Применение нанотехнологий в различных отраслях

1.5.1. Наноэлектроника и нанофотоника

Существуют следующие основные направления наноэлектроники:

1. Кремниевая электроника.

2. Электроника на механотранзисторах.

3. Электроника на нанотрубках.

4. Молекулярная электроника.

5. Одноэлектроника.

6. Спинтроника.

7. Квантовая электроника.

8. Многозондовые системы.

9. Гибкая электроника.

Электроника на механотранзисторах. По своим размерам современные транзисторы могут быть всего в несколько раз больше молекулы. Однако даже эти компоненты намного больше, чем новое поколение наноэлементов, в которых вместо кремния будут использоваться органические соединения и углеродные нанотрубки. Нанотехнологии позволят не только уменьшить размеры микросхем, но и увеличить количество транзисторов в них, что значительно повысит производительность[9, С. 3-13].

Электроника на нанотрубках. Размеры углеродных нанотрубок сопоставимы с размерами молекул. Средний диаметр однослойной углеродной нанотрубки составляет около 1 нанометра. Если же удастся «заставить» одну нанотрубку хранить один бит информации, то память на их основе будет хранить колоссальные объемы информации, ведь современные ячейки flash-памяти, хранящие один бит информации, имеют размеры от 50 до 90 нанометров.

Квантовая электроника. Исследователям из японского Национального Института материаловедения удалось перенести старую технологию механоэлектрических выключателей на квантовый уровень. Они создали миниатюрный механический выключатель, подобный тем, которые по сей день используется во многих бытовых приборах. Принцип работы выключателя прост - при подаче напряжения на устройство, между двумя нанопроводниками возникает или распадается мостик из серебра, который выполняет роль проводника. Длина мостика, по которому протекает ток - всего 1 нанометр. На отрезке длиной 1 нанометр можно расположить 10 атомов водорода. Поэтому сообщение о создании нового квантового устройства претендует на сенсацию.

Одной из перспективнейших отраслей применения нанотехнологий является компьютерная техника. Несмотря на значительную миниатюризацию и оптимизацию современных устройств, имеющихся на рынке, нанотехнологии смогут совершить в этой сфере настоящую революцию. В этом случаи размеры действующих элементов микропроцессоров и устройств памяти приближаются к квантовым пределам, то есть границам мельчайших единиц материи и энергии - когда работает один электрон, один спин, квант магнитного потока, энергии и т.д. Это сулит быстродействие порядка ТГц (~1012 операций в секунду), плотность записи информации ~103 Тбит/см2, что намного порядков выше, чем достигнутые сегодня, а энергопотребление - на несколько порядков ниже. При такой плотности записи в жестком диске - размерами с наручные часы - можно было бы разместить громадную библиотеку национального масштаба или фотографии, отпечатки пальцев, медицинские карты и биографии всех жителей Земли.

Нанофотоника.. Компании, занимающиеся нанофотоникой, разрабатывают высокоинтегрированные компоненты оптических коммуникаций с применением технологий нанооптики и нанопроизводства. Такой подход к изготовлению оптических компонентов позволяет ускорить получение их прототипов, улучшить технические характеристики, уменьшить размеры и снизить стоимость.

1.5.2. Наноэнергетика

Наоэнергетика включает в себя[14]:

1. Энергетические системы

2. Генерация энергии: солнечные батареи, термоэлектрические элементы, микрожидкостные генераторы, ядерные установки, термоядерные установки, батарейки и аккумуляторы.

3. Топливные элементы: водородные элементы, передача энергии (высокотемпературные сверхпроводники, формирование градиента температур)

Солнечные батареи. Солнечную батарею толщиной в бумажный лист, которую можно гнуть и сворачивать, создала японская электротехническая компания Sharp. Как сообщает сегодня токийская печать, батарея в виде пленки имеет толщину от 1 до 3 микрометров - то есть, от одной до трех тысячных миллиметра. Это меньше современных аналогов примерно в сто раз. Компания собирается начать промышленное производство новики уже в этом году. Слоями солнечных батарей планируется покрывать мобильные телефоны, автомобили и даже специальную одежду. Пленка площадью в две визитные карточки весит всего один грамм и обладает мощностью в 2,6 ватт. По словам разработчиков, этого уже достаточно, чтобы обеспечить электропитанием велосипедный фонарь.

Батарейки и аккумуляторы. Компания Toshiba разработала литиево-ионную батарею на основе наноматериалов, которая заряжается примерно в 60 раз быстрее обычной. За одну минуту её можно заправить на 80%, а полная ёмкость аккумулятора (у первого образца она была равна 600 миллиампер-часов) заполняется через несколько минут (см. рис. 2).

Рисунок 2. Нанобатарейка (3,8х62х35 мм)

Создать нанобатрейку удалось благодаря новой технологии, основанной на использовании наночастиц, находящихся в составе материала отрицательного электрода батареи. При зарядке батареи, наночастицы быстро собирают и хранят ионы лития. На рынке скоростная батарейка появилась в 2006 году.

Топливные элементы. Уникальные свойства углеродных нанотрубок (УНТ) и нановолокон (УНВ) – высокая удельная поверхность, электропроводность, прочность - позволяют создавать на их основе эффективные носители катализаторов для различных процессов. В последнее время большое внимание уделяют топливным элементам с твердым полимерным электролитом (ТПЭ). В России 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.

1.5.3. Нанотехнологии для медицины и биотехнологии

1.5.3.1. Наномедицина

Современная технология – нанотехнология - позволяет работать с веществом в масштабах, еще недавно казавшихся фантастическими - микрометровых, и даже нанометровых. Именно такие размеры характерны для основных биологических структур - клеток, их составных частей (органелл) и молекул.

Современные приложения нанотехнологий в медицине можно разделить на несколько групп[10, С.212-247]:

1. Наноструктурированные материалы, в т. ч., поверхности с нанорельефом, мембраны с наноотверстиями.В настоящее время достигнуты успехи в изготовлении наноматериала, имитирующего естественную костную ткань.

2. Наночастицы (в т. ч., фуллерены и дендримеры).Спектр возможных применений чрезвычайно широк. Он включает борьбу с вирусными заболеваниями такими, как грипп и ВИЧ, онкологическими и нейродегенеративными заболеваниями, остеопорозом, заболеваниями сосудов. Наносферы могут использоваться и в диагностике, например, как рентгеноконтрастное вещество, прикрепляющееся к поверхности определённых клеток и показывающее их расположение в организме.

3. Микро- и нанокапсулы.Миниатюрные (~1 мк) капсулы с нанопорами могут быть использованы для доставки лекарственных средств в нужное место организма. Уже испытываются подобные микрокапсулы для доставки и физиологически регулируемого выделения инсулина при диабете 1-го типа.

4. Нанотехнологические сенсоры и анализаторы.Использование микро- и нанотехнологий позволяет многократно повысить возможности по обнаружению и анализу сверхмалых количеств различных веществ. Одним из вариантов такого рода устройства является «лаборатория на чипе» (lab on a chip). Это пластинка, на поверхности которой упорядоченно размещены рецепторы к нужным веществам, например, антитела. Такое устройство, способное обнаруживать буквально отдельные молекулы может быть использовано при определении последовательности оснований ДНК или аминокислот, обнаружения возбудителей инфекционных заболеваний, токсических веществ.

5. Медицинские применения сканирующих зондовых микроскопов. Сканирующие микроскопы представляют собой группу уникальных по своим возможностям приборов. Они позволяют достигать увеличения достаточного, чтобы рассмотреть отдельные молекулы и атомы.

6. Наноинструменты  и наноманипуляторы.Наноманипуляторами можно назвать устройства, предназначенные для манипуляций с нанообъектами - наночастицами, молекулами и отдельными атомами. Примером могут служить сканирующие зондовые микроскопы, которые позволяют перемещать любые объекты вплоть до атомов.

7. Микро- и наноустройства различной степени автономности. В настоящее время всё большее распространение получают миниатюрные устройства, которые могут быть помещены внутрь организма для диагностических, а возможно, и лечебных целей. Современное устройство, предназначенное для исследования желудочно-кишечного тракта, имеет размер несколько миллиметров, несёт на борту миниатюрную видеокамеру и систему освещения. Полученные кадры передаются наружу.

 

1.5.3.2. Нанобиотехнологии

 

Особое место в нанотехнологиях занимает область нанобиотехнологий. Речь идет о создании устройств с использованием биологических макромолекул в целях изучения или управления биологическими системами[1, С.58-73].

Нанобиотехнология объединяет достижения нанотехнологии и молекулярной биологии. В ней широко используется способность биомолекул к самосборке в наноструктуры. Так, например, липиды способны спонтанно объединяться и формировать жидкие кристаллы. ДНК используется не только для создания наноструктур, но и в качестве важного компонента наномеханизмов. Предполагается, например, что вместо того, чтобы создавать кремниевую основу микросхем, нанотехнологи смогут использовать двухцепочечную молекулу ДНК, особенности которой позволяют объединять атомы в предсказуемой последовательности.

По мнению ряда ученых, нанобиотехнологии существенно упрощают и ускоряют решение традиционных проблем генетики сельскохозяйственных видов. Таких, к примеру, как контроль происхождения, выявление носителей неблагоприятных мутаций или инфекций, а также генов, связанных с желательными хозяйственно ценными признаками, включая устойчивость к неблагоприятным факторам окружающей среды.

 

Нанокосметика

 

Использование нанотехнологий в косметике началось сравнительно недавно[18].

L'Oreal, мировой лидер по производству косметики, вкладывает миллионы в исследования нанотехнологии. Компания верит в то, что будущее именно за нанокосметикой — когда-нибудь она поможет замедлить старение кожи, предотвратить появление седых волос и даже облысение.

Несколько лет назад L'Oreal выпустила на рынок знаменитый крем Revitalift, содержащий наносомы Про-Ретинола А, и, по заверению компании, этот крем впитывается в кожу куда лучше, чем кремы других марок, за счет особых микрочастиц (см. рис. 3).Традиционные кремы лишь образовывали барьер, защищающий кожу от потери влаги, тогда как лореалевская новинка с помощью микрочастиц действовала на более глубокие слои кожи и стимулировала обновление клеток.

Рисунок 3. Крем компании L'Oreal [18]

Dior «выступил» на рынок с «липосомами», которые по своей функции похожи на лореалевские «наносомы». Estee и Johnson & Johnson также стали производить продукцию с использованием нанотехнологий.

Большинство обычных кремов из числа так называемой «поверхностной косметики» не достигают глубоких слоев кожи, оставаясь на поверхности. Такие кремы могут хорошо защищать кожу и не более того. Нанокосметика действует на уровне атомов, доставляя увлажняющие компоненты и антиоксиданты в так называемых «наносферах» или «наносомах» — маленьких капельках, которые в миллионы раз меньше частицы песка. В теории, эти наносомы проникают очень глубоко в кожу, принося с собой увлажняющие компоненты и удаляя мертвые клетки глубоко под поверхностным слоем кожи.

Однако косметологи не остановились на наносомах и предложили потребителям так называемые «нанокомплексы», объединяющие активные вещества, измельченные до размера «нано», в системы. Нанокомплексы могут быть заранее «запрограммированы» под определенную проблему и высвобождать активные вещества именно там, где это необходимо.

У бренда лечебной косметики для волос Kerastase, принадлежащего компании L’Oreal, есть несколько продуктов для волос, созданных с использованием нанотехнологий.

Нанотехнологии используются не только при производстве увлажняющих кремов, но и солнцезащитных средств. Оказывается, солнцезащитный крем может быть практически неощутимым, но, в то же время, способным защитить от вредного солнечного излучения на самом высоком уровне.

1.5.4. Нанотехнологии для легкой промышленности

Наноматериалы в текстиле. Текстиль на основе наноматериалов приобретает уникальные по своим показателям водонепроницаемость, грязеотталкивание, теплопроводность, способность проводить электричество и другие свойства[19].

Наноматериалы могут иметь в своем составе наночастицы, нановолокна и другие добавки. Например, компания Nano-Tex успешно производит ткани, улучшенные с помощью нанотехнологий. Одна из таких тканей обеспечивает абсолютную водонепроницаемость : благодаря изменению молекулярной структуры волокон, капли воды полностью скатываются с полотна, которое при этом «дышит».

А американская компания NanoSoni cразработала уникальную технологию, позволяющую создавать материалы с невозможными в природе свойствами, в частности, листы полимера, гибкие и упругие, как резина, и проводящие ток, как металл. Новый продукт назвали Metall Rubber- металлизированная резина .

Из «горячих новинок» текстильного нанорынка следует отметить утеплительный материал Aspen's Pyrogel AR5401, изготовленный на основе полимерного материала с нанопорами. Благодаря им материал ведет себя как хороший теплоизолятор. Компания Aspen Aerogels в марте 2004 г. начала производство из нового материала утепляющих стелек для обуви. Эти стельки заказывали: команда, выигравшая в 2004 г. марафон к Северному полюсу, одна из канадских лыжных команд и элитное спецподразделение армии США. Отзывы заказчиков о продукте были схожими: это универсальное решение для работы в экстремальных условиях. Нанопокрытия. Нано­техно­логии также применяются для улучшения свойств традиционного текстиля и изделий из него. В этом случае на текстиль наносятся покрытия, модифицирующие его в микронном и субмикронном размерных диапазонах. Энергосберегающая технология фотокатализа очищает поверхность текстиля без применения химикатов и энергии, исключительно под воздействием нанокатализаторов, нанесенных с использованием традиционного текстильного оборудования, солнечного света и воды. Гонконгские ученые создали покрытие на основе наночастиц, которое предотвращает загрязнение ткани, а также способствует ее обеззараживанию. Некоторые нанопокрытия доступны и на российском рынке. Это обеззараживающие покрытия на основе наночастиц серебра и оксида цинка а также покрытия, создающие устойчивый слой, который не пропускает ультрафиолет. Электроника и микроэлектромеханические системы (МЭМС). Интеграция в текстиль микро- и наноэлектроники, а также МЭМС существенно расширяет возможности повседневной одежды, которую можно использовать в качестве средства связи и даже персонального компьютера. А изготовление текстиля со встроенными датчиками позволит производить мониторинг состояния тела человека. Это, безусловно, откроет новые возможности в медицинской практике, спорте и жизнеобеспечении в экстремальных условиях (см. рис. 4).

Рисунок 4. «Умная» одежда с использованием нанотехнологий[19]

Исследователи из университета штата Аризона под руководством профессора Фредерика Ценгаусерна пытаются создать биометрическую одежду, интегрировав в обычное трико, которым часто пользуются спортсмены, гибкий дисплей, набор сенсоров для детекции вредных веществ, микроскопический топливный элемент, микронасосы и т.д. Не удивительно, что такой «навороченный» костюм предназначается для военного применения, но может использоваться и в мирных отраслях, например, в медицине, где он сам проверит состояние больного (например, диабетика) и сам вовремя сделает необходимые инъекции.

Биомиметика в текстиле. В современных нанотехнологих широко используется прием, называемый биомиметикой, суть которого состоит в том, чтобы «подсмотреть» и повторить успешное решение проблемы, которое использует сама природа. Так, например, была получена «самоочищающаяся» ткань, секрет которой подсказал цветок лотоса. Американские исследователи из университета Клемсона (Clemson University) 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. Как было установлено, листья лотоса обладают свойством «самостоятельного очищения», их поверхность отталкивает большую часть грязи и воды. Поверхность листа лотоса устроена таким образом, что капля воды катится по нему, собирая грязь. А на гладкой поверхности, наоборот, капля воды, сползая, оставляет грязь на месте. Исследователи повторили этот механизм, 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 полезных свойств: от поглощения неприятных запахов до уничтожения микроорганизмов.

Это лишь малая толика тех достижений, которые уже вышли на рынок и могут быть использованы предпринимателями. В будущем количество наноновинок возрастет многократно, и текстильная промышленность без них не обойдется. Исследовательские работы в области нанотехнологий, которые ведутся во многих странах мира, направлены, в первую очередь, на их коммерциализацию. Так что стоит ждать в ближайшем будущем появления умной и комфортной одежды по вполне приемлемым ценам.

Что касается России, то сегодня более 90% швейных предприятий страны применяют разработанные институтом технологии изготовления одежды. Но не один только ЦНИИШП занимается внедрением нанотехнологий в лёгкую промышленность. В России существует Центральный научно-исследовательский институт хлопчатобумажной промышленности (ЦНИИХБП), институт пластмасс, учебные и текстильные институты.

1.5.5. Нанотехнологии для обеспечения безопасности

Современные достижения в области наноматериалов и нанотехнологий открывают новые возможности для повышения в десятки раз тактико-технических характеристик систем безопасности и являются по своей сути инновационными, поскольку направлены на создание, главным образом, новой продукции, востребованной рынком систем безопасности. В ближайшие 3–10 лет наиболее перспективны следующие направления использования нанотехнологий в системах безопасности[15]:

1. Новые средства и методы контроля и защиты документов от подделки, например на основе наноматериалов, микропечати, тонких электронных схем, бумаги с добавлением наночастиц, компактных устройств считывания данных.

2. Системы контроля доступа в помещения на основе наносенсоров, например считыватели отпечатков пальца, теплового рисунка вен руки или головы, геометрической формы руки в динамике.

3. Многофункциональные сенсоры «электронный нос» для обнаружения и идентификации сверхмалых количеств взрывчатых, наркотических и опасных веществ.

4. Более компактные, чуткие и информативные портативные и стационарные металлоискатели и детекторы движения на основе наносенсоров.

5. Распределенные массивы наносенсоров типа «умная пыль» для охраны границ и периметров объектов.

6. Магниторезонансные установки для точного анализа объемного содержания закрытых емкостей и грузов в аэропортах, на проходных, на таможне.

Примеры создания перспективных технических средств и систем безопасности на базе нанотехнологий и наноматериалов, имеющие высокую степень завершенности исследований:

1. Антитеррористические средства, в т.ч. гиперспектральные наноанализаторы сверхнизких концентраций взрывчатых, наркотических и других запрещенных к распространению веществ.

2. Системы контроля и управления доступа, паспортного и миграционного контроля, в т.ч.:

§ идентификационные документы и системы контроля и управления доступа на базе нанометок и нанопамяти, включая системы для идентификации лиц на основе получения, записи на защищенный носитель (нанопамять) и цифровой обработки трехмерного видеоизображения;

§ замковые устройства для режимных помещений с уникальными электронными ключами – нанометками;

§ электронные заграничные паспорта второго поколения и миграционные удостоверения с нанопамятью 1–10 Гбайт.

В настоящее время в нашей стране сформированы кооперации соисполнителей, способные в кратчайшие сроки реализовать проекты по созданию перспективных систем безопасности. Дело за инвестированием инновационных проектов. И здесь роль государства, как никогда, велика.

1.5.6. Нанотехнологии для сельского хозяйства и пищевой промышленности

Направления использования нанотехнологий в сельском хозяйстве связаны с воспроизводством сельскохозяйственных видов, переработкой конечной продукции и улучшением ее качества. Нанотехнологии уже используют для обеззараживания воздуха и различных материалов, в том числе кормов и конечной продукции животноводства; обработки семян и урожая в целях его сохранения. Их применяют при стимуляции роста растений; лечении животных; улучшении качества кормов[21]. Есть опыт внедрения этих технологий для уменьшения энергоемкости производства, оптимизации методов обработки сырья и увеличения выхода конечной продукции; разработки новых упаковочных материалов, позволяющих долго сохранять конечную продукцию.

Под эгидой ФАО создана база данных о 160 проектах использования нанотехнологий в сельском хозяйстве, которые финансировались и разрабатывались на 2006 г. Большинство из них связано с пищевой промышленностью, с использованием наноматериалов для упаковки пищи или определения и, в отдельных случаях, нейтрализации опасных токсинов, аллергенов или патогенов. Развиваются проекты по созданию и улучшению пищевых добавок, получению растительного масла с нанодобавками, которые препятствуют поступлению холестерина в кровь млекопитающих.

Другая группа проектов направлена на развитие более эффективных и средосберегающих агротехнологий. Например, использование наноматериалов для очистки вод в агроэкосистемах. Или их применение для переработки отходов растениеводства в этанол. В животноводстве разрабатывают методы использования нанодобавок в целях уменьшения доз ростовых факторов и гормонов, нейтрализации патогенов на ранних стадиях их контакта с животными.

 

Таким образом, преимущества и возможности использование нанотехнологий и наноматериалов очевидны. Поэтому вполне объясним повышенный интерес к этой теме в современном мире, т.к. она является источником новых подходов к повышению качества жизни и решению многих социальных проблем в высокоиндустриальном обществе.