Основные области применения наноматериалов и возможные ограничения

В качестве наглядного примера можно указать некоторые области применения (или иначе «коммерциализации») наноматериалов по печатным материалам последних лет. Естественно, что данный обзор областей применения наноматериалов ни в коей мере не является цельным, однако он может дать нужное представление о перспективах использования наноматериалов.

Конструкционные материалы:

Наноструктурные объемные материалы отличаются большими прочностью при статическом и усталостном нагружении, а также твердостью по сравнению с материалами с обычной величиной зерна [6-8,38-40]. Поэтому основное направление их использование в настоящее время – это использование в качестве высокопрочных и износостойких материалов. Так предел текучести увеличивается по сравнению с обычным состоянием в 2,5-3 раза а пластичность – либо уменьшается очень незначительно, либо для Ni₃Al возрастает в 4 раза [8,33]. Композиты армированные углеродными нановолокнами и фуллеренами рассматриваются как перспективные материалы для работы в условиях ударных динамических воздействий, в частности для брони и бронежилетов [8].

Инструментальные материалы:

Инструментальные сплавы с нанозерном являются как правило более стойкими по сравнению с обычным структурным состоянием [8]. Нанопорошки металлов с включениями карбидов используют в качестве шлифующего и полирующего материала на конечных стадиях обработке полупроводников и диэлектриков [8].

Производственные технологии:

Важным и перспективным в настоящее время является использование наноматериалов в качестве компонентов композитов самого разного назначения. Добавление нанопорошков (подшихтовка) к обычным порошкам при производстве сталей и сплавов методами порошковой металлургии позволяет снижать пористость изделий, улучшать комплекс механических свойств [8]. Проявление эффекта сверхпластичности в наноструктурных сплавах алюминия и титана делает перспективным их применение для изготовления деталей и изделий сложной формы и для использования в качестве соединительных слоев для сварки различных материалов в твердом состоянии [8]. Очень большая удельная поверхность нанопорошков (порядка 5х10⁷ м^-1) способствует их применению в ряде химических производств в качестве катализаторов [8].

Триботехника:

Здесь перспективы применения связаны с тем, что металлические материалы с наноструктурой обладая повышенной по сравнению с обычным структурным состоянием твердостью и износостойкостью [8]. Другим направлением в этой области является использование полинанокристаллических алмазов и алмазоподобных покрытий, а также сверхтвердых веществ на базе фуллеренов (например сфероподобными молекулами С₆₀) и фуллеритов (легированных фуллеренов, например Fe_xC₆₀) [8]. Наноструктурные многослойные пленки сложного состава на основе кубического BN, C₃N₄, TiC, TiN, Ti(Al,N), обладающие очень высокой или ультравысокой (до 70 ГПа) твердостью хорошо зарекомендовали себя при трении скольжения, в том числе ряд пленок – в условиях ударного износа [8,41]. О разработке сверхтвердых нитридных пленок с наноструктурой сообщается также в [2,3,11]; отмечаются хорошие триботехнические свойства пленок с аморфной и наноструктурой из углерода и нитрида углерода [42], а также из TiC, TiN и TiCN [43]. В качестве самосмазывающихся покрытий для космической техники предлагаются многофазные наноструктурные покрытия на основе TiB₂-MoS₂ c твердостью 20Гпа и коэффициентом трения скольжения по стали 0,05[ 8]. Металлические нанопорошки добавляют к моторным маслам для восстановления трущихся поверхностей [8].

Ядерная энергетика

В США и возможно в других странах к настоящему времени наноматериалы используются в системах поглощения ВЧ- и рентеговского излучений. Таблетки ТВЭЛов изготавливаются из ультрадисперсных порошков UO₂, а в термоядерной технике используются мишени для лазерно-термоядерного синтеза из ультрадисперсного бериллия [8]. Перчатки, фартуки и другая защитная одежда из резины или искусственных материалов с добавками ультрадисперсного свинцового наполнителя при одинаковой степени защиты в четыре раза легче обычной защитной одежды[8].

Электро-магнитная и электронная техника:

Хороший комплекс магнитных характеристик некоторых наноматериалов (железо в сочетании со слоями халькогенидов делает перспективным их использование для записывающих устройств [8]. Пленочные наноматериалы с плоской поверхностью и поверхностью сложной формы из магнито-мягких сплавов используют для видеоголовок магнитофонов, где они существенно превосходят по служебным свойствам традиционные материалы [8]. Разработаны наноструктурная никелевая фольга и магнитомягкий наносплав «Файнмет» [2,3,11]. Высокие значения коэрцитивной силы ряда наноматериалов делают перспективным их использование в качестве постоянных магнитов [8]. Углеродные нанотрубки,

напылённые железом, а также интерметаллидами самария с кобальтом типа Sm_xCo_y применяются в магнитных чернилах и тонерах. Углеродные нанотрубки, заполненные карбидами тугоплавких металлов (TaC, NbC, MoC) могут использоваться в качестве сверхпроводников [8]. Добавление нанопорошков в состав ряда сверхпроводников может улучшать такие показатели, как температуру перехода в сверхпроводящее состояние и критическую плотность тока за счет образования дополнительных центрами пиннинга [44,45]. Пленки Ti-C-B с размером зерна около 2 нм обладали оптимальными электрофизическими свойствами в качестве резисторов при высокой термической стабильности по сравнению с объемными обычными образцами [8]. Упорядоченные структуры в виде «ковров» из нанопроволок могут использоваться как сенсоры или элементы экранов высокого разрешения. [4]. Соединение углеродных нанотрубок с различной хиральностью (т.е. скрученностью кристаллической решетки относительно оси трубки) образует нанодиод, а трубка, лежащая на поверхности окисленной кремниевой пластины – канал полевого транзистора (рис. 3.4.) [4]. Для устройств записи данных сверхвысокой плотности, в том числе для так называемых квантовых магнитных дисков, разработаны получаемые электролитическим осаждением на пористую подложку из оксида алюминия нанопроволоки из сплава Fe_0,3Co_0,7 диаметром 50 нм (рис 3.5) [46]. Фуллерены и наноматериалы на их основе являются перспективными материалами для создания изделий области полупроводниковой, оптической и фотоэлектрической техники [47]. Композитные фуллереноосновные пленки С₆₀-CdTe при содержание 15…20 мас.% CdTe являются основой для получения регулярных наноструктур с заданными оптическими свойствами (рис.3.6) [36,48]. Нанотехнологии на основе метода метод ионно-атомного осаждения позволяют получать для электронных и оптических изделий нанокомпозиции «покрытие - переходный слой - подложка» из термодинамически несмешиваемых элементов, отличающихся высокой адгезией и стойкостью к внешним термическим и механическим воздействиям, например пленки золота на кремниевых подложках со структурой поверхности в виде набора атомно-гладких сфероидальных сегментов (рис. 3.7) [35,49]. В качестве перспективных полупроводниковых материалов рассматриваются эпитаксиальные слои GaN, в т.ч. на сапфировой подложке, самоорганизация топографической наноструктуры поверхности которых связана с величиной подвижность электронов, особенностями мозаичной структуры и химическим составом (рис.3.8) [34,50,51].

Рис.3.4 Схема полевого транзистора на основе углеродной нанотрубки диам. 1,6 нм [4].

Рис. 3.5. Нанопроволоки из сплава Fe_0,3Co_0,7 диаметром 50 нм: а) вид сверху на подложку с нанопроволоками (РЭМ), б) вид проволок (ПЭМ) [46].

Рис. 3.6. Наноразмерная композитная сетчатая структура с периодом порядка 780 нм и содержанием CdTe: 15 мас.% [36,48].

Рис. 3.7 Трехмерное изображение участка поверхности покрытия из золота на кремниевой подложке размером 3600х3600 Å, полученного методом ионно-атомного осаждения [35].

Рис. 3.8. Изображение топографической наноструктуры поверхности эпитаксиального слоя GaN [34].

а) б)

Рис. 3.9. Покрытие на основе наночастиц оксида титана: а) структура поверхности, б) смачиваемость цементной плиты с покрытием растительным маслом, дистиллированной водой и спиртовым раствором [52].

Защита материалов

В ряде случаев для надежного функционирования изделий необходимо обеспечить высокие водо- и маслоотталкивающие свойства их поверхности. Примерами таких изделий могут служить автомобильные стекла, остекление самолетов и кораблей, защитные костюмы, стенки резервуаров для хранения жидкостей, строительные конструкции и т.п. В этих целях разработано покрытие на основе наночастиц оксида титана с размерами 20-50 нм и полимерного связующего [52]. Данное покрытие резко снижает смачиваемость поверхности водой, растительным маслом и спиртовыми растворами (рис. 3.9).

Медицина и биотехнологии:

Важной областью применения чистых наноструктурных материалов, в частности Ti, является использование их в медицинских целях – как имплантантов, протезов и в травматологических аппаратах [8]. Причиной является сочетание высоких механических свойств (на уровне сложнолегированных сплавов) с высокой биологической совместимостью чистого металла. Наноструктурные пленки углерода [53] и композиционные нанопленки на основе углерода и Si, SiO_x, SiN_x [54] обладают хорошей биосовместимостью, химической, термической и механической стойкостью и поэтому их перспективно использовать для узлов биосенсоров, протезов и имплантантов. Нанопорошки лекарственных препаратов используются в медикаментах быстрого усвоения и действия для экстремальных условий (ранения при катастрофах и боевых действиях) [8].

Военное дело:

Ультрадисперсные порошки используются в составе ряда радиопоглощающих покрытий для самолетов, созданных с применение технологии «Стелс», а также в перспективных видах взрывчатых веществ и зажигательных смесей [8]. Углеродные нановолокна используются в специальных боеприпасах, предназначенных для вывода из строя энергосистем противника (т.н. «графитовая бомба») [8].