Для многих из нас 1985 год запомнился как год, когда наша страна, тогда еще именовавшая себя Союзом Советских Социалистических Республик, встала на курс кардинальных политических и экономических преобразований. Комплекс вступивших в действие макроэкономических и геополитических реформ был озаглавлен словом «Перестройка», которое быстро стало интернациональным и звучало по всему миру в русской транскрипции.
В том же году трое ученых: американцы Ричард Смэлли, Роберт Карл и британец Хэрольд Крото — при проведении работ по исследованию спектров углеродных цепочек открыли еще одну вслед за графитом и алмазом новую аллотропную форму углерода С60*, в которой 60 атомов углерода образуют молекулу сферической формы диаметром приблизительно один нанометр (1 нм) (1нм — 10–9 м). Открытие, все значение которого нам еще только предстоит оценить, послужило прологом для начала фундаментальных, происходящих на атомном уровне преобразований, способных действительно уже в обозримом будущем коренным образом переустроить нашу жизнь.
Поэтому то, что процесс глубокой и всесторонней «перестройки» начался в 1985 году, — это факт, принадлежащий истории, вот только так ли она началась, как мы привыкли считать до сих пор?
Согласно данным, опубликованным пресс-службой Федерального агентства по науке и инновациям в ноябре 2005 года: «По оценке ведущих мировых экспертов, промышленная революция первой четверти XXI века связана с развитием нанотехнологий и наноматериалов и сравнима по масштабам своего воздействия на общество с революцией, которая была вызвана изобретением в XX веке транзистора, антибиотиков и информационных технологий вместе взятых. По зарубежным оценкам, мировой рынок наноиндустрии в 2007–2008 годах оценивается в 600–700 млрд. долларов, а к 2015 году он может составить уже 1 трлн. долларов».
У многих из нас, живущих с глубоко и прочно усвоенной системой ценностей образца прошлого века, таких слов, как «нанотехнология» и «наноиндустрия», и в помине нет даже в словарном запасе, а тут как гром среди ясного неба «промышленная революция», да еще, как говорят, в самом разгаре.
Нанотехнологии иавтомобиль
В целом, говоря о представившихся возможностях использования наноматериалов в автомобильной промышленности, надо отметить, что в этой области уже накоплен некоторый, по большей части положительный опыт, а перспективы применения нанотехнологий в автомобилестроении пока еще скрыты от наших глаз.
Краска
Автором одной из первых заметных инициатив в этой области стала компания Daimler-Crysler, которая начиная с 2003 года при окрашивании кузовов автомобилей марки Mercedes-Benz серий E, S, CL, SL и SLK использует прозрачный лак. Покрытие включает наноразмерные (ок. 20 нм) керамические частицы, в связи с чем была изменена и молекулярная структура самого связующего состава. На практике это позволило значительно улучшить износоустойчивость, а вместе с тем и декоративные свойства лакокрасочного покрытия перечисленных выше моделей.
Продолжая тему об инновационных видах автомобильных лакокрасочных покрытиях, хочется упомянуть о работах, что ведутся в этом направлении компанией Du-Pont. Согласно опубликованной информации, компанией ведется разработка принципиально нового лакокрасочного материала с активным привлечением последних достижений в нанотехнологии. По сообщениям разработчика, новые л/к материалы будут экологически чистыми, обладать повышенной износоустойчивостью, но, что самое примечательное, высыхание слоя такой краски при воздействии на него УФ-излучения не будет превышать десяти секунд. Правда, для работы с такой л/к системой предварительно необходимо вооружиться и новым оборудованием. Среди намеченных планов компаниями, занимающимися разработкой и производством лакокрасочных покрытий, создание в скором будущем защитных лакокрасочных покрытий, способных произвольно менять свой цвет (в зависимости от подаваемого на них напряжения), а также при необходимости даже блокировать проникновение радиосигналов заданных частот в салон автомобиля.
Антикоррозионные составы
Накопленный опыт в области наноразмерных частиц позволил немецким ученым из Института новых материалов в Саарбрюккене заявить о возможности создания в скором времени ингибиторов коррозии нового поколения. Руководитель института профессор химии Хельмут Шмидт обрисовал принцип действия новых ингибиторов следующим образом: «…к стандартному покрытию автомобиля мы подмешиваем наночастицы, выполняющие функцию ингибиторов коррозии, причем придаем им такие свойства, чтобы они в случае необходимости обеспечивали быструю диффузию соответствующих компонентов покрытия в зону повреждения и как бы затягивали рану». То, что такие ингибиторы коррозии обладают способностью свободно перемещаться внутри твердого лакокрасочного покрытия, профессором Шмидтом было доказано уже десять лет назад. Тогда ему удалось обнаружить, что наночастицы на металлической, стеклянной или керамической поверхностях ведут себя как ионы в свободном растворе. Говоря иными словами, они стремятся обеспечить и поддерживать во всем объеме равновесие, а любой перепад концентрации, вызванный, к примеру, царапиной на лакокрасочном покрытии, тотчас выровнять за счет диффузии.
Двигатель
Значительный потенциал несут в себе разработки новых материалов, которые могут быть использованы для конструирования новых автомобильных двигателей. Растущие год от года требования к показателям экономичности двигателей и снижению токсичности выхлопа заставляют автомобильных конструкторов вести активный поиск альтернативных чугуну и стали материалов. В качестве одного из наиболее перспективных, способных стать основой для создания новых моделей двигателя материалов рассматривается модифицированный нанокомпозитными материалами пластик. Теоретически использование таких полимеров позволит значительно упростить сам процесс изготовления различных деталей двигателя, параллельно улучшится и их точность. Показатели жесткости и прочности модифицированного пластика близки к тем, что демонстрируют металлы, но при этом пластик гораздо легче, а его использование в конструкции автомобильного двигателя позволит значительно улучшить коррозионную устойчивость деталей, снизить уровень шумов двигателя, уменьшить технологические допуски.
Существенно продлить срок службы деталей, работающих в условиях экстремально высоких температур, таких, как свечи зажигания/накала, топливные форсунки и другие элементы камеры сгорания, может начало использования в них нанокристаллических компонентов.
Амортизаторы
Добавление в специальную жидкость наночастиц магнетита (оксида железа) с особым покрытием превращает ее в феррожидкость, вязкость которой можно изменять с помощью магнита. В современном автомобилестроении данный материал уже нашел свое практическое применение в качестве регулируемых по высоте амортизаторов.
Стекла
Проводятся испытания электрохромной системы с целью ее использования в качестве покрытия для боковых и салонных зеркал. В процессе химической обработки ионы лития перемещаются, и атомы образуют ультратонкий слой, который меняет светопропускную способность стекла, создавая эффект затемненности.
С использованием диоксида титана (TiO2) разработана технология самоочищающихся поверхностей. При попадании ультрафиолетового излучения на нанопокрытие из TiO2 происходит фотокаталитическая реакция, в результате которой содержащиеся в воздухе молекулы воды превращаются в сильные окислители — радикалы гидроокиси (HO), которые окисляют и расщепляют грязь.
Успешно продвигаются работы с учетом новых возможностей новой технологии по разработке солнечных батарей. Уже запущен в мелкосерийное производство вариант автомобильной крыши, покрытой слоем кремниевых фотоэлементов мощностью 30 Вт.
Автокосметика
Благодаря использованию нанотехнологий производителям автомобильной косметики удалось создать качественно новые составы шампуней и полиролей. Так, включение наноразмерных частиц в состав полиролей позволило значительно улучшить защитные свойства последних, так как, во-первых, наноразмерные частицы в состоянии лучше заполнять различные структурные повреждения лакокрасочного слоя, а вместе с тем на его поверхности они образуют гораздо более плотный и износостойкий защитный слой по сравнению с традиционными составами полиролей благодаря плотной сетке поперечно-межмолекулярных связей наночастиц.
Трение
Одной из наиболее динамично развивающихся областей нанотехнологий в секторе автомобилестроения является разработка и производство высокоэффективных антифрикционных, противоизносных и охлаждающих составов. Опытным путем было установлено, что применение данных составов приводит к сокращению расхода топлива на 2–7%, износу деталей в 1,5–2,5 раза, увеличению мощности двигателя на 2–4%.
Добавление наночастиц в автомобильные шины увеличивает их гибкость и уменьшает износ.
Отдельного разговора заслуживают перспективы развития и совершенствования электронных компонентов автомобиля с использованием современных возможностей нанотехнологии.
Не приходится сомневаться в том, что со временем все без исключения детали автомобиля будут нести на себе отпечаток нанотехнологического вмешательства. Не исключено, что лет эдак через …надцать у кого-то его любимый автомобиль будет похож на ковер-самолет, ну а у поклонников активного образа жизни — на сапоги-скороходы.
ЭТАПЫ СТАНОВЛЕНИЯ
Отцом нанотехнологии можно с небольшой натяжкой назвать греческого философа Демокрита. Примерно в 400 г. до н.э. он для описания самой малой частицы вещества впервые в истории воспользовался словом «атом», что в переводе с греческого означает «нераскалываемый».
В 1905 году Альберт Эйнштейн теоретически доказал **, что размер молекулы сахара равен одному нанометру.
В 1931 году немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать наноразмерные объекты. Принято считать, что начало развитию теоретической нанотехнологии было положено 29 декабря 1959 года, когда физик-теоретик Ричард Филипс Фейнман (лауреат Нобелевской премии 1965 года, которая была присуждена ему за исследования в сфере квантовой электродинамики, сегодня это одна из областей нанонауки) на рождественском собрании Американского физического общества в своем выступлении, озаглавленном «Как много места там внизу» («There is plenty of room at the bottom»), выдвинул идею использования отдельных атомов в качестве строительных частиц для синтеза принципиально новых материалов. Впоследствии Ричард Фейнман теоретически обосновал такую возможность. С целью привлечения интереса широкого круга исследователей к этой сфере научной деятельности Фейнман пообещал выплатить по 1000 долларов каждому, кто окажется способным «уменьшить» книжную страницу в 25 000 раз, и тому, кто сумеет уместить электрический моторчик в кубике со стороной в 1/64 дюйма.
Туннельный микроскоп
Семь лет спустя после рождественской речи Фейнмана другой американский физик Рассел Янг, сотрудник Национального бюро стандартов, высказал предположение о возможности сканирования поверхности с помощью пропущенного электрического тока между поверхностью и металлической остроконечной иглой. А в 1971 году он публикует статью с описанием устройства, названного им «Topographiner», которое уже содержит в себе все основные узлы сканирующего туннельного микроскопа (основного на сегодняшний день нанотехнологического инструмента), а приводить его в движение должен был придуманный им же, но только пятью годами раньше, пьезодвигатель. Разработка и без того уникального устройства дополнительно осложнялась тем обстоятельством, что наблюдение за атомарными структурами оборачивается изменением их состояния, обстоятельством, которое делало необходимым разработку принципиально новых подходов для исследования атомного строения вещества.
Авторство самого термина «нанотехнологии» принадлежит японскому физику Норио Танигучи, который в 1974 году дал такое название процессу разделения, сборки и изменения материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой. Сама приставка «нано-» происходит от греческого νάνος — «карлик» и служит для образования наименований дольных единиц, равных одной миллиардной (10‑9) доле исходных единиц. Современное понятие «нанотехнология», согласно данным, опубликованным под эгидой Совета по научной политике США, можно сформулировать как: «исследования и разработки, проводимые на атомном, молекулярном и макромолекулярном уровне в масштабе размеров от одного до ста нанометров; создание и использование искусственных структур, устройств и систем, которые в силу своих сверхмалых размеров обладают существенно новыми свойствами и функциями; манипулирование веществом на атомной шкале дистанций».
В 1982 году в стенах Цюрихского исследовательского центра IBM усилиями физиков Герда Биннинга и Генриха Рорера был создан сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), с помощью которого появилась возможность построения трехмерной картины расположения атомов на поверхностях проводящих материалов. Изначально программа IBM по созданию сканирующего микроскопа носила самостоятельный характер: хотя его принцип действия во многом перекликался с принципом, заложенным Расселом Янгом в свой «Topographiner», СТМ обладал значительно большей разрешающей способностью. Четырьмя годами позже Герд Биннинг разработал сканирующий атомно-силовой зондовый микроскоп***, который позволил визуализировать атомы любых материалов (а не только проводящих) и производить с ними различные манипуляции.
Фуллерен
Тремя годами позже, в 1985 году, Гарольд Кротто, Ричард Смолли и Роберт Керл открыли новую замкнутую полую структуру углерода — фуллерен С60. Любопытен тот факт, что структура открытого ими соединения углерода была выведена учеными исключительно умозрительным способом и на момент опубликования информации о сделанном ими открытии на страницах журнала «NATURE» сферическая форма фуллерена С60 (проиллюстрированна, кстати, с помощью фотографии обыкновенного футбольного мяча) носила все еще предположительный характер, впрочем, впоследствии эта блестящая гипотеза себя полностью оправдала.
Комментируя открытие новой структуры углерода, известные ученые–химики высказывались следующим образом. Нобелевский лауреат Г. Кротто образно сравнил открытие фуллерена с открытием Колумбом Америки: «Подобно тому, как Земля 500 лет назад перестала казаться человеку плоской, в наши дни внимание химиков привлечено к сферическому углероду». Немного позже другой ученый Ф. Дидрих, говоря о перспективах новой области химии, сказал: «За несколько лет фуллерен сделался одним из главных строительных блоков органической химии, а химики стали рассматривать его применение в синтезах как обычное дело».
Уникальный характер атомов углерода заключается в его способности образовывать между собой устойчивые (наиболее прочные среди всех известных атомных соединений) связи, что привело к появлению громадного числа производных углерода в природе, между тем большинство элементов периодической таблицы образуют их с другими элементами. При достаточно низком содержании углерода в земной коре и атмосфере, всего около 0,14 процента по весу, в сочетании с другими элементами углерод образовывает свыше миллиона известных на сегодняшний день соединений.
Во второй половине восьмидесятых годов прошлого столетия проведение широкомасштабных исследований свойств фуллерена С60 сдерживалось отсутствием возможности получения исходного материала (С60) в достаточном для проведения научных экспериментов количестве. В течение пяти лет различными группами ученых предпринимались попытки получения фуллеренов С60 искусственным способом. Наконец, в 1990 году Вольфганг Кретчмер и Дональд Хаффман все в том же журнале «NATURE» опубликовали статью, в которой был изложен изобретенный ими метод получения фуллеренов путем испарения графитовых электродов в электрической дуге в атмосфере гелия, метод, который позволил в скором времени наладить масштабное производству С60.
Фуллерит
В том же 1990 году Вольфгангу Кретчмеру и Дональду Хаффману при выпаривании чистого С60 удалось обнаружить новое кристаллическое вещество, состоящее из молекул С60, которому было дано название фуллерит.
В кристаллическом фуллерите молекулы С60 образовывают гранецентрированную кубическую решетку с достаточно слабыми межмолекулярными связями, где каждая молекула имеет двенадцать (12) ближайших соседей.
Твердый фуллерит является полупроводником, но при облучении его обычным видимым светом электрическое сопротивление фуллерита уменьшается. При этом фотопроводимость присуща не только чистому фуллериту, но также и его различным соединениям с другими веществами.
В октаэдрические и тетраэдричекие полости кристалла фуллерита могут быть помещены атомы различных химических элементов. Интересные данные были получены при добавлении атомов калия в кристаллические пленки С60. Так, было установлено, что сопротивление полученной пленки при температуре 19 К равно нулю, т.е. материал становится «сверхпроводящим». Или, к примеру, если октаэдрические полости заполнить ионами щелочных металлов (того же калия, рубидия, цезия), то при определенных температурных условиях структура таких веществ перестраивается с образованием нового полимерного материала, ну а, к примеру, такое соединение, как С60‑этилен, обладает ферромагнитными свойствами.
Нанотрубки
Наряду с такими распространенными видами наноматериалов, как фуллерены и фуллериты, в настоящее время все более востребованным становится такая их разновидность, как «нанотрубки». Первооткрывателем нанотрубок стал японец Сумио Лиджима, сотрудник компании NEC. Исследуя частицы углерода, оставшиеся на сердечнике катода установки для синтеза фуллеренов, он обнаружил новую, трубчатую форму углерода. Идеальная углеродная нанотрубка представляет собой цилиндр, полученный при сворачивании графитовой плоскости. При варьировании различных условий при термическом распылении графитового электрода в плазме дугового разряда, горящего в атмосфере гелия, можно получить как одно-, так и многослойные типы нанотрубок, кроме того, нанотрубки могут быть большими, маленькими, прямыми (ахиральными), спиральными (хиральными), зигзагообразными или зубчатыми. Несмотря на свою кажущуюся хрупкость, нанотрубки представляют собой чрезвычайно прочный материал, хорошо справляющийся с деформацией на растяжение и на изгиб. Более того, под действием механических напряжений, превышающих критическое, нанотрубки не рвутся и не ломаются, а всего лишь перестраиваются. Путем включения нанотрубок в составы различных сплавов (алюминиевых, магниевых, литиевых) можно существенно повысить износостойкость, прочность и трещиностойкость полученных сплавов. Наряду с этим нанотрубки демонстрируют широкий спектр самых неожиданных электрических, магнитных и оптических свойств. К примеру, в зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости нанотрубки могут быть и проводниками, и полупроводниками. Высокая удельная поверхность нанотрубок (600 кв. м на 1 г для однослойной нанотрубки) создает все предпосылки для возможности их использования в качестве пористого материала в фильтрах, аппаратах химической технологии, подложках катализатора и т.д. Дополнительно нанотрубки являются химически стабильным материалом и обладают возможностью присоединения к своей поверхности радикалов различных химических элементов, которые в дальнейшем уже могут выступать в роли каталитических центров или стать источниками для осуществления разнообразных химических превращений. С изобретением способа «распечатывания» нанотрубок стали проявляться их новые физические свойства. Так, нанотрубка с открытыми концами способна работать как капилляр, всасывая в себя атомы расплавленных металлов и других жидких веществ. В перспективе практическая реализация этого свойства раскрытых нанотрубок — создание электропроводящих нитей диаметром около нанометра. Наряду с металлами углеродные нанотрубки могут заполняться и газообразными, например, водородом в молекулярном виде, веществами, что открывает хорошие перспективы для создания в обозримом будущем компактных и в то же время высокоемких топливных элементов.
Наноизмельчения
Но современные нанотехнологические исследования не ограничиваются областью углеродных каркасных структур, активные работы ведутся по изучению физико-химических свойств измельченных до наноразмеров материалов.
По мере измельчения материала, вплоть до частиц наноскопических размеров, их свойства претерпевают существенные изменения. У таких частиц количество атомов на их поверхности превышает количество атомов, находящихся внутри частицы. Вдобавок те атомы, что расположены на поверхности, часто отличаются по своим свойствам от тех, что внутри: они более активны и всегда готовы к реакции. К примеру, в обычных условиях золото значительно уступает платине по своим каталитическим свойствам, но, измельчив его до наноразмеров и нанеся на пористый материал-носитель, мы получим высокоэффективный автомобильный катализатор, который будет способен разлагать оксид азота и монооксид углерода до безвредных веществ сразу же после запуска холодного двигателя.
Измельченные до наноразмеров частицы диоксида кремния (SiO2) благодаря приобретенным новым свойствам, в частности, все той же высокой поверхностной энергии, приобретают способность плотно присоединяться к различным поверхностям, например, к стеклу (основным компонентом которого является кварцевый песок — SiO2). После нанесения наночастиц кремнезема на стекло оно покрывается сплошным слоем выступов, делая поверхность гидрофобной. Как вы уже, наверное, догадались, это замечательное свойство наночастиц диоксида кремния с успехом было использовано для создания водоотталкивающих составов, которые получили широкое распространение в виде средств автомобильной химии.
P.S.
И все-таки надо признать, что вести разговор о роли нанотехнологии в жизни современного человека на примере автомобилестроения несравненно легче, чем сквозь призму, к примеру, той же биологии или медицины. В таком случае темой нашего разговора могло бы стать обсуждение возможности создания с помощью нанотехнологий искусственных видов вирусов и бактерий с непредсказуемым поведением или перспективы развития проекта «Геном эпитаксиального слоя человека», перед которым поставлена задача изучения химических процессов, способных запускать или останавливать работу различных человеческих генов.
Эти и подобные им проекты, развивающиеся с помощью нанотехнологий, неизбежно ведут к глубокому вмешательству в саму основу органической жизни на земле, а возможно, и к глубокому расколу общества на два лагеря — «сторонников» и «противников» всего того, что содержит в себе приставку «нано-…». Блестящие перспективы всестороннего развития нашей жизни с помощью нанотехнологий наталкиваются на опасения тех, кто считает, что, следуя по этому пути, человек может создать неразрешимые проблемы, представляющие реальную угрозу для его же собственного существования.
Ну что ж, думаю, что тут уместно было бы вспомнить, что человек всегда соседствовал и продолжает соседствовать со многими потенциальными источниками опасности: огонь, вода, не говоря уже про расщепленный атом. Будем надеяться, что и на этот раз человеческое благоразумие возобладает. Об этом и много другом можно почитать на Простейшая наука: новости науки биотехнологий - ДНК, и РНК изучение.
Алексей ПОЛОВНИКОВ
* Молекулы С60 были названы «бакминстерфуллеренами» в честь американского инженера и изобретателя Ричарда Бакминстера Фуллера, получившего в 1954 году патент на строительство сферических конструкций, собранных из пяти- и шестиугольных компонентов. Немного позднее оно было сокращено до бакиболов («мячиков Бакки»), но в окончательной редакции за ними закрепилось название фуллерены. Сфера молекулы С60 состоит из 20 правильных шестиугольников, унаследованных от графита, и 12 правильных пятиугольников, возникших в процессе формирования молекулы, в вершине каждой из этих фигур расположен атом углерода.
** Рассуждая о связи вязкости жидкости с размерами растворенных молекул сахара и рассматривая их совокупность, ученый вывел математическое выражение, определяющее скорость диффузии. Сопоставив коэффициент диффузии с вязкостью раствора, он определил размеры молекул сахара.
*** В СССР первый сканирующий туннельный технологический микроскоп был разработан и изготовлен профессором МИЭТа Владимиром Кирилловичем Неволиным пятью годами позже.
Хотите купить или продать? Воспользуйтесь нашиминтернет АУКЦИОНОМ! Автоаксессуары и дополнительное оборудование, парковочные раддары и видеорегистраторы из первых рук!
Отзывы пользователей
Свой отзыв оставил:
Дмитрий
да уж,представляю правда сколько будут стоить тогда тюнингованные запчасти для двигателей японских скутеров) или китайских если к ним применять нано трубки .один хер всё кривое будет продаваться.левак
Свой отзыв оставил:
дима
кто пробовал добовлять нанатрубки в метал для коленвала и поршнивую группу двигателя для увеличения ресурса до первого капремонта если говорят прочность увеличивается в 20 раз..
Свой отзыв оставил:
сергей
все это очень интересно - на отечественный автопром до этого всего не дойдет. потому что он чугуний и алюминий до сих пор напильником обрабатывает. а полимерные пластмасы это то из чего бутылки для воды делают.
Для многих из нас 1985 год запомнился как год, когда наша страна, тогда еще именовавшая себя Союзом Советских Социалистических Республик, встала на курс кардинальных политических и экономических преобразований. Комплекс вступивших в действие макроэкономических и геополитических реформ был озаглавлен словом «Перестройка», которое быстро стало интернациональным и звучало по всему миру в русской транскрипции.
