Нанотехнологии - от теории к практическому применению Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Нанотехнологии —

от теории к практическому применению

Н. Н. Ермилов,

генеральный директор ЗАО ИлИП

Н. А. Чарыков,

д. х. н., профессор, главный научный сотрудник ЗАО ИлИП

У всех на устах

Сегодня в средствах массовой информации слово «нанотехнологии» является одним из наиболее часто употребляемых. Что же представляют из себя так широко обсуждающиеся нанотехнологии?

Нанотехнологии как таковые — это технологии, оперирующие величинами, сопоставимыми с размерами атомов, — от 1 до 100 нм. Использование веществ, состоящих из частиц нанометрового размера,

В. В. Павловец,

к. э. н., доцент, руководитель проекта «Нанополимер»

Е. А. Кузнецова,

старший менеджер международных инновационных проектов ЗАО ИлИП 7

способно кардинально изменить наши представления о возможностях медицины, электроники, техники. именно поэтому сегодня нанотехнологии являются одной из наиболее перспективных и интенсивно развивающихся областей науки.

нанотехнологии входят в список приоритетов национальных и региональных программ развития (крупнейшими являются седьмая Рамочная программа Европейского Союза ^Р7), Национальная нанотехнологическая инициатива США). Правительством Российской Федерации утверждена «Программа ко-

о

о

<

со

О

Инновационный потенциал науки

79

ИННОВАЦИИ № 12 (110), 2007

ординации работ в области нанотехнологий и наноматериалов в Российской Федерации» и «План действий по стимулированию развития наноиндустрии», федеральная целевая программа «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008-2010 годы» и ряд других документов, устанавливающих приоритетность и междисциплинарную значимость исследований в данной сфере. исследования финансируются через различные федеральные целевые программы, ФЦНТП, РФФИ, целевые программы РАН, Минпромэнерго, Росатом и др. Ведется речь о создании российской национальной нанотехнологической инициативы и «Государственной нанотехнологической корпорации». Частные компании также стремительно расширяют объемы инвестирования в наноотрасль.

Волшебный шарик — фуллерен

Одним из наиболее перспективных направлений в последние годы справедливо считают углеродные нанотехнологии. Под углеродными нанотехнологиями подразумеваются технологии с использованием фуллеренов, нанотрубок и других похожих структур, которые можно назвать общим термином «углеродные каркасные структуры».

В 1997 году Р. Е. Смолли, Р. Ф. Керл, Г. Крото получили Нобелевскую премию в области химии за изучение молекул легких фуллеренов С60 и С70.

Рис. 1. Схема молекулы фуллерена С60

Дальнейшее изучение показало, что углерод способен формировать самые разнообразные замкнутые поверхностные структуры, состоящие из пяти, шести, семи и восьмиугольников (самый легкий фуллерен С20 — правильный додекаэдр, состоящий из 12 пятиугольников) вплоть до тысяч углеродных единиц. Также большой интерес представляют разнообразные материалы с фуллереновыми фрагментами (нанотрубки, баррели, онионы, бусины, конусы и т. д.) и их производные, так называемые фуллероидные наноматериалы.

Наряду с переворотом, который открытие фул-леренов произвело в фундаментальной науке, весьма многообещающе их промышленное применение, в первую очередь в качестве новых высокотехнологичных материалов.

Рис. 2. Фуллероидный материал (однослойные и многослойные нанотрубки, нанобаррели, нанолуковицы)

Эта трехмерная сферическая молекула обладает уникальнейшими физическими, химическими и физико-химическими свойствами, в числе которых:

• электрические (полупроводник, проводник и в определенных условиях сверхпроводник);

• оптические (фотохромный эффект — изменение пропускания света в зависимости от интенсивности);

• химические (способность образовывать соединения с очень многими и очень разнообразны-

Схема 1. Некоторые возможные применения фуллеренов и фуллероидных материалов

ми веществами, способность удерживать другие вещества внутри молекулы, способность к поглощению свободных радикалов);

• биологические (относительная безопасность и инертность самого фуллерена при возможности создания активных производных).

Этот комплекс особых свойств варьируется в зависимости от типа фуллерена или материала с фуллеро-идными фрагментами и обеспечивает очень широкие сферы применения этих материалов. В соединении с другими веществами фуллерены и другие углеродные каркасные структуры позволяют получить материалы с принципиально новыми свойствами, востребованными практически во всех сферах — от медицины и косметологии до авиа- и ракетостроения.

сдерживающие факторы развития

Производительность современных технологий синтеза фуллеренов в настоящее время довольно низкая. Обычные установки синтеза фуллеренов имеют производительность около 10 г сажи в час, при этом содержание фуллеренов в саже не превышает 8-9%. Последующие затраты на очистку фуллеренов оказываются очень высокими, а технологии — трудозатратными. Все это в совокупности обусловливает очень высокие цены на фуллерены, сдерживающие их массовое применение (от 25 долларов за грамм С60 до нескольких десятков тысяч долларов за грамм индивидуальных высших фуллеренов С76-С90 и выше).

очевидно, что для широкомасштабного прорыва в данной сфере прежде всего необходимо было новое решение в области производства углеродных нанокластеров.

достижения

ЗАО «Инновации Ленинградских институтов и предприятий» — инновационно-технологический центр в Санкт-Петербурге, обладающий 17-летним опытом по управлению и финансированию инновационных проектов, в настоящее время специализируется на системном развитии направления «углеродные нанотехнологии». Работа началась в 2002 году, когда по заказу итальянской компании Job Joint s.r.l. под научным руководством проф. Г. А. Дюжева было спроектировано, изготовлено и поставлено в италию оборудование для получения фуллерена С60 с пакетом интеллектуальной собственности (патенты и know-how). В дальнейшем ЗАО ИЛИП продолжило развитие направления.

Целью проектов, выполнявшихся в течение 20042006 гг. ЗАО ИЛИП и дочерними фирмами, являлось создание новых технологий, промышленных аппаратов и производств фуллеренов и фуллероидных структур, характеризующихся низкой себестоимостью продукции, высокой производительностью, низкими энерго- и трудозатратами производства. Решение этих задач, над которым в ЗАО ИЛИП работают ведущие химики, физики, профессора и доктора наук, известные в России и за рубежом, позволило затем создать технологии применения указанных структур и одновременно рынок продажи указанной наноуглеродной продукции.

Технологическая цепочка ЗАО ИЛИП способна обеспечить полный ассортимент фуллереновой продукции высокого качества с низкой себестоимостью. Полный замкнутый технологический цикл позволяет получать фуллеренсодержащую сажу, фуллереновую смесь, чистые фуллерены С60, С70, смесь высших фуллеренов и индивидуальные высшие фуллерены С76, С78, С84 и С90 высокой степени чистоты.

По полученным результатам имеется 4 патента, 2 заявки на получение патентов, 8 технологий сохраняются в режиме ноу-хау.

Рис. 3. Установка для производства углеродных наноматериалов, ИТЦ ИЛИП

от теории к практике. нанополимеры

Исследования, проведенные в лабораториях ЗАО ИЛИП, показали, что полимеры являются очень «благодарным» материалом для наноструктурирования.

Рис. 4. Сополимер, сформированный молекулами фуллерена С60 и полимерными цепями на основе мономерных молекул аминокислот, уретанов, стирола

Реактор для производства фуллереновой сажи

Фуллероидные

наноматериалы

Экстрактор

Производство

фуллереновой

Сепаратор фуллерена Сб0

Улучшенная

фуллеренами

продукция

Сепаратор смеси высших ^ фуллеренов

\|

Сепаратор индивидуальных высших фуллеренов

инновации № 12 (110), 2007

инновации № 12 (110), 2007

Рис. 5.

Фотография скола немодифицированного капролона (полиамида-6)

Рис. 6. Фотография скола капролона с наноуглеродными добавками

справка: капролон (полиамид-6) — полимерный материал конструкционного и антифрикционного назначения. Уникальными свойствами капролона, определяющими его широкое применение в судостроении, сельхозтехнике, энергетике, химической, нефтяной, целлюлозно-бумажной и пищевой промышленности, являются: высокая прочность, малый вес (в 6-7 раз легче бронзы и стали); низкий коэффициент трения, в силу чего капролон может работать без смазки в узлах трения; устойчивость к воздействию углеводородов, масел, спиртов, щелочей и слабых кислот, а также нетоксичность. В частности, в судостроении капролон используется для изготовления подшипников скольжения, направляющих, вкладышей узлов трения, шкивов, блоков и опорных роликов грузоподъемных механизмов, корпусов, кронштейнов, ступиц колес и других деталей конструкционного назначения, к которым предъявляются повышенные требования по ударной и термической стойкости.

Введение нанодобавок позволяет получить полимеры с уникальными свойствами и значительно расширить сферы и рынки применения полимеров.

Новые нанополимерные материалы существенно изменяют свои основные эксплуатационные характеристики:

■ механические — увеличивается твердость, прочность (на растяжение, разрыв, изгиб), модули упругости, ударная вязкость, трибологические — уменьшаются коэффициенты трения (по стали, по самому нанополимеру), коэффициенты задира, увеличивается износостойкость (при сухом и мокром трении) и трещи-ностойкость,

физико-химические — увеличиваются температуры плавления, размягчения, деструкции (при эксплуатации на воздухе и в агрессивных водных средах), увеличивается морозостойкость, уменьшается влагопоглощение, увеличивается химическая стойкость (по отношению к электрохимической и газовой коррозии, действию окислителей, кислот и щелочей), уменьшается содержание непрореагировавшего мономера, увеличивается светостойкость (по отношению к видимому и ультрафиолетовому свету), практически не изменяется плотность, электрофизические — уменьшается объемное и поверхностное удельное электрическое сопротивление, увеличивается диэлектрическая проницаемость, электропрочность,

акустические свойства — увеличиваются коэффициенты ослабления мощности звуковой волны, уменьшается скорость распространения звука (в звуковом диапазоне длин волн).

В Технологическом университете города Тампере (Финляндия) в рамках реализации мероприятий проекта COIN (Connecting SME Innovations), финансируемого Европейской Комиссией по Программе соседства юго-восточной Финляндии и россии, завершены лабораторные испытания свойств произведенных в ЗАО ИЛИП образцов модифицированных различными типами фуллероидных материалов полиамида-6 и эпоксидной смолы. Совокупность свойств протестированных образцов, по мнению профессоров Технологического университета Тампере, представляет большой интерес для практического внедрения этих материалов. В настоящий момент отчеты об испытаниях переданы для изучения в ряд крупных финских производственных компаний.

Фотографии на рис. 5 и 6 иллюстрируют произошедшие изменения в структуре полимера (капроло-на). Уменьшен размер кристаллитных зерен, сужены межкристаллитные пространства.

Модификация капролона фуллереновыми материалами приводит к увеличению прочности и эластичности, температур плавления и деструкции, уменьшению теплопроводности и влагопоглощения, улучшению антистатических свойств — сопротивление уменьшается на 5-8 порядков, что способствует

более быстрому стеканию статического электричества. Одновременно существенно нарастает диэлектрическая проницаемость (е) — до 20 отн. ед. и вместе с ней — пробойное напряжение.

Сочетание этих свойств обеспечивает качественно более высокий уровень безопасности работы с изделиями в условиях сильной загазованности легко воспламеняющимися и взрывоопасными газами (например, при выбросах метана в угольных пластах). Стандартная технология изготовления компактного капролона при этом остается практически неизменной. Стоимость фуллереновых добавок к капролонам незначительна.

от лабораторных тестов к крупномасштабному производству. завод «нанополимер»

В настоящий момент ЗАО ИЛИП совместно с ООО «Судопластсервис» реализует проект по созданию крупномасштабного промышленного производ-

ства полимеров и пластиков, модифицированных нанодобавками на основе фуллеренов, и изделий из них.

Создается производство трех новых модификаций полиамида-6:

■ Антистатический — на 6-7 порядков уменьшено удельное сопротивление материала (переход диэлектрика в полупроводник), в 3-10 раз увеличена диэлектрическая проницаемость, в 2-3 раза увеличена электропрочность при сохранении прочих характеристик. Используется в условиях взрывоопасных производств (горнодобывающие, горнообогатительные, текстильные, мукомольные и химические производства), дешевле имеющихся на рынке аналогов в 2-3 раза, может производиться большими партиями (технологичен). Данная модификация может вытеснить металлические ролики для конвейеров на взрывоопасных производствах.

■ Антифрикционный — снижено трение в 2,5 раза (по сравнению с капролоном, что в 6 раз ниже показателей стали), повышена износостойкость в 2 раза, повышена температура деструкции на 30°С, на 30-50 отн. % уменьшены коэффициенты задира при сохранении прочих характеристик. Используются как замена трущимся деталям из металла. Данная модификация может завоевать 50-60% рынка капролонов.

■ Черный и серый — имеет в отличие от представленных на рынке аналогов равномерное распределение цвета, не пачкается.

Для всех трех модификаций увеличена прочность и эластичность материала на 30-100 отн. %.

На первоначальном этапе завод будет производить следующую номенклатуру продукции:

— Ролики для ленточных транспортеров.

Применение: горно-шахтное оборудование, целлюлозно-бумажное производство, наземные авиаслужбы, производство металлопроката и пр. Благодаря уникальным свойствам материала это изделие дает экономию на эксплуатационных расходах, в том числе за счет снижения истираемости транспортерной ленты.

Подшипники скольжения и качения. Применение: судостроение (подшипники гребных и дейдвудных валов, подшипники баллеров рулей и насадок), нефтеперерабатывающая промышленность (подшипники радиальных опор турбобуров, опорно-направляющие кольца для протаскивания труб внутри защитных оболочек), металлургия, гидроэнергетика, машиностроение, авиастроение, электротехническая, пищевая промышленность, железнодорожный транспорт, строительная техни-

оБРАЗЕЦ продукции:

ролик для транспортеров горношахтного оборудования.

Изготовлен из антистатической конструкционной пластмассы: капролон, модифицированный фуллеренами (полиамид-6). Благодаря уникальным свойствам материала это изделие может применяться при взрывоопасных условиях вместо металлов, что дает экономию на эксплуатационных расходах, в том числе за счет снижения истираемости транспортерной ленты.

ка и др.

— Сопутствующая продукция: фуллерены и фул-лероидные материалы, модификации полиамидов с заданными свойствами.

Предпосылки роста

Развитие практических применений углеродных наноматериалов неизбежно приводит к нарастанию потребности в сырье (фуллереновой продукции), что в свою очередь ведет к возрастанию потребности в высокопроизводительном оборудовании.

С учетом потенциальных потребностей в фулле-ренах ЗАО ИЛИП разрабатывает проект создания промышленного производства фуллеренов (крупнейшего в Европе).

Таким образом, развитие стратегически важной тематики углеродных нанотехнологий происходит по восходящей спирали. Главное — своевременные и комплексные действия на каждом из этапов.

С

Т

Фуллереновая продукция

Оборудование для ^производства фуллереновой продукции

Развитие и

внедрение

промышленных

применений

фуллеренов

Рост производи тва оборудования.

Рост производства фуллере нов.

Рост числа и

масштабов

применений...

ИННОВАЦИИ № 12 (110), 2007