CC BY
86
УДК 620.186:63
НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ИНСТИТУТОВ ОМЭСХ РАСХН И ВУЗОВ В ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
© 2009 г. академик РАСХН Д.С. Стребков
Всероссийский институт электрификации All-Russian Research Institute сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) of Electrification of Agriculture
Рассмотрены нанотехнологии в агроинженерной сфере, которые позволяют разработать новые прорывные технологии производства биотоплива и смесевого дизельного топлива, повысить эффективность преобразователей солнечной энергии в электрическую энергию, создать новые материалы для сельскохозяйственных машин, средства диагностики и лечения заболеваний животных и защиты растений.
Ключевые слова: нанотехнологии в сельскохозяйственном производстве, сверхпрочность, сверхпластичность, биотопливо.
These are considered nanotechnologies in agroengineering, which allow to develop new breaking technologies of bio fuel and mixed diesel fuel production, to increase an efficiency of solar energy turning into electric energy, to create new materials for agricultural machines, means of animal diseases’ diagnostics and cure and plant protection.
Key words: nano-technologies in agricultural production, super-durability, super-plasticity, bio fuel.
Начало исследований по нанотехнологии относится к XVIII веку [1, 2].
В 1827 году шотландский ботаник Р. Броун открыл беспорядочное движение цветочной пыльцы в жидкости (броуновское движение) [3]. В 1850-1860 гг. М. Фарадей опубликовал работы по рассеиванию света водными коллоидными растворами и стёклами. Шведский ученый Т. Сведберг за исследование дисперсных веществ и определение размеров коллоидных частиц в 1926 году получил Нобелевскую премию.
21 мая 2006 года Президент России утвердил приоритетные направления развития науки, технологий и техники РФ, к числу которых принадлежит «Индустрия наносистем и материалы». В рамках этого направления реализуется критическая технология «Нанотехнологии и наноматериалы».
2 августа 2007 года Правительство РФ года утвердило Федеральную целевую
программу «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008-2010 гг.» с объемом финансирования 27,733 млрд руб.
Нанотехнология - это совокупность методов создания и совершенствования объектов с размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении, которые имеют новые свойства по сравнению с объектами больших размеров, и позволяющих их интегрировать в системы большого масштаба. Наночастицы размером менее 100 нм находятся на границе квантового и классического микромира в метастабильном состоянии, когда их физико-химические свойства зависят от размера.
Следствием размерных эффектов являются необычные характеристики наноматериалов: сверхпрочность, сверхпла-
стичность, повышенная коэрцетивная сила, низкие износ и трение (табл. 1).
Наноструктурные материалы
Таблица 1
Нанопорошки металлов и сплавов_____
Нанополимеры_______________________
Углеродные наноструктуры и фуреллены
Нанопористые материалы_____________
Нанокомпозиты
Биологические наноматериалы и объекты
Решением Бюро отделения механизации, электрификации и автоматизации (ОМЭСХ) Россельхозакадемии ВИЭСХ определен головной организацией ОМЭСХ по нанотехнологии. В ВИЭСХе создана лаборатория «Нанотехнологии в сельском хозяйстве» (заведующий лабораторией к.т.н. О.И. Митрофанов). Создан научнометодический Совет по нанотехнологиям в агроинженерной сфере.
Разработана программа работ институтов отделения по развитию нанотехнологий в агроинженерной сфере. Программа содержит 23 раздела, в ней участвуют 18 НИИ Россельхозакадемии и вузов. В ВИЭСХе проводятся работы по трем основным направлениям [4]:
1. Проводится разработка многослойных фотоэлектрических наноструктур и нанокристаллических солнечных элементов. На их основе созданы промышленные солнечные элементы из кремния с КПД 20%.
2. Разрабатываются новые керамические фильтры и катализаторы обработки многофазных жидкостей, которые позволят получать биотопливо высокого качества очистки. При этом на наноуровне будут решаться задачи разработки нанодобавок и катализаторов, обеспечивающих полноту сгорания и увеличение коэффициента полезного действия установок по производству биотоплива.
3. Ведется разработка принципиально новых наноустройств, материалов и систем, обеспечивающих широкое внедрение высоких технологий в сельскохозяйственное производство. Разрабатываются наноэлектронные устройства диагностики и лечения заболеваний животных и защиты
растений. Сельскохозяйственные технологии будут более точно и с меньшими затратами осуществлять производство мяса, молока, яиц и другой продукции.
Рассмотрим эти направления более подробно.
1. Фотоэффект в наноструктурах
Новое направление в технологии наносистем, использующее гетерогенные оптические материалы с металлическими наночастицами, имеющими плазмонные резонансы, получило название «наноплазмо-ника». Наноплазмоника находит практическое применение для повышения эффективности солнечных элементов, изготовления нанолинз, обработки нанообъектов, высокочувствительных биосенсоров.
В ВИЭСХе разрабатываются новые конструкции солнечных элементов, в фоточувствительный слой которых дополнительно внедрены металлические наночастицы размером 10-30 нм при концентрации указанных наночастиц в указанном слое (1-10)10- объемных долей.
Металлические наночастицы выбраны так, что частота их плазменного резонанса находится вблизи максимума спектра поглощения нанокристаллов, и диэлектрическая проницаемость среды фоточувствительного слоя наносолнечного элемента на частоте солнечного излучения существенно возрастает, что в свою очередь приводит к существенному возрастанию эффективности генерации электроннодырочных пар. На конструкцию нанокристаллического солнечного элемента и способ его изготовления ВИЭСХом получено решение о выдаче патента РФ.
Технологии получения наноструктур приведены в таблице 2.
Таблица 2
Технологии получения наноструктур и нанокластеров
1 Молекулярно-лучевая эпитаксия
2 Электронно-лучевое напыление
3 Магнетронное распыление
4 Газофазный синтез
5 Плазмохимический синтез
6 >|« Осаждение из коллоидных растворов
7 Электровзрыв и электрогидравлический удар
8 Ультразвуковая и кавитационная обработка
9 Мембранные технологии
Выделенные технологии освоены в ВИЭСХе
Магнетронное распыление плёнок просветляющего покрытия из пятиокиси тантала толщиной 80-150 нм используется в ВИЭСХе с 1990 года при изготовлении солнечных элементов (рис. 1). Для изготовления контактов к солнечным элементам методом сеткографии используются нанопорошки никеля и серебра с размера-
ми частиц 30-100 нм (рис. 2). В технологии создания многослойных фотоэлектрических структур на основе диодных структур из монокристаллического кремния используют процессы активации поверхности кремния в растворе коллоидного золота с размерами частиц 10-100 нм.
Рис. 1. Магнетронное распыление плёнок просветляющего покрытия из пятиокиси тантала толщиной 80-150 нм
Рис. 2. Нанопорошки никеля и серебра с размерами частиц 30-100 нм для изготовления контактов к солнечным элементам методом сеткографии
Такая обработка позволяет значительно увеличить адгезию контактных слоев и снизить переходное сопротивление контакта металл-кремний (рис. 3).
2. Кавитационная нанотехнология получения биогидротоплива
Разрабатывается технология получения смесевого дизельного биогидротоплива с целью увеличения количества легких углеводородов, понижения температуры кристаллизации и снижения количества вредных выбросов продуктов сгорания дизельных двигателей за счет разрыва длинных полимерных цепочек ароматических углеводородов и парафинов (рис. 4, 5).
Применение модифицированного смесевого топлива в дизельных двигателях или энергетических установках приводит к значительной экономии топлива, т.к. ароматические, нафтеновые, парафиновые углеводороды и другие углеводородные составляющие имеют лучшую сгораемость.
По данным лабораторных исследований, после обработки летнего дизельного топлива происходит не только изменение его фракционного состава, но и снижение температуры застывания и вязкости, что значительно повышает экономичность эксплуатации дизелей в зимнее время и их мо-
Рис. 3. Активация поверхности кремния коллоидным раствором золота
с размерами наночастиц 30-150 нм.
Используется с 1990 г. при изготовлении солнечных элементов
торесурс. Кроме того, обработка дизельного топлива позволяет провести эффективное обессеривание топлива. При производстве смесевого дизельного биогидротоплива его объем увеличивается на 20, что позволяет в год получить в сельском хозяйстве РФ экономию 1 млн т. дизельного топлива.
Все описанные выше процессы можно проводить одновременно, что существенно повышает технико-экономические характеристики их применения.
Смесевое дизельное биогидротопливо может использоваться в энергетических установках кораблей, дизельных электрогенераторов, автомобилей и тракторов с дизельным двигателем. На способ и устройство для получения смесевого дизельного биогидротоплива поданы три заявки на изобретения.
С использованием нанотехнологии по контракту с Минобрнаукой в ГНУ ВИЭСХ и ГНУ ВИТИН разрабатываются новые технологии этерификации биодизельного топлива при комнатной температуре с длительностью процесса от нескольких секунд до нескольких минут вместо существующих многочасовых процессов этерификации при высокой температуре.
Рис. 4. Установка для получения смесевого биогидротоплива производительностью 2 т/час
Рис. 5. Установка для получения смесевого биодизельного топлива производительностью 2 т/час. Изготовитель ОНО ОМЗ «Александровский»
3. Наноэлектронные устройства диагностики и лечения заболеваний животных и защиты растений
В ВИЭСХе под руководством В.Р. Крауспа разрабатывается комплекс наноэлектронных «лабораторий на чипе» с биосенсорами для мониторинга зараженности зерна микотоксинами плесневых грибов и создания наноадсорбентов и оборудования для поточной очистки партий зерна от микотоксинов.
При решении поставленной задачи будут устранены потери более 2 млн тонн зерна, сократятся заболевания и падеж скота, повысится качество продовольственного зерна. Экономический эффект для сельского хозяйства и Российской Федерации в целом превысит 10 млрд рублей в год.
При решении задачи мониторинга и очистки зерна будут созданы:
1. Система электронных наноприборов для определения видов плесневых грибов и степени зараженности зерна;
2. Трёхстадийные технологии очистки зерна от микотоксинов и спор грибов;
3. Технология сертификации зерна на содержание микотоксинов;
4. Схема информационного контроля зараженности зерна на объектах.
Следующее применение нанотехнологии заключается в разработке устройств сверхранней диагностики и лечения мастита у коров.
Начата разработка биоинженерного ряда наноэлектронных «лабораторий на чипе» с биосенсорами для сверхранней диагностики заболеваний коров маститом и устройств адресной доставки нанолекарства к больному органу;
При решении поставленной в этой работе задачи в коллективном секторе молочного скотоводства Россия получит дополнительно более 900000 тонн молока в год при повышении качества всего производимого молока. Экономический эффект - 4,2 млрд руб. В результате выполнения работы будут созданы:
1. Биоинженерный ряд наноэлектронных «лабораторий на чипе» с биосенсорами для сверхранней диагностики заболеваний коров маститом.
2. Устройства адресной доставки нанолекарства к больному органу.
3. Методика сверхранней диагностики предрасположенности животных к маститу.
4. Лечение сверхранних форм мастита безопасными, экологически чистыми природными лечебными средствами.
На указанные нанобиотехнологии поданы 2 заявки на изобретение.
В ГНУ ГОСНИТИ и в МГАУ им. В.П. Горячкина разрабатывают технологии упрочнения и восстановления деталей тракторов и сельскохозяйственных машин с использованием нанопорошков металлов и сплавов и процессов плазменной, электродуговой и электроискровой
обработки. В программу работ включено ния по нанотехнологиям общей стоимо-предложение по созданию центра коллек- стью 100 млн руб. (табл. 3). тивного пользования в ВИЭСХ оборудова-
Таблица 3
Перечень оборудования коллективного центра пользования ВИЭСХ по нанотехнологии в сельском хозяйстве
1 Технологическая установка локального наносинтеза
2 Установка ионного травления
3 Сканирующий зондовый микроскоп
4 Установка атомного наслаивания
5 Установка нанесения алмазоподобной пленки
6 Установка молекулярно-лучевой эпитаксии
7 Интерференционный микроскоп
8 Гермозона
Характеристики и внешний вид оборудования коллективного центра нанотехнологии представлены на рисунках 6-10.
Стойка управления
1. Двухканальный осциллограф.
2. Двухканальная система прецизионного напуска технологических газов.
3. Система смешения газов, нагрева, детоксикации.
4. Система формирования электрических импульсов воздействия, нагрева, управления клапанами, управления лазерным излучением.
5. Система управления стабилизацией туннельного зазора и управления процессами литографии на основе сигнального процессора.
6. Центральный компьютер для ввода управляющих команд, отображения служебной информации о работе устройств, вывода видеоизображения на экран.
7. Вспомогательный компьютер для управления нанотехнологическими процессами и измерениями.
8. Бесперебойный источник питания.
пользования по
Рис. 6 Модуль технологической установки LNS-7
Рис. 7. Сканирующий зондовый микроскоп Рис. 8. Установка атомного наслаивания
Рис. 9. Установка нанесения Рис. 10. Установка молекулярно-лучевой
алмазоподобной пленки эпитаксии
Выводы:
Нанотехнологии в сельском хозяйстве позволяют разработать новые прорывные технологии производства биотоплива и смесевого дизельного топлива, повысить эффективность преобразователей солнеч-
ной энергии в электрическую энергию, создать новые материалы для сельскохозяйственных машин, средства диагностики и лечения заболеваний животных и защиты растений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. - М.: Физматлит, 2005. - 406 с.
2. Пул Ч., Дуэнс Ч. Нанотехнологии / пер. с англ. М.: Техносфера, 2004. - С. 146-152.
3. Brown R. Philosoph.Mag, 1827, № 4, р.161.
4. Strebkov D.S. Nanotechnologies in the Agricultural Engineering // Proceedings of the 6th Research and Development Conference of Central and Easten European Institutes of Agricultural Engineering (CEE Ag Eng). Lithuania, June 30-July 02, 2009. - Institute of Agricultural Engineering LUA, 2009. - P. 47-53.
