<<
>>

Химические методы в разработке наноматериалов

Вообще говоря, химия естественно связана со строением космоса, хотя бы потому, что любые вещества и их взаимодействия связаны с атомами и молекулами, которые являются типичными нанообъектами по своим размерам.

Отметим, что обычно именно химия позволяет производить не только наноструктурные материалы, но и различные элементы и системы, придающие веществам новые свойства и возможности новых применений, что позволяет рассматривать ее в качестве ключе-

вой отрасли для развития нанотехнологий вообще. Как уже упоминалось, коллоидная химия является прямым предвестником НТ, так как в ней рассматриваются системы частиц с размерами в диапазоне от нескольких нанометров до примерно одного микрона. Более того, изготовление наночастиц в виде пигментов или дисперсий уже имеет многовековую историю развития.

Производство синтетических наночастиц уже сейчас оценивается тоннами, а объем продаж в этой области к 2002 году составил 40 миллиардов долларов, даже без учета прибавочной стоимости. Огромную роль в современной промышленности имеет также производство полимерных дисперсий (объем рынка составляет примерно 15 миллиардов долларов), катализаторов, органических и неорганических пигментов, так называемых микрокомпонентов (например, растворимые витамины) и т. д.

Наиболее важным продуктом коммерчески производимых наночастиц являются, по-видимому, водные полимерные дисперсии (например, дисперсии мелких частиц синтетических веществ), которые отличаются разнообразием свойств и применений. В стоимостном отношении их производство составляет около 38% всего объема выпуска синтетических наночастиц. Не менее внушительно выглядят абсолютные цифры объема производства, так как в 2002 году было выпущено примерно 11 миллионов тонн водных полимерных дисперсий, которые широко используются в производстве бумаги, красок, клея, лаков, полимерных изделий и т.

п.

Еще одно обширное поле применений химии в НТ связано с созданием функциональных характеристик на уровне частиц и с сочетанием неорганических, полимерных и других составляющих в отдельных элементах и структурах. В сущности, можно говорить даже о наноморфологии материалов, например при нанесении неорганических частиц на поверхность полимеров или внутрь их структуры. В рамках существующих технологий уже сейчас можно изготовлять достаточно сложные и интересные в практическом отношении нанокомпоненты, например, создавать упоминавшиеся выше наноструктурные слоистые материалы с биоцидным эффектом и такой структурой, при которой биологически активные компоненты не могут исчезнуть или раствориться. Например, биоцидный эффект может быть связан с использованием наночастиц серебра. [В самое последнее время

появилась информация об очень интересных перспективах использования наночастиц серебра в медицине. См. заметку «Серебро атакует ВИЧ» в «Российской газете» от 16.01.08. — Прим, ред.]

Безусловно, одной из важнейших областей нанохимии сегодня становится теория и практика катализа, так как нанопорис- тые материалы-катализаторы уже нашли широкое применение и зачастую по эффективности превосходят обычные катализаторы. Кроме того, сейчас в химическую промышленность все шире внедряются методики, связанные с использованием микрореакторов, в которых с участием крошечных смесителей (величиной с почтовую марку), реакционных колб и теплообменников (действующих на основе микрогидродинамики) и т. п. уже удается целенаправленно и надежно осуществлять сложные химические реакции и процессы. Микрореакторы позволяют также с высокой производительностью реализовывать новые методики комбинаторной химии. Во многих странах разрабатываются наноструктурные катализаторы, обладающие очень большими значениями активных поверхностей и высокой эффективностью. Очень большой интерес вызывает использование нанотехнологий для придания новых свойств органическим материалам, например для создания полимеров, обладающих некоторыми свойствами, типичными для металлов.

В далекой перспективе эти применения относятся даже к микроэлектронике, но уже сейчас такие подходы могут применяться для создания новых типов печатных плат, легких батареек питания и т. п.

Некоторые специалисты при оценке «химического» уровня состояния экономики используют несколько неожиданный показатель, а именно — коэффициент потребления окиси титана. Дело в том, что степень использования этого вещества достаточно хорошо характеризует общее развитие промышленности данной страны. Порошок окиси титана производится в большом количестве по всему миру уже десятки лет, причем типичная величина частиц лежит в диапазоне 300-500 нм. Оценка связана с тем, что частицы окиси титана представляют собой классические «отбеливатели» в производствах лаков, красок, синтетических волокон, искусственных веществ и бумаги, то есть характеризуют уровень развития достаточно важных областей промышленности. С другой стороны, на примере окиси титана можно отлично продемонстрировать зависимость физи-

ческих свойств частиц, а затем и эффективности их технического использования в современном промышленном производстве.

Дело в том, что наночастицы титана не отражают видимый свет и являются оптически прозрачными, то есть наноразмер- ные частицы окиси титана выступают в качестве своеобразного, невидимого физического барьера для ультрафиолетовых лучей, что открывает множество возможностей их практического применения за счет снижения вредного для человека воздействия ультрафиолетового излучения. Материалы на этой основе уже стали основой последнего поколения эффективных косметических препаратов для защиты от солнца. В противоположность органическим адсорбентам ультрафиолета, минеральные частицы не впитываются кожей и поэтому отличаются особой стабильностью (характерный размер частиц 10-15 нм). Проблема не сводится лишь к созданию новых косметических препаратов, поскольку множество технических и производственных материалов также деградируют под воздействием ультрафиолетового излучения, особенно в диапазоне длин волн около 315 и 350 нм.

Старение материалов проявляется и внутри жилых помещений, так как привычное всем оконное стекло поглощает излучение лишь с длиной волн ниже 350 нм. Использование материалов, содержащих наночастицы окиси титана, позволяет защитить от выцветания не только деревянные, но и текстильные изделия. Новейшие разработки предусматривают защиту от ультрафиолета в материале фольги для пищевых продуктов, упаковки и т. п.

Наночастицы окиси титана имеют большое значение и в области катализа, прежде всего из-за того, что они оптимизируют процессы разложения угарного газа (электростанции, выхлопные газы автомобилей и т. п.). В промышленной химии обнаружилось, что они катализируют построение целых органических систем и являются эффективными катализаторами многих важнейших фотохимических реакций (в частности, индуцированного ультрафиолетовым излучением расщепления в процессах обработки сточных вод и т. д.).

Введение минеральных наночастиц в стекло позволяет получать множество оптических эффектов, что использовали еще древние римляне при изготовлении знаменитых рубиновых стекол. В настоящее время частицы окиси титана уже используются при производстве лаков для автомобильной промышленности, обеспечивая особый цветовой эффект за счет селективного рас-

сенвания синего цвета. Наночастицы из слюды, покрытые тончайшими слоями из оксидов титана и железа (толщиной от 60 до 240 нм), используются в качестве «пигментов жемчужного блеска» не только в автомобильных лаках, но и в косметических целях, причем оттенки цвета определяются толщиной создаваемой пленки. Сочетание нескольких слоев порождает особые оптические эффекты, зависящие от угла зрения. Новейшими типами пигментов для косметической промышленности стали наночастицы оксихлорида висмута, а также кристаллические наносферы из диоксида кремния, покрытые окисью титана или железа. Эти частицы, откладываясь в складках кожи, диффузно рассеивают свет (скрывая морщины и иные недостатки кожи), вследствие чего ведущие косметические концерны в настоящее время все шире используют наночастицы такого рода в своих разработках и продуктах.

В более далекой перспективе очень интересным представляется использование наночастиц диоксида кремния, который мог бы найти множество новых применений, поскольку введение таких частиц на поверхность многих синтетических материалов (пластиков) позволяет обеспечить следующие преимущества: существенный рост твердости поверхности и так называемой стойкости к царапанию (scratch resistance, твердость по Моосу); улучшение многих механических свойств (жесткость, ударная прочность, термостойкость и т. п.); повышение стойкости к возгоранию; повышение электрического сопротивления и термостойкости.

При этом улучшение свойств пластиков происходит без снижения основных характеристик исходных пластических материалов, то есть при сохранении заданных уровней термо- и погодостойкости, а также сопротивляемости к воздействию химических веществ. Областью практического применения новых покрытий являются производства, связанные с изготовлением прочной мебели, покрытия для автомобилей, оптическая техника и т. п. Частицы диоксида кремния в этих составах имеют размер меньше 50 нм, а содержание окиси кремния в них может даже превышать 50%, но при этом покрытие в целом не становится слишком жестким или вязким, то есть в таких веществах прекрасно комбинируются лучшие свойства органичес-

ких и неорганических материалов. Эти составы уже нашли и другие применения (например, в создании волоконных связующих материалов), а их первые образцы уже выпускаются коммерчески.

В странах Азии лотос почитается священным растением и даже символом чистоты, прежде всего потому, что поверхность листьев этого растения отталкивает воду, грязь и пыль (см. рис. 7.1), что привлекло к нему особый интерес специалистов.

Рис. 7.1. Эффект лотоса заключается в комбинации гидрофобности и самоочищения

связанных с созданием разнообразных поверхностных материалов.

Эффект лотоса стал символом целой серии наноструктурных поверхностей, поскольку в нем удачно сочетаются две существенные и очень важные характеристики — повышенная гидрофобность и способность к самоочищению. Гидрофобность проявляется в том, что поверхность лотоса отталкивает воду, в результате чего даже микроскопические капельки воды на таких поверхностях превращаются в круглые «бисеринки*, которые при малейшем наклоне скатываются с поверхности, оставляя ее сухой. Так называемый краевой угол (контактный угол, угол смачивания) на таких поверхностях значительно превышает 140°, а в некоторых случаях даже достигает 170°, то есть поверхность практически перестает смачиваться. Вопреки распространенному мнению, самоочищающиеся поверхности типа листов лотоса являются не гладкими, а имеют сложную, шероховатую структуру, причем неоднородности имеют характерные микро- или даже наноразмеры. На уровне нанометров реальная поверхность листьев лотоса состоит из кристаллов воска (естественно, являющихся гидрофобными) в виде «узелков* высотой в 5-10 мкм, расположенных на расстоянии 10-15 мкм друг от друга. Интересно, что в грубом приближении это строение соответствует некоторой наноструктуре из кристаллов воска диаметром примерно в 100 нм. Хотя эффект лотоса был обнаружен первоначально на поверхности растений, в его основе лежат не биологические, а физико-химические явления (что, кстати, проявляется и в том, что эффект сохраняется даже у высушенных листьев). Основой эффекта является тонкое равновесие между молекулярными силами, связанными с гидрофобнос- тью и шероховатостью, что и обеспечивает необходимое сочетание разнородных свойств. Дело в том, что без гидрофобности вода не удерживалась бы даже на самой шершавой поверхности, но, с другой стороны, на гладкой поверхности капли могли бы только скользить, а не скатываться, в результате чего пропал бы эффект самоочищения поверхности. Этот непростой пример еще раз доказывает, что сочетание химических и физических взаимосвязей играет решающую роль в нанометровом диапазоне, и должно обязательно учитываться при разработке материалов с действительно новыми и нестандартными свойствами.

Многообещающие перспективы в технической реализации и использовании эффекта лотоса заключаются именно в том,

чтобы путем комбинации наночастиц и гидрофобных полимеров (типа полипропилена или полиэтилена) получать сверхгидрофобные материалы и покрытия. Для практического применения очень удобно нанесение на поверхность аэрозолей, при высыхании которых происходит самоорганизация вещества, приводящая к образованию наноструктурного покрытия или слоя. Аэрозоли этого типа уже получили название «лотос-спрей» и их очень удобно использовать, разбрызгивая на любые шероховатые поверхности (включая бумагу, кожу, текстильные изделия и каменную кладку), причем обработка при необходимости может повторяться. Технические проблемы заключаются в том, что контакт аэрозолей со многими водными растворами поверхностно-активных веществ приводит к снижению гидрофобности, а также недостаточному удалению загрязнений. содержащих жиры или масла. Поэтому производимые сейчас покрытия на основе описываемого эффекта пока не являются абсолютно прозрачными и не обладают высокой прочностью (то есть легко стираются), однако стоит отметить, что сейчас разрабатываются материалы, получившие условное название «камень-лотос», в которых эффект не пропадает даже после обработки поверхности шлифовальной бумагой.

Интересно, что аэрозоли описываемого типа уже можно применять в строительстве, так как в результате четырех лет разработок был получен состав «Лотусан» для обработки фасадов зданий, который уже при первых длительных испытаниях продемонстрировал эффективность использования эффекта лотоса. Кроме этого уже началось промышленное производство кровельной черепицы со способностью к самоочищению поверхности, а некоторые другие разработки близки к завершению. Однако наиболее многообещающим направлением развития является создание полимеров с самоочищающейся поверхностью, которые могут найти широчайшее применение (самоклеющиеся и прозрачные оболочки для дорожных знаков, ванных комнат, садовой мебели и т. д.). Некоторым материалам (включая кафель и ткани) водоотталкивающие свойства могут быть приданы без использования сложных химических соединений, причем степень гидрофобности обработанных описанным выше методом тканей уже превышает соответствующие показатели для использовавшихся раньше тканей специального назначения. Некоторые исследователи уже пытаются применять нанопокрытия с эффектом лотоса для изготовления специальной

- ..mepec вызывают сейчас материалы из наночастиц ферритов (оксидная керамика, содержащая атомы железа), обладающие особыми функциональными свойствами. Нанофер- риты характеризуются так называемым суперпарамагнетизмом, имеют очень большую удельную поверхность и их можно сделать прозрачными практически в любой жидкой среде. Три вида этого продукта имеют особое значение: порошок, пасты и феррофлюиды. Основное применение наноферритов связано с созданием переключаемых клеящих составов, так как эти наночастицы могут легко поглощать энергию переменных магнитных полей и передавать ее (в виде тепла) в окружающую среду. Материалы такого типа позволяют организовать системы планируемого и быстрого перераспределения энергии между устрой- • ствами или элементами и окружающей их матрицей (например, полимерной). Эти «клеи* почти мгновенно отвердевают под воздействием микроволнового облучения, а затем позволяют столь же быстро разделить склеенные материалы наложением или выключением внешнего магнитного поля. Они могут найти огромные возможности применения, например, в автомобильной промышленности для регулирования потоков газов, горючих смесей и т. п.

Очевидно, что придание дополнительных свойств уже известным материалам (или целым установкам и механизмам на их основе) создает огромный потенциал для развития наноматериалов. Это особенно заметно на примере покрытий для бытовых нужд (уже получивших название легкоочищаемых), которые могут применяться, например, в производстве кафельных плиток, сантехники, в автомобильной промышленности и т. п. Экономисты предсказывают, что выпуск таких продуктов со временем станет важным сегментом рынка НТ-изделий. Широкое применение могут найти также новые типы покрытий, характеризующиеся высокой стойкостью к коррозии, сопротивляемостью к истиранию и снижением коэффициента трения (на этой основе уже даже предлагается выпускать новые виды спортивных снарядов).

Неожиданное и новое применение взвеси наночастиц могут найти в классической области маркировки товаров. Как уже отмечалось выше, многие наночастицы оптически абсолютно прозрачны, а их взвеси представляют собой совершенно беги""—

жидкости, что позволяет наносить такие составы на различные поверхности (например, с помощью струйного печатающего устройства) для маркировки и обозначения изделий. При освещении такой «метки* ультрафиолетовым светом легко регистрируется характерное флуоресцентное излучение наночастиц, спектр которого определяется размером и составом частиц взвеси. Излучение является «индивидуальным* (его можно сравнить с отпечатками пальцев) и его очень трудно подделать, так как эффект определяется конкретным набором наночастиц, что позволяет создать новую систему маркировки и проверки. В других случаях наночастицы можно использовать и в качестве биомаркеров, действующих в качестве контрастного вещества при рентгеновском обследовании, так как адсорбция на поверхности частиц соответствующих молекул позволяет обнаруживать конкретные типы антигенов, гормонов, белков и даже раковых клеток. Технически задача сводится к химическому связыванию молекул с частицами-акцепторами и дальнейшей регистрации их наличия за счет флуоресценции или рентгеновского контраста. Уже сейчас объем коммерческого производства таких частиц и основанных на них продуктов выглядит весьма внушительно, поскольку рынок частиц двуокиси титана в качестве абсорбентов ультрафиолета в косметике оценивается примерно в 140 миллионов долларов, объем производства биомаркеров непрерывно увеличивается и т. д.

В настоящее время коммерчески производятся преимущественно четыре типа металлосодержащих наночастиц (оксиды кремния, титана, алюминия и железа), а основными потребителями этой продукции выступают электроника и информационные технологии, причем в электронике отдельной областью применения становится химико-механическая полировка пластин кремния с помощью порошковых взвесей из кремния и окиси алюминия. В информационных технологиях основной сферой использования наночастиц остается создание на их основе магнитных носителей информации. Все более широкое применение наночастицы находят в биомедицине и фармакологии, катализе, создании конструкционных материалов (вклю«в" машиностроение) и т. д.

Множество новых возмо-*'"* ния связано « **"

ными от свойств других известных форм углерода (графита и алмаза). Огромное значение сейчас приобретает способность фуллеренов растворяться в некоторых органических веществах, что позволяет широко использовать их в таких отраслях, как катализ, смазочные материалы, солнечные батареи, сенсорная техника и фармакология. Углеродные нанотрубки позволяют получать исключительно прочные композиционные материалы, о возможностях которых читатель наверняка читал в популярных изданиях. В настоящее время ведутся интенсивные исследования возможностей использования нанотрубок (или материалов на их основе) для производства поглощающих водород батарей, ионных приводных устройств и квантовых электронных компонентов. Многие специалисты считают, что широкое промышленное внедрение квантовой электроники на основе нанотрубок начнется примерно к 2010 году, что позволяет практически оценивать перспективы развития.

Выводы: Уже сегодня НТ играет важную роль в развитии химической промышленности и разработке новых материалов. Для практического внедрения особую важность имеет развитие коммерческих производств различных наночастиц, из которых и создаются новые материалы, тонкослойные покрытия и т. п. При этом непосредственная стоимость самих наночастиц довольно незначительна по сравнению с добавочной стоимостью, возникающей при их использовании для создания новых материалов. Уже существует четко выделенный ряд товаров, специальные свойства которых базируются именно на размерных особенностях наноматериалов. Огромные перспективы имеет химия фуллеренов. открывающая возможности производства абсолютно новых материалов. 

<< | >>
Источник: Хартманн У.. Очарование нанотехнологии. 2008

Еще по теме Химические методы в разработке наноматериалов:

  1. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1.
  2. Глава 2. Использование нанотехнологий в пищевой промышленности
  3. Методы получения нанопорошков
  4. Кристаллизация объемно-аморфизирующихся сплавов
  5. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОУСТРОЙСТВА НА ИХ ОСНОВЕ
  6. Определения и классификаторы нанотехнологий
  7. Конструкционные и функциональные материалы
  8. Энергетика
  9. Индикаторы развития институционально-технологической инфраструктуры
  10. Индикаторы распространения нанотехнологий в производственной сфере
  11. Список литературы
  12. ПРЕДИСЛОВИЕ
  13. РАЗДЕЛ 7 МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ
  14. Био-нанотехнологии. Искусственные материалы
  15. Раздел 1. Переход от микротехнологии к нанотехнологии.
  16. Глава V. Раздел 5. Электрохимические методы в нанотехнологии.
  17. Методы изготовления наноструктур
  18. Химические методы в разработке наноматериалов
  19. Приложения
  20. Наномедицина