Парад н анотехнологий, часть I.

Металлы и полимеры.

Завершилась процедура сбора заявок для номинирования на Международную премию в сфере нанотехнологий RUSNANOPRIZE 2013. Премия учреждена ОАО «РОСНАНО» и Фондом инфраструктурных и образовательных программ и призвана привлечь общественное внимание к передовым научным разработкам в сфере нанотехнологий, которые доказали свою практическую значимость, т.е. были внедрены в промышленное производство. Тема Премии в этом году была объявлена как «Наноматериалы и модификация поверхности». Представляем серию статей с кратким обзором номинированных технологий.

Как и ожидалось, тематика наноматериалов вызвала самый широкий интерес среди потенциальных кандидатов на получение Премии. Именно в этой области лежит наибольшее количество технологий в состоянии готовности к промышленному использованию. Всего было подано 38 заявок. По результатам предварительного отбора по соответствию заявок формальным требованиям к конкурсу было допущено 23 заявки.

Все заявки можно условно разделить по шести направлениям:

- наноструктурированные металлы и сплавы;

- нанокомпозитные полимерные материалы и наномодификаторы;

- материалы и технологии для микро- и наноэлектроники;

- технологии модификации и исследования поверхности в масштабе нанометров;

- биомедицинские материалы и технологии;

- оборудование для создания наноматериалов, модификации поверхности, а также для измерения и контроля свойств и характеристик наноматериалов и поверхностей.

Сразу следует оговориться, что разделение по направлениям весьма условно. Так, большая часть заявок по разработке и производству оборудования нацелена на рынок микроэлектроники. Другой пример – наноалмазы, о которых мы уже писали в предыдущих статьях. Этот наноматериал может быть применен в качестве модификатора, добавки, способной изменять свойства известных материалов, а также широко используется в биомедицинских технологиях. Тем не менее, дальнейший обзор технологий будет сделан именно по выбранным шести отраслям.

В задачи данной статьи и последующих в этой серии не входит анализ собственно представленных заявок – насколько они сильны с точки зрения данной Премии. Эту задачу сейчас решает серьезная команда международных экспертов и результаты их работы станут известны в конце сентября, когда будет объявлен шорт-лист претендентов. Мы здесь постараемся сделать обзор представленных технологий, в чем их смысл и какую пользу они могут дать для развития соответствующих отраслей.

Металлы и сплавы.

Управление размером и характером взаимодействия зерен в структуре металла позволяет добиться совершенно новых характеристик для привычных и хорошо знакомых материалов, таких, как медь, алюминий, титан и т.д. Две промышленные технологии наноструктурирования металлов были предложены для номинирования на Премию – технология интенсивной пластической деформации (ИПД) и технология равноканального углового прессования (РКУП). Обе технологии базируются на разработках советских и постсоветских научных школ (см. например, здесь).

Смысл обоих подходов заключается в том, что путем локальных деформаций при высоких давлениях в металле формируется структура с меньшим размером зерна. Это позволяет на десятки процентов, а иногда и в разы улучшить такие характеристики, как прочность, устойчивость к коррозии и усталости металла. Технология РКУП успешно внедрена на производстве медных мишеней для микроэлектронных производств, а технология ИПД используется при производстве медицинских изделий из титана (зубных имплантов), а также для изготовления алюминиевых проводов с большей пропускаемой мощностью.

Проводящим материалам, точнее, сверхпроводящим, посвящена отдельная заявка. В рамках международного проекта по строительству темоядерного реактора ИТЭР коллективом российских ученых были разработаны технологии композитных сверхпроводящих материалов. По этим технологиям уже ведется промышленное производство проводов в объемах десятков тонн. Провода нужны, чтобы создавать сверхсильное магнитное поле в реакторе, при сечении менее 10 микрон такой провод может пропускать ток более 300 Ампер! Физический смысл в том, что в структуре одного металла, например, меди, формируется большое количество наноразмерных волокон из другого металла, например, ниобия. В итоге получается комбинация свойств высокой проводимости и высокой прочности, недостижимая при использовании обычных материалов.

Высокая прочность и устойчивость к коррозии металлов с наноразмерной зеренной структурой лежат в основе технологии нанокристаллических покрытий. Теоретические расчеты предсказывали, что термодинамически устойчивые наноразмерные зерна могут при определенных условиях возникать в сплаве никеля и вольфрама. Такие условия были подобраны и сейчас покрытия Ni-W на золотых контактах электронных плат позволяют сэкономить до 2/3 драгоценного металла, а в некоторых случаях и вовсе обойтись без золота.

Полимерные материалы, присадки, модификаторы.

Наиболее показательным примером использования наночастиц для модификации свойств известных материалов служат наноалмазы, о которых мы уже писали в предыдущих статьях. Наноалмазы используют в промышленных масштабах в качестве присадки к смазочным материалам. Это позволяет более чем в 10 раз уменьшить коэффициент трения и до 50% увеличить ресурс трущихся частей и агрегатов. В полимерных материалах наноалмазы также могут добавлять новые свойства, в частности, они повышают теплопроводность полимеров, придают им устойчивость к высоким температурам и радиации. Технологиям с использованием наноалмазов были посвящены целых три заявки из 23, допущенных к конкурсу.

На протяжение многих лет в научных кругах широко обсуждалась перспектива применения углеродных нанотрубок в качестве модификаторов в полимерных материалах. Сейчас эта возможность реализована в промышленном масштабе. Ценных потребительских свойств удалось добиться в таких материалах, как упаковочная пленка (защита от статического электричества), трубы из полиэтилена высокого давления и поликарбонатные строительные панели (в двух последних случаях использование нанотрубок позволяет существенно снизить технологические потери при обработке конечных изделий).

Целый спектр технологий применения наночастиц оксидов металлов (цинка, титана, алюминия и др.) в составе защитных полимерных и эмульсионных покрытий разработан специалистами американской компании. Это и технологии производства самих наночастиц, и технологии модификации поверхности и технологии диспергирования. Разнообразие технологических подходов продиктовано широким диапазоном задач, в которых такие наночастицы «работают»: косметика и ветеринария (солнцезащитные крема, противовоспалительные и противопролежневые присыпки), архитектура (самоочищающиеся покрытия для стекол), автомобильная промышленность (защита от царапин и ультрафиолета), энергетика (покрытия для солнечных батарей) и многое другое.

Продолжение следует.

В следующих статьях этого цикла мы продолжим рассмотрение технологий, представленных к номинированию на премию RUSNANOPRIZE 2013. До конца сентября будет сделан полный обзор всех 23 заявок. Возможно, это поможет в дальнейшем распространении и использовании отдельных успешных решений.