2.4.Нанотехнологии и новые материалы на основе
традиционных полимерных материалов
Новые модицификации известных полимерных материалов, обладающие качественно новыми свойствами или со значительно увеличенными позитив-ными свойствами разработаны на основе использования нанотехнологий.
Рис.2.3.Структура полимеров [ 6 ]
Наномир представлен объектами и структурами, характерные размеры радиусов которых измеряются нанометрами (1нм = 10–9м = 106мм = 10–3 мкм). Приставка «нано» происходит от греческого слова νανοσ – «карлик» и означает одну миллиардную часть чего-либо. Наиболее ярко специфика нанообъектов проявляется в области характерных размеров радиусов от атомных (~ 0,1нм) до нескольких десятков нм. В ней все свойства материалов и изделий (физико-
механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические, химические, каталитические и др.) могут радикально отличаться от макроскопических.
Наноструктуры атомно-молекулярных элементов, представляют собой мельчайшие объекты, которые можно создавать искусственным путем. Они характеризуются новыми физическими, химическими и биологическими свойствами и связанными с ними явлениями. В связи с этим возникли понятия нанонауки, нанотехнологии и наноинженерии (нанонаука занимается фундаментальными исследованиями свойств наноматериалов и явлений в нанометровом масштабе; нанотехнология – созданием наноструктур; нано-инженерия – поиском эффективных методов их использования) (рис. 2.4).
Наноматериалы ‑ материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками;
Наносистемная техника ‑ полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям.
Фундаментальные исследования явлений, происходящих в структурах с размерами менее 100 нм, дали начало развитию новой области знаний, которая в обозримом будущем внесет революционные изменения в технологии XXI века. Подобным структурам соответствует такое состояние вещества, когда в их поведении проявляются и доминируют принципиально новые явления, в числе которых квантовые эффекты, статистические временные вариации свойств и их масштабирование в зависимости от размеров структур, преобладающее влияние поверхности, отсутствие дефектов в объеме монокристаллов, значительная энергонасыщенность, определяющая высокую активность в химических реакциях, процессах сорбции, спекания, горения и т.п. Эти явления наделяют наноразмерные частицы и структуры уникальными механическими, электрическими, магнитными, оптическими, химическими и другими свойствами, которые открывают принципиально новые возможности манипулирования материей с вариантами применений, трудно представимых в обычной ситуации.
Отличие свойств малых частиц от свойств массивного материала известно ученым давно и используется в различных областях техники. Примерами
Рис.2.4. Научные основы и объекты нанонауки и нанотехнологии
наноразмерных структур могут служить широко применяемые аэрозоли, красящие пигменты, цветные стекла, окрашенные коллоидными частицами металлов.
Как это ни парадоксально, но сегодня львиная доля производственных затрат человека идут на производство отходов и загрязнение окружающей среды.
Если создание необходимых нам материальных объектов можно будет, конструировать из атомов и молекул с помощью нанотехнологий, то в результате радикально снизятся материальные и энергетических затраты общества в целом.
Таким образом, нанотехнологии - это [1,14,21,31,59,60]:
●во-первых, технологии атомарно-молекулярного конструирования,
●во-вторых, - принципиальный вызов существующей системе организа- ции научных исследований,
● в-третьих, - философское понятие, возвращающее нас к целостному восприятию мира на новом уровне знаний.
Нанопримеси на основе оксида церия уже сейчас добавляют в дизельное топливо, что позволяет на 4-5% повысить КПД двигателя и снизить степень загрязнения выхлопных газов.
Исследователи университета штата Аризона пытаются создать биометрическую одежду, интегрировав в обычное трико для спортсменов гибкий дисплей, набор сенсоров для определения вредных веществ, микроскопический топливный элемент, микронасосы и т.д. Такой «навороченный» костюм предназначен для военного применения, но его можно использовать, например, в медицине, где он сам проверит состояние больного (например, диабетика) и сам вовремя сделает необходимые инъекции.
В университета Клемсона (США) на основе детальных исследований структуры листьев лотоса создали «самоочищающееся» покрытие, которое отталкивает гораздо больше воды и грязи, чем обычные ткани. Принцип действия позаимствован у природы. Так, установлено, что листья лотоса "самостоятельно очищаются": их поверхность отталкивает большую часть грязи и воды. Поверхность листа лотоса так устроена, что капля воды катится по нему, собирая грязь. А на гладкой поверхности, наоборот, капля воды, сползая, оставляет грязь на месте. Исследователи воспроизвели этот меха-низм, нанеся разработанное покрытие на волокна ткани. Покрытие устойчиво и не разрушается при очистке и механическом воздействии. Созданная ткань, использующая этот принцип, даже если ее пытаться сильно испачкать, будет отталкивать большинство мокрой грязи. А оставшуюся можно будет легко смыть обычной водой. Использование различных наночастиц в составе нового покрытия, безвредного для окружающей среды, позволит ткани приобрести ряд таких полезных свойств как поглощение неприятных запахов и уничтожение микроорганизмов.