книги / Наночастицы и наноматериалы с огромным потенциалом и возможными рисками

В будущем «умная пыль» сможет следить за загрязнением водоемов и сразу же подавать сигнал об опасности. Также она сможет следить за состоянием зданий и дорог, а значит, здание не будет внезапно разрушаться и аварий на дорогах станет тоже меньше.

С помощью «умной пыли» можно будет научиться предсказывать землетрясения и моделировать их последствия [8].

Инсулиновые частицы. Инсулин – это белковый гормон, который вырабатывает поджелудочная железа. Главная функция этого вещества – снижение уровня сахара в крови. Избыток глюкозы приводит к сахарному диабету.

На сегодняшний день ученым удалось успешно разработать и продемонстрировать работу глюкозочувствительной системы доставки инсулина. Эта система состоит из чувствительного к глюкозе белка – конканавалина. При повышении сахара в крови данный белок изменяет конфигурацию и высвобождает специальные тельца, называемые липосомами, которые, в свою очередь, разрушаются и выделяют инсулин. Безопасная доставка инсулина с использованием наночастиц способна улучшить качество жизни людей, больных диабетом первого типа. Но на пути к полной реализации возникает ряд непростых проблем. Исследователи столкнулись с необходимостью найти замену конканавалину, который может привести к побочным эффектам со стороны иммунной системы.

7.2. Нанотехнологии в энергетике

По оценкам некоторых экспертов, один из самых перспективных рынков нанотехнологий бурно развивается в энергетической сфере. На сегодняшний день в центре исследований, проводимых учеными в энергетической сфере, стоят проблемы преобразования энергии, ее накопления и транспортировки. Главной сферой применения веществ, созданных на основе нанотехнологий, являются пока различного рода катализаторы и другие методы очистки. Кроме того, нанотехнологии используются для создания веществ с новыми свойствами для различных отраслей энергетики.

131

Электроэнергетика

Нанобатарейка. Компания Toshiba разработала литиевоионную батарею на основе наноматериалов, которая заряжается примерно в 60 раз быстрее обычной. За одну минуту ее можно заправить на 80 %, а полная емкость аккумулятора заполняется через несколько минут. Как сообщает компания, новый аккумулятор обладает рядом других преимуществ перед распространенными аккумуляторными батареями (втомчислелитиево-ионными).

Создать нанобатрейку удалось благодаря новой технологии, основанной на использовании наночастиц, находящихся в составе материала отрицательного электрода батареи (рис. 7.6) При зарядке батареи наночастицы быстро собирают и хранят ионы лития [8].

Рис. 7.6. Нанобатарейка

Прекрасные показатели времени зарядки батареи – не единственное достоинство прототипа. Нанобатарея будет служить дольше: за 1000 циклов заряда-разряда она теряет всего 1 % своей емкости. Также она может работать на сильном морозе: при температуре –40 °С емкость батареи составляет 80 % (при

+25 °С она равна 100 %).

Опытный образец имеет размеры 3,8 × 62 × 35 мм и предназначается, в первую очередь, для бытовой электроники и мобильных электронных устройств.

Батарейка на основе «нанотравы». Нанотехнологии обеспе-

чивают уникальный способ соединения химических компонентов и управления параметрами реакции. На рис. 7.7 представлен примертрубчатойнаноструктры, такназываемой нанотравы.

132

Рис. 7.7. «Нанотрава»

Из нее формируется сверхгидрофобная наноструктурированная поверхность, над которой размещается капелька электролита. Капелька находится над трубочками, не взаимодействуя с ними. В нужный момент ее можно заставить упасть в пространство точно между трубочками, моментально увеличив площадь поверхности, на которой электролит взаимодействует с материалом батареи, вызывая электрический ток. Падение капельки можно вызвать разными способами, например импульсом напряжения или радиоизлучения.

Новая технология значительно увеличивает срок хранения батареи – до 15–20 лет. К другим преимуществам относятся высокая скорость активации элемента питания и выхода на полную мощность, совместимость с технологическими процессами производства полупроводников, высокая плотность энергии. Батарея легко поддается миниатюризации и может быть изготовлена из широкого спектра материалов.

Топливная энергетика

Уникальные свойства углеродных нанотрубок (УНТ) и нановолокон (УНВ) – высокая удельная поверхность, электропроводность, прочность – позволяют создавать на их основе эффективные носители катализаторов для различных процессов. Неудивительно, что эти новые углеродные наноматериалы вызвали большой интерес у разработчиков топливных элементов (ТЭ) и энергоустановок на их основе – в ТЭ используются электрокатализаторы (металлы платиновой группы) именно на углеродных носителях. В последнее время большое внимание уделяют топливным элементам с твердым полимерным электролитом (ТПЭ). В России

133

их успешные исследования и разработки ведутся в РНЦ «Курчатовский институт» и некоторых других организациях. В качестве носителей катализаторов сейчас, как правило, используют сажу или технический углерод. Недавние эксперименты показали, что замена их на углеродные нанотрубки или нановолокна позволяет повысить активность электрокатализаторов и эффективность работы топливных элементов с ТПЭ.

Так, китайские исследователи синтезировали катализатор из наночастиц платины на УНТ (10 вес. % Pt) и использовали его в качестве катодного электрокатализатора для прямых метанольных топливных элементов вместо обычного катализатора на углероде марки ХС-72. Продемонстрирована высокая активность восстановления кислорода и более эффективная работа ТЭ. Российские ученые (РХТУ им. Менделеева) разработали электрокатализаторы на основе УНТ и УНВ (в том числе в виде «нанобумаги») с нанесенными наночастицами Pt и Pd. Исследования выявили зависимость электрохимических характеристик от размеров и морфологии УНТ и УНВ, которые, в свою очередь, определяются размерами, формой и распределением частиц катализатора, а также условиями синтеза. Для создания эффективного носителя катализаторов для топливных элементов с ТПЭ авторы синтезировали и исследовали углеродные нанотрубки и нановолокна разных размеров и морфологии (УНТ диаметром 25 и 15 нм; скрученные УНВ диаметром 40, 65 и 100 нм; прямые УНВ диаметром 70 нм).

Солнечная энергетика

Специалисты из нижегородского Института прикладной физики РАН разработали новый метод получения тонких пленок нанокристаллического кремния, который является перспективным и эффективным материалом для создания солнечных батарей нового поколения [23].

КПД преобразования света в электричество у кремниевых батарей достигает 30%, у ближайших конкурентов – органических солнечных батарей хорошим результатом считается КПД

134

на уровне 5–7 %. Для создания нового поколения солнечных батарей наиболее перспективной считается конструкция, где слой нанокристаллического кремния заключен между тонкими слоями аморфного кремния: она обеспечивает более высокую эффективность самой батареи, кроме того, отпадает необходимость в массивных подложках из монокристаллов кремния, расход этого дорогого материала уменьшается.

Суть метода – в осаждении пленки кремния из плазмы на подложку из сапфира. В плазме тетрафторид кремния взаимодействует с водородом и разлагается на составляющие, образуя кремний, который и оседает на подложку. Изменяя соотношение компонентов в исходной газовой смеси, температуру плазмы

иподложки, можно регулировать параметры формирующейся пленки. Обычно кремний получают, разлагая пожароопасный газ силан, молекула которого состоит из одного атома кремния

ичетырех водорода. Его замена на тетрафторид кремния делает технологию более безопасной.

Входе экспериментов удалось определить технологические режимы осаждения, когда получается пленка со средним размером кристаллов 10 нм. Новая технология позволяет менять изотопный состав напыляемого кремния, увеличивая долю тяжелых изотопов. Такой материал обладает лучшими электрическими свойствами. Впервые массивные образцы изотопно-обогащен- ного кремния несколько лет назад были получены в Нижнем Новгороде при участии специалистов Института химии высокочистых веществ РАН в рамках совместной российскоевропейской научной программы. Теперь ученые могут изготавливать тонкие пленки из этого материала.

Еще один метод в технологии производства солнечных элементов сводится к применению пленок медь-индий-диселенид галлия (так называемые CIGS-пленки). Одно из преимуществ новой технологии производства пленок – «самосборка» жидкости, состоящей из наночастиц, которые покрывают поверхность CIGS. Благодаря этому солнечные элементы могут быть нанесены на гибкую основу.

135

Водородная энергетика

Как известно, разработки в области топливных элементов для автомобилей ведутся давно. Машина, работающая от водорода, сможет проехать около 300 миль без дозаправки, при этом размеры и вес водородного «бака» не будут отличаться от традиционного бензинового. Однако массовый выпуск топливных элементов большой емкости, работающих в качестве водородных «баков», пока затруднен из-за того, что традиционные наполнители, связывающие водород, не обеспечивают нужной скорости его отдачи.

Исследователи из американской Тихоокеанской северозападной национальной лаборатории (Pacific Northwest National Laboratory) разработали компаунд на основе наноматериалов, способный впитывать водород и отдавать его в сто раз быстрее, чем это было возможно ранее.

Исследователи взяли в качестве базы кварцевый материал с мельчайшими порами – диаметром примерно 6,5 нм. В эти поры закачали раствор борана аммиака, который хорошо их пропитал благодаря капиллярным силам.

Затем растворитель удалили, а боран аммиака осадился на стенках кварцевых пор, образовав нанопористый материал.

Преимущества нового материала не только в том, что он быстро отдает и вбирает водород. При его массовом производстве также не будет никаких токсичных выделений. Как говорят эксперты, новые топливные элементы на основе нанопористого борана аммиака побьют рекорд по официальному прогнозу развития водородной энергетики, так как предполагаемый объем элементов на основе традиционной технологии гораздо ниже.

Ядерная энергетика

Традиционная ядерная энергетика использует энергию распада ядер радиоактивных элементов для нагрева теплоприемника, который, в свою очередь, нагревает воду. Вода преобразуется в пар свысоким давлением и температурой, пар вращает турбину, которая передает вращение генератору. Данный способ преобразования

136

ядерной энергии в электрическую далеко не совершенен. Связано это с тем, что, во-первых, на каждом этапе происходят естественные потери энергии, во-вторых, вся технологическая цепочка занимает много места, требует габаритного и дорогого оборудования. Естественным стремлением ученых было уменьшить число ступеней преобразования одного вида энергии в другой, прежде чем будет выработана электроэнергия. Разработки ядерных батарей начались с первых космических полетов. СССР и США вели работы в данном направлении, дабы снабдить свои космические аппараты компактными и производительными источниками энергии. В этих устройствах применялись термоэлектрические материалы, с помощью которых тепло ядерной реакции напрямую преобразовывалось в электроэнергию. Такие установки были очень компактными, так как в них отсутствовали парогенераторы, турбины, генераторы. Но эффективность и КПД подобных устройств былакрайненевысока.

Серьезное продвижение в направлении преобразования ядерной энергии, было реализовано в лаборатории университета штата Алабама. Там разработали термоэлектрический материал, повышающий эффективность всей технологии преобразования ядерной энергии в электрическую в 20 раз (рис. 7.8).

Рис. 7.8. Термоэлектрический материал

137

На этот раз при помощи нанотехнологий совершен прорыв

риалов откроет новую эру в космических полетах на сверхдальние расстояния и найдет применение при создании земных транспортных средств, считают ученые. Тесты показали, что разработанный материал способен вырабатывать в 20 раз большую электрическую мощность по сравнению с образцами, известными ранее.

Новый материал представляет собой множество слоев углеродных нанотрубок, наполненных золотом и окруженных гидридом лития. Радиоактивное излучение воздействует на электроны в атомах золота и заставляет их покидать свои орбиты. Электроны проходят через нанотрубки и попадают в гидрид лития, затем они движутся к электроду, создается электрический ток. Нанотрубки позволили существенно повысить удельную электрическую мощность термоэлектрика. С их помощью возможно наиболее эффективно использовать энергию радиационного излучения [23].

Термоэлектрики могут стать компактными и очень удобными источниками энергии как для космических аппаратов, так и для наземных технологий. Но это, как признают ученые, лишь далекая перспектива. Предстоит провести еще очень много научной работы, прежде чем технология будет готова к коммерциализации.

7.3. Нанотехнологии в строительстве

Строительный сектор имеет дело с огромным количеством сырья, и различные инновационные материалы уже находят применение в современном строительстве и начинают вносить свою долю в формирование архитектуры будущего.

Использование нанотехнологий в строительстве является довольно ограниченным, поскольку инновационные идеи в большинстве своем ориентированы на поверхностные эффек-

138

ты, а не на формирование новых структур строительных материалов. Тем не менее достижения фундаментальных исследований в области нанотехнологий постепенно находят свой путь в строительную отрасль.

Уже получены конструкционные композиционные материалы с уникальными прочностными характеристиками, новые виды арматурных сталей, уникальные нанопленки для покрытия светопрозрачных конструкций, самоочищающиеся и износостойкие покрытия, паропроницаемые и гибкие стекла.

Существуютперспективыдальнейшего развития, например:

–основания зданий с саморегулирующейся системой компенсации усадок грунтов;

–несущие конструкции зданий, осуществляющие мониторинг собственного напряженно-деформированного состояния;

–ограждающие конструкции и кровли, аккумулирующие энергию солнца;

–покрытия, реагирующие на психофизическое состояние людей;

–фотокаталитические и другие функциональные покрытия; Все это должно стать основой современного «умного» дома

нового поколения.

Без применения нанотехнологий невозможна и полноценная реализация проектов энергонезависимого «пассивного» дома. Основной особенностью «пассивного» дома (экодома, англ. passive house) является малое энергопотребление и почти полная энергонезависимость, что обеспечивается использованием всего спектра возможностей сохранения тепла и самопроизводства энергии.

Будущее строительного материаловедения во многом связано с применением нанотехнологических подходов – внедрением процессов формирования структуры современных строительных материалов, предусматривающих их сборку или самосборку снизу вверх, т.е. дизайн материала или изделия, который заключается в контролируемом и управляемом воздействии на процесс структурообразования начиная с наноразмерного уровня.

139

Результатом такого подхода будет получение новых по составу

икачественно отличающихся по структуре и свойствам конструкционных, теплоизоляционных, отделочных и других материалов, в полной мере отвечающих современным тенденциям развития архитектурных форм, конструктивных решений и технологии возведения объектов промышленного и гражданского назначения.

Иуже в настоящее время планируются и проводятся теоретические и экспериментальные исследования, направленные на разработку методов наноструктурного модифицирования материалов, изучение количественных и качественных изменений их важнейших свойств и разработку технологических процессов получения различных видов строительных материалов, изделий

иконструкций с улучшенными по сравнению с аналогами физи- ко-механическими характеристиками [24].

Несмотря на то что новые технологии и материалы уже внедряются в строительную отрасль, их доля еще достаточно мала – менее 1 % в общем объеме материалов строительного сектора.

7.4.Нанотехнологии в сельском хозяйстве

Внашу эпоху нанотехнологии великолепно управляют нанометровыми объектами и позволяют изготовить так называемые супермолекулы из крупных селективно связанных молекул.

Большие надежды связаны с применением нанотехнологий

вагропромышленном комплексе. Увеличение производства и качества переработки сельскохозяйственного сырья, увеличение ресурса работы спецтехники, повышение сроков хранения, получение высококачественной пищевой продукции и кормов – все эти задачиагробизнеса могутрешитьнанотехнологии.

Нанотехнологии в овощеводстве и растениеводстве.

Мониторинг разработанных нанотехнологических процессов и наноматериалов подтверждает, что применение нанопрепаратов в растениеводстве обеспечивает повышение устойчивости к неблагоприятным погодным условиям и увеличение выхода готовой продукции. Почти для всех технических и продовольст-

140