Владислав Фельдблюм «Нано» на стыке наук - shikardos.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
Похожие работы
Владислав Фельдблюм «Нано» на стыке наук - страница №6/9

Возможности использования в строительной отрасли научно-технических разработок и продуктов нанотехнологии постепенно расширяются. Достигаемые при этом эффекты, как правило, носят многофункциональный характер. Высокопрочные конструкционные композиционные материалы в присутствии нановолокнистых и порошковых частиц приобретают необходимую пластичность, имеют пониженные усадку и ползучесть. Самоочищающиеся износостойкие покрытия светопрозрачных конструкций могут обладать разной паро- и светопроницаемостью в зависимости от внешних условий. Разрабатываются молекулярные индикаторы, информирующие о напряженно-деформируемом состоянии несущих конструкций. Создаются покрытия, аккумулирующие солнечную энергию и другие примеры позитивного использования наноматериалов и наночастиц в строительном производстве. Задача состоит в обеспечении строительной и других отраслей рынков этими наноматериалами и наночастицами в нужном объеме с требуемыми технико-экономическими параметрами. Россия отстает в научно-техническом и особенно коммерческом использовании нанотехнологии от наиболее развитых в этом отношении стран: США, Европы и Японии, которые уже приступили к активной коммерциализации имеющихся наноизобретений, в том числе в строительстве. Россия же пока находится на этапе НИОКР.


Новые стройматериалы испытывают и в России. К примеру, в Сочи, как подарок к будущей Олимпиаде, построили мост из углестеклопластика. Он особенно красив вечером, когда включена подсветка. Мост городу презентовала компания ООО «НТИЦ АпАТэК-Дубна», которая производит конструкции из композитных материалов — углестеклопластика с добавками углеродных волокон, трубок, наномеди. В прозрачных поручнях моста есть включения наноалмазов, его износостойкое покрытие содержит углеродные волокна и нанокарбиды, а в состав материалов основного каркаса входят нанотрубки и медь. Медные нанопорошки придают им огнестойкость, углеродные трубки уменьшают деформацию, возникающую при остывании материала. Чего в этом мосте нет, так это железа, поэтому он не заржавеет. Конструкция из углестеклопластика такая лёгкая, что её смонтировали за 20 минут.





Прозрачные поручни углестеклопластикового моста в центре Сочи включают наноалмазы, а покрытие – углеродные нановолокна

Наряду с известнейшими старинными памятниками архитектуры, туристов, посещающих Рим, привлекает необычное здание в духе постмодернизма — церковь Dives in Misericordia («Щедрый в милосердии»). Это белое сооружение из сборного железобетона и стекла состоит из трёх изогнутых конструкций, напоминающих раковины или лепестки цветка. Церковь возведена в 2003 году по проекту американского дизайнера Ричарда Мейера, а осуществить его замысел помогла итальянская компания Centro Technico di Gruppo. Проект церкви требовал особых технологий: её стены должны быть белоснежными и как можно дольше сохранять свою чистоту. Для решения этих задач специалисты компании выбрали цемент, изготовленный ими по новой технологии: в его состав входят наночастицы диоксида титана (TiO2). Благодаря фотокатализу поверхность из такого цемента может сама собой очищаться. Происходит это так: когда солнечные лучи касаются стен здания, диоксид титана, входящий в их состав, действует как катализатор и ускоряет химическую реакцию. Загрязнения самой различной природы — бактерии, споры бактерий, плесень, которыми покрыты стены любого здания, — просто разлагаются на воду, кислород и соли в присутствии катализатора.



Ослепительную белизну церкви Dives in Misericordia в Риме обеспечивают наночастицы диоксида титана

Кроме того, цемент с наночастицами сам себя моет. Известно, что практически любая твёрдая поверхность отталкивает воду. Степень отталкивания зависит от угла между краем капли и твёрдым телом. Обычно угол смачиваемости равен порядка 80 градусов. После того как солнечные лучи попадают, например, на бетонную стену дома, в состав которой входит диоксид титана, этот угол уменьшается до 0 градусов. В это время поверхность становится восприимчивой к смачиванию — гидрофильной, то есть вместо образования капель вода равномерно по ней растекается. В течение последующих 1–2 дней гидрофильность сохраняется, а затем угол смачиваемости начинает постепенно увеличиваться, пока не достигнет снова 80 градусов. Поверхность становится водоотталкивающей, а накопившаяся за это время вода скатывается с неё, увлекая за собой частички грязи.

Церковь, построенная из белого бетона и стекла, буквально «светится», что особенно заметно на фоне окружающих её жилых построек 1970-х годов. Новые строительные материалы помогли воплотить в жизнь замысел Ричарда Мейера, считающего, что «свет является средством, с помощью которого мы способны испытывать то, что называется божественным».

Ещё один экспериментальный проект — Большой национальный театр в Пекине. Его автор — француз Поль Андрё. Под сферической оболочкой из стекла и бетона расположены три самостоятельные площадки — оперный и концертный залы, театр. Здесь же — многочисленные выставочные павильоны, рестораны и магазины.



Стеклянный купол Большого национального театра в Пекине покрыт самоочищающейся плёнкой

Архитектор Андрё назвал своё детище «Городом театров». Сооружение находится посреди искусственного озера, из-за формы купола и отражения в воде местные жители назвали театр «яйцом». Стеклянная поверхность купола всегда прозрачна, так как покрыта тонкой плёнкой из катализатора TiO2, благодаря которому под действием фотокатализа купол самоочищается. Через панели многослойного теплоизолирующего стекла можно наблюдать происходящее внутри.

Самоочищающийся вид цемента с диоксидом титана использовали и при строительстве памятника жертвам холокоста в Берлине в 2005 году — множество бетонных прямоугольных плит в центре города.


Памятник жертвам холокоста в Берлине не покроет плесень, потому что он построен из бетонных плит с наночастицами диоксида титана

2.10. Нанотехнологии в лакокрасочной промышленности
Нанотехнологии играют немаловажную роль в разработке современных красок и покрытий. Получение определенных наноструктур и использование наночастиц в покрытиях и красках позволяет создавать продукцию с улучшенными или абсолютно новыми свойствами. Сложно представить, но материалы, разработанные в советские времена, такие как эмали АС-554 или лаки АС-528 встанут в ряды нанотехнологий. В настоящее время существует несколько малых и средних компаний, выпускающих нанотехнологические продукты на рынок. К таким видам продукции относятся: антибактериальные краски; самоочищающиеся покрытия; покрытия, стойкие к царапанию; прозрачные покрытия с повышенной защитой от УФ-излучения; краски, экранирующие электромагнитное излучение. Нанотехнологии открывают для лакокрасочной промышленности большие возможности, но вместе с тем и несут некоторые риски. Наночастицы изучены еще недостаточно хорошо для того, чтобы полностью оценить их воздействие на здоровье человека и окружающую среду. Однако исследовательские программы уже дали определенные результаты, показывающие, что оснований для паники нет. Союз немецкой лакокрасочной промышленности заказал Дрезденскому техническому университету исследования наночастиц. В результате исследований не было обнаружено опасности нанопокрытий для здоровья человека или окружающей среды. Кроме того, в планах союза немецкой лакокрасочной промышленности продолжить исследования, чтобы получить представление о влиянии атмосферных воздействий на порошковые покрытий и обработанные покрытия, содержащие наночастицы.

В рамках этих исследований в первую очередь изучается влияние нанотехнологических продуктов на здоровье людей, занимающихся покрасочными работами самостоятельно или находящихся в жилых помещениях. Вместе с тем, результата исследования применимы к вопросу безопасности и гигиены на крупных и мелких производствах. Производственная безопасность и гигиена регулируется прововыми нормами и директивами различных страховых ассоциаций. Кроме того, Союз немецкой лакокрасочной промышленности разработал специальную инструкцию по нанесению покрытий. Эта инструкция оговаривает опасность попадания наночастиц в легкие при дыхании. Проникновение частиц через пищевод или кожу имеет второстепенное значение. Так или иначе, ввиду применения растворителей используются предметы, защищающие кожу: очки, одежда, перчатки. Прием пищи во время производственного процесса запрещен. Необходимо отметить, что используемые на предприятиях защитные фильтры надежно задерживают наночастицы. Страховыми ассоциациями были проведены измерения соответствующих параметров в автомобильной промышленности, в которой также используются краски с наночастицами. Было обнаружено отсутствие наночастиц в окружающем воздухе. В лакокрасочной промышленности наночастицы используются уже не одно десятилетие, и нет никаких данных о профессиональных заболеваниях, связанных с этими частицами. Можно сделать вывод, что риска для здоровья рабочих не существует. Нанотехнологии дают широкий спектр новых возможностей для лакокрасочной промышленности. В частности,, возникает возможность производить покрытия, не только защищающие подложку и служащие украшением, но и выполняющие другие полезные функции. Необходимо упрочить и расширить присутствие нанотехнологий на мировом рынке. Пойти на это можно только при условии, что законодательные органы будут поддерживать новые технологии. Этот вопрос обсуждается в Европейском союзе.

Рекомендуем просмотреть видеофильм о применении нанотехнологий в лакокрасочной промышленности:
http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=ltuGMMKQW3c

Начиная с 2006 года, в промышленном производстве появились краски, полученные с использованием нанотехнологий. Само понятие нанокраска при использовании этих новейших технологий поднимает это понятие на совершенно новый уровень восприятия. Подобные краски обладают совершенно уникальными свойствами. Это фасадные и интерьерные краски, грунтовки и противопожарные краски. К примеру, нанотехнологическая краска, самоочищающаяся под воздействием света, может быть использована для внутренних работ. Это краска матовая и выполнена на водной основе.


По сути, она является водоэмульсионной, которую хорошо знают все. Уникальность этой краски, сделанной с использованием нанотехнологий, проверили на опыте. На белом листе гипсокартона спиртовым маркером были нарисованы линии. Через несколько дней, под воздействием света, следы от маркера исчезли. Эта краска хорошо ложится на такие виды общестроительных оснований как гипсокартон, кирпич, бетон, штукатурка. Благодаря фотокаталитическому очищению, краска может обладать грязеотталкивающими свойствами. Она обладает такой способностью, как не позволять образованию сажи, копоти, следов никотина и других подобных загрязнений. Легко смываются с окрашенных такой краской поверхностей пятна карандашей, акварели, жира, соуса. Мыть поверхности, на которые нанесена такая краска можно многократно.


При этом она сохраняет свои первоначальные свойства. Более того, благодаря содержанию наночастиц, а также пористой структуре смолы, поверхность подвергается естественной вентиляции – дышит. Это значительный плюс для экологии окрашенного помещения. В такой краске нет примесей летучих вредных веществ, что также делает ее чистой с экологической точки зрения и безвредной для здоровья. Краска легко наносится внутри помещения на поверхность потолков, стен. Она обладает антибактериальными свойствами. Подобную краску эти свойства, а также эффект фотокаталитики, делают незаменимой при использовании в таких местах, как больницы, рестораны, отели, детские сады, магазины, офисы, школы и жилые помещения. Проще говоря, такая краска идеальна для использования, практически, в каждом помещении. Существуют фасадные нанокраски, которые обладают аналогичными свойствами. В сущности, можно говорить об умной краске, полученной на водной основе. Она очищается под воздействием дождевой воды и света. Именно благодаря тому, что в ней содержатся наночастицы, загрязнители органического происхождения, попадая на поверхность с водой дождя или под воздействием света солнца, разрушаются. При этом образуются безвредные компоненты воздуха, до азота, СО2, сульфатных солей и воды. Соли, выступающие на поверхности, счищаются ветром или дождевой водой. Что касается коррозии или промышленных условий, то здесь присутствует высокая защита от ультрафиолетовых лучей, воздействия влаги, воды. Долгий срок службы фасада здания обуславливается высокой паропроницаемостью. На протяжении многих лет поверхность будет поддерживать такое свойство, как грязеотталкивание или, иначе говоря, фотокаталептическое свойство.



При этом на поверхности, покрытой краской с нано частицами, сохраняются антибактериальные свойства. Таким образом, подобные свойства позволяют как получить стильную поверхность с очень простой эксплуатацией, так и поглотить токсины или примеси и отсеять бактерии. Все это помогает оздоравливать атмосферу в рабочих и жилых помещениях. Использование такой краски не дает возможности агрессивной среде подвергать биологической коррозии как фасад здания, та и его внутренние помещения.

Говоря о красках, полученных с применением нанотехнологий, нужно подчеркнуть и то, что их использование не предполагает применения каких-либо особых инструментов и специальных навыков. Сама технология окрашивания мало чем отличается от принципа, применяемого при окрашивании обычными красками на водной основе.
2.11. Химические аккумуляторы солнечной энергии
Для использования солнечной энергии ее обычно превращают в электричество при помощи фотоэлементов, либо используют для нагрева воды, которая может вращать турбину при кипении или обогревать дома. Но есть и еще одна возможность. Молекулы некоторых химических веществ под воздействием солнечного света меняют свою конфигурацию и переходят в более энергетически-высокое состояние, таким образом, запасая в себе тепло. Когда потом они возвращаются в основное состояние - тепло выделяется. Таким образом, можно создавать тепловые аккумуляторы наподобие электрических - их можно постепенно заряжать, а потом использовать накопившуюся энергию. Об этом методе, называемом термохимическим, впервые заговорили еще несколько десятилетий назад. Одним из основных его достоинств является эффективность хранения: запасенная энергия может храниться в течении нескольких лет почти без утечек, при этом вещество, содержащее энергию, не требует изоляции - тепло начнет выделяться только в присутствии катализатора. До сих пор применение этой технологии сдерживала дороговизна необходимых материалов. Возможно, благодаря новым открытиям их удастся существенно удешевить.

Идея метода родилась еще в 1970-х годах, но первое и пока единственное вещество, способное эффективно и надежно запасать энергию солнца в виде тепла, фульвален-тетракарбонилдирутений было обнаружено лишь в 1996-ом году. Но оно содержит редкий и дорогой химический элемент рутений, и, в добавок, до сих пор еще никто не понимал как оно работает. Ученые из Массачусетского технологического института (США) при помощи теоретических, вычислительных и экспериментальных методов смогли понять принцип работы этого редкого по своим свойствам вещества. Благодаря этому они надеются найти и более дешевые аналоги, не содержащие рутений.





Молекула фульвален-тетракарбонилдирутения

Оказалось, что причиной всему - необычный энергетический профиль данного вещества. Между стабильными состояниями с низкой и высокой энергий (о которых знали и раньше), было обнаружено полустабильное состояние с промежуточным значением энергии, что оказалось неожиданным для ученых. Именно оно помогло объяснить почему вещество так стабильно, процесс накопления тепла легко обратим, а вещества не содержащие рутений - не работают, ведь у них такого промежуточного состояния нет. Теперь исследователи будут искать другие - более дешевые и распространенные вещества с похожими свойствами.

Однако, с появлением нанотехнологий наступает время более кардинальных решений этой проблемы. Одно из наиболее удивительных открытий нанохимии и нанотехнологии состоит в том, что углеродные нанотрубки обладают способностью сохранять солнечную энергию. Исследователи из США разработали новый вид солнечного «аккумулятора», который может сберегать до 10000 раз больше тепловой энергии, чем существовавшие раньше системы. «Аккумулятор», который рассчитан при помощи аналитической химии и еще не до конца исследован в лаборатории, состоит из углеродных нанотрубок, модифицированных азобензолом. Ученые считают, что разработанная ими система позволит сохранять энергии на единицу объема примерно столько же, сколько сохраняют литий-ионные батареи; кроме того, «топливо» сможет хранить эту энергию сколь угодно долго. При этом подзарядка хранилища обеспечивается простым воздействием солнечного света (никакого электричества не требуется).
Принцип действия солнечного теплового «аккумулятора» заключается в сохранении тепловой энергии солнца за счет химических связей молекул. Описать свойства этого вещества проще всего на примерах. К примеру, вещество (солнечный «аккумулятор») в «нулевом» состоянии А поглощает солнечную энергию, за счет чего его молекулы переходят в состояние Б. При этом изменяется только геометрия самих молекул, химических реакций не происходит. К слову, такие молекулы называют «фото-переключаемыми». Молекулы менее стабильны в состоянии Б, т.к. имеют более высокую энергию. Разница энергий всех молекул вещества в состояниях Б и А – это то количество энергии, которое может быть запасено подобным «аккумулятором».






Трехмерная модель разработанной фото-переключаемой молекулы

Несмотря на то, что состояние А является более стабильным, чем Б, можно обеспечить условия, при которых молекула неограниченно долго остается в состоянии Б, пока не сработает «спуск», передающий достаточный объем энергии для перехода обратно в состояние А. Роль «спуска» в данном случае может играть свет, тепло или внешнее напряжение. При обратном переходе молекул из состояния Б в состояние А накопленная энергия высвобождается в виде тепла. В дальнейшем это тепло можно использовать для кипячения воды или выработки электроэнергии. После выделения накопленной энергии, вещество может «перезаряжаться» с помощью солнечного света; при этом в случае с «идеальным аккумулятором» цикл может повторяться до бесконечности, без потери производительности (как это происходит в электрических аккумуляторах).

В качестве принципиально новой основы для солнечного «аккумулятора» ученые из Massachusetts Institute of technology (MIT, США) предложили использовать системы, состоящие из углеродных нанотрубок, модифицированных с помощью азобензола. В данном случае нанотрубки используются для того чтобы обеспечить взаимодействие между двумя молекулами азобензола. Данное взаимодействие и является ключом к совершенно новым химическим состояниям с длительными сроками существования. Вычисления показывают, что подобные системы могут сохранять гораздо больше (в 10 тысяч раз) энергии, чем известные на сегодняшний день солнечные «аккумуляторы» на базе рутения. Столь высокая плотность энергии, если она будет доказана на эксперименте, приведет к более широкому использованию солнечных «аккумуляторов» в реальных задачах. На сегодняшний день только начали синтезировать и тестировать разработанное соединение. Правда, ученые сами признают, что есть еще достаточно много проблем, которые надо решить до того, как решение может попасть в коммерческую эксплуатацию.
Ученые считают, что в своем исследовании они задействовали лишь одно из возможных веществ, обладающих таким потенциалом. Они считают, что сходные свойства можно обнаружить при сочетании углеродных нанотрубок с другими известными хромофорами (веществами, поглощающими солнечный свет).


2.12. Средства связи и информации
Специалисты не безоснований утверждают, что нанотехнологии придадут мобильным телефонам «органы чувств». Прогнозируют, что уже к 2015 году у мобильника появятся «жидкий глаз» и «электронный нос», а к 2060 году будет создан компьютер, по скорости обработки данных сравнимый с человеческим мозгом. В следующем десятилетии будет создан набор технологий, которые позволят мобильным телефонам распознавать запахи, звуки и визуальные образы. Это позволит людям полноценно общаться даже на расстоянии 3 тыс. миль. Ученые стремятся достичь качества передачи звука, создающего иллюзию полного присутствия собеседника рядом с говорящим.
Ведущие производители мобильных телефонов работают над созданием тонких, как бритва, и гибких аппаратов. Ставки делают на компанию Samsung, которая сейчас занимается разработкой смартфона, основанного на светодиодах, изготовленных из органических материалов, которые при прохождении через них электросигнала излучают свет.

Аналитики компании уверены, что такой смартфон очень быстро завоюет мировую популярность. Экран телефона, как рассказывают представители Samsung, можно будет сворачивать и складывать, так как он будет в виде пластиковой подложки, тонкой и гибкой, основанной с использованием жидкокристаллической технологии. В производстве гибких телефонов, возможно, будут использовать графен, за который Нобелевскую премию получили выходцы из России, работающие в Манчестерском университете. Об этих талантливых ученых говорилось выше. Графен представляет из себя слой углерода, толщина которого один атом. Он гибкий, лёгкий, с проводящими свойствами и прочен как алмаз. Исследователи считают, что графен в будущем сможет заменить кремний и революционизировать электронику.

Разработки идут быстрее, чем можно было думать. В 2005 году компания Philips уже продемонстрировала первый прототип дисплея, который можно было скрутить в рулон. Nokia также разработала ряд прототипов гибких мобильных телефонов. Но не всё так просто. Для того, чтобы готовый товар был гибким, в нем все должно быть гибким: и фронтальная панель, и подложка, на которой находятся транзисторы, а также аккумуляторы, на которых работает устройство, его оболочка, сенсорный экран и другие компоненты.

Согласно прогнозам, нанотехнология в 10 раз увеличит эффективность батареи мобильника. Уже не первый год появляются сообщения том, что ученые придумали, как увеличить срок службы и емкость батарей для мобильных устройств в разы. Тем не мене, все эти разработки пока что так и остаются разработками, не дошедшими до конечного потребителя. Исключение составляют разве что топливные элементы, которые в экспериментальном порядке продаются в Японии.





<< предыдущая страница   следующая страница >>