 |
Упрочнение нержавеющих, конструкционных и инструментальных сталей. Упрочнение твердых сплавов.
|
|
|
|
Ответ:
Упрочнение нанотехнологиями материалов – твердых сплавов; нержавеющих, конструкционных и инструментальных сталей и др.
Исследованиями установлено, что если подвергнуть поверхность изделия из железоуглеродистого сплава упрочняющей обработке методом наноструктурирования, то в обрабатываемом материале происходит локальная перестройка кристаллической решетки с образованием кластерного композита, состоящего из собственных атомов, но имеющего другую кристаллическую симметрию. Создается радиационно-индуцированное состояние материала поверхностного слоя детали, при котором в окрестности внедренных радиационных точечных дефектов образуются малые кластеры, армирующие основную матрицу. Формирование такой нанокластерной морфологии сопровождается существенными изменениями формы рентгендифракционных линий, что может служить тестовым признаком появления кластерного композита и методически удобным способом регистрации области его существования на шкале радиационных параметров. Такая технология упрочнения конструкционных материалов может быть использована для защиты поверхностей деталей из титановых и высоколегированных сплавов, применяемых при изготовлении лопаток турбин, заслонок и других деталей, эксплуатируемых при температуре до 1 000 °С.
В виде смазочных высокодисперсных твердых добавок наноматериалы могут найти применение для повышения работоспособности подшипников скольжения, эксплуатируемых в экстремальных условиях. Наибольшее распространение в качестве таких твердых добавок получили слоистые наполнители кристаллической структуры: графит, дисульфид молибдена, нитрид бора. Особенно эффективным оказалось нанесение на трущиеся поверхности контактируемых деталей керамикоподобных покрытий и их модифицирование наноразмерными компонентами различной природы, например, углеродными наномодификаторами – фуллеренами С60 и С70. Установлено, что применение указанных фуллеренов особенно перспективно для решения различных триботехнических задач, связанных с формированием на поверхностях деталей защитных пленок, обладающих низким коэффициентом трения.
|
|
|
В практике машиностроения хорошо зарекомендовали себя тонкопленочные покрытия на основе алмазо- и графитоподобных углеродных фаз, модифицированных различными металлическими (в частности, медными) добавками. Получаемые способом импульсного вакуумно-дугового осаждения углеродные пленки покрытия толщиной 0,01–0,05 мкм с присутствующей в них алмазоподобной фракцией содержат от 2 до 6 ат. % меди способствуют существенному повышению несущей способности поверхностей деталей трибосистем. Установлено, что применение наноалмазов улучшает физико-механические свойства гидродинамических пленок масел, в структуре которых они находятся, благодаря двум основополагающим свойствам – малому размеру (высокой удельной поверхности и степени дисперсности в среде) и высокой поверхностной энергии. В то же время наноалмазные частицы, обладающие определенной режущей способностью в режиме субмикрорезания, играют особо активную роль в процессе приработки и «залечивания» микродефектов сопрягаемых поверхностей деталей, в том числе вновь образованных. Это процесс практически заканчивается при достижении определенной фактической площади контакта, при которой реализуется полужидкостный или жидкостный режим смазывания.
Создание комплекса вакуумных и ионно-вакуумных технологий химико-термической обработки деталей машин с получением наноструктурированного состояния диффузионных слоев». Современные традиционные технологии изготовления и упрочнения высоконагруженных деталей из теплостойких сталей, в частности зубчатых колес редукторов различного назначения, практически исчерпали свои потенциальные возможности. Проблема их изготовления из существующих конструкционных материалов состоит в разработке технологий, способных создавать специфическую ультрамелкозернистую (УМЗ) нано- или микрокристаллическую структуру в типовых деталях машин – зубчатых колесах, валах, подшипниках и др.
|
|
|
Созданные технологические процессы позволяют добиться следующих характеристик:
Повышение эксплуатационных свойств деталей:
- контактной выносливости в 1,3 - 1,5 раза,
- выносливости при изгибе в 1,2 - 1,3 раза,
- износостойкости в 5 – 10 раз.
Основу такого процесса составляет фазовая перекристаллизация азотированного слоя, движущей силой которой служит изменение по ходу процесса азотного потенциала газовой среды. Механизм перекристаллизации вызывает образование зародышей кристаллов новой фазы внутри имеющейся (старой) фазы. В условиях циклического изменения значения азотного потенциала и многократной фазовой перекристаллизации на поверхности детали формируется наноструктурированный нитридный слой с размером кристаллов от 20 до 50 нм.
Технология упрочнения деталей машин на основе наноструктурирования их рабочих поверхностей воздействием низкотемпературной плазмы комбинированного разряда. Поверхности материала придаются новые свойства:
– шероховатость поверхности снижается в 1,7 … 6,7 раза; усилия страгивания снижаются в 1,3 – 3,6 раза.
– омическое сопротивление поверхности на порядок превышает исходное значение.
– методом оптической микроскопии обнаружено образование пленки на поверхности деталей, которая заполняет ее микронеровности, в том числе и риски.
– микротвердость (по Виккерсу) поверхности материала >, что обеспечивает многократное увеличение износостойкости (в 3-4 раза).
|
|
|
– микрорельеф поверхности претерпевает существенные изменения, вызванные оплавлением микронеровностей, а также измельчением структуры приповерхностных слоев с образованием мелкодисперсной фазы с размерами зерна порядка 20-50 нм на глубине до 20 мкм и формированием слоистой структуры толщиной 100-150 нм и шагом 300-400 нм на глубину до 4 мкм. Фаза состоит из равномерно распределенных у поверхности карбидов с карбидной неоднородностью, соответствующей 1 баллу. Соотношение карбидов, расположенных у поверхности и удаленных от нее – 1:3. Микроструктура мелкодисперсного слоя – мелко игольчатый мартенсит. Величина зерна соответствует 12 баллу по шкале ГОСТ 5639-82. Общая глубина модифицированного слоя составляет 300 мкм.
Полученные результаты свидетельствуют о формировании элементов структуры с принципиально новыми свойствами, характерными для наноматериалов, содержащих структурные элементы, геометрические размеры которых, хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм и которые, благодаря особым проявлениям физического и (или) химического взаимодействий, обнаруживают усиление известных или возникновение ранее неизвестных свойств.
Вакуумная ионно-плазменное упрочнение деталей машин Среди методов нанесения защитных покрытий, основанных на воздействии на поверхность детали потоков частиц и квантов с высокой энергией, большое внимание привлекают вакуумные ионно-плазменные методы. Характерной их чертой является прямое преобразование эклектической энергии в энергию технологического воздействия, основанной на структурно-фазовых превращениях в осажденном на поверхности конденсате или в самом поверхностном слое детали, помещенной в вакуумную камеру.
Основным достоинством данных методов является возможность создания весьма высокого уровня физико-механических свойств материалов в тонких поверхностных слоях, нанесение плотных покрытий из тугоплавких химических соединений, а также алмазоподобных, которые невозможно получить традиционными методами. Кроме того, эти методы позволяют:
|
|
|
• обеспечивать высокую адгезию покрытия к подложке;
• равномерность покрытия по толщине на большой площади;
• варьировать состав покрытия в широком диапазоне, в пределах одного технологического цикла;
• получить высокую чистоту поверхности покрытия;
• экологическую чистоту производственного цикла.
Методы вакуумной ионно-плазменной технологии:
1) Модифицирование поверхностных слоев:
• ионно-диффузионное насыщение; (ионное азотирование, науглероживание, борирование и др.);
• ионное (плазменное) травление (очистка);
• ионная имплантация (внедрение);
• отжиг в тлеющем разряде;
2) Нанесение покрытий:
• полимеризация в тлеющем разряде;
• ионное осаждение (триодной распылительной системе, диодной распылительной системе, с использованием разряда в полом катоде);
• электродуговое испарение;
• ионно-кластерный метод;
• катодное распыление (на постоянном токе, высокочастотное);
• химическое осаждение в плазме тлеющего разряда.
Совр. вакуумные ионно-плазменные методы упрочнения (модифицирование) поверхностей деталей машин включают следующие этапы:
• генерацию (образование) корпускулярного потока вещества;
• его активизацию, ускорение и фокусировку;
• конденсацию и внедрение в поверхность деталей (подложек).
Генерация: корпускулярного потока вещества возможна его испарением (сублимацией) и распылением.
Испарение: переход конденсированной фазы в пар осуществляется в результате подводок тепловой энергии к испаряемому веществу.
Твердые вещества обычно при нагревании расплавляются, а затем переходят в газообразное состояние. Некоторые вещества переходят в газообразное состояние минуя жидкую фазу. Такой процесс называется сублимацией.
Нагрев испаряемого вещества может осуществляться:
• за счет выделения джоулева тепла при прохождении электрического тока через испаряемый материал или через испаритель;
• в результате бомбардировки поверхности метала ускоренным потоком электронов (электронно-лучевой нагрев) или квантами электромагнитного излучения (лазерный нагрев);
• высокочастотным электрическим магнитным полем (инду кци онный нагрев);
• электрической дугой.
Выбор способа нагрева и конструкция испарения зависит от природы испаряемого материала, его исходной формы (гранулы, порошок, проволока), требуемой скорости испарения, постоянства во времени и т.д.
Наибольшее распространение получил нагрев при помощи электронной бомбардировки, что позволяет достигать температуры 4000 градусов Цельсия и плотности энергии в луче до 5*108Вт/см2.
|
|
|
Электронно-лучевой способ нагрева состоит в, что на образец метала направляют поток электронов от катода и ускоренных электрическим полем до энергии 5-25 кэВ. Поток электронов (электронный луч) получают с помощью электронно-лучевых пушек.
Средняя энергия частиц в потоке, образованном испарением, невысока, поэтому необходимо увеличить энергию частиц, прибывающих на подложку. Простым способом ускорение заряженных частиц является электрическим полем, но так как для создания потоков в основном используются нейтральные частицы, их активацию можно осуществлять действием на атомы потоком электронов, ионов, атомов или фотонов.
В результате образования активированного корпускулярного потока в контакт с подложкой метала детали входят нейтральные частицы (возбужденные и невозбужденные) с высокой энергией и ионы. Процесс взаимодействия такого сложного по составу потока с поверхностью метала сводится к протеканию взаимосвязанных физических явлений: конденсации, внедрение и распыление.
Основные понятия, развитие нанотехнологий. Применение нанотехнологий в различных отраслях.
Ответ:
Основные понятия
Нанотехнология – совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществить их интеграцию в полноценно функционирующие системы большого масштаба.
Наноматериалы – материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками.
Наносистема – материальный объект в виде упорядоченных или самоупорядоченных, связанных между собой элементов с нанометрическими характеристическими размерами, кооперация которых обеспечивает возникновение у объекта новых свойств, появляющихся в видеквантово-размерных,синергетически-кооперативных,«гигантских» эффектов и других явлений и процессов.
Наносистемная техника - полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям
Нанодиагностика – совокупность специальных методов исследований, направленных на изучение структурных,морфолого-топологических,механических, электрофизических, оптических, биологических характеристик наноматериалов и наносистем, анализ наноколичеств вещества, измерение метрических параметров с наноточностью.
Нанотехника – машины, механизмы, приборы, устройства, материалы, созданные с использованием новых свойств и функциональных возможностейсистем при переходе к наномасштабам и обладающие ранее недостижимыми массогабаритными и энергетическими показателями, технико-экономическими параметрами и функциональными возможностями. При плавном уменьшении размеров образца от больших (макроскопических) значений до маленьких, свойства меняются.
Развитие нанотехнологий
Нанотехнология является системообразующим фактором экономики 21 века – экономики, основанной на знаниях, а не только на использовании природных ресурсов или их переработке.
Нанотехнология – это искусство использования в соответствующих целях структур веществ размером от одного до ста нанометров, обладающих полезными функциями. Один нанометр равен миллионной части одного миллиметра, для сравнения: атомы всего лишь в десять раз меньше одного нанометра.
Размерный фактор формирования свойств наноматериалов проявляется в изменении оптических, каталитических, механических, магнитных, термических и электрических свойств. Как правило, размерные эффекты действуют, когда размер зерен (частиц) не превышает 100 нм, и наиболее отчетливо проявляются, когда размер зерен становится менее 10 нм. Объекты нанометровых размеров: наночастицы или нанокластеры, двумерные тонкие пленки кристаллы для оптики, углеродные материалы (трубки, нановолокна, фуллерены). Наночастицы – это, по номенклатуре ИЮПАК (IUPAC – Международный союз теоретической и прикладной химии), размеры которых не превышают 100 нм и состоят из 106 или меньшего количества атомов. Наночастицу принято рассматривать как агрегат, являющийся частью объемного материала.
Технология наночастиц ограничивается использованием искусственно полученных наночастиц. В сфере экономики им придается на данный момент чрезвычайно большое значение.
Как правило, наночастицы обладают другими свойствами, чем тот же материал в более крупном масштабе. Наночастицы уже по геометрическим законам обладают большей реакционной способностью, так как доля поверхностных атомов растет по мере уменьшения размера частицы. Поверхностные атомы склонны к образованию соединений.
Новые подходы к проблеме получения материалов с заданными свойствами привлекают все большее внимание специалистов в медицине, фармакологии, энергетике, электронике, химической и нефтехимической промышленности, материаловедении, оптике, экологии, при создании новых видов топлива, новых методов химической и биологической защиты и др.
По прогнозам на ближайшие 10-15 лет, нанотехнологическая продукция будет занимать ведущее место.
Нанотехнология имеет дело как с отдельными нано-объектами, так и с материалами на их основе, а также процессами на нано-уровне. К наноматериалам относятся такие материалы, основные физические характеристики которых определяются свойствами содержащихся в них нанообъектов. Сущность нанотехнологии состоит в способности работать на атомном, молекулярном и супрамолекулярном уровне и создавать материалы с новыми свойствами и функциональными возможностями благодаря малым размерам элементов их структуры. Таким образом, наноматериалы – это контролируемое упорядочение нанообъектов. Изучая нанообъекты, исследователи накапливают знания и опыт для целенаправленного усовершенствованием свойств материалов и производства новых материалов с заданными свойствами.
Развитие нанонауки и нанотехнологии придает импульс в развитии других дисциплин: медицины, биотехнологии, химии, защиты окружающей среды, материаловедении (металлы, полимеры, керамика). Появилась возможность, манипулируя атомами, управлять свойствами материалов, придавая им специфические свойства.
Кроме фундаментальных исследований существует множество прикладных направлений: композиты на основе полимеров, керамика, углеродные нанотрубки, кремниевые нановолокна для электроники, лекарственные препараты с запрограммированным целенаправленным действием, наночастицы для улавливания следовых количеств примесей в воде и многие др.
Применение нанотехнологий в различных отраслях.
Охват различных сторон нашей жизни, множество отраслей экономики, развивающихся благодаря открытиям нанонауки и достижениям нанотехнологий, уже сегодня впечатляет. Нанотехнологические разработки используют для получения нелиняющих красителей, прозрачных солнцезащитных покрытий на основе оксида цинка, устойчивых к царапинам автомобильных красок, полупроводников повышенной мощности, при создании «чистых» источников энергии, недорогих высокоактивных катализаторов, топливных элементов, в процессах газификации угля, в производстве материалов для протезирования (имплантанты на основе нанокристаллического гидроксиапатита - аналога костной ткани) и др.
Весь круг проблем делится специалистами на три категории по тем срокам, которые необходимы для получения ощутимых результатов.
Краткосрочные (1-5 лет): нанокомпозиты, наномембраны и фильтры, катализаторы нового поколения (с содержанием металлов на порядок меньше, чем в ныне используемых), химические и биологические сенсоры, медицинские диагностические приборы, аккумулирующие батареи с увеличенным сроком службы.
Среднесрочные (5-10 лет): целенаправленная лекарственная терапия, точная медицинская диагностика, мезо- и микро-мезопористые материалы, высокоэффективные недорогие солнечные батареи, топливные элементы, высокоэффективная технология получения водорода из воды.
Долгосрочные (более 20 лет): молекулярная электроника, введение лекарств сквозь оболочку клетки, оптические средства передачи информации.
Энергетика и оптика. В наноматериалах оптический сигнал передается во много раз быстрее и без потери энергии, так как перенос информации происходит с помощью фотонов. Благодаря этому диссипация энергии в электронных устройствах практически сводится к нулю. В 2003 г. ученым удалость создать устройство, в котором оптический сигнал делился на 16 равноценных сигналов. В 2006 г. с помощью системы зеркал с размерами, близкими к нанометровым, удалость расщепить сигнал на несколько тысяч равноценных сигналов. Фотонные кристаллы, называемые световыми ловушками, способны осуществлять контроль световых потоков, выделять световые потоки по длине волны благодаря своей трехмерной структуре. Эти структуры представляют сегодня большой интерес. Используемая в настоящее время электрическая лампочка отдает в виде света только 3 - 4% энергии, подведенной к ней, остальная часть почти полностью теряется в виде тепловой энергии в окружающей среде. Используя оптические микросхемы на основе периодических структур, удалось добиться 28%-ной отдачи энергии в виде света. В настоящее время это – мировой рекорд. На ближайшие 20 лет запланировано доведение отдачи энергии в виде света до 70% с помощью разрабатываемых ныне диодов световой эмиссии, которые должны потеснить привычные для нас лампочки накаливания. Поскольку около 15 - 20% вырабатываемой электроэнергии расходуется для освещения, то использование источников света с новым принципом работы сулит огромный экономический эффект.
В энергетике (в том числе атомной) - наноматериалы используются для совершенствования технологии создания топливных и конструкционных элементов, повышения эффективности существующего оборудования и развития альтернативной энергетики (адсорбция и хранение водорода на основе углеродных наноструктур, увеличение в несколько раз эффективности солнечных батарей на основе процессов накопления и энергопереноса в неорганических и органических материалах с нанослоевой и кластерно- фрактальной структурой, разработка электродов с развитой поверхностью для водородной энергетики на основе трековых мембран). Кроме того, наноматериалы применяются в тепловыделяющих и нейтронопоглощающих элементах ядерных реакторов; с помощью нанодатчиков обеспечивается охрана окружающей среды при хранении и переработке отработавшего ядерного топлива и мониторинга всех технологических процедур для управления качеством сборки и эксплуатации ядерных систем; нанофильтры используются для разделения сред в производстве и переработке ядерного топлива.
Медицина. Активно проводятся работы по созданию нанокапсул и наносфер для целенаправленной доставки лекарственных препаратов в организме человека (онкологическая, противогепатитная и анти-ВИЧ-терапия). Лекарства, содержащиеся внутри наночастиц, переносятся к определенному органу, где происходит пролонгированное выделение препарата. Так, французские ученые уже несколько лет ведут работы по созданию нанокапсул, размер которых в 70 раз меньших, чем красные кровяные тельца. С током крови эти нанокапсулы способны переносить лекарственные препараты для борьбы, например, с тромбоэмболией. При использовании специфичных для данного типа частиц лигандов наночастицы будут способны атаковать непосредственно мишень, которой являются патогенная клетка или их скопление. Так, с нанесенным на поверхность протеином плазмы нанообъект может быть специфически «узнаваем» макрофагами печени или селезенки. Разрабатываемый метод «лаборатория в чипе» может быть использован для контроля за состоянием больных диабетом. Широкая перспектива открывается и в области медицинской техники (разработка средств диагностики, проведение нетравматических операций, создание искусственных органов). Общепризнано, что рынок здравоохранения является одним из самых значительных в мире, в то же время он слабо структурирован и в принципе "не насыщаем", а решаемые задачи носят гуманитарный характер.
Охрана окружающей среды. Для очистки газовых выбросов разрабатываются фильтрующие мембраны из наноструктурированных материалов на основе оксида-гидроксида алюминия или оксида железа. Пористость таких мембран регулируется размером составляющих ее наночастиц с размером 10-500 нм. При прохождении воздуха через такую мембрану происходит каталитическое окисление органических примесей, обезвреживание бактерий, вирусов и пестицидов. Использование благородных металлов и РЗЭ в виде наноструктурных покрытий монолитных блоков может обеспечить высокую степень очистки выхлопных газов от монооксида углерода и оксидов азота, углеводородов и альдегидов, которой требуют Евро-стандарты (Евро-3 и -4). В данном случае know how заключается в способе получения высокодисперсных (5-7 нм) частиц дорогих металлов, чтобы не слишком повышать себестоимость нейтрализаторов и, в целом, автомобилей. Перспективными направлениями являются использование фильтров и мембран на основе наноматериалов для очистки воды и воздуха, опреснения морской воды, а также использование различных сенсоров для быстрого биохимического определения химического и биологического воздействий, синтез новых экологически чистых материалов, биосовместимых и биодеградируемых полимеров, создание новых методов утилизации и переработки отходов. Кроме того, существенное значение имеет перспектива применения нанопрепаративных форм на основе бактериородопсина. Исследования, проведенные с натуральными образцами почв, пораженных радиационно и химически (в том числе и чернобыльскими), показали возможность восстановления их с помощью разработанных препаратов до естественного состояния микрофлоры и плодоносности за 2,5-3месяца при радиационных поражениях и за5-6месяцев при химических.
Электроника. Широкое использование наноматериалов может изменить лицо электроники. По мнению директора института фундаментальной электроники J.-M. Lourtioz (Франция), это потребует полного переосмысления архитектуры микросхем. Идея заключается в том, чтобы воспроизвести трехмерную схему по образцу мозга, в котором каждая клетка связана с несколькими тысячами таких же соседей. Это приведет к значительному выигрышу в скорости и появлению новых функций. Схема должна быть способна к самоорганизации, установлению внутренних связей и изменению конфигурации в соответствии с поставленной задачей. Решение одновременно и проблемы миниатюризации транзистора исследователи видят в создании блока памяти процессора с использованием нанокристалла, в котором каждый бит информации (0 или 1) обеспечен одним электроном. Специалисты связывают будущее электроники с гибридными системами, сочетающими в себе различные технологии, начало эры гибридной наноэлектроники относят к 2000 г. Эти «гибриды» должны помочь в решении нескольких проблем, связанных с усовершенствованием запоминающих элементов. Для решения проблемы энергосбережения решили использовать не только заряды электронов, но и их спины. Пионером в новой области электроники, получившей название спинтроники, является Albert Fert, удостоенный в 2003 г. Золотой медали Национального Центра Научных Исследований Франции. Основные преставления в спинтронике базируются на том положении, что электрон, обладая спином, является крошечным магнитом. Использование свойств спина электрона позволило создать такие наноэлементы для записывающего устройства, в которых ориентация намагниченности может сохраняться много дольше, чем электрический заряд в обычных блоках памяти. Это создает преимущества новых устройств при записи информации на жесткие диски и позволяет ускорить разработку новых блоков скоростной магнитной записи в память. Подобные блоки уже испытывают в космических исследованиях и рассматривают как весьма перспективные для использования в недалеком будущем в компьютерах. Работы по сочетанию магнитного и электрического способов записи были начаты еще в 1988 г., когда появилось понятие «спиновый клапан». Благодаря этому клапану, используемому в считывающей головке драйвера жесткого диска, в ближайшие несколько лет планируется увеличить плотность записи с 0.15 до 80 Гб/см2. Новый материал носителей информации нелетуч и устойчив к радиации, что очень важно для использования в аэронавтике и космонавтике. Спинтроника может обеспечить прорыв в исследованиях возможности магнитной записи информации без использования внешнего магнитного поля, но только благодаря процессу переноса спинового момента. Когда ток проходит через наноустройство, спин электронов реагирует непосредственно со спином электронов материала магнитного слоя, ориентируя их в определенном направлении, подобно «эффекту домино». При этом спин одного электрона ориентирует спин другого, и так – один за другим.
В электронике и оптоэлектронике - расширение возможностей радиолокационных систем за счет применения фазированных антенных решеток с малошумящими СВЧ-транзисторамина основе наноструктур и воло-конно-оптическихлиний связи с повышенной пропускной способностью с использованием фотоприемников и инжекционных лазеров на структурах с квантовыми точками; совершенствование тепловизионных обзорноприцельных систем на основе использования матричных фотоприемных устройств, изготовленных на базе нанотехнологий и отличающихся высоким температурным разрешением; создание мощных экономичных инжекционных лазеров на основе наноструктур для накачки твердотельных лазеров, используемых в фемтосекундных системах.
Синтез и изучение одномолекулярных наномашин (менее 1 нм), способных к расчету, механическому и коммуникативному действиям - одно из новых направлений в нанонауке. Цель – создать машину, состоящую из наименьшего числа атомов: молекулярная «тачка» ловит атом, присоединяет его к себе и «переносит» в нужном направлении. Сложность заключается в необходимости тщательного контроля условий химического синтеза таких машин, но полученные результаты закладывают основы для создания в будущем нанороботов с большим набором функций.
Композиты. Молекулярный дизайн полимеров, синтез дендримеров и сложных блок-сополимеров – это те направления в деятельности создателей новых композитных материалов, которые можно считать в настоящее время основными. Большое внимание также привлекают материалы, получаемые включением металлических наночастиц в полимерную матрицу. Так, английскими учеными показано, что включение кобальт-железных металлических наночастиц (5 об. %) в блоксополимер приводит к так называемому наноэффекту, который проявляется в повышенной устойчивости материала к нагрузкам. Нанокомпозиты, содержащие даже 2 об. % минеральных наночастиц, обладают физическими характеристиками, на 10 - 125% превышающими ненаполненные аналоги, а температура деструкции при этом повышается с 65 до 150 °С. Большая часть композитов, содержащих неорганические наночастицы, пользуются повышенным коммерческим спросом. По прогнозам, к 2010 г. потребность в таких композитах возрастет до 600,000 т, а сфера их применения охватит такие важные отрасли промышленности, как производство средств связи, антикоррозионных покрытий (1 - 5 нм), УФ-защитных гелей, устойчивых красителей, новых огнезащитных материалов, сверхпрочных материалов, высококачественных волокон и пленок, ультрадисперсных (£0.1 мм) порошков тяжелых металлов (вольфрама, кобальта и др.). Поэтому аналитики Великобритании связывают экономический рост своей страны в ближайшие 20 лет с переходом многих отраслей на производство и использование наноструктурированных материалов и нанокомпозитов.
Химическое производство и нефтехимия. Особое место среди многочисленных возможностей наноматериалов занимает их использование в тонком химическом синтезе и нефтехимическом производстве как в виде реагентов, так и в качестве катализаторов. Для катализа нанообъекты представляют особый интерес, так как наноструктурированные катализаторы обладают повышенной активностью, способны работать и при пониженных температурах, и при повышенных объемных скоростях. Особый интерес вызывают высокопористые катализаторы с размером пор до 50 нм (на микрофотографиях представлены ультрадисперсные порошки мезопористых материалов на основе SiO2 c размерами пор 2 – 14 нм). Мезопору (2 - 50 нм) рассматривают как нанореактор, размеры которого часто соизмеримы с размерами молекул. Установлено, что в таких порах химические реакции нередко протекают по нетривиальным маршрутам. Поэтому особый интерес представляют исследования структуры, свойств поверхности, природы активных центров, изучение на молекулярном и нано-уровне процессов превращения веществ и их подвижности внутри мезопор катализаторов. Понимание этих процессов позволит заложить основы конструирования катализаторов нового поколения на наноуровне и создания новых методов синтеза, в ходе которых можно было бы контролировать размерность формируемых объектов.
В машиностроении - увеличение ресурса режущих и обрабатывающих инструментов с помощью специальных покрытий и эмульсий, широкое внедрение нанотехнологических разработок в модернизацию парка высокоточных и прецизионных станков. Созданные с использованием нанотехнологий методы измерений и позиционирования обеспечат адаптивное управление режущим инструментом на основе оптических измерений обрабатываемой поверхности детали и обрабатывающей поверхности инструмента непосредственно в ходе технологического процесса. Например, эти решения позволят снизить погрешность обработки с 40 мкм до сотен нанометров при стоимости такого отечественного станка около 12 тыс. долл. И затратах на модернизацию не более 3 тыс. долл. Равные по точности серийные зарубежные станки стоят не менее 300-500тыс. долл. При этом в модернизации нуждаются не менее 1 млн активно используемых металлорежущих станков из примерно 2,5 млн станков, находящихся на балансе российских предприятий.
В двигателестроении и автомобильной промышленности - за счет применения наноматериалов, более точной обработки и восстановления поверхностей можно добиться значительного (до 1,5-4 раз) увеличения ресурса работы автотранспорта, а также снижения втрое эксплуатационных затрат (в том числе расхода топлива), улучшения совокупности технических показателей (снижение шума, вредных выбросов), что позволяет успешнее конкурировать как на внутреннем, так и на внешнем рынках.
В информатике - многократное повышение производительности систем передачи, обработки и хранения информации, а также создание новых архитектур высокопроизводительных устройств с приближением возможностей вычислительных систем к свойствам объектов живой природы с элементами интеллекта; адаптивное распределение управления функциональными системами, специализированные компоненты которых способны к самообучению и координированным действиям для достижения цели.
В сельском хозяйстве - применение нанопрепаратов стероидного ряда, совмещенных с бактериородопсином, показало существенное (в среднем1,5-2раза) увеличение урожайности практически всех продовольственных (картофель, зерновые, овощные,плодово-ягодные)и технических (хлопок, лен) культур, повышение их устойчивости к неблагоприятным погодным условиям. Например, в опытах на различных видах животных показано резкое повышение их сопротивляемости стрессам и инфекциям (падеж снижается в 2 раза относительно контрольных групп животных) и повышение продуктивности по всем показателям в1,5-3раза.
В военной промышленности – в последнее время нанотехнологии широко используются при изготовлении разведывательных и боевых устройств. В Японии и США уже созданы образцы «цифровой бумаги» - тонкие и гибкие пленочные массивы наноэлектронных схем [NanotechnologyRevolutionary Opportunities and societal Implications/M.Roco, R. Tomellini, 3rd Joint EC-NSF Workshop on Nanotechnology 2002].
И в заключение следует более подробно остановиться на элементной базе компьютеров следующих поколений, которая будет включать в себя большое количество различных объектов, в том числе:
- квантовые нити как суперпроводящие устройства с поперечным квантованием и как генераторы субмиллиметрового диапазона волн.
- нанотранзисторы.
- запоминающие энергонезависимые наноэлектронные устройства на снове квантовых точек для терабитной памяти.
- нейроструктуры для нанокомпьютеров.
- изделия наноэлектронной техники на основе новых материалов (карбида вольфрама, борида вольфрама, карбида бора,нитрида бора) для работы при температуре 2000 - 3000 град.С и в условиях ядерного взрыва.
- высокотемпературные усилители, генераторы и логические устройства для съёма информации с первичных
|
|
|
