Нанотехнологии, прошлое и будущее
Нанотехнология должна принципиально изменить методы изготовления материалов и устройств. Возможность синтезировать наномасштабные элементы структуры с точно регулируемыми размерами и составом, а затем собирать такие элементы в более крупные структуры, обладающие уникальными свойствами и функциями, приведет к революционным изменениям во многих отраслях материаловедения, промышленности и строительства. Использование наноструктур позволит получать более легкие и прочные материалы с программируемыми характеристиками, снизить стоимость эксплуатации устройств, благодаря повышению их качества, создать принципиально новые устройства, основанные на новых принципах и имеющие новую «архитектуру», а также производить молекулярные и кластерные объекты. Возникающие при этом задачи связаны с конструированием и получением биоматериалов и материалов с биохарактеристиками, развертыванием экономически выгодных, крупномасштабных производственных процессов, а также изучением причин деградации материалов на наноуровне. Основные области применения нанотехнологии в материаловедении и производстве материалов перечисляются ниже:
- изготовление наноструктурных керамических и металлических изделий с точно заданными размерами, т.е. изделий, не требующих дальнейшей машинной обработки.
- Исследование процессов науглероживания поверхности или нанесения карбидных покрытий с наноструктурой для получения новых типов режущих инструментов и для различных применений в электронике, химии и техники.
- Разработка новых стандартов измерений, пригодных для использования в нанотехнологии.
- Изготовление на основе нанотехнологий новых типов чипов (кристаллов с электронными схемами) с более высоким уровнем сложности и функциональных характеристик.
- Разработка процессов изготовления нанофазных керамических и композитных изделий с окончательными размерами и регулирование мелкозернистой структуры и характеристик на наномасштабном уровне
- Открытие и разработка уникальных магнитомягких и магнитотвердых наноструктурных материалов, которые могут применяться в различных областях, включая строительство.
- Разработка наноструктурных твердых сплавов для создания высококачественных режущих инструментов, обладающих повышенной износостойкостью и ударной вязкостью.
- Разработка прямых методов получения наноструктурных защитных покрытий с повышенной стойкостью к электрическим, химическим, термическим, механическим и природным воздействиям.
- Создание разнообразных нанокомпозитов (в частности, полимеров с наполнителями из наночастиц) с новыми и улучшенными эксплуатационными характеристиками, включая значительно более высокую прочность и воспламеняемость.
В настоящее время все большее внимание промышленников привлекают наноструктурные твердые материалы, поскольку за последнее десятилетие разработан ряд нанокомпозитов на основе карбидов с металлами-связками (например, WC/Co и Ti/Fe), значительно превосходящих по прочности, ударной вязкости, износостойкости и т.д. аналогичные материалы с обычной, зернистой структурой. Превосходные характеристики наноструктурных материалов объясняются тем, что между частицами разных фаз (например, WC и Co) формируются трехмерные контакты, в результате чего образуется структура, которую топологи называют «непрерывной в двух направлениях». Обычно материалы типа WC/Co получают механическим перемешиванием соответствующих порошков с последующим холодным прессованием и спеканием.
В качестве примера новой технологии можно привести уже внедренный в промышленное производство процесс, при котором однородный порошок изготовляется методом сушки при распылении смеси растворов солей вольфрама и кобальта, а затем подвергается термохимической переработке в псевдоожиженном слое (пиролиз, восстановление и науглероживание) для превращения в конечный продукт – нанофазный порошок WC с кобальтовой связкой. Обычно размеры частиц WC составляют от 30 до 40 нм. Жидкофазное спекание таких частиц с введением небольшого количества ингибитора роста зерен позволяет избежать укрупнение зерен и получить нанокомпозитный продукт. Некоторые фирмы уже используют этот порошок для изготовления высококачественных металло-обрабатывающих инструментов. Кроме того, нанопрошки из керамики и керметов, уже выпускаемые в промышленном масштабе, могут использоваться в качестве исходного материала для получения наноструктурных покрытий на различных деталях методом термического напыления.
В строительстве ожидается очередной прорыв, связанный с применением нанотрубок, нанопокрытий, придающих различные полезные свойства строительным материалам и других композитных материалов, увеличивающих жесткость строения. Вот некоторые строительные материалы, получаемые с применением нанотехнологий: наполнители на основе наночастиц и нанотрубок, материалы из длинных нанотрубок; наноструктурированные материалы: кирпич, бетон, цемент, электрохромные, «Липкие», сенсорные, нецарапающиеся, теплоотражающие, самоочищающиеся, самовосстанавливающиеся, дендромерные материалы, алмазоидные материалы, графеновые материалы, композитные материалы на основе биополимеров, жидкие наноматериалы, ферромагнитные жидкости, электрореологические жидкости, электроуправляемые клеи. Разработаны различные покрытия для камня, бетона, дерева, стекла, антисептические, водогрязеотталкивающие, противопожарные, биосовместимые, радиоизолирующие, краски-хамелеоны, УФ-поглощающие.