Перспективы использования нанотехнологий

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 зарубежные станки стоят не менее 300-500 тыс. долл.

Приоритеты. В Украине в перечень стратегических приоритетных направлений инновационной деятельности в Украине до 2013 года включены отрасли и производства: машиностроение и приборостроение, высококачественная металлургия, нанотехнологии, микроэлектроника, информационные технологии, телекоммуникации, биотехнологии, перерабатывающая сельскохозяйственная промышленность и т.п., которые много лет базируются на отечественных научных академических школах.

Основные «прорывные» направления практического использования материалов и приемов нанотехнологий можно ожидать в создании наноэлектронных приборов, в первую очередь транзисторов и микросхем с многоплановой номенклатурой использования в вычислительной и микроволновой технике, метрологии, измерительной технике, солнечных батареях и фотоэкранах, а также в медицине в части опять же инструментально контролируемого вхождения человека с помощью наночастиц и наноустройств в структуру бариевых молекул и молекулярное строительство.

Кроме того, уже становится очевидным, что особое значение нанотехнологии имеют для диверсификации экономики по принятым приоритетам. В частности, развитие металлургического кластера, который сегодня невозможно представить без нанотехнологий.

В настоящее время непрерывно возрастает роль порошковых и композиционных материалов, и в этой сфере ученые имеют солидный задел в разработках технологий получения новых нано- и композиционных покрытий для увеличения срока службы конструкционных материалов, легированных порошковых сталей и сплавов с наноструктурой для высокопрочных и теплостойких деталей машин и механизмов, получения особо чистых порошков цветных и редких металлов, получения полупроводниковых материалов для солнечной энергетики и электронной техники.

Это позволяет применять при обогащении руд ионную и тонкослойную флотацию, различные виды сепараций (фото- и радиометрическая, электромагнитная и др.). Важны исследования способов применения нанотехнологий для защиты окружающей среды, например, в системах очистки воды или для удаления особо токсичных элементов из промышленных отходов.

Нанотехнологии объединяют оборону, энергетику, металлургию, медицину, энергосберегающие технологии, новые материалы. Они представляют огромный коммерческий интерес.

Достижения. Нанотехнологическая революция, в отличие от предыдущих глобальных промышленных революций, является национальной по форме и содержанию.

В отличие от термоядерной физики или физики высоких энергий, где получение знаний идет с помощью объединенных усилий всего мирового научного сообщества, все существующие на сегодняшний день нанотехнологические программы являются сугубо национальными.

Отчасти нанотехнологии уже вошли в повседневную жизнь, ими обозначают приоритетные направления научно-технической деятельности в развитых странах. По оценкам специалистов в области стратегического планирования, сложившаяся в настоящее время ситуация во многом аналогична той, что предшествовала тотальной компьютерной революции, однако последствия нанотехнологической революции будут еще обширнее и глубже.

Рассмотрим обзор 10 наиболее важных достижений в нанотехнологиях с начала их развития (последние 50 лет), касающихся материаловедения (журнал «Materials Today», Дж.Вуд (J.Wood):

1) «Международная маршрутная карта для полупроводников» (International Technology Roadmap for Semiconductors — ITRS), не научное открытие, а аналитический обзор, составленный большой международной группой экспертов (более 1200 специалистов от промышленности, из национальных лабораторий и академических оранизаций). Объединив науку, технологию и экономику, Карта устанавливает цели, достижимые в заданный период времени, и наилучшие пути движения к ним.

2) Сканирующая туннельная микроскопия (изобретение - 1981 г.) послужило толчком к наноисследованим и нанотехнологиям.

3) Эффект гигантского магнитосопрот¬ивления в многослойных структурах из магнитных и немагнитных материалов (1988 г.), на его основе созданы считывающие головки для жестких дисков, которыми сегодня оснащены все персональные компьютеры.

4) Полупроводниковые лазеры и светодиоды на GaAs (первая разработка - 1962 г.), основные компоненты телекоммуника¬ционных систем, CD и DVD плееров, лазерных принтеров.

5) Снова относится не к научному открытию, а к грамотно организованному в 2000 г. мероприятию по продвижению массированных перспективных научных исследований – т.н. «Национальная нанотехнологическая инициатива» США.

6) Пластмассы, армированные углеродными волокнами. Композитные материалы – легкие и прочные — преобразовали многие отрасли: авиастроение, космические технологии, транспорт, упаковочные материалы, спортивное снаряжение.

7) Материалы для литиевых ионных батареек. Эта «мобильная революция» была бы невозможна без перехода от перезаряжаемых батареек, использующих водные электролиты, к более энергоемким литиевым ионным батарейкам.

8) Углеродные нанотрубки (1991 г.), их открытию предшествовало не менее сенсационное открытие в 1985 г. фуллеренов C60. Сегодня поразительные, уникальные и многообещающие свойства углеродных наноструктур находятся в центре самых «горячих» публикаций. Однако остается еще много вопросов к методам их массового синтеза с однородными свойствами, методам очистки и технологиям их включения в наноприборы.

9) Материалы для мягкой печатной литографии. В производстве сегодняшних микроэлектронных приборов и схем, запоминающих сред и других изделий центральное место занимают литографические процессы, и в ближайшем будущем альтернативы не видно.

10) Метаматериалы, придуманные учеными (в 2000 г) и не имеющие аналогов в природе. Реальные структуры перспективны для создания совершенных линз (для радиолокационного диапазона длин волн) и для формирования покрытий, полностью поглощающих электромагнитное излучение определенного диапазона длин волн (создание объектов-невидимок). Другие необыкновенные применения впереди.

Кроме того, можно привести ряд примеров достижений в других областях.

Австралийские ученые предложили нанофильтр из песка для очистки воды. Нанопокрытия, нанесенные на частички кварца могут помочь решить одну из старейших и наиболее деструктивных для здоровья проблем — как удалить бактерии или любое загрязняющее вещество из питьевой воды.

Япония преуспела в создании гибких солнечных батарей и гибких органических FOLED-дисплеев. Так, компания «Sharp» изготовила солнечную батарею в виде пленки толщиной от 1 до 3 микрометров. Это меньше современных аналогов примерно в 100 раз. Слоями солнечных батарей планируется покрывать мобильные телефоны, автомобили и даже специальную одежду.

Ученые Массачусеттского Технологического Института (США) разработали мембрану из сетки нанопроволок для очистки нефтяных пятен. Мембрана, толщина которой примерно такая же, как у листа бумаги, способна поглощать в воде нефть или другие органические загрязнители в по массе в 20 раз превышающей массу самой мембраны.

В продолжение миллионов лет природа оптимизировала ДНК - биомолекулу, которая у всех живых организмов ответственна за хранение генетической информации. Сегодня исследования в Техническом Университете Дортмунда (Германия) показывают возможность модификации этой длинной цепной молекулы совершенно иным способом.

Китайские исследователи предложили простой метод синтеза нанокабелей из силицида титана TiSi2. Этот важный материал обладает отличной электропроводностью и стабильностью при высоких температурах и может оказаться полезен для создания электрических наноцепей. Длина полученных нанопроводов составляет около 10 мкм, а диаметр варьируется в интервале 50—300 нм. Электрические свойства оболочки проводов были исследованы при помощи атомно-силового микроскопа. Она оказалась хорошим изолятором, выдерживающим напряжения до 10 В.

Инженеры Института современной прикладной науки и технологий и Токийского университета придумали флеш-карту, которая способна хранить записанную на ней информацию в течение многих сотен лет. Кроме того, она работает на более низком напряжении – всего 6 вольт против 20 у стандартных чипов современности. И, соответственно, потребляет в три раза меньше электроэнергии.

Международный коллектив ученых компании NewAge разработал принципиально новый метод доставки активных веществ в нужные слои кожи. Его суть заключается в том, что биологически активные вещества помещаются в специальные контейнеры – наносомы, а различные наносомы, содержащие микроэлементы и витамины, объединяются в специальные системы – нанокомплексы. В нанокомплексы, созданные NewAge, входят десятки необходимых коже ингредиентов, взятых в наноколичествах. Благодаря измельчению до размера нано (один нанометр – это одна миллионная доля миллиметра или одна миллиардная часть метра!) активные вещества легче взаимодействуют с клетками. Клетки воспринимают их как естественные, родственные компоненты. Таким образом, активные вещества столь же активно участвуют в процессе обновления клеток самых глубоких слоев, они не только возвращают коже здоровый вид, но наполняют ее силой и энергией. Кожа запускает естественные процессы регенерации, восстанавливает собственную структуру, усиливает свои защитные способности и повышает жизнеспособность.

Ученые из Центра космических полетов NASA предложили новый метод производства высококачественных углеродных нанотрубок. Этот метод производства однослойных углеродных нанотрубок намного проще и безопаснее современного. Основа инновации состоит в производстве пучков нанотрубок без использования металлического катализатора. Все основные методы производства нанотрубок: химического осаждения пара, лазерной абляции, конверсии монооксида углерода под высоким давлением, используют металлы-катализаторы для формирования нанотрубок.

Всего за несколько последних лет разработаны сотни наноструктурированных продуктов конструкционного и функционального назначения и реализованы десятки способов их получения и серийного производства. В США выпускают 30% такой продукции, Япония – 20%.

Сегодня показатель российской наноиндустрии в различных отраслях составляет менее 1% мирового рынка высоких технологий (Россия — 0,7% мирового рынка наукоемкой продукции, США — 36%, Япония — 30%, Германия — 16%).

Например, в Украине при изучении нанопроцессов в твердом теле в отделе химии твердого тела Института общей и неорганической химии им. В.Вернадского обнаружили новые свойства материала, разработали керамические нагревательные элементы, не дающие искры, и даже использовали их в промышленности.

В Институте металлофизики НАНУ исследован новый физический эффект в многослойной структуре: ферромагнитный материал-пленка благородного металла толщиной в единицы нанометров — ферромагнитный материал. (Не так давно Нобелевская премия по физике была присуждена за обнаружение эффекта гигантского магнитного сопротивления в подобных слоистых средах. Все считывающие и записывающие головки в капдисках используют именно этот эффект).

Опасности. Нанотехнологии широким шагом вошли в нашу жизнь. Миллионы долларов инвестируются различными областями промышленности в разработку нанотехнологий. Сейчас они могут быть найдены везде: от строительного бетона до косметических средств; крошечные нанокристаллы, наносферы и нанонити, имеющие размеры порядка нескольких сотен или тысяч нанометров, позволяют придать необычные свойства давно знакомым материалам. Однако о токсичности таких добавок никто не задумывается.

В марте 2008 г. более ста ученых из разных стран мира встретились в Швейцарии на конференции «nanoECO» для обсуждения проблем, связанных с воздействием синтезированных наночастиц на окружающую среду. В центре внимания были нерешенные проблемы: как и в каких количествах наночастицы из «нанопродуктов» попадают в окружающую среду; какой будет, к примеру, уровень загрязнений рек, почвы; какие аналитические методы могут быть эффективно использованы? Поэтому при оценке токсичности очень важно правильно охарактеризовать не только сами наноматериалы, но и аналитические методы, используемые в исследованиях.

«Зеленая» химия, «зеленая» энергетика. Эти термины появились в конце прошлого века и сразу стали очень популярными. В последние годы чрезвычайно возрос интерес к ресурсосберегающим экологически чистым зеленым технологиям, инвестиции в фирмы зеленых технологий постоянно увеличиваются. Зеленая нанотехнология – это способ создания и использования наноматериалов и нанопродукции без нанесения ущерба окружающей среде и здоровью человека. Таким образом, с одной стороны к зеленой нанотехнологии относится производство наноматериалов и продуктов с использованием принципов зеленой химии и зеленых технологий (что улучшает окружающую среду косвенным образом), а с другой — создание нанопродуктов, которые непосредственно участвуют в решении прошлых, настоящих и будущих проблем, связанных с защитой природы и здоровьем людей (например, сорбенты для очистки сточных вод или питьевой воды, новые катализаторы, энергетические системы). К сожалению, невозможно найти перечень всей продукции, содержащей наночастицы. Многие производители не информируют об их наличии. Расширение производства и применения материалов, содержащих наночастицы, вызвало к жизни новую отрасль науки – наноэкотоксик-ологию, задача которой ответить на вопросы:

- как и в каких количествах наночастицы из «нанопродуктов» попадают в окружающую среду?

- какой будет, к примеру, уровень загрязнений рек, почвы?

- какие аналитические методы могут использоваться для подобных оценок?

Ученые оценили степень воздействия на окружающую среду трех наиболее распространенных на сегодняшний день видов наночастиц – нано-серебра, нано-TiO2 (диоксида титана) и УНТ, на основе компьютерного моделирования. Наночастицы серебра и TiO2 наиболее широко представлены в потребительских товарах. Нано-серебро обладает противомикробными, противогрибковыми и другими полезными свойствами, а нано-TiO2 производится в больших количествах для использования в самоочищающихся, необрастающих, противомикробных покрытиях и красках, а также в косметических средствах как поглотитель ультрафиолета.

Только в Австралии имеется более 300 зарегистр¬ированных солнцезащитных продуктов, содержащих наночастицы TiO2.

Агентство по Здравоохранению Великобритании открыло новый центр для исследования возможных эффектов воздействия наночастиц на организм человека. В становлении нового центра и разработке его программы активное участие принимают британские университеты.

Применение нанотехнологий и наноматериалов несет большие блага человечеству; нанотехнологии используют материалы в виде частиц размерами порядка 10—9 нм, которые имеют или могут иметь необычные психохимические свойства, позволяющие применять их в разных отраслях промышленности, например, медицине, электронике, косметике, пищевой промышленности и т.д. Нанотехнологии - сравнительно новые процессы и необходимы некоторые меры предосторожности при их разработке и применении. Соответственно, необходимы дополнительные исследования влияния наночастиц или нанопроцессов на организм человека. Это и будет основной задачей нового центра.

Знания в области взаимодействия наночастиц с телом человека нарастают очень быстро. Центр предполагает сосредоточиться на первых порах на поведении наноматериалов, которые проникают в организм через легкие и кожу. Будут исследованы механизмы транспортировки наноматериалов и специальное внимание предполагается уделить исследованиям био-кинетики наночастиц. Это включает в себя механизмы проникновения наночастиц в тело, их распределение внутри тела и их вывод оттуда.

Национальный Фонд Наукци взялся за беспрецедентный проект: они объявили финансирование в размере $1,8 млн. в течении 4-х лет исследовательской группе, которая займется тестированием различных материалов, содержащих нанодобавки на предмет опасности для человеческого организма.

Ведь если такие примеси изменяют свойства знакомых нам веществ, они могут так же влиять и на наше тело? И разве можно без тщательных предварительных исследований утверждать, что влияние это будет благотворным? Итогом проведенных исследований должен стать список действительно безвредных веществ, допущенных для использования человеком.

Кроме того, надо еще воспитывать общество, чтобы люди понимали, с чем они столкнутся, когда в нашу повседневность войдут нанотехнологии. Они принесут с собой новое качество жизни. Но и новые угрозы. В них надо грамотно разбираться, уметь противостоять им, и об этом надо говорить с людьми. Иначе будут возникать «страшилки» вроде разговоров о вреде генетически модернизированных продуктов, когда компании элементарно манипулируют общественным мнением в своих интересах. То же самое будет здесь, если, как говорится, не нести знания в массы.

Однако растут опасения, что нанотехнологии могут представлять собой угрозу для окружающей среды. Сами по себе такие наноматериалы могут быть вполне безопасными, однако при попадании в окружающую среду последствия могут оказаться совершенно неожиданными. Например, наночастицы из диоксида титана, которые находят применение в широком диапазоне устройств – от солнцезащитных экранов до перезаряжаемых батарей – поглощают и концентрируют в себе тяжелые металлы, такие, как кадмий. В настоящее время не ясно, повлияет ли появление таких наночастиц в атмосфере на токсичность и характер движения других вредных компонентов, загрязняющих окружающую среду.

Современная нанотехнологическая лаборатория должна располагать достаточным оборудованием и квалифицированными кадрами для превентивного или упреждающего подхода к вопросам воздействия нанотехнологий на окружающую среду, а не ждать, когда эти последствия встанут во весь рост, как это имело место на Семипалатинском ядерном полигоне в период изучения и развития ядерных и термоядерных технологий.

Проблема еще заключается и в том, что, несмотря на успехи нанотехнологий, до сегодняшнего дня так и не созданы технологии для массового тиражирования результатов. Речь идет об имеющемся разрыве между потенциальными возможностями нанотехнологий и теми их товарными формами, которые сегодня используются бизнесом. Многие из удивительных продуктов нанотехнологий еще не стали товарами массового производства, и поиск технологий, способных это осуществить, является стратегической задачей во всех ведущих корпорациях и лабораториях мира.

От безопасности технологий, материалов, изделий с использованием наночастиц будут зависеть наша жизнь и здоровье, а также судьба нанотехнологии и наноиндустрии на всей планете…

Список литературы

1. https://www.masters.donntu.edu.ua

2. https://www.nanometer.ru

3. https://indboard.ru

4. https://coolreferat.com