Нанотехнологии Понятие и основные принципы нанотехнологии
В мире нет ничего сильнее идеи, чье время пришло. Виктор Гюго
- Новые технологии – это то, что венчает многогранное движение человечества вперёд по пути прогресса. Технологии определяют качество жизни каждого человека и мощь государства.
- Нанотехнологии – технология объектов, размеры которых порядка 10-9 м (атомы, молекулы); включает атомную сборку молекул, новые методы записи и считывания информации, локальную стимуляцию химической реакций на молекулярном уровне и др.
- При этом любую химическую реакцию нельзя рассматривать как нанотехнологию
- Новые технологии – это то, что венчает многогранное движение человечества вперёд по пути прогресса. Технологии определяют качество жизни каждого человека и мощь государства.
- Нанотехнологии – технология объектов, размеры которых порядка 10-9 м (атомы, молекулы); включает атомную сборку молекул, новые методы записи и считывания информации, локальную стимуляцию химической реакций на молекулярном уровне и др.
- При этом любую химическую реакцию нельзя рассматривать как нанотехнологию
Диаметр атомов – от 0,1 до 0,3 нм
Толщина нитей ДНК – около 2 нм
Диаметр эритроцитов – 7000 нм
Толщина человеческого волоса – 80 000 нм
Другие важные определения - Нанонаука (nanoscience) – изучение наноразмерных материалов, процессов, явлений или устройств (Стандарт Е 2456-06).
- Наноконструирование (nanostructured) – объединение физически или химически различных компонентов, по крайней мере, один из которых имеет наноразмер в одном или более направлениях (Стандарт Е 2456-06).
- Наноматериалы – это материалы, состоящие из элементов с размерами от 1 до 100 нм (Решение Европейской комиссии от 18.10.2011 г.).
Определения наноматериалов - Наноматериалы (нанофазные материалы, наноструктурированные материалы, объемные наноматериалы) – материалы, содержащие более 10% по объему наноразмерных элементов.
- Наномодифицированные материалы – материалы, содержащие менее 10% по объему наноразмерные элементы.
«К такой категории нанопродукции относятся в первую очередь разнообразные изделия с наноупрочняющими или иными нанофукциализирующими покрытиями. Считать такие продукты продуктами наноиндустрии можно лишь в том случае, если нанокомпоненты создают принципиально новые функциональные и потребительские характеристики нанопродукции и нанокомпоненты являются неотъемлемой частью произведенного изделия». Академик РАН М.В. Алфимов
Структура наноматериалов Атомная структура наноматериала Определения наноматериалов - Наноматериалы (нанофазные материалы, наноструктурированные материалы, объемные наноматериалы) – материалы, содержащие более 10% по объему наноразмерных элементов.
- Наномодифицированные материалы – материалы, содержащие менее 10% по объему наноразмерные элементы.
«К такой категории нанопродукции относятся в первую очередь разнообразные изделия с наноупрочняющими или иными нанофукциализирующими покрытиями. Считать такие продукты продуктами наноиндустрии можно лишь в том случае, если нанокомпоненты создают принципиально новые функциональные и потребительские характеристики нанопродукции и нанокомпоненты являются неотъемлемой частью произведенного изделия». Академик РАН М.В. Алфимов
- Технология «сверху – вниз» (объемные технологии)
- Технология «снизу – вверх» (механосинтез)
Общий вид наноматериала - Технология «сверху – вниз» (объемные технологии)
- Технология «снизу – вверх» (механосинтез)
Механосинтез Дефиниции - Технология (от греч. techne – искусство, мастерство, умение и ...логия), совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката, осуществляемых в процессе производства продукции; научная дисциплина, изучающая физические, химические, механические и другие закономерности, действующие в технологических процессах. Технологией называют также сами операции добычи, обработки, транспортировки, хранения, контроля, являющиеся частью общего производственного процесса.
- Приставка «нано» – первая составная часть наименований единиц физических величин, служащая для образования наименований дольных единиц, равных миллиардной доле исходных единиц.
- Нанотехнология – это совокупность методов получения продукции (изделий) посредством организации вещества на наноуровне.
Мифы нанотехнологии - Безотходность технологии
- Наномашины и нанороботы
- «Серой слизи»
Нанороботы
Медицинский наноробот
Наноробот - сборщик (ассемблер)
Заблуждения нанотехнологии - Нанотехнология или нанотехнологии?
- Нанотехнология начинается с размеров частиц меньше 100 нм?
- Применение нанотехнологии позволит получить лёгкие и прочные строительные материалы
Размерная граница нанотехнологии - Новые технологии – это то, что венчает многогранное движение человечества вперёд по пути прогресса. Технологии определяют качество жизни каждого человека и мощь государства.
- Нанотехнологии – технология объектов, размеры которых порядка 10-9 м (атомы, молекулы); включает атомную сборку молекул, новые методы записи и считывания информации, локальную стимуляцию химической реакций на молекулярном уровне и др.
- При этом любую химическую реакцию нельзя рассматривать как нанотехнологию
Зависимость прочности материала от плотности Способы получения нанообъектов - По способу синтеза
- По способу организации синтеза
- По пригодности к промышленному производству
- По способу синтеза
- По способу организации синтеза
- По пригодности к промышленному производству
Способы синтеза Низкотемпературная плазма - Сущность метода: Плазменные установки включают генератор плазмы, реактор и устройство для закалки продуктов реакции. Наиболее простой способ – электрическая дуга в инертной атмосфере. Парообразующий материал может не только вводится в плазму извне, но и являться материалом катода. Температура струи пара 7000 К, за границе столба резко снижается (со скоростью 10-4 К/мм), что приводит к конденсации пара и образованию наночастиц.
- Размер наноструктур: Метод позволяет получать сферические частицы с диаметром 5-100 нм, часто с кристаллическим ядром и аморфным поверхностным слоем.
- Достоинства: Возможность к минитюаризации, легкость в управлении и оптимизации.
- Применение: В электрической дуге получают в достаточно большом количестве углеродные нанотрубки, для выделения которых используют окисление, обработку в кислотах и ультразвуковую обработку.
Способ синтеза Молекулярные пучки (частный случай – вакуумное испарение) - Сущность метода: конденсировании на подложке атомов (молекул) или их кластеров, испускаемых источником, нагретым до высокой температуры в высоком вакууме.
- Размер наноструктур: Метод позволяет получать металлические монослои, толщиной 5-100 нм.
- Достоинства: Можно формировать многослойные эпитаксиальные покрытия и рисунки (с использованием соответствующих масок)
- Недостатки: Необходимость создания глубокого вакуума, низкая производительность.
- Применение: Для получения оптических и проводящих покрытий, в микроэлектронике – для локальной кристаллизации на выбранных участках и получения гетероструктур.
Способ синтеза Газофазовый синтез (конденсация паров, аэрозольный метод, PVD) - Сущность метода: изолированные наночастицы обычно получают испарением металла или полупроводника при контролируемой температуре в атмосфере инертного газа низкого давления с последующей конденсацией пара вблизи или на холодной поверхности.
- Размер наноструктур: Сферические и ограненные металлические, оксидные, карбидные, нитридные частицы размером от 2 до несколько сотен нанометров.
- Достоинства: Простой и производительный способ получения нанокристаллических порошков, которые мало агломерируются и сохраняют низкую температуру спекания. Этот метод применяется для нанесения наноструктурных пленок различного функционального назначения.
- Недостатки: Широкое логарифмически-нормальное распределение частиц по размерам.
- Применение: Применяется для получения ультрадисперсных порошков Al2O3, Fe2O3, TiO2, CeO2, Cr2O3, ZnO, In2O3, ZrO2 имеет производительность 20 г/ч.
Способ синтеза Ионная бомбардировка - Сущность метода: для испарения металлической мишени используется потоки ионов высокой энергии. Предварительно ионы ускоряются и селектируются. Бомбардировка осуществляется в вакууме. Осаждение производится на подложку.
- Размер наноструктур: Металлические кластеры 2-100 атомов.
- Достоинства: Металлические наночастицы малого размера и узкого распределения по размерам.
- Недостатки: Сложное оборудование.
- Применение: Применяется для получения функциональных покрытий на различные материалы.
Способ синтеза
Катодное распыление
- Сущность метода: Разрушение катода в газовом разряде бомбардировкой положительными ионами приводит к образованию потока частиц материала катода к аноду (расстояние между электродами 2-4 см, давление инертного газа – 0,1-10 Па). На аноде размещают подложку для осаждения атомов металла.
- Размер наноструктур: Металлические частицы с размером частиц более 20 нм и фрактальные агрегаты из этих частиц.
- Достоинства: Коэффициент конденсации близок к единице, т.е. все атомы попадают на мишень. Высокая гибкость, легкость управления и возможность без нагрева получать наночастицы тугоплавких металлов.
- Недостатки: Сложное оборудование и низкая производительность.
- Применение: Установки магнетронного типа широко используются для нанесения на стекло различных функциональных наноразмерных покрытий: тепло- и солнцезащитных, упрочняющих проводящих, грязеотталкивающих, фотокаталитических, электрохромных и других. Линии магнетронного напыления покрытий действуют на стекло в Саратове и Подмосковье.
Способ синтеза
Механическое диспергирование
- Сущность метода: Разрушение частиц материала в мельницах (шаровых, вибрационных, бисерных, коллоидных, аттриторах, планетарных дифференциальных центробежных машинах). Процессу измельчения препятствует агломерация (слипание) частиц.
- Размер наноструктур: Размер агломератов, которые состоят из кристаллитов размером не менее 10-20 нм, превосходит уровень 100 нм.
- Достоинства: Механическое истирание является наиболее производительным способом получения больших количеств нанокристиллических порошков различных материалов: металлов, сплавов, керамики и др.
- Недостатки: Невозможность получения тонких порошков, загрязнение материалом футеровки и мелющих тел, окисление, высокие затраты энергии, низкий КПД.
Способ синтеза
Электрический взрыв
- Сущность метода: Пропускание через тонкую проволоку (диаметр до 1 мм) мощного импульса тока (106 А/мм2) приводит к мгновенному разогреву проводника и к взрывному испарению его материала в виде наночастиц.
- Размер наноструктур: Ультрадисперсные частицы имеют высокий запас внутренней энергии и размер от 20 нм до 100 мкм.
- Достоинства: Простая техника, производительность 50-200 г/ч, энергозатраты до 50 кВтч/кг.
- Недостатки: Использование только токопроводящих материалов, порошки имеют широкое распределение по размерам частиц.
- Применение: Синтез нанопорошка для керамики на основе Al2O3 из алюминиевых проволок.
Способ синтеза Плазмохимический синтез - Сущность метода: В низкотемпературной плазме между исходными веществами могут протекать химические процессы. На следующем этапе, после закалки продуктов реакции, происходит выделение наночастиц из потока.
- Размер наноструктур: Частицы металлов, нитридов, боридов, карбидов, оксидов плазмохимических порошков имеют размер от 10 до 100-200 и более нм.
- Достоинства: Плазмохимический синтез отличается достаточно высокой производительностью.
- Недостатки: Широкое распределение частиц по размерам, низкая селективность процесса, высокое содержание примесей в порошке.
- Применение: Применяется для получения фуллеренов, нанотрубок и металлокарбогедренов (Ti8C12).
Способ синтеза Ударные волны (трубы) - Сущность метода: Образование металлических кластеров в результате больших пересыщений металлического пара, образующегося при высокотемпературном распаде (1000-2000 К) металлосодержащих соединений в ударной трубе. Ударная труба состоит из двух камер: камера высоко давления заполнена инертным газом, а камера низкого давления – парами металлоорганического соединения с инертным газом. Камеры разделены мембраной, которая разрываясь порождает ударную волну.
- Недостатки: Малая производительность, узкий круг используемых веществ, необходимо специальное помещение и специальное оборудование для выделения наночастиц.
Способ синтеза Механохимический синтез - Сущность метода: Инициирование химических реакций на поверхности твердого тела, подвергающегося измельчению, вследствие которого повышается дефектность поверхностных слоев.
- Размер наноструктур: Возможен синтез карбидов, нитридов, боридов и других соединений с различной степенью дефектности и размером от 10 нм. Агрегаты из частиц достигают размеров нескольких микрометров.
- Достоинства: Относительно высокая производительность, возможность получения нанокомпозитов, наибольшая экологическая чистота.
- Недостатки: Загрязнение порошка материалом футеровки и мелящих тел, ограниченность минимального частиц. Широкое распределение по размерам.
Способ синтеза
Взрывной синтез
- Сущность метода: Инициирование взрыва в смеси исходных компонентов приводит к резкому возрастанию давления и температуры, что способствует протеканию химических реакций.
- Размер наноструктур: Частицы, полученные ударно-волновым способом имеют размер 50 нм, детонационным способом – 1-5 нм (наблюдается образование агрегатов с размером до 5 мкм, в том числе фрактальных).
- Достоинства: Узкое распределение частиц по размерам.
- Недостатки: Специальное оборудование, трудоемкий процесс подбора режима синтеза.
- Применение: Синтез ультрадисперсных алмазов, стабильных при высоких давлениях фаз, синтез нитрида углерода, оксидов, нитевидных нанокристаллов MgO.
Криогенный метод - Сущность метода: Распыление коллоидного или истинного раствора в камеру с криогенной средой, затем давление в камере понижают и материал нагревают. Полученные тончайшие пористые гранулы прокаливают.
- Размер наноструктур: Частицы с размером 0,5-5 нм.
- Достоинства: Возможность получения и исследования высокоактивных частиц, монодисперсность.
- Недостатки: Агрегация частиц при повышении температуры, сложное оборудование, необходимость работы при низких температурах, высокие энергозатраты, низкая скорость криосушки, малая универсальность метода.
- Применение: Получение наночастиц с расходом солевого раствора 22-25 л/ч и потребляемой мощностью 300 кВт.
Электроэрозионный метод - Сущность метода: Эрозия электродов, погруженных в жидкость, под действием электрического тока. Разрушение происходит из-за образования микродуг и приводит к образованию высокодисперсных порошков.
- Достоинства: Получение плотных, малопористых наноматериалов.
- Недостатки: Сложность управления параметрами микродуг, приводящая к широкому распределению размеров частиц, малая воспроизводимость свойств порошка.
Осаждение из растворов (водной, неводной) - Сущность метода: Частицы получают из коллоидных растворов путём прерывание реакции в определённый момент синтеза. Система переводится в твёрдое дисперсное состояние удалением жидкой фазы фильтрованием, центрифугированием, электорофорезом или сушкой.
- Размер наноструктур: Металлические кластеры от 300 атомов, методами обратного осаждения – 3-5 нм.
- Достоинства: Высокая селективность метода, получение стабильных нанокластеров и нанокристаллических частиц с очень узким распределением по размеру.
- Недостатки: Агрегация частиц, использование опасных реагентов, загрязнённость осадка побочными веществами.
- Применение: Производство катализаторов, ультрадисперсного SiC, нанесение покрытий в микроэлектронной технике, получение частиц с покрытиями, синтез керамики ZrO2-HfO2-Y2O3 с размером зёрен 60 нм.
Осаждение из расплавов - Сущность метода: Частицы получают из коллоидных растворов путём прерывание реакции в определённый момент синтеза, однако жидкой средой служат расплавы солей или металлов. Синтез проводят при высоких температурах. Для выделения частиц металл или соль растворяют.
- Достоинства: Простая технология получения нанокомпозитов, несложное оборудование.
- Недостатки: Агрегация частиц, использование опасных реагентов, загрязнённость осадка побочными веществами.
- Применение: Загрязнение порошков компонентами расплава и материала тигля, протекание побочных реакций, потеря свойств наночастиц при взаимодействии с расплавом или травильным раствором.
Золь-гель метод - Сущность метода: Образование золя и переведение его в гель. Золь с размерами частиц 1-1000 нм получают конденсационным или диспергационным методами. Затем концентрацию дисперсной фазы увеличивают, а дисперсионную среду удаляют.
- Достоинства: Доступность, технологичность, возможность регулировать распределение, размер и стабильность наночастиц.
- Недостатки: Продолжительность стадии удаления растворителя, высокая (до 70%) усадка изделий, полидисперсность частиц, невозможность получения анизотропных частиц и пространственно-упорядоченных систем, взаимодействие частиц с растворителем.
- Применение: Синтез сорбентов, катализаторов, синтетических цеолитов, неорганических вяжущих веществ, керамики, стекла со специальными свойствами.
Термическое разложение (пиролиз) - Сущность метода: Осуществляется термическим разложением элементоорганических веществ, нитритов, оксалатов, амидов карбонилов амидов, гидроксидов металлов с образованием синтезируемого вещества и выделением газовой фазы. Термолиз проводится в жидком, твердом, газообразном состоянии, распылением растворов в разогретую камеру.
- Размер наноструктур: Нижняя граница – не менее 10 нм.
- Достоинства: Малая энергоёмкость, высокая технологичность оборудования, получение одно- и многослойных плёнок, простота легирования примесями, контролируемость процесса.
- Недостатки: Невысокая селективность и загрязнение продукта.
- Применение: Получение полупроводниковых наноструктурных плёнок на основе SnO2, нанопористой керамики, нанесение токопроводящих покрытий.
Электрохимическое осаждение - Сущность метода: Электрокристаллизация на электродах, погруженных в растворы (расплавы) солей, наночастиц.
- Размер наноструктур: Сфероподобные частицы размером 10 нм, наностержни длиной 80…120 нм, пористые пленки.
- Достоинства: Получение анизотропных частиц, экспериментальная доступность, возможность контроля и управления процессом получения наночастиц.
- Недостатки: Загрязнённость продукта, сложность выделения частиц и дезагрегации.
Темплатный метод (метод шаблонов) - Сущность метода: С помощью наночастиц организуется упорядоченная структура (шаблон), свободное пространство между элементами которой заполняется требуемым материалом. Затем шаблон вытравливается и остающаяся структура – нанокомпозит.
- Достоинства: Возможность получения композита с заданной наноструктурой.
- Недостатки: Трудность подбора шаблона и его организации в требуемую упорядоченную структуру.
- Применение: Применяется для формирования однородной микропористой керамики на основе SiO2, TiO2, ZrO2 с применением в качестве темплата монодисперсных масляных капель в воде и золей соответствующих соединений. Для получения фотонных кристаллов, нанопроволок, наностекол, неуглеродных нанотрубок и др.
Получение наноструктур в нанореакторах - Сущность метода: Ограничение роста наноструктур «стенками» нанореактора, которым могут быть твердые вещества, способные к интеркаляции (графит, сульфид молибдена, слоистые силикаты, цеолиты и др.), а также органические вещества (амфифильные блок-сополимеры, мицеллы и визикулы ПАВ, пленки Ленгмюра – Блоджетт).
- Достоинства: Получение монодисперсных порошков, анизотропные и модифицированные наночастицы и наноматериалы, стабилизированные наночастицами, простота методик, легкость регулирования и доступность реагентов и оборудования.
- Применение: Для получения оптических и магнитных многослойных покрытий, получение квантовых точек, стеклянные нанопористые материалы.
Интенсивная пластическая деформация - Сущность метода: Дробление (фрагментирование) структуры металла под действием интенсивных пластических деформаций, вызванных кручением при сжатии, резким изменением направления деформирования. При этом в материале формируются малоразмерные когерентно рассеиваемые области (кристаллиты).
- Достоинства: Возможность получения крупногабаритных беспористых наноматериалов.
- Применение: Инструменты для машиностроения и медицины.
Ионная имплантация - Сущность метода: Насыщение поверхностного слоя изделия высокоэнергетичными ионами металлов, что обеспечивает их проникновение на определенную глубину. Затем проводят специальный отжиг.
- Достоинства: Технологичный способ внедрения примесей металлов в диэлектрики. В отличие от ионного обмена, золь-гель технологии метод позволяет насыщать поверхностный слой ионами любых металлов. Строгий контроль концентрации, пространственного расположения как по поверхности, так и по глубине.
- Недостатки: Процесс весьма сложен зависит от большого числа факторов, дорогостоящее оборудование.
- Применение: Стекла с имплантированными в поверхность металлическими наночастицами необходимы для создания нелинейных оптических сред, комбинированных оптоэлектронных устройств и магнитных запоминающих элементов.
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез - Сущность метода: За счет высокоэкзотермической реакции между порошками исходных компонентов, спрессованных в заготовку, в системе из-за неравновесности и эффекта «памяти формы» продукты реакции имеют наноразмеры. СВС – это автоволновой процесс, аналогичный распространению волны горения только в твердом теле.
- Достоинства: Синтез материалов в одну стадию, которая не требует высоких энергетических затрат.
- Недостатки: Большое количество агрегированных частиц, невысокий выход целевого продукта, необходимость тонкого измельчения исходных порошков.
- Применение: Метод позволяет синтезировать порошки тугоплавких соединений, абразивные пасты, керамику, детали и изделия заданной формы, огнеупоры, высокотвердые материалы.
Кристаллизация и микроликвация - Сущность метода: Получение наночастиц и наноструктур в твёрдых аморфных веществах путём частичной кристаллизации или микроликвационным расслоением.
- Достоинства: Простота и возможность промышленного производства наноматериалов.
- Недостатки: Пространственно неупорядоченное расположение частиц по объёму, широкое распределение размеров частиц.
- Применение: Получение стёкол, окрашенных молекулярными и коллоидными красителями, пористых стёкол, нелинейно-оптических систем, ситаллов, фотонных кристаллов, анизотропных мембран, стёкол, содержащих квантовые точки. В ликвирующих матрицах выращивают нанокристаллы галлоидов меди.
Гетерофазный синтез - Сущность метода: Основан на замещении катионов или анионов твёрдой фазы на катионы или анионы окружающей жидкой среды.
- Применение: Получение слоистых наноструктур, наночастиц с покрытиями.
Селективное травление - Сущность метода: Осуществляется удалением одного из компонентов микрогетерогенной системы в результате химических реакций или анодного растворения.
- Достоинства: Доступность оборудования и простота методики.
- Недостатки: Широкое распределение размеров пор.
- Применение: Получение пирофосфорных ультрадисперсных порошков, мезопористых стёкол. Широко применяется в литографических процессах при производстве микроэлектронных устройств.
Восстановление соединений - Сущность метода: Восстановление некоторых соединений (гидроксидов, хлоридов, нитритов, карбонатов) до свободных наноразмерных частиц металлов в токе водорода или при действии других восстановителей при температуре 500К.
- Размер наноструктур: Металлические кластеры от 2 нм, золи металлических частиц – 10…15 нм.
- Достоинства: Низкое содержание примесей и узкое распределение частиц порошков по размерам. Доступность реагентов, высокая скорость реакции.
- Недостатки: Загрязнённость продукта, сложность выделения частиц.
- Применение: Получение металлических катализаторов на носителях (силикагель, цеолит и др.), применяемых в промышленности, а также покрытий на наночастицах.
Способы исследования свойств нанообъектов Методы и оборудование - Исследование структуры
- Исследование дисперсного состава
- Исследование реологических свойств
- Исследование теплофизических свойств
- Исследование физико-механических свойств
- Исследование стойкости в эксплуатацион-ных средах
Оборудование для исследования структуры - Малоугловой рентгеновский дифрактометр
- Рентгеновский дифрактометр
- Электронный микроскоп
- Ядерно-магнитный релаксометр
- Атомно-силовой микроскоп
- Анализатор удельной поверхности порового пространства
- Оптический микроскоп
Оборудование для пробоподготовки - Комплект для термометрического титрования
- рН-метр/иономер для высокоточного измерения рН
- Ультразвуковой гомогенизатор
- Планетарная шаровая мельница
- Автоматический прецизионный отрезной станок
- Шлифовально-полировальная машина с импрегнатором для холодной заливки
Оборудование для исследования дисперсного состава - Лазерный анализатор размеров, зета-потенциала и молекулярной массы частиц
- Лазерный анализатор размеров частиц
Оборудование для исследования теплофизических свойств - Высокотемпературный дифференциальный сканирующий калориметр
- THB-анализатор теплопроводности и температуропроводности твердых образцов, порошков, паст и жидкостей c климатической камерой
- Ультразвуковой гомогенизатор
- Спектрометр комбинационного рассеяния на платформе конфокального микроскопа
- Вертикальный дилатометр
Оборудование для исследования реологических, физико-механических свойств и стойкости материала - Ротационный вискозиметр с комплектом дополнительных измерительных ячеек и аксессуаров
- Универсальное сервогидравлическое оборудование для определения физико-механических характеристик материалов
- Акустико-эмиссионная система
- Камера комплексных испытаний
Свойства нанообъектов Физические причины повышения свойств наноматериалов Поверхностное натяжение
Уравнение Гиббса-Толмена-Кенига-Бафа
Модель изменения поверхностной энергии
ap
ap
df
V(Nv)
S(Ns)
Схема расчета
Модель твердого тела
Объем
Поверхность
Не скомпенсированные связи
Прочность Температура плавления
Зависимость температуры плавления наночастиц алюминия от их радиуса
Взято из Lai et al. (Applied Physics Letters, 1998, v. 72:1098-1100).
- При уменьшении диаметра наночастиц олова до 8 нм их температура плавления снижается на 100оС (от 230оС до 130оС).
- Самое большое снижение температуры плавления (более чем на 500оС ) обнаружено у наночастиц золота.
Смачиваемость поверхности
Уравнение Венцеля – Дерягина
Задачи нанотехнологии - Методология технико-экономической оценки внедрения нанотехнологии в строительство
- Токсикологическое влияние нанообъектов на здоровье человека
- Определить рациональную траекторию наноструктурирования строительных материалов
Задача №1
qef=
Фk
C
C – относительная стоимость
технологии
Фk– относительное изменение
обобщённого показателя
качества материала
Коэффициент эффективности:
- Разработать методики расчета экономических показателей, учитывающих
весь жизненный цикл работы материала.
- Сформулировать обобщенный критерий качества материала.
- Установить перечни и граничные значения свойств материала.
Ключевые подзадачи:
Обобщенный критерий качества
Методика оценки экономической целесообразности внедрения новой технологии - Критерий экономической целесообразности
qi – расход ресурса на изготовление изделия
ti – продолжительность эксплуатации
qp – расход ресурса на поддержание изделия в работоспособном состоянии
tp – продолжительность межремонтного периода
qe – энергопотребление в процессе эксплуатации изделия
Критерий экономической эффективности Результаты моделирования Задача №2 - Наночастицы, на введении которых основаны разрабатываемые технологии как российских, так и зарубежных строительных материалов, могут попадать в организм человека через органы дыхания, желудочно-кишечный тракт или другими путями. Причём негативные эффекты от введения нанотрубок превосходили результаты воздействия асбеста и кристаллического кремнезёма. Такие же проблемы выявлены при использовании наночастиц титана и серебра.
Ключевые подзадачи:
- Подобрать способы и режимы обработки, обеспечивающие однородное
распределение наночастиц по объему среды-носителя и строительного материала
2) Подобрать вспомогательные вещества, обеспечивающие агрегативную
стабильность коллоидных систем и удаляющиеся для реализации потенциала
наночастиц
Проблемы обеспечения однородного распределения
1) Сила притяжения при do<
(
)
(
)
2
2
4
o
2
o
p
2
1
1
2
2
4
d
+
d
-
+
ç
è
æ
ç
è
æ
p
=
l
d
k
E
d
F
ç
è
æ
ç
è
æ
2) Сила притяжения Бьеркнеса
(при протяженных агрегатах)
j
J
ç
è
æ
pr
=
cos
2
4
2
2
4
o
h
d
F
B
ç
è
æ
3) Сила притяжения Бернулли
2
2
6
o
2
2
3
h
d
F
Be
n
ç
è
æ
pr
=
ç
è
æ
При =1500…2000 м/с и λ =dо=10…100 нм частота равна n=15…200 ГГц. При таких частотах (область гиперзвука) происходит быстрое поглощение звуковой энергии и она расходуется на различные физические процессы и преобразование вещества.
Влияние ПАВ
Энергетический потенциал:
σ – поверхностное натяжение;
r – радиус наночастицы;
k – постоянная Больцмана;
T – температура;
C∞ – концентрация вакансий в макротеле;
Cr – концентрация вакансий в наночастице
∆V – изменение объема кристалла при замене атома на вакансию
E = psr2 + kT(Cr − C∞)
Cr= C∞exp
ç
è
æ
D
s
VkT
r
2
ø
ö
ç
Задача №3 - Введение в материал синтезированных нанообъектов
- Синтез нанообъектов в материале в процессе его изготовления
История развития нанотехнологии в строительном материаловедении
При создании материалов с разнообразными свойствами наноразмерные особенности структуры не всегда являются определяющим фактором. Для большинства материалов, особенно объёмных, целесообразно рассматривать различные уровни структуры от нанометровых до миллиметровых и понимать, что они тесно взаимосвязаны. В некоторых случаях определяющими являются фрагменты не нано-, а микрометровых размеров и поэтому в общем следует стремиться к созданию материалов с оптимальным размером фрагментов их структуры, определяющим функциональные или конструктивные свойства.
Д. Вайтсайд
Отечественный и зарубежный опыт Нормативные документы Дополнительная полезная информация - Методические указания МУ 1.2.2520-09 «Токсиколого-гигиеническая оценка безопасности наноматериалов»
- Область применения: Требования, изложенные в настоящих методических указаниях, применяются при осуществлении государственной регистрации продукции, полученной с использованием нанотехнологий или содержащей наноматериалы, впервые разрабатываемой и внедряемой для промышленного изготовления на территории Российской Федерации на этапе ее подготовки к производству, а также впервые ввозимой и ранее не реализовывавшейся – до ее ввоза на территорию Российской Федерации.
Комплект документов - Область применения и рекомендуемые уровни внесения; торговое, химическое наименование наноматериала; точное название, адрес, реквизиты изготовителя; метод получения; состав наноматериала (название и формула(ы) вещества или веществ, входящих в его состав, его (их) молекулярная масса); сведения об идентичности представленного образца выпускаемой продукции; нормативно-техническую документацию на отечественную продукцию, включая все конструкционные элементы; протоколы отдельных разделов токсиколого-гигиенических испытаний на безопасность продукции (если таковые имеются), выполненных в аккредитованных лабораториях; специфический метод определения наноматериалов в продукции; для оценки многокомпонентных материалов, если наноматериал находится в растворителе или на носителе, подробная рецептура композиции;
- Реквизиты импортной продукции дополнительно должны содержать: сертификаты фирмы-производителя о безопасности продукции, протоколы испытаний в аккредитованных лабораториях (центрах) зарубежных стран; физические характеристики наноматериалов (размер и распределение по размеру частиц, форма частиц, площадь поверхности, пористость, агрегатное состояние); физико-химические характеристики наноматериалов (растворимость в воде и биологических жидкостях, заряд частиц, кристаллическая структура, адсорбционная емкость, устойчивость к агрегации, гидрофобность, адгезия наночастиц к поверхности, химическая активность (в том числе способность генерировать свободные радикалы), способность к биодеструкции; молекулярно-биологические характеристики (взаимодействие с ДНК, РНК, клеточными мембранами, белками); цитологические характеристики (цитотоксичность, способность к накоплению в клетках, влияние на протеомный и метаболомный профиль); токсикологические характеристики (потенциальные пути проникновения в организм, острая токсичность, подострая токсичность, хроническая токсичность, кумулятивное действие, местнораздражающее действие, отдаленные эффекты (мутагенность, эмбриотоксичность, тератогенность, канцерогенность), иммунотоксичность, аллергенность, накопление в органах и тканях, проницаемость барьеров организма для токсикантов, проникновение через барьеры организма); разрешение уполномоченных органов страны-изготовителя на использование наноматериалов в странах-импортерах.
Распоряжение Правительства РФ №1192-р от 07.07.2011 г. К продукции наноиндустрии относится продукция (товары, услуги), произведенная с использованием нанотехнологий и обладающая вследствие этого ранее недостижимыми технико-экономическими показателями. - Категория «А» (первичная нанотехнологическая продукция) – товары, представляющие собой нанокомпоненты (нанообъекты и наносистемы), в том числе используемые как сырье и полуфабрикаты для производства продукции наноиндустрии категорий «Б», «В» и «Г».
Условия соответствия к категории «А»: - продукция содержит составляющие компоненты, которые определяют ее функциональные свойства и (или) потребительские характеристики и размер которых хотя бы в одном измерении находится в пределах от 1 до 100 нм.
- продукция произведена путем манипулирования отдельными атомами и молекулами, в том числе с использованием биохимических технологий.
- Категория «Б» (наносодержащая продукция) – товары, содержащие нанокомпоненты (продукцию наноиндустрии категории «А»).
Условия отнесения к категории «Б»: - если нанокомпоненты придают продукции новые, принципиально важные для нее функциональные (механические, физические, физико-химические и др.) свойства или обеспечивают существенное улучшение ее технико-экономических и (или) потребительских характеристик.
- Категория «В» – услуги (товары, не содержащие нанокомпоненты), при оказании (производстве) которых используются нанотехнологии и (или) нанокомпоненты (продукция наноиндустрии категории «А»).
Условие отнесения к категории «В»: - если использование нанотехнологий и (или) нанокомпонентов обеспечивает существенное улучшение технико-экономических и (или) потребительских характеристик оказываемых услуг (производимых товаров).
- Категория «Г» – товары, представляющие собой специальное оборудование для нанотехнологий
Условие отнесения к категории: - обеспечивает качество измерения и (или) контроля характеристик нанокомпонентов, недостижимое иными методами.
- обеспечивает возможность контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами, в том числе при производстве нанопродукции категорий «А», «Б» и «В».
Нанобетон - «Нанобетон … это вовсе не конкретный бетон, а только лишь обозначение бетона, который каким-то образом связан с какими-то наноматериалами, или нанотехнологиями». (А.Н. Понамарев ООО «НТЦ прикладных нанотехнологий»)
- «Нанобетон – это группа методов и спектр наноматериалов, использование которых в различных сочетаниях позволяет управлять набором свойств строительных композиций на основе минеральных вяжущих. Общий признак: нанобетон обладает теми или иными преимуществами благодаря своей особой структуре, задаваемой на нано- и микроуровнях. При этом нанобетонами могут быть названы бетоны совершенно различных классов и марок». (М.Е. Юдович ООО «НТЦ прикладных нанотехнологий»)
Основные виды углеродных наноразмерных материалов Фотографии многослойных углеродных нанотрубок Фотографии астраленов Достижения по нанобетону
С применением синтезированных углеродных наноразмерных добавок фуллероидного типа «разработан и поставлен на производство «Бетон наноструктурированный легкий» со следующими характеристиками:
- плотность – 1,2-1,6 т/м3;
- прочность на сжатие – 30-60 МПа;
- прочность на изгиб – 4-8 МПа;
- теплопроводность – менее 0,2-0,4 Вт/(м*К);
- водопоглощение – не более 0,4 %;
- водонепроницаемость – W20;
- огнестойкость – более 780 оС;
- морозостойкость – F300-F350.»
Источник: Статья «Перспективы применения нанобетона в монолитных большепролетных ребристых перекрытиях с постнапряжением» авторов: Е.В. Кишеневская, Н.И. Ватин, В.Д. Кузнецов (Журнал Инженерно-строительный журнал, №2, 2009.
Углеродные наноматериалы серии «Таунит» ООО «НаноТехЦентр» (г. Тамбов) - Композиционные материалы – модифицирующая добавка УНТ повышает прочность (в 1,5-3 раза), электропроводность, теплопроводность, изменяет структуру композитов на основе полиэтилена, полипропилена, фторопластов, полиуретана и др.
- Строительные материалы и дорожные покрытия – применение сверхмалых добавок (0,001-0,0001%) в бетоны повышает в 1,2-2 раза их прочность, температуроустойчивость, снижает трещинообразование.
Фотография агломерации астраленов на многослойных нанотрубках Влияние УНД на прочность бетона
Источник: А.Н. Слижевский, Самуйлов Ю.Д., Батяновский Э.И. О Влиянии углеродных наноматериалов на свойства цемента и цементного камня
Другие наномодификаторы - Структурирующие добавки (наноразмерные гидросиликаты кальция) – ускорение твердения до 50%, повышение прочности сцепления до 30%, повышение прочности при сжатии в 2-3 раза, повышение трещиностойкости в 2 раза
- Нанолнитель (модифицированный диатомит) – ускорение твердения до 50%, повышение прочности сцепления в 2 раза, повышение прочности при сжатии в 2-2,5 раза, повышение трещиностойкости в 2 раза
- Наночастицы диоксида титана – экономия цемента до 10%, снижение стоимости 1 м2 изделий на 15…20%.
Другие наномодификаторы - Наноразмерный диоксид кремния – повышение скорости набора прочности (увеличение тепловыделения), увеличение прочности до 30% (при содержании 12%).
- Органоглины (органофильно модифицированный монтмориллонит или каолинит) – вводится в полимеры в количестве до 5%; повышает жесткость полимеров (до 98%), стабильность и барьерные свойства (до 6 раз), токопроводимость. Промышленно выпускаются компаниями Elementis, Nanocor, Southern Clay (США), Süd-Chemie (Германия), Laviosa (Италия) и др.
Проекты, поддерживаемые ГК «РОСНАНО» - Высококачественные препреги из углеродных и минеральных волокон на основе наномодифицированных и нанонаполненных полиимидных и эпоксидных связующих
- Организация мощного современного производства наноматериалов на основе крупнотоннажных полимеров и слоистых алюмосиликатных наполнителей, не имеющих российских аналогов
- Композиционный материал «Унирем» на основе резинового порошка в качестве модификатора асфальтобетонных смесей и битумов для дорожных покрытий
- Инновационные теплоизоляционные материалы
- Наноструктурированный гидроксид магния как огнезащитная добавка
- Проект «Умный дом»
Другие примеры - Неметаллическая арматура
- Энергоэффективное стекло
- Коррозионно-стойкие покрытия на металлических поверхностях
- Пеностекло
- Краска-термос
Зарубежный опыт - Наноразмерный TiO2 – активный фотокатализатор, очищающий воздух от COx, NOx, VOCs. Снижение содержания указанных газов до 40%.
- Наноструктурные композиты на основе взаимопроникающих полимерных сеток
- Нанокомпозиты на основе гибридной органосиликатной матрицы
- Полимерные нанокомпозиты с очень низкой проницаемостью и высоким сопротивлением агрессивным средам
- Краски с наноразмерными частицами серебра
Выводы и заключения - Современная нормативная база не способствует развитию нанотехнологий в строительстве.
- Введение наночастиц (3D-нанообъектов) приводит к возникновению экологических проблем. Кроме того, использование активных способов распределения нанообъектов (ультразвук) в диапазоне частот промышленных аппаратов не может обеспечить гомогенизацию смесей, а применение вспомогательных веществ блокирует активную поверхность нанообъетов и не позволяет реализовать их потенциал.
- Стратегия реализации современной нанотехнологии в строительстве должна базироваться на использовании запасённой в веществе химической энергии, т.е. перспективны химические методы синтеза нанообъектов.
- Производство строительных материалов должно проводиться на базе традиционных объёмных технологий, поэтому способы управления структурообразованием должны осуществляться без существенного изменения технологической линии.
Единственным пределом наших завтрашних свершений станут наши сегодняшние сомнения.
Франклин Рузвельт
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
Контактная информация: Тел. (499) 188-04-00 www.nocnt.ru E-mail: KorolevEV@mgsu.ru |
Скачать 7.3 Mb.