9.3. Цели, проблемы и решения

Участники семинара IWGN пришли к единому мнению, что необходимо вся­чески поощрять междисциплинарные исследования и новые (эксперимен­тальные, теоретические и вычислительные) подходы, связанные с изучением и описанием наноструктур. Совместные усилия различных научных и техниче­ских сообществ в области фундаментальных исследований позволят не только глубже познать сложные, взаимосвязанные наномасштабные процессы, но и выяснить их влияние на окружающую среду, что, безусловно, будет полезно и ученым, и инженерам. Особенно важными являются следующие направления исследований:

• Замена производств, связанных с больших объемом отходов, на так называ­емые «зеленые» технологии.

• Рационализация производственных процессов, позволяющая выпускать более легкие и мелкие изделия, что позволит снизить расходы материалов и энергии.

• Более глубокое изучение и регулирование природных явлений и процессов загрязнения окружающей среды с помощью нанодатчиков и наноэлектрон-ных устройств.

Для устранения или предотвращения загрязнения окружающей среды нано-частицами необходимо прежде всего иметь достаточно полное представление о фундаментальных процессах взаимодействия наночастиц и наноструктур­ных материалов с окружающей средой и в особенности с биологическими си­стемами. К сожалению, пока получено мало данных о роли факторов разме­ра и формы в химии поверхностных явлений, вследствие чего не созданы эф­фективные модели для оценки параметров соответствующих процессов.

Поэтому определение степени опасности наночастиц для окружающей среды во многих случаях очень затруднено и основывается только на результатах из­мерений.

Наночастицы можно рассматривать в качестве своеобразных «микрореак­торов», которые, в зависимости от окружения, могут преобразовывать энер­гию, перерабатывать отходы или служить в качестве сенсоров. В качестве при­мера можно указать использование наносенсоров для непрерывного контроля над состоянием окружающей среды или для оптимального управления произ­водственными процессами, позволяющего минимизировать потребление энергии. Поэтому основой для формулировки принципов материаловедения таких систем должно стать исчерпывающее знание принципов их синтеза, хи­мической модификации поверхности и включения в макросистемы. Непос­редственный контроль над состоянием окружающей среды важен практически во всех производственных процессах (в химической промышленности, элект­ронике, автомобилестроении и т. д.), а регулирование расходования энергии связано с работой транспортных средств, нагревательных систем и холодиль­ных устройств. Работа по созданию все более совершенных и экологически чистых производственных процессов зависит от развития средств контроля и обратной связи, которые во многих случаях могут быть построены лишь на ос­нове наноустройств.

С материаловедческой точки зрения синтез и стабилизация малых нано­структур имеют прямое отношение к экологическим проблемам. Установлено, что, используя новые физические и химические методы осаждения, можно синтезировать и стабилизировать очень сложные кристаллические наночасти­цы. Цель исследований в данной области заключается в разработке надежных методов изготовления стабильных и изолированных частиц, которые будут использоваться либо в качестве элементов структуры обычных или новых ма­териалов, либо как самостоятельные объекты в более крупных активных или пассивных структурах.

Применение конструкционных нанокомпозитов началось лишь несколь­ко лет назад, но можно с уверенностью утверждать, что в течение ближайших 5-10 лет будут изготовлены более совершенные и экологически чистые ком­позиты. Нынешние исследования в этой области имеют целью изготовление композитов, обладающих прочностью традиционных материалов, но значи­тельно меньшим весом, с помощью введения наночастиц в полимерные мат­рицы. В перспективе планируется создать такие композиты на основе поли­меров и наночастиц, которые помимо оптимальных весовых и прочностных свойств будут обладать необходимыми функциональными характеристика­ми, например химической инертностью или активностью, электропроводно­стью либо заданными оптическими свойствами. В частности, такие материа­лы могли бы использоваться для изготовления коррозионно-стойких и окра­шенных деталей кузова автомобиля.

Сорбенты, мембраны и катализаторы широко применяются для очистки отходов, защиты от излучения, в экологически безопасных и энергосберегаю­щих технологических процессах. Эффективность и функциональность многих активных сорбентов, мембран и катализаторов в нанометровом масштабе обусловлены наличием структур, сконструированных с нанометровой точностью. В настоящее время, когда требования к чистоте воды и воздуха постоян­но возрастают, наноструктурные сорбенты, мембраны и катализаторы, в силу своей способности избирательно захватывать атомы и молекулы заданного ти­па, помогают решить эту задачу. На основе наноматериалов могут быть созда­ны «зеленые» технологии во многих отраслях промышленности, повышена эффективность технологических процессов, а также процессов уничтожения отходов или их переработки.