Средство контроля (подана заявка на группу изобретений) относится к способам самоочистки и самодезинфекции поверхности интерьерного отделочного материала и к способу очистки воздуха от органических и неорганических загрязнителей во внутренних средах жилых помещений, общественных и производственных зданий в условиях естественной и искусственной вентиляции и кондиционирования и разработаны на основе авторского экспериментального научного и промышленного направления в области использования альтернативной энергии («зеленой» энергии) для «зеленого» строительства и обеспечения экологической безопасности среды обитания человека.

«Зеленое» строительство включает: три особых основополагающих требований:
• повышенные требования к комфортности здания,
• значительное снижение потребления ресурсов объектом,
• отсутствие негативного влияния здания на людей и окружающую среду.

Экологическая чистота произведенной продукции и энергоэффективность экологически безопасных технологий, использования альтернативной энергии («зеленая» энергия) является основополагающим условием и требованием для «зеленого» строительства.

Создание экологически чистых материалов является одной из ключевых проблем современности. Связано это с экологическими проблемами, возникшими в связи с накоплением в биосфере синтетических материалов.

Новое комплексное направление — физико-химическая биология, включающая в себя биохимию, биофизику, молекулярные биологию и генетику, биоорганическую химию и некоторые другие дисциплины — не только помогает решать задачи, которые давно ставила перед биологией производственно-техническая практика, но и намечает пути принципиально нового биологического производства. Использование сырья животного и растительного происхождения и получение на основе биологически активных комплексов и веществ являются одним из перспективных направлений прикладной биотехнологии.

Первый результат инновационного направления выразился в экологически безопасной декоративной плитке (патент на полезную модель №95711RU) и применим в современном интерьерном дизайне. Материал облицовочного изделия выполнен из биополимеров и природных минералов по инновационной технологии включающей биотехнологические процессы производства композитного материала, и наряду с эстетическими качествами представляет собой адсорбент с антисептическими свойствами.

При использовании такой плитки с одной стороны обеспечивается поглощение вредных и токсичных веществ из атмосферы помещения при одновременном исключении попадания данных нежелательных веществ (сигаретный дым, запахи и т.п.) в атмосферу помещения. Также, использование плитки позволит поддерживать в помещении требуемый уровень влажности. В итоге, применение описанной выше плитки позволяет поддерживать в помещениях режим санитарной и экологической безопасности. Дополнительно следует отметить, что при достаточном увлажнении поверхности известной из RU 95711 (не является нормативном для данного изделия), т.е. при образовании на ее поверхности электролита, становится возможным ее использование в качестве низкопотенциального источника электрического тока. Выявленным недостатком описанного выше технического решения является неполное решение проблемы поддержания в помещении режима санитарной и экологической, то есть недостаточно эффективное поддержание в помещении заданного микроклимата.

По статистическим данным, ежегодные потери от биоповреждений материалов, изделий и сооружений в ряде промышленно развитых стран исчисляются миллиардами долларов. Однако вся серьезность этой проблемы состоит не только в потере денежных средств, связанной с порчей конструкций, остановкой технологических процессов и прочим. Зачастую ущерб вообще нельзя выразить в денежных единицах: сюда относятся аварии, приводящие к потере здоровья и гибели людей. Для защиты материалов и изделий от биоповреждений их модифицируют различными биоцидными добавками.

Дальнейшее развитие технического решения и позволило предложить композитный материал, обеспечивающий дезинфицирующий и бактерицидный эффект, поддержания микроклимата и экологической безопасности в помещениях или на местностях. Дезинфицирующий и бактерицидный эффект обеспечивается технологией воздействия неблагоприятной электрохимической окружающей средой на микроорганизмы и заключается в воздействие на жизнедеятельность микроорганизмов ячейками-источниками тока микро-нано-пористой структуры композитного материала.

Самодезинфекция отделочного материала от микроорганизмов и очистка воздуха при естественной или искусственной вентиляции и кондиционирования, осуществляется в помещениях с нормальной и повышенной влажностью, а также может быть использована как альтернативный источник питания микроэлектроники (датчики, сенсоры и т.д.).

В исследованиях используется метод «мета-анализа» и «систематического обзора» научных публикаций в областях фундаментальной и прикладных наук. Осуществляемые экспериментальные и исследовательские работы основываются на принципах Biomimetics. Бионика – использование прикладных наук в области технических устройств - является одной из методик изучения структуры и функции биологических систем в качестве моделей для проектирования инженерных материалов. Микроорганизмы, живая клетка обладают энергией и используют большое количество белков и минералов для того, чтобы построить клеточные материалы самоорганизующим способом микро и нанометровых размеров, поэтому логично было бы воспользоваться природными примерами, которые уже много миллионов лет работают в природе.

В 1960-е годы в Великобритании возникла электрохимическая гипотеза жизнеобеспечения микроорганизмов (работы П. Митчелла), согласно которой трансформация энергии окисления в энергию жизнеобеспечения клетки имеет промежуточную электрическую энергию. Иными словами, процесс окисления вещества связан с биохимическими реакциями в живой клетке потоком (транспортом) электронов с косного (окисляющегося) субстрата на клетку.

В данной инновационной технологии используется природная способность белков формировать регулярные структуры в виде кристаллических решеток и способность бактерий поглощать (выщелачивать) металлы.

В процессе жизнедеятельности микроорганизмов и взаимодействия с искусственно созданной окружающей внешней средой с последующим высушиванием и отмиранием микроорганизмов осуществляется их самосборка и кристаллизация с образованием указанных выше комплексов и ансамблей. Одним из экономичных технологических вариантов получения предложенного композиционного материала является его производство из отходов производств пищевой промышленности и агропромышленного комплекса и использования их в качестве реактора для посева уксуснокислых бактерий из воздушной среды.

При конструировании биокомпозитного материала в рассматриваемой технологии используются новые направления в «зеленой» технологии биополимеров:
• Использование существующих организмов как источник биополимеров:
• Выделение из воздушной среды микроорганизмов и организация роста колоний в созданной питательной среде.
• Использование микроорганизмов в качестве каркаса для неорганических веществ и образования в последующем технологическом процессе пористого биокомпозиционного материала с микроструктурой из ячеек, включающие нано-био-электроды и электролит.
• Использование продуктов жизнедеятельности существующих организмов для производства мономеров – сырья для производства биополимеров.

Современные мировые тренды в области биоматериалов указывают на место и роль микроорганизмов, синтезирующих различные химические структуры. Наряду с использованием в биохимическом технологическом процессе белка животного и растительного происхождения (молоко, бобовые и др.), процесс включает биосорбцию металлов бактериями, выделенными из воздушной среды емкостью с биореактором и является одним из существенных отличительных признаков способа формирования композиционного материала, который выражен в «биоминерализации» - подготовительном процессе, включающий операции по биосорбции металлов бактериями и формированию ячеистого пленочного покрытия, склеивающего композитные ингредиенты.

Технология изготовления биополиминерала включает аспект синтеза микроорганизмами (молочнокислые и уксусокислые бактерии, ацидофильные бактерии Thiobacillus thiooxidans и Thiobacillus, сине-зеленые водоросли) различных химических структур из металлов и минералов, образующие в дальнейшем технологическом процессе в порах композиционного материала пленочное покрытие из микроносителей наночастиц и ультратонких волокон. По завершении всех циклов технологического процесса, структурные поры композита включают молекулярные соединения, представляющие ячейки-источники тока и состоящие из электролита и электрода (электродов) – микронаночастицы и/или ультратонкие волокна.

В качестве оказания научной помощи в лаборатории спектральных методов исследований Центра Коллективного Пользования Казанского Государственного Технологического Университета исследовали представленные экспериментальные образцы инновационного материала и в протоколе исследования отметили, что в результате исследования, полученная суспензия имеет распределение частиц по размерам 190±30 нм.

Композитный материал выполнен по энергоэффективной технологии с использованием природной энергии из возобновляемых органических материалов и ресурсов, из минеральных материалов природного происхождения и органических и неорганических материалов, являющихся отходами производств. Основополагающие технологические принципы, способы и методы изготовления биополиминерального композита обеспечивают широкий спектр применения и назначения. Достигаемые характеристики и физико-химические свойства, позволяют использовать его в качестве клеящего вещества и связующего компонента для наполнителей природного и искусственного происхождения и в качестве покрытия для поверхностей различного природного и искусственного происхождения. Конструирование структуры инновационного композита из белков, микроорганизмов и неорганических соединений осуществляется самосборкой и управляемым внешним энергоэффективным воздействием на определенных технологических этапах.

Сегодня существуют композиционные материалы со структурами микро- нано- уровня. Производят их как из синтетических, так и из биологических материалов (протеины, коллаген и прочее), а также из природных минералов. Эти композиты позволяют получать мембраны, которые по своему действию подобны мембранам для обратного осмоса – они задерживают, обезвреживают органические соединения.

Предложенный композиционный материал выполняет функцию фильтра-мембраны с обратным осмосом на микро- и нано- уровнях. Для достижения технологического решения и функционального эффекта композиционного материала в данной технологии используются продукты жизнедеятельности животного и растительного происхождения, оксиды металлов, минералы, глины, уголь и микроорганизмы.

Свойства используемых глин целиком зависят от их химического и минерального состава, а также от величины составляющих их частиц. Среди физических свойств наименее изменчивы показатели плотности глинистых пород. Они варьируют от 2,50 до 2,85 г/см³. Примесь органических веществ понижает плотность глин, так как для гумуса она равна 1,25—1,40 г/см³. У минеральных монтмориллонитовых глин ее величина также низкая — до 2,25 г/см³. Значения пористости варьируют от 25-30 до 60%. Подавляющая часть пор является открытой, доступной для жидкой компоненты. С плотностью и пористостью глинистых пород тесно связана их водопроницаемость.
Характеристики пористости используемых веществ и материалов влияют на эффективность биотехнологий и композита. Эффективность материала зависит от пористых характеристик, поскольку пористая структура управляет потоком и кинетикой биохимических процессов.

Пористые характеристики, важные для биотехнологических приложений: диаметр поры, наименьший сквозной диаметр пор, распределение пор по размерам, объем пор, площадь поверхности, гидрофобность и гидрофильность пор, газовая и жидкостная проницаемость, скорость передачи водяного пара (водо-паро-проницаемость), диффузионный поток. Химическая среда, температура, влажность, давление/сжатие/нагрузка могут значительно воздействовать на структуру пор. Поэтому важно знать, как пористая структура вещества может меняться при внешнем воздействии.

Как влияет пористость адсорбента на его общую поглощающую поверхность можно видеть из следующего примера: предположим, что вещество, взятое в виде кубика с гранями в 1см пронизано каналами диаметром по 20 А, причем эти каналы в адсорбенте расположены друг от друга также на расстоянии 20 А, тогда число таких каналов окажется равным 6,25 * 10¹², а их общая (суммарная) внутренняя поверхность составит 3,9 * 10⁶ см², т.е. приблизительно 400 м² . Суммарная поверхность всех пор, находимая опытным путем для 1г активированного угля, составляет 400 – 1000 м².

По мнению В. Чернина, ван-дер-ваальсовы силы, адсорбционно удерживающие воду в гелевых порах, освобождаются при ее испарении и вызывают усадку искусственного камня. Упругие свойства заполнителя также определяют степень сокращения объема при высыхании и степень пористости материала. Например, использование заполнителей из металла приводит к снижению величины усадки. Напротив, содержание в заполнителе глинистых примесей может привести к увеличению усадки, поскольку глина сама подвержена усадке. Усадка вызывается главным образом изменением поверхностного натяжения твердой фазы в порах размером 4-10 А (при относительной влажности w=0-40%), давлением физической адсорбированной воды в порах 4-10 А (при w=0-40%), изменением поверхностного натяжения конденсированной воды в гелевых порах 10-100 А и в капиллярных порах 100-1000 А (при w=40-80%) и гидростатическим давлением пластической деформации в порах 10-1000 А (w=40-98%).

Эксплуатация современных синтетических строительных и отделочных материалов для основных жилых помещений, ограничена требованиями гигроскопичности и водопроницаемости по причине возможности образования благоприятных условий для жизнедеятельности микроорганизмов, обитающих в воздухе и/или привнесенных извне в период высокой и повышенной влажности в помещение.

Влажность зависит от природы вещества, а в твёрдых телах, от степени измельчённости и пористости. Установление степени влажности многих продуктов, материалов и прочих компонентов имеет важное значение. Только при определённой влажности многие тела (зерно, цемент и прочее) являются пригодными для той цели, для которой они предназначены.

В зависимости от вида солей (естественных или искусственных электролитов), которые содержатся в порах биокомпозита (как и во многих других ячеистых строительных материалах) при проникновении воды в материалы конструкции, могут возникать различные кристаллизационные давления в порах материала (до 0,44 МПа) вследствие суточных и сезонных изменений температуры и влажности воздух. Соли находящиеся в порах - около поверхности материалов, присоединяют воду, переходя из безводных и маловодных форм в кристаллогидраты. При этом обычно увеличивается объем твердой фазы солей и возникают дополнительные напряжения в порах и капиллярах материалов конструкций.

В результате воздействия влаги на ячеистую структуру композиционного материала в ячейках, объединенных по сотовому принципу, и с включенными в них наноразмерными порами происходит частичное молекулярное растворение биополиминерального пленочного покрытия, состоящего из молекулярных ансамблей и металлоорганических и биметаллических соединений. В результате в порах образуется гелеобразный раствор электролита (биокомпозитный материал растворяется до заданной и определенной концентрации).

В результате поглощения влаги из воздуха или под воздействием воды происходят электрохимические реакции в порах-ячейках композиционного материала, и образуется электрический потенциал, аналогичный потенциалу при действии гальванической батареи или электролитического конденсатора (при заданных технологических процессах). В качестве органического электролита может выступать активированный древесный уголь, то есть уголь, имеющий ультрапористую структуру. Активированная форма углерода используется в производстве компонентов для электрических батарей, известных как «суперконденсаторы». Данный тип батареек (иначе их называют ионисторами) представляет собой конденсатор с органическим или неорганическим электролитом, обкладками в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита.

Энергия солнечного света окажет очень сильное воздействие на поверхность биокомпозита в относительно сухом, а особенно во влажном состоянии, которое можно охарактеризовать как фотохимическое воздействие на электролит и металлоорганические элементы. Под действием энергии света запускаются фотохимические процессы преобразования элементов (явление фотоэффекта в электролите было открыто Александром Беккерелем, которое он наблюдал в 1839 году). По опытам Шевреля (белящее действие светового луча) оказалось, что действие светового луча существенно увеличивается в присутствии кислорода и влажности. Прямой солнечный свет действует сильнее, чем рассеянный, а искусственный свет действует аналогично солнечному свету, только гораздо слабее. При воздействии солнечного и искусственного света (электромагнитное воздействие) поры приобретают за счет явления внутреннего фотоэффекта свойства фотоэлектролитической ячейки. Повторяемые вольт-амперные характеристики биополиминерала в жидком состояние показали цифровым мультиметром значения порядка 0,4мА и 0,9мВ, в объеме 5-15 мл, цифровой мультиметр фиксировал напряжение от 1В до 2В.

Солнечный и искусственный свет, давления в порах и температура оказывают непосредственное влияние на вольт-амперные характеристики источника тока - фотоэлектрохимической ячейки.
Группа ученых по результатам экспериментальных исследований акцентирует внимание на явлениях и эффектах влияния различных катионов на электро-поверхностные свойства микроорганизмов и взаимосвязи между значениями потенциала и их жизнедеятельностью. Эти исследования позволили расположить катионы по их антимикробному действию в следующий ряд: Ag+>Cu²+>Al³+.Fe³+.La³+.Th³+/⁴+. Бактерицидное действие усиливалось в электрическом поле только в случае катионов Ag+ и Сu2+. При этом обнаруживалась сильная зависимость эффекта от напряженности внешнего поля.

На основании того, что с повышением напряженности электрического поля, так же как и с увеличением концентрации электролита, электрокинетический потенциал клеток повышается, делается вывод в пользу механизма изменения поверхностной адсорбции ионов. При этом предполагается, что наложение электрического поля как энергетического фактора способствует процессу переноса ионов в микробную клетку.

Сложнейшие биохимические обменные процессы в клетке, преобразование различных видов энергии в клетке или в ее элементах, как, например, в митохондриях, объяснимы только тем, что перенос энергии осуществляется частицами, обладающими массой, меньшей массы атома, и в первую очередь прямо и косвенно – электронами. Со временем исследователи установят закономерность движения зарядоносителей с процессами жизнедеятельности.

Под действием электромагнитного воздействия солнечного света, клетки приобретают свойства фотоэлектролитической ячейки, фотоэлектрохимическое и/или электрохимическое воздействие которых, отрицательно влияют на функционирование мембраны микроорганизма, ионных каналов и на транспортные белки, образование солей в клетке из ионов кислотных соединений. Также возникает осмотический эффект за счет разности концентраций электролитов внутри клетки микроорганизма и электролитом внешней среды, что влечет обезвоживание биологической клетки.
В случае необходимости, регенерация осуществляется снятием микрослоя с поверхности изделия и материала.

Существующие надежные способы оценки эффективности биозащищенных материалов основаны на определении метаболических показателей используемых тест-бактерий (концентрации продуктов брожения и «сульфатного» дыхания, скорости поглощения клетками молекулярного кислорода), для которых установлена корреляционная взаимосвязь с антибактериальными свойствами воздействующих на клетки биоцидных препаратов и содержащих их материалов. Методы оценки степени бактериостойкости материалов и изделий полностью подходят и для нового способа средства воздействия на жизнедеятельность микроорганизмов.

В представленном способе очистки воздуха в помещение посредством отделочного «умного» материала с заявленными инновационными функциями и характеристиками используется влажность воздуха, не причиняя ущерба, как материалу, так и здоровью человека. «Дышащий» пористый материал поможет обеспечить регулирования влажности в помещение естественным образом за счет таких функциональных свойств как потребление влаги из воздуха при повышенной влажности, обратной отдачи очищенной воды в период суточных колебаний влажности и перепадов температуры.

Воздух в современных мегаполисах становится все менее пригоден для дыхания. Большое количество отравляющих веществ, которые заполнили воздушное пространства городов, является причиной возникновения многих тяжелых заболеваний. Большую часть времени человек находится в помещение. Ученые-гигиенисты пришли к выводу, что многие заболевания определяется микроклиматом и качеством воздуха в помещение. Такие болезни получили даже название «жилищных болезней».

Основополагающие технологические принципы, способы и методы изготовления биополиминерального композита обеспечивают широкий спектр применения и назначения. Достигаемые характеристики позволяют использовать его в качестве клеящего вещества и связующего компонента для наполнителей природного и искусственного происхождения и в качестве покрытия для поверхностей различного природного и искусственного происхождения.
Проделанная работа является перспективным первым шагом к развитию широкого спектра приложений, которые ранее были недоступны.

Преимущества и отличия представленного «умного» отделочного материала:
• Обеспечение естественного энергоэффективного контроля микроклимата внутренней среды обитания человека и для сопутствующих материальных и культурных ценностей, обеспечение экологической безопасности для человека и окружающей среды, как в повседневной жизни, так и в чрезвычайных ситуациях.
• Антибактериальный эффект и защита от органических загрязнителей снимают экологические издержки для человека и экономические составляющие по осуществлению дезинфекции помещения, которые значительно уменьшаются при использовании представленного способа и биокомпозитного материала.
• Возможность использования легкодоступной и экологически чистой энергии и альтернативного способа питания микроэлектроники в помещении и в различных средах обитания человека.

Бионанотехнология в строительной отрасли в области отделочных материалов, станет следующим шагом в развитие био- нанотехнологий, новым инструментом для развития биоэлектроники, области охраны здоровья и обеспечения экологической безопасности среды обитания человека.


Список литературы.

1. Михайлов О. В., Юсупов Р. А / Ионнообменные процессы в тонкопленочных биополимер-иммобилизованных металлосульфидах, - М. КомКнина, 2007, - 272с.

2. Кричевский Г. Е. / Нано-, био.- Химические технологии в производстве нового поколения волокон, текстиля и одежды. Издание первое, - М. 2011, - 528с.

3. Линг Г. / Физическая теория живой клетки. Незамеченная революция. – СПб Наука, 2008. – 376с.

4. Кульман Август Густавович / Общая химия. М. Сельхозиздат. 1961 567с.

5. Ландау Л. Д., Китайгородский А. И. / Физика для всех. Молекулы. – 5-е изд., испр. – М. Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1982. – 208с.

6. Станислав Пантелеймонович Солодовников / Сигналы из микромира (магнитный резонанс). Издательство Академии Наук СССР, Научно-популярная серия. Москва 1963

7. Зайцев Сергей Юрьевич / Супрамолекулярные наноразмерные системы на границе раздела фаз. Концепции и перспективы для бионанотехнологий. – М. Ленанд. 2010. – 208с., цв.вкл.

8. Старостин В. В. / Материалы и методы нанотехнологии. Учебное пособие. М. БИНОМ. Лабораторияизданий. 2008. – 431с.

9. MAX-LAB/ Activity Report 2010/ Editor by U. Jonansson, K. Lilia, A. Nyberg, R. Niholm

10. Ланген А. М., Красник В. В / Электрооборудование предприятий текстильной промышленности. Учеб.. для вузов. – М.. Легпромбытиздат, 1991. – 320с.

11. Кирилов В. И., Старченко А. А./ ЛОГИКА. Учебник для юридических вузов. – Изд. 5-ое – М. Юристъ, 2002. – 256с.

12. Политехнический словарь/ 3-е изд. – М. Советская энциклопедия, 1989. – 656с.

13. Гоффман Б./ Корни теории относительности, Пер с англ. – М. Знание, 1987, - 256с.

14. Перельман Я. И. / Занимательная механика. Знаете ли вы физику? – М.1999. – 464с.

15. Гордин А. Б./ Занимательная кибернетика. М. Радио и связь, 1987. – 224с.

16. Остапенко Н.М./ От научной идеи – до внедрения. – К. 1986. – 167с.

17. Лапо А. В./ Следы былых биосфер, или Рассказ о том, как устроена биосфера и что осталось от биосфер геологического прошлого. М. «Знание» 1979, 176с.

18. Родимин Е. М. / Металлоионотерапия. М РИПОЛ классик, 2007. – 224с.

19. Бабанин В. П. / Пятый элемент. – М. АСТ. СПб. Сова. 2006 – 253с.

20. Батмангхелидж Ферейдов / Вода для здоровья. Минск Попурри. 2011. – 288с.

21. Тайны тибетской медицины. М. «ЗОЖ» 2011. 256с.

22. Захаров Ю.А. М. / Золотые рецепты Арабской медицины Яуза Эксмо 2002. 256с.

23. Садуль Ж. Сокровище алхимиков / Пер. с фр. Е. Мурашкинцовой. – М. Крон-пресс. 2000. – 320с.

24. Галль Л./ Бионергетика. М. АСТ СПб. 2010. – 349с.

25. Откровения Николы Теслы / Пер. с англ. М. Яуза Эксмо, 2009. – 256с.

26. Коротяев А. И., Бабичев С. А ./ Медицинская микробиология, иммунология и вирусология. Учебник для мед. Вузов. СПб. 2002. 591с.

27. Основы молекулярной биологии. Методическое пособие к курсу биологии. Российский университет дружбы народов. Кафедра биологии и общей генетики М. 2010

28. Нанотехнологии и наноматериалы для биологии и медицины/ Сборник материалов научно-практической конференции с международным участием. 11-12 октября 2007 года. Новосибирск

29. Материалы Международной конференции Ассоциации специалистов кинезитерапии и спортивной медицины. Новосибирск. 5-7 июня 2001

30. Биосоместимые наноматериалы / А. Абрамян, М. Афанасьев, В. Солодовников, Б. Беклемышев, И. Махонин. Журнал Наноиндустрия 1/2007

31. Иванов В.И., Степанов Б.А. / Применение микробиологических методов в обогащении и гидрометаллургии, М., 1960;

32. Соколова Г.А., Каравайко Г.И./ Физиология и геохимическая деятельность тионовых бактерий, М., 1964; VIII Международный конгресс по обогащению полезных ископаемых, Л., 1968;

33. Нанотехнологии и наноматериалы для биологии и медицины / Сборник материалов научно-практической конференции с международным участием. 11-12 октября 2007 года. Новосибирск