Нанотехнологии. Правда и вымысел - Виктор Балабанов

Однако кремлевские «рубиновые» звезды уже не содержат в себе «ни серебра, ни злата». Они изготовлены путем введения в обыкновенное стекло селена в комбинации с другими химическими соединениями, получившими название «селенового рубина». Звезды, созданные с применением селенового стекла, много дешевле золотых, но не уступают им по насыщенности и глубине цвета, а медные даже значительно превосходят (http://supercook.ru/glass-history-10.html).

Рис. 42. Кремлевская звезда с селеновыми рубинами: 1 – слой молочно-белого стекла; 2 – слой светло-красного стекла, окрашиваемого в рубиновый цвет; 3 – наночастицы селена (красителя)

Подсвеченные изнутри селеновые рубиновые звезды имеют очень красивую, яркую окраску. Чтобы звезды были красивого красного цвета днем, их сделали из светло-красного стекла и положили на слой молочно-белого стекла.

Селеновые стекла способны окрашиваться в различные оттенки (от желтого до темно-красного цвета) за счет изменения соотношения между количествами красителей. Оказалось, что аналогичные по цвету рубиновые стекла можно получать и при применении меди. При этом технология должна быть более точной и длительной.

При изготовлении (варке) стекла с небольшим количеством меди и олова необходимо, чтобы медь не соединялась с другими компонентами стекла, а находилась в виде мельчайших кристалликов металлической меди, равномерно распределенных по всей стеклянной массе. Частички меди настолько малы, что их присутствие в стекле ничем не обнаруживается.

Если это требование выполняется, то на первом этапе получают бесцветную заготовку, которую затем медленно нагревают до температуры 600–700 °C. При этом стекло начинает светиться красным, как драгоценный рубин.

Оказывается, что хотя стекло еще твердое, в нем уже возможно некоторое перемещение, вследствие которого частицы меди собираются вместе и выстраиваются в особую сетчатую структуру, уже не пропускающую свет, кроме красного спектра. Так получают медные рубины красного цвета.

В зависимости от применяемых металлов (их способности пропускать или поглощать лучи разной длины волны) объясняется окраска всех без исключения стекол.

Данная разработка, несомненно, является выдающимся технологическим достижением отечественных ученых и практиков. Аналогичными принципами руководствовались современные ученые при производстве квантовых точек, окрашивающих вещество в разные цвета.

В настоящее время наиболее значимые достижения прикладной нанотехнологии (рассматривает задачи и способы практического применения нанотехнологий для нужд человечества) находятся в сферах изготовления различных наноматериалов, электроники и медицины.

Все современные достижения практической нанотехнологии подразделяются на три группы: инкрементные, эволюционные и радикальные. Рассмотрим их более подробно.

Инкрементные нанотехнологии

Инкрементная нанотехнология подразумевает промышленное применение наноструктур, а также специфических эффектов и феноменов, характерных для области перехода между атомным и мезоуровнями, в целях значительного усовершенствования существующих классических материалов.

Наибольшее развитие инкрементные нанотехнологии получили в области создания нанокомпозиционных конструкционных материалов с различными свойствами, нанодисперсных (ультрадисперсных) порошковых материалов (в том числе фуллеренов, углеродных нанотрубок и др.), защитных самоочищающихся покрытий, препаратов автохимии и некоторых других.

Так, в Институте прикладной нанотехнологии (г. Зеленоград) разработана технология модифицирования наночастиц монтмориллонита (бентонита) в натриевой форме в Ag-форму. В меж-слоевое пространство бентонита вводится серебро в ионной форме. При контакте с продуктами жизнедеятельности человека, содержащими натрий, калий и пр., происходит обмен ионов указанных элементов на ионы серебра, которые длительное время сохраняют бактерицидное действие. Такими наночастицами обрабатывают поверхности силикона, ПВХ и тканей, используемых в производстве экзопротезов. На Международной выставке по изобретениям в Женеве в апреле 2006 года данная разработка была удостоена золотой медали. На основе этой технологии были созданы составы для нанесения бактерицидных покрытий на элементы интерьера автомобиля (детали из пластика, тканей, стекла, коврики и т. д.). В 2006 году на Сеульском салоне изобретений SIIF разработке достался диплом Всемирной организации интеллектуальной собственности (WIPO).

Продолжаются испытания по использованию наночастиц монтмориллонита с серебром в ионной форме в различных красках и лаках на водной и масляной основе. Предварительные результаты очень обнадеживают, так как при продолжительном испытании окрашенных элементов не обнаруживается рост микробных колоний. Это дает возможность создавать стерильные помещения на орбитальных станциях, в больницах, школах, местах массового скопления людей, на птицефабриках и т. п.

Обрастание днищ судов – острая проблема экологической и экономической значимости. Так, например, для судна с «грязным» корпусом требуется на 40 % больше топлива, чтобы двигаться с той же скоростью, что и судна с чистым корпусом, а это значительно увеличивает выбросы CO2 и других парниковых газов.

Существующие способы предотвращения биологического обрастания судов основаны на использовании биоцидов, убивающих биологические организмы. К ним относятся медь, мышьяк и токсичные органические соединения. Однако биоциды могут создавать проблемы для теплообменников опреснения воды, электростанций и океанографических датчиков.

На основе разработанной технологии получения бактерицидного состава в Институте прикладной нанотехнологии ведутся работы по созданию корабельных красок, защищающих днища судов от обрастания биомассой. Покрытия на основе этих красок проявляют бактерицидную активность, не позволяющую колониям микроорганизмов развиваться на такой поверхности.

В рамках проекта ЕС AMBIO развернуты исследования, направленные на предотвращение обрастания судовых корпусов. Ученые из корпорации BASF сотрудничают в этом проекте с 30 деловыми и научными партнерами из 14 стран. Старт пятилетнего проекта начался в марте 2005 года. Проект включает в себя общий объем бюджета в размере 17,9 млн евро, из которых 11,9 млн будут предоставлены Европейским союзом. Цель проекта AMBIO – использование наноструктур, значительно уменьшающих сцепление микроорганизмов, водорослей, моллюсков с поверхностью днищ судов в морской воде без использования биоцидов.

Бытовое применение нанотехнологий началось с разработки немецкой компанией Nanogate Technologies GmbH продукта Cerax Nanowax на основе химической нанотехнологии, создающего «умную» поверхность с многофункциональными свойствами. Это ультратонкое покрытие работает намного дольше, чем традиционные средства, которые, как правило, очень быстро исчезают. Например, содержащийся в нем воск способствует хорошему скольжению поверхности лыжи. «Умный» Cerax Nanowax застывает при низкой температуре, сливается с поверхностью лыжи и скользит по кристалликам снега. Выпускаются различные модификации данного продукта в зависимости от вида зимнего спорта, погодных условий и уровней профессиональной подготовки спортсмена.

В последнее время наночастицы достаточно часто входят в различные ремонтно-эксплуатационные составы автохимии в качестве добавок к топливу и смазочным материалам. Нанотехнологии также широко применяются для нанесения износостойких композиционных наночастиц на рабочие поверхности при изготовлении специального металлообрабатывающего и стоматологического инструмента, защитных антикоррозионных и бактерицидных покрытий и в ряде других случаев. Например, сотрудники физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова совместно с университетским филиалом «Угреша» и в сотрудничестве с рядом зарубежных фирм выполняют научноисследовательские и производственные работы по созданию и нанесению наночастиц различных металлов на любую, включая мелкодисперсную (типа песка), подложку. Применяемая для этих целей плазменная технология совмещает процессы образования наночастиц и их напыления на поверхность и в несколько раз сокращает продолжительность процесса нанесения, а также уменьшает стоимость конечного продукта по сравнению с традиционными методами. Кроме того, характерные размеры наночастиц имеют достаточно малый разброс (не более ±30 %) относительно среднего значения (в интервале от 20 до 50 нм), которое определяется технологическими параметрами работы установки.

В мире постоянно растет интерес к полимерным наночастицам и нанокомпозитам. Ежегодно проводятся международные выставки, симпозиумы, конгрессы и конференции, посвященные вопросам наноструктурных полимерных материалов. Так, если в 2001 году в Чикаго (США) и Монреале (Канада) состоялись две первые международные конференции по полимерным нанокомпозитам, а в 2002 году различным аспектам этой проблемы было посвящено более 10 форумов, то уже в 2003 году мировая научная общественность провела более 20 международных встреч по данной тематике.