Металлы и цены

Нанотрубки заменят металл?

Статья опубликована в номере 13 (190)-2009

Поиск по статьям

Наноразработки ведутся почти во всех отраслях промышленности электронике, энергетике, судостроении и автомобилестроении. Наша страна ведет собственные исследования и по отдельным темам продвинулась достаточно далеко.

Открытия есть и в России

Как считают западные эксперты, российский рынок нанотехнологий пока находится лишь на начальном этапе формирования. По данным агентства маркетинговых исследований Research. Techart, на текущий момент доля России в общемировом технологическом секторе составляет около 0,3%, а на рынке нанотехнологий — 0,04%. В прошлом году российские ученые получили всего 30 нанотехнологических патентов, таким образом, удельный вес российских изобретений составил менее 0,2%. Правда, по подсчетам Организации экономического сотрудничества и развития, в 2008 году доля патентов из России в нанотехнологиях составила 0,5%, но очевидно, что разница в цифрах непринципиальна.

На современном этапе Россия значительно отстает от мировых лидеров в области нанотехнологий — США, Японии и ЕС как по показателям развития НИОКР, так и по коммерциализации изобретений. Тем не менее открытия есть, но зачастую новые конкурентоспособные технологии гораздо быстрее доводятся до промышленного производства за границей, чем на родине разработчиков. Отставание производства от научного потенциала — одна из главных проблем, о которых говорят наши ученые.

Наноалмазы и другие углеродные материалы

Ученые петербургского Физико-технического института (ФТИ) им. А. Ф. Иоффе еще в 1990‑х годах стояли у истоков государственной программы разработки наноуглерода. В перспективе материалы, над которыми они продолжают трудиться, могут занять столь же обширную нишу рынка, что и традиционные углеродные материалы — графит и алмаз.

В мире уже появились такие коммерческие продукты, прежде всего суперконденсаторы и композитные материалы на основе углеродных нанотруб, лекарственные биопрепараты на основе фуллеренов и пр. США и Япония активно разрабатывают фуллерен-полимерные композиции для солнечных элементов. Их КПД уже превысил уровень 6%, что говорит о возможности их дальнейшего применения.

Теплоотводы для интегральных схем на основе упорядоченных массивов углеродных нанотруб, превзойдя по теплопроводности алмаз, были признаны на сегодня лучшими. Этим направлением наиболее активно также занимаются ученые Японии.

Отечественной науке конкурировать с Японией трудно. Технология углеродных нанотруб может быть развита только при наличии хороших методов диагностики материалов, которых в России долгое время не было.

По мнению самих ученых, чтобы не распылять понапрасну силы, необходимо сосредоточиться на разработке материалов, открытых в России и приоритет открытия которых признается всем миром за нашими учеными. Среди них — детонационные наноалмазы, нанопористый углерод, расширенный графит.

Детонационные наноалмазы — достижение еще советской науки. Суть их производства заключается в использовании сильных температур и давления на фронте ударной волны, и в результате из углерода, содержащегося в самих взрывчатых веществах, возникают алмазы. Кристаллы получаются очень маленькие, но их содержание довольно высоко — до 60%. Шихту — побочный продукт производства — используют в качестве наполнителя шин, и эта российская технология уже применяется в Турции, Болгарии и Китае.

Сфер применения самих наноалмазов очень много. Например, гальваника. Хромалмазные покрытия используются для нанесения на детали погружных нефтяных насосов, увеличивая срок их службы втрое.

Прочие сферы применения детонационных наноалмазов — использование их в смазках, при обработке поверхностей, при производстве ряда полимеров и стройматериалов, в полимер-алмазных напылениях, в медицине, биологии и в водородной энергетике.

Другой российский бренд — нанопористый углерод — был разработан в Санкт-Петербургском технологическом институте. Такой углерод активно применяется в качестве активного материала в суперконденсаторах — ионисторах с емкостью до 5000 фарад. Рост производства и применения суперконденсаторов сейчас превышает аналогичные показатели для других типов источников тока. Однако возможность роста отечественного производства ионисторов ограничена отсутствием отечественного производства нанопористых углеродных материалов. В настоящее время имеется лишь лабораторная технология. По данным ФТИ им. Иоффе, производство этого материала в нашей стране составляет менее 100 граммов в год.

Еще одна нанотехнология ФТИ связана с фуллеренами. Речь идет о трековых мембранах. Такие материалы применяются в качестве фильтров в системах очистки крови.

Эти и другие разработки производятся в сотрудничестве с потенциальными производителями. Однако, как отмечают сами ученые, если помедлить с выпуском этой, придуманной в России, продукции, то уже через несколько лет пробиться с ней на рынок будет практически невозможно.

Лазеры и светодиоды

В стенах ФТИ развивается немало направлений с приставкой «нано», и еще одно из них — электронные приборы на основе наногетероструктур. Лазеры синего диапазона доведены до промышленного производства в Японии и используются в blue-ray проигрывателях. Однако ни нашим, ни зарубежным ученым пока не удалось сдвинуться ни в зеленую, ни в ультрафиолетовую область спектра, а это могло бы открыть совершенно новые области применения лазеров. В ФТИ ведется разработка зеленых лазеров.

Фемтосекундный лазер — тема, над которой также трудятся ученые ФТИ. Он незаменим для экологической и медицинской диагностики, анализаторов газов и жидкостей.
В ФТИ им. Иоффе налажено производство малых серий светодиодов для спектрального анализа и экологического мониторинга.

Еще одно перспективное направление работы петербургских ученых — солнечные фотопреобразователи. Это тандемные фотоприемники с концентраторами и эффективностью до 50%. Стоят такие солнечные батареи существенно дороже, чем обычные кремниевые, однако они очень эффективно работают при концентрации солнечной энергии с помощью линзы. В результате стоимость 1 ватта энергии, вырабатываемого такими элементами, составляет 1,5‑2 доллара США.

Опытные производства

Возможно, лучший способ в наших условиях заинтересовать потенциальных производителей новыми материалами — это начать выпускать их самим ученым. По этому пути решили пойти ученые из ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей».

Одно из направлений деятельности института — создание металлических наноструктурированных материалов. Они предназначены для судостроения, атомной энергетики и топливно-энергетического комплекса. В первую очередь, это всевозможные стали и сплавы с наноструктурным упрочнением. Здесь разрабатываются технологии создания неразъемных соединений, то есть методов сварки новых материалов. В «Прометее» создаются наноматериалы для конструкционно-функциональных элементов, например, износостойкие и коррозионностойкие покрытия, магнитные защиты.

В настоящее время в институте работают над созданием малоактивированных сталей, которые имеют очень низкую активность и позволяют утилизировать материал атомных реакторов или трубопроводов по завершении срока работы. Подобные материалы не имеют аналогов.

Разрабатываемые в «Прометее» технологии повышения коррозионной стойкости и износостойкости продлевают срок службы изделий в несколько раз и позволяют существенно снизить содержание дорогостоящих легирующих элементов.

Кроме работы над сталями, идут работы над наноструктурированием титановых и алюминиевых сплавов. Они найдут практическое применение при производстве ядерного топлива или при сварке металлов, которые невозможно соединить другим путем, что используется, например, в судостроении. Также титановые сплавы применяются в биоимплантантах.

Еще одно направление деятельности ученых института «Прометей» нацелено на создание новых полимерных наноматериалов. Антифрикционные углепластики применяются в крупногабаритных подшипниках скольжения. Удалось найти решение проблемы расширения круга металлов и материалов, с которым должен работать углепластик, например с титаном и коррозионностойкими сплавами. Использовано нанесения на углепластиковую поверхность антифрикционной нанопленки из фторопласта толщиной 100 нанометров.

Создание новых, наноструктурированных образцов полимерных материалов позволило добиться снижения шума вибрации в три раза по сравнению с прежними материалами.
Еще одним полимерным материалом, разработанным в «Прометее», является металлополимерный анод с покрытием из наноструктурированной платины, использование которого препятствует коррозионному процессу.

Применение нанотрубок в автомобилестроении

В последнее время ведутся работы по созданию летающего автомобиля. Сообщается, что стоимость опытных образцов по авиационным меркам не такая уж большая, но транспорт должен быть недорогим и сравнительно экономичным.

Для того чтобы поставить летающую технику на конвейер, необходимо решить несколько задач, одна из которых — создание прочного и легкого корпуса на основе нанотехнологий с применением нанотрубок. Создать их с необходимыми свойствами пока не удается. Тем не менее, промышленность уже способна создать квазинанотрубки с приемлемыми свойствами.

Квазинанотрубка, созданная на основе патентов РФ, представляет собой тонкостенную трубку диаметром около 7 миллиметров с толщиной стенки около 0,1 миллиметра, изготовленную из нержавеющей стали. Она покрыта оплеткой из прочных нитей и заполнена нейтральным газом под высоким давлением.

Испытания показывают, что трубки легко удерживают рабочие давления свыше 30 МПа. Длина таких напряженных нитей может доходить до 15 метров.

Создать корпус автомобиля из такого материала, отвечающего необходимым требованиям прочности и веса, — посильная задача. Основной объем материала занимает нейтральный азот, что позволяет создавать сравнительно недорогую конструкцию. Небольшое количество сжатого газа в единичных объемах и высокое аэродинамическое сопротивление тонкой трубки обеспечат надежную и безопасную эксплуатацию.

По материалам eprussia.ru