Применение наноматериалов в военной технике

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ Б ВОЕННОЙ  ТЕХНИКЕ

Нанотехнологиям предстоит стать ключевой отраслью для создания сверхсовременного и сверхэффективного вооружения, а также средств связи. Композиционные материалы давно используются в оборонной промышленности. Например, для повышения прочности и уменьшения массы авиационной техники широко применяют пластики, армированные стекловолокном и углеродными волокнами. Развитие нанотехнологий привело в последние годы к возникновению совершенно нового класса таких материалов с повышенными характеристиками, а именно нанокомпозитов или композитов с нанопримесями.

Введение  наноматериалов в некоторые композиты  дает возможность почти вдвое повысить коэффициенты упругости и твердости, увеличить на 50 % прочность на растяжение и вязкость, а также в 10 раз снизить их проницаемость для различных жидких веществ. Чередование в гибридных материалах тонких слоев жестких и пластичных полимеров позволяет создать очень легкие и прозрачные щиты для индивидуальной защиты. Введение нанотрубок в качестве наполнителя придает некоторым композиционным материалам электропроводность и другие важные свойства.

Композиты с добавками углеродных нанотрубок обладают исключительно высокой прочностью при растяжении, что позволяет создавать на их основе качественно новые, высокопрочные и очень легкие конструкционные материалы.

Так называемые многофункциональные полимерные материалы могут быть использованы при изготовлении ракетных двигателей, динамичных и разворачивающихся в пространстве конструкций, а также при производстве многих стандартных предметов армейского оборудования (например, резервуаров, шин и т. п.).

В военном  деле наноматериалы применяются  в качестве радио- поглощающего покрытия самолетов-невидимок "Стелс", в новых видах взрывного оружия. В "графитовой бомбе" используются углеродные нановолокна, выводящие из строя энергосистемы противника.

Производство  более легких и прочных материалов, безусловно, будет способствовать развитию разнообразных обычных типов стрелкового и ствольного оружия, дальность действия которого возрастет за счет использования более эффективных зарядов и, соответственно, большей скорости вылета снаряда любого типа из ствола. Для баллистических ракет, самолетов и разнообразных летательных аппаратов использование более легких и прочных наноматериалов будет означать повышение скорости и дальности полета, повышение нагрузки и/или уменьшение размеров и массы всей установки.

Предполагается, что нановолокнистые композиты  постепенно вытеснят (вплоть до полной замены) сталь в качестве конструкционного материала для изготовления стволов, затворов и других элементов стрелкового и легкого оружия. В настоящее время почти все виды сердечников бронебойных снарядов и пуль изготавливаются из материалов повышенной плотности, чаще всего из сплавов вольфрама с обедненным ураном в виде цилиндрических стержней с заостренным наконечником. Подкалиберные снаряды ускоряются в оружейном стволе за счет использования гильзы, отделяющейся от снаряда после вылета из ствола. Плотность чистых вольфрама и урана составляет 19,3 и 19,0 г/см³, что почти соответствует предельной плотности упаковки тяжелых атомов кристаллической решетки в природе. Вследствие этого любые технологии, в том числе и наноматериалы, практически не могут сколь-нибудь заметным образом изменить реальную плотность таких сердечников.

Принципиально иной путь использования наноматериалов для повышения пробивной эффективности  бронебойных снарядов связан с применением взрывчатых зарядов заданной формы. В снарядах такого типа металлические наночастицы могут находиться в конической обкладке, которая при ударе и взрыве трансформируется, создавая высокотемпературную реактивную струю.

 Проблемы национальной безопасности

Министерство  обороны США более 10 лет назад  признало важность исследований по нанотехнологиям и активно способствовало развитию работ в этой области.

В США в  ближайшие годы ожидается коммерческое производство металлооксидных наночастиц (для обеззараживания боевых отравляющих веществ, для защиты армии и населения при нападении террористов), а также высокопористых нанокомпозитов в виде таблеток или гранул для очистки и дезинфекции воздуха (например, в самолетах, казармах, офисах и т п.).

Следует, однако, иметь в виду и токсическое  действие наночастиц на живые организмы. Известно отрицательное влияние частиц кремниевых соединений и бериллия на здоровье человека, но, в принципе, и другие вещества в виде ультрадисперсных порошков, включая углеродные нанотрубки, могут быть потенциально опасными и требуют осторожного обращения.

Нанотехнологии  могут, очевидно, широко использоваться при разработках многих совершенно нетрадиционных видов оружия, особенно связанных с производством новых источников энергии, новых материалов, включая электромагнитное ускорение пуль и снарядов.

В течение  ближайших 10 лет можно ожидать  появления новых типов легкого и стрелкового оружия из наноматериалов, практически не содержащих металлов, а также новой бронебойной техники.

 Броня и средства защиты

Бронирование  и средства защиты полицейских и солдат всегда являлись одной из важнейших задач. Применявшаяся ранее так называемая тяжелая защита традиционно представляла собой просто толстый слой прочного и плотного вещества (например, стали), иногда защищенного с внешней стороны тонким слоем другого материала.

В 1960-х годах американской компанией "Дюпон" был предложен материал высокой прочности — синтетическое волокно кевлар. Благодаря прочным межмолекулярным связям кевлар существенно прочнее стали и намного легче любого высокопрочного сплава.

Кевлар  был принят на вооружение для изготовления бронежилетов для защиты от пуль солдат и полицейских. В ткань вшивали металлические пластины для дополнительного увеличения прочности.

Все дальнейшие разработки также были направлены на повышение прочности и снижение массы. Японские ученые разработали для легких и удобных бронежилетов материал цейлон. Однако ни кевлар, ни цейлон, как показала баллистическая экспертиза, не давали полной гарантии для защиты персонала.

Нанотехнологии  и создаваемые на их основе новые материалы могут принципиально изменить классические виды бронезащиты.

На основе нанокомпозитов или структурированных  волокон создают очень легкие и прочные костюмы, доспехи или "униформы" из материалов, которые можно назвать легкобронированными. Такие вещества и материалы становятся все более популярными в сухопутных войсках и авиации. Надежную защиту от стрелкового оружия может обеспечить уже сейчас одежда из нановолокнистой ткани, предназначенной для изготовления сверхлегкой брони или доспехов, вдвое превосходящих по характеристикам все существующие образцы.

Нановолокнистые материалы планируется также использовать для создания тонкослойных покрытий, содержащих наноструктуры заданного типа, способных поглощать или отражать излучение заданной частоты, что должно обеспечить защиту военнослужащих от возможного лазерного или микроволнового облучения.

Можно ожидать не только разработки некоторых типов усовершенствованной тяжелой брони, но и значительных изменений в экипировке и обмундировании личного состава, а также средств защиты. Создаваемые на основе нанотехнологии материалы обычно имеют небольшую плотность и не могут служить защитой от мощных бронебойных снарядов, осколков и других элементов с высокой кинетической энергией. Возможно, такая замена станет важной в близком будущем, когда будут созданы, например, покрытия из аморфных сплавов или металлических стекол.

НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 

В БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ

Из биологических объектов в  нанодиапазон укладываются вирус, углеродная нанотрубка (от 100 до 10 нм), белковые молекулы, диаметр спирали ДНК (от 10 до 1 нм). По сути, вся молекулярная биология — это нанобиология.

Многие  исследования в области биологии и медицины проводятся в  академических институтах Урала и Сибири.

В Институте  экологии растений и животных УрО  РАН разработана технология восстановления питьевых водоемов путем ускорения деструкции иловых отложений за счет коагуляции и бактериального разложения. Использование в технологии тонких оксидных пленок позволяет получать высококачественные слои заданной толщины на различных подложках, не уступающие по уровню совершенства «идеальным» монокристаллам.

Специалисты Ботанического сада УрО РАН обосновали применение липосомальных технологий для введения в организм человека биологически активных и лекарственных веществ. Липосомы (характерные размеры от менее 100 нм до 100–1000 нм) не распознаются антигенами и не разрушаются защитной системой организма. Преимущество липосомальных лекарственных препаратов заключается в возможности их направленного транспорта в отдельные органы, ткани и клетки организма. 

В Институте  иммунологии и физиологии УрО  РАН совместно с московскими  и пермскими учеными разработана нанотехнология избирательной доставки к опухоли цитостатиков (лекарств, уничтожающих раковые клетки) с помощью альфа-фетопротеина. В развивающейся опухолевой ткани появляется множество рецепторов, которые «просят» альфа-фетопротеин. Если к нему присоединить цитостатик, он будет доставлен непосредственно в патологическую ткань и целенаправленно уничтожит опухоль. Альфа-фетопротеин — хороший стимулятор и собственных иммунных клеток организма — мононуклеарных лейкоцитов.

 Углеродсодержащие нанокомпозиты, получаемые в Институте физики металлов УрО РАН методом газофазного синтеза, нашли применение в лазерной фототермической терапии раковых опухолей, разработанной сотрудниками ИИФ совместно с коллегами из Института общей физики РАН (Москва). Наночастицы вводятся в организм посредством инъекций и в основном аккумулируются в опухоли. Затем через кожу по наночастицам в опухоли наносится адресный тепловой удар лазерным импульсом. В результате перегрева наночастиц опухоль разрушается.

На основе углеродсодержащих композитов создаются  также нанокатализаторы для синтеза кардиотропных лекарственных препаратов и уничтожения стойких органических загрязнителей, содержащих хлор. Это совместная разработка ученых ИИФ, ИОС УрО РАН.          
        Исследования на наноуровне позволяют получить более точное, чем сегодняшние методы, представление о состоянии организма в целом. В качестве такого показателя выступают в частности цитокины — физиологически активные вещества, регулирующие функциональное состояние клеток. В результате совместных исследований специалистов Института иммунологии и физиологии, Института экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН и Института вычислительной математики РАН (Москва) были выделены качественные уровни изменения содержания цитокинов, характеризующие системную воспалительную реакцию организма (нормальный, маргинальный, некритический , условно критический, критический и абсолютно критический). Определение уровня цитокинемии у больного позволяет прогнозировать вероятность развития тяжелых осложнений, септического шока и в целом исход болезни.

Вообще, почти все разработки в области нанотехнологий носят междисциплинарный характер. Совместно с математиками из ИВМ РАН уральские иммунологи исследовали механизмы хронизации вирусных инфекций на примере экспериментальной инфекции вирусами лимфоцитарного хориоменингита у мышей. Интересно, что математическая модель зависимости силы иммунного ответа от скорости размножения вирусов совпала с данными, полученными в реальномэксперименте.

В настоящее  время углеродные алмазоподобные покрытия (общепринятое название DLC), являются предметом исследования в направлении возможности их применения в медицине. Покрытия на металлических имплантатах, предназначенных для введения в организм, должны удовлетворять следующим условиям: биосовместимостью с кровью и тканями, т.е. нахождение имплантата длительное время в организме не должно вызывать разрушение тканей; химической и биостабильностью, т.е. материал покрытия не должен деградировать под действием реагентов при стерилизации и при биологическом контакте со средой организма. Дополнительно, система покрытие/имплантат должна иметь высокую адгезию. Всеми этими свойствами обладают алмазоподобные углеродные пленки, полученные различными способами. Существует несколько направлений исследования их биофункциональных свойств. Первое направление связано с перспективами их использования для имплантатов, контактирующих с кровью. Второе — с использованием их как износостойких и антифрикционных для искусственных суставов, подверженных большим нагрузкам. Третье — с исследованием их остеоиндуктивных свойств для модификации поверхности имплантатов, способных интегрироваться с костным ложем реципиента (пористые имплантаты для замещения костных дефектов). Остеоиндуктивные свойства DLC пока слабо изучены, имеется только небольшое количество работ по их исследованиям. В частности, показано, что графитоподобные аморфные углеродные пленки способствуют дифференцировке клеток, приводящей к формированию клеточной матрицы и ее минерализации.

 В экспериментах ряда ученых было установлено, что алмазоподобные углеродные пленки, полученные импульсно дуговым распылением графита в вакууме или атмосфере азота  химически стабильны, биостабильны и биосовместимы