III . Некоторые перспективные применения наноматериалов

В настоящее время наноматериалы широко применяются промышленности для производства самых разнообразных выпускаемых изделий от косметики до электроники.

Самый известный пример успешно работающих, теперь уже массовых нанотехнологий — электронные компоненты. В 2003 году корпорация Intel стала использовать нанотехнологию в производстве процессоров (в настоящее время 32 нм). Уменьшение размеров процессоров позволяет существенно увеличить тактовую частоту и количество транзисторов при уменьшении тепловыделения.

Нанотрубки стали открытием №1 в области нанотехнологий. Ученые предвидят несколько перспективных областей для применения нанотрубок. Нанотрубки могут быть полезны в качестве катализаторов химических реакций, их применяют в наноробототехнике, наноэлектронике и микроскопических лазерах. Компактные и сверхбыстрые компьютеры, пуленепробиваемые футболки, космический лифт, роботы размером с клетку и меньше — все это обещают человечеству нанотехнологии, где будут использоваться в качестве основного материала углеродные нанотрубки.

Уникальные свойства углеродных нанотрубок и нановолокон — высокая удельная поверхность, электропроводность, прочность — позволяют создавать на их основе эффективные носители катализаторов для различных процессов. Так, китайские исследователи синтезировали катализатор из наночастиц платины на углеродных нанотрубок (10 вес. % Pt) и использовали его в качестве катодного электрокатализатора для прямых метанольных топливных элементов вместо обычного катализатора на углероде. Продемонстрирована высокая активность восстановления кислорода и более эффективная работа топливных элементов.

Профессор Э. Гейм и его коллеги из Университета Манчестера (США) совместно с группой сотрудников доктора К. Новоселова из Черноголовки (Россия) впервые в мире получили ткань толщиной в один атом. Новый наноматериал представляет собой «развернутую» нанотрубку. Это пленка из атомов углерода, составляющая собой одну молекулу. Журналисты окрестили новый наноматериал «двумерным», так как он толщиной в один атом углерода. Новый материал назвали графеном (graphene). Профессору Гейму впервые удалось отделить атомарный слой от кристалла графита. При этом отделённые атомы сохранили связь друг с другом, образовав «заплатку» из ткани толщиной в один атом. Исследователи назвали новый материал двумерным фуллереном. Графен стабилен, очень гибок, прочен и проводит электричество. С помощью графена ученые создали полевой транзистор, который работал при комнатной температуре в обычных условиях. Было установлено, что электроны в транзисторе могут перемещаться на субмикронные дистанции без рассеивания, что очень важно для применения графена в в нано- и  микроэлектронных устройствах. Полученные результаты позволяют предположить широкое применение графена будущее в новых материалах и в суперкомпьютерах будущего, где размеры логических схем будут уменьшены в миллионы раз.

Две различные группы исследователей из США и Австралии создали прозрачную ткань, состоящую из нанотрубок длиной 1 (!) м! и шириной 5 см. Ранее ученым удавалось получить нанотрубки длиной только несколько сантиметров. Усиленная нанопленка прозрачна и проводит электричество. Вдоль направления нанотрубок сопротивление ткани составляет 700 Ом/м². При этом сопротивление остается постоянным при изгибе пленки в любом направлении. Наноткань может использоваться даже в системах освещения, заменяя традиционные лампы дневного света и лампочки. Прочность пленки — 160 МПаДг/см³). Прочность полимерных пленок майлар и каптон, использующихся в сверхлегких самолетах, — 140 МПа/(г/см³), а прочность закаленной стали — 125 МПа/(г/см³).

Исследователи из Университета Флориды (США) и ученые из Вен­герской академии наук разработали технологию производства гибких прозрачных пленок из однослойных нанотрубок. Технология изготовления пленок проста: исследователи погрузили нанотрубки в жидкость, а затем профильтровали раствор на специальном мембранном фильтре, который потом растворили. В итоге получилась пленка, состоящая из электропроводных нанотрубок и гибкого пластикового субстрата. Как утверждают исследователи, толщину пленки можно изменять с нанометровой точностью. Сейчас же ученые изготовили пленочный диск диаметром 10 см и толщиной всего от 50 до 150 нм. Пленка толщиной в 50 нм пропускает 70% видимого света и 90% инфракрасного. При этом пленка является электропроводной, что позволяет применять ее для производства прозрачных и гибких дисплеев, которые могут использоваться в компьютерной технике, инфракрасных камерах, мобильных телефонах, электронной бумаге и т.д.

В телевизорах нового поколения Applied Nanotech предлагает использовать нанотрубки в качестве источников света, чтобы заменить лампы подсветки в жидкокристаллических телевизорах большой диагонали (40-60 дюймов). Причем компания это сделала к 2007 году, т.е. всего через четыре года после того, как светоизлучающие нанотрубки были впервые созданы.

Нанопорошки примененяются в качестве исходного сырья при производстве керамических, магнитных и композиционных материалов, сверхпроводников, солнечных батарей, фильтров, присадок к смазочным материалам, компонентов низкотемпературных высокопрочных припоев и др.

Например, кремниевые наночастицы, характеризуются такими свойствами, как фотолюминесценция, фотостабильность и фотоэмиссия, то вполне вероятно, что на их основе можно сделать фотодиоды и гибкие лазеры, которыми можно будет управлять с помощью электрического поля.

В настоящее время нано- и субмикропорошки переходных металлов привлекают к себе внимание различных специалистов в связи с возможностью их использования в качестве реагентов, катализаторов и вспомогательных веществ для решения прикладных задач в различных областях физики, химии и химической технологии, микроэлектроники и приборостроения, что позволяет создавать и совершенствовать технологии многих промышленных производств, основанных на применении металлов. Применение нано- и субмикропорошков переходных металлов в медицине и косметике позволило создать совершенно новые классы эффективных лекарств и косметических средств, например наночастицы серебра уже применяют для лечения различных форм рака и других болезней.

Компания Toshiba разработала литиево-ионную батарею на основе наноматериалов, которая заряжается примерно в 60 раз быстрее обычной. За одну минуту ее можно заправить на 80%, а полная емкость аккумулятора (у первого образца она была равна 600 мАч) заполняется через несколько минут. 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. 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%).