НАНОКОМПОЗИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ КИРИЧЕНКО ЯНА 221 ГР ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

НАНОКОМПОЗИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ КИРИЧЕНКО ЯНА 221 ГР. ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

• Вещество может иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. Частицы размерами от 1 до 100 нанометров обычно называют «наночастицами» .

• Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей. Тщательно очищенные наночастицы могут самовыстраиваться в определённые структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляет необычные свойства.

• Многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), заполненной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т. д. называют композитными материалами или композитами. • Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик.

ПОНЯТИЕ НАНОКОМПОЗИТА • Оказывается, аналогичное «поведение» характерно и в случае наноструктур. • Нанокомпозиты обладают превосходными физическими и химическими свойствами благодаря своей структуре и могут применяться в самых разных областях. • Нанокомпозит - многокомпонентный твердый материал, в котором один из компонентов в одном, двух или трех измерениях имеет размеры, не превышающие 100 нанометров. Этот термин следует соотносить с классом твердых образований, состоящих из основной матрицы и наноразмерного компонента, т. е. наночастиц, заключенных в химически инертную матрицу, что позволяет защитить их от внешних воздействий ( например, от окисления кислородом воздуха) и существенно облегчить практическое применение таких материалов.

ВИДЫ НАНОКОМПОЗИТОВ • В зависимости от типа основной матрицы, занимающей большую часть объема нанокомпозитного материала, нанокомпозиты принято подразделять на три категории. Нанокомпозиты на основе керамической матрицы улучшают оптические и электрические свойства первоначального материала (керамического соединения, состоящего из смеси оксидов, нитридов, силицидов и т. д. ). • В нанокомпозитах на основе металлической матрицы так называемым усиливающим материалом (нанокомпонентом) часто служат углеродные нанотрубки, повышающие прочность и электрическую проводимость. • Полимерные нанокомпозиты содержат полимерную матрицу с распределенными по ней наночастицами или нанонаполнителями, которые могут иметь сферическую, плоскую или волокнистую структуру.

ПРИМЕРЫ НАПОЛНИТЕЛЕЙ: Углеродные: фуллерены, фуллкриты, асралены, однослойный нано трубки с различной структурой, многослойные нанотрубки, углеродные нановолокна, наносажи. Металлические: наночастицы (получаемые путем лазерного испарения атомов с их конденсацией при охлаждении, высокочастотным индукционным нагревом, химическими методами, импульсивными лазерными методами), нанопорошки, получаемые помолом в наномельницахв жидких средах в присутствии ПАВ. Керамические: стеклянные наночешуйки, пластины (нанопластины – тонкие хлопья толщиной менее 5 нм) нанослюды, наночастицы оксидов кремния, алюминия, цинка, индия, карбида вольфрама, органомодифицированные слоистые силикаты, бетониты со структурой монтмориллонита, нанотрубки минералов. Полимерные : элементоорганические полимеры с ионно-кластерными, ионно-доменными нанофазами размером 1 -100 нм, разветвленные звездообразные дендримеры, гиперразветвленные наномолекулы, нановолокна из природных фибрилл (фибриллы – многостенные нанотрубки с закрытыми концами) льна, конопли.

Хотя все они улучшают свойства веществ, наибольшее широкое использование приобрели углеродные наноторубки и фуллерены.

Стоимость фуллеренов за последние 17 лет снизилась с 10 000$ до 10 -15$ за грамм, что привело к рубежу их реального промышленного производства. Уже около 40 компаний в мире занимается производством фуллеренов, а объем мирового рынка их достиг в 2008 году 143, 5 млн. долл. В настоящее же время средние темпы роста фуллеренов составляют 70% в год.

О СВОЙСТВАХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК МОЖНО ГОВОРИТЬ МНОГО, НО ЛУЧШЕ ПОСМОТРЕТЬ НА ТАБЛИЦУ И УВИДЕТЬ ОДНО ИЗ СВОЙСТВ В СРАВНЕНИИ

ТЕПЕРЬ ПОГОВОРИМ О ТОМ, ГДЕ ЖЕ ПРИМЕНЯЮТСЯ ЭТИ НАНОКОМПОЗИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В НАШИ ДНИ: • Сотовые телефоны и компьютеры, нуждаются в экранировании для защиты от внешних электромагнитных помех. Материал для экранирующего покрытия должен быть хорошим проводником электричества, поэтому эти покрытия обычно делаются из металлов. Но они обладают значительным весом, это затрудняет миниатюризацию и облегчение устройств. Кроме того, металлические покрытия подвержены коррозии. • С другой стороны, пластмассы обладают небольшим весом и химически устойчивы, поэтому учёные поставили перед собой задачу взять пластик и заставить его проводить электричество. После неудачных экспериментов с добавлением порошков металлов в пластиковую матрицу исследователи обратились к углеродным нанотрубкам. • Как известно, углеродные нанотрубки обладают великолепными механическими, электро- и теплопроводными свойствами. Кроме того, их большая длина и малый диаметр приводят к тому, что уже при добавлении 1– 2% нанотрубок в матрицу, они образуют единую сеть, которая и делает материал проводящим. Добавление нанотрубок повысило электропроводность пластика на десять порядков величины. • После достижения электропроводности учёные пошли дальше и попытались уменьшить вес материала. Для этого они добавили в материал пенообразующее вещество, что снизило плотность композита в два раза. • Таким образом, исследователи создали нанокомпозитный материал, который позволяет создавать лёгкие и инертные экранирующие покрытия. Помимо этого, улучшенная теплопроводность позволит лучше рассеивать тепло, неизбежно выделяющееся при работе устройств.

СУПЕРМАГНИТНЫЙ НАНОКОМПОЗИТНЫЙ МАТЕРИАЛ, СПОСОБНЫЙ УДАЛЯТЬ ИОНЫ КАДМИЯ ИЗ КРОВИ. • Исследователи из Китая отмечают, что развитие современной промышленности приводит к тому, что вероятность загрязнения человеческого организма ионами тяжелых металлов увеличивается. Для борьбы с последствиями такого загрязнения китайские химики и разработали супермагнитный нанокомпозитный материал, способный удалять ионы кадмия из крови. • Ионы кадмия могут повреждать органы человека, кадмий канцерогенен. Материалы, до настоящего времени исследованные на предмет способности выведения ионов кадмия из крови человека не обладают всеми необходимыми для применения в терапии свойствами. Они могут отличаться либо хорошей селективностью, либо высокой намагниченностью насыщения, либо хорошо диспергируются в воде, но не обладают всеми этими тремя свойствами одновременно. Новый композитный материал, полученный учеными, комбинирует все три необходимые свойства, желательные для препарата кадмиевой детоксикации. • Во время испытаний удалось удалить 80% ионов кадмия из 1 мл крови. Нанокомпозиты можно будет ввести в кровоток с помощью инъекции в вену, в крови наночастицы могут связать ионы кадмия, а комплекс кадмий-нанокомпозит может быть удален за счет циркуляции крови через систему с магнитным полем, после чего очищенная кровь будет возвращаться в кровеносную систему.

НАНОКОМПОЗИТЫ ВОССТАНАВЛИВАЮТ КОСТИ • Создан нанокомпозит, который не только может использоваться в качестве пломбы для зубной полости, но и способен уничтожать любые оставшиеся в зубе бактерии, а также восстанавливать (!) его структуру, потерянную в результате распада. • Основой нанокомпозита стали наночастицы фосфата кальция, которые и производят восстановительные работы в зубном материале. А ингредиентом, убивающим спрятавшиеся в зубной полости бактерии, являются наночастицы серебра и четвертичный аммонийный азот в паре со щелочным р. Н, который ограничивает способности бактерий к созданию вокруг себя кислотной среды. • Ученые также надеются, что нанокомпозиты помогут ускорить восстановление структуры поврежденных костей, если вдоль них установить направляющие рост и регенерацию тканей костей шарниры, сделанные из полимерного нанокомпозита, содержащего нанотрубки.

ПОМОГАЮТ ОЧИСТИТЬ ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ И ПРИМЕНЯЮТСЯ В АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИИ • Нанокомпозиты, содержащие частицы оксида циркония и обладающего отличными каталитическими свойствами, по мнению синтезировавших их ученых из Ирана, пригодятся не только в фармакологии и медицине, но и в процессе очистки объектов окружающей среды от органических загрязнителей, а также для их переработки в безопасные материалы ( «зеленая химия» ). • • В автомобильной промышленности из нанокомпозитных материалов можно изготавливать различные элементы интерьера, электронного оборудования, систем безопасности, шин, модулей двигателей автомобилей. Это позволило снизить общий вес конструкции, сократить выбросы углекислого газа, увеличив помимо того и эффективность самого двигателя, снизить износ деталей и частей корпуса, повысить прочность автомобильного кузова и надежность бортовой электроники.

• Компания General Motors расширяет использование нанокомпозитов в своей продукции, уменьшая вес транспортных средств при одновременном обеспечении требуемого качества, пригодности для повторного использования и умеренной стоимости. В 2005 году компания успешно внедрила первый промышленный нанокомпозитный материал для внешнего оформления автомобилей на своих минивенах GMC Safari и Chevrolet Astro. • Компания Blackhawk Automotive Plastics, Inc. выпускает деталь — порогподножку из термопластического олефина с включением хлопьев наноглины размером 1 нанометр производства компании Southern Clay Products. • Рис. 1. Нанокомпозитная подножка. • Порог оказался более прочным и менее ломким при низких температурах, чем изготовляемые с применением обычного наполнителя — талька, и почти в десять раз легче. В 2004 году компания расширила применение нанокомпозитных материалов боковыми молдингами кузова для своих Chevrolet Impala, одного из самых крупногабаритных автомобилей компании GM, и Chevrolet Cavalier Coupe. Хотя и было достигнуто некоторое уменьшение веса, основным преимуществом внедрения нанокомпозитных материалов в эти части стало устранение тенденции деформации молдингов. Для достижения того же модуля изгиба требуется вчетверо меньше наноглины, чем традиционного талька. Нанокомпозит оказался также более устойчивым к царапинам и малым перегибам несущего листа кузова, эти преимущества были оценены большинством покупателей продукции компании GM.

• Многофункциональный универсал Hummer GM H 2 SUT (грузовой пикап) представляет собой новейший в линейке продукции компании автомобиль, в котором применяются легкие нанокомпозитные материалы с улучшенными характеристиками. В грузовой платформе каждого пикапа H 2 SUT используется приблизительно 2, 6 кг формованных окрашенных нанокомпозитных деталей: для центральной полки, панелей стоек, ограждения верхних кромок кузова и отделки. Прочные нанокомпозитные материалы имеют меньший вес, более устойчивы к царапинам, чем ранее используемые материалы, и лучше прилегают к кузову, поскольку не изменяют форму при колебаниях температуры, улучшая таким образом качество транспортного средства в целом.

• Нанокомпозиты обладают прекрасным потенциалом применения в барьерных целях. Многие барьерные применения требуют длительных процессов потребительской оценки, которые, тормозят процесс коммерциализации. • Барьерные материалы используются для упаковки пищевых продуктов и напитков в целях снижения проницаемости для углекислого газа или кислорода, чтобы улучшить качество продукта и продлить срок его хранения. В других применениях барьерные материалы предотвращают проникновение водяного пара, воздуха, запахов, топливных испарений. • В результате исследований выяснилось, что нанокомпозиты, в частности на основе наноглины, значительно повышают барьерные свойства и обладают определенными преимуществами перед традиционными материалами. Барьерное применение нанокомпозитов уже имеет некоторый коммерческий успех, при этом многие возможности их использования находятся на стадии разработки или утверждения.

• Применение нанокомпозитов позволяет уменьшить количество слоев упаковки, сделать ее тоньше и заменить дорогие комбинированные материалы, при этом характеристики упаковки не ухудшаются. • Обычно упаковочный материал содержит слой алюминиевой фольги, он и защищает содержимое от воздействия внешней среды, в такой упаковке продукты хранят до двух лет, однако срок хранения может быть, и увеличен если расфасовать блюдо в упаковку модифицированную нанокомпазитами. Из-за отсутствия фольги, упаковка может быть прозрачной и покупатель видит товар который покупает и может сам определить его качество, кроме того такая упаковка более экологична и поддается переработке в отличие от комбинированных материалов с фольгой.

• Переход к производству ОЗУ на базе углеродных трубок ожидается уже в следующем году. Компании Nanosys и In-Q-Tel взялись за разработку неорганических полупроводниковых наноструктур. Такие наноструктуры, развиваемые на основе теории квантовых точек, позволят создать квантовые лазеры, одноэлектронные транзисторы и т. д. • В ближайшие же пару десятилетий нанотехнологи обещают выпустить на массовый рынок устройства хранения одного терабайта информации (содержимое библиотеки Конгресса США) на носителе размером 1 см 3 и процессоры производительностью одна тысяча терафлопс. Такие ресурсы будут востребованы в системах интеллектуальной обработки сигналов, распознавания речи, организации высококачественной беспроводной связи и в различных военных приложениях. Ожидается также, что терафлопсные машины смогут в реальном времени предсказывать погоду. В середине второго десятилетия появятся первые молекулярные компьютеры, а вот квантовые вычислительные системы пока по-прежнему останутся в фазе исследований.

ШИНЫ Полимерная резиновая смесь молекулярного уровня, рожденная нанотехнологиями, обеспечивает взаимодействие шины даже с самыми мельчайшими выступами дорожной поверхности, идущее на молекулярном уровне. Можно сказать, новая шина прямо-таки берет дорогу в свои объятия. Новая резиновая смесь также отличается выдающимися параметрами износостойкости. Объединение этих противоречивых параметров – отличное сцепление и низкий износ – относится к заслугам разработчиков шин. И все это за счет нанотехнологий.

Строительство Первый коттедж, который сможет противостоять разрушению от землетрясения умеренной силы за счет достижений нанотехнологий, будет построен в Греции в 2010 году. Необычный проект разрабатывает Институт нанотехнологического производства университета Лидса, а также ряд других научных учреждений и компаний Европы. Ученые намерены ввести в состав бетона мириады полимерных наночастиц, разработанных таким образом, что под давлением они превращаются в жидкость, способную проникать в трещины, а затем – укрепляться, словно клей или бетон. По замыслу ученых, наночастицы должны стабилизировать несущую структуру дома после повреждений, полученных при землетрясении, тем самым повысив его сейсмостойкость и снизив риск серьезных разрушений. Один из лидеров проекта, профессор Терри Уилкинс из института нанотехнологического производства, поясняет, что здесь ученые едва ли не впервые пробуют найти работу нанополимерам в изделиях столь большого масштаба. Уилкинс говорит: "Как только у нас появится оптимальный проект, мы могли бы быстро начать производство тысяч литров жидкости с наночастицами, добавляя ее небольшой процент к гипсовой смеси".

«Электронная бумага» • Созданная американскими исследователям химического факультета Калифорнийского университета в Риверсайде жидкость, изменяющая свой цвет под воздействием магнитного поля, содержит крошечные частицы оксида железа диаметром примерно 100 нанометров с нанесенным на них полимерным покрытием. Пластик несет на себе электрический заряд, а оксид железа подвержен действию магнитных полей. В результате манипуляций этими двумя противостоящими силами из частиц можно создавать упорядоченные структуры, носящие наименование коллоидных «фотонных кристаллов» . Аккуратно выстроенная решетка обладает способностью не пропускать свет с длиной волны, сравнимой с периодом структуры фотонного кристалла – таким образом можно менять цвет изображения на «жидких экранах» . Подобная взвесь частиц чрезвычайно дешева и проста в изготовлении и помимо гигантских мониторов, не «слепнущих» под прямыми лучами солнца, с успехом может быть использована при создании гибкой перезаписываемой «электронной бумаги» .

ФОТОЭЛЕМЕНТЫ • Учеными создан первый в мире нейроинтерфейс, связывающий нейроны с пленками, содержащими фотоэлементы. Как считают исследователи, это открытие позволит в будущем сконструировать искусственную сетчатку глаза. • Это открытие не обошлось без использования нанотехнологий. Наночастицы, использованные в составе световоспринимающей пленки, помогли создать современный прототип будущей искусственной сетчатки. Основа ее – тонкая пленка, созданная послойно. Она представляет собой «бутерброд» из двух слоев: слоя наночастиц теллурида ртути и положительно заряженного слоя полимера PDDA. Оба слоя ученые соединили с помощью специального клея и нанесли на поверхность «бутерброда» биосовместимое аминокислотное покрытие, чтобы нервные клетки могли без проблем взаимодействовать с пленкой. На пленке ученые разместили культуру нейронов. Как только фотоны начали попадать на ее поверхность, в пленке наночастицы абсорбировали фотоны, производя при этом электроны, проходящие через слой полимера PDDA, вырабатывающего слабый электрический ток. Как только ток доходил до клеточной мембраны нейронов, происходил процесс ее деполяризации, и начиналось распространение нервного сигнала, свидетельствующее о наличие в этой области пленки света. Искусственная сетчатка, созданная на базе открытия ученых, сможет даже воспроизводить цветовую насыщенность объектов, не говоря уже о высоком разрешении. Также сетчатка биологически совместима с тканями человека, благодаря использованию полимеров.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ И ЭКРАНЫ • Освоена методика организации протяженных структур из нанотрубок и наностержней на разнообразных поверхностях со строго определенной, контролируемой и стабильно выдерживаемой по поверхности плотностью с полимерных пузырей. Аналогичные технологии были известны и использовались в промышленности и раньше, например, при производстве пластиковых пленок, однако для организации массивов из нанотрубок технология «мыльных пузырей» была применена впервые. В ходе проведенных экспериментов наноструктуры растворялись в жидкости на основе полимера, из которой выдувался пузырь. Малая толщина стенок пузыря (несколько сот нанометров) способствовала равномерному и упорядоченному расположению нанотрубок в стенках пузыря. По мере контролируемого роста пузырь соприкасался с экспериментальной подложкой - например, кремниевой пластиной. При этом стенка пузыря с содержащимися в ней наноструктурами «прилипала» к пластине, образуя сверхтонкую пленку со строго определенной и контролируемой удельной плотностью наноструктур. Предполагается, что новая технология позволит удешевить, в частности, массивы биологических сенсоров и экраны на основе наноструктур.

СОЛНЕЧНЫЕ БАТАРЕИ БУДУТ РАСПЕЧАТЫВАТЬ НА ПРИНТЕРЕ • Исследователи из технологического института Нью-Джерси (NJIT) разработали новый тип солнечных батарей, отличающийся невысокой стоимостью и возможностью производить их путем печати на гибкой пластиковой подложке. По мнению ведущего разработчика домовладельцы смогут даже печатать ячейки этих солнечных батарей на недорогих домашних струйных принтерах. Затем они смогут прикрепить полученный продукт на стену, крышу или забор, чтобы создать собственную электростанцию. Суть технологии заключается в том, что углеродные нанотрубки комбинируются с фуллеренами и формируют, таким образом, структуры наподобие "змеевиков". Солнечный свет, падая на полимерную основу, возбуждает в полимере ток, и фуллерены захватывают электроны. Однако фуллерены не обладают электропроводностью, и здесь свою роль играют нанотрубки, проводящие ток аналогично медным проводникам. Захваченные электроны, двигаясь по нанотрубкам, создают в них ток. «Использование этой уникальной комбинации в солнечных батареях на органической основе приведет к увеличению эффективности будущих “печатных солнечных батарей, - считает Митра. - Эта технология позволит обеспечить домовладельцев недорогим альтернативным источником энергии» .

ПРОБЛЕМЫ ВНЕДРЕНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ • Одной из проблем внедрения полученных результатов, является то обстоятельство, что проводимые исследования не унифицированы и проводятся разными авторами по индивидуальным методикам, что не дает возможности провести полноценный сравнительный анализ полученных результатов и выработать качественные и количественные рекомендации по практическому их применению. • Не решены также вопросы определения оптимальной концентрации наночастиц и равномерного их распределения по всему объему матрицы. Это необходимо не только для того, чтобы максимально использовать огромную удельную площадь поверхности наночастиц, но и для того, чтобы максимально задействовать их поверхностную энергию.

• Необходимо провести работы по унификации требований к исходным продуктам, ранжировать наноматериалы по свойствам, определить общие требования и подходы к производству промышленных наноматериалов. • Для контроля состояния диспергирования наночастиц в объеме полимера в настоящее время используется сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) и просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ), но оба эти метода очень трудоемки, дороги и доступны лишь немногим исследователям.

• Не стоит забывать о том, что необходимо строго соблюдать технический регламент производства самого композита, начиная от подготовки и приемочного контроля составляющих, выполнения условий смешивания, нанесения и отверждения, заканчивая процедурами постотверждения, хранения и ввода в эксплуатацию. В противном случае эффект от введения наночастиц будет минимальным. • Необходимо проанализировать и доказать степень эффективного воздействия на свойства композита уже полученных видов наночастиц и не только углеродного состава. Какие количественные и качественные характеристики конечного продукта (изделия) могут быть получены применением того или иного нанонаполнителя или их комбинацией? Разработать эффективную и недорогую систему пооперационного контроля качества производства нанокомпозитов и качества конечного изделия. Для сравнительной оценки получаемых результатов исследования нанокомпозитов, необходима унификация методов проведения экспериментальных работ, разработка критериев соответствия и оценочных характеристик получаемых материалов.