ВВЕДЕНИЕ
Аэронавтика и космические исследования.
Развитие космической техники сдерживается
высокой стоимостью вывода грузов на орбиту,
особенно для полетов на большие расстояния
(например, за пределы Солнечной системы).
Эти сложности стимулируют поиски новых
методов снижения размеров и массы космических
аппаратов, а также повышения эффективности
систем запуска. Многие из возникающих
при этом проблем могут быть решены при
использовании наноструктурных материалов
и устройств. В частности, такие материалы
могут быть особенно полезны при изготовлении
легких, прочных и термостойких деталей
самолетов, ракет, космических станций
и исследовательских зондов для дальних
космических полетов. Более того, возможно,
в условиях космического пространства
(отсутствие гравитации, высокий вакуум)
удастся организовать исследования или
даже производство таких наноструктур
и наносистем, которые нельзя получить
на Земле. Область возможных применений
нанотехнологии в авиации и космической
технике очень широка, наиболее перспективными
представляются следующие направления:
• Разработка высококачественной
и стойкой к воздействию радиации
вычислительной техники с низким
энергопотреблением
• Создание наноаппаратуры для миниатюрных
космических аппаратов • Разработка нанодатчиков
и наноэлектронных устройств для авиационной
техники
• Создание термоизоляционных и износостойких
покрытий на основе наноструктурных материалов.
1 Основные типы нанообъектов и наносистемы
на их основе
На рубеже XX–XXI столетий сформировалась
новая стремительно разви- вающаяся научно-техническая
область, которую можно охарактеризовать
со- четанием трех понятий: нанонаука,
нанотехнология, наноиндустрия.
Нанотехноло́гии— область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического
обоснования, практических методов исследования,
анализа и синтеза, а также методов производства
и применения продуктов с заданной атомной
структурой путём контролируемого манипулирования
отдельными атомами и молекулами. Практический аспект нанотехнологий
включает в себя производство устройств
и их компонентов, необходимых для создания,
обработки и манипуляции атомами, молекулами и наночастицами. Подразумевается, что не обязательно
объект должен обладать хоть одним линейным
размером менее 100 нм — это могут быть
макрообъекты, атомарная структура которых
контролируемо создаётся с разрешением
на уровне отдельных атомов, либо же содержащие
в себенанообъекты. Нанотехнология в перспективе может
существенно повлиять на развитие методов
получения, аккумулирования и эффективного
использования энергии. Наноустройства
могут также использоваться для контроля
над состоянием окружающей среды, нахождения
источников загрязнения и развития экологически
чистых производственных процессов с
минимальным выбросом вредных отходов.
Внедрение нанотехнологии должно привести
к улучшению методов управления производством
и заметному снижению энергопотребления.
Фактически, в некоторых производствах
наноструктуры уже используются, но их
применение сдерживается недостаточным
развитием аналитических методик, пригодных
для работы в нанометровом масштабе. В
качестве примера можно указать следующие
промышленные процессы, непосредственно
связанные с нанотехнологиями и наноматериалами:
• В химической промышленности
осуществлена программа по использованию
кристаллических материалов в
качестве носителей для катализаторов
(размер пор порядка 1нм)
• Фирма “Мобил Ойл” разработала
новый нанопористый материал
МСМ-4 (с размером пор от 10 до 100нм)
и использует для отделения
мелкодисперсиных загрязняющих
агентов
• Разработаны армированные наночастицами
полимерные материалы для замены металлических
элементов автомобильных конструкций,
что приведет к снижению потребления бензина
и уменьшения выбросов CO2
• Использование наночастиц вместо сажи
как компонентов автомобильных шин позволит
организовать экологически более чистое
производство. В будущем наноструктурные
материалы будут применяться для пераработки
отходов промышленности и ядерной энергетики.
А космонавтика является одной
из наиболее перспективных и масштабных
областей применения нанотехнологий и наноматериалов. В
ближайшие годы нанотехнологии и разнообразные наноматериалы будут все шире использоваться при создании
новых образцов космической
техники, что значительно изменит подходы
к конструированию космических аппаратов (КА) и сыграет огромную роль в осуществлении
крупномасштабных космических проектов первой половины XXI столетия.
Свойства вещества определяются, в первую
очередь, его химическим составом и структурой.
Достаточно вспомнить многообразие свойств
химических элементов в периодической
системе Д.И. Менделеева и различных их
соединений, а также общеизвестный пример
разительного отличия свойств алмаза
и графита, которые состоят только из атомов
углерода, но имеют разную кристаллическую
структуру. Однако при переходе вещества
в наносостояние его свойства начинают
сильно зависеть от размера составляющих
его нанообъектов, что является следствием
происходящего при уменьшении размера
объектов изменения их свойств и характера
взаимодействия с другими объектами. В
этом заключаются размерные эффекты, которые
возникают, когда размер объекта становится
сопоставимым с каким-то параметром вещества,
оказывающим значительное влияние на
протекание тех или иных процессов в веществе
и, соответственно, на его свойства. Этот
параметр может характеризовать процессы,
описываемые в рамках классической физики,
либо на основании квантовомеханических
представлений. Для классических размерных
эффектов в качестве указанного параметра
могут рассматриваться длина свободного
пробега заряженных частиц в веществе,
диффузионная длина, диаметр траекторий
скольжения дислокаций в кристаллических
структурах (петель Франка–Рида) и др.,
а для квантовых размерных эффектов, называемых
также квантоворазмерными, соответствующим
параметром чаще всего служит длина волны
де Бройля. При анализе квантоворазмерных
эффектов удобно использовать еще один
параметр наноструктур, называемый размерностью
или наноразмерностью. Размерность наноструктур
определяется числом измерений, в которых размеры рассматриваемого объекта
лежат вне нанодиапазона и в
которых, следовательно, не проявляются
какие-либо особенности, связанные с размерными
эффектами. По этому параметру все объекты
можно разделить на четыре группы:
• 3D-объекты – объекты микро- и макродиапазонов
(объемные материалы);
• 2D-объекты – нанопленки;
• 1D-объекты – нановолокна, нанотрубки
и т.п.;
• 0D-объекты – наночастицы, нанокристаллы,
квантовые точки. Приведенную классификацию
часто распространяют также на материалы,
состоящие из объектов соответствующих
групп. О влиянии квантовых эффектов на
свойства материалов (химические, электрические,
оптические, тепловые) можно судить по
распределению плотности электронных
состояний g(E), т.е. по зависимости числа
квантовых состояний, приходящихся на
единичный энергетический интервал, от
энергии электронов E. На рис. 1 приведены
зависимости g(E) для объектов различной
размерности.
3D 2D 1D 0D
g(E)
g(E)
g(E)
g(E)
E E E E
Рис. 1. Зависимости g(E) для объектов различной размерности
В 3D-объекте электроны могут
свободно перемещаться во всех
трех измерениях. Если рассматривать
пленку, толщина которой соизмерима
с длиной волны де Бройля
λ (2D-объект), то в этом случае
электроны смогут свободно перемещаться
только в плоскости пленки, а в
третьем измерении их движение будет ограничено
потенциальным барьером, высота которого
определяется разностью между работой
выхода и энергией теплового движения
электронов. Для полупроводников работа
выхода лежит в диапазоне 1−6 эВ. Эта величина
значительна по сравнению с энергией теплового
движения электронов (~0,026 эВ). Таким образом,
в направлении, перпендикулярном плоскости
пленки, электроны окажутся в глубокой
потенциальной яме, и энергия их движения
в этом измерении будет квантоваться в
сочетании с непрерывными энергетическим
спектрами электронов в направлениях,
лежащих в плоскости пленки, что дает ступенчатую
зависимость g(E). Исходя из этого, 2D-объект
принято называть квантовой ямой (quantum
well). 3D 2D g(E) 1D g(E) E 0D g
Применение нанотехнологий инаноматериалов в перспективных космических проектах Специалисты космической
отрасли многих стран уделяют большое
внимание анализу и прогнозированию разнообразных
возможностей применения нанотехнологий
и наноматериалов в космических системах. Обобщенный прогноз развития космических
нанотехнологий представлен на рис. 2.
Рисунок 2 Обобщенный прогноз развития космических
нанотехнологий
На этом рисунке горизонтальная шкала
отражает рост потенциальных возможностей космических систем на разных временных
этапах, а движение вверх по вертикальной
шкале показывает повышение уровня сложности
и интеграции систем. Каждый новый шаг
по шкале времени, приведенной в верхней
части рисунка, предполагает появление
более сложных нанообъектов, а также возникновение
и развитие новых областей знаний и технологий
или функций. Как можно видеть из приведенной
прогностической схемы, в ближайшие годы
(до 5 лет) ожидается появление и даже начало
практического применения нескольких
классов наноматериалов. Прежде всего, речь идет о новых
конструкционных материалах на основе
наночастиц и нанотрубок, которые позволят
резко снизить вес КА без ущерба для его
прочности. Другим успешно развиваемым
направлением является наноэлектроника
с использованием УНТ и иных наноструктур.
В дальнейшем планируется создание стойких
к воздействию космической радиации молекулярных компьютеров и
биокомпьютеров, реализация известного
проекта строительства «космическоголифта» на основе сверхпрочного троса
протяженностью от земной поверхности
до геостационарной орбиты, разработка
биосенсоров, использующих эффект «молекулярного
распознавания», создание сенсорных сетей
для диагностики состояния среды в окрестности
Земли и других планет, а также систем
нанороботов, спо- собных выполнять масштабные
работы, в том числе направленные на улучшение
окружающей среды. Рис. 10. Прогноз развития космических нанотехнологий Нанотехнологии, безусловно,
рассматриваются как один из ключевых
моментов при реализации перспективных космических проектов.
2005 2015 2025 2035
Рис. 11. Программа применения нанотехнологий
при освоении планет Солнечной системы
На рис. 11 показана программа применения
нанотехнологий при освоении Луны, Марса,
Венеры и создании крупных спутниковых
систем для научных исследований и мониторинга
состояния Солнца и космической среды. Строительство обитаемых баз на
Луне Пилотируемый полет на Марс Доставка
роботов на Марс (каждые 2 года) Отправка
роботов на Венеру и планеты-гиганты Созвездия
спутников для наблюдения Земли и Солнца
Созвездия спутников для изучения дальнего
космоса Телескопы с апертурой 10 м Телескопы
с апертурой 50 м Развитие систем терморегулирования,
энергообеспечения и электроники по пути
повышения прочности при одновременном
уменьшении веса, увеличения радиационной
стойкости и снижения энергопотребления
2005 2015 2025 2035 Рис. 11.
Программа применения нанотехнологий
при освоении планет Солнечной
системы На рассматриваемом временном
интервале до 2035 г. предполагается
непрерывное совершенствование основных систем КА
за счет применения нанотехнологий и наноматериалов. Это позволит уже в ближайшие годы использовать
созвездия малых спутников для мониторинга
Земли, околоземной космическойсреды и Солнца, а позднее – ввести в
строй подобные созвездия для изучения
дальнего космоса и построить космические телескопы с большой апертурой. Роботы,
созданные с применением нанотехнологий
и наноматериалов, будут играть важную роль при изучении
Марса, а также Венеры и планетгигантов
Солнечной системы, в окрестности и на
поверхности которых КА должны работать
в экстремальных условиях. И конечно же,
осуществление таких крупных космических проектов как строительство обитаемых
баз на Луне и пилотируемый полет на Марс,
немыслимо без нанотехнологий и наноматериалов, начиная от использования конструкционных
и функциональных материалов с уникальными
свойствами и заканчивая применением
разнообразных устройств и систем, обеспечивающих диагностику
состояния здоровья и жизнедеятельность
космонавтов. Заключение Для успешной
реализации рассмотренных в докладе программ
развития космических нанотехнологий и внедрения наноматериалов в космическую технику еще предстоит решить целый ряд
сложных фундаментальных и прикладных
задач, связанных с созданием новых уникальных наноматериалов с необходимыми для их применения в космической технике свойствами, а также с изучением
поведения наноматериалов и изделий на их основе в условиях космического пространства. Для решения этих задач
необходимо создать физико-математические
модели, адекватно описывающие структурные
особенности наноматериалов и механизмы воздействия факторов космического пространства различной природы на наноструктуры,
разработать технологические и испытательные
установки нового поколения для производства наноматериалов и исследования изменения их свойств в космической среде, подготовить и провестикосмические эксперименты по тестированию наноматериалов и изготовленных из них изделий.
- Структура полиморфных модификации углерода
Известные
модификации углерода (алмаз, графит, карбин)
по способу образования связи между атомами
[12] делятся на три структурные формы. В
тетраэдрической структуре, к которой
относятся кубический и гексагональный
алмазы, атомы углерода связаны четырьмя
равноценными σ-связями, направленными
под углом 109˚28’16'' друг к другу, образованными
в результате sp³-гибридизации валентных
электронов. В слоистых структурах (гексагональный
и ромбоэдрический графит) реализуется
связь с sp²-гибридизацией электронов.
Каждый атом углерода образует три σ-связи
в одной плоскости под углом 120˚. Кроме
того, неспаренные электроны каждого атома
образуют π-связь. При реализации линейной
пространственной связи, которая имеет
место в принадлежащих к цепочным структурам
карбинах, в результате перекрывания двух
орбиталей каждого из атомов - две π-связи.
Кроме того, существуют аморфные и частично
кристаллические переходные формы углерода
(сажа, кокс, стеклоуглерод и др.), в которых
реализуются различные сочетания перечисленных
типов связей.
Кристаллографическую
взаимосвязь различных модификаций углерода
можно представить в виде схемы (рис.1)
[11].
Рис. 1. Кристаллографическая взаимосвязь
различных модификаций углерода
Основные кристаллохимические характеристики различных модификаций
углерода приведены в табл. 3 [11]
Таблица 3
Кристаллохимические характеристики
различных модификаций углерода
Модификация |
Пространственная группа |
Z |
n |
a, A0 |
c. A0 |
I, A0 |
V,A0 |
P,
T/cm3 |
Графит I |
P63/mmc |
3 |
4 |
2.4611 |
6.7076 |
1.4210 |
35.2 |
2.265 |
Графит II |
R3m |
3 |
6 |
2.46 |
10.05 |
1.42 |
52.7 |
2.26 |
АлмазI |
rd3m |
4 |
8 |
3.5670 |
- |
1.5445 |
45.4 |
3.515 |
АлмазII |
P63/mmc |
4 |
4 |
2.52 |
4.12 |
1.545 |
22.7 |
3.51 |
a-карбин |
- |
2 |
18 |
5.08 |
7,80 |
- |
175.0 |
1.95 |
b -карбин |
- |
2 |
6 |
4.76 |
2.58 |
- |
58.3 |
2.25 |