Нанотехнологии. Правда и вымысел - Виктор Балабанов

Вследствие высокой проникающей способности к диоксиду углерода, которая крайне необходима для процессов карбонизации извести, обеспечивается упрочнение и сохранение известковых штукатурок и старых кладочных растворов.

На основе биохимического метода создана технология синтеза наночастиц серебра, стабильных в растворах и в адсорбированном состоянии. Наночастицы серебра обладают целым спектром антимикробного (биоцидного) действия, что позволяет создавать широкую номенклатуру продукции с высокой бактерицидной и вирулицидной активностью. Они могут использоваться для модифицирования традиционных и создания новых материалов, дезинфицирующих и моющих средств, а также косметической продукции при незначительном изменении технологического процесса производства.

Наночастицы серебра синтезируют в водном и органическом растворе, наносят на поверхность и вводят в структуру материалов, придавая им антимикробные свойства. Антимикробное действие лакокрасочных покрытий с наночастицами серебра подтверждено в натурных испытаниях. Организовано мелкосерийное производство растворов наночастиц серебра в лабораторных условиях, налажен выпуск биоцидных лакокрасочных материалов (на основе пентафталевых эмалей и вододисперсионных красок) и зубной пасты. Антимикробные краски с наночастицами серебра безопаснее и дешевле в производстве, поэтому в настоящее время краски с включением наночастиц серебра часто применяются для создания высокого бактерицидного эффекта.

Один из примеров использования нанотехнологий – разработка новых окрашивающих материалов для поездов, которая призвана защитить поверхность вагонов от рисования и нанесения надписей, делая ее настолько гладкой, что никакие другие краски не могут на ней закрепиться.

Фасадные краски должны быть эластичными, чтобы перекрывать, например, трещины штукатурки на критических подложках. Эластичность, однако, всегда предполагает адгезию в определенном объеме, поэтому в таких случаях усиленное загрязнение заранее запрограммировано. Чтобы противодействовать этому, после многолетних практических испытаний фирмой Caparol было разработано новое устойчивое к загрязнению защитное покрытие Silamur .

Silamur является водным, чисто силикатным продуктом, действие которого основано на минерализации окрашенной поверхности. После высыхания материала возникает микропористый слой мельчайших кварцевых частиц диаметром порядка миллионных долей миллиметра. Материал с такой микроструктурой относится к так называемым микроскопическим поверхностным покрытиям, которые уменьшают площадь контакта «грязных» частиц, в результате чего эти частицы меньше «прилипают» к поверхности и поэтому легче смываются дождевой водой. Пористая структура поверхности придает материалу совершенно особые качества.

Микроскопические кварцевые частицы оказывают положительное воздействие и на растрескавшиеся покрытия: они обладают способностью заполнять мелкие, средние и крупные поры. Это препятствует проникновению загрязняющих частиц в пустоты. Кроме того, во время дождя окрашенная поверхность смачивается по всей площади, так как микропористые кварцевые частицы поглощают воду, и она распределяется равномерно. Механизм защиты от грязи здесь принципиально отличается от гидрофобных фасадных красок. Гидрофобизацию определяет большой краевой угол водных капель и водоотталкивающий эффект, а новый продукт воздействует благодаря противоположному эффекту – общему увлажнению, обеспечивающему смывание грязных частиц дождевой водой. Сравнительные испытания доказали, что этот метод эффективнее гидрофобизации (рис. 58).

Рис. 58. Капля жидкости на наноповерхности эмали

Из-за насыщенного цветового эффекта, который возникает при применении кварцевых частиц, рекомендуется использовать Silamur только на белых поверхностях или поверхностях пастельных цветов, что предотвращает оптические искажения, которые могут возникнуть на поверхностях насыщенных цветов. Именно поэтому в последнее время проводятся интенсивные исследования по разработке и производству устойчивых к загрязнению и самоочищающихся поверхностей и покрытий.

Одна из основных проблем, которую еще предстоит решить, заключается в том, чтобы уже после осаждения частицы, обладающие новым распределением по размеру и новой структурой, оказались стабильными по отношению к старению и факторам воздействия окружающей среды. Например, ультрафиолетовое излучение может инициировать окисление покрытия, что приведет к гидрофилизации поверхности за счет образования кислородсодержащих групп.

Ученым удалось показать, что нанесение дисперсий гидрофильных частиц оксида кремния размером несколько нанометров на твердые керамические поверхности приведет к самоорганизации наночастиц за счет электростатического отталкивания и минимизации свободной энергии поверхности. Полученные в результате модифицирования поверхности обладают пониженным для гидрофильных жидкостей краевым углом смачивания, что улучшает стекание и увеличивает скорость высыхания после очистки.

В настоящее время разработаны специальные пропитки и аэрозоли, позволяющие обрабатывать самые различные материалы: дерево, бумагу, ткань, кожу и даже каменную кладку. Производится специальный материал, получивший наименование «камень-лотос», который не утрачивает гидрофобный эффект даже после обработки шлифовальной бумагой.

Уже создано несколько материалов, позволяющих производить покрытия, которые обладают свойствами «маслобоязни». Они не увлажняются ни водой, ни маслом и могут квалифицироваться как ультрафобные материалы и покрытия.

Вице-премьер правительства России С. Иванов заявил, что пять российских компаний, получивших поддержку в рамках важнейших инновационных проектов, уже производят нанопродукцию в объеме более 8 млрд рублей в год. «Это не “нанопурга”, как иногда говорят критики», – отметил С. Иванов. Например, на «Северстали» уже приступили к серийному производству уникальных сплавов с двукратным улучшением эксплуатационных свойств. Эти материалы предназначены для сооружения конструкций, эксплуатируемых в экстремальных условиях, в частности при разработке нефтегазовых месторождений отечественного арктического шельфа. В настоящее время объем продаж составляет около 2 млрд рублей в год, но он может быть увеличен более чем в 100 раз.

Наноинженерия поверхности и изделий

Мы столько можем, сколько знаем. Знание – сила.

Фрэнсис Бэкон, английский лорд, философ, государственный деятель

Одним из направлений современных практических исследований, где нанотехнологии позволили добиться значительных результатов, является наноинженерия поверхности – научнопрактическая деятельность человека по конструированию, изготовлению и применению наноразмерных объектов и структур с заданными (прочностными, триботехническими, самоочищающимися и т. д.) свойствами либо аналогичных объектов или структур, созданных методами нанотехнологий.

Фактически область, которую в настоящее время принято называть нанотехнологией в нашей стране, является наноинженерией и, частично, наноиндустрией на начальной стадии развития.

Рассматривая нанотехнологию (наноинженерию объектов) по Дрекслеру, следует иметь в виду, что именно это и называется технологией «снизу вверх», при которой более сложные объемы строятся из отдельных атомов, молекул и наноструктур. В отличие от такого подхода, технология «сверху вниз» предполагает получение малых изделий из больших объемов конструкционного материала.

По второму пути человечество следует со времен своего возникновения. Первобытной человек из большого камня путем неимоверных усилий изготовлял себе наконечник для стрелы, затем топор или мотыгу. Одного неверного движения было достаточно, чтобы многодневный труд пришел в негодность. Современное производство, особенно машиностроение, не говоря уже о ремонтном производстве, недалеко ушло с нижнего уровня в направление «верхних» технологий по Дрекслеру. При изготовлении ряда деталей в процессе механической обработки до четверти объема материала заготовок переводится в стружку.

Среди методов наноинженерии изделий главное место принадлежит созданию различных наноструктур и нанообъектов методами силовой зондовой микроскопии (СЗМ), основные методы которой представлены в табл. 11.

Таблица 11. Прикладные методы силовой зондовой микроскопии

С момента создания сканирующего туннельного, а затем и атомного силового микроскопа эти приборы из аналитических установок превратились в инструменты локального модифицирования и структурирования поверхностей на нанометровом уровне. Основные факторы данных технологических процессов определяют локальные электрические поля (сравнимые с внутримолекулярными и атомными), супервысокие плотности токов и вызываемое ими электродинамическое воздействие, а также сверхплотные локальные потоки теплоты и механические деформации.

Раздельное или совместное действие этих факторов может приводить к регистрируемой локальной наномодификации или наноструктурированию поверхностей. При использовании сканирующих зондовых микроскопов как источника электронов для экспонирования электронорезистов и последующего проявления в стандартных растворах достигается разрешение до 50 нм. Так, методом, основанным на переносе молекул с зонда на подложку посредством диффузии через мениск воды, разъединяющий зонд и подложку, были нанесены линии до 12 нм на расстоянии 5 нм одна от другой.