Применение нанотехнологий

В прошлой статье мы обсуждали, чем нанообъекты отличаются от обычных твердых тел и кристаллов, и почему наноструктурированные материалы на их основе могут обладать новыми и интересными свойствами. Теперь мы более подробно остановимся на том, в чем же преимущество наноструктурированных материалов перед обычными,в каких отраслях они уже используются, и с какими трудностями можно столкнуться при их внедрении.

Для начала опишем некоторые общие качества, которые в силу особенностей своей природы могут приобретать наноструктурированные материалы.

  1. С точки зрения механических свойств наноструктурированные материалы отличаются повышенной твердостью, пластичностью, текучестью и меньшей ломкостью. Причина подобных изменений кроется в чрезвычайно развитой поверхности нанообъектов и отсутствии протяженных дефектов. Благодаря этим особенностям наноструктуры могут проявлять большую устойчивость к различным деформациям, а также использоваться как добавки, увеличивающие прочность и пластичность материала.

  2. Наноструктуры на основе металлов могут проявлять свойства полупроводников. Более того,ширина запрещенной зоны, работа выхода электрона и сопротивление материала могут зависеть от размеров нанообъектов. Такая сильная зависимость является следствием ограниченного количества электронов в нанообъекте. Данное свойство может оказаться очень ценным при разработке элементов микросхем.

  3. Достаточно маленькие магнитные нанообъекты могут проявлять суперпарамагнитные свойства, то есть равномерную намагниченность по всему объему. Система таких наночастиц может обладать очень высокой намагниченностью, в много раз превышающей намагниченность обычных парамагнетиков. В будущем совокупность таких наночастиц можно будет использовать для записи и хранения информации.

  4. Температуры плавления наноструктурированных материалов могут снижаться до близких к комнатной, при довольно сильном увеличении теплоемкости (на 10-15%). Изменения температурных свойств большей частью обусловлены значительным возрастанием доли поверхностных атомов и, следовательно, увеличением длин связей между атомами в наночастице, что облегчает разрыв связей приросте температуры.

  5. Увеличение доли поверхностных атомов и удлинение связей между атомами влияет не только на температуру плавления. Благодаря этим факторам возрастает способность наночастиц вступать в реакции, в результате чего реакции с их участием могут протекать при более низких температурах. Таким образом, становится возможным использовать наноструктуры в качестве катализаторов различных химических процессов.

В каких же областях такие интересные и необычные объекты уже смогли найти применение?


1. Солнечные батареи с добавлением фуллеренов.

Основа новых солнечных батарей представляет собой прозрачный органический полупроводник, то есть фактически пластмасса, похожая на ту, из которой сделан экран монитора. При освещении такого полимера в его объеме возникают токи, которые затем можно собирать и использовать. К сожалению, подобные вещества проводят электричество очень плохо, поскольку пробег электрона в них крайне мал. Однако если создать в таком полимере тонкий слой фуллеренов, проводимость получившейся слоистой структуры многократно возрастет. Согласно измерениям электрон может проходить расстояние до 3.5 см, при том, что обычно в похожих материалах пробег электронов составляет всего несколько сотен нанометров. Слой фуллеренов в данном случае одновременно проводит электроны и изолирует их от взаимодействия с молекулами полимера.

2. Литий-ионные батареи и аккумуляторы.


Основа всех современных смартфонов, планшетов и прочих гаджетов – это литий-ионные аккумуляторы (ЛИА). Традиционно в таких аккумуляторах в качестве анода использует графит с внедренными ионами лития, а в качестве катода – оксид металла с литием. Электролитом является органический раствор солей лития. С развитием нанотехнологий начались постоянные попытки улучшить работу ЛИА: повысить их мощность и емкость, увеличь время жизни и скорость перезарядки и сделать более безопасными. Такого улучшение действительно удалось добиться с помощью использования наночастиц металлов (алюминия, марганца и титана) в ЛИА с литий-железо-фосфатным катодом. Наночастицы здесь используются как для увеличения суммарной поверхности и более активного обмена ионами лития, так и для увеличения электропроводности материала катода.

3. Процессоры Intel.

В 2016 году были представлены процессоры IntelCorei7 Broadwell, изготовленные по технологии 14 нм. Конечно, производство процессоров нельзя напрямую отнести к нанотехнологиям, но нельзя не отметить, что увеличение производительности и уменьшение размеров элементов современных микросхем стало возможным, в том числе благодаря развитию физики поверхности, нанофизики и нанохимии. Для создания полупроводниковых структур с такими мелкими элементами на разных стадиях применяются достаточно сложные технологии, такие как напыление тонких пленок, фотолитография, термическая диффузия и ионное легирование.Максимально возможное на данный момент разрешение для элементов микросхем составляет 7 нм, однако налаженный выпуск процессоров, изготовленных по такой технологии, пока задерживается и планируется только к 2019 году.

4. Повязки для ожогов и ран с наночастицами серебра.

Бактерицидные свойства серебра известны очень давно. В конце 19-го века было установлено, что ключевую роль в уничтожении болезнетворных бактерий, простейших и грибков играет ион серебра. Именно его присутствие затрудняет кислородный обмен у микроорганизмов. В 20-м веке для обеззараживания и лечения различных болезней серебро применялось в коллоидной форме, как в виде внутривенного введения, так и в качестве наружных препаратов. Стоит отметить, что для человека серебро имеет крайне низкую токсичность и аллергенность. Наши клетки в отличие от клеток микроорганизмов имеют другую структуру, и ион серебра с ней не взаимодействует. Серебро в наноструктурированном виде представляет собой взвесь наночастиц размером порядка 25 нм в дистиллированной воде. Наносеребро имеет очень большую удельную поверхность, и поэтому намного более эффективно воздействует на бактерии и прочие микроорганизмы, при меньшем расходе серебра, что дешевле и безопасней для человека. Наносеребро является не только составляющим лекарственных препаратов, но и добавляется в различные лаки, краски и другие подобные материалы.

5. Катализаторы.

В настоящее время в химической промышленности налаженным является использование наноструктурированных катализаторов на основе сплава золота с благородными металлами, например палладием. Удивительно, но практически инертное в обычном виде золото, проявляет высокую химическую активность в виде наночастиц. Часто эффективными оказываются нанокатализаторы на основе сплава металлов. Например, к таким катализаторам относится золото-палладиевый катализатор, который применяется в некоторых реакциях пищевой промышленности, в производстве чистящих средств, красок и клея. С его помощью удается достичь производства большего количества необходимого продукта с меньшей загрязненностью побочными веществами. Поскольку для создания наночастиц расходуется меньше материала, их использование более экономически выгодно. Другой пример - наноструктурированное золото, осажденное на оксид титана и углерода, достаточно распространенный катализатор в виде наночастиц металла нанесенных на оксид. Он используется для окисления опасных соединений таких как, монооксид углерода (угарный газ) и соединений азота, и для синтеза водорода. Указанные реакции крайне важны для очистки воздуха от вредных элементов и в энергетике. Стоит обратить внимание, что такой катализатор работоспособен даже при температурах ниже комнатной, что намного упрощает его применение.

Как видно, использование нанотехнологий уже достаточно распространено, несмотря на трудности в их синтезе и применении.Внедрение нанотехнологий в промышленность позволяет сделать производство более эффективным при меньших затратах.

Избранные посты
Посты скоро появятся
Следите за обновлениями
Недавние посты
Архив
Поиск по тегам
Мы в соцсетях
  • Facebook Basic Square
  • Twitter Basic Square
  • Google+ Basic Square

© 2023 Имя сайта. Сайт создан на Wix.com

This site was designed with the
.com
website builder. Create your website today.
Start Now