2.7. Нанотехнологии и повышение уровня техносферной безопасности
Нанотехнология — область прикладной науки и техники, имеющая дело с объектами размером менее 100 нанометров (1 нанометр равен 10−9 метра). Нанотехнология ‑ совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба.
Фундаментальные исследования в этом направлении дали начало развитию новой области знаний, которая, очевидно, 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 дверь в принципиально новую область манипулирования материей с применениями, трудно представимыми в обычной ситуации [5, С.7-20].
Следует особо отметить, что отличие свойств малых частиц от свойств массивного материала известно ученым давно и используется в различных областях техники. Примерами наноразмерных структур могут служить широко применяемые:
● аэрозоли,
●красящие пигменты,
●цветные стекла, окрашенные коллоидными частицами металлов.
Впечатляющие примеры связаны с биологией, где природные объекты имеют наноструктуры на уровне клеточного ядра.
Таким образом нанотехнология, как научное направление, не является чем-то новым. Качественная характеристика нанотехнологии заключается в практическом использовании нового уровня знаний о физико-химических свойствах материи. В этом одновременно и исключительность нанотехнологии – новый уровень знаний предполагает выработку концептуальных изменений в направлениях развития техники, медицины, сельскохозяйственного производства, а также изменений в экологической, социальной и военной сферах.
Важной отличительной особенностью нанометрового масштаба является также способность молекул самоорганизовываться в структуры различного функционального назначения, а также порождать структуры, себе подобные (эффект саморепликации). Методами так называемого механосинтеза реализуются новые, не имеющие аналогов, молекулярные соединения. Проведены эксперименты, в которых тысячи и десятки тысяч молекул соединяются в кристаллы, обладающие изначально заданными свойствами, которые не встречаются у природных материалов.
Использование перечисленных выше свойств в практических приложениях и составляет суть нанотехнологии. На ее основе уже реализованы:
●образцы наноструктурированных сверхтвердых, сверхлегких, коррозионно- и износостойких материалов и покрытий,
●катализаторов с высокоразвитой поверхностью,
●нанопористых мембран для систем тонкой очистки жидкостей, ●сверхскоростных приборов наноэлектроники.
Наноструктуры, построенные «из первых принципов», с использованием атомномолекулярных элементов, представляют собой мельчайшие объекты, которые могут быть созданы искусственным путем. Они характеризуются новыми физическими, химическими и биологическими свойствами и связанными с ними явлениями. В связи с этим возникли понятия нанонауки, нанотехнологии и наноинженерииию
Нанонаука занимается фундаментальными исследованиями свойств наноматериалов и явлений в нанометровом масштабе,
Нанотехнология – созданием наноструктур,
Наноинженерия – поиском эффективных методов использования наноматериалов и изделий (см. рис. 2.39).
Наноматериалы ‑ материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладают качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками.
В настоящее время наноматериалы используют для изготовления:
●защитных и светопоглощающих покрытий,
●спортивного оборудования,
●транзисторов,
●светоиспускающих диодов,
●топливных элементов,
●лекарств и медицинской аппаратуры,
●материалов для упаковки продуктов питания,
●косметики и одежды.
Примером может служить использование добавок на основе наноразмерного оксида церия к дизельному топливу, что позволяет на 4-5% повысить КПД двигателя и снизить степень загрязнения выхлопных газов [ 3, С. 51-55].
Рис. 2.39. Научные основы и объекты нанонауки