Нанотехнологии – эффективность и безопасность (обзор новых нанотехнологий)

Опубликовано 24.08.2011
Олег Фиговский   |   просмотров - 3073,   комментариев - 0
Нанотехнологии – эффективность и безопасность (обзор новых нанотехнологий)

Олег Фиговский,

академик Европейской академии наук, иностранный член РИА и РААСН, член Центрального Правления Нанотехнологического общества России, профессор

Высокая эффективность нанотехнологий одновременно заострила внимание и на их безопасности. В конце ноября в г. Казани состоится международная конференция по экологически безопасным промышленным нанотехнологиям. США являются мировым лидером в исследованиях, связанных с вопросами безопасности нанотехнологий. И если в 2005 г. федеральное финансирование этих исследований (EHS R&D) составляло 34.8 млн. $, то запланированное на 2012 г. финансирование – 123.5 млн. $ (бюджет на 2005-2011 гг. - 575 млн. $).

К сожалению, в России практически не ведутся работы по созданию экологически безопасных нанотехнологий (Environment Friendly Nanotechnology), хотя первый шаг уже сделан – в Казанском государственном техническом университете им. А. Н. Туполева в рамках Института Нанотехнологий и Наноматериалов открыта такая лаборатория (научный руководитель – проф. Фиговский).

Нанотехнологии успешно служат охране окружающей среды, помогают улучшить экологию, повышают качество жизни.

Исследователи из США разработали оригинальный пористый материал, способный поглотить до 125% молекулярного йода по отношению к собственной массе, что позволит очищать окружающую среду от радиоактивного йода, а также предотвратить случайное попадание радиоактивного йода в окружающую среду, как, например, это произошло в начале этого года в результате аварии АЭС Фукусима. Новый материал представляет собой металлоорганическую каркасную структуру [metal-organic framework (MOF)], высокопористый материал со значительной площадью внутренней поверхности, идеальный для адсорбции больших объемов газа. Тина Ненофф (Tina Nenoff) с коллегами показала, что MOF, известный как цеолитная имидазолятная каркасная структура-8 [zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8 )], может использоваться для необратимого улавливания больших объемов йода. Ненофф продемонстрировала, что ZIF-8 может поглощать и удерживать до 125% йода от своей массы, что на порядок выше возможностей применяющихся в настоящее время для адсорбции радиоактивного йода цеолитов. Выбор исследователей пал на ZIF-8, так как диаметр пор в этой металлоорганической каркасной структуре составляет 3.4 Ангстрем, такой размер вполне достаточен для диффузии йода внутрь координационной «губки». При этом прочность связывания йода с ZIF-8 столь велика, что «выдавить» йод из губки удаётся только с помощью нагрева до 575K. То обстоятельство, что каркасный материал способен связывать йод при сравнительно умеренном нагревании, весьма важно – исследователи продемонстрировали, что после адсорбции йода ZIF-8 могут быть инкорпорированы в стеклообразные материалы с низкой температурой спекания, что позволяет провести уже постоянную иммобилизацию йода в гомогенном твёрдом материале для последующего долговременного хранения.

Многие загрязняющие агенты обладают очень высоким сродством к нанотрубкам, поэтому их можно удалять из воды с помощью состоящих из этого наноматериала фильтров. В качестве примера можно привести растворимые в воде медикаменты, которые очень трудно вывести из нее с помощью активированного угля. Проблемы, связанные с насыщением фильтров, также разрешимы, поскольку углеродные нанотрубки имеют очень большую площадь поверхности (500 м2 на грамм), а следовательно, и очень высокую способность удерживать загрязнители.

Группа австрийских исследователей из Венского университета (Австрия) разработала новую методику под названием «пассивный отбор». Полученные с ее помощью данные намного надежнее, поскольку учитывают концентрации, встречающиеся в окружающей среде (обычно очень небольшие), тогда как классические методы могут иметь дело только с высокими концентрациями. На проведение экспериментов у исследователей ушел целый год. При помощи «пассивного отбора» ученые определили сродство (абсорбцию и адсорбцию) нескольких загрязняющих веществ (полиароматических углеводородов) в различных концентрациях к углеродным нанотрубкам, что важно при практической реализации такой технологии.

Исследователи Университета штата Северная Каролина создали сверхпоглощающий пеноматериал. Губка способна удалить из воды множество видов загрязнителей – от соли и тяжелых металлов до радиоактивных частиц. Используя отходы лесной промышленности и измельченные раковины мелких ракообразных, коллектив исследователей из Университета штата Северная Каролина (США) под руководством Джоэла Полака (Joel Pawlak) разработал пенистую субстанцию, которая обладает редкими абсорбирующими свойствами. «Получив материал, мы приступили к исследованиям его способности впитывать соленую воду. В процессе выяснилось, что он не только прекрасно абсорбирует большие объёмы соленой воды, но и способен извлекать соль из воды. Получился неплохой опреснитель», – говорит Полак. – «Итак, мы поняли, что материал может впитывать соленую воду. Нам стало интересно, сможет ли губка очистить воду от тяжелых металлов. Оказалось, что и с этой задачей она справляется превосходно. У материала, который мы используем, есть компоненты с положительными и отрицательными зарядами. Изначально части представляют собой единое целое. При погружении в воду происходит разделение зарядов. Таким образом, положительные и отрицательные ионы соли притягиваются зарядами пеноматериала. Мы рассчитываем, что наша губка также сможет улавливать вирусы и бактерии»

Применение нанотехнологий помогло бы обеспечить чистой питьевой водой все более увеличивающееся население нашей планеты. По прогнозам специалистов, из-за роста численности населения к 2030 году спрос на воду увеличится во всем мире на треть. Это притом, что на данный момент уже более чем миллиарду людей недостает чистой питьевой воды. А учитывая потенциальное увеличение температуры воздуха на три-четыре градуса и последующее за этим перераспределение количества осадков, дела могут обстоять еще хуже. Профессор Джэйсон Риз из Университета Стратклайд, Великобритания, доказал в процессе исследований, что водная проницаемость углеродных нанотрубок в 20 раз больше, чем самые передовые коммерческие мембраны для обратного осмоса (так называется процесс опреснения морской воды). Это говорит о том, что применение мембран из нанотрубок значительно сократит стоимость и потребление энергии, необходимой для процесса опреснения.

Исследователи из Университета Цинциннати разработали сенсор позволяющий быстро проводить качественное и количественное определение содержания тяжелых металлов, в особенности – марганца – в организме человека. Новый сенсор представляет меньшую угрозу для экологии – его рабочий электрод изготовлен не из ртути, а из висмута, для анализа с помощью нового сенсора требуется одна-две капли крови, в то время, как для анализа с помощью обычных систем объем образца должен составлять 5 миллилитров. Один из авторов исследования, Ян Папаутски (Ian Papautsky), заявляет, что, например, обычные методы для определения содержания марганца в крови требуют около 5 мл крови и 48-часового анализа в лабораторных условиях. В то же самое время в целях мониторинга здоровья пациента требуется значительно более быстрое определение содержания этого и других металлов в крови, особенно экспрессность такого анализа важна для людей, работа которых связана с риском повышенного контакта с тяжелыми металлами. Помимо замены ртутного электрода на электрод из висмута исследователи изменили и саму принципиальную схему устройства сенсора, что еще раз позволило понизить эффект интерференции анализа, связанный с гидролизом, увеличив чувствительность и надежность определения ионов тяжелых металлов.

Не менее значимо применение наноматериалов в энергетике. Так, Министерство обороны США запустило программу по внедрению топливных элементов. Для непрерывного функционирования оборудования американских военных баз, в случае перебоев с электричеством, на их территории имеются резервные энергетические установки. Раньше эту роль выполняли дизельные генераторы, однако с недавнего времени Министерство обороны США стало искать им альтернативу. Оно руководствовалось доводами, что работающий дизель является слишком очевидной целью для потенциальной атаки, кроме того, он занимает много места, и для его роботы постоянно требуется держать запас топлива, которое также занимает внушительный объём. Поэтому американские специалисты посчитали, что более перспективны – топливные элементы. Топливный элемент функционирует схоже с гальваническим элементом, только вещества в него поступают извне. Эффективность таких элементов достигает 80% благодаря тому, что электричество получается в результате прямой химической реакции. Ну и, конечно, работает он бесшумно, и занимает значительно меньше места, не говоря о том, что реактивы для его работы куда менее объёмные, чем дизельное топливо. В настоящее время топливными элементами оборудованы уже восемь военных баз Соединённых Штатов.

Билл Гейтс является одним из основателей молодой компании Terrapower, которая в настоящее время занимается изготовлением опытного образца реактора нового типа, так называемого реактора «бегущей волны». Добываемый из недр Земли уран на 99 процентов состоит из урана-238, который не представляет интереса в качестве топлива для ядерных электростанций. И только 1 процент от общей массы добываемого урана приходится на долю урана-235, который помимо топлива, используется еще в других целях. Небезызвестный Билл Гейтс и некоторые из его коллег считают, что современные технологии позволят реализовать реакторы нового типа, которые смогут сжигать уран-238, который сейчас просто утилизируется. Реактор «бегущей волны» получил свое название от вида распространения ядерной реакции в объеме топлива, загруженного в активную зону реактора. В активную зону реактора введено большое количество стержней из урана-238 и только один стержень из урана-235, который выступает в качестве «детонатора», «поджигающего» ядерную реакцию. В ходе ядерных превращений уран-238 преобразуется в плутоний-239, а тепло, выделяющее в ходе этого, используется для получения энергии. Реакция, происходящая в недрах этого реактора, распространяется от центра активной зоны к ее краям, подобно волне. По мере выработки стержней из урана-238 в центре реактора, происходит их перестановка с более удаленным от центра стержнями, что обеспечивает постоянное поддержание ядерной реакции. Используя такую технологию можно сжигать практически все виды ядерных отходов, произведенные другими типами реакторов. А в природе существует достаточно большое количество урана-238, который можно добывать без особых проблем даже из морской воды. По предварительным расчетам, используя уран-238 в качестве топлива ядерных электростанций, можно обеспечить все энергетические потребности человечества сроком приблизительно на 1 миллион лет. Реакторы «бегущей волны» более безопасны, волноваться по поводу перегрева его активной зоны нет причин. Реакторы Terrapower могут быть остановлены и охлаждены без использования таких активных мер, которые были предприняты на Фукусиме. Компания Terrapower собирается получить первый маломощный реактор «бегущей волны» для проведения испытаний уже в 2016 году. А в 2020 году, согласно планам, должен появиться на свет первый такой более мощный реактор, который может стать прототипом реакторов будущих безопасных ядерных станций.

Ученые из американского Университета Райса (Rice University) объявили о том, что им удалось достичь значительных успехов в деле создания электрического кабеля, токопроводящие части которого состоят из углеродных нанотрубок. Такие электрические кабеля, обладая высокой электрической проводимостью, станут основой высокоэффективных сетей передачи электроэнергии будущего. Главным технологическим препятствием, с которым сталкивались попытки разработки нанотрубочного «чудо»-кабеля, по словам ученого-химика Эндрю Р. Баррона (Andrew R. Barron), является трудность изготовления большого количества однородных нанотрубок большой длины. Ученые университета Райс продемонстрировали новый способ взять маленькие партии относительно коротких нанотрубок и с помощью некоторых ухищрений увеличить во много раз их длину. Затем полученные нанотрубки снова могут быть разделены на более короткие и снова подвергнуты процессу каталитического увеличения длины. Такой процесс может повторяться сколько угодно большое количество раз до получения достаточно толстого проводника, состоящего из однородной массы углеродных нанотрубок. С помощью кабеля, названного Armchair quantum wire (AQW), сотканного из длинных нанотрубок, можно будет передавать электроэнергию на большие расстояния с незначительными потерями, которые во много раз меньше, чем тот 5% допустимый предел потерь на 200 километров передачи, который является нормативом для обычных линий передачи на основе меди или алюминия. Ключом к успеху создания новой технологии стал правильный баланс между уровнем температуры, давления, временем проведения реакций и составом используемого катализатора. Оптимальное соотношение, на поиск которого у ученых ушло более полугода времени, позволило наращивать длину углеродных нанотрубок практически до неограниченной длины.

Коллектив китайских исследователей (Rufan Zhang, Qian Wen и другие) предложил использовать для хранения энергии бездефектные сверхдлинные натянутые углеродные нанотрубки. Для получения сверхдлинных нанотрубок авторы статьи использовали SiO2/Si подложку, в которой были проделаны специальные канальца, для получения «свободностоящих» трубок. Сами нанотрубки (длиной до 10 см) получали разложением метана при 1000 оС на катализаторе (наночастицы железа). Чтобы визуализировать «свободностоящую» часть нанотрубки на нее были нанесены частицы TiO2, распылением аэрозоля TiCl4. Благодаря высокой жесткости (модуль Юнга Е = 1,34 ТПа) и прочности (предельная деформация до 17%), плотность энергии деформированных нанотрубок может достигать 1125 В•ч/кг, что в 3 раза превосходит плотность энергии в супермаховиках, в 5-8 раз плотность энергии в литий-ионных батареях и в 25000 раз превосходит плотность энергии, запасенной в деформированных струнах.

Работая над аналогичной проблемой учёными (Sanketh R. Gowda, Pulickel M. Ajayan и другими) из Университета Райса (США) сконструировано устройство накопления энергии, которое имеет минимально возможные размеры. Проект создания X миниатюрного электрохимического устройства стартовал несколько лет назад. В декабре прошлого года его участники представили первый рабочий образец литий-ионного аккумулятора, у которого никель-оловянный анод и электролит, выполненный из полиметилметакрилата, компоновались в виде нанопровода. При изготовлении такого аккумулятора нанопровода из Ni-Sn выращивались с помощью электроосаждения в специальной пористой матрице из оксида алюминия, после чего диаметр пор увеличивали, обрабатывая их гидроксидом натрия. В появлявшиеся между оксидом алюминия и нанопроводами зазоры проникал полиметилметакрилат, создавая ровную и плотную оболочку. Анод и электролит, таким образом, упаковывались вместе, но катод не был интегрирован в наноструктуру. Учёные нашли решение этой проблемы, и в новом варианте устройства катод также становится одним из элементов составного нанопровода. За прошедшее с начала декабря время методика практически не изменилась: всё начиналось с матрицы из оксида алюминия с порами диаметром 200 нм, выращивания никель-оловянных нанопроводов и расширения пор. Однако роль электролита и разделителя играл уже не полиметилметакрилат, а полиэтиленоксид (PEO); свободное пространство, оставшееся в порах после нанесения этого слоя, занимала «катодная» смесь полианилина, поливинилденфторида и технического углерода, приготовленная в диметилформамиде. Затем массив нанопроводов, сочетавших в себе анод, электролит и катод, высушивался, покрывался 200-нанометровым слоем алюминия (токосборника), и всю матрицу обрабатывали раствором гексафторфосфата лития LiPF6, чтобы дать возможность ионам лития занять свои места в слое РЕО. Высота готовой «батареи» наноразмерных устройств составляла около 50 мкм. В опытах массивы продемонстрировали обратимую ёмкость в ~3 мкА•ч/см2 при токе в 0,03 мА/см2.

Альтернативу биогорючему сухопутного происхождения может составить морская капуста Laminaria digitata. Из-за того что её химический состав меняется от сезона к сезону, она не всегда пригодна. Но в июле концентрация углеводов в клетках водоросли достигает максимума – тогда-то и следует приступать к переработке её на сахар и производству биотоплива. «В процессе ферментации углеводы и растворимые сахара преобразуются в этанол, поэтому нам их надо как можно больше, – объясняет соавтор исследования Джессика Адамс из Университета Аберистуита, Великобритания. – Металлы подавляют этот процесс, поэтому их нам надо как можно меньше». Водоросли могут быть преобразованы в биотопливо несколькими способами. Брожение (анаэробное сбраживание) – самый распространённый, в его результате получаются этанол и метан. Второй вариант – пиролиз (нагрев без доступа кислорода), который даёт бионефть («зелёный бензин»). Основная масса исследований в области биотоплива сосредоточена на сухопутных растениях, однако последние имеют один серьёзный недостаток: они занимают землю, которую можно было бы использовать для выращивания продовольствия. Между тем на морские экосистемы приходится более половины мировой биомассы, причём водоросли способны сами по себе производить больше биомассы на квадратный метр, чем сахарный тростник и другая наземная флора, что делает предложенную технологию весьма перспективной.

Продолжаются интенсивные исследования по повышению эффективности литий-ионных аккумуляторов. Новый материал, разработанный японской компанией Sumitomo Electric может существенно увеличить емкость литий-ионных аккумуляторов – в 1.3 – 3 раза, а это позволит увеличить дальность поездки электрических автомобилей на 50–200 процентов. Этот материал называется Aluminum-Celmet, который имеет микропористую структуру, сформированную из множества сферических, связанных между собой, полостей. Немногим ранее компания Sumitomo Electric уже изготавливала микропористый материал из никеля и сплава хрома и никеля. За счет пористости такой материал обладает высокоразвитой активной поверхностью и при достаточном его заполнении активным веществом может с высокой эффективностью использоваться в качестве электрода водородно-никелевой аккумуляторной батареи. Такому материалу легко придать любую форму, он замечательно поддается любой механической обработке. Используя технологический процесс, такой же, какой были использовании для производства никелевого микропористого материала, компания Sumitomo Electric успешно произвела микропористый алюминиевый материал, который помимо развитой активной поверхности обладает еще и небольшим весом, малым удельным электрическим сопротивлением и превосходной устойчивостью к коррозии. Все эти черты нового алюминиевого материала делают его весьма привлекательным для использования в литий-ионных аккумуляторных батареях электрических автомобилей, и везде, где происходят частые циклы зарядки-разряда. Представители Sumitomo Electric утверждают, что замена алюминиевой фольги, используемой в качестве положительного электрода литий-ионных аккумуляторов, новым микропористым материалом позволит значительно увеличить показатель количества энергии на единицу объема аккумуляторных батарей. Это позволит увеличить ёмкость аккумуляторов электромобиля в 1.5-3 раза, а это, в свою очередь, при аккумуляторе такого же объема увеличит дальность поездки на дополнительные 200 процентов, или позволит сократить объем и вес аккумуляторных батарей на 2/3 при неизменной дальности передвижения. Помимо электромобилей, аккумуляторные батареи которых являются самым очевидным применением нового микропористого материала, этот материал может быть успешно использован и в аккумуляторных батареях, предназначенных для хранения энергии из возобновляемых источниках, таких как Солнце, ветер или водородные топливные элементы.

Американские учёные (Zhiyu Wang, Deyan Luan и др.) сообщили об инновационном аногде из полых нанотрубок оксида железа. α-Fe2O3 состоит из гексагональной плотнейшей упаковки анионов кислорода и катионов Fe3+ в 2/3 октаэдрических пустот структуры. Еще треть октаэдрических пустот может быть заполнена при зарядке катионами лития, при этом часть железа восстановится до степени окисления +2:
α-Fe2O3 + Li+ + e → LiFe2O3
Подобный электрод обеспечивает емкость до 1000 мА*ч/г при условии полной зарядки/разрядки за 2 часа и 500–800 мА*ч/г при ускорении процессов в 2–4 раза. Это значительно превосходит емкость графитовых электродов (372 мА*ч/г) и приближается к емкости электродов на основе нанотрубок оксида олова (1900 мА*ч/г), примерно на порядок превосходя их по скорости зарядки/разрядки. А производят описанные электроды по весьма оригинальной методике. Сначала формируют массив нанонитей меди. Затем осаждают на их поверхность FeCl2 с образованием CuCl из меди и его растворением:
Cu + FeCl3 → CuCl(тв) + FeCl2
CuCl + Cl- → CuCl2-(раств)
Адсорбированные на растворяющейся поверхности меди ионы Fe2+ Fe3+ быстро гидролизуются, формируя смешанный гидроксид Fe(OH)x в виде полых нанотрубок. После завершения вышеописанных процессов полученный массив нанотрубок подвергается окислительному отжигу для дегидротации и перевода всего железа в степень окисления +3.

Американские учёные разработали технологию создания прозрачных литий-ионных батарей, напоминающую по принципу действия струйную печать на прозрачном листе из вещества, которое используется для производства герметиков и силиконовых имплантатов. Группа ученых под руководством И Цуя (Yi Cui) из Стэнфордского университета преодолела эти проблемы, «напечатав» электроды при помощи микроканальной технологии - базового принципа работы современных струйных принтеров. Суть метода заключается в том, что вместо одного большого электрода используется сетка из тонких проводников толщиной в 30-40 микронов. Человеческий глаз не может зафиксировать такие небольшие объекты, и поэтому сетка даже с относительно небольшими ячейками (размером в 200 микронов) будет казаться прозрачной. «Печать» батареи производится в несколько этапов. Основой для сетки электродов служит кремниевая форма, которая заливается кремний-органическим (силиконовым) гелем. Застывший гель снимают с формы и покрывают тонкой пленкой золота. В результате образуются микроканалы, которые «заливают» раствором наночастиц из соединений лития, марганца и кобальта. После высыхания раствора золотая пленка аккуратно снимается и производится сборка «сэндвича» из двух таких пластинок и вещества-электролита. Электрический «бутерброд» не только прозрачен, но и достаточно гибок - устройство потеряло только 5% своей емкости после 100 свертываний в трубочку. Кроме того, данный источник питания можно многократно перезаряжать, как и обычный литий-ионный аккумулятор.

Продолжаются систематические исследования и разработки и в области наноматериалов. Создан новый терморегулирующий строительный материал, способный поглощать излишки тепла и выделять его обратно при необходимости, что значительно сократит затраты на поддержание микроклимата в помещении. Разработка относится к классу материалов с фазовым переходом (PCM) – так называют вещества, которые абсорбируют или, наоборот, отдают тепло при смене своего агрегатного состояния при определённой температуре. Исследователи из представительства британского Ноттингемского университета, которое расположено в городе Нинбо (Китай), утверждают, что их детище может запасать больше тепловой энергии, быстрее реагирует на изменение температуры и дешевле в производстве по сравнению с аналогами.

Учёные Массачусетского технологического института предложили для сохранения тепла новый материал из наноскопических углеродных трубок в комбинации с азобензолом. Результат был на высоте: данный материал оказался примерно в десять тысяч раз эффективнее при аналогичном объёме. Кроме способности накапливать тепло, он так же хорошо притягивает солнечную радиацию, являясь не только накопителем тепла, но и преобразователем в него солнечной радиации. Профессор Джеффри Гроссман (Jeffrey Grossman), один из участников исследований, говорит о новом материале, что он не теряет своих свойств со временем, является удобным для использования и недорогим, что наверняка обеспечит ему хорошие перспективы в этой и других сферах.

Израильская компания ApNano Materials использовала нанотехнологии для создания сверхпрочного материала. Исследования велись группой ученых Института Вайцмана под руководством профессора Решефа Таны и д-ра Менахема Ганота. Речь идет о металлическом сплаве, в котором молекулы организованы по принципу неорганических фуллеренов (молекула, образованная шестьюдесятью атомами углерода (С60) в вершинах высокосимметричного многогранника, в неорганическом фуллерене вместо атомов углерода используются другие химические элементы, например, металлы). В компании планируют делать на основе полученного материала бронежилеты и каски, поскольку сплав с фуллеренами превосходно нейтрализует действие ударной волны. Он прочнее стали в 4–5 раз, а также превосходит по прочности и другим защитным качествам два самых широко используемых при производстве бронежилетов материала – silicon carbide и boron carbide. Недавно были проведены испытания, давшие впечатляющие результаты: при обстреле образца пулями, летевшими со скоростью 1,5 км в секунду, возникало давление в 250 тонн/кв.см, но материал не деформировался и не разрушился.

Результаты новых исследований, выполненных датскими учеными Национальной лаборатории Ris DTU National Laboratory for Sustainable Energy, позволят в недалеком будущем производить более прочные и более легкие автомобильные детали и узлы, изготовленные из так называемых нанометаллов. Нанометаллы – это те же самые металлы, отличающиеся от обычных металлов весьма малым размером «зерен» их кристаллической структуры. Такое строение нанометаллов придает этим материалам высокую прочность, но при воздействии высоких температур, которые применяются в производственном процессе, кристаллическая структура нанометалла разрушается и материал теряет изначальную прочность. Датские ученые, работающие в направлении получения устойчивых нанометаллов, объединились с двумя европейскими компаниями-автопроизводителями, что бы совместными усилиями разработать материал на основе алюминия из которого будут производиться прочные и легкие детали кузовов легковых автомобилей. Проводя свои исследования, Тиэнбо Ю, студент университета DTU, обнаружил, что границы между «зернами» кристаллической структуры металлов могут переместиться и стать размытыми под воздействием высокой температуры. Такое поведение кристаллической структуры приводит к укрупнению «зерен», что существенно уменьшает прочность материалов. Чтобы стабилизировать кристаллическую структуру нанометаллов, удержав на месте границы между зернами, ученые ввели в состав алюминия инородные наночастицы, изготовленные из особого материала. Это привело к тому, что структура такого материала становилась практически нечувствительной к высокой температуре, а сам материал не терял своей прочности после завершения процесса горячей штамповки и других видов металлообработки. Изготовленные из алюминиевого нанометалла детали кузова легкового автомобиля показали во время проведения краш-тестов меньшую деформацию, чем те же детали, выполненные из стали, имеющей в два раза большую толщину.

Материал, восстанавливающий свою форму после снятия нагрузки, может пригодиться при возведении сейсмостойких зданий, утверждают японские учёные. Команда специалистов из Высшей инженерной школы Университета Тохоку под руководством Тосихиро Омори разработала поликристаллический сплав железа, марганца, алюминия и никеля, который возвращается в прежнюю форму при температурах от –196 до 240˚С. В этих пределах дополнительное давление, связанное с температурой, растёт на 0,53 МПа с каждым градусом. Как отмечает г-н Омори, одним из преимуществ сплава является его низкая стоимость, что в сочетании с высокой термоустойчивостью обеспечивает широкий спектр применения полученного материала. Его можно использовать при производстве крепежа и элементов управления в автомобилях, самолётах и даже космических аппаратах.

Продолжается успешное продвижение нанотехнологий в электронике и оптоэлектронике. Группа исследователей корпорации General Electric X продемонстрировала микроголографический материал, поддерживающий скорость записи, сравнимую с Blu-ray диском. При этом диск стандартного размера способен вместить в себя содержимое до 20 BD или 100 DVD дисков. Эта технология является одним из самых вероятных претендентов на роль оптического носителя будущего, и над её шлифовкой работают многие специалисты в области химии, физики и электротехники. Ключевыми моментами для начала коммерческой реализации данной технологии являются два параметра – плотность записи и её скорость. Плотность записи микроголографических дисков уже была доведена до 500 гигабайт на диск, и в перспективе может быть увеличена ещё троекратно. Проблемой было поднятие скорости записи, и она была успешно разрешена специалистами GE. Продемонстрированный материал обладал в сто раз большей чувствительностью, чем его предшественник. Таким образом, можно сделать вывод о высоких шансах приводов, сделанных по этой технологии, достичь массового рынка.

Исследователи из Японии и Швейцарии продемонстрировали возможность связывания между собой отдельных молекул с помощью проводящих ток молекулярных нанопроводов. Это открытие является важным шагом к созданию мономолекулярной электроники, что позволит во много раз уменьшить размеры привычных нам электронным устройств. Как сообщает руководитель группы ученых Юйдзи Окава (Yuji Okawa), ключом к мономолекулярной электронике является объединение функциональных молекул в единую цепь с помощью токопроводящих нанопроводов. Сложностей в этой задаче две: как расположить нанопровода в нужных местах и как соединить их с функциональными молекулами химической связью.

Ранее ученые предпринимали попытки связывать молекулы с помощью металлических проводов, однако это оказалось слишком сложным вследствие невозможности создания проводов заданного диаметра. Другим подходом было использование токопроводящих полимеров, но таким способом удавалось объединить лишь небольшое количество молекул. Исследователи из группы Окавы взяли в качестве исходного субстрата мономолекулярную пленку из диацетилена, нанесенного на графитовую подложку. Затем на него было нанесено небольшое количество фталоцианина, из которого на поверхности субстрата образовались нанокластеры. На заключительном этапе исследователи переместили щуп сканирующего туннельного микроскопа к одной молекуле фталоцианина и, подав на щуп пульсирующее напряжение, инициировали цепную полимеризацию диацетилена, в результате чего образовался полимерный нанопровод, который можно дотянуть до другой молекулы фталоцианина.

Компания Fiat намерена применить устройство, которое будет отображать полезную информацию, непосредственно в лобовое стекло. В погоне за интерактивностью производители автомобилей перешли от улучшения приборной панели и боковых стёкол к нетронутой до сих пор части автомобиля – той, что находится прямо перед глазами водителя. Инженеры Fiat намерены внедрить излучающий индикатор на лобовом стекле, который активно используется в военной авиации и постепенно осваивается другими видами воздушного и наземного транспорта. Исследовательский центр итальянского автопроизводителя участвует в европейском проекте NaPANIL, целью которого является разработка коммерчески пригодной технологии создания трёхмерных наноструктур (с элементами размером менее 100 нм) на различных поверхностях, включая стекло. Для микрочипов технология является слишком «грубой», а вот эффективные светоизлучающие устройства — такие как светодиодные экраны – производить вполне можно. Дефекты в пару десятков нанометров человеческий глаз заметить не способен, поясняет один из участников NaPANIL Николай Гадегаард из Университета Глазго (Великобритания). Процесс является разновидностью наноимпринт-литографии, когда в подложку «впечатывается» дополнительный элемент. В данном случае это устройство, которое транслирует излучение светодиодов, расположенных у нижнего края лобового стекла автомобиля. Свет проходит через толщу стекла и выводится на его поверхность в форме информации о скорости и других параметрах движения. Такой способ требует гораздо меньше энергии, чем вариант, когда изображение проецируется извне.

Светодиодные лампы обладают малой потребляемой мощностью, высокой надежностью и многими другими положительными качествами. Они экологичны, пожаробезопасны, позволяют легко изменять уровень и цветовые характеристики света. «Ахиллесовой пятой» светодиодов является достаточно сильный нагрев кристалла, излучающего свет. При повышении температуры кристалла уменьшается его светоотдача и сокращается срок службы светодиодной лампы. Решить эту проблему смогла израильская компания MCL, которая разработала новую передовую технологию ALOX, позволяющую уменьшить температуру кристалла за счет быстрого отвода тепла. Основу технологии составляет процесс селективного ступенчатого оксидирования алюминия, суть которого заключается в получении диэлектрика на поверхности металла и в его глубине. Компании MCL впервые в мировой практике удалось в процессе получения оксида сформировать структуру изолированных проводников внутри металла. Такой подход позволил создавать новый тип дешевых коммутационных плат с высокой теплопроводностью. В технологии ALOX™ не требуются процессы сверления и металлизации отверстий, так как межсоединения полностью состоят из алюминия, а диэлектрик сделан из высококачественной керамики. Процесс является простым и недорогим и содержит небольшое количество технологических операций. Технология ALOX™ является широкой технологической платформой и может применяться в пакетировании различных изделий электроники, таких как СВЧ-электроника, система SiP (System in Package), трехмерные стеки памяти, микромеханические устройствах MEMS, мощные модули и компоненты.

С 2011 года эта технология послужит основой для нового завода во Владимире.
«Размещение производства во Владимире позволит нам не только максимально быстро организовать производство светодиодных подложек, но и решить актуальную проблему логистики благодаря удобному расположению города и развитой транспортной инфраструктуре – отмечает генеральный директор ООО «МСЛР» Шимон Нефтин. – Уже в 2012 году мы планируем выпустить продукции примерно на 70 млн рублей, а к 2014 году – уже более чем на 1 млрд рублей». «Компания «МСЛР» – совместный проект венчурного фонда РВК «Тамир Фишман CIG» и РОСНАНО – демонстрирует то, как зарубежная технология может быть использована для создания в России крупного промышленного производства, выпускающего высокотехнологичную продукцию для всего мира.

Как видно из вышеприведенного обзора нанотехнологии являются двигателем многих отраслей промышленности, только не следует забывать, что они ещё должны быть и экологически безопасными.

Блог Олега Фиговского

Комментарии:

Пока комментариев нет. Станьте первым!