Прикладная нанотехнология

 

       Как ни парадоксально это звучит, но человечество с давних времен использовало наноматериалы. Именно наличием наночастиц теперь можно объяснить самые невероятные свойства материалов, изготавливаемых несколько веков назад и порой недоступных даже современной науке.

       Так, например, прекрасный рубиновый цвет стекла получали введением наночастиц золота в стеклянную матрицу. Декоративная глазурь с глянцем, характерная для средневековой гончарной посуды, содержала сферические металлические наночастицы, придающие ей специфические оптические свойства.

       В настоящее время наиболее значимые достижения практической, или прикладной, нанотехнологии (рассматривает задачи и способы практического применения нанотехнологии для нужд человечества) находятся в сферах изготовления различных наноматериалов, электроники и медицины.

 

5.1 Инкрементная нанотехнология

       Инкрементная нанотехнология подразумевает промышленное применение наноструктур, а также специфических эффектов и феноменов, характерных для области перехода между атомным и мезоуровнями, в целях значительного усовершенствования существующих классических материалов.

       Наибольшее развитие инкрементные нанотехнологии получили в области создания композиционных конструкционных материалов с различными свойствами, защитных самоочищающихся покрытий, препаратов автохимии и некоторых других веществ.

       В Институте прикладной нанотехнологии (г. Зеленоград) разработана технология модифицирования наноча-стиц монтмориллонита (бентонита) в натриевой форме в Ag-форму. В межслоевое пространство бентонита вводится серебро в ионной форме. При контакте с продуктами жизнедеятельности человека, содержащими натрий, калий и пр., происходит ионный обмен ионов указанных элементов на ионы серебра, которые длительное время сохраняют бактерицидное действие. Такими наночастицами обрабатывают поверхности силикона, ПВХ и ткани, используемые в производстве экзопротезов. На Международной выставке по изобретениям в Женеве в апреле 2006 года данная разработка удостоена Золотой медали. На основе этой технологии были созданы составы для нанесения бактерицидных покрытий на элементы интерьера автомобиля (детали из пластика, тканей, стекол, ковриков и т.д.). В 2006 году на Сеульском салоне изобретений SIIFразработка была удостоена диплома Всемирной организации интеллектуальной собственности.

       Продолжаются испытания по использованию наноча-стиц монтмориллонита с серебром в ионной форме в различных красках и лаках как на водной, так и масляной основе. Предварительные результаты очень обнадеживают, так как при продолжительном испытании окрашенных элементов не обнаруживается рост микробных колоний. Это дает возможность создавать стерильные помещения на орбитальных станциях, в больницах, школах, местах массового скопления людей, на птицефабриках и т.п.

Обрастание днищ судов — острая проблема экологической и экономической значимости. Так, например, для судна с «грязным» корпусом требуется на 40% больше топлива, чтобы двигаться с той же скоростью, что и судна с чистым корпусом, а это значительно увеличивает выбросы СО2 и других парниковых газов.

       Существующие способы предотвращения биологического обрастания судов основаны на использовании биоцидов, убивающих биологические организмы. К ним относятся медь, мышьяк и токсичные органические соединения. Однако биоциды могут создавать проблемы для теплообменников опреснения воды, электростанций и океанографических датчиков.

       На основе разработанной технологии получения бактерицидного состава в Институте прикладной нанотехнологии ведутся работы по созданию корабельных красок против обрастания биомассой днищ судов. Покрытия на основе этих красок проявляют бактерицидную активность, не позволяющую колониям микроорганизмов развиваться на такой поверхности.

       Развернуты исследования, направленные на предотвращение обрастания судовых корпусов, в рамках проекта ЕС АМВЮ. Ученые из корпорации BASF сотрудничают в этом проекте с 30 деловыми и научными партнерами из 14 стран. Старт пятилетнего проекта начался в марте 2005 года. Проект включает в себя общий объем бюджета в размере 17,9 млн евро, из которых 11,9 млн будут предоставлены Европейским союзом. Цель проекта АМВЮ — использование наноструктур, значительно уменьшающих сцепление микроорганизмов, водорослей, моллюсков с поверхностью днищ судов в морской воде без использования биоцидов.

       Бытовое применение нанотехнологии началось с разработки Cerax Nanowax немецкой компании Nanogate Technologies GmbH — продукта на основе химической нанотехнологии, создающего «умную» поверхность с многофункциональными свойствами. Это ультратонкое покрытие работает намного дольше, чем традиционные средства, которые, как правило, очень быстро исчезают. Например, содержащийся в нем воск способствует хорошему скольжению поверхности лыжи. «Умный» Cerax Nanowax застывает при низкой температуре, сливается с поверхностью лыжи и скользит по кристалликам снега. В зависимости от вида зимнего спорта, погодных условий и уровней профессиональной подготовки спортсмена выпускаются различные модификации данного продукта.

       В последнее время наночастицы достаточно часто входят в различные ремонтно-эксплуатационные составы автохимии в качестве добавок к топливу и смазочным материалам. Нанотехнологии также широко применяются для нанесения износостойких композиционных наночастиц на рабочие поверхности при изготовлении специального металлообрабатывающего и стоматологического инструмента, защитных антикоррозионных и бактерицидных покрытий и в ряде других случаев. Например, сотрудники физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова совместно с университетским филиалом «Угреша» и в сотрудничестве с рядом зарубежных фирм выполняют научно-исследовательские и производственные работы по созданию и нанесению наночастиц различных металлов на любую, включая мелкодисперсную (типа песка), подложку. Применяемая для этих целей плазменная технология совмещает процессы образования наночастиц и их напыления на поверхность и в несколько раз сокращает продолжительность процесса нанесения, а также уменьшает стоимость конечного продукта по сравнению с традиционными методами. Кроме того, характерные размеры наночастиц имеют достаточно малый разброс (не более ±30%) относительно среднего значения (в интервале от 20 до 50 нм), которое определяется технологическими параметрами работы установки.

       В мире постоянно растет интерес к полимерным наноча-стицам и нанокомпозитам. Ежегодно проводятся международные выставки, симпозиумы, конгрессы и конференции, посвященные вопросам наноструктурных полимерных материалов. Так, если в 2001 году в Чикаго (США) и Монреале (Канада) состоялись две первые международные конференции по полимерным нанокомпозитам, а в 2002 году различным аспектам этой проблемы было посвящено более 10 форумов, то уже в 2003 году мировая научная общественность провела более 20 международных встреч по данной тематике.

       В США, Японии, Франции, Канаде и Индии разрабатываются специальные программы по наночастицам и нанокомпозитам различного назначения на основе полимеров. Многие программы ориентированы на разработку полимерных материалов со специфическими свойствами для нужд медицины, военных целей, транспорта и т.д.

       В нанотехнологических устройствах будущего, разумеется, могут быть использованы самые разнообразные явления — магнитное и электростатическое взаимодействие, перенос электронов, электромагнитной энергии (фотонов) или различных квазичастиц. В соответствии с подходом К. Э. Дрекслера рассматриваются молекулярные и даже биомолекулярные нанотехнологии, однако они сводятся в основном к чисто механическим сборочным конструкциям.

       Несомненно, использование многих других явлений и качеств, присущих наночастицам, в том числе квантовомеха-нических свойств, должно значительно расширить эти возможности. Например, в настоящее время научно-технической общественностью обсуждаются вопросы применения фуллеренов для создания фотоприемников и оптоэлектрон-ных устройств, катализаторов роста алмазных и алмазопо-добных пленок, сверхпроводящих материалов, а также синтеза металлов и сплавов с новыми свойствами. Углеродные фулдерены уже применяются в качестве тонеров (красителей) для копировальных машин, позволяя существенно повысить качество получаемых копий, снизить расход красителя и общую себестоимость выполнения копировальных работ.

       Планируется также использовать фуллерены в качестве основы для производства электрических аккумуляторных батарей. Такие элементы питания с принципом действия на основе реакции присоединения водорода во многих отношениях аналогичны широко распространенным никелевым батареям, но обладают, в отличие от них, способностью аккумулировать примерно в пять раз больше водорода. В то же время подобные батареи характеризуются более высокой энергоемкостью, небольшой массой, а также экологической и санитарной безопасностью по сравнению с наиболее современными в этом отношении аккумуляторами на основе лития, не говоря уже о кадмии. Эти аккумуляторы могут найти широкое применение в элементах питания переносных радиостанций, сотовых телефонов, персональных компьютеров (особенно ноутбуков), слуховых аппаратов и многих других портативных устройств.

       Создание одежды из материалов на основе нановоло-кон — также одна из областей, где нанотехнология уже находит практическое применение. Такая одежда не пропускает ультрафиолетовые лучи, обладает антибактериальными и антигрибковыми свойствами, практически не промокает под дождем и почти не пачкается.

 

Фирма-производитель	Отрасль исследований
Advanced Nano Products	Нанокристаллические и керамические порошки, предназначенные для осаждения и напыления
Applied Nanofluorescence, LLC	Оптические инструменты для исследований нанотрубок
Applied Nanoworks	Наноматериалы и квантовые точечные решения
BASF	Строительные материалы, обладающие водоотталкивающими свойствами
Фирма-производитель	Отрасль исследований
Carbon Nanotecfmologies, Inc	Коммерческое производство нанотрубок и фуллеренов
Lumera	Полимерные материалы и препараты
Metal Nanopowders, Inc	Металлические ианопорошки
MetaMateria Partners LLS	Нанопорошки и компоненты для аккумуляторов, мембран, различных электрических деталей, фильтров, каталитических установок и т.п.
Molecular Electronics Corp.	Электронные и оптикоэлектронные предложения
Molecular Imprints	Изготовление наноинструментов для полупроводниковой и электронной промышленности
Nanox	Металлические нанокристаллические катализаторы
Neo-Photonics Corp.	Нанооптические компоненты
pSivida Ltd	Изготовление биосиликонных материалов для медицинских целей
Wilson	Наноматериалы для гольф-клубов, тенниса и занятий с мячом
Zyvex	Манипуляторы для нанотрубок, наноматериалы

В таблице представлены некоторые наиболее известные зарубежные фирмы – производители наноструктур и товаров на их основе.

 

5.2 Эволюционная нанотехнология

       Эволюционная нанотехнология связана с наномеханиз-Мами, работы над которыми находятся на начальном этапе.

       По идее К. Э. Дрекслера, из фуллеренов, нанотрубок, наноконусов и других аналогичных структур могут быть собраны молекулы в форме разнообразных нанодеталей — зубчатых колес, штоков, деталей подшипников и других узлов, роторов молекулярных турбин, подвижных узлов манипуляторов и т.д. Сборка готовых деталей в работоспособную механическую конструкцию может осуществляться с использованием СЗМ или ассемблеров (самосборщиков) с прикрепленными к деталям биологическими макромолекулами, способными избирательно соединяться друг с другом.

Изделия, созданные на основе оптимальной сборки атомов и молекул, будут иметь предельно высокие характеристики.

       В 2006 году была создана молекулярная механическая «конструкция» — катящийся по золотой поверхности цель-номолекулярный четырехколесный «автомобиль», работающий на поглощении энергии света. Однако у фуллереновых «колес» оказались слишком большие потери на сцепление с поверхностью, и их пришлось заменить карборановыми (борорганическими).

       Наибольшее внимание это направление исследований получило в электротехнике, ниже оно будет рассмотрено подробнее, поскольку в будущем послужит переходным звеном к радикальным нанотехнологиям.

 

5.3 Радикальная нанотехнология

       Радикальная нанотехнология — нанороботы (предполагаемые конструкции и результаты их использования в настоящее время существуют лишь в фантастических рассказах и кинофильмах). Они способны к перемещению в окружающей среде и снабжены бортовой системой управления. Нанороботы могут быть использованы для решения широкого круга задач, включая диагностику и лечение болезней, в том числе борьбу со старением, для перестройки организма человека «по заказу», изготовления сверхпрочных конструкц вплоть до лифтов «Земля-орбита» и даже «Земля-Луна», терраформирования (изменения) Луны, других планет, их естественных спутников и т.д.