О ПЕРСПЕКТИВАХ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ И НАНОМАТЕРАЛОВ В АВТОМОБИЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ Воронова О. Н., старший преподаватель филиала ФГБОУ ВПО «МГИУ» в г. Вязьме, Кулова Л. М., доцент филиала ФГБОУ ВПО «МГИУ» в г. Вязьме
Новый XXI век принёс нам новые, кажущиеся пока фантастическими, «высокие технологии», которые проникают во все области науки, техники и даже в повседневный быт современного человека. Мы ещё до конца не понимаем последствия этого вторжения, ещё не осознаём, что на наших глазах совершается очередная научно – техническая революция, которая, возможно, коренным образом изменит наш мир, но необратимость этого процесса уже очевидна. Нанотехнологии, вероятно, являются самыми перспективными разработками из мира Hi – Tech.
На сегодняшний день нет мирового стандарта, определяющего, что такое нанотехнология и нанопродукция. В Российской Федерации принято такое понятие: нанотехнология – это совокупность методов и приёмов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие в себя компоненты с размерами мене 100 нанометров, хотя бы в одном измерении, и в результате этого получать принципиально новые качества, позволяющие осуществить их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба. Нанотехнология, а точнее – нанонаука, возникла как новая дисциплина в пограничной области между коллоидной химией, квантовой физикой, молекулярной биологией и микроэлектроникой. Естественно, что она впитала в себя все достижения этих наук, объединила их и приобрела новые уникальные качества и возможности. Физика макромира изучает объекты с размерами более 100 нм ( например, размер зерна металлов порядка 1000 нм ), а химия изучает атомы и молекулы – объекты с размерами менее 1 нм ( например, размер молекулы сахара примерно 1 нм ). Область пространства с протяжённостью объектов от 1 до 100 нм оставалась «белым пятном» и именно такие объекты (наночастицы ) стали предметом изучения нанонауки. Англоязычные источники связывают первое упоминание методов, впоследствии названных нанотехнологией, с именем известного учёного Ричарда Фейнмана, на знаменитых «Лекциях по физике» которого училось не одно поколение студентов. Он говорил об этих методах в лекции на ежегодной встрече Американского физического общества в 1959г. Кстати, слово «нано» происходит от греческого «наннос», что означает гном, карлик. Дольная приставка нано значит 10-9 какой-либо физической величины, в частности - метра. Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы при помощи манипулятора соответствующего размера и это не противоречит известным на сегодняшний день физическим законам. Впервые термин «нанотехнология» употребил японец Норио Танигучи в 1974г. Он назвал этим термином производство изделий размером в несколько нанометров, точнее процессы создания полупроводниковых структур с точностью порядка нанометра с помощью методов фокусированных ионных пучков или осаждением атомных слоёв. К чести советской и русской науки наши учёные также внесли свой вклад в становление нанонауки. Так в 1951г. советские физики открыли углеродные трубки – самый изучаемый в настоящее время наноматериал. Алфёров Ж.И. за работы в области люминесцентных наноматериалов ( так называемых «квантовых точек» ) получил Нобелевскую премию.
Оказалось, что наночастицы обладают рядом замечательных и уникальных свойств: имеют высокие каталитические и адсорбционные свойства; обнаруживают удивительные оптические свойства, флуоресценцию, фото-эдс и другие; проявляют свойство агломерации, то есть слипаются в сгустки; агломераты, в свою очередь, проявляют новые, необычные качества.
Нанообъекты делят на 3 класса:
- трёхмерные объекты (их получают взрывом проводников, плазменным синтезом, восстановлением тонких плёнок и другими методами);
- двухмерные объекты (это плёнки, которые получают методом молекулярного наслаивания, методом химического парофазного осаждения и другими методами );
- одномерные объекты ( виксеры ) ( их получают методом химического парофазного осаждения и другими методами).
Отдельно рассматривают нанокомпозиты – материалы, получаемые введением наночастиц в какие-либо материалы.
Особый класс составляют органические наночастицы как естественные, так и полученные искусственным путём.
Современные нанотехнологии делят на 3 типа:
- инкрементные (промышленное применение наночастиц в красках );
- квантовые точки (флуоресценция);
- углеродные трубки.
Возможно сближение и синтез этих технологий.
Новейшими достижениями в области нанотехнологий и получения наноматериалов считают следующие:
углеродные нанотрубки ( диаметром от 1 до нескольких десятков нм и длиной до нескольких см ) - свёрнутые в трубку графены ( используют при получении нанокомпозитов ).
фуллерены - молекулярные соединения, принадлежащие к классу аллотропных форм углерода (наряду с алмазом и графитом) – выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода.
графен – монослой атомов углерода каркасной структуры (в перспективе – замена кремния в интегральных схемах).
нанокристаллы (с размерами менее 10 нм – изготавливаются из цеолита, могут служить фильтрами для перевода сырой нефти в дизельное топливо).
аэрогель – лёгкий высокопористый материал из кварца (используют в черенковских счётчиках, при исследовании сверхнизких температур, как захватывающую среду для космической пыли, в фильтрах различного назначения).
наноаккумуляторы для электромобилей (электроды изготавливают из Li4Ti5O12 ).
супергидрофобные материалы (самоочищение поверхности на основе «эффекта лотоса» используют для безводной мойки автомобилей).
Однако, следует заметить, что от создания единичных лабораторных образцов до серийного производства – дистанция огромного размера. Высокие технологии, как правило, требуют огромных экономических затрат, как на стадии лабораторных исследований, так и на стадии внедрения в массовое производство. Об этом свидетельствуют следующие данные. Лидерами в сфере нанотехнологий являются США и Япония. В 2012г. из федерального бюджета на поддержку и развитие нанотехнологий США выделяют 2,1 млрд. долларов, а Япония – 950 млн. долларов. Причём, интересно отметить, что Япония быстрее наращивает финансирование. В 2012г. Россия выделит на эти цели 40 млрд. рублей. Это сравнимо с вложениями США и свидетельствует о чрезвычайной важности наноисследований для нашего государства. По оценкам специалистов мировой рынок нанопродукции вырастет к 2016г. в десять раз и Россия не должна упустить в нём свою нишу.
1. Нанопокрытия, обеспечивающие безопасность вождения, сегодня составляют 40% рынка нанотехнологий для автомобилей. К таким покрытиям относят антиотражающие и антибликовые покрытия для зеркал и гидрофобные покрытия для стёкол.
2. Преимущества использования нанотехнологий в автооптике очевидны – компактность и снижение веса, сокращение энергопотребления и больший срок службы. Светодиоды пока широко применяются только для освещения приборных панелей, однако активно внедряются элементы контрастного освещения на светодиодах. Системы стоп-сигнальных огней на светодиодах уже к концу 2010г. занимали 43% мирового рынка таких систем, а указатели поворота – 10%.
3. Современные автомобили на 17% состоят из инновационных компонентов. Этот показатель для 2010г. был 14%. Нанотехнологии применяют для производства следующих отдельных компонентов: датчики сгорания топлива и выбросов, сенсоры, электроусилители, наножидкости, краски и покрытия, улучшающие износостойкость; катализаторы и др.
4. Фирма Lanxess выпускает шины из полимерных материалов с включением наночастиц, что позволяет на 15% увеличить протяжённость пробега.
5. Концерн BMW разработал сажевый фильтр для дизельных моторов, который удерживает 99% вредных веществ.
6. Фирма Mercedes-Benz использует нанокраску, залечивающую царапины.
7. С июля 2006г. фирма Аltair Nanotechnologies поставляет для электромобилей наноаккумуляторы с литий-титановыми электродами, время зарядки которых 10-15 минут.
8. На очистном заводе Exxon Mobil в Луизианне с помощью цеолитовых нанокристаллов осуществляют перевод сырой нефти в дизельное топливо. Метод уже дешевле, чем конвекционный.
9. С 25 мая 2011г. австралийская компания Ecowach mobil CIS Ltd вышла на российский рынок с безводной мойкой автомобилей, основанной на наноэффекте «лотоса».
10. Самым интересным и самым многообещающим является внедрение нанокомпозитов. Современные пластмассы не уступают по прочности стали, при этом они легче, не поддаются коррозии, легки в обработке, дешевле металлов. Лидерами в применении композитов являются немецкие компании. Достаточно сказать, что концерн Bayer Material Sciens ежегодно инвестирует в эти исследования по 240 млн. евро. Использование пластмасс и нанокомпозитов в современном автомобиле чрезвычайно велико: пластиковые уплотнители на стёклах и дверях; звукопоглощающие материалы, уменьшающие шум в салоне; искусственная кожа для сидений; более прочные ремни для двигателей с включением графеновых нитей; бамперы из пластика и др.
11. Иностранные компании рапортуют о внедрении в автостроение наностали, обещая через 2-3 года заменить ею традиционный материал.
Справедливости ради, следует отметить, что наряду с о сторонниками и энтузиастами нанотехнологий и наноматериалов, существуют и скептики, и даже ярые противники этого революционного направления в науке и технике. Они предупреждают человечество о возможных близких и отдалённых негативных последствиях нанобума. Однако, джин уже выпущен из бутылки, а прогресс человечества остановить невозможно. Слишком уж велики и очевидны достоинства и преимущества наноматериалов и нанотехнологий. И самое очевидное доказательство этому – современный, высокоскоростной, комфортабельный, безопасный, идеальный по дизайну и лёгкий в управлении автомобиль.
БИБЛИОГРАФИЯ
1.Алфёров Ж.И. и др. «Наноматериалы и нанотехнологии», Микросистемная техника, М.,2003г. №8. , с.с. 3 -13.
2. Нанотехнологии в ближайшем десятилетии. Прогноз направления развития, под ред . М.К.Роко и др., пер. с англ., М., Мир, 2002г.. с.292.
3. Абрамян А.А., Балабанов В.И., Основы прикладной нанотехнологии, М., Магистр – Пресс, 2007г., с. 208.
4. IV Всероссийская конференция по наноматериалам НАНО – 2011, сборник материалов, институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН ,2011г., с. 574.
5. Internet – портал «Нанотехнологии и наноматериалы»
6. «Нанотехнологии в автопроме» (yandex.ru/yandsearch?p=98text=%ДО%ВД)
|
