nano_1_97_4_lec

звичайні лампочки. А якщо взяти до уваги, що 20 % світової енергії витрачаєть-

ся на освітлення, стає зрозуміло — перехід від звичайних ламп на світлові діоди дозволить досить суттєво економити енергетичні ресурси.

Ядерна енергетика В США і можливо в інших країнах у теперішній час наноматеріали вико-

ристовують у системах поглинання високочастотного та рентгенівського ви-

промінювання. Таблетки ТВЕЛів виготовляють з ультрадисперсних порошків

UO2, а в термоядерній техніці використовують мішені для лазерно-

термоядерного синтезу з ультрадисперсного берилію. Захисний одяг з гуми або штучних матеріалів с добавками ультрадисперсного свинцевого наповнювача за однакового ступеня захисту в чотири рази легший за звичайний одяг.

Медицина і біотехнології

За прогнозами журналу Scientific American, вже в найближчому майбут-

ньому з'являться медичні пристрої розміром з поштову марку, які достатньо бу-

де накласти на рану щоб він самостійно провів аналіз крові, визначив, які меди-

каменти необхідно використовувати, і введе їх у кров.

Експерти Європейської комісії склали такий перелік найважливіших роз-

ділів нанобіотехнологій на майбутні 15–20 років:

адресне та дозоване постачання ліків;

молекулярна візуалізація;

косметика;

створення нових лікарських засобів;

методи діагностики;

хірургія, в тому числі трансплантація тканин та органів;

тканинна інженерія;

харчові технології;

геноміка і протеоміка;

молекулярні біосенсори.

51

З'явиться можливість для швидкого аналізу і модифікації генетичного ко-

ду, простого конструювання амінокислот та білків, створення нових видів ліків,

протезів, імплантантів. Вже проведена перевірка наноматеріалів на сумісність з живими тканинами та клітинами.

За прогнозами журналу Scientific American, вже у найближчому майбут-

ньому з'являться засоби діагностики завбільшки за поштову марку. Їх достатньо буде накласти на рану. Пристрій самостійно проведе аналіз крові, визначить,

які медикаменти необхідно використати, і впорскне їх у кров.

Важливою сферою застосування чистих наноструктурних матеріалів, зок-

рема титану, є використання їх у медицині — як імплантантів, протезів та у травматологічних апаратах. Причиною є поєднання високих механічних влас-

тивостей (на рівні складнолегованих сплавів) з високою біологічною сумісніс-

тю чистого металу.

Наноструктурні плівки вуглецю і композиційні наноплівки на основі вуг-

лецю та Si, SiOx, SiNx володіють хорошою біосумісністю, хімічно, термічною та механічною стійкістю і тому їх перспективно використовувати для вузлів біо-

сенсорів, протезів та імплантантів. Нанопорошки лікарських препаратів вико-

ристовують в медикаментах швидкого засвоєння та дії для застосування в екст-

ремальних умовах (поранення під час катастроф і бойових дій).

В даний час вже є дослідні зразки наноконтейнерів для прицільної доста-

вки ліків до уражених органів і нановипромінювачів для знищення злоякісних пухлин; для створення матеріалів, необхідних при лікуванні опіків і ран; у сто-

матології; у косметології.

Наночастинки можуть бути використані у медицині для точного транспо-

ртування ліків та керування швидкістю хімічних реакцій. Нанокапсули з мітка-

ми-ідентифікаторами зможуть доставляти леки безпосередньо до вказаних клі-

тин і мікроорганізмів, зможуть контролювати і відтворювати інформацію про стан пацієнта, слідкувати за обміном речовин тощо. Це дозволить ефективніше боротися з різними захворюваннями у тому числі з такими важкими як онколо-

гічні, вірусні та генетичні.

52

Наприклад, система штучного імунітету являтиме собою десятки тисяч нанороботів, які згідно зі своєю внутрішньою базою даних будуть виявляти джерело захворювання, інформувати про нього і вживати належні заходи для лікування (рис. 22).

Рисунок 22. — Медичні нанороботи в уяві художників

Сільське господарство Нанотехнології спроможні викликати революцію у сільському господарс-

тві. Молекулярні роботи зможуть виробляти їжу без участі рослин і тварин. Для цього вони будуть використовувати будь-яку речовину: воду і повітря, де є жи-

тво важливі хімічні елементи — Карбон, Оксиґен, Нітроґен, Гідроґен, Алюміній та Силіцій, а решта, як і для будь-яких живих організмів, будуть потрібні у мік-

роскопічних кількостях.

Військова справа Розвиток людства нерозривно пов'язаний з вдосконаленням засобів ве-

дення бойових дій. ХХ сторіччя ввійшло в історію як період найбільш бурхли-

вого розвитку озброєнь, який супроводжувався двома світовими війнами. Поча-

ток ХХІ сторіччя ознаменувався інтенсивним розвитком високоточних озброєнь, безпілотних, роботизованих та космічних бойових систем, а також інформаційно-аналітичних комплексів керування. Нанотехнології мають вели-

53

ке військове майбутнє. На військові нанодослідження США, Велика Британія і Швеція витрачають значні кошти з бюджету.

Військові дослідження у світі проводять в шести основних сферах:

технології створення і протидії «невидимості» (відомі літаки-невидимки,

створені на основі технології stealth);

економія енергетичних ресурсів;

розроблення систем, які, наприклад, дозволяють автоматично лагодити пошкоджену поверхню танка або літака або відновлювати наслідки коро-

зійного ураження;

створення засобів зв'язку;

розроблення пристроїв виявлення хімічних і біологічних забруднень;

створення бойових наномеханізмів.

Декілька прикладів.

Уніформа майбутнього ―наносолдата‖ повинна вміти відбивати кулі, са-

мостійно лікувати рани свого господаря, робити його непомітним і дозволяти ходити по вертикальних стінах. Для захисту від ураження вогнепальною збро-

єю буде створено так званий екзоскелет — спеціальний костюм, який збільшує свою густину в місці удару кулі.

Ще одна ідея — вплітати у тканину волокна органічних полімерів, відби-

вні властивості яких залежать від величини механічних напружень або напру-

женості електричних полів. Це зробить солдата невидимим для стандартних си-

стем виявлення, що використовують різноманітні види випромінювання,

оскільки у поєднанні з масивом мікромеханічних пристосувань ці нановолокна зможуть створити умови для проходження світла в такий спосіб, що як би сол-

дата не було у даному місці.

Солдати будуть забезпечені індивідуальними засобами живлення елект-

роенергією. Для цього не обов'язково буде носити на собі електрогенератор.

Уможливить живлення власної амуніції штучні м'язи, які розробляють у Масса-

54

чузетському технологічному інституті. Вони дозволятимуть перетворювати ме-

ханічну енергію руху і накопичувати її подібно до акумулятора.

Ультрадисперсні порошки використовують у складі ряду радіопоглина-

льних покриттів для літаків, створених із застосуванням технології «Стелс», а

також в перспективних видах вибухових речовин та запалювальних сумішей.

Вуглецеві нановолокна використовують в спеціальних боєприпасах, призначе-

них для виводу з ладу енергосистем супротивника (так звана «графітова бом-

ба»).

Країни-учасниці блоку НАТО незабаром перейдуть на нові захисні бойові шоломи, у конструкції яких передбачено використання в'язкого наногелю, зда-

тного миттєво поглинати імпульс енергії.

Рисунок 23. — Бойовий шолом, у конструкції якого використано наногель

Екологія Нанотехнології допоможуть також стабілізувати екологічну ситуацію на

Землі. Нові види промисловості не будуть виробляти відходи, які забруднюють планету, а нанороботи зможуть знищити наслідки старих забруднень. Понад це,

експерименти зі зразками ґрунтів, уражених радіацією та хімічними речовина-

ми (включно чорнобильські), засвідчили можливість відновлення їх за допомо-

гою нанопрепаратів на основі бактеріородопсіна до природного стану мікроф-

лори і родючості за декілька місяців.

За допомогою механоелектричних наноперетворювачів можна буде отри-

мувати будь-які види енергії з великим ККД і створювати ефективні пристрої для отримання електричної енергії з сонячного випромінювання з ККД прибли-

55

зно 90 %. Утилізація відходів і глобальний контроль за енергосистемами дозво-

лить суттєво збільшити сировинні ресурси людства.

Космонавтика За допомогою нанотехнології можна створювати не тільки субмікроско-

пічні, невидимі для людського ока предмети, але й вироби мегарозмірів, як на-

приклад, так званий космічний ліфт. Згідно з проектом американських констру-

кторів він являтиме трос завдовжки у декілька десятків тисяч кілометрів, який сполучає орбітальну космічну станцію з платформою, розташованою посеред Тихого океану.

Основною причиною, яка спонукала опрацьовувати такий проект є те, що принцип, покладений в основу сучасного ракетобудування, не дозволяє ракето-

носіям бути ефективним засобом доставки вантажів у космос. Причин цьому є декілька.

По-перше, ККД сучасних ракет дуже низький через те, що левова частка потужності двигуна першої ступені витрачається на роботу для подолання сили земного тяжіння.

По-друге, відомо, що значне збільшення маси палива у декілька разів дає лише невеликий приріст швидкості ракети. Тому, наприклад, американський ракетний комплекс ―Сатурн, Аполон‖ за стартової маси 2900 тон виводив на орбіту тільки 129 тон. Звідси астрономічна вартість космічних запусків за до-

помогою ракет (вартість виводу одного кілограму вантажу на низьку орбіту становить в середньому приблизно $10.000).

Незважаючи на багаторазові спроби знизити вартість запуску ракет, оче-

видно, радикально здешевити транспортування вантажів і людей на орбіту до вартості стандартних авіаперевезень на базі сучасних ракетних технологій принципово неможливо.

Для відправки вантажів у космос більш дешевим способом, дослідники з Лос-Аламосської національної лабораторії запропонували створити космічний ліфт. Ціна запуску вантажу за допомогою ліфта за попередніми оцінками може

56

знизитися від десятків тисяч доларів до $10 за кілограм. Вчені припускають, що космічний ліфт створить для людства зовсім нові можливості.

По суті, ліфт буде являти собою кабель, який сполучає орбітальну стан-

цію з платформою на поверхні Землі (рис. 24). Кабіни на гусеничній ході бу-

дуть переміщуватися вздовж кабелю вгору-вниз, переносячи супутники і зонди,

які потрібно вивести на орбіту або усунути з неї. Оригінально розв'язана про-

блема подачі енергії до самих ліфтових ―кабін‖: трос буде вкритий сонячними батареями або ж кабіни будуть оснащені невеликими фотоелектричними пане-

лями, які з Землі будуть підсвічувати потужні лазери.

Рисунок 24. — Космічний ліфт в уяві художника Пета Ролінгса

Ідея створення космічного ліфта існує давно, але досі ніхто не зміг запро-

понувати матеріал такої питомої міцності, щоб з нього можна було б виготови-

ти космічний трос. До недавнього часу одним з найміцнішим матеріалом вва-

жали сталь. Але виготовити з сталі трос завдовжки у декілька тисяч кілометрів було неможливо, тому що навіть спрощені обчислення засвідчують, що стале-

вий трос рухнув би під дією власної ваги вже на висоті 50 км.

Проте з розвитком нанотехнологій з'явилася реальна можливість вигото-

вити трос с потрібними характеристиками на основі волокон з надміцних і над-

легких вуглецевих нанотрубок. Поки що нікому не вдалося виготовити навіть

57

метровий кабель з нанотрубок, але розробники проекту запевняють, що техно-

логії виробництва нанотрубок вдосконалюються щоденно, так що подібний ка-

бель вповні може бути зроблений вже незабаром.

Головний елемент піднімача — трос, один кінець якого буде закріплений на поверхні Землі, а другий губиться у космосі на висоті приблизно 100 тис. км.

Цей трос буде натягнутий, як струна, завдяки дії двох різноспрямованих сил:

відцентрової та спрямована до центру закріплення. Щоб зрозуміти ідею такої конструкції, уявімо, що маємо прив'язаний до каната який-небудь предмет,

який почали розкручувати. Як тільки канат набуде певну швидкість, він натяг-

неться, тому, що на предмет діє відцентрова сила, а на сам канат — сила спря-

мована до центру закріплення, яка його й натягує. Дещо подібне відбудеться і з піднятим у космос тросом. Будь-який об'єкт на його верхньому кінці або навіть сам вільний кінець буде обертатися, подібно до штучного супутника нашої планети, тільки ―прив'язаному‖ особливим ―канатом‖ до земної поверхні.

Зрівноваження сил буде відбуватися, коли центр мас гігантського канату перебуває на висоті 36 тисяч кілометрів, тобто на так званій геостаціонарній орбіті. Саме там штучні супутники висять нерухомо над Землею, здійснюючи разом з нею повний оберт за 24 години. У такому разі він буде не тільки натяг-

нутий, але й зможе постійно займати строго певне положення — вертикально до земного горизонту, точно у напрямку до центру нашої планети.

На початку будівництва космічного ліфта потрібно буде здійснити декі-

лька польотів на космічних човниках. Вони і спеціальна платформа з своїм ав-

тономним двигуном доставлять 20 тон тросу на геостаціонарну орбіту. Потім припускається спустити на Землю один кінець троса і закріпити його в еквато-

ріальній зоні Тихого океану на платформі, подібній до нинішньої стартової площадки для запуску ракет. Потім розраховують спустити по тросу спеціальні піднімачі, які будуть добавляти все нові й нові шари нанотрубочного покриття до тросу, для нарощування його діаметра і збільшення його міцності. Такий процес має зайняти декілька років.

58

За прогнозами перший ліфт у космос людство зможе побудувати вже че-

рез 12–15 років. Він буде здатний підіймати до 20 тон вантажів кожні 3 дні, а

його попередня вартість становитиме 10 мільярдів доларів.

59

Лекція 8

Технології отримання наноматеріалів. Методи порошкової металургії виробни-

цтва нанопорошків. Хімічні технології. Осадження порошків з парової фази.

Високоенергетичний синтез. Осадження з розчинів. Розкладання нестабільних сполук. Відновні процеси.

Основні методи отримання наноматеріалів можна поділити на ряд техно-

логічних груп (рис. 25): методи на основі порошкової металургії, методи, осно-

вою яких є отримаання аморфних прекурсорів, поверхневі технології (створен-

ня покриттів і модифікованих шарів з наноструктурою), методи, які ґрунтуються на використанні інтенсивної пластичної деформації, та комплексні методи, у яких використовують послідовно або паралельно декілька різних тех-

нологій.

Основні методи виробництва наноматеріалів

Комплексні методи

Рисунок 25. — Основні методи отримання наноматеріалів

Методи порошкової металургії виробництва нанопорошків

Методи умовно поділяють на дві групи — методи отримання нанопорош-

ків і методи компактування з них виробів. Ряд методів може залежно від їх ва-

ріантів використовувати і для отримання нанопорошків і для формування об'є-

60