Нанотехнологии – взаимодействие на атомном уровне

Новая национальная программа по развитию нанотехнологий, возглавляемая РНЦ «Курчатовский институт», дает шанс атомной отрасли стать центром кластера высокотехнологичных отраслей, которые в ближайшей перспективе могут изменить привычный облик традиционных изделий, материалов, на порядки повысив их полезные эксплуатационные свойства. О возможностях нанотехнологий в материаловедении рассказывает к.ф.-м.н., доцент СЗТУ Дмитрий Георгиевич Летенко.

– Развитие нанотехнологий вошло в раздел приоритетных государственных проектов США в 2000 г. с упором на их применение в военной сфере для создания и эффекта «невидимости» транспортных военных средств, повышения прочности конструкционной керамики, защитных покрытий от коррозии и водопроницаемости, самозалечивающей мелкие дефекты нанокраски, продуктов, нейтрализирующих химические и биологические токсичные реагенты, создания компактных источников энергии и много другого. В каких «гражданских» отраслях ведутся разработки нанотехнологий в России?

– Работы по нанотехнологиям у нас в стране начались еще в 1970-х гг. с создания пленочных структур для различных полупроводниковых и СВЧ-устройств. Толщины активных  элементов – пленок составляли десятки и сотни ангстрем (1Ангстрем = 10-10 м = 0,1 нм). Само название «нанотехнологии» относится к технологиям создания и управления структурами, размеры которых составляют порядка 10-9 м. Такие структуры присутствуют везде, но “видеть” и управлять ими осознанно стало возможным относительно недавно.   Нанотехнологии позволяют осуществлять локальную стимуляцию химических реакций на молекулярном уровне, изменять свойства традиционных конструкционных материалов за счет их модификации наноструктурами, увеличивать плотность записи информации на носителях, повышать эффективность лекарственных препаратов и многое другое.

Зачастую термины «наноструктуры», «нанотехнологии» применяются к объектам, которые таковыми не являются. Длительное механическое измельчение исходного сырья к появлению наноструктур еще не приводит. Способы получения частиц субмикронных размеров намного сложнее. Условно их можно разделить на четыре группы:

• химические реакции в растворе и газовой фазе;

• конденсация в газовой фазе;

• твердотельные химические реакции или имплантация ионов;

• нуклеация из растворов и расплавов или золь-гель превращения (коллоидные кластеры).

Методы синтеза наноструктур играют важную роль при определении их свойств. Опираясь на знание способа их получения, можно прогнозировать те или иные воздействия на свойства композитов.

– На каком направлении развития нанотехнологий сосредоточены усилия вашего научного коллектива?

– Мы занимаемся теорией и методами наномодификации фуллероидными структурами конструкционных материалов и трибосопряжений, а также их диагностикой.

Первые работы по применению фуллероидных наноматериалов были выполнены еще в начале 1990-х гг. Большинство работ в этом направлении были посвящены определению конечных параметров полученного материала. Однако недоучет различных факторов и особенно фундаментальной неустойчивости, присущей наноразмерным системам в жидких и газообразных средах, приводил к нестабильности получения и значительному разбросу этих параметров.

При разработке методов повышения эксплуатационных характеристик материалов с помощью наномодификации обязательно необходимо учитывать в комплексе влияние всех факторов: внешних (технологические воздействия) и внутренних (структурные и топологические изменения в веществе).

Контроль и диагностика должны присутствовать на всех этапах применения нанотехнологии.

В  списке десяти лучших нанопродуктов 2005 г. – из материалов, созданных с применением углеродных наномодификаторов, представлены бейсбольные биты и косметические кремы. Это говорит о том, что вопрос создания эффективных материалов, стабильных технологий их производства пока еще остается открытым для исследователей всего мирового научного сообщества.

– Что же является препятствием для широкого применения нанотехнологий?

– Сдерживающим фактором для успешного производства наноматериалов и использования технологий является отсутствие достоверных сведений о закономерностях, действующих непосредственно в процессе их изготовлении и эксплуатации, динамике структурных изменений, напряженного состояния деформируемых микро-, мезо- и макрообъемов.  Обычно используемые методы исследования наноструктур здесь не применимы – они позволяют лишь фиксировать конечный результат.

Требуется создать структурно-топологическую модель процесса наноструктурирования материалов и выработать критерии выбора контролируемых параметров для управления этим процессом.

Нашей группой были рассмотрены факторы структурирования и деструкции материалов на наноразмерном уровне с учетом энергии и динамики внешнего воздействия.

Материалы, которые мы используем, производятся методом плазменно-дугового синтеза с последующей физико-химической обработкой – это многослойные фуллероидные наночастицы – астралены размером 500–1500 ангстрем (рис. 1).

Специфическая электронная структура фуллероидных материалов с большим количеством слабо связанных валентных электронов позволяет использовать их в качестве стабилизирующего агента для полимерных композиционных материалов благодаря способности к рассеиванию энергии возбуждения. Ещё одним очень важным следствием такой электронной структуры является способность к поляризации и возникновению огромного дипольного момента у фуллероидных наночастиц, оказавшихся на границах раздела фаз в композите, что приводит к увеличению адгезионного взаимодействия, снижению сопротивления в зазорах между проводящими твердыми фазами, повышению плотности вещества в приграничной с твердой фазой области.

Сочетание необычных электронных свойств и высокой стабильности атомного каркаса фуллероидных наноматериалов создает весьма интересную перспективу в применении нанодисперсных фуллероидных систем.

Заметная анизотропия формы у астраленов, приводящая к соединению частиц под определенным углом, позволяет получать фрактальные сетки из астраленов, обладающие дробной размерностью, что тоже позволяет управлять свойствами материалов. 

Но высокие значения удельной поверхностной энергии создают одновременно и большие проблемы. Вследствие мощного когезионного взаимодействия ультрадисперсные наносистемы образуют довольно крупные агломераты. И для введения фуллероидных наноматериалов в различные композиты требуется разработка специальных технологий.



– На каких исходных материалах была опробована технология модифицирования астраленами для изменения их первоначальных свойств?

– Мы вводили астралены в композиты на основе медных сплавов. В результате такой модификации повысилась их электропроводность и прочностные характеристики при криогенных температурах. У электроконтактного сплава БрНХК-ф кроме полуторакратного возрастания электропроводности, прочности и ударной вязкости, произошло удвоение величины относительного удлинения при разрыве.

Такие обнадеживающие результаты дают основание для проведения разработок целого ряда перспективных специальных сплавов с повышенными эксплуатационными параметрами и улучшенной технологичностью.

Введение астраленов в боросиликатные стекла позволило снизить температуру стеклования. Кроме того, повысилась химическая стойкость к выщелачиванию, что крайне важно для производства качественных стекол, а также для использования этого стекла при захоронении радиоактивных отходов. Такие параметры, как низкий коэффициент теплового расширения, высокая химическая стойкость к различным растворителям и приемлемые механические свойства были достигнуты благодаря модификации борного стекла астраленами. Химическая стойкость у модифицированных образцов по сравнению с базовым стеклом увеличилась в 4 раза на начальной стадии и в 2 раза при длительном выщелачивании.

Крайне перспективно применение наномодификаторов фуллероидного типа в различных электрохимических системах. Введение астраленов в активные массы свинцовых аккумуляторов взамен активированного углерода позволяет избежать выделения СО и СО2 из-за высокой устойчивости этих фуллеренов. Кроме того, способность астраленов служить центрами кристаллизации способствует формированию крупнокристаллической призматической структуры, повышающей прочность паст, что позволяет увеличить срок службы аккумуляторов.

В силу высокой дисперсности, электро- и теплопроводности, повышенной способности к диссипации энергии, астралены нашли применение в качестве противоизносной добавки к антифрикционным материалам на основе полимерных матриц.

Опыты по введению астраменов в полимерную матрицу (объемному и поверхностному) показали, что происходит увеличение теплостойкости полимера, повышается триботехническая устойчивость, особенно в экстремальных условиях (при жестком контакте в отсутствии смазывающе-охлаждающей жидкости).

– То есть модификация традиционных материалов фуллереновыми наноструктурами приводит к созданию новых материалов с повышенными эксплуатационными параметрами?

– Практически, да. Разработка высокопрочных высокомодульных волокнистых наполнителей, исследование возможности реализации их физико-химических свойств в полимерных матрицах позволили создать новые композиционные материалы универсального назначения.

Углеволокнистые армирующие наполнители придают полимерным композициям такие специфические свойства, как электро- и теплопроводность, антифрикционность, износостойкость, повышают их механические параметры.

Уникальное сочетание таких свойств с высокой технологичностью переработки термопластичных углепластиков значительно расширило область их применения, позволив успешно конкурировать с цветными металлами. Технология модифицирования матрицы позволяет значительно расширить пределы эксплуатационных параметров этих углепластиков.

Другим перспективным направлением в современном материаловедении являются нанокомпозиты – структурированные материалы со средним размером одной из фаз менее 100 нм. Электронные, физические свойства наночастиц, определяемые их чрезвычайно развитой удельной поверхностью, значительно отличаются от свойств как индивидуального атома, так и блочного материала. Протяженность границы раздела и доля граничного слоя в таких композитах возрастают до 50%. Соответственно повышается его влияние на свойства композиционного материала.

Даже при содержании наполнителя порядка доли процента практически весь полимер переходит в состояние граничного слоя, характеризующееся повышенными упруго-прочностными показателями, что способствует улучшению совместимости полимерного связующего с углеродным волокном.

В модифицированных астраленами полиамидных нанокомпозитах возникала структура со значительным снижением подвижности полиамидных цепей и большей устойчивостью к изнашиванию.

Введение астраленов в цементные композиции способствовало направленному росту цементного камня, что привело к увеличению прочности бетона вследствие изменения характера кристаллизации. Модифицированные образцы по прочности на сжатие и изгиб превосходили базовые. При этом прочность на изгиб достигала 50% от прочности на сжатие, что может свидетельствовать о повышении однородности модифицированных образцов.

Такой «нанобетон» может быть использован при создании высокопрочных бетонных композиций для изготовления особо ответственных узлов строительных конструкций.

– Ваши удивительные астралены превращают заурядные материалы в своеобразных «суперменов», наделенных технологическими и эксплуатационными свойствами, о которых можно было только мечтать. Но как обеспечить равномерное распределение наномодификатора по всему объему исходного материала для получения необходимой однородности его параметров?

– Нашим научным коллективом отработаны такие технологические приемы, как:

• использование слабых растворов или суспензий фуллероидов, получаемых методами последовательного разбавления для введения в связующее композита. Такой метод применим, если существуют растворители, сочетаемые со связующим без потери последним своих характеристик;

• использование слабых растворов или суспензий фуллероидов для обработки поверхности объектов перед нанесением защитных пленочных покрытий. Этот метод эффективен в случае тонких слоев пленкообразователя;

• приготовление промежуточного концентрата, содержащего повышенное количество фуллероидов, смешивание которого с основным материалом связующего возможно с использованием стандартного оборудования;

• обработка фуллероидами поверхности высокодисперсного наполнителя перед его введением в композиционный материал.

Чрезвычайно важным моментом успешного применения наномодификации конструкционных материалов, покрытий и трибосопряжений, является создание системы управления процессом синтеза объекта, опирающейся на контроль целого ряда параметров во время самого процесса.

Надо отметить, что перечисленные здесь направления использования углеродных наномодификаторов, в частности астраленов, не являются исчерпывающими примерами применения нанотехнологий, а лишь раскрывают отдельные аспекты грандиозных возможностей, которые будут реализованы в ближайшем будущем.

Подготовила Тамара Девятова

назад

Материалы из архива

2.2009 Энергетика послекризисного мира

С.В.Коровкин, главный инженер проекта ОАО «Атомстрой», НИКИМТВсе согласны с тем, что индустриальный мир после кризиса будет другим. Другими будут не только экономические, но и технологические системы индустриального общества. Уже сейчас проясняется будущая энергетическая система послекризисного индустриального мира. Основным источником энергии в  XXI веке в развитых странах будет  не нефть, не газ, не уран, не дрова и не солома.

6.2007 Сегодня годовщина Балаковской аварии 1985 года

Игорь Карпов, депутат городской думы, город Курчатов Курской области Как следовало из коротких сообщений Минэнерго на «одной из АЭС» во время горячих промывок 1 блока АЭС были объединены 1 контур РУ, имевший рабочие параметры, и система низкого давления. На последней сработал ПК и пар был сброшен в помещение РУ. В ходе аварии на «боевом посту» было заживо сварено сначала 11 человек, затем, после повторного открытия граничной арматуры, еще 3 работника.

6.2008 От ''Севмаша'' отчаливает атомная станция

Александра Грицкова, газета «Коммерсантъ»"Росэнергоатом" рассматривает возможность расторжения контракта с ОАО "Севмашпредприятие" по строительству головной плавучей атомной теплоэлектростанции (ПАТЭС). На заводе утверждают, что причиной задержки строительства является недоработка проекта. Эксперты говорят об очередном примере неконкурентоспособности российского гражданского судостроения, но сомневаются, что контракт будет разорван.