Применение и перспективы развития нанотехнологий

В последние годы большое внимание уделяется нанопорошкам (НП) химических соединений, которые представляют собой сверхмелкозернистые кристаллические или аморфные образования с размерами, не превышающими 100 нм. Такое отношение к этим материалам объясняется тем, что они обладают уникальными физико-химическими свойствами и механическими характеристиками, существенно отличающимися от таковых для материалов того же химического состава в массивном состоянии. Причем эти свойства могут в определенной степени передаваться получаемым из них или с их участием изделиям.

Если совсем недавно публиковались данные только о способах и оборудовании для получения НП, а также результаты изучения их свойств, то к настоящему времени все чаще появляются публикации по их использованию для создания продукции как на металлической, так и на эластомерной основе [1; 2]

В 2000 г в США было выделено [3] 497 млн долл. для финансирования работ в области нанотехнологий как одной из высокоперспективных отраслей, при этом большая доля из них (170 млн долл.) предусмотрена для финансирования работ на прорывных направлениях, в частности, в области материаловедения. В 2003 г для проведения наноисследований в США в рамках National Nanotechnology Initiative было выделено 770 млн долл., в 2004 г эта сумма была увеличена на 9,5 %(т. е.на 73,15 млн долл.) [4]. Асо-гласно одобренному Палатой Представителей законопроекту, для проведения работ по программам в области нанотехнологий на последующие три года планируется 2,36млрддолл.

В ноябре 2002 г. в Брюсселе стартовала Sixth Framework Programme of the European Community for research technological development and demonstrates activities (FP6) с суммарным финансированием 1 320 млн евро, которая включает семь приоритетных направлений, в том числе и исследования в области нанотехнологий и нанонауки с бюджетом 120 млн евро. Программа FP6 открыта и для России.

Состоянию нанотехнологий в России в настоящее время посвящена опубликованная в журнале «Вестник РАН» статья член-корреспондент РАН И. В. Мелихова [5], излагающая суть его выступления на майском (2002 г.) заседании Президиума РАН, а также последовавшее за ним обсуждение [6], охватившее широкий круг нанонауки в целом. В результате обсуждения было рекомендовано рассмотреть этот вопрос на декабрьской (2002 г.) Научной сессии Общего собрания РАН. На указанной сессии и был заслушан доклад лауреата Нобелевской премии академика Ж. Алферова «Нанотехнологии и наноструктуры», в котором он сообщил, что Россия занимает лидирующие позиции в этом научном направлении, которое будет определять в XXI в. прогресс в целом ряде областей науки и техники, включая материаловедение. Постановлением Общего собрания РАН было решено включить программу развития нанотехнологий в число главных приоритетов РАН. И в начале 2003 г была создана комплексная Программа РАН «Фундаментальные проблемы физики и химии наноразмерных систем и наноматериалов».

В настоящее время сотни организаций во многих странах изготовляют нанопорошки различного химического состава и разрабатывают с их применением различные нанотехнологии для получения продукции широкого профиля. Публикуются сотни статей и монографий, проводятся десятки конференций. Однако практически отсутствует информация о применении нанопорошков в приложении к конструкционным сплавам и получаемым из них изделиям, что не было обнаружено и при подробном ознакомлении с перечнем применяющихся в настоящее время нанотехнологий, а также с перечнем нанотехнологий, появление которых прогнозируется на период с 2010 по 2040 гг. [7]. Автор этой работы, проанализировав обширную научно-техническую литературу, установил, что в настоящее время в мире применяется 57 нанотехнологий, которые охватывают такие области, как компьютерная техника и электроника, биологические науки, простые волокна, защита от коррозии, катализаторы, лег- коочистимые материалы, космос, экология, военные применения, наномеханосинтез, наномедицина, крионика, оптика и керамика. В каждую из них, в свою очередь, входит ряд нанотехнологий, среди которых можно выделить относительно близкие к предмету, описываемому в настоящей работе: применяющиеся в наши дни - защита сплавов от коррозии, сверхпрочные материалы, керамика. В период с 2010по 2020 гг. ожидается внедрение 29 нанотехнологий (разработка сверхпрочных адаптивных материалов, новых материалов для космических применений), а с 2030 по 2040 гг. - еще 28 (производство продуктов с заданной атомной структурой, дубликаторы материи).

Однако «отцом» этого направления можно считать известного физика, лауреата Нобелевской премии Р. Фейнмана, который в 1959 г. в своей знаменитой лекции, известной под названием «Там внизу, еще много места», опубликованной в I960 г. [8], указал на возможные значительные перспективы конструирования в масштабе атомов и молекул, которые могут быть достигнуты в результате получения материалов и устройств в атомно-молекулярном масштабе (atomic-molecular scale) и отметил, что для управления свойствами этих малых наноструктур («nano»-structures), необходимо будет создать новый класс миниатюрного инструментария.

В то же время по данным [9] исторический приоритет в изготовлении и использовании ультрадисперсных (наносистем принадлежит России. Именно в России (СССР) еще в 1950-е гг. на предприятиях атомной промышленности впервые в мире были получены ультрадисперсные порошки металлов с размером частиц около 100 нм, которые были успешно применены при изготовлении мембран для установок диффузионного разделения изотопов урана. А в 1960-е гг. в Институте химической физики АН СССР был разработан левитационный способ (испарение с последующей конденсацией) получения ультра-дисперсных порошков. В 1970-е гг с помощью методов электрического взрыва проводников и плазмохимического синтеза ассортимент ультрадисперсных порошков был существенно расширен, и в эти же годы появились открытые публикации о различных способах получения и о необычных свойствах малых частиц. В 1980-е гг был разработан химико-металлургический метод получения ультрадисперсных порошков. Выход нескольких монографий и большого числа научных статей в конце 1970-х -начале 1980-х гг. сформировал в СССР новое научно-техническое направление - «ультрадисперсные системы».

За рубежом первые нанофазные материалы в виде кристаллов диаметром в несколько нанометров были получены лишь в 1987 г. Г. Глайтером с коллегами (ФРГ, университет Саарландеса в Саарбрюккене) [3]. При этом было установлено, что если в обычных крупнозернистых материалах почти все атомы находятся внутри кристалла, то в нанофазных материалах большая их часть расположена на поверхности.

В США исследования нанокристаллических материалов начались только с 1990 г.

Распоряжением Правительства РФ от 25.08.2006 № 1188-р одобрена «Программа координации работ в области нанотехнологий и наноматериалов в РФ», направленная на ускоренное развитие работ в области нанотех нологий и наноматериалов, призванная обеспечить реализацию стратегических приоритетов РФ, изложенных в Основах политики РФ в области развития науки и технологий на период до 2010 г. и дальнейшую перспективу. Основное назначение Программы - достижение целей, определенных Концепцией развития в РФ работ в области нанотехнологий на период до 2010 г Программа представляет собой комплекс мер, направленных на обеспечение координации работ по созданию и развитию научной, технической и технологической базы в области нанотехнологий и наноматериалов в РФ, а также на объединение усилий федеральных органов исполнительной власти и организаций в интересах ускоренного формирования наноиндустрии в РФ, и является важнейшим организационным инструментом реализации указанной Концепции.

Согласно Программе перспективными направлениями развития нанотехнологий и наноматериалов являются создание научно-технологической и метрологической базы наноиндустрии; разработка наноинженерии и на-носистемной техники; создание функциональных и конструкционных наноматериалов; разработка нанобиотехнологии; осуществление подготовки и переподготовки кадров для наноиндустрии.

В развитие указанной Программы на заседании Правительства РФ 07.09.2006 г. была обсуждена разработанная Минобрнауки РФ Федеральная целевая программа «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в РФ» на 2007-2010 гг., которая должна заложить отвечающий современным требованиям материально-технический базис и обеспечить функционирование составляющих инфраструктуры национальной нанотехнологической сети, что, в конечном счете, обеспечит России определенные конкурентные преимущества в борьбе за лидерство в мировой наноиндустрии. Общий объем финансирования Программы составит около 29,06 млрд руб. В результате обсуждения Программы Правительство обязало Минобрнауки, Минэкономразвития и Минфин завершить до 1 октября 2006 г ее разработку, после чего внести на рассмотрение правительства. При этом Правительство поручило Минобрнауки и Минэкономразвития совместно с Минпромэнерго, Минобороны, Роскосмосом, Росатомом и другими заинтересованными федеральными органами исполнительной власти принять необходимые меры по развитию нанотехнологий.

Однако при этом следует учесть [10], что если согласно принятой в США в 2000 г. упомянутой выше федеральной «Национальной нанотехнологической инициативе» (NNI)) будет разрабатываться не менее тысячи направлений с суммарным финансированием в 2007 г. свыше 1,2 млрд долл., то российская наука способна обеспечить поиск лишь в 200-300 направлениях. При этом по произведенным оценкам, финансирование даже единичной нанотехнологической разработки должно соответствовать примерно 3 млн долл. в год. Поэтому если работы будут производиться по всем 200-300 направлениям, к которым подготовлена российская наука, то финансирование Программы обойдется примерно в 30 млрд руб. в год. А создание соответствующих обеспечивающих производств и служб обойдется еще дороже. Однако та- кие затраты жизненно необходимы для устойчивого стратегического развития России.

Следует отметить, что, начиная с 1973 г., задолго до «нанобума», вначале в Красноярском институте цветных металлов, затем в Отделе машиноведения ИВМ СО РАН проводятся исследования, в ходе которых был выполнен большой объем работ по изучению возможности применения НП (более 20 видов), полученных методом плазмохимического синтеза и взрывным методом для повышения физико-механических характеристик и качества металлоизделий. Первое авторское свидетельство на изобретение по применению НП для измельчения структуры алюминиевых сплавов [11] получено в 1981г. В проведенных исследованиях в основном использовались НП, полученные методом плазмохимического синтеза [12], который по своим технологическим возможностям и технико-экономическим показателям является наиболее перспективным из известных способов.

При этом были использованы НП, полученные методом плазмохимического синтеза в ИФХИМС СО РАН (Новосибирск), ИНХТ РАН (Черноголовка), ИМЕТ РАН (Москва) ИНХ АН Латвии, Алма-Атинском энергетическом институте, Сибирском металлургическом институте (Новокузнецк) и РИТЦ СО РАН (Томск): А12О3; B4C; BN; HfN; HfB2; LaB6; SiC; Si3N4; TaN; TiCyN; TixCy!NzOi; TIN; TiO2; VC; VxCyNz и другие, а также смеси НП: A1N + TiN; BN + B4C;SiC + B4C.

Другая технология получения НП - метод электрического взрыва проводника (электродуговой синтез), при котором материал проводника в виде проволочки при прохождении по нему мощного импульса тока разрушается, в результате чего образуются ультрадисперсные частицы [13]. Эта технология успешно применяется в научно-исследовательских институтах высоких напряжений (Томск). Согласно работам сотрудников этого института, полученные этим методом частицы порошков обладают запасенной избыточной энергией, величина которой в несколько раз превышает теплоту плавления того же количества вещества в массивном состоянии. Проведенный анализ возможных путей запасания энергии показал, что физически реальным и достаточным в количественном отношении является лишь механизм, связанный со сверхравновесным растворением водорода в металле.

В общем, это отмечалось для частиц НП, полученных методом плазмохимического синтеза [1], что первопричиной возникновения избыточной энергии является развитая поверхность частиц, что, в свою очередь, приводит к отрицательному эффекту - активному насыщению НП газами из окружающей атмосферы как на стадии синтеза, так и при хранении на воздухе даже в двойной полиэтиленовой упаковке. Используемый нами А12О3 был получен методом электродугового синтеза в РИТЦ СО РАН (Томск).

В результате проведенных исследований по нанотематике как в рамках 9-и хоздоговорных тем, так и по 2-м грантам, включая грант Президиума РАН (2003-2007 гг.), было получено 25 авторских свидетельств СССР и патентов РФ на изобретения по применению НП для повышения качества металлоизделий, изготовляемых разными технологиями из различных металлов и сплавов, защищено 4 кандидатские и 1 докторская диссертации. Большая часть работ была проведена с целью измельчения структуры и, как результат, повышения уровня механических свойств изделий из алюминиевых литейных сплавов (фасонное литье и жидкая штамповка) и чугуна (фасонное литье), алюминия и деформируемых алюминиевых сплавов при литье слитков полунепрерывным способом. Кроме того, получены положительные результаты при сварке объемной конструкции транспортного средства из листов сплава АМг6 сварочными электродами, содержащими в объеме НП. При этом повысились механические свойства сварного шва. Использование НП при электроискровом легировании обеспечило повышение твердости поверхности металлоизделий. В результате введения НП в противопригарные покрытия, применяющиеся для окраски разовых песчаноглинистых литейных форм и стержней, на поверхности стальных и чугунных отливок практически отсутствовал трудноудалимый пригар и повысилась чистота их поверхности. Использование огнеупорных красок, содержащих НП, для окраски поверхности металлических литейных форм, повышает чистоту поверхности отливок и увеличивает съем отливок с одной покраски формы.

В настоящее время в продолжаются исследования по упомянутой выше комплексной Программе РАН «Фундаментальные проблемы физики и химии наноразмер-ных систем и наноматериалов» в рамках проекта «Разработка технологий применения нанопорошков химических соединений для повышения механических свойств металлоизделий».

Работа выполнена при финансовой поддержке программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Разработка методов получения новых химических веществ и создание новых материалов» (проект 8.23), РФФИ (№ 06-08-00477) и ИНТАС (№ 04-80-6791).