Новые возможности. Нанотехнологии.
М.Ахметов, Введение в нанотехнологии. Химия.
Модель наноструктуры (кластера, фуллерена, нанотрубки и т.п.).
Новые материалы. Создание искусственных тканей для лечения того или иного органа человека – одно из стратегических направлений современной медицины. Костная ткань, не отторгаемая организмом. Главные свойства новых материалов: прочность, коррозионная стойкость.
Роботы-манипуляторы. Действующие в кровеносной системе человека.
Нанокомплексы для волос и кожи головы. Нанозолото – антиоксидант, оказывающий омолаживающее воздействие.
Покрытия. Антибактериальный эффект. Компьютерная мышка с антимикробным покрытием из наночастиц серебра. Автомобили ГАЗ: наночастицы используются при покраске кузова.
Компьютерная техника. Микропроцессоры. Графен: возможность гибкой электроники. Ожидается, что графен: заменит кремний в микросхемах (чипы на его основе станут легче, производительнее, стабильнее в работе, будут потреблять меньше электроэнергии и меньше рассеивать тепла); придёт на смену тяжелым медным проводам в космонавтике и авиации; будет использован при создании гибких сенсорных дисплеев и солнечных батарей; найдет применение в качестве сенсора для обнаружения отдельных молекул. К тому же, графен по прочности превосходит все известные материалы. Гамак, выполненный из графена, невидим глазом, но сможет выдержать вес четырёхкилограммового кота.
Увеличение силы тока. Увеличение площади электродов за счёт нанотрубок.
Прочность. Углеродные нанотрубки. Броня. Сверхпрочные зонды микроскопов.
Способность поглощать электромагнитное излучение. Солнцезащитные мази. «Невидимые» камуфляжи.
Способность оставаться чистыми. Нанотрава. «Эффект лотоса» и его практическое применение. Самоочищающиеся нанопокрытия. Непромокаемая одежда.
Борьба с раком (наночастицы золота). Нанокапсулы с лекарствами могут адресно доставляться в больные клетки. Восстановление сосудов после инфаркта миокарда. Удаление (с помощью лазера) почечных камней. Углеродные нанотрубки могут использоваться в качестве «скелета» для создания нейросетей в повреждённых участках нервов и головного мозга. Они стимулируют активность нервных клеток, улучшают передачу межнейронных сигналов.
Учёные из IBMResearch и Сингапурского института биоинженерии и нанотехнологий разработали новые самособирающиеся наночастицы, которые могут выборочно обнаружить и уничтожить устойчивые к антибиотикам виды бактерий. Наночастицы изготовлены из специального полимерного материала. Когда их вводят в кровоток, они собираются в капли, величиной 200 нм. Эти капли обладают небольшим электрическим зарядом и благодаря этому притягиваются к бактериям, которые имеют отрицательный заряд, чем и отличаются от клеток человеческого организма. Эти нанокапли обволакивают мембраны оболочек бактерий и пробивают в них большие отверстия, бактерии погибают. Нанокапля может поразить множество целей, поэтому нет необходимости в высокой концентрации. По истечении нескольких дней наночастицы разлагаются на углекислый газ и не ядовитые примитивные спиртовые соединения, которые выводятся из организма естественным путём. Учёные предлагают и другой способ лечения – использование наносеребра. Как известно, серебро – самый сильный естественный антибиотик из существующих на Земле. Доказано, что оно способно уничтожить более чем 650 видов бактерий. В настоящее время создаются наноконтейнеры (липосомы, мицеллы, полимерные наночастицы), поверхность которых покрыта специальными сенсорными молекулами (своеобразными антителами), обеспечивающими возможность найти клетку-мишень в любой части организма.
Диагностика и визуализация. Наносенсоры. Средства экспресс-диагностики (лаборатории на чипе). Ученые Гарвардского университета (США) обнаружили, что сверхтонкие кремниевые электрические нанопровода можно использовать для обнаружения отдельных вирусов. Сейчас разрабатываются новейшие наноинструменты визуализации, зонды, которые способны уловить специфический клеточный сигнал или зафиксировать серию событий внутри клетки. Это позволит медикам выявить заболевание на гораздо более ранней стадии, чем было возможно прежде. Перспективное направление – иммунологический анализ.
Наноэнергетика. На пути к широкому практическому использованию водорода в энергетике надо решить ряд технических проблем, главная из которых – компактное и безопасное хранение водорода. Идеальное устройство для хранения водорода должно содержать большой процент водорода в небольшом объеме и легко отдавать его по мере необходимости. Было предложено несколько принципиально разных подходов к хранению водорода, один из которых основан на использовании углеродных материалов, в частности нанотрубок.
Угроза: тотальный мониторинг частной жизни.
Нановолокна усиливают защищённость купюр от подделок.
Получение фуллереновой смеси – дорогостоящая процедура.
Создание наномоторов (устройств, способных превращать тепловую, электрическую или световую энергию в движение).
Оптический (или лазерный) «пинцет» для сборки наноструктур.
Нанотехнологии позволяют увеличить чувствительность и быстродействие приборов, повысить надежность материалов, уменьшить их габариты и при массовом производстве снизить стоимость производимых продуктов.
Перспективным направлением развития нанотехнологии является получение порошков с особыми свойствами, такими как: низкие температуры спекания (t<100°С), высокая химическая активность, наличие избыточной (запасенной) энергии. Нанопорошки позволят быстро и с низкими затратами получать вещества с заданными свойствами. Особый интерес к нанопорошкам связан с их применением 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. Существенно расширяется использование нанопорошков в промышленности (технологии диффузионной сварки, создание защитных и антифрикционных покрытий, восстановление изношенных деталей механизмов). Электроника, оптика и обрабатывающая промышленность потребляют более 70% мирового производства нанопорошков. С каждым годом увеличивается интенсивность использования нанопорошков в сельском хозяйстве и природоохранительной отрасли (включая добычу полезных ископаемых и их обработку, получение электроэнергии и водоочистку), а также в медицине и косметологии.
Нанопорошки. Новый тип ракетного топлива.
Разработка полимерных нанокомпозитов.
Автомобильная промышленность лидирует по применению нанокомпозитных материалов. Электропроводные нанополимеры стали основными композитными материалами для топливных трубопроводов, в которых они заменили традиционную сталь для предотвращения накопления статических зарядов.
Нанокомпозитные модификации усовершенствованных технических термопластов, в свою очередь, займут место металлов и стекол, применяемых сегодня во множестве областей.
Возможно применение нановолокон в качестве фильтра для сбора грязи и нефти с поверхности Мирового океана. В области защиты окружающей среды особое внимание привлекают нанопористые материалы и мембраны, позволяющие значительно увеличить эффективность очистки стоков, что, в свою очередь, скажется на качестве почвы.Очистка питьевой воды (фильтры с наносорбентом).
«Зеленые» нанотехнологии. Нанотехнологии способны изменить производственные процессы двумя способами. Во-первых, за счет быстрого сокращения отходов производства и повышения его эффективности. Во-вторых, за счет использования наноматериалов в качестве катализаторов, которые повысят эффективность производственных процессов и позволят избавиться от токсичных и грязных материалов, а также конечных продуктов.
Сельское хозяйство. Яблоками на дереве могут питаться одновременно до 100 видов вредителей, в частности, плодожорки, листовертки, медяницы, цветоеды, пяденицы и т.д. Для борьбы с этими вредителями предложено использовать препарат «Тиовит Джет», который представляет собой порошок сферических наночастиц серы радиусом 100 нм.
Л. Уильямс, У. Адамс - Нанотехнологии без тайн. Некоторые перспективные области их применения:
• защита от износа инструментов и машин;
• защита мягких материалов (например, полимерных, деревянных и текстильных);
• антивандальные и необрастающие покрытия;
• самоочищающиеся поверхностные пленки для текстиля и керамики;
• антикоррозийная защита для инструментов и машин;
• термостойкие покрытия для турбин и двигателей;
• термоизоляция для оборудования и строительных материалов;
• биологически совместимые имплантанты;
• антибактериальные медицинские материалы и инструменты;
• сверхтонкие компоненты для транзисторов;
• магниторезистивные сенсоры и элементы памяти;
• фотохромные и электрохромные окна;
• антибликовые экраны;
• более эффективные солнечные батареи.
Нанотехнологии могут использоваться для решения различных медицинских задач:
• хранения и извлечения генетической информации;
• диагностики, например обнаружения болезни;
• определения общей восприимчивости к некоторым болезням, например к болезни Альцгеймера;
• улучшенной классификации болезней, например разбивки их на типы и подтипы;
• точечного подбора лекарств на основе хромосомных различий;
• генной терапии, например для кистозного фиброза;
• подбора медикаментов, нацеленных на отдельные клетки, например создания антител для специальных клеток.
Мощные магниты. Эффективность магнитов связана с размером зерна и суммарной поверхности материала, из которого сделан магнит. Нанокристаллические магниты из иттрия/самария/кобальта обладают повышенными магнитными свойствами ввиду их большой суммарной поверхности. На основе таких магнитов можно будет создавать более тихоходные подводные лодки, генераторы переменного тока, электродвигатели, сверхчувствительные аналитические инструменты, включая магнитнорезонансные томографы.
Автомобили. Возможность манипулирования атомами и молекулами открывает большие перспективы в автомобилестроении. Например, нанокристалльная свеча зажигания с наноэлектродами обладает большей экономичностью (топливо сжигается эффективнее), прочностью, износостойкостью и долговечностью, чем обычная свеча зажигания с обычными электродами. Более совершенные свечи зажигания на основе обычных материалов создают очень мощные искры, которые способствуют более эффективному сжиганию топлива, но обладают очень низкой коррозионной стойкостью. Установлено, что свечи зажигания на основе наноматериалов могут работать гораздо дольше.
Аэрокосмическая отрасль. Авиастроители стремятся создавать более прочные, легкие и долговечные самолеты. Особое внимание уделяется методам повышения усталостной прочности материалов. Замечено, что усталостная прочность повышается с уменьшением размера зерна в сложных авиационных сплавах. Как известно, наноматериалы содержат зерна чрезвычайно малых размеров. По некоторым оценкам, применение таких наноматериалов позволит на 200–300% повысить усталостную прочность и ресурс авиационных материалов и компонентов. Бóльшая прочность и меньший вес наноматериалов увеличат срок службы, скорость и эффективность новых самолетов.
Ближайшее будущее:
Настенные экраны (улучшение телевидения и видеоигр).
Настенные акустические колонки (улучшение звуковых систем, телевидения и видеоигр).
Программируемая краска (изменение цвета и узора по команде).
Перепрограммируемые книги (изменение содержания и вида книг по команде).
Повторно используемая бумага и ткани (изменение цвета и узора).
Самонастраивающиеся кресла (подгонка формы кресла под фигуру человека).
Самонастраивающиеся краски для настольных игр (подгонка размера и формы игрового поля под любую поверхность).
Настольные игры с большой детализацией (создание реальных стратегических игр по аналогии с компьютерными стратегиями).
Окна и стены с изменяющейся прозрачностью (изменение прозрачности для регулировки уровня освещенности и экономии энергии).
Окна и стены с изменяющейся формой (изменение объема комнат по команде).
Стены, которые можно проходить насквозь (изменение механической сопротивляемости стен по команде).
Программируемые комнаты (изменение конфигурации квартиры и интерьера по команде).
Самозатачивающиеся ножи (применение наночастиц, которые образуют абсолютно острую кромку).
Программируемые затворы (открытие и закрытие затвора по команде).
Самоочищающиеся ванны (покрытия, на которые не прилипает грязь).
Программируемые гигиенические средства (гигиенические средства для удаления грязи, жиров и пота без необходимости приема душа).
Программируемые средства по уходу за одеждой (одежда из материалов, которые способны автоматически удалять грязь).
Чувствительная к температуре одежда (одежда из материалов, которые способны автоматически изменять теплопроводящие свойства, например плотность расположения волокон в зависимости от внешней температуры).
Наручные часы и термометры в виде тонкого, как краска, покрытия (мгновенное получение информации; больше не нужно будет бояться потери часов).
Программируемые лекарства внутри организма (доза и время ввода лекарства по команде).
Автоматические поглотители колебаний зданий (предотвращение ужасных последствий землетрясений и ураганов).
Самособирающиеся полномасштабные продукты (полный цикл самосборки – от чертежа к продукту).
Программируемые формы и штампы (для создания деталей из разных материалов — от бетона до пластмасс).
Программируемые презентационные доски (сделанные специальной ручкой надписи
автоматически считываются компьютером).
Самодиагностируемые конструкционные материалы (автоматически определяют свое состояние, приложенную нагрузку, износ и структурную целостность).
Чувствительные шины (изменяют форму и свойства в соответствии с нагрузкой и дорожными условиями).
Умные бамперы (изменяют форму (например, увеличиваются) при внезапном приближении к препятствию).
Программируемые голограммы Визуализация по командеКонтактные линзы для виртуальной реальности (для улучшения компьютерных игр и систем управления).
Полноценная виртуальная реальность (окружение, которое имитирует ситуацию для всех органов чувств: зрения, слуха, осязания и т.п.).
Космический лифт (доставка грузов в космос).
Клеточная терапия (идентификация и лечение заболеваний на уровне клетки).
Имплантируемые компьютеры (компьютер, который всегда с тобой).
Имплантируемые переводчики (переводчик, который всегда с тобой).
Увлажнитель кожи, устраняющий морщины (автоматическое сглаживание морщин).
Самонастраивающийся спортивный инвентарь (автоматическая подгонка спортивного снаряжения под спортсмена).
Противоударные и антикоррозионные покрытия (для повышения износоустойчивости транспортных средств, двигателей и инструментов).
М.Рыбалкина, НАНОТЕХНОЛОГИИ для всех.
Добро пожаловать в будущее! | «Будущее сейчас». 2035 - 2040 – групповая робототехника достигает наномасштабов: Одно из важных применений – это использование групповых микро роботов в качестве искусственных опылителей растений в ответ на катастрофическое сокращение популяции медоносных пчёл. Они могут также служить для выполнения других экологических функций, таких как мониторинг атмосферы, земли и воды, в том числе в городской местности, с беспрецедентной скоростью и детальностью. Эти устройства также полезны в поисково-спасательных операциях, помогая в сборе данных в реальном времени. Жуткое применение можно наблюдать в военных столкновениях. К 2030 году военные роботы миниатюризированы и соответствовуют даже малейшим известным насекомым, размером менее 0,15 мм. К концу этого десятилетия некоторые модели настолько компактны, что невидимы невооруженным глазом. Они могут быть объединены в обширные стаи, насчитывающие триллионы «особей» и вместе напоминать облака газа. Это эффективная форма программируемой материи, состоящая из робота-«частицы», способной к полету. Высвобожденные из капсулы, которую может сбросить беспилотник, рой нанороботов может выполнять расширенную разведку, координировать кибер-атаки и вторгаться на базу противника – ликвидировать человека и даже вывезти из строя крупную военную технику. Подобно термитам они используют специализированные придатки-жвала, которыми могут уничтожить электронику, испортить оборонительное оборудование, оставляя врагов полностью уязвимыми. Даже подземные бункеры теперь не безопасны – рой растворит всё, кроме наиболее сильно укрепленной брони, и легко проникнет через трещины, отверстия, вентиляцию и т.п. Помимо наступательных способностей, нанороботы могут нести оборонительную роль. Парящие на малой высоте, они могут служить прикрытием для продвижения наземных войск, действуя в качестве «живого щита» или «буферов» вражеских снарядов, немного напоминающих заградительные аэростаты Второй Мировой войны. Они могут также объединяться во временные структуры, как простые мосты, чтобы переправиться через реку, носилки для переноски пострадавших бойцов, веревки, лестницы и так далее. Применение нанотехнологий в военных целях ускорилось в последние десятилетия, страны пытаются получить преимущество в ведении военных действий. Рой нанороботов стал последним и наиболее весомым шагом в этой гонке. ООН классифицирует их в качестве оружия массового уничтожения, приравнивая к ядерному, химическому и биологическому оружию. Подписаны международные договоры, ограничивающие их использование. Также введены механизмы безопасности для того, чтобы свести к минимуму их возможное применение и распространение. Например, самовоспроизводящиеся модели полностью под запретом, поскольку они могут истребить всю биосферу. Растут опасения возможной потенциальной террористической атаки, развития сценария конца света «Серая слизь».
Современные достижения нанотехнологий:
Нанотехнологии для сельского хозяйства и пищевой промышленности. Направления использования нанотехнологий в сельском хозяйстве связаны с воспроизводством сельскохозяйственных видов, переработкой конечной продукции и улучшением ее качества. Нанотехнологии уже используют для обеззараживания воздуха и различных материалов, в том числе кормов и конечной продукции животноводства; обработки семян и урожая в целях его сохранения. Их применяют при стимуляции роста растений; лечении животных; улучшении качества кормов. Есть опыт внедрения этих технологий для уменьшения энергоемкости производства, оптимизации методов обработки сырья и увеличения выхода конечной продукции; разработки новых упаковочных материалов, позволяющих долго сохранять конечную продукцию.
Наносенсоры внутри астронавтов предупредят о космической радиации. Как хорошо бы было, если б клетки нашего организма сигнализировали о заболевании до появления видимых его признаков. К примеру, микроскопическая опухоль, едва начавшая расти, в принципе безопасна – только вот мы о ней не знаем, клетки молчат. Вот аэрокосмическое агентство США и предложило учёным разговорить их с помощью нанотехнологий. Вкратце идея звучит просто: наночастицы-датчики внедряются внутрь клеток и при появлении признаков неприятностей, например, вторжении вируса, начинают светиться – этот сигнал улавливают приборы. Разумеется, на финансирование этих исследований NASA сподвиг не интерес к здравоохранению в целом, а решение собственной проблемы - необходимостью борьбы с космической радиацией, одним из главных препятствий на пути осуществления пилотируемой миссии на Марс. Абсолютной защиты астронавтов от излучения во время 6-месячного путешествия на Красную планету придумать пока не удалось. Однако поиск способов контроля, предотвращения и восстановления после воздействия радиации ведётся усиленно. В идеале наноборьба с космическим излучением будет вестись так. Перед стартом астронавт использует шприц для подкожных инъекций, чтобы ввести в кровоток прозрачную жидкость, насыщенную миллионами наночастиц. На время полёта он вставляет в своё ухо маленькое устройство, наподобие слухового аппарата. В течение миссии приборчик использует крошечный лазер для поиска светящихся тревожным светом клеток – это становится возможным, поскольку клетки текут по капиллярам барабанной перепонки. По беспроводной связи данные мониторинга клеток передаются на главный компьютер космического корабля для последующей обработки. Чуть что – и принимаются меры. Вышеописанный сценарий может воплотиться в жизнь, по крайней мере, через 5-10 лет, но некоторые детали уже сегодня обретают форму в лаборатории CBN. Так, в самих наночастицах для учёных нет ничего нового, они используют их уже более 5 лет и успешно экспериментируют с ними на животных. Специфический вид наночастиц, который используют Бейкер и его коллеги напоминает перекати-поле – это шарообразная связка прутиков, растущих из центральной точки. Учёные называют эти инертные частицы dendrimers, так как основаны они на древовидных полимерах. Они служат платформой для строительства биосенсора. Свободные концы прутиков обеспечивают для желающих закрепиться молекул 128 мест. Эти молекулы, обнаруживая признаки лучевого повреждения, и выкидывают флуоресцентный красный флаг. Получается такой 128-молекульный индикатор.
Космический лифт и нанотехнологии. Для того чтобы выйти в космическое пространство, не обязательны опасное путешествие на ракете, хорошее здоровье, крепкие нервы и много денег. Исследователи предлагают использовать Космический лифт. В планах NASA - упростить вывод космических аппаратов на орбиту с помощью космического лифта на основе нанотрубок. По сообщениям пресс-службы NASA, нанотехнологии и биомиметика станут неотъемлемой частью будущих космических проектов. Космический центр Джонсона (JSC) делает упор на развитие технологий, ориентированных на использование углеродных нанотрубок. Нанотрубки характеризуются высокой жесткостью, и поэтому материалы на их основе могут вытеснить большинство современных аэроконструкционных материалов. Композиты на основе нанотрубок позволят уменьшить вес современных космических аппаратов почти вдвое. Однослойные углеродные нанотрубки, изобретенные в 1991 году, достаточно прочны для того, чтобы служить основой ленты лифта. Они прочнее стали в 100 раз и, теоретически, в 3-5 раз прочнее, чем необходимо для постройки лифта.
Защита от биологического и химического оружия. Нанокомпании уже несколько лет подряд совершенствуют системы защиты от химического и биологического оружия. Средства защиты простираются от защитных перчаток, которые не пропускают токсичные вещества и до специальных кремов, которые уменьшают токсичность патогенов, попавших на кожу солдата. Также для биологической защиты будут применяться наноматериалы. Дэвид Додерер, инженер из U.S. Global, заявил, что компания разработала воздушные фильтры на основе нановолокон, которые первоначально предназначались для астронавтов НАСА. Благодаря ультрамалым порам (около 50 нм), фильтр не пропускает отдельные вирусы и бактерии.
Навигация и управление. Математик А.Райан из исследовательского отделения министерства обороны США разработал алгоритмы управления группой боевых единиц, используя при этом природный аналог – улей пчел. Как утверждает Алекс, коллективные насекомые умеют вести войну со своими врагами несколькими способами, и, при этом, каждая единица улья знает, что ей надо делать. Алекс планирует испытать свой алгоритм на улье летающих беспилотных дронов, которые стоят гораздо меньше, чем Global Hawk. Далее, математик попытался смоделировать самовоспроизводящийся управляемый улей из наномашин, который будет способен выполнять ряд операций. И тут Алекса постигла неудача – полученная система вела себя слишком хаотично, чтобы ею можно было управлять: «смоделированная мной система репликаторов через время погружается в полный хаос». Ученому удалось создать алгоритм выполнения некоторых военных операций ульем однотипных механизмов, но для проверки нужны дополнительные исследования. Поэтому репликативного оружия пока создавать не собираются из-за его неконтролируемости.
Химический слой спасёт ваши носки от намокания. Процесс – получивший название ионная маска – действует с помощью химического вещества, основанного на фторе. Внутри замкнутой камеры химикат испаряется и прикрепляется молекула за молекулой к каждому волокну ткани. Химическое вещество делает поверхность ‘гидрофобной’ или водоотталкивающей, а именно, вместо того, чтобы дать воде распространиться, оно формирует мелкие капли на поверхности. Химический слой покрывает только лишь волокна, вместо того, чтобы образовывать 'оболочку' по всей поверхности, как происходит с остальными водонепроницаемыми средствами. Это значит, что пространства между волокнами остаются открытыми и ткань дышит.
Значение применения нанотехнологий для машиностроения. Реализация нанотехнологий в авиакосмической отрасли позволит:
1. Повысить прочность летательных аппаратов. Сейчас ставится задача довести возможность их совершать до 70-90 тысяч полетов, что требует повышения прочностных характеристик, которые обеспечивают новые наноматериалы.
2. Добиться «живучести» и снижения веса (которое обеспечивают в настоящее время композиты). К ним должны присоединиться наноматериалы.
3. Переходя на нанотехнологии, можно достигнуть снижения трения.
4. Решить задачи борьбы с обледенением и прилипанием к внешней стороне конструкции летательных аппаратов «биологической живности» с помощью отслаивающихся чешуек.
5. Снизить заметность летательных аппаратов.
Внедрение нанотехнологий в автомобильную промышленность позволит сделать автомобили:
1. Доступными (нанотехнологические методы производства позволяют создавать товары и услуги с низкой себестоимостью; в автомобилях будущего основной составляющей цены будет являться «брэнд»);
2. Комфортными (более совершенная работа механических частей, улучшенная шумо - и вибро- изоляция на основе наноструктурированных материалов, эргономичный салон);
3. Эффективными (повышения средней скорости движения автомобилей, повышение КПД использования энергии, необходимой для перевозки людей и грузов);
4. Интеллектуальными (широкое внедрение информационных систем во все узлы и компоненты автомобилей, принятие автомобилем все больших функций водителя на себя);
5. Безопасными для человека и окружающей среды (новые, экологически чистые силовые установки, в том числе на топливных элементах, качественно новый уровень пассивной и активной безопасности для обитателей салона и пешеходов, широкое использование в конструкции авто биодеградируемых материалов, а с созданием дисассемблеров - возможность 100% утилизации устаревших автомобилей).
Нанопокрытие оставит без работы мойщиков стекол. Ученые из Тель-Авивского Университета уверены, что исследования в области нанотехнологий могут оставить без работы мойщиков стекол. Их открытие может привести к появлению нового типа стеклянных панелей, которые не нуждаются в мойке или очистке и могут быть использованы в качестве покрытий для солнечных элементов и оконных стекол. Разработанная технология заключается в создании на поверхности стекла решеток из самособирающихся пептидных нанотрубок. Пептидные нанотрубки – это структуры, собранные из двух видов органических аминокислот. Получившийся материал является гидрофобным: он отталкивает воду и механические пылевые частицы, оставляя поверхность всегда чистой. Использование этого покрытия имеет огромное значение в области солнечной энергетики. Благодаря ему поверхность солнечных батарей будет сухой и чистой. Это повысит эффективность солнечных энергостанций и снизит затраты на их эксплуатацию.
Технологические особенности применения нанотехнологий в машиностроении. Покрытие из наночастиц кремнезема делает обработанную поверхность гидрофобный – на поверхности с плёнкой из SiO2 капля воды касается субстрата лишь немногими точками, что во много раз уменьшает Ван-дер-ваальсовые силы и позволяет силам поверхностного натяжения жидкости сжать каплю в шарик, который легко скатывается по наклоненному стеклу, унося с собой накопившуюся грязь.
Нанотранзисторы, в том числе с нанотрубками в конструкции будут обладать рядом улучшенных характеристик и бесспорных преимуществ по сравнению с традиционными кремниевыми: повышенное быстродействие; термо - и радиационная стойкость; миниатюрность; низкое энергопотребление и как следствие - незначительное тепловыделение при работе. Большой интерес представляют нанотехнологии для создания перспективных автомобилей на топливных элементах. С помощью нанотрубок предполагается решить проблему надежного и безопасного хранения водорода на борту транспортного средства, так как наряду с металлами и жидкостями углеродные нанотрубки могут заполняться газообразными веществами и связывать большое его количество. Китайские и американские ученые совместно разработали нанолампочку, в которой нитью накаливания служит не вольфрамовая проволочка, а углеродные нанотрубки. Лампочка с УНТ более экономичная - при равном напряжении она испускает больше света.
IT-байки: термоэлектрические нанотехнологии для автомобиля. Задача – научиться превращать тепло автомобильного двигателя в электричество компактными устройствами с максимально возможным КПД. Каждый из нас с ходу может предложить десятки приложений, где такой преобразователь нужен уже сейчас. Постоянные читатели нашего сайта, скорее всего, в качестве примера такого устройства первым делом припомнят так называемый элемент Пельтье, однако вне компьютерного мира в качестве наиболее интересного примера чаще всего приводится двигатель автомобиля, охлаждение которого представляет серьёзную проблему, да и тепло в любом случае теряется попусту. Впрочем, та же технология с лёгкостью может быть задействована в стационарных генераторах электричества, тепловых помпах и т.д. Материалы, конвертирующие тепло в электричество, обычно называют термоэлектрическими, а польза от них оценивается коэффициентом (zT), рассчитанным по эффективности конвертирования тепла в электричество при заданной температуре. До сих пор наиболее эффективным термоэлектрическим материалом, используемым в термоэлектрических генераторах, считался сплав теллурида свинца с добавками натрия, который обладает термоэлектрическим коэффициентом 0.71. Новый материал – теллурид свинца с присадками таллия (Tl-doped PbTe), обладает коэффициентом на уровне 1.5, что более чем вдвое превышает показатели предыдущего лидера. К слову, на базе наноматериалов из теллурида свинца в настоящее время разрабатывается великое множество термоэлектрических проектов. Например, в лаборатории NASA Langley Research Center учёные работают над специальным покрытием для высотных самолётов, где тепло солнечной энергии непосредственно преобразовывалось бы в электричество.
Нанотехнологии помогут Ford снизить вес автомобиля. Ford надеется использовать наночастицы во множестве областей разработки транспортных средств – от облегченных пластиков для снижения веса до улучшенной краски, более устойчивой и долговечной. Задача заключается в том, чтобы взять наночастицы, разделить их и внедрить в существующие материалы, сделав машины легкими, более прочными и более эффективно расходующими топливо. Применение нанотехнологий позволит Ford производить прочные и легкие пластики для использования их в интерьере и деталях двигателя, а также для наружных панелей автомобиля. Нанотехнологии также будут использоваться для создания более легких литых алюминиевых структур для блоков двигателя.
Германия: нанотехнологии улучшают автомобили. Машины недалекого будущего будут более экономичными, экологически дружелюбными, комфортабельными и безопасными. BMW и Volkswagen проводят исследования по модернизации своих моделей с помощью нанотехнологий. Будущие авто будут оснащены рядом встроенных диагностических и мониторинговых наносенсоров, а материалы салона будут антисептическими и самоочищающимися. Volkswagen также планирует создание поверхностей с низким коэффициентом трения. Эти материалы будут использоваться в подшипниках и редукторах автомобилей, причем трущиеся узлы не нужно будет смазывать. Эффект сухой смазки уже давно известен, усилия исследователей направлены на прикладное применение наноматериалов в рабочих узлах автомобиля. Некоторые крупнейшие автомобильные компании давно работают в области модернизации полимеров и пластмасс, используемых в автомобилестроении. Так, например, нанокомпозиты добавляются в пластик для увеличения его жесткости и пластичности. Первыми экспериментировали с нанотрубками специалисты из компании совместно с нанотехнологической корпорацией Zyvex, что привело к созданию велосипеда с облегченной рамой на основе нанотрубочного композита.
Нанотехнологии на основе эффекта лотоса в автомобильной промышленности. Наиболее широкое распространение технологии на основе «эффекта лотоса» получили в автомобильной промышленности при нанесении лакокрасочных покрытий; специальной обработки остекления автомобиля; защитной водоотталкивающей и антибактериальной пропитке внутренней обивки и тентов; модифицировании резинотехнических изделий и т. п. Другим направлением использования нанотехнологий в автомобильном машиностроении является исключение экологически вредных красок, содержащих различные растворители, которые выбрасываются в атмосферу во время процесса сушки. Эти проблемы решаются за счет использования порошковых покрытий вместо традиционных жидких покрытий на водной основе, которые становятся все более распространенными, поскольку они не содержат летучих органических соединений. Как уверяют в компании DuPont еще в начале 1990-х годов они разработали принципиально новый экологически чистый порошковый материал на водной основе для покраски автомобиля. По словам разработчика, высыхание слоя такой краски при воздействии на него УФ-излучения не превышает десяти секунд. Компания PPG работает над самовосстанавливающимся лакокрасочным нанопокрытием, позволяющим осуществлять «саморемонт» царапин и мелких потертостей, возникающих при повседневной эксплуатации автомобиля. В настоящее время на основе «эффекта лотоса» разработан ряд специальных материалов и изделий, обладающих самоочищающимися и другими уникальными свойствами, например, гидрофобные фасадные краски, антивандальные покрытия поездов, незапотевающие зеркала и керамика, малозагрязнеющийся бактерицидный текстиль, непромокающие дождевые плащи и зонтики, водоотталкивающие спортивные купальные костюмы, а также многое другое. Все это свидетельствует о хороших перспективах применения нанотехнологий во многих сферах деятельности человека.
Солнечные батареи нового поколения. Ученые разработали пластиковые солнечные батареи, способные превращать энергию Солнца в электричество даже в пасмурный день, сообщает портал «Популярная Механика». Пластиковые солнечные батареи нового поколения можно наносить как краску, или наклеивать как пленку. Новый материал использует нанотехнологии и содержит первые солнечные батареи, способные улавливать невидимое инфракрасное излучение Солнца.
Эволюционная нанотехнология. Эволюционная нанотехнология связана с наномеханизмами, работы над которыми находятся на начальном этапе. По идее К. Э. Дрекслера, из фуллеренов, нанотрубок, наноконусов и других аналогичных структур могут быть собраны молекулы в форме разнообразных нанодеталей – зубчатых колес, штоков, деталей подшипников и других узлов, роторов молекулярных турбин, подвижных узлов манипуляторов и т.д. Сборка готовых деталей в работоспособную механическую конструкцию может осуществляться с использованием СЗМ или ассемблеров (самосборщиков) с прикрепленными к деталям биологическими макромолекулами, способными избирательно соединяться друг с другом. Изделия, созданные на основе оптимальной сборки атомов и молекул, будут иметь предельно высокие характеристики.
Нанотехнологии в еде. См. Nanotechnology in food: more than a question of taste.
Источники. Nanotechnology in the automotive industry - Nanowerk. Nanotechnologies in Automobiles - Hessen-Nanotech.
Нанотехнологии - Наука и технологии России.
Дата добавления: 2018-05-02; просмотров: 428; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!