Применение нанотехнологий (1075549), страница 15

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 15)

Точка зрения экспертов о том, как нанотехнологии могут быть использованы в военных приложениях для средств нападения может быть найдена в недавних исследованиях изготовления и управления взрывчатыми веществами. Инжиниринг и контроль свойств энергетических материалов (другая невинная форма названия «взрывчатых веществ») на уровне нано размеров имеет особую важность, когда речь идет об определении параметров воспламенения и детонации. В прошлом году исследователи представили методы изготовления мощных взрывчатых веществ в виде тонких пленок и конфигурации весьма мощных взрывчатых веществ на нано уровне. Другим примером являются исследования французских ученых, которые показали первые результаты по контролю параметров сгорания и детонации высоковзрывчатых веществ путем регулирования их структуры. Специалисты из Лаборатории безопасности и обороны Франко-германского исследовательского института (Laboratoire ISL/CNRS at the French–German Research Institute of Saint-Louis) опубликовали статью («Preparation of explosive nanoparticles in a porous chromium(III) oxide matrix: a first attempt to control the reactivity of explosives» в журнале Nanotechnology в которой описаны результаты по изготовлению энергетических нанокомпозитов различной формулы путем насыщения пористой матрицы оксида хрома различными взрывчатыми компонентами, растворенными в ацетоне. Разработчики утверждают, что такой метод позволяет получать и стабилизировать взрывчатые вещества на уровне нано частиц.

До настоящего времени единственным способом регулировки реактивности взрывчатого вещества было смешивание нескольких химических веществ для получения композиции с заданными параметрами. Новая идея, изложенная в упомянутой статье - регулировать реактивные свойства через структуру взрывчатого вещества, выглядит гораздо изящнее. С экспериментальной точки зрения, основная проблема заключается в удержании наночастиц на нано уровне. Для этого лучше всего подходит решение заключить наночастицы взрывчатого вещества в пористую структуру инертной матрицы.

Двое из авторов данной статьи, оба- сотрудники той же лаборатории (Laboratoire ISL/CNRS at the French–German Research Institute of Saint-Louis) несколько ранее разработали и описали теоретическую модель, которая показала, что для частиц с размерами между 10 и 30 нм можно ожидать значительных изменений в реактивности высоко взрывчатых веществ. Статья «Des thermites classiques aux composites interstitiels métastables» была опубликована пару лет назад в журнале L’Actualite Chimique

В экспериментах в качестве пористой матрицы использовали оксид хрома 3. Эта неорганическая матрица была применена как емкость для заполнения наночастицами взрывчатого вещества и удержания их в нужной форме. В качестве взрывчатого вещества использовали гексоген (RDX), нитроамин, широко используемый в военных приложениях. В результате, реактивные свойства взрывчатого вещества, нано частицы которого заполнили неорганическую матрицу, определяются размерами частиц и их распределением в оксиде хрома.

1. Безопасность

Современные достижения в области наноматериалов и нанотехнологий открывают новые возможности для повышения в десятки раз тактико-технических характеристик систем безопасности и являются по своей сути инновационными, поскольку направлены на создание, главным образом, новой продукции, востребованной рынком систем безопасности. В ближайшие 3–10 лет наиболее перспективны следующие направления использования нанотехнологий в системах безопасности:

1. устройства контроля и защиты документов от подделки (например, на основе наноматериалов, микропечати, тонких электронных схем, бумаги с добавлением наночастиц, компактных устройств считывания данных);

2. системы контроля доступа в помещения на основе наносенсоров (например, считыватели отпечатков пальца, теплового рисунка вен руки или головы, геометрической формы руки в динамике);

3. биосенсоры, простые или многофункциональные типа "электронный нос", предназначенные для обнаружения и идентификации сверхмалых количеств взрывчатых, наркотических и опасных веществ;

4. более компактные, чуткие и информативные портативные и стационарные металлоискатели и детекторы движения на основе массивов наносенсоров;

5. распределенные массивы наносенсоров типа "умная пыль" для охраны границ и периметров объектов;

6. магниторезонансные установки для точного анализа объемного содержания закрытых емкостей и грузов в аэропортах, на проходных, на таможне;

7. предназначенные для оснащения промышленных объектов повышенной опасности автоматические системы ведения огня по наземным и воздушным целям на основе наносенсоров, наноэлектронных компонентов и искусственных нейронных сетей.

Вышеупомянутые задачи нельзя решить без использования результатов фундаментальных исследований, выполненных академическими, учебными и отраслевыми институтами, теоретически и экспериментально подтверждающих принципиальную возможность достижения поставленных целей. В результате рабочих встреч с руководителями научных школ сформулированы основные направления использования нанотехнологий и наноматериалов в индустрии безопасности:

1. Нанодатчики на различных физических принципах, в том числе:

• туннельные датчики давления;

• пассивные и активные радиочастотные датчики-идентификаторы RFID с каналами наземной и космической связи;

• интеллектуальные датчики "умная пыль";

• датчики сверхраннего обнаружения пожаров.

1. Антитеррористические средства, в том числе:

   • анализаторы и детекторы следов взрывчатых веществ на основе оптически индуцированного поглощения контролируемой воздушной среды;

   • экспресс-детекторы взрывчатых веществ на основе полупроводниковых газочувствительных датчиков;

   • гиперспектральные наноанализаторы сверхнизких концентраций взрывчатых веществ.

2. Системы доступа, паспортного и миграционного контроля, в том числе:

   • объектовые пропуска с уникальными нанометками;

   • замковые устройства для режимных помещений с уникальными электронными ключами - нанометками;

   • электронные заграничные паспорта второго поколения и миграционные удостоверения с нанопамятью 1-10 Гбайт.

3. Защита информации.

4. Разработка и промышленное внедрение технологии получения и нанесения нанокомпозитных многофункциональных защитных покрытий на конструктивные элементы технических средств и систем безопасности.

Рассмотрим некоторые примеры создания перспективных технических средств и систем безопасности на базе нанотехнологий и наноматериалов, имеющих высокую степень завершенности исследований.

1. Разработка планарных нанодатчиков давления на основе туннельного эффекта.

Проект направлен на создание технологических и элементных средств для нового поколения сверхвысокочувствительных датчиков в диапазоне от 0,1 Гц до 200 кГц, используемых в системах сейсмо- и акустолокации, мониторинга и предсказания прочностных характеристик инженерных и строительных объектов на сверхранней стадии и т.д. Комплектация таких нанодатчиков будет состоять из следующих подсистем:

• чувствительной части, конструкция которой будет соответствовать одной из трех его разновидностей (сейсмодатчик, датчик акустической эмиссии и т.д.), системы регулирования величины туннельного зазора;

• высокоточного аналого-цифрового преобразователя;

• блока обработки сигналов.

Создание и комплексирование перечисленных выше подсистем стало возможным на основе совместного трансфера кремниевой электромеханики, микроэлектроники, информатики и базового нанотехнологического приема, основанного на туннелировании электронов в силу их волновых свойств. Чувствительный элемент датчика - наносистема, состоящая из проводящей иглы, выполненной с применением кремниевой микромеханики, сверхтонкой слоистой гофрированной мембраны и системы поддержания туннельного тока. Чувствительная и электронная части сенсора (фото 2) изготовляются на единой подложке групповым методом по технологии сверхбольших интегральных схем.

1. Разработка наноструктурированных чувствительных элементов и создание на их основе технических систем для сверхраннего обнаружения взрыво- и пожароопасных газов в воздухе.

Данное направление ориентировано на создание миниатюрных ионопроводящих элементов из наноструктурированной керамики, обладающих высокой чувствительностью к наличию взрыво- и пожароопасных газов в воздухе с генерацией контролируемого электрического сигнала.

1. Разработка перспективных идентификационных документов и систем на базе нанометок и нанопамяти.

Цель этого направления - создание систем считывания и технологии нанесения нано-композитных материалов на идентификационные документы, создание системы для идентификации лиц на основе получения записи на защищенный носитель (нанопамять) и цифровой обработки трехмерного видеоизображения. Преимущества проекта по сравнению с другими подходами - высокие характеристики идентификации и защищенности носителя, получаемые благодаря оригинальному методу, защищенному двумя патентами, и использованию в качестве носителя информации нанопамяти. Аналоги комплексирования систем идентификации лиц с использованием записи в нанопамять отсутствуют. Созданные в рамках данного проекта технологии могут найти широкое применение в системах доступа на критически важные для национальной безопасности объекты (фото 3), а также в системах паспортного и миграционного контроля нового поколения (фото 4). 4. Разработка и промышленное внедрение технологии получения и нанесения нанокомпозитных многофункциональных покрытий на конструктивные элементы технических средств и систем безопасности. Основные характеристики покрытий: увеличенный в 2-4 раза срок службы конструктивных элементов систем безопасности в условиях воздействия агрессивных химических кислотно-щелочных сред, а также повышенной влажности и соляного тумана, увеличенная до 20 дБ помехозащищенность систем безопасности в условиях воздействия повышенных электромагнитных помех и радиационного фона существенно превосходят аналоги (фото 5).

Предпосылки реализации проектов по рассмотренным направлениям базируются, в основном, на результатах фундаментальных исследований, выполненных институтами Роснауки, теоретически и экспериментально подтверждающих принципиальную возможность достижения поставленных целей. В настоящее время сформированы комплексные коллективы соисполнителей, которые способны в кратчайшие сроки реализовать указанные проекты, ориентированные на создание перспективных технических средств и систем безопасности, довести их до практической стадии, то есть до выпуска в промышленно значимых масштабах, без чего не может быть обеспечено повышение эффективности систем безопасности критически важных объектов. Дело за инвестированием проектов. Как никогда здесь велика роль государства. Поддерживая инновационные нанотехнологии в индустрии безопасности, государство открывает тем самым путь венчурным инвесторам, которые пока весьма осторожно относятся к финансированию проектов, находящихся на ранней стадии коммерциализации, каковыми являются системы безопасности с использованием нанотехнологий.

1. Нанокевлар

Кевлар, разработанный американской компанией DuPont в 1965 году, обладает высокой прочностью, благодаря которой его используют в производстве пуленепробиваемых жилетов и для армирования оптоволоконных кабелей. Прочность кевлара обеспечивается межмолекулярными водородными связями.

Ученые из университета штата Пенсильвания и университета Райса (США) сделали новый важный шаг в создании сверхпрочных полимеров. В отличие от кевлара, новый материал является композиционным, в нем использованы обычный нейлон и углеродные нанотрубки.

Композит получают методом межфазной полимеризации, с помощью которого нанотрубки равномерно распределяются по длине макромолекулы. Кроме того, исследователи научились модифицировать свойства полимера путем введения алкильных сегментов, или углеродных спейсеров.

Спейсеры играют роль связующих сегментов, обеспечивающих ковалентную связь между нанотрубками и макромолекулами. Эта связь определяет прочностные и упругие свойства композиционного материала. Попытки создать композицию нейлона с нанотрубками без спейсеров были неудачными — материалы оказались слишком хрупкими.

Новый нанокомпозиционный материал оказался почти вдвое прочнее исходного полимера. Не менее важным результатом исследования является возможность получать материалы с заданными свойствами — регулировать можно не только механические, но и электрические и термические свойства, сообщает PhysOrg.

Так, израильская компания ApNano Materials недавно испытала один из наиболее стойких к удару материалов, известных человечеству. Образец конструкционного материала ApNano, разработанный на основе дисульфида вольфрама, подвергался ударам, которые производились стальным снарядом, выпущенным со скоростью до 1,5 км/с. Исследуемый материал выдержал удар с воздействиями до 250 т/см2, а также статическую нагрузку 350 т/см2, что соответствует приблизительно нагрузке, развиваемой четырьмя дизельными локомотивами на область размером с человеческий ноготь.

Руководитель ApNano Materials, доктор Менахем Генут ( Menachem Genut), заявил, что компания готова выпускать до 200 кг материала ежедневно и в перспективе сможет перейти к производству в количестве, достаточном для нужд всей израильской армии. Такой материал может понадобиться для изготовления шлемов и бронежилетов, а также обшивки военного транспорта.

Характеристики

Список файлов книги