Нанотехнологии в машиностроении России

1.5.5. Нанотехнологии  для обеспечения безопасности

Современные достижения в области наноматериалов и нанотехнологий открывают новые возможности  для повышения в десятки раз  тактико-технических характеристик  систем безопасности и являются по своей сути инновационными, поскольку  направлены на создание, главным образом, новой продукции, востребованной рынком систем безопасности. В ближайшие 3–10 лет наиболее перспективны следующие  направления использования нанотехнологий в  системах безопасности[15]:

1.         Новые средства и методы контроля и защиты документов от подделки, например на основе наноматериалов, микропечати, тонких электронных схем, бумаги с добавлением наночастиц, компактных устройств считывания данных.

2.         Системы контроля доступа в  помещения на основе наносенсоров, например считыватели отпечатков пальца, теплового рисунка вен руки или головы, геометрической формы руки в динамике.

3.         Многофункциональные сенсоры «электронный нос» для обнаружения и идентификации сверхмалых количеств взрывчатых, наркотических и опасных веществ.

4.         Более компактные, чуткие и  информативные портативные и  стационарные металлоискатели и детекторы движения на основе наносенсоров.

5.         Распределенные массивы наносенсоров типа «умная пыль» для охраны границ и периметров объектов.

6.         Магниторезонансные установки для точного анализа объемного содержания закрытых емкостей и  грузов в аэропортах, на проходных, на таможне.

Примеры создания перспективных  технических средств и систем безопасности на базе нанотехнологий и наноматериалов, имеющие высокую  степень завершенности исследований:

1.         Антитеррористические средства, в т.ч. гиперспектральные наноанализаторы сверхнизких концентраций взрывчатых, наркотических и других запрещенных к распространению веществ.

2.         Системы контроля и управления доступа, паспортного и миграционного контроля, в т.ч.:

-    идентификационные документы и  системы контроля и управления доступа на базе нанометок и нанопамяти, включая системы для идентификации лиц на основе получения, записи на защищенный носитель (нанопамять) и цифровой обработки трехмерного видеоизображения;

-    замковые устройства для режимных помещений с уникальными электронными ключами нанометками;

-    электронные заграничные паспорта второго поколения и миграционные удостоверения с нанопамятью 1–10 Гбайт.

В настоящее время  в нашей стране сформированы кооперации соисполнителей, способные в кратчайшие сроки реализовать проекты по созданию перспективных систем безопасности. Дело за инвестированием инновационных  проектов. И здесь роль государства, как никогда, велика.

1.5.6. Нанотехнологии  для сельского хозяйства и  пищевой промышленности

Направления использования  нанотехнологий в сельском хозяйстве  связаны с воспроизводством сельскохозяйственных видов, переработкой конечной продукции  и улучшением ее качества. Нанотехнологии уже используют для обеззараживания  воздуха и различных материалов, в том числе кормов и конечной продукции животноводства; обработки  семян и урожая в целях его  сохранения. Их применяют при стимуляции роста растений; лечении животных; улучшении качества кормов[21]. Есть опыт внедрения этих технологий для  уменьшения энергоемкости производства, оптимизации методов обработки  сырья и увеличения выхода конечной продукции; разработки новых упаковочных  материалов, позволяющих долго сохранять  конечную продукцию.

Под эгидой ФАО создана  база данных о 160 проектах использования  нанотехнологий в сельском хозяйстве, которые финансировались и разрабатывались  на 2006 г. Большинство из них связано  с пищевой промышленностью, с  использованием наноматериалов для  упаковки пищи или определения и, в отдельных случаях, нейтрализации  опасных токсинов, аллергенов или  патогенов. Развиваются проекты  по созданию и улучшению пищевых  добавок, получению растительного  масла с нанодобавками, которые  препятствуют поступлению холестерина  в кровь млекопитающих.

Другая группа проектов направлена на развитие более эффективных  и средосберегающих агротехнологий. Например, использование наноматериалов для очистки вод в агроэкосистемах. Или их применение для переработки  отходов растениеводства в этанол. В животноводстве разрабатывают  методы использования нанодобавок в целях уменьшения доз ростовых факторов и гормонов, нейтрализации патогенов на ранних стадиях их контакта с животными.

Таким образом, преимущества и возможности использование  нанотехнологий и наноматериалов очевидны. Поэтому вполне объясним повышенный интерес к этой теме в современном  мире, т.к. она является источником новых  подходов к повышению качества жизни  и решению многих социальных проблем  в высокоиндустриальном обществе.

 

Глава 2. Использование  нанотехнологий в машиностроении

2.1. Значение  применения нанотехнологий для  машиностроения

Проблему катастроф  различных физических объектов и  на земле, и в воде, и в воздухе, и в космосе, в основном, связанных  с качеством и надежностью  машин, нельзя решить без учета эволюционного  развития структуры материала на всех этапах его жизненного цикла. Понимание  термина «технологический мониторинг»  в контексте новой метрологии объемного наноструктурирования позволит решать задачи по обеспечению качества и повышенного ресурса оборудования, устранить необходимость завышенного  коэффициента запаса прочности, что  повышает конкурентоспособность[22]. 

Объемное наноструктурирование имеет решающее значение при разработке отличающихся малым весом летательных  аппаратов из термически устойчивых материалов с высокой удельной прочностью.

Например:

Реализация  нанотехнологий в авиакосмической отрасли позволит:

1.         Повысить прочность летательных аппаратов. Сейчас ставится задача довести возможность их совершать до 70-90 тысяч полетов, что требует повышения прочностных характеристик, которые обеспечивают новые наноматериалы.

2.         Добиться «живучести» и снижения веса (которое обеспечивают в настоящее время композиты). К ним должны присоединиться наноматериалы.

3.         Переходя на нанотехнологии, можно достигнуть снижения трения.

4.         Решить задачи борьбы с обледенением и прилипанием к внешней стороне конструкции летательных аппаратов различной «биологической живности» с помощью отслаивающихся чешуек.

5.         Снизить заметность летательных аппаратов.

Космические аппараты будущего будут уже не просто машинами для перевозки живых существ, но живыми организмами. Они смогут обучаться, диагностировать и ремонтировать  себя. Применение нанотехнологии в  аэрокосмической технике способно также обеспечить: снижение энергопотребления  в 104 раз, снижение вибрации и шума - в 102, повышение быстродействия - в 106, повышение КПД солнечных батарей - в 101, повышение чувствительности датчиков - в 106, повышение времени автономной работы - в 104 раз, повышение надежности - в 102, повышение стойкости к радиации - в 101, повышение стойкости к перегрузкам - в 102 раз.

Внедрение нанотехнологий в автомобильную промышленность позволит сделать автомобили:

1.                     Доступными (нанотехнологические методы производства позволяют создавать товары и услуги с низкой себестоимостью; в автомобилях будущего основной составляющей цены будет являться «брэнд»);

2.                     комфортными (более совершенная работа механических частей, улучшенная шумо- и вибро- изоляция на основе наноструктурированных материалов, эргономичный салон);

3.                     эффективными (повышения средней скорости движения автомобилей, повышение КПД использования энергии, необходимой для перевозки людей и грузов);

4.                     интеллектуальными (широкое внедрение информационных систем во все узлы и компоненты автомобилей, принятие автомобилем все больших функций водителя на себя);

5.                     безопасными для человека и окружающей среды (новые, экологически чистые силовые установки, в том числе на топливных элементах, качественно новый уровень пассивной и активной безопасности для обитателей салона и пешеходов, широкое использование в конструкции авто биодеградируемых материалов, а с созданием дисассемблеров - возможность 100% утилизации устаревших автомобилей).

Кроме того, запатентованы  новые способы и ресурсосберегающие нанотехнологии, в том числе повышения  долговечности на этапе эксплуатации, упрочнения твердых сплавов, нержавеющих, конструкционных и инструментальных марок стали, кузнечной сварки многослойных композиций и производства цельнокованого нержавеющего дамаска, квазиаморфного модифицирования карбидами и  оксидами кремния. При этом ресурс изделий  различного назначения, изготовленных  по новой методологии для отраслей машиностроения повышается от 200 до 500%.

В целом же, разработка и применение нанотехнологий в области  машиностроения позволят достичь следующих  основных целей[12]:

1.         Изменение структуры валового внутреннего продукта в сторону увеличения доли наукоемкой продукции.

2.         Повышение эффективности производства.

3.         Переориентация российского экспорта с, в основном, сырьевых ресурсов на конечную высокотехнологичную продукцию и услуги путем внедрения наноматериалов и нанотехнологий в технологические процессы российских предприятий.

4.         Создание новых рабочих мест для высококвалифицированного персонала инновационных предприятии, создающих продукцию с использованием нанотехнологий.

5.         Развитие фундаментальных представлений о новых явлениях, структуре и свойствах наноматериалов.

6.         Формирование научного сообщества, подготовка и переподготовка кадров, нацеленных на решение научных, технологических и производственных проблем нанотехнологий, создание наноматериалов и наносистемной техники, с достижением на этой основе мирового уровня в фундаментальной и прикладной науках.

Эффективное достижение намеченных целей потребует системного подхода к решению целого ряда взаимоувязанных задач, основными  из которых являются:

1.         Координация работ в области создания и применения нанотехнологий, наноматериалов и наносистемной техники;

2.         Создание научно-технической и организационно-финансовой базы, позволяющей сохранить и развивать имеющийся в России приоритетный задел в исследованиях и применении нанотехнологий; развитие бюджетных и внебюджетных фондов, поощряющих и развивающих исследования в области наноматериалов и нанотехнологий и стимулирующих вклады инвесторов;

3.         Формирование инфраструктуры для организации эффективных фундаментальных исследований, поиска возможных применений их результатов, развития новых нанотехнологий и их быстрой коммерциализации;

4.         Поддержка межотраслевого сотрудничества в области создания наноматериалов и развития нанотехнологий;

5.         Обеспечение заинтересованности в решении научных, технологических и производственных проблем развития нанотехнологий и наноматериалов путем либерализации налоговой политики, оптимизации финансовой политики; создание системы защиты интеллектуальной собственности;

6.         Разработка и внедрение новых подходов к обучению специалистов в области нанотехнологий.

2.2. Технологические  особенности применения нанотехнологий  в машиностроении (на примере  автомобильной промышленности)

Нанотехнологии  обещают целый ряд выгод от широкомасштабного внедрения в  массовое производство автомобилей. Так  буквально каждый узел или компонент  в конструкции автомобиля может  быть в значительной степени усовершенствован при помощи нанотехнологий.

Одним из наиболее перспективных  и многообещающих направлений применения (в том числе коммерческого) достижений современной нанотехнологии является область наноматериалов и электронных  устройств[14, 15, 16].

Уже существуют легко  очищающиеся и водоотталкивающие  покрытия для материалов, основанные на использовании диоксида кремния.

В форме наночастиц это вещество приобретает новые  свойства, в частности, высокую поверхностную  энергию, что и позволяет частицам SiO2 при высыхании коллоидного  раствора прочно присоединяться к различным  поверхностям, в первую очередь к  родственному им по составу стеклу, образуя, тем самым, сплошной слой наноразмерных  выступов.

Покрытие из наночастиц кремнезема делает обработанную поверхность  гидрофобный - на поверхности с плёнкой  из SiO2 капля воды касается субстрата  лишь немногими точками, что во много  раз уменьшает Ван-дер-ваальсовые силы и позволяет силам поверхностного натяжения жидкости сжать каплю  в шарик, который легко скатывается  по наклоненному стеклу, унося с  собой накопившуюся грязь.

В силу наноразмерной  толщины, такие покрытия совершенно невидимы, а благодаря биоинертности  кремнезема - безвредны для человека и окружающей среды. Они устойчивы  к ультрафиолету и выдерживают  температуры до 400 °C, а действие водоотталкивающего эффекта длится в течение 4 месяцев.

Несколько зарубежных фирм уже выпускают подобные покрытия в промышленных масштабах. На российском рынке их продукцию представляет эксклюзивный дистрибутор - компания Nanotechnology News Network.

Что касается в прямом понимании самоочищающихся поверхностей, то такая технология основана на использовании  диоксида титана. Принцип действия материала с таким покрытием  заключается в следующем.

При попадании ультрафиолетового  излучения на нанопокрытие из TiO2 происходит фотокаталитическая реакция. В ходе этой реакции испускаются отрицательно заряженные частицы - электроны, а на их месте остаются положительно заряженные дырки. Благодаря появлению комбинации плюсов и минусов на поверхности, покрытой катализатором, содержащиеся в воздухе молекулы воды превращаются в сильные окислители - радикалы гидроокиси (HO), которые в свою очередь  окисляют и расщепляют грязь, а также  нейтрализуют различные запахи и  убивают микроорганизмы.