Наноматериалы и нанотехнологии_Учебное пособие

12

1.4. Перспективы использования нанотехнологий

Использование возможностей нанотехнологий может уже в недалекой перспективе принести резкое увеличение стоимости валового внутреннего продукта и значительный экономический эффект в следующих базовых отраслях экономики.

 В машиностроении - увеличение ресурса режущих и обрабатывающих инструментов с помощью специальных покрытий и эмульсий, широкое внедрение нанотехнологических разработок в модернизацию парка высокоточных и прецизионных станков. Созданные с использованием нанотехнологий методы измерений и позиционирования обеспечат адаптивное управление режущим инструментом на основе оптических измерений обрабатываемой поверхности детали и обрабатывающей поверхности инструмента непосредственно в ходе технологического процесса. Например, эти решения позволят снизить погрешность обработки с 40 мкм до сотен нанометров при стоимости такого отечественного станка около 12 тыс. долл. И затратах на модернизацию не более 3 тыс. долл. Равные по точности серийные зарубеж-

13

ные станки стоят не менее 300-500 тыс. долл. При этом в модернизации нуждаются не менее 1 млн активно используемых металлорежущих станков из примерно 2,5 млн станков, находящихся на балансе российских предприятий.

В двигателестроении и автомобильной промышленности - за счет применения наноматериалов, более точной обработки и восстановления поверхностей можно добиться значительного (до 1,5-4 раз) увеличения ресурса работы автотранспорта, а также снижения втрое эксплуатационных затрат (в том числе расхода топлива), улучшения совокупности технических показателей (снижение шума, вредных выбросов), что позволяет успешнее конкурировать как на внутреннем, так и на внешнем рынках.

В электронике и оптоэлектронике - расширение возможностей ра-

диолокационных систем за счет применения фазированных антенных решеток с малошумящими СВЧ-транзисторами на основе наноструктур и воло- конно-оптических линий связи с повышенной пропускной способностью с использованием фотоприемников и инжекционных лазеров на структурах с квантовыми точками; совершенствование тепловизионных обзорноприцельных систем на основе использования матричных фотоприемных устройств, изготовленных на базе нанотехнологий и отличающихся высоким температурным разрешением; создание мощных экономичных инжекционных лазеров на основе наноструктур для накачки твердотельных лазеров, используемых в фемтосекундных системах.

В информатике - многократное повышение производительности систем передачи, обработки и хранения информации, а также создание новых архитектур высокопроизводительных устройств с приближением возможностей вычислительных систем к свойствам объектов живой природы с элементами интеллекта; адаптивное распределение управления функциональными системами, специализированные компоненты которых способны к самообучению и координированным действиям для достижения цели.

В энергетике (в том числе атомной) - наноматериалы используются для совершенствования технологии создания топливных и конструкционных элементов, повышения эффективности существующего оборудования и развития альтернативной энергетики (адсорбция и хранение водорода на основе углеродных наноструктур, увеличение в несколько раз эффективности солнечных батарей на основе процессов накопления и энергопереноса в неорганических и органических материалах с нанослоевой и кластерно-

14

фрактальной структурой, разработка электродов с развитой поверхностью для водородной энергетики на основе трековых мембран). Кроме того, наноматериалы применяются в тепловыделяющих и нейтронопоглощающих элементах ядерных реакторов; с помощью нанодатчиков обеспечивается охрана окружающей среды при хранении и переработке отработавшего ядерного топлива и мониторинга всех технологических процедур для управления качеством сборки и эксплуатации ядерных систем; нанофильтры используются для разделения сред в производстве и переработке ядерного топлива.

В сельском хозяйстве - применение нанопрепаратов стероидного ряда, совмещенных с бактериородопсином, показало существенное (в среднем 1,5-2 раза) увеличение урожайности практически всех продовольственных (картофель, зерновые, овощные, плодово-ягодные) и технических (хлопок, лен) культур, повышение их устойчивости к неблагоприятным погодным условиям. Например, в опытах на различных видах животных показано резкое повышение их сопротивляемости стрессам и инфекциям (падеж снижается в 2 раза относительно контрольных групп животных) и повышение продуктивности по всем показателям в 1,5-3 раза.

В здравоохранении - нанотехнологий обеспечивают ускорение разработки новых лекарств, создание высокоэффективных нанопрепаративных форм и способов доставки лекарственных средств к очагу заболевания. Широкая перспектива открывается и в области медицинской техники (разработка средств диагностики, проведение нетравматических операций, создание искусственных органов). Общепризнано, что рынок здравоохранения является одним из самых значительных в мире, в то же время он слабо структурирован и в принципе "не насыщаем", а решаемые задачи носят гуманитарный характер.

В экологии - перспективными направлениями являются использование фильтров и мембран на основе наноматериалов для очистки воды и воздуха, опреснения морской воды, а также использование различных сенсоров для быстрого биохимического определения химического и биологического воздействий, синтез новых экологически чистых материалов, биосовместимых и биодеградируемых полимеров, создание новых методов утилизации и переработки отходов. Кроме того, существенное значение имеет перспектива применения нанопрепаративных форм на основе бактериородопсина. Исследования, проведенные с натуральными образцами почв, пораженных радиа-

15

ционно и химически (в том числе и чернобыльскими), показали возможность восстановления их с помощью разработанных препаратов до естественного состояния микрофлоры и плодоносности за 2,5-3 месяца при радиационных поражениях и за 5-6 месяцев при химических.

 В военной промышленности – в последнее время нанотехнологии широко используются при изготовлении разведывательных и боевых устройств. В Японии и США уже созданы образцы «цифровой бумаги» - тонкие и гибкие пленочные массивы наноэлектронных схем [NanotechnologyRevolutionary Opportunities and societal Implications/M.Roco, R. Tomellini, 3rd Joint EC-NSF Workshop on Nanotechnology 2002].

И в заключение следует более подробно остановиться на элементной базе компьютеров следующих поколений, которая будет включать в себя большое количество различных объектов, в том числе:

-Квантовые нити как суперпроводящие устройства с поперечным квантованием и как генераторы субмиллиметрового диапазона волн.

-Нанотранзисторы.

-Запоминающие энергонезависимые наноэлектронные устройства на снове квантовых точек для терабитной памяти.

-Нейроструктуры для нанокомпьютеров.

-Изделия наноэлектронной техники на основе новых материалов (карбида вольфрама, борида вольфрама, карбида бора,нитрида бора) для работы при температуре 2000 - 3000 град.С и в условиях ядерного взрыва.

-Высокотемпературные усилители, генераторы и логические устройства для съёма информации с первичных датчиков с частотным диапазоном до нескольких тераГерц.

-Моделирование технологии и архитектуры нанокомпьютеров. Нанооптические электрически перестраиваемые генераторы когерентного лазерного излучения для применений:

-в приборах для обнаружения наркотиков и взрывчатых веществ ("СуперНос"),

-в плоских экранах на основе карбидов,

-в устройствах дисплейной техники,

-в наноиндустрии при производстве новых материалов методами селективного катализа (проведением управляемых химических реакций).

16

Высокоэффективные источники когерентного лазерного излучения для использования в нанопроизводствах и антенных решетках нового поколения.

-Новые нанооптические материалы для летательных аппаратов с автоматически изменяемой окраской поверхности.

-Лазерные наногироскопы.

2. НАНОЧАСТИЦЫ

Наночастицы представляют собой мельчайшие, не более одной миллионной метра, структуры. В зависимости от условий получения они могут иметь сферическую, гексагональную, хлопьевидную, игольчатую формы, аморфную или мелкокристаллическую структуру. За счет того, что состоят из 106 или еще меньшего количества атомов (как правило, такие материалы состоят из зерен или являются монокристаллами), их свойства отличаются от свойств тех же атомов, связанных в объемном веществе.

В литературе еще не сформулированы точные различия между терминами «кластер», «наночастица» и «квантовая точка». Термин «кластер» чаще используется для частиц, включающих небольшое число атомов, термин «наночастица» - для более крупных агрегатов атомов, обычно используется при описании свойств металлов и углерода. «Квантовой точкой», как правило, называют частицы проводников и островков, где квантовые ограничения носителей зарядов, или экситонов влияют на их свойства.

17

В таблице 2. приведена классификация наночастиц в представлении разных авторов. Она связана с диаметром частиц в нанометрах и с числом атомов в частице.

Существует достаточно условная классификация атомных кластеров на основании их размеров и связь между размерами частиц и количеством составляющих ее атомов. Принято считать, что неорганическая молекула включает в себя до 10 атомных кластеров, наночастицы – до 105 атомных кластеров, а объемный материал – свыше 105.

Данное определение на основе размеров не совсем удовлетворительно, поскольку оно не учитывает различия между молекулами и наночастицами. Множество молекул состоит из более чем 25 атомов, особенно молекулы биологического происхождения. На самом деле не возможно провести четкую грань между ними. Они могут быть построены как посредством сборки атомов, так и дроблением объемного материала. Размеры наночастиц, меньшие, чем критические длины, характеризующие многие физические явления, и придают им уникальные свойства. Многие физические свойства определяются некоторой критической длиной, например, характерным расстоянием тепловой диффузии, или длиной рассеяния.

Таблица 2.

18

тельным набором свойств конечного продукта. Характеристики получаемого продукта - гранулометрический состав, форма частиц, содержание примесей, величина удельной поверхности могут колебаться в зависимости от способа получения в широких пределах. Методы получения наночастиц разделяют на химические, физические и механические.

2.1.1. Механические методы

Способы измельчения материалов механическим путем в мельницах различного типа – шаровых, планетарных (рис. 3), центробежных, вибрационных, гироскопических устройствах, аттриторах и симолойерах. Аттриторы и симолойеры – это высокоэнергетические измельчительные аппараты с неподвижным корпусомбарабаном с мешалками, передающими движение шарам в барабане.

Аттриторы имеют вертикальное расположение барабана, симолойеры – горизонтальное. Измельчение размалываемого материала шарами в отличии от других типов измельчающих устройств происходит главным образом не за счет удара, а по механизму истирания. Ем-

Рис. 3. Схема мельницы плане- кость барабанов в установках этих двух тарного типа типов достигает 400-600 л.

Механическим путем измельчают металлы, керамику, полимеры, оксиды, хрупкие материалы. Степень измельчения зависит от вида материала. Так, для оксидов вольфрама и молибдена получают крупность частиц порядка 5 нм, для железа – порядка 10-20 нм.

Разновидностью механического измельчения является механосинтез, или механическое легирование, когда в процессе измельчения происходит взаимодействие измельчаемых материалов с получением измельченного материала нового состава. Так получают нанопорошки легированных сплавов, интерметаллидов, силицидов и дисперсноупроченных композитов с размером частиц 5-15 нм.

Достоинство: возможность получения «сплавов» таких элементов, взаимная растворимость которых при использовании жидкофазных методов пренебрежимо мала. Это происходит за счет взаимодиффузии в твердом со-

20