Один из руководителей отдела исследований компании IBM еще 15 лет назад, говоря о перспективах развития наукоемких технологий в XXI веке, утверждал: "Я уверен, что в грядущем столетии основную роль будут играть нанонаука и нанотехнология, причем вызванные этим революционные преобразования будут сравнимы по масштабам с революцией в науке и технике, которая произошла в начале 1970-х гг. при переходе к микроэлектронным устройствам.
Согласно терминологии, принятой IUPAC (Международный союз теоретической и прикладной химии), наночастицы - это частицы, размеры которых не превышают 100 нанометров (10-9 м). Наночастицу, которую иногда называют нанообъектом, принято рассматривать как конгломерат или агрегатную частицу, состоящую примерно из тысячи атомов и являющуюся частью объемного материала. Нанотехнология имеет дело с процессами, протекающими на так называемом "наноуровне". При этом в зависимости от позиции исследователя нанотехнология может рассматривать в качестве своего объекта как с самим нанообъекты, так и материалы на их основе. Чтобы подчеркнуть тот факт, что тот или иной материал обладает определенным комплексом свойств именно благодаря наличию в нем нанообъектов, такие материалы зачастую называют наноматериалами. Собственно говоря, в ряде случаев это вполне оправдано, поскольку основные физико-химические характеристики целого ряда материалов действительно определяются свойствами содержащихся в них нанообъектов.
В настоящее время нанотехнология считается одним из наиболее перспективных направлений в совершенствовании свойств материалов и создании материалов с заданным комплексом свойств, поэтому наноматериалы иногда называют "контролируемым упорядочением нанообъектов".
Из всего множества нанообъектов наиболее известными являются углеродные нанотрубки, открытые в 1991 г. Они обладают интересными оптическими, химическими и механическими свойствами, в частности, проявляют свойства великолепных полупроводников.
В настоящее время основными направления в деятельности создателей новых композитных материалов можно считать наномасштабный молекулярный дизайн полимеров, синтез дендримеров и сложных блок-сополимеров. В сфере полимеров промышленно-ориентированные разработки - это высокоактивные катализаторы для синтеза полимеров, наполненные и упрочненные наночастицами полимеры, лакокрасочные материалы для автомобилестроения. Большое внимание также привлекают материалы, получаемые включением металлических наночастиц в полимерную матрицу. Показано, что включение кобальт-железных металлических наночастиц в блок-сополимер приводит к так называемому наноэффекту, который проявляется в повышенной устойчивости материала к нагрузкам. Нанокомпозиты, содержащие даже 2 объемных процента минеральных наночастиц, обладают физическими характеристиками на 10-15% превышающими ненаполненные аналоги, а температура деструкции при этом повышается с 65 до 150 °C. Большая часть композитов, содержащих неорганические наночастицы, пользуется повышенным коммерческим спросом. По прогнозам к 2010 г. потребность в таких композитах в мире возрастет до 600 тыс. т. Сфера их применения охватит такие важные отрасли промышленности, как производство средств связи, антикоррозийных покрытий толщиной 1 - 5 нм, УФ-защитных гелей, устойчивых красителей, новых огнезащитных и сверхпрочных материалов, высококачественных волокон и пленок, ультрадисперсных (0,1 мм) порошков тяжелых металлов.
Наиболее активно работы в сфере нанотехнологий проводятся там, где они поддерживаются государством: в Японии, ЕС, США, Израиле, Китае, Южной Корее, Сингапуре. Среди наиболее активных компаний США – IBM, Motorola, HP, Lucent, Hitachi USA, Corning, DOW.
Научно-техническое сообщество Великобритании связывает экономический рост своей страны в ближайшие 20 лет с переходом многих отраслей на производство и использование наноструктурированных материалов и нанокомпозитов. Во Франции на несколько ближайших десятилетий нанотехнологии объявлены главным направлением научных изысканий, сочетающим в себе фундаментальные и прикладные исследования. В США с 2001 г. действует государственный проект «Национальная нанотехнологическая инициатива» (NNI). В нем участвуют 25 федеральных агентств. В 2007 г. бюджет проекта составит 1,3 млрд. долл., что на 21% превысит бюджет проекта в 2006 г.
Во всех лидирующих в области нанотехнологии странах ключевая роль в развитии этого направления отводится академической науке (национальные исследовательские центры). В то же время, велика и доля венчурных проектов, финансируемых из государственного бюджета. Количество венчурных компаний, специализирующихся в области нанотехнологий, в мире составляет более 320.
Российские исследования в этой области заметное развитие приобрели после 2000 г., когда был создан Научный совет по наноматериалам при Президиуме РАН. Сейчас нанотехнологии стали объектом государственного интереса. При этом государство совершенно четко продемонстрировало, что оно хотело бы, чтобы отечественный бизнес тоже проявил интерес к нанотехнологиям. «Если бизнес не пойдет в нанотехнологии, он пропустит все на свете и будет, в лучшем случае, в телогрейке работать на скважине, которой будут управлять и наши друзья и партнеры» - заявил М.Е. Фрадков, глава Правительства РФ. Приоритетными направлениями отечественных исследований в области нанотехнологий рассматриваются углеродные наноматериалы, новые материалы и технологии для наноэлектроники, оптоэлектроники и спинтроники, органические и гибридные наноматериалы, полимеры и эластомеры, кристаллические материалы со специальными свойствами, мехатроника и микросистемная техника, композиционные и керамические материалы, мембраны и каталитические системы, биосовместимые материалы, нанодиагностика и зондовые методы.
Феномен "финансового энтузиазма", с которым государства и компании готовы тратить деньги на проекты в сфере нанотехнологий, объясняется тем, что развитие нанонауки и нанотехнологии в перспективе сулит высокий экономический эффект. В качестве примера можно привести использование General Motors материалов на основе нанокомпозитов в автомобилях, а также производство косметической продукции, содержащей наночастицы.
Правда, при определении конкретных цифр, финансисты расходятся в своих оценках. Например, по оценке экспертов компании "Freedonia Group" (США), мировой спрос на наноматериалы сегодня оценивается в 600-650 млн. евро, а к 2010 г., согласно прогнозу, мировой спрос достигнет 3 млрд. евро. Ожидается, что к 2020 году спрос резко возрастет и составит 68 млрд. евро. А по прогнозам западноевропейских специалистов в ближайшие 10-15 лет годовой мировой оборот рынка наноструктурированных или полученных с помощью нанотехнологических приемов катализаторов достигнет 100 млрд. долл. только в нефтехимической промышленности. Таким образом, эксперты европейских компаний оценивают рынок нанотехнологий более оптимистично. И хотя нет однозначных аргументов в пользу столь оптимистичного взгляда, нельзя отрицать, что в отдельных отраслях вложения в нанотехнологии окупаются уже сегодня.
Одной из весьма успешно работающих в сфере нанотехнологий является компания "Bayer Material Science", которая активно предлагает на рынке целый ряд материалов нового поколения. Речь идет, например, об огнестойком композиционном материале поликарбонат-АБС торговой марки Bayblend FR (FR - flame retardant - антипирен). Улучшенная невоспламеняемость этого материала основана на наличии специальных наночастиц в составе антипирена, которые в случае воспламенения способствуют образованию углеродных отложений на поверхности полимера, препятствующих распространению огня. Такой материал имеет большой потенциал применения в производстве корпусов бытовых приборов и вычислительной техники. В числе наноматериалов компании "Bayer Material Science", имеющихся в продаже, - силиконовые дисперсии торговой марки Disprtcoll®S. Они входят в состав однокомпонентных водных полихлоропреновых дисперсионных связующих. Материал является безопасной для окружающей среды альтернативой клеевым системам, содержащим легколетучие органические растворители, и применяется, в частности, при настиле напольных покрытий, приклеивании подошв обуви и пенопластов. Благодаря продукту Disprtcoll®S полихлоропреновые связующие вещества обладают повышенной исходной влагостойкостью, дают возможность обрабатывать свежесклеенные детали, что повышает производительность производственного процесса. Кроме того, повышается термическая устойчивость клеевого соединения.
Кстати говоря, российский рынок представляется для компании "Bayer" одним из перспективных направлений продвижения высокотехнологичных материалов, поэтому компания "Bayer Material Science" взаимодействует с российскими научным сообществом. За 10 лет такого взаимодействия было реализовано 35 совместных научных проектов с общим объемом инвестиций 9 млн. евро. Первые шаги сотрудничества компании "Bayer Material Science" с российскими научно-исследовательскими институтами и высшими учебными заведениями были сделаны почти сразу же после распада Советского Союза. Сегодня компания "Bayer Material Science" взаимодействует примерно с десятью российскими институтами и ВУЗами. И это дало определенные результаты. Например, в сотрудничестве с Российской Академией Наук достигнуты первые успехи в области фотохромных покрытий, приведшие к первым патентным заявкам. Остекление с фотохромным покрытием под воздействием света меняет прозрачное состояние на затемненное, поэтому помещения меньше нагреваются. Если удастся использовать разработанный процесс для крупноформатного поликарбонатного остекления автомобилей или окон и выполнения различных стеклянных фасадов зданий, то это откроет громадный рыночный потенциал.
Другой пример такого взаимовыгодного сотрудничества - работы в области катализа. Как подчеркивают специалисты компании "Bayer Material Science", катализ и разработка процессов являются повседневными задачами для химической компании мирового уровня, какой и является компания "Bayer", так как именно от эффективности каталитических процессов зачастую зависит реализуемость, эффективность и экономичность используемых технологий. Около 80 % продуктов компании выпускаются на базе процессов, предусматривающих применение катализаторов. Компания считает, что она должна находиться в авангарде разработок каталитических процессов". Поэтому " Bayer Material Science" – как лидер в области полимеров – многие годы тесно сотрудничает с занимающими ведущие мировые позиции Институтом катализа им. Борескова в Новосибирске и Институтом прикладной химии в Санкт-Петербурге. "Нанотехнология дает нам средства играть с самыми маленькими "кубиками природы" - атомами и молекулами, из которых построен весь мир. Сочетание известных нам методов "от большего к меньшему" с самосборкой на атомном уровне создает огромное поле возможностей для "игры в комбинаторику" с химическим и биологическим свойствами при использовании специально полученных искусственных структур. Возможности для создания новых объектов представляются безграничными".
Одним из направлений специальной рабочей группы Working Group Nanotechnology, созданной компанией "Bayer", является исследования "наночастицы, аддитивы и композиты". Центральным направлением нанотехнологических разработок компании "Bayer Material Science" является новый способ синтеза углеродных нанотрубок (Carbon Nanotubes, CNT) Baytubes®, для которых компания "Bayer Material Science" разработала совместно с "Bayer Technology Service" экономичный процесс производства, открывающий путь для промышленного применения. Путем модификации производственного процесса можно синтезировать нанотрубки Baytubes® для различных областей применения в соответствии с поставленной заказчиком задачей. Потенциал использования нанотрубок Baytubes® очень велик. Так, например, они делают пластмассы электропроводящими. Крыло автомобиля из полимера с использованием Baytubes® не требует предварительной электростатической обработки перед нанесением экологически благоприятного порошкового лака. Нанотрубки Baytubes® повышают жесткость и прочность пластмасс и изделий из них, что используется, например, при производстве некоторых спортивных товаров. Как раз благодаря нанотрубкам современные хоккейные клюшки обладают повышенной жесткостью при ударе. Таким же образом улучшаются ударные качества полимерных бейсбольных бит.
Характерно, что практически всегда предложение наноматериалов на рынок сопровождается четкой разработкой изделий, в составе или конструкции которых предлагается использовать наноматериалы в том или ином виде. Европейские и американские компании в этом смысле довольно активно продвигаются на пути прогресса нанотехнологий. Не отстают и азиатские страны, в частности Япония. Как сообщают информационные агентства, компания Mitsui Chemicals планирует производить на специально-адаптированных производственных площадках и продвигать на рынке ряд альфа-олефиновых эластомеров Natio с целью их применения в изготовлении упаковочной пленки. Сейчас традиционные эластомеры имеют размер кристаллов порядка одного микрона, однако специалисты компании Mitsui утверждают, что им удалось осуществить контроль структуры новых эластомеров в нано-диапазоне. Результатом подобного контроля является баланс прозрачности, термостойкости, упругости и эластичности нано-эластомеров – комплекс свойств, которые намного превосходят подобные качества у обычных эластомеров. Новые эластомеры могут также улучшить ударную нагрузку полимерного материала и сопротивление царапанью. Компания Mitsui планирует также применять Notio эластомеры в отделке автомобильных интерьеров, в составе конструкционных материалах, в защитных пленках для деталей электроники, в изоляционных материалах, а также как модификатор для полипропилена.
Компания BASF нашла первое коммерческое применение для своего нанополимера Ultradur HighSpeed в телефонных розетках. Ежегодно планируется производство нескольких миллионов таких розеток, каждая из которых весит 1,5 г. Как разъясняют специалисты отдела технического маркетинга компании, нанополимеры исполняют роль внутреннего смазочного материала, повышая тем самым растекание почти на 50%, в то время как механические свойства остаются неизмененными.
Это позволило с легкостью и надежностью формовать тонкие (до 0,3 мм) стенки розеток нанополимером HighSpeed, усиленным стекловолокном, содержание которого не превышает 10%. Такой успешный технологический опыт компания BASF планирует перенести и на другие полимеры, такие как АБС и полиамид. Специалисты компании уверены, что в наноматериалах и нанополимерах скрыт огромный потенциал. Однако, учитывая "правила игры", которые диктуют необходимость окупаемости и рентабельности любого бизнес-проекта, компания не отрицает, что стоит задача сформировать интерес к материалам такого рода у потенциальных покупателей. По расчетам компании, продажа 500 т нового нанополимера в течение года позволит подтвердить правильность выбранного курса – развитие нанотехнологий, и создаст достаточные финансово-экономические условия для продолжения работ в этом направлении.
Английская компания JR Nanotech разрабатывает упаковочный материал с добавлением наночастиц серебра для лучшего хранения скоропортящихся пищевых продуктов. Сейчас разработка находится в заключительной стадии создания опытных образцов. Нано-серебро однородным слоем распыляется на различные виды полимерных материалов. Его можно наносить на поверхность, соприкасающуюся с пищей, например, на стенки пищевой упаковки или разделочные доски. Эксперты Nanotech заверяют, что цена материалов с использованием наночастиц серебра лишь незначительно выше, чем цена обычной продукции, а "мигрировать" при соприкосновении с пищей такое серебро не будет. Однако, учитывая, что в странах Евросоюза большое значение придается наличию в упаковках микрочастиц, которые могут проникать в пищевые продукты при длительном хранении, этот аспект еще подлежит дополнительным проверкам.
Зачастую новые направления применения наноматериалов настолько необычны, что можно считать творческое воображение и научную фантазию, поставленные на службу науки, одним из факторов развития нанотехнолгии. Например, в гарвардском Центре нанотехнологий имеются разработки, согласно которым прелагается использовать специальные полимерные наночастицы полиакрилогликолевой кислоты при лечении целого ряда заболеваний, в том числе таких серьезных как рак легких. Эти полимерные наночастицы доставляют светочувствительные материалы к раковым клеткам, а затем выделяют так называемый реактивный кислород уничтожающий раковые клетки. Фактически, полимерные наночастицы исполняют роль сенсибилизаторов. Новое направление современной онкологии получило название фотодинамическая терапия.
Несмотря на кажущуюся фантастичность некоторых сообщений о достижениях в сфере нанотехнологий, нельзя не признать, что возможности этого направления пока до конца не осознаны даже научным сообществом. Слова Нобелевского лауреата Х. Штормера и сегодня звучат вполне актуально: "Нанотехнология дает нам средства играть с самыми маленькими "кубиками природы" - атомами и молекулами, из которых построен весь мир. Сочетание известных нам методов "от большего к меньшему" с самосборкой на атомном уровне создает огромное поле возможностей для "игры в комбинаторику" с химическим и биологическим свойствами при использовании специально полученных искусственных структур. Возможности для создания новых объектов представляются безграничными".
|
