В настоящее время наблюдается заметное оживление в области изучения физики и свойств материалов, и это вызвано отнюдь не созданием кремниевых чипов. Многочисленные университеты учредили центры изучения нанотехнологий, многие из которых финансируются промышленными предприятиями. В свою очередь, промышленность в качестве плодов академических исследований получает возможность производить продукцию, содержащую созданные наноматериалы. Во всем мире частный бизнес и правительства инвестируют миллиарды долларов, стремясь освоить мир сверхмалых масштабов, который характеризуется размерами частиц вещества менее 100 нанометров (нм); нанометр равен одной миллиардной части метра…

НАНОКОМПОЗИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Где дверь в наномир?
Еще в 1959 г. Ричард Фейнман в своей лекции на ежегодном собрании Американского физического общества в Калифорнийском технологическом институте говорил о проникновение современной науки в мир нанокомпозитных материалов и нанотехнологий. "Это – мир поразительно малых размеров", заявил Фейнман. Описывая картину наномира, Фейнман спрашивал, "Какими будут свойства материалов, если мы действительно сможем располагать атомы так, как нам нужно? Очень интересно было бы исследовать их теоретически". "Я почти не сомневаюсь, что мы получим широчайший диапазон возможных свойств таких материалов и новых объектов, которые сможем создать. При сверхмалых размерах объектов атомы ведут себя иначе, чем в макромасштабах, поскольку они подчиняются законам квантовой механики. Поэтому когда мы оперируем атомами, мы имеем дело с иными законами и можем ожидать появления иных возможностей". Продолжая мысль, Фейнман утверждал, "Принципы физики, насколько я понимаю, не запрещают возможности манипулирования объектами на атомном уровне. Такое манипулирование в принципе возможно и не является попыткой нарушения каких-либо законов, но на практике оно не реализовано, потому что мы живем в мире больших размеров". "Стократное превышение достигнутого разрешения электронного микроскопа", по мнению Фейнмана, является одним из ключевых факторов для открытия и исследований наноразмерных объектов.

Позже, в 1965 г., Ричард П. Фейнман из Калифорнийского технологического института совместно с Син-Итиро Томонагой из Токийского образовательного университета и Джулианом Швинджером из Гарвардского университета были награждены Нобелевской премией по физике за "фундаментальную работу по квантовой электродинамике, имевшую глубокие последствия для физики элементарных частиц".

МАКРОзадачи МИКРОскопии
Как предвидел Фейнман, одним из ключевых моментов для наблюдаемого сегодня быстрого развития науки о наноразмерных объектах стало создание микроскопа, более совершенного, чем электронный. Преодоление проблемы невозможности наблюдения и, соответственно, проникновения в область столь малых размеров, в наномир, началось в 1981 г. с изобретения Генрихом Рехрером и Джердом Карлом Биннигом из компании IBM Corp. сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). СТМ впервые позволил наблюдать отдельные атомы на поверхности образца.

Рисунок 2. Схемы СТМ и АСМ.

Сканирующий туннельный микроскоп используется для наблюдения электропроводных свойств изучаемых образцов металлов или полупроводников. Если к двум электрическим проводникам приложено напряжение, между ними течет электрический ток не только при их соприкосновении, но и при наличии сверхмалых зазоров между ними. Сила этого 'туннельного тока' сильно зависит от расстояния между двумя телами. Таким образом, перемещая сверхтонкий измерительный зонд по поверхности образца, можно последовательно сканировать ее мельчайшие элементы, создавая точное изображение этой поверхности. Этот метод обеспечивает значительно лучшее разрешение, по сравнению с оптическим или электронным микроскопом. После изобретения сканирующего туннельного микроскопа на основе подобных принципов были созданы и другие, например, атомный силовой микроскоп (АСМ), а также сканирующий оптический микроскоп ближнего поля, все они относятся к сканирующим зондовым микроскопам. В АСМ используются те же принципы, что и в СТМ, только он позволяет изучать неэлектропроводные материалы. Зонд АСМ устанавливается на миниатюрном кронштейне, между зондом и образцом возникают силы притяжения, и при сканировании образца измеряется деформация кронштейна. После сканирования компьютер 'переводит' полученные данные в изображения, воспроизводящие поверхность образца.

РЫНОК ПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Рост рынка и объемов исследований
Согласно прогнозам, оставаясь в стадии зарождения подотрасли производства пластмасс, главным направлением роста будет выпуск нанокомпозитных материалов, в том числе с наполнителями из наноглин и нанотрубок. В этих уникальных композитных материалах сочетаются лучшие свойства термопластов с наполнителями и чистых термопластов. Неуклонно растет объем применения полимерных нанокомпозитных материалов, особенно в автомобилестроении, производстве упаковочных материалов и электронной технике. В целом, прогнозируется среднегодовая скорость роста применения нанокомпозитных материалов от 18 до 25% за год, с ожидаемым достижением объема применения около 255 млн. долл. к 2009 г.
Соединенные Штаты являются мировым лидером применения нанокомпозитных материалов и исследований нанотехнологий, в работах участвует более 400 исследовательских центров и компаний, а объем финансирования в 2006 г. превышает 4,1 млрд. долл. Для сравнения, в Европе в исследованиях нанотехнологий и финансировании, достигающем объема 1,9 млрд. долл., участвуют 175 компаний и организаций. Япония также делает значительные инвестиции в научные исследования наноматериалов при участии в исследованиях нанотехнологий приблизительно 100 компаний. Государственные программы научных исследований и производства нанокомпозитных материалов разрабатываются во всем мире. Даже Таиланд заявил о ведущей роли наноматериалов для экономического развития страны и поручил проведение исследовательских работ в этой области приблизительно 200 ученым. Другие страны развивающегося мира, включая Китай, Южную Корею, Бразилию, Чили, Индию, Филиппины и Южную Африку, также продемонстрировали свое участие в развитии нанотехнологий, создав в этой области программы и научно-исследовательские институты с государственным финансированием.

Типы нанокомпозитных материалов
Ассортимент наполнителей нанокомпозитных материалов стал значительно шире, теперь это не только нанотрубки, наноглины и наночастицы. В него входят нановолокна полиэдрального олигомерного силсесквиоксана (ПОСС) – наночастицы с нанопористой матричной структурой состоящие из органических и неорганических объектов, фибриллы – многостенные нанотрубки с закрытыми концами, нанопластины – тонкие хлопья толщиной менее 5 нм, нанопроводники и нанонити. Оптические нанопластины обещают революционные изменения систем оптических коммутаторов и датчиков. В ближайшем будущем будут созданы встроенные в наружное полимерное покрытие автомобиля датчики подушек безопасности, передающие сигналы со скоростью света и экономящие микросекунды времени для спасения жизни пассажиров. Раньше многие нанокомпозитные материалы формировали с использованием полипропилена и нейлона в качестве полимерной основы. Теперь в нанокомпозитных материалах используется широкий ассортимент прочих смол, включая: эпоксидные смолы, полиуретан, полиэфиримид, полибензоксазин, полистирол (ПС), поликарбонат (ПК), полиметилметакрилат (ПММА), поликапролактон, полиакрилонитрил, поливинилпирролидон, полиэтиленгликоль, поливинилиденфторид, полибутадиен, сополимеры и жидкокристаллические полимеры.

Применение
Общепризнано, что появление нанокомпозитных материалов с наполнителями из наноглин, позволяющими повысить модуль упругости и предел прочности при растяжении, а также деформационную теплостойкость, в дальнейшем приведет к замене применяемых в настоящее время технических термопластов нанокомпозитными модификациями полиолефинов. Нанокомпозитные модификации таких усовершенствованных технических термопластов, в свою очередь, займут место металлов и стекол применяемых сегодня во множестве областей. Хотя некоторый коммерческий успех получили конструкционные композитные материалы с наноглинами, успешное широкое применение нанокомпозитов было обусловлено улучшением их электропроводных свойств.
В росте объема применения нанокомпозитных материалов лидирует автомобильная промышленность. Электропроводные нанополимеры стали основными композитными материалами для топливных трубопроводов, в которых они заменили традиционную сталь для предотвращения накопления статических зарядов. Компания Hyperion Catalysis заявила, что более чем 60% автомобилей, изготавливаемых сегодня в США, оборудованы ее продукцией, содержащей нанотрубки. Также были созданы электропроводные полимеры для покрытия внешних кузовных деталей. Существенным стало и улучшение барьерных свойств газовых мембран, достигаемое введением относительно небольшого количества наноглин. Это исключительное улучшение свойств мембран создало большой интерес к композитам с наноглинами, применяемым при производстве упаковочных материалов для пищевых продуктов, как сосудов, так и пленок. Ожидается, что использование нанокомпозитных материалов значительно продлит срок хранения многих пищевых продуктов. Также разрабатываются нанокомпозитные материалы с полимерной основой для применения в электронной технике, например, в тонкопленочных конденсаторах интегральных схем, твердых полимерных электролитах для гальванических элементов, оптических микрокоммутаторах, интеллектуальных наноразмерных коммутаторах, а также датчиках.
В медицинской области развитие нанокомпозитных материалов позволяет создать материальный носитель для минимально инвазивных медицинских систем. В этой области необходимы системы с чрезвычайно тонкими стенками и гладкими поверхностями. Традиционные материалы являются слишком крупнозернистыми и не позволяют создавать однородные смеси, необходимые для получения такой толщины стенок. Нанокомпозитные материалы предоставляют медицинским исследователям намного более широкий ассортимент материалов, пригодных для создания медицинских систем. В производственных отраслях также прогнозируется получение существенных полезных результатов благодаря использованию нанокомпозитных материалов.

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ НАНОПЛАСТИКОВ

«Подрывные технологии»
Некоторые предприниматели называют наноразмерные технологии, способные революционизировать материаловедение, 'подрывными технологиями'. Они могут привести к изменению одни отрасли промышленности и технологии, а также заменить другие. При использовании объектов исключительно малых размеров, менее 100 нм, обнаруживаются новые свойства материалов.
Интерес к наноматериалам и присущим им уникальным свойствам растет экспоненциально. При невероятно малых размерах наноматериалов законы квантовой механики точнее описывают поведение отдельных наночастиц, замещая классическую ньютоновскую физику, в которой закономерности гравитации, оптики и ускорения представляют собой статистические соотношения. По мере уменьшения структур упорядоченных атомов до столь малых размеров, свойства материалов переходят в свойства атомов и молекул на поверхности частиц, которые часто поразительно отличаются от свойств относительно массивных частиц материалов. В сочетании с исключительно высокими отношениями площади поверхности к объему это может привести к появлению необычных характеристик. Такое огромное увеличение площади поверхности, например, чрезвычайно сильно повышает химическую активность материалов; их воспламенение, плавление или сорбция происходят значительно быстрее. Если размеры наноструктурных единиц меньше длины волны света, то некоторые материалы, изготовленные из них, становятся невидимыми, прозрачными. Материалы, относительно массивные частицы, которых являются диэлектриками, могут стать проводниками, другие материалы в наноразмерной фазе могут стать многократно прочнее, чем в относительно массивных частицах. Углеродные нанотрубки, имеющие подобную алмазу структуру кристаллической решетки, являются чрезвычайно прочными и при этом очень гибкими, отличаясь исключительным сочетанием прочности и гибкости.
Наноматериалы могут состоять из совокупности объектов различного строения, включая наночастицы, нанопроводники, нановолокна, нанотрубки, наноточки, сферические фуллерены и различные сочетания дендритных форм. Наночастицами по существу являются частицы с диаметрами от 1 до 100 нм. Нановолокна представляют собой полученные электростатическим распылением усики или нити, имеющие диаметр от 10 до 100 нм и отношение длины к диаметру (относительная длина) – более 1000. Углеродные нанотрубки, лучше всего изученные среди нанотрубок, состоят из атомов углерода, упорядоченных в шестиугольную в сечении форму, и напоминают тонкие цилиндры из проволочной сетки. Они могут быть одностенными или многостенными. Фуллерены представляют собой замкнутые каркасы из атомов углерода, как например, фуллерен C₆₀, состоящий из 60 атомов углерода, структурная формула этого соединения похожа на футбольный мяч.

Нанокомпозитные компоненты
Одним из самых существенных технологических достижений в промышленности пластмасс за последние 3-4 года стало развитие полимерных нанокомпозитных материалов, то есть, полимерных смол, содержащих наноразмерные компоненты, например, наноглины или углеродные нанотрубки. Введение от 2% до 5% нанокомпонентов для формирования нанокомпозитного материала является важным новым средством модификации физических свойств смолы. Основными полезными результатами становятся улучшение механических свойств, повышение жесткости и формоустойчивости, улучшение барьерных качеств, повышение огнестойкости и электропроводности. Настойчивые поиски технологий создания новых поколений высокоэффективных материалов осуществляются в интересах многих отраслей промышленности.
Самыми широко известными и первыми нашедшими коммерческое применение типами наноразмерных наполнителей являются наноглины (алюмосиликатный материал с наноразмерной зернистостью) и углеродные нанотрубки. Для обоих компонентов необходима химическая модификация с обработкой поверхности, что позволяет достигнуть тонкодисперсной структуры и хорошего сцепления со смолой, это необходимо для получения наибольших полезных результатов. В настоящее время наноглины являются нанокомпонентами, чаще всего используемыми в нанокомпозитных пластиковых материалах, и благодаря их малой стоимости имеет самую широкую коммерческую жизнеспособность. И наноглины, и нанотрубки обеспечивают улучшение конструкционных, тепловых, барьерных и огнестойких качеств пластмасс. Кроме того, углеродные нанотрубки повышают электропроводность материалов. Тем не менее, активно исследуются и разрабатываются прочие возможные наполнители, например, синтетические глины, полиэдральный олигомерный силсесквиоксан, неорганические нанотрубки, наночастицы сульфата бария, наночастицы кремнезема и даже природные волокна, например, льна и конопли.

Описание наноглин
В коммерческих нанотехнологиях чаще всего применяются наполнители из наноразмерных хлопьев силикатов. Такие наночастицы достаточно длинные, но при этом, по крайней мере, вдоль одной из осей их размер составляет около 1 нм. Поскольку обычные глины являются природным минералом, их свойства непостоянны. Чистота глины может влиять на свойства нанокомпозитного материала. Контролируемыми параметрами нанокомпозитов, являются тип глины, чистота глины, тип полимера и метод введения полимера в нанокомпозитный материал. Самым важным параметром является относительная длина наночастиц глины. Для использования оптимальны глины, имеющие пластинчатую структуру с толщиной менее 1 нм и относительную длину от 300 до 1500 нм.
 

Рисунок 3. Расслаивание и диспергирование глины.

Наиболее часто используемой наноглиной является слоистый алюмосиликат монтмориллонит (ММТ). В отличие от талька и слюды, ММТ может быть расслоен и диспергирован на отдельные слои толщиной 1 нм и шириной примерно от 70 до 150 нм. Расслаивание вызывает существенное увеличение отношения площади поверхности к объему. Глино-полимерные композиты можно разделить на три типа: обычные композиты, нанокомпозиты с включениями и расслоенные нанокомпозиты. Если в полимере частично разделены частицы ММТ (тактоиды), они называются нанокомпозиты с включениями, а при полном разделении на отдельные пластины они называются расслоенными. Для улучшения диспергирования и смешиваемости с полимерной матрицей глина должна быть предварительно модифицирована, т.е. проведена соответствующая обработка поверхности. После этого тактоиды расслаиваются на пластины в результате возникновения сдвиговых напряжений во время смешения в расплаве полимера или при протекании химических реакций во время полимеризации матрицы. В результате включения ММТ в полимерный композит улучшаются его механические свойства, например, модуль упругости, деформационная теплостойкость и сопротивляемость царапанию, увеличиваются теплостойкость, формоустойчивость и огнестойкость; при полном расслоении глины достигаются наилучшие характеристики. Химический состав глины обуславливает наличие на поверхности пластин неорганических катионов, придающих поверхности высокую гидрофильность, и соответственно, несовместимость со многими полимерными смолами. Для успешного образования глино-полимерного нанокомпозита, следует провести соответствующую обработку поверхности, снизив полярность глины, чтобы сделать глину 'органофильной'. Органофильная глина может быть получена из гидрофильной глины путем замещения неорганических катионов органическими, например, ионами алкиламмония. Кроме ММТ возможно использование других глин, включая гекториты (магнийсиликаты), пластины в которых очень малы, и синтетические глины (например, гидроталькит), которые могут быть получены в очень чистом виде, поверхность их пластин может нести положительные заряды в отличие от отрицательных зарядов на поверхности ММТ.

Технологические процессы и свойства наноглин
Выбираемый для производства нанокомпозита технологический процесс зависит от необходимости получения конечного материала с включениями или расслоенной композиции. При формировании необходимого материала, для обеспечения эффективного проникновения полимера или его предшественника в межслойные зазоры глины важен правильный выбор модифицированной глины. Полимер может быть включен в тактоиды в виде расплава полимера или мономера, который затем полимеризируется in situ (на месте). Последний технологический процесс, реализуемый в настоящее время более успешно, отличается высокой стоимостью, что может ограничить применение таких систем. При создании расслоенного нанокомпозита, процесс внедрения полимера во время смешения в расплаве при экструзии (компаундировании) зависит от сдвигового усилия, облегчающего расслоение глины, и может быть менее эффективен чем полимеризация in situ. В нанокомпозиты могут быть введены как термореактивные, так и термопластичные полимеры, включая нейлоны, полиолефины, например, полипропилен, полистирол, полиэтилентерефталат (ПЭТ), сополимеры этиленвинилацетата (ЭВА), полиимиды, полиуретаны и эпоксидные смолы.
Поскольку толщина расслоенных пластин ММТ составляет приблизительно 1 нм, что меньше длин волн видимого света, они являются прозрачными частицами, это важное свойство при применении для производства упаковочных материалов. Кроме того, пластины частиц глины способствуют кристаллизации полимера и создают более извилистые пути диффузии. Благодаря этому в пластиковых нанокомпозитах улучшаются барьерные характеристики по отношению к различным газам. Способность пластиковых нанокомпозитов к углеобразованию уменьшает необходимое количество вводимых антипиренов. Это позволяет изготавливать огнестойкие полиолефиновые нанокомпозиты, имеющие меньшую стоимость при сохранении эквивалентной огнестойкости. Наноармирование пластинами глины повышает жесткость и прочность, а также значительно уменьшает усадку.

Рисунок 4. Барьерные свойства нанокомпозитов по отношению к кислороду.

Новые модификаторы наноглин
В качестве новых нанокомпонентов с использованием запатентованной технологии «материал с управляемой архитектурой» (CAM) компания Dyneon, дочерняя компания 3M, разрабатывает функциональные углеводородные блок-сополимеры. CAM используется в качестве средства управления структурой полимера и размещения функциональных групп, обеспечивающих получение наибольшего эффекта от нанокомпонента. Компания исследует использование этих новых материалов для модификации наноглин и повышения сцепления добавок в полиолефиновых и стирольных нанокомпозитах, получаемых в расплаве. Исследуется применение CAM-модификаторов для обеспечения хорошего диспергирования наноглины и прочного сцепления с полимерной матрицей. Слои глины имеют тенденцию к сильному сцеплению между собой, затрудняя диспергирование глины в полимерную матрицу. Кроме того, эффективному диспергированию глин часто препятствует естественная несовместимость между гидрофильной глиняной и гидрофобной полиолефиновой матрицами.
Используемые в настоящее время для повышения расслоения и диспергирования органически модифицированных глин добавки, например, сополимеры малеиновой кислоты и этилена (МА-ПП), неэффективны. Для эффективного расслоения глины необходимо довольно большое количество добавки. Компания Dyneon создала значительное количество новых более эффективных блок-сополимеров, которые содержат функциональные группы аминов, ангидридов, кислот и эпоксидных смол для использования с различными глинами. Результаты испытаний, при которых нанокомпозиты с составом: 5 % CAM, 5 % органоглины и 90 % полипропилена (ПП), смешенные в двухшнековом экструдере, сравнивались с аналогично приготовленными смесями ПП, глины и 5 % сополимера малеиновой кислоты и этилена. Изучение методом рентгеновской дифракции показало, что CAM эффективнее способствуют расслоению глины при значительно меньшем процентном содержании добавки (1 %) и имеют повышенный на 40 – 50 % модуль упругости при растяжении по сравнению с композитом МА-ПП.

СТРАТЕГИЯ ПЛАСТИКОВЫХ НАНОКОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Современная динамика бизнеса
Вопрос стоит уже не о начале нанореволюции, а скорее о том, насколько масштабной и всеобъемлющей она будет. Многие воспринимают эти события только в качестве революционного появления новых материалов, аналогичного появлению пластмасс. Еще шире распространено мнение, что развитие нанотехнологий будет столь же всеобъемлющим и значительным, как и переход человечества от каменных орудий к металлическим. Насущные вопросы, задаваемые всюду – от лабораторий в Азии и в любых других местах буквально по всему миру и до фондовых бирж Европы и Уолл-стрит – какие новые отрасли промышленности будут созданы с помощью нанотехнологий, и какие открытия они нам принесут?
Во всем мире возникло более 1200 новых использующих нанотехнологии предприятий; половина из них – это американские компании, которые долго существовали в качестве малозаметных изготовителей материалов и обнаружили шанс стимулировать ажиотажный спрос, после объявления о своем умении применять различные порошки, от сажи до керамических включений. Брокерские фирмы разыскивают на рынках нанотехнологические компании и учреждают биржевые индексы наноиндустрии. Тем временем, заинтересованные новым притягательным рынком инвесторы все еще опасаются, что все это оживление – «мыльному пузырю», силятся получить представление о последствиях нанореволюции и ее воздействии на сообщество инвесторов. Замешательство и неуверенность стали результатом того, что этот феномен представляет собой не промышленную отрасль, а технический подход к использованию вещества в наноразмерных масштабах. Концепция предлагает поразительные возможности для тысяч существующих материалов. Большая часть первоначальных работ, вероятно, будет выполнена индустриальными гигантами; 19 из 30 крупнейших промышленных компаний, по которым рассчитывают индекс Доу-Джонса, в уже вышли на рынок с предложениями продуктов нанотехнологий. Руководитель программы научных исследований нанотехнологий компании General Electric Маргарет Блом заявила, "Я потеряла ночной сон, потому что ожидания настолько высоки".
По какой причине размер частицы имеет столь фундаментальное влияние на свойства материалов, что позволяет создавать важные новые полимерные нанокомпозитные продукты? Хорошим примером можно считать новый материал Voltron компании DuPont, представляющий новое поколение суперпрочных термореактивных эмалевых покрытий для обмоточных проводов, используемых в работающих электрических двигателях работающих при высоких нагрузках. При микроскопическом исследовании ранее применявшихся покрытий такого типа можно наблюдать неплотно упакованные химические компоненты с неравномерными зазорами между молекулами, то есть структуру, которая, в конечном счете, приводит к разрушению материала. Наноразмерные частицы в материале Voltron заполняют большую часть пустот, образуя улучшенный изолятор, имеющий больший срок службы. Выполненные компанией DuPont лабораторные испытания материала в электрических двигателях с моделированием реальных условий работы подтвердили, что покрытие Voltron десятикратно увеличивает сроки службы между отказами двигателя, что повышает его рентабельность. Поскольку такие двигатели потребляют приблизительно 65 % от общего производства электроэнергии в США, такое повышение эффективности обещает огромную экономию электроэнергии. "Без использования наноматериалов невозможно достичь такого рода усовершенствования покрытия", заявил Криш Дорэйсвани, старший руководитель планового отдела исследований нанотехнологий компании DuPont.

Влияние на индустрию пластмасс
Индустрия пластмасс неизбежно будет испытывать значительное влияние нанокомпозитных технологий, пребывающих сейчас в начальной стадии развития. Полимеры, армированные наночастицами, составляющими всего лишь 2 - 5 % массы, демонстрируют впечатляющее улучшение термомеханических и барьерных свойств, а также имеют большую огнестойкость. Наночастицы могут выгодно отличаться от стандартных наполнителей и волокон благодаря повышению термостойкости, формоустойчивости и электрической проводимости. Хотя технологии диспергирования наноразмерных армирующих компонентов в полимерах проникают на рынок весьма сдержанно и медленнее, чем ожидалось, согласно прогнозам, этот темп значительно вырастет, поскольку многие компании по соображениям конкуренции не афишируют свои исследования нанокомпозитов, и большое количество исследований выполняется без публикации результатов. Первыми коммерческое применение нашли композиты с наноглинами и углеродными нанотрубками. Наноглины улучшают механические свойства пластмасс, а углеродные нанотрубки придают электро- и теплопроводность. В настоящее время в США диапазон применения наноматериалов простирается от улучшения характеристик деталей грузовой платформы автомобиля Hummer H2 SUT до покрытий линз, перевязочных материалов и пленок для упаковки пищевых продуктов. Основными областями применения нанокомпозитных пластмасс в настоящее время являются производство упаковочных материалов и автомобилестроение, но результаты исследований и разработок расширяют масштабы их применения.

Таблица 1. Некоторые производители и области применения нанокомпозитов.

Рисунок 5. Чувствительные к деформации наноматериалы

Компания Nanodynamics Inc. производит мячи для гольфа, конструкция которых исключает смещение центра массы при вращении, таким образом, полет таких мячей точнее соответствует направлению удара, или даже оказывается возможным лучшее удержание траектории мяча на лужайке для гольфа. Усовершенствованная внутренняя оболочка мячей с наночастицами титана не деформируется при характерных для гольфа ударах, а внешняя оболочка мячей выполняется из стойкого к порезам иономера марки Surlyn компании DuPont. Коммерческое испытание мячей с торговой маркой NDMX было начато прошлым летом. Ожидаемая цена продажи составит приблизительно 60 долл. за дюжину таких мячей.
Исследователи крупнейшего в Северной Америке поставщика сажевых добавок – компании Cabot используют нанотехнологии при производстве аэрогелей для включения в световые панели из поликарбоната и полиэфира. Частицы аэрогеля содержат уникальную микроструктуру наноразмерных отверстий или пор. Такая специальная структура придает частицам аэрогеля уникальные электро и шумо изоляционные, и конструкционные свойства. Световые панели из поликарбоната и полиэфира с наногелевым наполнителем могут быть использованы для производства диффузно рассеивающих световых окон, имеющих такие дополнительные преимущества, как малый вес и простота формования.
Лидирующая в исследованиях отверждаемых ультрафиолетовым излучением покрытий с использованием нанотехнологий компания Ecology Coatings Inc. продала лицензию на использование своей жидкой нанокомпозиции покрытия компании DuPont, которая планирует производить их для автомобильной промышленности Северной Америки. Покрытия этой компании позволяют повысить устойчивость к абразивному износу и царапинам автомобильных стекол, панелей, боковых частей кузова и бамперов. Покрытия отверждаются на изделиях с использованием ультрафиолетового излучения вместо нагрева, и благодаря простоте и скорости нанесения, обеспечивают существенную экономию энергии и не требуют использования растворителей, которые могут загрязнять воздух.
Компания Compounder PolyOne предложила новый огнестойкий наноматериал, продукт полимеризации наноглин с нейлоном 6 in situ, и утверждает, что этот метод обеспечивает лучшие характеристики при более чем двукратном уменьшении количества расходуемой наноглины.
Компания Arkema успешно разрабатывает новые акриловые сополимеры. Используя фирменные технологии управления способом связывания различных химических ионов в макромолекулах, компания выпускает ассортимент новых сополимеров с нанокомпонентами 'Nanostrength'. Для изготовления материалов Nanostrength (для формования с раздувом и вытяжкой) в традиционные бутадиенстирольные сополимеры включается третий полярный блок ПММА. Полярные группы ПММА совместимы со многими промышленными полимерами и смолами и обеспечивают получение исключительных сочетаний ударопрочности, жесткости, термостойкости и прозрачности, которые не возможно добиться при использовании традиционных добавок. В качестве расширения ассортимента пластмасс доступны шесть видов материалов, например, фторсодержащие полимеры и нейлон 12, а так же эпоксидные смолы и пленки на основе эпоксидных смол. Эти сополимеры также используются в сплавах полифениленэфира с нейлоном 6, фторсодержащими полимерами и эпоксидными смолами.

ГЛОБАЛЬНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИЙ

Защита от радиации в космосе
Компания Hybrid Plastics (США) разрабатывает общие малозатратные методы защиты от радиации микроэлектронных, оптических и чувствительных комплектующих изделий. Испытания Комитета НАСА предоставленных компанией модификаций пластмасс на внешней поверхности Международной Космической Станции показали, что материалы с ПОСС отличаются от традиционных полимеров значительно большей стойкостью к радиационному химическому и механическому разрушению. На Международной Космической Станции провели исследование материалов для замены быстро деградирующих в жестких условиях космоса обычных пластмасс. При этом в течение 14 месяцев на земной орбите в испытательной капсуле находилось девять образцов различных композитов с ПОСС. Исследователи обнаружили, что на поверхности полимеров с ПОСС образуется керамическая оболочка, и они противостоят радиационному облучению не менее чем в 10 раз дольше любых других материалов.

Рисунок 6. Испытание воздействия радиации на пластмассы.

Виртуальное моделирование программным обеспечением NanoLab
В тесном сотрудничестве с Центром изучения нанотехнологий в Институте Нильса Бора Копенгагенского университета, компания Atomistix A/S (Дания) разработала новые квантово-химические алгоритмы и интуитивно понятный для пользователя интерфейс, обеспечивающий широкое применение предлагаемых методик. На основе квантовой теории компания первой в мире разработала программные средства для технического моделирования и испытаний, позволяющие разрабатывать нанотехнологические материалы и устройства. Предлагаемое во всем мире программное обеспечение было приобретено ведущими исследовательскими и промышленными учреждениями, участвующими в развитии нанотехнологий, например, компаниями: Matsushita, SONY, Hewlett-Packard, а также Комитетом НАСА, Линкольновской лабораторией Массачусетского технологического института, Стэнфордским университетом и другими. Компания была основана с частичной поддержкой датского Министерства науки, технологий и инноваций и в настоящее время имеет представительства в Копенгагене, Сингапуре и Монреале.

Рисунок 7. Виртуальное программное обеспечение NanoLab

Барьерные слои с наноглиной для пищевых бутылок
Компания Mitsubishi Gas Chemical (Япония) совместно с мировым поставщиком наноглин, компанией Nanocor Inc. (США), начала выпуск предназначенного для использования в многослойных ПЭТ бутылках нового материала Imperm, представляющего собой смесь нанокомпозита и нейлона МД6 и отличающегося исключительными барьерными свойствами по отношению к кислороду и углекислому газу. В этом новом улучшенном материале применение наноглины обеспечивает значительное снижение проницаемости для кислорода, CO2 и воды. Этот нанокомпозит сохранил высокую прозрачность, которая делает его идеальным материалом основного слоя в широко применяемых многослойных ПЭТ бутылках для хранения пива и газированных безалкогольных напитков. Новый материал Imperm 103, содержащий малую долю частиц наноглины, имеет четырехкратно улучшенные барьерные свойства по отношению к кислороду и двукратно улучшенные барьерные свойства по отношению к CO2 по сравнению с немодифицированным МД6, при этом влагонепроницаемость увеличена на 200%.

Электро- и теплопроводные нанокомпозитные полимерные материалы
Компания Nanocyl S.A. (Бельгия) специализируется на использовании нанотрубок для добавления углеродных нанотрубок (УНТ) в полимеры и прочие материалы. Являясь мировым лидером применения УНТ, компания Nanocyl владеет правами интеллектуальной собственности на технологии производства полимерных и прочих нанокомпозитных материалов с использованием уникальных свойств УНТ, а также технологиями их синтеза. Внедренные в полимерную матрицу УНТ обеспечивают ее электро- и теплопроводность, их можно рассматривать, как нанопроводники. УНТ увеличивают проводимость в сотни раз сильнее обычных добавок, используемых для повышения проводимости материалов. Благодаря этому УНТ формируют объемную электропроводную структуру при введении в очень малых количествах, что позволяет добиться проводимости полимеров при значительно меньшей доле УНТ по сравнению с традиционными сажевыми добавками.

Разработка неорганических нанотрубок
Ученые компании NanoMaterials Ltd. (Израиль) обнаружили, что неорганические нанотрубки, входящие в состав сверхпрочных композитных пластмасс, в отличие от УНТ имеют другие уникальные свойства и перспективные области применения. Сообщается о более чем 50 различных разновидностях неорганических нанотрубок с составом, охватывающим почти всю периодическую систему элементов. Нанотрубки могут быть синтезированы из оксидов и галогенидов переходных металлов, содержать примесные металлы, металлические включения, а также иметь кремниевую или борную основу. Богатство неорганических систем и их химическое разнообразие очень важно, особенно в материалах используемых при высоких нагрузках, температурах или давлении. Некоторые прикладные области, в которых возможно использование преимуществ уникальных свойств неорганических нанотрубок – это спортивные товары с высокими эксплуатационными показателями, пуленепробиваемые изделия, специальные химические датчики, интеллектуальные стекла, фотоэлементы и аккумуляторные батареи.

Рисунок 8. Неорганическая нанотрубка