Применение нанотехнологий (1075549), страница 16

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

Текст из файла (страница 16)

Класс подобных материалов назван «неорганической фуллереноподобной наноструктурой» ( inorganic fullerene- like nanostructures, IF). В настоящее время компания переходит к исследованию аналогичных образцов на основе дисульфида титана, которые, как ожидается, могут быть еще более прочными, чем на основе вольфрама, при массе, меньшей в четыре раза.

1. Нанодатчики («Умная пыль»)

Как известно, наибольшее развитие нанотехнологии получили в электронной, компьютерной и вообще в электротехнике, именно поэтому они также заслужили пристального внимания военных кругов развитых стран мира.

Миниатюризация компонентной базы вычислительной техники и увеличение тактовой частоты представляют собой главное направление развития нанотехнологии. К настоящему времени доказана работоспособность ряда активных компонентов — транзисторов, диодов, ячеек памяти, состоящих из нанотрубок, нескольких молекул или даже единственной молекулы. Передача сигнала может осуществляться одним электроном. Пока не решены проблемы, связанные со сборкой таких компонентов в единую систему и соединением их нанопроводами. Тем не менее, можно не сомневаться, что решение этих проблем — вопрос времени. Поэтому было бы удивительно, если бы эти разработки в первую очередь не были использованы в военных целях.

Первые разработки в области наноскопических датчиков уже успешно применяются в военных целях. Новые поколения сенсорных массивов и аналитического программного обеспечения создадут новые возможности для внедрения в чужие базы данных и перехвата нужной информации. Испытанные американцами во время военной кампании в Афганистане микроскопические датчики Smart Dust («умная пыль»), похожие на пушинки миллиметровых размеров, показали высокую эффективность. Их новизна заключается в том, что сигналы большого количества разнородных элементарных датчиков принимаются и анализируются централизованно, а сами датчики очень дешевы в производстве, так как являются массовым продуктом.

Высокая точность системы навигации и быстрота определения скорости транспортного средства, на котором она установлена, зависит от встроенных МЭМС-сенсоров и МЭМС-акселерометров. Эти сенсоры изготовлены с помощью фотонанолитографии и последующей микросборки.

Также МЭМС-сенсоры и системы навигации на их основе будут использоваться в снарядах, ракетах и торпедах нового поколения. Так в 2005 году начинается выпуск 155 мм управляемого снаряда Excalibur и управляемого снаряда XM395 для 120 мм мортир. Снаряд XM395 оборудован лазерным искателем, который определяет расстояние до цели и координирует курс снаряда по данным, полученным системой навигации с GPS. Также в XM395 используются микроактюаторы, с помощью которых раскрываются стабилизаторы снаряда в процессе полета. Все системы навигации работают благодаря инерционным измерительным устройствам на МЭМС основе. Система из трех гироскопов и трех МЭМС-акселерометров, связанная с GPS, представляет собой навигационный блок.

МЭМС-сенсоры используются в системе мониторинга и охраны заданной территории от вторжения в любых погодных условиях. Ранее разработанная система дистанционных сенсоров Improved Remote Battlefield Sensor System (IREMBASS) была дорогостоящей и крупногабаритной. Компания L-3 Communications Inc. разработала REMBASS II, которая использует МЭМС для сокращения размеров сенсоров.

Исследованиями в области усовершенствованных систем навигации занимается американская военная исследовательская организация DARPA.

1. Защита от биологического и химического оружия

Компания NanoScale Materials Inc. предложила коммерческий продукт на основе нанотехнологий, который нейтрализует токсичные химикаты, она совершенствовала средства защиты от химического и биологического оружия. "Естественно, одним из основных применений нового продукта будет военное, - сказал Том Аллен, вице-президент компании. - Наша основная спецификация - выпуск продуктов, эффективно нейтрализующих химические и биологические военные агенты. Конечно, нашу технологию можно будет использовать и в мирном русле для защиты людей, работающих на токсичном производстве". Одним из продуктов компании является порошок FAST ACT (First Applied Sorbent Treatment Against Chemical Threats), обезвреживаюший токсичные химикаты. Порошок состоит из активных наночастиц, которые связывают и деактивируют около 24 известных токсичных химических соединений, а также некоторые кислоты, использующиеся в химических атаках. Порошок можно применять при температурах ниже нуля, а также в различных средах. В отличие от кремов, которые должны быть влажными, он может быть эффективен и в распыленном состоянии.

Компания Gentex Corp. из США в сотрудничестве с NanoScale Materials Inc. разработала защитный костюм для солдат, в котором используется материал, интегрированный с порошком FAST ACT. Для защиты от спор Bacillus anthracis, т. е. бактерий, наиболее распространенных в качестве военного бактериологического агента, компания Nanomaterials Research Corp. предложила использовать фуллерены, соединенные с антителами. Результаты клинических испытаний препарата показали, что он убивает саму бактерию и ее споры до того, как концентрация патогенов в организме приведет к его смерти. При этом с момента заражения организма антраксом проходит 24 часа.

Другая компания, CombiMatrix, предложила чип для определения биологической опасности размерами с почтовую марку. Устройство может определить присутствие нескольких видов различного бактериологического оружия. На его базе CombiMatrix выпустила детектор HANAA, который можно использовать в полевых условиях. Прибор питается от батареек и весит около килограмма. Его принцип действия основан на репликации ДНК образца с помощью полимеразной цепной реакции. Когда же искомой ДНК становится достаточно для определения, прибор ее обрабатывает с помощью флуоресцентных меток и соотносит с одним из запрограммированных типов патогенной ДНК. Весь процесс обработки четырех различных образцов занимает 30 минут.

С помощью нанотехнологий была создана кремниевая микрокамера, в которой происходит процесс нагрева-охлаждения ДНК. Как говорят разработчики прибора, он может опознать патоген при концентрации 10 бактерий в 1 пробе. 1 проба представляет собой капсулу диаметром 5 мм и 2 см длиной. Так как такие токсины, как рицин, не содержат ДНК и, соответственно, не могут быть опознаны детектором HANAA, CombiMatrix также выпустила устройство на основе иммунохимического чипа, которое может опознавать 5 токсинов типа рицина. Эти устройства были успешно испытаны на специальном танке FOX в ходе войны в Ираке. Танк обнаружил следы рицина, зарина, споры антракса и другие токсины.

Дэвид Додерер, инженер из U.S. Global, заявил, что компания разработала воздушные фильтры на основе нановолокон, которые первоначально предназначались для астронавтов НАСА. Благодаря ультрамалым порам (около 50 нм) фильтр не пропускает отдельные вирусы и бактерии. Конечно, и детекторы, и средства защиты будут использоваться в охране аэропортов, многоэтажных зданий, больниц, правительственных учреждений и пр.

1. Мягкая броня

В армейской научно-исследовательской лаборатории США ( U. S. Army Research Laboratory) на основе самосгущающейся жидкости ( Shear Thickenning Fluid, STF) создали новую нательную броню для солдат. STF имеет достаточно сложный состав, однако сам принцип работы достаточно прост. В жидкости, которую разработчики называют «полиэтиленгликоль», расположена взвесь наноразмерных частиц, которые образуют с полиэтиленгликолем суспензию, обладающую рядом уникальных физических свойств, в частности, она сгущается при сильном механическом воздействии. Когда материал погружают в STF, кремниевые наночастицы поглощаются волокнами ткани. В обычном режиме ткань сохраняет гибкость, но когда материал встречается с внезапным напряжением, вроде попадания пули, частицы нанок-емния автоматически создают дополнительное сопротивление. При сдвиговом течении коллоидных суспензий (в данном случае — STF) в условиях увеличения скорости сдвига возможно резкое увеличение вязкости суспензии, что может стимулировать кардинальные изменения в ее микроструктуре за счет агрегирования частиц. При ударной нагрузке на полимерную наносистему происходит диссипация энергии удара, которая расходуется на образование гидрокластеров, препятствующих разрыву пленки полимерной наносистемы.

На 11-й Международной выставке средств обеспечения безопасности государства «Интерполитех-2007» Научно-исследовательский институт стали (Москва) и Институт прикладных нанотехнологии (Зеленоград) продемонстрировали первые опытные отечественные образцы «жидкой» брони, которая в перспективе может применяться для бронежилетов и других средств индивидуальной защиты.

Создание «жидкой» брони заключается в обработке обычной баллистической ткани гелевой композицией на основе фтора с наночастицами оксида корунда. Обработанная ткань внешне не отличается от аналога, но при ударном воздействии на нее пули или осколка находящийся внутри гель мгновенно затвердевает, препятствуя разрушению ткани и снижая поражающее воздействие.

Российскими специалистами исследовалась эффективность защитных свойств опытного образца ткани из «жидкой» брони и стандартного образца, изготовленного из 18 слоев баллистической ткани. Испытания проводились методом метания в них шариков массой 1,04 г и диаметром 6,3 мм (аналог пули) со скоростью 526 м/с. В результате испытаний было установлено, что «жидкая» броня обеспечивает лучшие защитные свойства, выдерживая нагрузку от шариков, летящих со скоростью до 560 м/с.

1. Орбитальный лифт

Для того чтобы выйти в космическое пространство, не обязательны опасное путешествие на ракете, хорошее здоровье, крепкие нервы и много денег. Исследователи предлагают использовать "Космический лифт". Сегодня, для того, чтобы выйти в космическое пространство, необходимо проделать опасное путешествие на ракете. Для того, чтобы вас взяли в космос, нужно хорошее здоровье, крепкие нервы и много денег. Исследователи из NASA и компания LiftPort Inc. предлагают упростить вывод крупных объектов на орбиту, используя систему, названную ими "Космическим лифтом".

"КОСМИЧЕСКИЙ ЛИФТ - это лента, один конец которой присоединен к поверхности Земли, а другой находится на геосинхронизированной орбите в космосе (на высоте 100 000 км). Гравитационное притяжение нижнего конца ленты компенсируется силой, вызванной центростремительным ускорением верхнего конца. Таким образом лента постоянно находится в натянутом состоянии. Изменяя длину ленты, можно достигать разных орбит. Космическая капсула, содержащая полезный груз, будет передвигаться вдоль ленты. Для начального старта капсулы потребуется усилие, но, как только она будет приближаться к концевой станции, ее скорость будет увеличиваться из-за центростремительного ускорения всей системы. На конечной станции, если это необходимо, капсула отсоединяется от лифта и выходит в открытый космос. Скорость капсулы при этом будет составлять 11 км/с. Этой скорости будет достаточно для того, чтобы начать путешествие к Марсу и другим планетам. Таким образом, затраты на пуск капсулы будут только в начале ее пути на орбиту. Спуск будет производиться в обратном порядке - в конце спуска капсулу будет ускорять гравитационное поле Земли. Можно использовать космический лифт в качестве "пусковой платформы" для космических кораблей, запускаемых к другим планетам, спутникам и астероидам (Марсу, Венере, Луне). Это поможет сократить расходы, связанные с традиционным запуском химических ракет. Также можно построить лифт грузоподъемностью до 100 тонн, что позволит строить на орбите большие колонии и орбитальные станции."

Трос

Трос должен быть изготовлен из материала с чрезвычайно высоким отношением предела прочности к удельной плотности. Космический лифт будет экономически оправдан, если можно будет производить в промышленных масштабах за разумную цену трос плотности, сравнимой с графитом, и прочностью около 65-120 гигапаскалей.

Нанотрубки характеризуются высокой жесткостью, и поэтому материалы на их основе могут вытеснить большинство современных аэроконструкционных материалов. Композиты на основе нанотрубок позволят уменьшить вес современных космических аппаратов почти вдвое. Исследователи из NASA и компания LiftPort Inc. предлагают упростить вывод крупных объектов на орбиту, используя систему, названную ими "Космическим лифтом". Вот как объясняет концепцию космического лифта доктор Брэдли Эдвардс в отчете NIAC:

Однослойные углеродные нанотрубки, изобретенные в 1991 году, достаточно прочны для того, чтобы служить основой ленты лифта. Они прочнее стали в 100 раз и, теоретически, в 3-5 раз прочнее, чем необходимо для постройки лифта. Правда, самые длинные нанотрубки, которые удалось изготовить, имеют длину в несколько сантиметров. А это даже не километр, не говоря уже о 100 тыс. километрах. Но совсем нет необходимости делать всю ленту длиной 100 тыс. км из цельных нанотрубок. Отдельные фракции, состоящие из нанотрубок длиной до 2 сантиметров, будут иметь такую же прочность на разрыв, как и длинные. Правда, исследователи из LiftPort еще только пытаются найти методы соединения фракций в более длинные полосы без потери прочности. Как они утверждают, лента будет представлять собой полимерную структуру с включениями нанотрубок. Для ленты космического лифта алмазоид был бы универсальным материалом. Он будет характеризоваться большей прочностью, но, опять-таки, пока нет эффективных способов получения и массового производства алмазоидных материалов.

Однако первые успехи в области сверхпрочных материалов из нанотрубок уже достигнуты. Две различные команды исследователей из США и Австралии создали прозрачную ткань, состоящую из нанотрубок длиной 1 м и шириной 5 см. Ранее ученым удавалось получить нанотрубки длиной только несколько сантиметров. Как и ожидалось, лента обладает высокой прочностью. Соотношение прочность/вес материала ленты выше, чем у стали высокой закалки. При этом ткань можно оборудовать органическими светодиодами, превратив ее в гибкий сверхтвердый OLED-экран.

Характеристики

Список файлов книги