Нано частицы и гипер эффект

В России с 1998 по 2010 годы наблюдался рост числа патентных документов более чем на 10% ежегодно. Пик патентной активности пришелся на 2006–2008 годы, когда число выданных патентов вплотную подошло к отметке 50 тыс. в год. Начиная с 2009 года, наблюдается спад патентной активности, как минимум на 15% ежегодно, что можно объяснить последствиями финансово-экономического кризиса и сокращением доли иностранных заявителей. С 2015 года патентная активность в России показывает положительный рост в среднем на 5% в год.

Однако, далеко не все научные разработки проходят путь от научных лабораторий до промышленного производства. И причин здесь много. Нужны места, где будет осуществляться переход от науки к производству. Это технопарки, индустриальные парки и так далее. А дальше, чтобы запустить разработки в серию, нужно либо прямое участие государства, некие госзаказы, либо подключение частного бизнеса, заинтересованного в выходе на рынок нового продукта. Это уже сфера деятельности не науки, а других структур.

В данной статье мы рассмотрим некоторые примеры нанотехнологий, которые уже доведены до промышленного внедрения в различных отраслях.

Нано в автомобилестроении

Нанотехнологии в автомобилестроении используются для усовершенствования практически каждого блока и даже каждой детали — от двигателя до самореза. А что касается автомобилей будущего, тех, на которых мы будем ездить всего-то через пару десятков лет, то здесь фантазия автопроизводителей, пожалуй, нуждается разве что в том, чтобы ее кто-нибудь утихомирил.

Буквально в каждом выпущенном в США автомобиле используются какие-либо из нанокомпозитных материалов, чаще всего это углеродные нанотрубки в сочетании с полиамидом, используемые в топливной системе для защиты от статического электричества. Компаунд фторполимера с нанотрубками применяется при изготовлении уплотнительных колец для топливной системы автомобилей.

Более двадцати лет назад компания Toyota впервые применила при производстве автомобилей коммерческие нанокомпозиты. Материал, разработанный Toyota, представлял собой полиамидное связующее, наполненное слоями нано глины толщиной примерно в пять атомов между слоями матричного материала из полиамидного полимера (рисунок 1). В патенте Toyota утверждалось, что механические свойства полимера можно значительно улучшить, укладывая наноразмерные листы силиката между молекулами первичного полимера.

Рисунок 1. Изображение из статьи BBC News: нанокомпозиты, смоделированные в «виртуальной лаборатории»

Интересно, что этот нанотехнологический «бутерброд» также наблюдается в природных материалах, таких как кость и перламутр, при этом незначительное количество, но относительно большая площадь поверхности армирующего наноматериала оказывает существенное влияние на свойства готового композита.

По сравнению с чистым полиамидом Toyota обнаружила, что ее нанокомпозит, состоящий из 95 процентов полиамида и 5 процентов глины, обладает значительно более высокой прочностью на растяжение и устойчивостью к деформации при нагревании.

Начиная с 2002 года, компания General Motors успешно применяет первые промышленные композиты с наноглинами и нанотальком при изготовлении накладок порогов для минивенов Safari и Astro; сейчас компания использует почти 250 тыс. кг нанокомпозитных материалов в год для изготовления различных наружных автомобильных частей и накладок, включая некоторые части автомобиля Hummer H2 SUT. Кроме композитов термопластичных эластомеров с наноглиной, компания исследует возможность применения углеродных нанотрубок для замены существующих термореактивных конструкционных композитов. Компания Dow Automotive развивает процесс реактивной экструзии для производства нанокомпозитов на основе наноглин и циклического бутилентерефталата (ЦБТ), производимого компанией Cyclics Corporation.

Компании Further, Sud-Chemie AG и Putsch Kunststoffe GmbH разрабатывают семейство нанокомпозитов ELAN XP для внутренней отделки автомобилей на основе смесей полипропилена (ПП) и полистирола (ПС). ПП и ПС в обычных условиях несовместимы, однако минеральный наполнитель Nanofil компании Sud-Chemie образует с ними устойчивые к царапинам компаунды с приятной на ощупь однородной матовой поверхностью. Специалисты компании Ford’s Research and Innovation Center также изучают ряд нанокомпозитных материалов, разрабатывая улучшенные покрытия и прочные материалы с повышенной износостойкостью. Компания образовала совместное предприятие с компанией Boeing и Северо-западным университетом США (Northwestern University) для исследования промышленного применения нанотехнологий.

Потребность в новых материалах есть не только у непосредственных производителей, но и у тех, кто отвечает за дизайн и внешний вид изделий. Специально для них компания Nissan разработала самоочищающуюся автомобильную краску. Она создана по технологии Ultra-Ever Dry — между ней и окружающей средой и краской возникает тонкий воздушный нанослой, отталкивающий от себя пыль, грязь, машинное масло, органические растворители и другие типы загрязнителей, оседающие на поверхности автомобилей. Ожидается, что использование Ultra-Ever Dry в десятки раз увеличит время между мойками автомобиля и защитит корпус от деформации, сохраняя таким образом безупречный вид автомобиля длительное время.

Рисунок 2. самоочищающая краска Ultra-Ever Dry с воздушным нанослоем

Нано в ветроэнергетике

Лопасти являеются важной частью ветряной турбины. Его стоимость составляет более 20% производства ветрогенератора. В последние годы, с устойчивым ростом развития ветроэнергетики во всем мире, лопасти ветряных турбин большого и сверхбольшого размера (длиной более 70 метров) стали основным направлением развития ветроэнергетики.

Лопасти ветряных турбин подвергаются комбинированному действию нескольких внешних нагрузок в процессе эксплуатации (включая изгиб, сжатие, растяжение и т. д.), поэтому предъявляются очень высокие требования к жесткости материала, прочности, сопротивлению усталости и механическим характеристикам. При выборе материала лопасти ветряной турбины следует также учитывать такие факторы материала, как обрабатываемость, плотность, устойчивость к окружающей среде. Материал лопастей очень важен для улучшения общей производительности ветряной турбины.

Добавление 0,5 мас. % углеродных нанотрубок в эпоксидную смолу для лопаток турбин увеличивает теплопроводность материала более чем на 80 %, улучшают механические свойства композитов на 25-30%, такие как модуль, прочность, ударная вязкость и сопротивление усталости.

Ученые из Case Western Reserve University разработали лопасть для ветровых турбин, которая значительно легче и в восемь раз прочнее и долговечнее, чем используемые сегодня лопасти ветряков.

Новая лопасть из полиуретана, армированного углеродными нанотрубками, существенно жестче и легче любых современных материалов, применяемых в ветряках. При этом новый нанонаполненный композит позволяет изготавливать лопасти любой формы и служит примерно в восемь раз дольше, чем лопасти из стандартной эпоксидной смолы. Результаты механических испытаний полиуретана с углеродными нанотрубками показывают его превосходство над всеми смолами, которые в настоящее время используются для лопастей ветровых турбин. При этом углеродные нанотрубки на единицу объема легче, чем углеродное волокно и алюминий и к тому же более чем в 5 раз прочнее углеволокна и в 60 раз алюминия.

Турбина с лопастями, выполненными из нового материала, продемонстрировала хорошие результаты: при диаметре ротора около 70 см она выдает мощность в 400 Вт и показывает большую производительность, чем у ветряков из «традиционных» материалов.

Нам нано строить и жить помогает

Цементосодержащие наноматериалы, на которых не задерживаются пыль и грязь, были впервые применены в 1996 году при строительстве церкви Dives in Misericordia («Щедрый в милосердии») в Риме. Застройщику удалось возвести уникальную конструкцию в виде трех белых лепестков из железобетона и стекла. Используемый материал не только отличается высокой прочностью, но и отталкивает загрязнения. Такой эффект был достигнут путем добавления в цемент наночастиц диоксида титана.

Рисунок 3. В конструкции церкви «Щедрый в милосердии» в Риме использованы наноматериалы, отталкивающие пыль и грязь

Когда солнечные лучи падают на стены церкви, диоксид титана запускает химическую реакцию, в ходе которой бактерии и грибки разлагаются на воду и соли. Поверхность наноцемента является гидрофильной: вода равномерно растекается по ней и смывает частицы грязи, а не собирается в виде капель.

Наноразмерный порошок силикатной глины, включенный в состав пластмасс, повышает их огнестойкость. Он замедляет процесс горения вплоть до самозатухания пламени, препятствует выделению сажи, монооксида углерода и других вредных веществ. В отличие от остальных наполнителей, повышающих огнестойкость, нанодобавки практически не снижают прочность и не ухудшают другие физические характеристики полимеров.

А в Китае было создано нанопористое покрытие для стен, сохраняющее тепло зимой и охлаждающее помещение летом. Такой пленкой с «эффектом термоса» покрыты стены Шанхайского музея науки и технологий. Специалисты прогнозируют, что в будущем этот материал начнут применять и при строительстве жилых районов, с целью сбережения ресурсов и уменьшения загрязнения природы.

Ученый Сэмюэл Кистлер из штата Калифорния разработал прозрачный наногель (аэрогель) — самое легкое твердое вещество в мире, его прозвали «застывший дым». Брусок аэрогеля на 99,8% состоит из воздуха, поэтому его вес практически не ощутим. Одним граммом аэрогеля можно покрыть футбольное поле.

Рисунок 4. Аэрогель, который почти весь состоит из воздуха

Аэрогель чаще всего применяется для теплоизоляции зданий, так как воздух, которым он насыщен, плохо проводит тепло. Например, аэрогелем покрыты трубы газопровода в Европе. Сейчас ученые совершенствуют этот материал, ищут способы удешевления его производства.

Как вам такая история — асфальт, который сам себя «лечит»? И это не выдумки фантастов, а разработка сотрудников научно-образовательного центра «Наноматериалы и нанотехнологии» НИУ МГСУ. Одна из инновационных разработок сотрудников Центра — самовосстанавливающийся асфальтобетон с капсулированным полимерным модификатором. Это яркий пример использования «умного» материала, который за счет специальных капсул, содержащих модификатор, может самостоятельно «залечивать» трещины в дорожном покрытии. Применение разработанного капсулированного модификатора позволяет добиться восстановления показателя прочности асфальтобетона от 20 до 40%, благодаря чему сроки эксплуатации дорожных покрытий увеличиваются более чем в 2 раза — и все это при полной импортонезависимости. Кстати, разработка не имеет аналогов в дорожном материаловедении.

Рисунок 5. От наночастицы к созданию умного асфальта

Также в Центре был разработан экологически чистый модификатор из отходов резинотехнической промышленности для битумных вяжущих и асфальтобетонов. Его использование в составе асфальтобетона позволит решить существующие проблемы и до 12 лет увеличить жизненный цикл эксплуатации покрытия автомобильных дорог, что обеспечит до 30% экономии.

Этим список уникальных разработок не ограничивается. В активе ученых Центра — высокопрочные легкие бетоны, долговечный серный бетон, комплексный̆ серный модификатор асфальтобетонов, комплексный наномодификатор для асфальтобетона, нано- и микроразмерные гидросиликаты бария, энергоэффективный керамический материал, металломинеральный биоцидный наномодификатор, полифункциональное наномодифицированное эпоксидное покрытие. Все эти разработки позволяют повысить эффективность и экологичность строительства, а также увеличить срок эксплуатации различных объектов.

Нано корпорации

Одной из весьма успешно работающих в сфере нанотехнологий является компания Bayer Material Science, которая активно предлагает на рынке целый ряд материалов нового поколения. Речь идет, например, об огнестойком композиционном материале поликарбонат-АБС торговой марки Bayblend FR (FR — flame retardant — антипирен).

Повышенная огнестойкость этого материала основана на наличии специальных наночастиц в составе антипирена, которые в случае воспламенения способствуют образованию углеродных отложений на поверхности полимера, препятствующих распространению огня. Такой материал имеет большой потенциал применения в производстве корпусов бытовых приборов и вычислительной техники. В числе наноматериалов компании Bayer Material Science, имеющихся в продаже, есть силиконовые дисперсии торговой марки Disprtcoll®S. Они входят в состав однокомпонентных водных полихлоропреновых дисперсионных связующих.

Материал является безопасной для окружающей среды альтернативой клеевым системам, содержит легколетучие органические растворители, и применяется, в частности, при настиле напольных покрытий, приклеивании подошв обуви и пенопластов. Благодаря продукту Disprtcoll®S полихлоропреновые связующие вещества обладают повышенной исходной влагостойкостью, дают возможность обрабатывать свежесклеенные детали, что повышает производительность производственного процесса. Кроме того, повышается термическая устойчивость клеевого соединения.

Компания Bayer Material Science взаимодействует примерно с десятью российскими институтами и вузами. И это дало определенные результаты. Например, в сотрудничестве с Российской академией наук достигнуты первые успехи в области фотохромных покрытий, приведшие к первым патентным заявкам. Остекление с фотохромным покрытием под воздействием света меняет прозрачное состояние на затемненное, поэтому помещения меньше нагреваются. Если удастся использовать разработанный процесс для крупноформатного поликарбонатного остекления автомобилей или окон и выполнения различных стеклянных фасадов зданий, то это откроет громадный рыночный потенциал.

Одним из направлений специальной рабочей группы Working Group Nanotechnology, созданной компанией Bayer, являются исследования «Наночастицы, аддитивы и композиты». Центральное направление нанотехнологических разработок компании Bayer Material Science — новый способ синтеза углеродных нанотрубок (Carbon Nanotubes, CNT) Baytubes®, для которых компания Bayer Material Science разработала совместно с Bayer Technology Service экономичный процесс производства, открывающий путь для промышленного применения.

Путем модификации производственного процесса можно синтезировать нанотрубки Baytubes® для различных областей применения в соответствии с поставленной заказчиком задачей. Потенциал использования нанотрубок Baytubes® очень велик. Так, например, они делают пластмассы электропроводящими. Крыло автомобиля из полимера с использованием Baytubes® не требует предварительной электростатической обработки перед нанесением экологически благоприятного порошкового лака.

Нанотрубки Baytubes® повышают жесткость и прочность пластмасс и изделий из них, что используется, например, при производстве некоторых спортивных товаров. Как раз благодаря нанотрубкам современные хоккейные клюшки обладают повышенной жесткостью при ударе. Таким же образом улучшаются ударные качества полимерных бейсбольных бит.

Компания BASF нашла первое коммерческое применение для своего нанонаполненного полимера Ultradur HighSpeed. Линейка продуктов Ultradur — формовочные компаунды на основе полибутилентерефталата, нанонаполнителя и рубленного стекловолокна. Они используются в качестве материалов для высококачественных технических компонентов во многих отраслях промышленности, например, для штекерных соединений или корпусов реле. Ежегодно планируется производство нескольких миллионов таких изделий. Как разъясняют специалисты отдела технического маркетинга компании, нанополимеры исполняют роль внутреннего смазочного материала, улучшая тем самым растекание полимера в форме, в то время как механические свойства остаются неизмененными. Это позволило с легкостью и надежностью формовать изделия с очень тонкими стенками из нанополимера HighSpeed, усиленного стекловолокном, содержание которого не превышает 10%. Такой успешный технологический опыт компания BASF планирует перенести и на другие полимеры, такие как АБС и полиамид.

Рисунок 6. Штекерные соединения из Ultradur HighSpeed BASF

Английская компания JR Nanotech разрабатывает упаковочный материал с добавлением наночастиц серебра для лучшего хранения скоропортящихся пищевых продуктов. Сейчас разработка находится в заключительной стадии создания опытных образцов. Наносеребро однородным слоем распыляется на различные виды полимерных материалов. Его можно наносить на поверхность, соприкасающуюся с пищей, например, на стенки пищевой упаковки или разделочные доски. Эксперты Nanotech заверяют, что цена материалов с использованием наночастиц серебра лишь незначительно выше, чем цена обычной продукции, а «мигрировать» при соприкосновении с пищей такое серебро не будет.

Исследователи Сколтеха разработали и запатентовали сенсор на базе наночастиц, которые позволяют следить за процессом изготовления композитных материалов из термореактивных полимеров. Его применение ускорит и удешевит производство подобных материалов.

Метод особенно актуален для крупных деталей, которые подолгу запекают в огромных печах и автоклавах. Яркий пример — составные части кораблей и особенно самолетов, в которых доля деталей из термореактивных полимеров достигает 30–50%.

Композитные материалы представляют собой сложные структуры из нескольких субстанций с отличающимися свойствами. Комбинация разных материалов придает композитам уникальные свойства. Они широко применяются во всех областях промышленности как более прочная и долговечная замена металлическим конструкциям.

Метод помогает отслеживать степень отверждения термореактивных полимеров путем добавления в полимер проводящих электрический ток частиц. Ввиду ряда сложных процессов по мере запекания меняются расстояния между проводящими частицами и туннельные потенциалы. Эти изменения отражаются на общей электропроводности нанокомпозита. По словам исследователей, проведенные ими опыты, показывают, что встраиваемые в полимер наночастицы не ухудшают его свойства, а даже несколько улучшают их. Как надеются ученые, преимущества созданной ими технологии поспособствуют ее скорейшему внедрению в производство.

Это лишь некоторые примеры применения нанотехнологий в различных отраслях. В следующем номере журнала расскажем о применении нанокомпозитов медицине, спорте и для изготовления умного текстиля.