6.3.1. Використання нанотехнологій для підвищення якості та

конкурентоспроможності продукції

Конкурентоспроможність продукції, особливо виробів і процесів може бути значно підвищена при застосуванні нанотехнології, яка є наукою майбутнього та символом нової третьої науково-технічної революції. Нанотехнологія (грец. nanos – карлик, гном, є приставкою для назви одиниць, рівних одній міліардній міліметра (1 нм = 10^-9 м. = 10 А⁰) основана на вивченні, створенні та модифікуванні об’єктів, які складаються з частинок розмірами менше 100 нм і в результаті чого отримується принципово нові властивості. Нанотехнології знаходяться на передньому краї наукових, напрямків розвитку і є технологіями XXI сторіччя. тому та країна, яка буде їх впроваджувати, може стати лідером в майбутньому.

Властивості наноструктур обумовлені середовищем наносвіту. Одноварствні чи багатоварствні графітовіні циліндри нанометричної товщини, так звані нанотрубки дозволяють створювати композитні понадміцні матеріали, принципово нові напівпровідникові та оптоелектронні пристрої та багато оригінального іншого, хоча вони складаються з тих же самих атомів і молекул. Нанотехнології вже тепер широко використовуються при виготовленні особливих сортів скла, які є надзвичайно міцними і на яких не осідає бруд, одягу, що не забруднюється, не мнеться і має інші кращі властивості, а значить і показники якості.

Для впровадження нанотехнологій в промисловості необхідно розпрацювати способи одержання наноструктур і наноматеріалів в достатній для виробництва кількості. Початковою сировиною для одержання наноматеріалів є в першу чергу метали і їх оксиди, монтморилоніт, природні та синтетичні полімери, а також продукти переробки цінних відходів виробництва. Основними способами одержання наноматеріалів є фулеренова⁵ дуга (синтез в плазмі дугового розряду між графітовими електродами), газофазний метод (одержання фулерена С₆₀СНТ при температурі 4000⁰С), каталітичне розкладання вуглеводородів (продувка суміші газоподібного вуглеводороду та буферного газу по кварцовій трубці з металевим порошком при температурі 700-1000⁰С), порошкова технологія (газофазне осадження та компактування, спікання, гаряча обробка тиском), інтенсивна пластична деформація (рівноканальне кутове пресування, деформація крученням, обробка тиском багатоварствних композитів), кристалізація з аморфного стану (звичайним і високим тиском), плівкова технологія (хімічне та фізичне осадження покрить з газової фази, електроосадження, зольгель технологія). В результаті використання таких способів одержуються вуглецеві нанотрубки, наномо-

лекули, вуглецеві нитки, металеві частинки, покриті вуглецевою оболонкою, метали, сплави,

сплави, хімічні з’єднання, аморфні металеві покриття, що можна представити цеглинками, з яких можна будувати різні вироби з підвищеною якістю.

За допомогою нанотехнологій реалізується зовсім інший підхід розробки виробів від початку на відміну від першого традиційного - з кінця, тобто розробки загального вигляду конструкції виробу, його вузлів тоді деталей, їх матеріалів. Спершу створюються деталі з відповідними властивостями, а також цілі вузли шляхом використання нанотехнології. Очевидно, що другий підхід завжди забезпечить вищу якість, так як якість в мікросвіті є вищою, ніж у макросвіті. Слід зауважити, що у природі такі явища давно відомі, але лише тепер були здобуті ці знання, які одержали назву нанотехнології.

Для виявлення явищ нанотехнології та побудови конструкційних матеріалів на нанорівні застосовуються ефекти квантової фізики, наприклад, скануюча зондова наноскопія. Створений цілий ряд зондових мікроскопів (фактично наноскопів), в яких поверхня взірців сканується спеціальною голкою-зондом, а результат отримується у вигляді тунельного струму, як у тунельному наноскопі, або механічного відхилення в мікрозеркалі - атомно-силовому наноскопі, електростатичного поля – електростатичному наноскопі і т.д. Такі прилади використовуються не тільки для вимірювань, але і при формуванні та дослідженні наноструктур.

О

Рис. 6.11. Вигляд структури

графену

отриманої за допомогою трансмісійного

електронного мікроскопу

днією з штучних структур є нанотрубки з діаметром порядку 0,8-10 нм, які складаються з окремих атомів вуглецю. Такі трубки призначені для комунікацій, передачі енергії та сигналів, а також побудови нових матеріалів і відрізняються широкою різноманітністю фізико-хімічних властивостей. Ідеальна нанотрубка - це циліндр, який отримується при згортанні графенової⁶ площинної плівки. Такий графен уявляє собою плівку з атомів вуглецю, котра складає одну молекулу і є перспективною основою наноелектронних приладів. За міцністю нанотрубки значно перевищують залізо і є близькіми до алмазу, а за масою – легше пластика. З нанотрубок одержується нанопіна, яка має магнітні властивості і додатково може використовуватися для виявлення та знищення різних пухлин в людському організмі. В останній час була отримана також нанотрава, що представляє достатньо щільну варству нановолокон, перпендикулярно орієнтованих до підкладки.

За своїми електронними властивостями графен (рис. 6.11) відрізняється від тривимірного графіту. Його можна уявити у вигляді «розгорнутої» вуглецевої нанотрубки і охарактеризувати як напівметал, або ж як надпровідник з нульовою шириною забороненої зони. Підвищена мобільність електронів переводить його в розряд найперспективніших матеріалів для наноеле-ктроніки. В даний час графен отримують, впливаючи на графіт сірчаною та соляною кислотами, або вирощуючи на кремнієвій підкладці. Крім того, графен відрізняється високою міцністю. Кілька варств цього матеріалу товщиною в 0,1 мікрометра витримують до 2 тон ваги. Незвичайні оптичні властивості графену пояснюються його зонною структурою - ширина забороненої зони дорівнює нулю і зона провідності та валентна зона не параболічні, як для електронів у більшості твердотільних матеріалів, а конічні. Графен є не зовсім прозорим, що й дає можливість бачити його. Його здатність поглинати світло в оптичному діапазоні не залежить від довжини хвилі, що має важливе значення в квантовій електродинаміці.

Сучасні досягнення практичної нанотехнології представляються трьома групами: інкрементними, еволюційними і радикальними. Інкрементна нанотехнологія передбачає промислове застосування наноструктур і специфічних ефектів і феноменів з метою суттєвого вдосконалення якості традиційних матеріалів. Це створення композиційних конструкційних матеріалів з різними властивостями, захисних самоочисних та зносостійких покрить, препаратів автохімії і т.п. Наприклад, одержання корабельних фарб проти обростання біомасою днищ суден, добавок до палива та змащувальних матеріалів, зносостійких наноплівок, одягу з наноматеріалів на основі нановолокон, нанодіодів, застосування при зондовій літографії та іншого багато-багато цікавого.

Рис. 6.12. Приклади конструкцій

нанопідшипників

Еволюційна нанотехнологія пов’язана з розробкою наномеханізмів. З фулеренів, нанотрубок, наноконусів і інших подібних структур можуть бути складені молекули у формі різноманітних нанооб’єктів, таких як зубчаті колеса, штоки, підшипники і інші вузли з високими якісними характеристиками. На рис. 6.12 наведені приклади одержаних конструкцій, розрахованих методами молекулярної динаміки і складені з нанокомпонентів. В нанопідшипнику втрати на тертя на стільки незначні, що точні сучасні вимірні прилади їх не реєструють (менше трильйонної частки Ньютона). Матеріалом для таких кульок підшипників послужили синтетичні молекули-фулерони, які складаються з 60 атомів вуглецю, розташованих у вигляді правильних п’яти- і шестикутників. Кульки були поставлені в ряд між двома видовженими пластинками з графіту. Одержана також подібна конструкція наношестерен передач.

Радикальна нанотехнологія пов’язана з створенням спеціальних конструкцій механізмів, які використовуються для рішення багатьох технічних завдань по створенню надміцних конструкцій, а також діагностики та лікування різних хвороб, боротьби зі старінням живих організмів, відновлення їх функцій, тощо. Є проекти створення космодрому, космічного ліфту, які вже фінансуються NASA. Але всі розробки можуть бути втіленими у виробництво тільки з розвитком молекулярної нанотехнології складання наноструктур, тобто технології знизу - вверх, при яких складні об’єкти будуються з простих: окремих атомів, молекул. Поки що затримка за стабільною можливістю практичного виготовлення механізмів з теоретично розрахованих молекул.

Для представлення можливостей значного підвищення якості виробів нанотехнологіями майбутнього слід коротко відмітити особливості її застосування в наноінженерії, автохімії, електротехніці, будівництві, сільському господарстві, медицині, екології, військовій справі.

Наноінженерія поверхні деталей машин цілком визначає їх високу якість, досягнути якої традиційними способами просто неможливо. В першу чергу це їх надміцність та трибологічні властивості. Відомо, що на подолання тертя в машинах і механізмах, обладнанні тратиться біля половини палива. Цим обумовлені їх низькі коефіцієнти корисної дії порядку 0,6-0,8, а наприклад в розповсюдженому з’єднанні гвинт-гайка лише 0,25. Був відкритий також ефект беззношуваності, в основі якого лежить явище самовільного утворення тонкої плівки міді (рис. 6.13) в з’єднаннях тертя бронза-сталь в спиртогліцериновому середовищі та консистентного мастила ЦИАТИМ-201. Варства 2 покриває не лише бронзову деталь 3, але і спряжену з нею сталеву поверхню. При цьому утворюється тонка мідна плівка 1, товщиною 100 нм, яка зменшує зношування та силу тертя в десятки разів. Пізніше цей ефект був розпов

Рис. 6.13. Структура сервовитної плівки

сюджений і на сталеві пари. В природі такі з’єднання існують давно, наприклад, суглоби людей та тварин.

Відома технологія фінішної антифрикційної обробки, методи прискореної обкатки (приробки) машин і обладнання, їх відновлення без розкладання при неперервній роботі та іншого багато цікавого. Для суттєвого підвищення якості поверхонь конструкційних матеріалів (міцності, антифрикційності та антикорозійності) наносяться спеціальні наноструктуризовані покриття товщиною 50-500 нм за допомогою нанотехнологій. Така структура складається з ряду зон: композиційного антифрикційного покриття, перехідної дифузійної, деформованої наклепаної, основного конструкційного матеріалу. Застосування таких поверхонь в двигунах СМД-62 дозволило збільшити потужність на 8-12 кВт, в два рази зменшити зношування деталей, на 5-10% знизити витрати палива, в 1,7 рази моторної олії, збільшити міжремонтний ресурс в 1,23 рази. Відомі також інші види покрить, наприклад, наноплазмові, гальванічні, одержані хімічним осадженням, фізичним розпилюванням з осадженням та інші та ще кращими властивостями.

Досить цікаве підвищення якості лакофарбових покрить на основі нанотехнології, що застосовуються на автомобілях Mercedes-Benz, які забезпечують високу та довготривалу міцність покриття. Суть полягає в включенні в фарбу мікроскопічних керамічних частинок, утворених на основі нанотехнології, котрі під час висихання тверднуть, утворюючи надзвичайно щільну сітчасту структуру. При цьому в три рази підвищується міцність лакофарбового покриття при інтенсивному тривалому його блиску.

Застосування нанотехнології в автохімії в основному зводиться до ремонтно-експлуатаційних додатків до палива, змащувальних матеріалів, шампуней та поліролей, пластичних мастил-відновлювачів, тощо. Все це направлено на підвищення експлуатаційних і екологічних показників якості бензину та дизельного палива, а також профілактичного очищення систем його подачі. Тепер розробляється новий напрямок в авто-хімії та трибології (геотрибологія), тобто тертя, зношування та змащування при застосуванні різного роду мінералів і інших з’єднань мікро- та нанорозмірів. Поверхнево-активні речовини металокерамічного відновлювача після введення в двигун з олією підготовляють поверхні тертя хімічно (каталіз) і фізично (суперфініш), очищують від нагару, оксидів, відкладень. Далі ініціюється процес формування металокерамічного покриття з високою зношувальною стійкістю та малим коефіцієнтом тертя. Застосування алмазних наночастинок придає поверхні деталей антифрикційні, протизношувальні та протизадирні властивості. Випускаються нанопрепарати для моторних мастил, такі як Lubrifilm, nanodiamand, ретурнметал, стрибойл, формула AB, chap, nanoGuard і інші, які значно підвищують якість роботи автомобільних двигунів.

нанотехнології дозволяють створювати нові види палива та змащувальних речовин. Американська компанія Headwaters розробила екологічно чисте рідке паливо обробкою вугілля на молекулярному рівні. паливо після додаткової обробки застосовувалося замість мазуту. Створений метод, який дозволяє наповнювачам автомобільних каталізаторів ловити летючі органічні залишки вихлопних газів. Компанія Nanoforce використовує нанокаталізатори для очищення нафти, а також технологію збору врожаю за допомогою нанометоду: використання мікроскопічних водоростей для виробництва біоеталону.

Застосування нанотехнології в електротехніці приводить до підвищення компактності електричних і електронних пристроїв, їх швидкодії, застосування нанозапису, зберігання інформації та багато іншого. Так в 2007 році у США поступили в продаж комп’ютери з ємкістю жорсткого диску 1 Тб (10¹² байтів), тобто на ньому можна розмістити інформацію 50 млрд друкованих сторінок, хоча допускається, що нові комп’ютери будуть створені на принципово новій елементній базі, що дозволить ще більше підняти їх якість. Компанія Nantero (CША) представила новий чіп пам’яті для комп’ютера, одержаний з використанням нанотехнології, тобто нанотрубок без постійного живлення. Нині один чіп містить 40 млн. транзисторів величиною 130-180 нм. Зменшення довжини каналу транзистора приводить до зміни його властивостей. Наступна унікальна властивість наноструктур – квантові ефекти, що забезпечують незвиклі електронні властивості наночастинок, такі як надпровідність, інфрачервоне випромінювання та інші, що дозволяють створювати принципово нові електронні структури. У наносвіті підсилюється роль квантових ефектів. Розглядаються технології створення принципово нового наноелектронного обладнання, оснащення та приладів. Завдяки нанотехнологіям можна добитися кращого поглинання сонячної енергії, наприклад, фотопоглинаючі плівки мають на 20% кращий фотоелектричний ефект, ніж сучасні сонячні елементи на основі кремнію. Відоме застосування нанотехнологій при виготовленні світлових діодів, які у багато разів ефективніші від традиційних.

Підвищена мобільність електронів переводить графен в розряд найперспективніших матеріалів для наноелектроніки. Графен відкриває перспективи створення транзисторів й інших напівпровідникових приладів з дуже малими габаритами (порядку декількох нанометрів). Електрони переміщаються каналом балістично, як хвиля де Бройля, а це зменшує кількість зіткнень і відповідно підвищує енергоефективність транзисторів. Основним практичним застосуванням графена бачиться електроніка, тому що на його основі можна створити транзистори товщиною до 10 нм.

Застосування нанотехнології в будівництві також надзвичайно перспективне. Створений нанобетон, який завдяки добавкам (наноініціаторам) має значно кращі властивості у порівнянні з традиційним: межа міцності в 1,5 рази вища, морозостійкість збільшилась на 50%, вірогідність появи тріщин стала в три рази меншою при зменшенні ваги в шість разів, що здешевлює вартість конструкції в 2-3 рази. Такий нанобетон має і ряд додаткових відновлювальних властивостей: заповнюються всі мікропори і мікротріщини, проходить полімеризація, вступає в реакцію з корозійною варствою арматури, заміщує її та відновлює зчеплення з арматурою, чинить опір хімічному розкладанню та замерзанню, твердне навіть під водою. Другий напрямок практичного застосування нанотехнологій - це отримання обробних і захисних покрить, біоцитдних матеріалів, фасадних фарб, тощо. Формування поверхневих наноструктур виконується за допомогою лазерного проміння, анодним окисленням, приданням форми і створенням мікрорельєфу гравіруванням, покриттям варствою металічних кластерів, комплексів поверхнево-активних речовин, дисперсією наночастинок з морфологією, яка не утворює агломератів і т.п.

нанотехнології та наноматеріали у сільському господарстві здатні здійснити революцію, в першу чергу це відноситься до генної інженерії, виробництва та переробки продукції, очищення води, проблем якості продукції та захисту навколишнього середовища. Застосування нанотехнологій змінить техніку обробітку земель за рахунок використання наносенсорів, нанопестицидів і системи децентралізованого очищення води. Нанотехнологія дозволить створити високоврожайні сорти рослин, стійких до несприятливих екологічних умов. Так застосування нанопорошків з антибактеріальними компонентами приводить до дворазового підвищення врожайності багатьох продовольчих культур, наприклад, картоплі, зернових, овочевих і плодово-ягідних і це все без ГМО. Молекулярні роботи можуть виробляти їжу, замінивши сільськогосподарські рослини і тварини, теоретично можливо виробляти молоко прямо з трави, минаючи проміжну ланку – корову. В тваринництві нанодобавки до кормів збільшують продуктивність тваринництва в 1,5-3 рази при зниженні витрат кормів за рахунок більш повного засвоєння тваринами.

Оскільки всі хвороби людей виникають на клітинному рівні, то біологічно сумісні наночастинки можуть використовуватися при їх діагностуванні та лікуванні. Відкриті частинки наногільзи з діаметром в 25 разів меншим, чим у еритроцитів, вільно переміщаються по кровоносній системі. Якщо до них прикріпити спеціальні білки-антитіла, то вони можуть поражати ракові клітини, не ушкоджуючи здорові. Австралійська фірма pSivida розробила новий спосіб дозованої поставки препарату BrachySil до ракової пухлини, який їх вбиває. Препарат являє собою комплекс кремнієвих високопористих наночастинок. За допомогою нанотехнологій лікуються склерози, менінгіт, СНІД, грип і туберкульоз, інфаркт, правда поки що у тварин, можливе відновлення пошкоджених структур ДНК. Хоча медичні нанотехнології стрімко розвиваються і вже тепер є обнадійливими, це є лише початок і тому вимагаються подальші дослідження.

нанотехнології здатні також стабілізувати екологічну ситуацію. Нові види промисловості не вироблятимуть відходів, які отруюють планету, а нанороботи зможуть знищувати наслідки старих забруднень, фільтрувати воду та інші рідини.

Дуже цікаві результати застосування нанотехнологій у військовій справі, котрі підвищують якість озброєння. Вважається, що нанотехнологія може радикально змінити баланс сил, навіть у більшій степені, ніж ядерна зброя. Першим прикладом є розкриття секрету шаблі з дамаської сталі: після травлення поверхні взірця в соляній кислоті були виявлені ниткоподібні об’єкти манометричних поперечних розмірів, які представляють багатоварствні вуглецеві нанотрубки, всередині заповнені цементитом дуже високої твердості. Сучасні дослідження застосування нанотехнологій у військовій справі⁷ проводяться по шести напрямкам: енергетичні ресурси і боєприпаси, забезпечення та протидія невидимості об’єктів, захист і самовідновлюючі системи, які дозволять автоматично лагодити пошкоджену поверхню танка чи літака, системи зв’язку та пристрої для виявлення хімічних і біологічних забруднень. В Росії в 2007 році успішно була випробована вакуумна бомба, розроблена на принципах нанотехнологій. Для броні були розроблені надміцні наноматеріали класу неорганічної фулероподібної наноструктури, наприклад, ApNano, на основі сульфіду вольфраму. Цей матеріал витримував удар до 250 т/см², а також статичне навантаження до 350 т/см². Подібний матеріал з використанням сульфіду титану матиме ще кращі показники якості при меншій вазі. В США на основі самозгущаючоїся рідини STF створена натільна броня для солдат. В рідині розміщена суміш нанорозмірних частинок, які викликають згущення при сильних ударах. Така ж рідинна броня виготовлена в Росії та Великобританії. Наступним винаходом є плащ-невидимка, котрий складається з множини наноголок, утворюючи як би круглу масажну щітку. За рахунок відхилення кінчиками голок видимого світла, об’єкти позаду щітки стають видимі, але сам предмет, оточений наноголками – невидимий, однак пристрій поки що працює при фіксованій довжині світлової хвилі. Розроблені системи захисту від різного роду радарних і пошукових пристроїв. Проводяться розробки бойового робота розміром до 200 мкм, який самостійно переміщується, виявляє незахищених людей і вприскує їм отруту. Кількість такої зброї в 50 млрд. роботів може зберігатися в дипломаті і знищити все населення землі. Але такі розробки не є безпечними: відомі концепції сірої та зеленої слизи, яка може при виході з під контролю перетворити поверхню планети і всього живого на ній в єдину однорідну липку варству пороху чи слизу, поки є дискусійним.

У всякому разі нанотехнології фундаментально змінять характер можливої війни: зроблять її набагато більш небезпечною та спустошливою завдяки можливості створення зброї величезної руйнівної сили і дозволять країнам вести війну при існуючому світопорядку. Стає можливим створення невидимих видів озброєнь, більш жорстоких, ніж біологічні та хімічні. Тому заборона таких розробок є актуальною, важливою та надзвичайно потрібною для всіх.

Таким чином, можна досягнути підвищення якості виробів при застосуванні нанотехнології за рахунок одержання цілком нових властивостей матеріалів, деталей, виробів, сформованих в наносвіті. Це в першу чергу надзвичайна їх міцність, стійкість проти зношування, температуростійкість, нові електричні та магнітні властивості, тощо. Все це пов’язано з одержанням наноструктур, таких як нанотрубки, наноповерхні, а також конструкцій простих вузлів і механізмів. Таке формування може бути як природнім (використання спеціальних технологій), так і штучним (побудова структури спеціальним обладнанням і оснащенням в наносвіті). Наведені приклади застосування нанотехнологій в різних областях показують їх величезне майбутнє. Але слід пам’ятати, що це лише початки, перші кроки розвитку нанотехнологій, які в майбутньому докорінно змінять світ. Багато чого, а вірніше більшість, ще невідома, поки що немає відповідних спеціалістів, яких вже тепер необхідно підготовлювати в вузах. Гостро потрібні також державні програми подальшого розвитку нанотехнологій, достойне державне фінансування. нанотехнології є однією з провідних сфер новітніх технологій, кількість інвестицій в яку збільшується з року в рік на фоні зменшення об’єму інвестицій в інших сферах.

Додатковим імпульсом подальшого розвитку нанотехнології є присудження нобелевської премії в 2010 році англійським вченим А. Гейму та К. Новосьолову, а по суті російським, за отримання графену. Їм уперше у світі вдалося відокремити атомарну варству від кристалу графіта. Вони отримали графен, здираючи графіт з підкладки варства за верствою, котрий і досліджували.