книги / Наука о материалах и высокие технологии современные проблемы, прогноз развития в Российской Федерации

Принципиальная особенность такой сложной системы, как цивилизация, состоит в том, что цивилизация обладает интеллектом, способна анализировать свое развитие и, казалось бы, влиять на него. Правда, это влияние затруднено противоречивыми устремлениями людей, и неясно, сумеем ли мы «спроектировать» будущее и устроить стабильную жизнь на Земле или возобладает стихийный путь развития? Что будет способствовать скатыванию к катастрофе?

Причиной многих катастроф: от войн до преждевременной смерти миллионов людей от голода и недостаточной медицинской помощи – является в значительной мере сам человек, его менталитет. Легко заметить, что конфликты – характерная черта жизни человека. По словам Н.А. Бердяева, «Война происходит среди людей – война семейств, война классов и сословий, война внутри социальных групп, война наций и государств, и, наконец, есть не меньшая склонность людей к войнам вероисповедальным и идеологическим».

Однако многие пороки человеческой цивилизации связаны с нищетой подавляющей ее части, что требует интенсивного развития производительных сил и, соответственно, производства новых материалов.

Множество различных материалов используется в строительстве, производстве машин, приборов и оборудования. Строго подсчитать их число практически невозможно, потому что непрерывно создаются новые и прекращается применение устаревших (рис. 7) [4]. Часто эти материалы, называемые конструкционными, имеют узкофункциональное назначение: металлы с особыми электрическими и магнитными свойствами, демпфирующие, с памятью формы и др. Конструкционные материалы характеризуются двумя главными параметрами – прочностью и пластичностью (вязкостью). Первый обеспечивает в основном надежность работы материала, второй – его способность к формообразованию. Как правило, чем выше прочность, тем ниже пластичность. Естественно, широкое применение находит только тот материал, у которого уровень обоих этих параметров достаточно высок.

11

К тому же металлические материалы отличаются от современных керамических и композиционных низкой стоимостью. Удельная энергоемкость производства даже высококачественной нержавеющей стали почти в пять раз меньше, чем у известных углепластиков. Еще одно достоинство большинства металлических материалов – возможность их многократной регенерации. Так что хорошие конструктивные свойства, низкие удельная энергоемкость и цена долго будут определять приоритет металлов и сплавов. Однако наука может многое изменить.

Встранах СНГ металлы (сталь, алюминий, титан) составляют

вконструкциях 95–96 %; в США, Японии и европейских государствах – 90–92 %, там большее распространение получили полимеры.

Большинство применяемых сегодня материалов производится такими способами, как плавка и литье. В то же время важное место

всоздании и производстве новых материалов занимает порошковая технология, составляющими которой, по нашему мнению, являются порошковая металлургия и металлургия гранул.

Втабл. 1 приведена структура производства основных материалов в мире в 1995 г.

Таблица 1

Структура производства основных материалов в мире (без стран СНГ)

14

В табл. 2 показана стоимость производства применяемых материалов, создаваемых в России с использованием порошковых технологий в 1990 г.

Таблица 2

Оценка стоимости (в млн долл.) производства традиционных керамических материалов в России (РСФСР)

Использование порошков имеет две основные особенности применения:

1.Изготовление изделий высокой точности с минимальными отходами.

2.Создание материалов с особыми свойствами.

Одной из важнейших современных особенностей порошковой нанотехнологии является создание материалов из чрезвычайно дисперсных частиц, некоторые методами традиционной металлургии

иобработки материалов давлением не могут быть получены вообще.

Ао чем свидетельствует мировая практика? О том, что в порошковой технологии нет кризиса, нет упадка производства (как это имеет место в России), так как это один из самых прогрессивных методов создания материалов и изделий.

В последние годы для неорганических систем выявлены принципиальные возможности формирования новых структурных со-

15

стояний с малой энтропией вдали от термодинамического равновесия, что составляет основу для создания единой материаловедческой науки – структурного конструирования новых материалов.

Наличие большого числа экспериментальных, теоретических данных и прогностично-философских разработок предполагает сегодня обновленное понятие «материаловедения» как области естественных наук, связанной с изучением неживых материалов. Эта область связывает макроскопические явления с микроскопическими свойствами, распространяется на экстремальные физические условия – низкие температуры, высокие давления и магнитные поля, ультрачистые ультрадисперсные материалы, отсутствие гравитации и т.п.

Если рассматривать частицы дисперсного порошка, формирующиеся в термодинамически неравновесных условиях, как неорганические системы, склонные к самоорганизации, то большой интерес как с научной, так и с практической точки зрения представляет структурное моделирование таких систем, когда наблюдается трансформация областей ближнего и дальнего порядка. Интерес к структурному моделированию обусловлен еще и тем обстоятельством, что наиболее перспективными материалами в настоящее время считаются материалы с нанокристаллической структурой, уже сегодня создающие конкуренцию традиционным материалам конструкционного назначения, но время триумфа этих материалов еще впереди.

Поэтому, с одной стороны, структурная инженерия порошковых материалов тесно связана с практическими целями, а, с другой стороны, изучение поведения и формирования дисперсной или наносистемы в условиях термодинамического неравновесия хоть и не обещает приоткрыть тайны, которыми окутаны проблемы жизни, но все же дает возможность ближе познакомиться с явлением самоорганизации и, может быть, позволит по-новому осмыслить основные законы о природе вещества вообще и термодинамические закономерности в частности.

16

Геометрия частиц зависит от поверхностной энергии, которая изменяется от кристаллографической ориентации. При наличии анизотропии поверхностной энергии геометрия частицы меняется от сферической до многогранной, при этом следует ожидать, что параметр решетки с уменьшением размера частиц будет меньше, чем массивного металла, из-за поверхностного натяжения, сжимающего частицы.

Уменьшение размеров частиц ведет к увеличению их удельной поверхности и, соответственно, к возрастанию поверхностной энергии. Расчет, основанный на простых геометрических соображениях (табл. 3), показывает, что доля атомов, находящихся на геометрической поверхности частицы диаметром ≈ 10 нм, достигает 20 %. Критический размер, при котором поверхностная энергия примерно равняется 1 % от величины объемной энергии, составляет ≈ 30 нм, при этой величине происходят заметные изменения свойств материалов вещества.

Таблица 3

Число и доля поверхностных атомов ультрадисперсных частиц разных размеров

При получении материалов методами порошковой технологии формирование их структуры и свойств происходит при термической обработке или спекании за счет протекания диффузных процессов. Заданная дисперсность формирующейся структуры определяется температурно-временным воздействием.

Свойства материала будут определяться известной зависимостью Холла–Петча, по которой величина предела текучести обратно

17

пропорциональна корню квадратному из размера зерна. Та же зависимость, но уже для предела прочности, вытекает из теории Гриффитса. Поэтому, например, уменьшение зерна в 10 раз может привести к увеличению прочности и предела текучести примерно в 3 раза.

Дисперсные системы – это микрогетерогенные системы, состоящие из двух или более фаз. При этом одна из фаз образует непрерывную дисперсионную среду, в объеме которой распределены частицы дисперсной фазы. Обычно интервал размеров частиц дисперсных фаз может изменяться от нескольких нанометров до

~100 мкм.

Вряду объектов физической химии дисперсные системы занимают чрезвычайно важное место в связи с их широчайшим распространением и разнообразным применением, исключительной ролью в природных явлениях и процессах в повседневной техногенной деятельности человека, и вместе с тем в связи с весьма специфическими физико-химическими свойствами.

К числу дисперсных систем относятся такие резко различающиеся по химическому и фазовому составам, физическим свойствам, областям существования и применения объекты, как аэрозоли (туман, дым, космическая пыль), золи (высокодисперсные коллоидные системы, представленные мельчайшими частицами коллоидных размеров, равномерно распределенными в дисперсных средах) ме-

таллов и природных минералов, донные отложения рек, морей и океанов, грунты и почвы, мелкие пески, сырая нефть и природные битумы, пигменты и высокодисперсные наполнители для лакокрасочных и композиционных материалов, керамические массы, цементы и бетонные смеси на их основе, мука и мучное тесто, водоугольные суспензии (термин «суспензия» происходит от латинского слова «suspension» (подвешивание), то есть это дисперсии, в которых частицы дисперсной фазы находятся во взвешенном состоянии в жидкой дисперсионной среде) и золы от сжигания твердых топлив, водные суспензии целлюлозных волокон для производства бумаги, катализаторные массы, сырьевые шламы многих химических произ-

18

водств. К дисперсным системам относятся также все многообразные виды пен и эмульсий. Этот перечень можно продолжать, что указывает на важное значение дисперсных систем как в природных явлениях, так и при проведении разнообразных технологических процессов, осуществляемых с их участием. К этому нужно добавить, что многие виды дисперсных систем служат стартовой основой для получения дисперсных наноматериалов, таких как бетоны, лакокрасочные материалы, высоконаполненные резины и пластики, гетерогенные твердые ракетные топлива, керамические и композиционные материалы, бумага и картон, искусственные кожи и множество других материалов.

Что же объединяет все это многообразие резко различающихся между собой по свойствам, области существования и применения дисперсных систем и материалов, какова общая физико-химическая основа для их изучения, описания и регулирования свойств? В известной степени ответы на эти вопросы содержатся в самом определении понятия «дисперсные системы». Общие для всех дисперсных систем фундаментальные физико-химические признаки: гетерогенность, то есть наличие поверхности раздела между фазами, и дисперсность (раздробленность). Роль этих факторов в проявлении разнообразных свойств дисперсных систем, прежде всего их агрегативной и седиментационной устойчивости (агрегативная устойчивость – устойчивость к коагуляции, то есть слипанию частиц дисперсных фаз, седиментационная устойчивость – устойчивость к их осаждению), становится более существенной по мере увеличения дисперсности и соответствующего уменьшения размера частиц и их концентрации в жидкой и газовой дисперсионных средах. Соответственно, увеличивается и свободная (избыточная) межфазная энергия, которая, как следует из принципа Гиббса–Гельмгольца, в дисперсных системах стремится самопроизвольно уменьшиться.

Процесс уменьшения межфазной энергии реализуется в результате коагуляции – укрупнения слипания частиц, сопровождающегося снижением свободной поверхностной энергии ∆F за счет умень-

19

шения удельной поверхности дисперсных фаз при возникновении контактов между частицами в соответствии с соотношением

∆F = σ ∆S = ∆U − T∆S*,

где σ – поверхностное натяжение; S – удельная поверхность системы; ∆U – изменение полной поверхностной энергии системы; T – абсолютная температура; S* – энтропия системы.

Таким образом, дисперсные системы могут укрупняться и могут переводиться в наносостояние и, соответственно, использоваться для получения наноматериалов (рис. 9).

В 2006 г. американская корпорация RAND опубликовала прогноз развития науки и технологий в мире до 2020 г. – «The Global Technoligy Revolution 2020, ln – Depth Analyses. Bio/Nano/Materials/ Information Trends, Drivers, Barriers, and Social Implications».

Новые технологии могут найти свое место в различных сферах жизни общества – здравоохранении, пищевой промышленности, транспорте, в новых системах коммуникации, вычислительной технике и т.д. Одной из основных задач настоящего обзора является описание технологий, которые могут выйти из стен лабораторий к 2020 г., исследование их возможных приложений, а также анализ потенциального влияния новых технологий на жизнь общества.

БИОТЕХНОЛОГИИ Биологическая наука, способная направленно модифицировать

живые организмы и управлять их работой, приводит к существенному улучшению качества здравоохранения – систем контроля инфекционных заболеваний, мониторинга, терапевтических методов.

–интегрированные биоанализаторы в медицине и криминологии, способные быстро идентифицировать и анализировать мельчайшие количества вещества;

–персональная медицина на основе больших баз данных о состоянии пациентов и возможности быстрой и надежной дешифровки их ДНК;

20