Применение нанотехнологий (1075549), страница 29

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

Текст из файла (страница 29)

Сергей Салихов замечает, что вокруг нанотехнологий поднято слишком много шумихи, хотя пока имеет смысл вести речь лишь о создании новых материалов, обладающих свойствами, которые в обычном микроструктурном состоянии не проявляются. "Не все, что хорошо, имеет наноразмеры. И, в свою очередь, не все, что "нано", имеет практическое значение,— поясняет он.— В ряде случаев если перестараться и использовать частицы еще меньшего размера, свойства материалов в какой-то момент начнут не улучшаться, а ухудшаться. Кроме того, важно не просто получить материал в наносостоянии, но и суметь довести его до стадии практического использования".

В качестве иллюстрации своих слов ученый рассказывает о сложностях, возникающих при микролегировании металла в процессе его разливки (при получении полузаготовки). "Вы думаете, если в металлургический ковш при разливке металла засыпать нанопорошок, содержащий фуллерены или нанотрубки, качества металла улучшатся? — спрашивает Сергей Салихов.— Ничего подобного. Железо склонно к образованию углеродных соединений, карбидов. Так что фуллерены и нанотрубки сразу начнут образовывать карбиды, как при производстве обычной стали. Если же использовать тугоплавкие частицы типа Al2O3, их надо каким-то образом добавить и как-то перемешивать".

Наиболее перспективными можно считать исследования в области легирования фуллеренами или нанотрубками меди, которая не образует соединений с углеродом, и, кроме того, металл можно упрочить, не ухудшив его проводящие свойства. Таким образом можно, в частности, производить медные провода с гораздо большим запасом прочности. Сейчас ФГУП "Прометей" исследует возможность микролегирования меди посредством быстрого введения в расплав наноструктурной проволоки, благодаря чему в структуре металла происходит равномерное распределение частиц.

Представитель МИСиСа отмечает, что многие нанотехнологические проекты уже вышли на стадию опытно-промышленной эксплуатации, например по порошковой металлургии и по созданию "умных" материалов для профилактики тромбозов в медицинской промышленности. В целом внедрение разработок проходит довольно быстро, в пределах трех лет. А от фундаментальных исследований до промышленного внедрения проходит семь лет. Самый быстрый эффект, как правило, дает использование нанотехнологий в мелкосерийных производствах, таких, как выпуск материалов для медицинской промышленности. По словам Сергея Салихова, пока ученые не ощущают резкого снижения объемов финансирования, оно остается на прежнем уровне как по хозяйственным договорам с бизнесом, так и по госфинансированию.

Поскольку нанотехнологии в России превратились в своего рода культ и на их развитие выделены большие госинвестиции, одной из самых серьезных проблем этого направления науки стал наплыв желающих "откусить от финансового нанопирога". Это даже не обязательно шарлатаны — зачастую исследователи пытаются "притянуть за уши" нанотехнологии, чтобы получить деньги под свои проекты. Собеседники BG вспоминают, что кто-то пытался отнести свой проект к "нано", уверяя, что наноструктурное состояние у металла само собой возникает в месте закрытого соединения с деталью. Фильтруют такие проекты обычно эксперты крупнейших отраслевых НИИ.

1. РАЗНОЕ

   1. Алмазоиды

Уникальные свойства алмаза издавна привлекали внимание ученых. Во-первых, благодаря тому, что каждый атом углерода в кристаллической решетке алмаза связан с четырьмя другими атомами прочными ковалентными связями C-C, алмаз обладает феноменальной прочностью. Он способен выдерживать давление порядка 1050 ГПа и температуру свыше 1800°С.

Во-вторых, этот драгоценный кристалл состоит из атомов углерода — довольно распространенного на Земле элемента, входящего также в состав нефти, природного газа, древесины, угля, графита и пр. На нашей планете имеется около 6*1018 тонн углерода, что в миллион раз превышает массу всех построек и продукции за всю историю человеческой цивилизации.

Благодаря своим замечательным характеристикам природный алмаз мог бы найти широкое применение в промышленности, медицине и т.д., если бы не его чрезвычайная редкость и дороговизна. Оригинальные бриллиантовые украшения из самых больших природных алмазов не превышают нескольких сантиметров и стоят сотни тысяч долларов. Однако повсеместная распространенность углерода не могла не навести ученых на мысль о разработке методов получения искусственных алмазов из дешевых углеродсодержащих соединений.

В итоге, такие методы были изобретены, и сегодня искусственный алмаз является превосходным материалом во многих областях промышленности: электронной, металлообрабатывающей, авиакосмической, автомобильной, судостроительной и т.д.

С развитием нанотехнологш возрос интерес к получению алмазных частиц нанометрового размера и возникла идея существования алмазоидов — мельчайших кирпичиков, из которых состоит кристалл макроскопического алмаза, полностью повторяющих его тетраэдрическую структуру Такие элементарные кирпичики-молекулы получили название: адамантана (СдоН^), диаман-тана (С14Н20) и триамантана (С18Н24).

Между собой атомы углерода связаны ковалентной связью, а свободные связи поверхностных атомов "заняты" атомами водорода.

Долгое время эти соединения считались гипотетическими молекулами, так как их нельзя было ни выделить из окружающей среды, ни получить методами термохимического синтеза. Но в 1957 они были обнаружены в природе — алмазоиды удалось выделить из... сырой нефти.

Алмазоиды могут иметь разную пространственную структуру, но всем им присущи те же базовые характеристики, как у природного алмаза: модуль Юнга>1050 ГПа, температура плавления выше 1800°С, плотность 3500 кг/м3. Поэтому любой объект, изготовленный из алмазоидов, будет иметь жесткость гораздо больше, чем аналогичный из стали, более высокую температуру плавления, и будет гораздо легче аналогов из других материалов.

Алмазоид представляет собой углеводород, в котором атомы углерода образуют тетраэдральную пространственную решетку, точно такую же, как и в алмазе.

Перспективы применения алмазоида

Благодаря характеристикам, близким к алмазу, алмазоид имеет широкий спектр применения в различных областях жизнедеятельности человека. Это, прежде всего, микро- и наноэлетроника, медицина, машиностроение, металлообработка, двигателестрое-ние, авиастроение, транспорт. Рассмотрим вкратце некоторые из них.

Наноалмаз и алмазоидные пленки имеют широкие перспективы применения в различных устройствах электроники, MEMS и NEMS-устройствах, полевых транзисторах, электронно-лучевых устройствах и оптических компьютерах.

Одним из основных современных применений наноалмазов является полировка электронных и оптических материалов для электроники, радиотехники, оптики, медицины, машиностроения, ювелирной промышленности. Составы на основе наноалмазов позволяют получить совершенную зеркальную поверхность твердых тел любой геометрической формы, не имеющую дефектов и дислокаций, с высотой шероховатости рельефа 2-8 нм.

Применение наноалмазов существенно улучшает качество микроабразивных и полировальных составов, смазочных масел, абразивных инструментов, полимерных композитов, резин и каучуков, систем магнитной записи.

Введение наноалмазов в полимеры, резины и пластмассы увеличивает их прочность и износостойкость. “Алмазные“ шинные резины, устойчивые к проколам и перепадам температур, уже сегодня прекрасно работают и в условиях Крайнего Севера, и в жарких пустынях. Наноалмазы применяются в смазках, маслах и охлаждающих жидкостях. Использование наноалмазов в маслах увеличивает ресурс работы моторов и трансмиссий.

Алмазоид является первым претендентом в списке материалов, из которых в перспективе могут быть изготовлены медицинские наноинструменты и нанороботы. Поскольку их деятельность будет производиться, в основном, внутри тела, необходимо, чтобы их поверхность была полностью биосовместима с тканями и клетками организма.

Известно, что обычный алмаз отличается высокой биосовместимостью по сравнению с другими веществами. Клинические испытания сравнительно грубой алмазной поверхности протезов и имплантантов показали, что она химически инертна, нетоксична для клеток, воспринимается лейкоцитами как “своя” и не вызывает воспалительных или патогенных процессов.

Ученые только что научились получать алмазные нанопокрытия, поэтому невозможно точно предсказать реакцию на них клеток организма, но известно, что мелко измельченные углеродные частицы хорошо усваиваются телом: древесный уголь и копоть (сферические частицы диаметром 10-20 нм) использовались для татуировки с древнейших времен. В настоящий момент активно ведутся исследования на биосовместимость алмазоидных наночастиц, но до сих пор ни о каких вредных воздействиях на организм заявлено не было. Вероятно, благодаря своим уникальным характеристикам, алмазоид станет универсальным и дешевым материалом XXI века.

1. Обогрев с помощью нанотрубок в лаке

Запотевшие автомобильные стекла или зеркала уже в скором будущем могут уйти в прошлое. Инженеры одного из подразделений немецкого Института имени Фраунгофера (Fraunhofer-Technologie-Entwicklungsgruppe) в Штутгарте разработали прозрачный лак, с помощью которого может производиться обогрев стекол. Лак состоит из углеродных нанотрубок (Carbon Nanoтubes или CNT), которые нагреваются при подключении электропитания. Технология готова к запуску в производство.

1. Сверхточная очистка поверхности

Итальянские ученые придумали уникальный способ очистки и сохранения бесценных картин, написанных маслянными красками, мраморных скульптур и других произведений искусства.

Piero Baglioni и его коллеги разработали и успешно испытали особое наномагнетическое желе, облегчающие процесс реставрации предметов искусства. Однако, сфера применения такого материала оказалась значительно шире: его можно использовать также в косметических целях, в моющих и чистящих средствах и биотехнологии.

Подчеркивая важность открытия в деле сохранения предметов искусства от разрушительного воздействия времени, ученые объясняют, что реставраторы часто используют растворители и другие чистящие средства в виде гелей, напоминающих по консистенции желе. Такие гели, по сравнению с жидкими средствами, впитываются в поверхность на меньшую глубину и причиняют меньше повреждений, но их тяжелее смывать с поверхности картин, к тому же они могут оставлять после себя нежелательные следы.

Новое наномагнетическое желе изготавливается из настолько маленьких наночастиц, что 10 000 частиц уместились бы на площади, равной диаметру человеческого волоса. Затем это желе наполняется растворителем или другим чистящим средством и, нарезанное ножом или ножницами на нужные по размеру и формам кусочки, наносится на обрабатываемую поверхность. После того, как очистка окончена, реставратор убирает остатки с поверхности при помощи магнита.

Открытие показало, что наномагнетический гель представляет собой наиболее продвинутый и универсальный способ очистки и может оказать значительное влияние на теперешние методы реставрации и консервирования различных поверхностей, где требуется точность и деликатность при реставрационных работах.

1. Блок-сополимеры

В блок-сополимерах, содержащих сильно различающиеся по химической природе блоки, часто наблюдается расслаивание и образование микрогетерогенных систем (систем, неоднородных на микроуровне). Например, термоэластопласты состоят из полимеров, образующих два вида блоков - жесткие и эластичные. Благодаря образованию неоднородной структуры на наноуровне, они сочетают в себе легкость обработки (возможность придать форму при нагревании) и эластичность. Расслаивание блок-сополимеров используют для формирования массивов самоорганизованных наноструктур в качестве шаблона («трафарета»), способствующего возникновению упорядоченной структуры. Аналогично «жидким кристаллам» в блок-сополимерах возможно образование пространственно-упорядоченных систем ламеллярных, цилиндрических или сферических агломератов, представляющих собой мицеллы одного гомополимера в матрице другого. Стоит отметить, что ламеллярные наноструктуры во многом подобны клеточным мембранам живых организмов.

Современные нанотехнологии предполагают использование блок-сополимеров в качестве перспективных оптических материалов или матриц для формирования наночастиц. Температурная обработка или облучение сополимера позволяют осуществить селективную деградацию одной из фаз, одновременно связывая фрагменты другой в жесткую пространственную матрицу, которая может использоваться в качестве шаблона. Так, пленки сополимера PS70PMMA30 (полистирол / полиметилметакрилат) самопроизвольно формируют упорядоченную систему цилиндров полиметилметакрилата диаметром ~ 25 нм в матрице полистирола. Селективное удаление PMMA приводит к формированию регулярной системы изолированных цилиндрических пор, которая в дальнейшем может быть использована для формирования нанонитей металлов или полупроводников с плотностью расположения элементов ~1011 шт/см2 (Рис.1).

Характеристики

Список файлов книги