Нанотехнологии в машиностроении кратко

Обновлено: 05.07.2024

Содержание работы

Введение
Глава 1. Понятие и развитие нанотехнологий
1.1. Понятие нанотехнологий
1.2. Нанотехнология как научно-техническое направление
1.3. История развития нанотехнологий
1.4. Современный уровень развития нанотехнологий
1.5. Применение нанотехнологий в различных отраслях
1.5.1. Наноэлектроника и нанофотоника
1.5.2. Наноэнергетика
1.5.3. Нанотехнологии для медицины и биотехнологии
1.5.3.1. Наномедицина
1.5.3.2. Нанобиотехнологии
1.5.3.3. Нанокосметика
1.5.4. Нанотехнологии для легкой промышленности
1.5.5. Нанотехнологии для обеспечения безопасности
1.5.6. Нанотехнологии для сельского хозяйства и пищевой промышленности..
Глава 2. Использование нанотехнологий в машиностроении
2.1. Значение применения нанотехнологий в машиностроении..
2.2. Технологические особенности применения нанотехнологий в машиностроении (на примере автомобильной промышленности)
2.3. Проблемы и перспективы развития нанотехнологий в машиностроении
2.3.1. Перспективы развития нанотехнологий в машиностроении.
2.3.2. Ключевые проблемы развития нанотехнологий в России
Заключение
Cписок использованных источников

Файлы: 1 файл

Документ Microsoft Word.docx

Нанофотоника.. Компании, занимающиеся нанофотоникой, разрабатывают высокоинтегрированные компоненты оптических коммуникаций с применением технологий нанооптики и нанопроизводства. Такой подход к изготовлению оптических компонентов позволяет ускорить получение их прототипов, улучшить технические характеристики, уменьшить размеры и снизить стоимость.

Наоэнергетика включает в себя[14]:

1. Энергетические системы

2. Генерация энергии: солнечные батареи, термоэлектрические элементы, микрожидкостные генераторы, ядерные установки, термоядерные установки, батарейки и аккумуляторы.

3. Топливные элементы: водородные элементы, передача энергии (высокотемпературные сверхпроводники, формирование градиента температур)

Солнечные батареи. Солнечную батарею толщиной в бумажный лист, которую можно гнуть и сворачивать, создала японская электротехническая компания Sharp. Как сообщает сегодня токийская печать, батарея в виде пленки имеет толщину от 1 до 3 микрометров - то есть, от одной до трех тысячных миллиметра. Это меньше современных аналогов примерно в сто раз. Компания собирается начать промышленное производство новики уже в этом году. Слоями солнечных батарей планируется покрывать мобильные телефоны, автомобили и даже специальную одежду. Пленка площадью в две визитные карточки весит всего один грамм и обладает мощностью в 2,6 ватт. По словам разработчиков, этого уже достаточно, чтобы обеспечить электропитанием велосипедный фонарь.

Рисунок 2. Нанобатарейка (3,8х62х35 мм)

Создать нанобатрейку удалось благодаря новой технологии, основанной на использовании наночастиц, находящихся в составе материала отрицательного электрода батареи. При зарядке батареи, наночастицы быстро собирают и хранят ионы лития. На рынке скоростная батарейка появилась в 2006 году.

1.5.3. Нанотехнологии для медицины и биотехнологии

Современная технология – нанотехнология - позволяет работать с веществом в масштабах, еще недавно казавшихся фантастическими - микрометровых, и даже нанометровых. Именно такие размеры характерны для основных биологических структур - клеток, их составных частей (органелл) и молекул.

Современные приложения нанотехнологий в медицине можно разделить на несколько групп[10, С.212-247]:

1. Наноструктурированные материалы, в т. ч., поверхности с нанорельефом, мембраны с наноотверстиями. В настоящее время достигнуты успехи в изготовлении наноматериала, имитирующего естественную костную ткань.

2. Наночастицы (в т. ч., фуллерены и дендримеры). Спект р возможных применений чрезвычайно широк. Он включает борьбу с вирусными заболеваниями такими, как грипп и ВИЧ, онкологическими и нейродегенеративными заболеваниями, остеопорозом, заболеваниями сосудов. Наносферы могут использоваться и в диагностике, например, как рентгеноконтрастное вещество, прикрепляющееся к поверхности определённых клеток и показывающее их расположение в организме.

3. Микро- и нанокапсулы. Миниатюрные (~1 мк) капсулы с нанопорами могут быть использованы для доставки лекарственных средств в нужное место организма. Уже испытываются подобные микрокапсулы для доставки и физиологически регулируемого выделения инсулина при диабете 1-го типа.

5. Медицинские применения сканирующих зондовых микроскопов. Сканирующие микроскопы представляют собой группу уникальных по своим возможностям приборов. Они позволяют достигать увеличения достаточного, чтобы рассмотреть отдельные молекулы и атомы.

6. Наноинструменты и наноманипуляторы. Наноманипуля торами можно назвать устройства, предназначенные для манипуляций с нанообъектами - наночастицами, молекулами и отдельными атомами. Примером могут служить сканирующие зондовые микроскопы, которые позволяют перемещать любые объекты вплоть до атомов.

7. Микро- и наноустройства различной степени автономности. В настоящее время всё большее распространение получают миниатюрные устройства, которые могут быть помещены внутрь организма для диагностических, а возможно, и лечебных целей. Современное устройство, предназначенное для исследования желудочно-кишечного тракта, имеет размер несколько миллиметров, несёт на борту миниатюрную видеокамеру и систему освещения. Полученные кадры передаются наружу.

Нанобиотехнология объединяет достижения нанотехнологии и молекулярной биологии. В ней широко используется способность биомолекул к самосборке в наноструктуры. Так, например, липиды способны спонтанно объединяться и формировать жидкие кристаллы. ДНК используется не только для создания наноструктур, но и в качестве важного компонента наномеханизмов. Предполагается, например, что вместо того, чтобы создавать кремниевую основу микросхем, нанотехнологи смогут использовать двухцепочечную молекулу ДНК, особенности которой позволяют объединять атомы в предсказуемой последовательности.

По мнению ряда ученых, нанобиотехнологии существенно упрощают и ускоряют решение традиционных проблем генетики сельскохозяйственных видов. Таких, к примеру, как контроль происхождения, выявление носителей неблагоприятных мутаций или инфекций, а также генов, связанных с желательными хозяйственно ценными признаками, включая устойчивость к неблагоприятным факторам окружающей среды.

Использование нанотехнологий в косметике началось сравнительно недавно[18].

L'Oreal, мировой лидер по производству косметики, вкладывает миллионы в исследования нанотехнологии. Компания верит в то, что будущее именно за нанокосметикой — когда-нибудь она поможет замедлить старение кожи, предотвратить появление седых волос и даже облысение.

Несколько лет назад L'Oreal выпустила на рынок знаменитый крем Revitalift, содержащий наносомы Про-Ретинола А, и, по заверению компании, этот крем впитывается в кожу куда лучше, чем кремы других марок, за счет особых микрочастиц (см. рис. 3).Традиционные кремы лишь образовывали барьер, защищающий кожу от потери влаги, тогда как лореалевская новинка с помощью микрочастиц действовала на более глубокие слои кожи и стимулировала обновление клеток.

Рисунок 3. Крем компании L'Oreal[18]

У бренда лечебной косметики для волос Kerastase, принадлежащего компании L’Oreal, есть несколько продуктов для волос, созданных с использованием нанотехнологий.

Нанотехнологии используются не только при производстве увлажняющих кремов, но и солнцезащитных средств. Оказывается, солнцезащитный крем может быть практически неощутимым, но, в то же время, способным защитить от вредного солнечного излучения на самом высоком уровне.

1.5.4. Нанотехнологии для легкой промышленности

Наноматериалы в текстиле. Текстиль на основе наноматериалов приобретает уникальные по своим показателям водонепроницаемость, грязеотталкивание, теплопроводность, способность проводить электричество и другие свойства[19].

А американская компания NanoSoni cразработала уникальную технологию, позволяющую создавать материалы с невозможными в природе свойствами, в частности, листы полимера, гибкие и упругие, как резина, и проводящие ток, как металл. Новый продукт назвали Metall Rubber- металлизированная резина.

Это лишь малая толика тех достижений, которые уже вышли на рынок и могут быть использованы предпринимателями. В будущем количество наноновинок возрастет многократно, и текстильная промышленность без них не обойдется. Исследовательские работы в области нанотехнологий, которые ведутся во многих странах мира, направлены, в первую очередь, на их коммерциализацию. Так что стоит ждать в ближайшем будущем появления умной и комфортной одежды по вполне приемлемым ценам.

Что касается России, то сегодня более 90% швейных предприятий страны применяют разработанные институтом технологии изготовления одежды. Но не один только ЦНИИШП занимается внедрением нанотехнологий в лёгкую промышленность. В России существует Центральный научно-исследовательский институт хлопчатобумажной промышленности (ЦНИИХБП), институт пластмасс, учебные и текстильные институты.

Однако научные исследования, например, по проблеме дисперсных систем проводи­лись уже более 100 лет. В 1861 г. химик Т. Грэхем использовал термин коллоид для описания растворов, содержащих частицы диаметром от 1 до 100 нм в суспензии. В начале XX века такие знамени­тости, как Д.У. Рэлей, Д.К. Максвелл, А.Эйнштейн изучали коллоиды. В это же время стали использоваться электрическая дуга, плазма и пламенные печи для производства субмикронных частиц.

После изобретения в 1960 году способа получения аморфных металлов закалкой жидкого состояния и, особенно, после разработки в 1968 году метода спиннингования – закалки расплава на поверхности вращающегося диска – было освоено их промышленное производство. В дальнейшем путем подбора соответствующего химического состава, регулирования скорости закалки, механической или термической обработкой затвердевших аморфных сплавов были получены нанокристаллические и композитные аморфно­нанокристаллические металлы, в которых размер кристаллов укладывается в нанометровый диапазон [3].

В 80е годы в Германии были получены консолидированные нанокристаллические материалы. В 1980 г. были проведены исследования кластеров, содержащих


Наноматериалы - вещества и композиции веществ, представляющие собой искусственно или естественно упорядоченную или неупорядоченную систему базовых элементов с нанометрическими характеристическими размерами и особым проявлением физического и (или) химического взаимодействий при кооперации наноразмерных элементов, обеспечивающих возникновение у материалов и систем совокупности ранее неизвестных механических, химических, электрофизических, оптических, теплофизических и других свойств, определяемых проявлением наномасштабных факторов.

Нанотехнологии - совокупность методов и способов синтеза, сборки, структуре- и формообразования, нанесения, удаления и модифицирования материалов, включая систему знаний, навыков, умений, аппаратурное, материаловедческое, метрологическое, информационное обеспечение процессов и технологических операций, направленных на создание материалов и систем с новыми свойствами, обусловленными проявлением наномасштабных факторов.

Нанотехнологии сейчас находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее, проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных результатов позволяет относить её к высоким технологиям.

История развития нанотехнологии

Примером первого использования нанотехнологий можно назвать - изобретение в 1883 году фотопленки Джорджем Истмэном, который впоследствии основал известную компанию Kodak.

В настоящее время наноматериалы используют для изготовления защитных и светопоглощающих покрытий, спортивного оборудования, транзисторов, светоиспускающих диодов, топливных элементов, лекарств и медицинской аппаратуры, материалов для упаковки продуктов питания, косметики и одежды. Нанопримеси на основе оксида церия уже сейчас добавляют в дизельное топливо, что позволяет на 4 … 5% повысить КПД двигателя и снизить степень загрязнения выхлопных газов

Новая элементная база микроэлектроники и приборы на основе нанотехнологий и наноматериалов

В последнее время появились новые структуры полупровод­никовых приборов, среди которых следует отметить:

• одноэлектронные туннельные приборы (SET - Singe electron tunnelling);

• резонансные туннельные диоды (RTD - Resonant tunnelling diodes);

• квантовые приборы быстрого единичного разряда (RSFQ - ­Rapid Single Flux Qllantum).

Перспективная структура элементной базы СБИС проигры­вает по комплексным показателям применимости уже суще­ствующей стандартной КМОП-структуре. Принимая во вни­мание необходимость развития нового мощного технологи­ческого базиса для организации массового производства СБИС, в будущем в случае перехода на новую элементную базу и учитывая те колоссальные средства, которые человече­ство вложило в субмикронные технологии (по действующи­м оценкам эта сумма превышает 3 трлн. долл.), можно сделать самый главный вывод перспектив технологического разви­тия - человечество в ХХI веке и далее будет развивать элек­тронику в рамках технологий КМОП-структур с увеличени­ем функциональной сложности выпускаемых приборов и все более узкой специализацией разрабатываемых СБИС.

RSFQ-технология - единственная из известных, сочетающая высокое быстродействие при рассеиваемой мощности менее 1 мкВт/затвор. Однако стоимость и размеры систем охлажде­ния ограничивают разработку и широкое использование та­ких приборов.

Основу приборов молекулярной наноэлектроники составля­ют молекулярные кластеры или отдельные молекулы. Теоре­тические оценки показывают, что устройства молекулярной электроники будут превосходить ожидаемые кремниевые ана­логи по плотности элементов и рассеиваемой мощности, но уступать им по быстродействию. К сожалению, сегодня име­ется слишком мало экспериментальных результатов для се­рьезных оценок.

Хотя одноэлектронные транзисторы давно привлекают вни­мание исследователей, они не могут составить конкуренцию КМОП-приборам в схемах большой интеграции из-за недопу­стимого разброса параметров, необходимости низких ( 10 … ­10 11 см -2 . Большое быстродействие (до десятков гигагерц), широкий диапазон температур (> 300°С) и ожидаемая высо­кая стойкость к спецвоздействиям открывают широкую до­рогу этим приборам для двойного применения.

Резкое повышение чувствительности сенсоров связывается с использованием квантовых (резонансных) явлений в нано­объектах, высокой поверхностной чувствительностью нано­структурированных материалов. При этом предполагается уменьшение габаритов датчиков и увеличение степени их интеллектуализации.

Серьезные усилия будут направлены на создание плоских и гибких экранов повышенной яркости любых размеров и кон­фигураций - проекционных экранов, табло, дисплеев, очков­-экранов. При этом предполагается существенное снижение потребляемой мощности. Наиболее перспективные направ­ления - лазерные и светодиодные матрицы для проекцион­ных экранов и автоэмиссионные катоды на основе углерод­ных нанотрубок для плоских экранов любой сложности.

Наиболее впечатляющих результатов в последнее время до­билась фирма Motorola, которой удалось создать плоский дисплей с использованием нанотрубок в качестве электродов. Для ото­бражения цвета использованы привычные телевизионные люминофоры, что обеспечивает достаточную яркость и насы­щенность цвета. По скорости отклика, углу обзора, сроку службы, диапазону рабочих температур, геометрическим характерис­тикам прототип (5-дюймовый фрагмент с разрешением 1280х720 элементов изображения толщиной ~ 3 мм) не усту­пает дисплеям на базе ЭЛТ.

Новая технология получила название Nano Emissive Display (NED) - наноэмиттирующий дисплей. Предполагается, что стоимость 40-дюймовой NЕD-панели не превысит 400 долл.

Развитие автономных, электромеханических систем связано с проблемой энергопотребления, поэтому необходима разработ­ка новых принципов источников питания, в частности хими­ческих.

Особо следует подчеркнуть, что наблюдаемая широкая волна открытий все новых эффектов в наноструктурах вызывает эйфорию не только у ученых, но даже у военных, которые готовы видеть в наноэлектронике и микромеханике техни­ческое будущее человечества и соответственно создание на их основе сверхсистем военного и информационного обеспечения.

Надо помнить, что действующие на атомарном и молекуляр­ном уровнях (наноуровень) природные биологические струк­туры защищены от внешнего воздействия макросистемами организма, осуществляющих контроль и восстановление по­вреждений, обеспечивающих энергетическую подпитку фун­кционирования.

Можно ожидать, что в ближайшем будущем (2020 … 2030 гг.) появятся гибридные системы микроэлектроники, нанотехно­логии и микромеханики, способные к выполнению опреде­ленных экстремальных функций, но вопрос их надежного фун­кционирования при определенных видах внешнего воздействия остается открытым.

С точки зрения военного ведомства национальной безопас­ности США нанотехнология будет играть определяющую роль в военном доминировании государств, в первую очередь за счет снижения стоимости и трудоемкости производства средств ведения войны, при одновременном уменьшении вероятности потерь личного состава. С точки зрения военных применений нанотехнология должна обеспечить повышен­ное быстродействие процессорных систем обработки инфор­мации, увеличение емкости запоминающих устройств и сни­жение времени считывания, снижение массогабаритных ха­рактеристик устройств отображения информации, расшире­ние диапазона частот передачи информации. Это должно обес­печить почти мгновенную телекоммуникационную связь, ус­коренную идентификацию объектов, новые возможности в кодировании и декодировании информации, расширенную мультиспектральную визуализацию, улучшенные виртуальные тренажерные средства для личного состава. Наносенсоры обес­печат индивидуальную защиту личного состава войск за счет раннего и точного обнаружения химических и биологических средств поражения, а также значительно улучшат характерис­тики средств обнаружения и наведения.

Вооружение (военные платформы) будут обеспечены новы­ми качествами за счет использования наноматериалов, кото­рые характеризуются более низкой себестоимостью, отноше­нием массы к прочности и предельно низкой обнаруживае­мостью в мультиспектральном диапазоне.

Ярким примером тенденции замены традиционных материа­лов на нанокомпозиты может служить замена традиционного алюминия в боевой авиации НАТО на титановые и углерод­ные материалы (нанокомпозиты). Так, в конструкции истре­бителя F-22 содержание углеродных композитов достигает 19%, а в разрабатываемом V-22 их содержание в общей массе составит не менее 33%.

Существенная роль в авиакосмической отрасли отводится использованию новых керамических материалов, созданных на основе нанопорошков. В первую очередь - это высокотемпе­ратурные детали газотурбинных двигателей, обладающие по­вышенной прочностью и не подверженные коррозии, что как минимум удваивает жизненный цикл двигателей.

Добавки наноалюминия в ракетное твердое топливо позво­ляет увеличить скорость его горения в 15 раз по сравнению со стандартными алюминиевыми добавками, что обеспечивает увеличение мощности двигателя и стабилизирует процесс горения.

В качестве реального примера применения нанотехнологий в металлургии можно привести данные по созданию нанокри­сталлического никеля и его сплавов для формирования за­щитного покрытия внутренней поверхности труб парогене­раторов атомных электростанций в условиях высоких тепло­вых и потоковых нагрузок.

Особые перспективы в практическом использовании нано­технологий связывают с использованием углеродных нано­трубок, прочностные, поверхностные и электрофизические свойства которых не имеют аналогов.

Основная технологическая проблема применения нанотру­бок состоит в возможности получения их неограниченной длины. Нанотрубка представляет собой свернутую в трубку однослойную полоску из углеродных атомов, образующих шестигранную сетку ковалентных связей. При наличии дефектов (поворот одной ковалентной связи на 90°) образуются два пятиугольника и два семиугольника, что ослабляет структуру и снижает прочность. Конечно, прочностные характеристики углеродных нанотрубок (считается, что прочность трубок в десятки раз превосходит все известные материалы) являются чрезвычайно привлекательной характеристикой с момента их открытия в 1991 году.

Основные надежды применения нанотрубок в изделиях мас­сового потребления исследователи связывают с возможнос­тью создания сверхвысокопрочных и сверхлегких волокон и тканей.

Развитие наноматериалов и нанотехнологий в России

Стратегическими национальными приоритетами Российской Федерации, изложенными в утвержденных 30 марта 2002 г. Президентом Российской Федерации "Основах политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу", являются: повышение качества жизни населения, достижение экономического роста, развитие фундаментальной науки, образования и культуры, обеспечение обороны и безопасности страны.

Одним из реальных направлений достижения этих целей может стать ускоренное развитие нанотехнологий на основе накопленного научно-технического задела в этой области и внедрение их в технологический комплекс России.

В основе такого подхода лежат:

 использование особенностей свойств вещества (материалов) при уменьшении его размеров до нанометрового масштаба;

 ряд выдающихся открытий последних лет в области физики низкоразмерных систем и структур (целочисленный и дробный квантовые эффекты Холла, квазичастицы с дробным зарядом и др.);

 разработка приборов и устройств на основе квантовых наноструктур (лазеры на квантовых точках, сверхбыстродействующие транзисторы, запоминающие устройства на основе эффекта гигантского магнитосопротивления);

 появление и развитие новых технологических приемов (приемы и методы, базирующиеся на принципах самосборки и самоорганизации;

 методы, основанные на зондовой микроскопии и технике сфокусированных ионных пучков; LIGA-технологии как последовательность процессов литографии, гальваники и формовки) и диагностических методов (сканирующая зондовая микроскопия/спектроскопия; рентгеновские методы с использованием синхротронного излучения; электронная микроскопия высокого разрешения; фемтосекундные методы);

 создание новых материалов с необычными свойствами (фуллерены, нанотрубки, нанокерамика) и конструкционных наноматериалов с рекордными эксплуатационными характеристиками.

Использование возможностей нанотехнологий может уже в недалекой перспективе принести резкое увеличение стоимости валового внутреннего продукта и значительный экономический эффект в следующих базовых отраслях экономики.

Заключение

Разработка и успешное освоение новых технологических возможностей потребует координации деятельности на государственном уровне всех участников нанотехнологических проектов, их всестороннего обеспечения (правового, ресурсного, финансово-экономического, кадрового), активной государственной поддержки отечественной продукции на внутреннем и внешнем рынках.

Формирование и реализация активной государственной политики в области нанотехнологий позволит с высокой эффективностью использовать интеллектуальный и научно-технический потенциал страны в интересах развития науки, производства, здравоохранения, экологии, образования и обеспечения национальной безопасности России.

Файл "Наноматериалы для машиностроения" внутри архива находится в папке "Наноматериалы в машиностроении". Документ из архива "Наноматериалы в машиностроении", который расположен в категории " ". Всё это находится в предмете "основы наноэлектроники и нанотехнологии" из раздела "", которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "рефераты, доклады и презентации", в предмете "основы наноэлектроники и нанотехнологии" в общих файлах.

Онлайн просмотр документа "Наноматериалы для машиностроения"

Текст из документа "Наноматериалы для машиностроения"



ордена Трудового Красного Знамени

Государственный Технический Университет им. Н. Э. Баумана

Оглавление

1.2. Применение углеродных нанотрубок……………………….…………..…7

1.4. Композитные наноматериалы……………………………………………. 8

Список источников информации……………………………………………………. 11

Вступление

В 2004-м году выделили следующие типы наноматериалов:

нанотрубки и нановолокна

нанокристаллы и нанокластеры

наноструктурированные поверхности и тонкие пленки.

Сами наноматериалы делят по назначению на:

По количеству измерений:

нульмерные/ квазинульмерные (квантовые точки, сфероидные наночастицы);

одномерные/ квазиодномерные (квантовые проводники, нанотрубки);

двумерные/квазидвумерные (тонкие пленки, поверхности разделов);

трехмерные/квазитрехмерные (многослойные структуры с наноразмерными дислокациями, сверхрешетки, нанокластеры).

Свойства наноматериалов, как правило, отличаются от аналогичных материалов в массивном состоянии. Например, у наноматериалов можно наблюдать изменение магнитных, тепло- и электропроводных свойств. Для особо мелких материалов можно заметить изменение температуры плавления в сторону её уменьшения.

Для наноматериалов актуальна проблема их хранения и транспортировки. Обладая развитой поверхностью, материалы очень активны и охотно взаимодействуют с окружающей средой, прежде всего это касается металлических наноматериалов. Применение наноматериалов пока не очень широко развито, поскольку подробное их изучение только началось и сейчас идет накопление знаний об этих материалах. В генной инженерии векторы на основе наноматериалов используются для доставки биологически активных веществ в клетки.


Консолидированные материалы – компакты, пленки и покрытия из металлов, сплавов и соединений, получаемые методами, например, порошковой технологии, интенсивной пластической деформации, контролируемой кристаллизации из аморфного состояния и разнообразными приемами нанесения пленок и покрытий.

Нанополупроводники, нанополимеры и нанобиоматериалы могут быть в изолированном и частично в смешанном (консолидированном) со-стоянии.

Фуллерены и нанотрубки стали объектами изучения с момента открытия (Н. Крото, Р. Керлу, Р. Смолли, 1985) новой аллотропной формы углерода – кластеров С60 и С70, названных фуллеренами. Более пристальное внимание новые формы углерода привлекли к себе, когда были обнаружены углеродные нанотрубки в продуктах электродугового испарения графита (С. Ишима, 1991).

Наночастицы и нанопорошки представляют собой квазинульмер-ные структуры различного состава, размеры которых не превышают, в общем случае, нанотехнологической границы. Различие состоит в том, что наночастицы имеют возможный изолированный характер, тогда как нанопорошки – обязательно совокупный. Похожим образом нанопористые материалы характеризуются размером пор, как правило, менее 100 нм.

Супрамолекулярные структуры – это наноструктуры, получаемые в результате так называемого нековалентного синтеза с образованием слабых (ван-дер-ваальсовых, водородных и др.) связей между молекулами и их ансамблями.

В современном авиастроении и ракетостроении так же применяется лазерная модификация поверхности, что приводит к упрочнению материала в разы, однако это дорогая и сложная процедура, но в области, где каждый килограмм над землёй стоит больших денег – это необходимая мера.

1. Применение наноматериалов

1.1. Применение графена


А ккумуляторы для автомобилей на водородном топливе. С помощью графеновых пленок можно увеличить энергию связи атомов углерода. Это позволит увеличить емкость, либо уменьшить вес аккумуляторов.

Датчики для диагностики заболеваний. В основе работы этих датчиков лежит тот факт, что молекулы, чувствительные к некоторым болезням, присоединяются к атомам углерода в графеновом слое. В датчике используется графен, молекулы ДНК и флуоресцентные молекулы. Флуоресцентные молекулы соединяются с одиночной ДНК, которая в свою очередь связывается с графеном. Когда другая одиночная молекула ДНК связывается с ДНК, присоединенной к слою графена, и формируется двойная ДНК, которая свободно передвигается по графену, увеличивая уровень излучения.

Охлаждение электронных схем. Недавно созданный композитный материал на основе графена и меди нашел применение в качестве наиболее эффективного и недорогостоящего средства охлаждения электронных устройств. Теплопроводность композита составляет 460 Вт/(м·K), тогда как у меди она равна 380 Вт/(м·K). Композит осаждается на охлаждаемую поверхность электрохимическим способом в виде пленки толщиной 200 мкм. Уже разработана схема переоснащения оборудования для изготовления медно-графенового теплоотвода.

Элементы с малым удельным весом и высокой прочностью. Добавление в эпоксидный композит графена обеспечивает более высокую удельную прочность элементов, поскольку графен прочно связывается с молекулами полимеров.

1.2. Применение углеродных нанотрубок

Механические применения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы.

Применения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы.

Для создания соединений между биологическими нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках.

Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки.

Оптические применения: дисплеи, светодиоды.

Одностенные нанотрубки (индивидуальные, в небольших сборках или в сетях) являются миниатюрными датчиками для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью — при адсорбции на поверхности нанотрубки молекул её электросопротивление, а также характеристики нанотранзистора могут изменяться. Такие нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях.

Трос для космического лифта: нанотрубки, теоретически, могут держать огромный вес — до тонны на квадратный миллиметр. Однако получить достаточно длинные углеродные трубки с толщиной стенок в один атом не удавалось до сих пор, из-за чего приходится использовать нити, сплетённые из относительно коротких нанотрубок, что уменьшает итоговую прочность.

Листы из углеродных нанотрубок можно использовать в качестве плоских прозрачных громкоговорителей, к такому выводу пришли китайские учёные.

Искусственные мышцы. Путем введения парафина в скрученную нить из нанотрубок международной команде ученых из университета Техаса удалось создать искусственную мышцу, которая в 85 раз сильнее человеческой.

Генераторы энергии и двигатели. Нити из парафина и углеродных трубок могут поглощать тепловую и световую энергию и преобразовывать ее в механическую. Опыт показывает, что такие нити выдерживают более миллиона циклов скручивания/раскручивания со скоростью 12.500 об/мин или 1.200 циклов сжатия/растяжения в минуту без видимых признаков износа. Такие нити могут применяться для выработки энергии из солнечного света.

1.3. Применение фуллеренов:

Создание новых конструкционных материалов с уникальными свойствами для использования в строительстве инженерно-технических сооружений и в изготовлении средств индивидуальной защиты.

Улучшение эксплуатационных характеристик транспортных средств и других специальных механизмов.

Получение новых композиционных материалов электротехнического назначения.

Получение новых композиционных материалов для оптического и радиоэлектронного противодействия.

Создание материалов и микроэлектронных изделий специального назначения.

Разработка новых технологий в медицине.

1.4. Композитные наноматериалы:

Современные алмазоподобные покрытия используются дли инструментов, которые легко восстанавливаются с помощью повторного нанесения (чаще всего напыления). Например, Ti-Si-N.

Композиционные смеси гранулированных наночастиц, которые производят постоянный поток серебряных ионов, разрушающих микробы, используют для фильтрации воды.

Некоторые структуры используют для защиты от окисления, так как они не окисляются даже при очень высоких температурах, например, в реактивных или турбовентиляторных двигателях.

Углеродный нанокомпозит при нормальных условиях инертен практически ко всем химически активным средам. Следствием его химической инертности является биологическая инертность и тромборезистентность в среде нативной крови. По уровню тромборезистентности углеродный нанокомпозит превосходит все известные материалы.

1.5. Другие материалы:

Нанослои золота можно использовать как изолятор.

Наноструктурированную платину используют для хранения жидкого водорода.

Нанослои любых других материалов ведут себя иначе по сравнению, например со слоями тех же материалов микрометровых толщин.

Заключение

На сегодняшний день наноматериалы очень дороги как в изготовлении, так и в эксплуатации, однако их использование позволит уменьшить вес конструкций при тех свойствах (прочность, эластичность и т.п.), а так же появится возможность создавать новые конструкции другого типа. По моему мнению, наноматериалы необходимы сейчас в освоении космоса, ведь доставить один килограмм на низкую околоземную орбиту при нынешних технологиях стоит 10000 долларов, сокращение веса аппаратов позволит уменьшить стоимость космических полётов.

Список источников информации

Помогайло А.Д., Розенберг А.С., Уфлянд И.Е. Наночастицы металлов в полимерах. М.:Химия. 2000.- 672 с.

Суздалев И.П. Нанотехнология. Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. М.:Ком Книга. 2006.

Волынский А.Л., Бакеев Н.Ф. Высокодисперсное ориентированное состояние полимеров. Москва:Химия, 1985.

Читайте также: