют различные способы воздействия атомарного кислорода на поверхность. Чаще всего используются вакуумные камеры. По размеру они варьируются от коробки для обуви до установки 1,2 х 1,8 х 0,9 м. С помощью микроволнового или радиочастотного излучения молекулы O2 разбиваются до состояния атомарного кислорода. В камеру помещают образец полимера, уровень эрозии которого свидетельствует о концентрации действующего вещества внутри установки.
Другим способом нанесения вещества является портативное устройство, позволяющее направить узкий поток окислителя на конкретную цель. Возможно создание батареи таких потоков, способных покрыть большую площадь обрабатываемой поверхности.
По мере проведения дальнейших исследований все большее число отраслей промышленности проявляет заинтересованность в использовании атомарного кислорода. НАСА организовало множество партнерских, совместных и дочерних предприятий, которые в большинстве случаев стали успешными в различных коммерческих областях.
Атомарный кислород для организма
Исследование сфер применения данного химического элемента не ограничивается космическим пространством. Атомарный кислород, полезные свойства которого определены, но еще больше их предстоит изучить, нашел множество медицинских применений.
Он используется для текстурирования поверхности полимеров и делает их способными срастаться с костью. Полимеры обычно отталкивают клетки костной ткани, но химически активный элемент создает фактуру, усиливающую адгезию. Это обуславливает еще одну пользу, которую приносит атомарный кислород, – лечение заболеваний опорно-двигательной системы.
Данный окислитель также может использоваться для удаления биологически активных загрязнений с хирургических имплантатов. Даже при современной практике стерилизации с поверхности имплантатов бывает сложно убрать все остатки бактериальных клеток, называемые эндотоксинами. Эти вещества органические, но не живые, поэтому стерилизация не способна их удалить. Эндотоксины могут вызвать послеимплантационное воспаление, которое является одной из основных причин болевых ощущений и потенциальных осложнений у пациентов с установленным имплантатом.
Атомарный кислород, полезные свойства которого позволяют очистить протез и удалить все следы органических материалов, значительно снижает риск послеоперационного воспаления. Это приводит к улучшению результатов операций и уменьшению боли у пациентов.
Облегчение для больных диабетом
Технология также используется в датчиках глюкозы и других медико-биологических мониторах. В них применяются акриловые оптические волокна, текстурированные атомарным кислородом. Такая обработка позволяет волокнам отфильтровывать красные кровяные тельца, обеспечивая сыворотке крови более эффективный контакт с компонентом химического зондирования монитора.
По словам Шарона Миллера, инженера-электрика в отделении космической среды и экспериментов Гленновского исследовательского центра НАСА, это делает тест более точным, и при этом для замера уровня сахара в крови тестируемого требуется намного меньший объем крови. Можно сделать укол практически на любом участке тела и получить достаточное количество крови, чтобы установить уровень сахара.
Еще один способ получить атомарный кислород – перекись водорода. Она является гораздо более сильным окислителем, чем молекулярный. Это объясняется тем, с какой легкостью разлагается перекись. Атомарный кислород, образующийся при этом, действует намного энергичнее молекулярного. Этим и обуславливается практическое применение перекиси водорода: разрушение молекул красящих веществ и микроорганизмов.
Реставрация
Когда произведения искусства подвергаются опасности необратимого повреждения, для удаления органических загрязнений может быть использован атомарный кислород, который оставит в сохранности материал картины. Процесс удаляет все органические материалы, такие как углерод или сажа, но, как правило, не действует на краску. Пигменты в основном имеют неорганическое происхождение и уже окислены, а это означает, что кислород их не повредит. Органические красители также могут быть сохранены при тщательном отсчете времени воздействия. Полотно находится в полной безопасности, так как атомарный кислород контактирует только с поверхностью картины.
Произведения искусства помещаются в вакуумную камеру, в которой образуется данный окислитель. В зависимости от степени повреждения картина может оставаться там от 20 до 400 часов. Для специальной обработки поврежденного участка, нуждающегося в реставрации, также может быть использован поток атомарного кислорода. Это исключает необходимость размещать художественные работы в вакуумной камере.
Копоть и помада – не проблема
Музеи, галереи и церкви начали обращаться в ГИЦ, чтобы сохранить и восстановить свои произведения искусства. Исследовательский центр продемонстрировал способность реставрировать поврежденную картину Джексона Поллака, снять губную помаду с полотна Энди Уорхола и сохранить поврежденные дымом холсты церкви Святого Станислава в Кливленде. Команда Гленновского исследовательского центра использовала атомарный кислород для восстановления фрагмента, считавшегося утраченным, - многовековой давности итальянской копии картины Рафаэля «Мадонна в кресле», принадлежащей епископальной церкви Св. Альбана в Кливленде.
По словам Бэнкса, данный химический элемент очень эффективен. В художественной реставрации он работает отлично. Правда, это не то, что можно приобрести в бутылке, но зато намного эффективнее.
Изучение будущего
НАСА на возмездной основе работало со множеством сторон, заинтересованных в атомарном кислороде. Гленновский исследовательский центр обслуживал частных лиц, чьи бесценные произведения искусства были повреждены в результате домашних пожаров, а также корпорации, искавшие возможности применения этого вещества в биомедицинских приложениях, такие как LightPointe Medical из Иден-Прери, штат Миннесота. Компания обнаружила множество применений атомарного кислорода и собирается отыскать еще больше.
По словам Бэнкса, осталось немало неисследованных областей. Было открыто значительное количество применений для космической техники, но, вероятно, еще большее их число таится вне космических технологий.
Космос на службе у человека
Группа ученых надеется продолжить изучение способов использования атомарного кислорода, а также уже найденных перспективных направлений. Многие технологии были запатентованы, и команда ГИЦ надеется, что компании будут лицензировать и коммерциализировать некоторые из них, что принесет еще больше пользы человечеству.
При определенных условиях атомарный кислород может причинить повреждения. Благодаря исследователям НАСА, это вещество в настоящее время вносит положительный вклад в освоение космоса и жизнь на Земле. Будь то сохранение бесценных произведений искусства или оздоровление людей, атомарный кислород является сильнейшим средством. Работа с ним вознаграждается сторицей, а ее результаты становятся видны незамедлительно.
