Будущее нанотехнологий: проблемы и перспективы

Содержание

Введение…………………………………………………………………………...2

1. История развития нанотехнологий…………………………………………..2
2. Свойства наностуктур………………………………………………………...5

2.1 Значение применения нанотехнологий для машиностроения……………..7

2.2 Технологические особенности применения нанотехнологий в машиностроении (на примере автомобильной промышленности)……………………10

2.3 Проблемы и перспективы развития нанотехнологий в машиностроении.15

3. Нанотехнологии в автомобилестроении…………………………………...18

3.1 Применение нанотехнологий в автомобильной промышленности………18

3.2 Перспективы нанотехнологии в автомобильной промышленности……..20

3.3 Нанотехнологии в техническом обслуживании…………………………...21

3.4 Автомобили будущего………………………………………………………26

4. Автомобилестроение и нанокомпозиты……………………………………33
5. Будущее нанотехнологий: проблемы и перспективы……………………..39

5.1. Нано на стыке наук………………………………………………………….43

Заключение……………………………………………………………………….46

Список использованной литературы…………………………………………...48

Введение

Нанотехнология - высокотехнологичная отрасль, направленная на изучение и работу с атомами и молекулами. Разработки в этой области ведут к революционным успехам в медицине, электронике, машиностроении и создании искусственного интеллекта. Если 10 лет назад единицы людей представляли себе, что такое нанотехнологии, то, через 5 лет, по оценкам экспертов, вся промышленность будет развиваться, используя технологии работы с атомами и молекулами. С помощью нанотехнологий можно очищать нефть и победить многие вирусные заболевания, можно создать микроскопических роботов и продлить человеческую жизнь, можно победить СПИД и контролировать экологическую обстановку на планете, можно построить в миллион раз более быстрые компьютеры и освоить Солнечную систему.

Целью данной работы является изучение нанотехнологий в автомобилестроении. Задачами дипломной работы являются: 1) изучить историю и свойства нанотехнологий и наноструктур; 2) рассказать о применении нанотехнологий в автомобилестроении; 3) исследовать проблемы и перспективы нанотехнологий.

Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические, технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул, квантовые эффекты.

Теоретик  Э. Дрекслер предложил слово "нанотехнология" в 1980 году, описывая им теоретический (в то время) молекулярный производственный процесс с использованием компонентов и устройств размерами от 1 до 100 нм (этот диапазон получил название наномасштаб - nanoscale).

В некоторых  книгах можно встретить следующее  определение: нанотехнология - это совокупность методов производства продуктов с заданной атомарной структурой путем манипулирования атомами и молекулами.

1. История развития нанотехнологий

Нанонаука основана на изучении объектов, которые включают компоненты размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении и в результате получают принципиально новые качества. Эта отрасль знаний относительно молода и насчитывает не более столетия.

Дедушкой  нанотехнологий можно считать греческого философа Демокрита. 2400 лет назад он впервые использовал слово “атом” для описания самой малой частицы вещества. 1905 Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр.

1931 Немецкие  физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.

1959 Американский  физик Ричард Фейнман впервые  опубликовал работу, где оценивались перспективы миниатюризации. Основные положения нанотехнологий были намечены в его легендарной лекции “Там внизу – много места” (“There’s Plenty of Room at the Bottom”), произнесенной им в Калифорнийском Технологическом Институте. Фейнман научно доказал, что с точки зрения фундаментальных законов физики нет никаких препятствий к тому, чтобы создавать вещи прямо из атомов. Тогда его слова казались фантастикой только лишь по одной причине: еще не существовало технологии, позволяющей оперировать отдельными атомами (то есть опознать атом, взять его и поставить на другое место).Чтобы стимулировать интерес к этой области, Фейнман назначил приз в $1000, тому, кто впервые запишет страницу из книги на булавочной головке, что, кстати, осуществилось уже в 1964 году.

1968 Альфред  Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанообработки поверхностей.

1974 Японский  физик Норио Танигучи ввел в научный оборот слово “нанотехника”, предложив называть так механизмы размером менее 1 микрона.

1981 Германские  физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали сканирующий туннельный микроскоп _ прибор, позволяющий осуществлять воздействие на вещество на атомарном уровне. Через четыре года они получили Нобелевскую премию.

1985 Американский  физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смолли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы диаметром в один нанометр.

1986 Создан  атомно_силовой микроскоп, позволяющий, в отличие от туннельного микроскопа, осуществлять взаимодействие с любыми материалами, а не только с проводящими.

1986 Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрик Дрекслер опубликовал книгу, в которой предсказал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться.

Введение  в нанотехнологии

1989 Дональд  Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.

1998 Голландский  физик Сеез Деккер создал нанотранзистор.

2000 Администрация  США объявила “Национальную

нанотехнологическую инициативу” (National Nanotechnology Initiative). Тогда из федерального бюджета США было выделено $500 млн. В 2002 сумма ассигнований была увеличена до $604 млн. На 2003 год “Инициатива” запросила $710 млн., а в 2004 году правительство США приняло решение увеличить финансирование научных исследований в этой области до $3,7 млрд. в течение четырех лет. В целом, мировые инвестиции в нано в 2004 году составили около $12 млрд.

2004 Администрация  США поддержала “Национальную  наномедицинскую инициативу” как часть National Nanotechnology Initiative Стремительное развитие нанотехнологий вызвано еще и потребностями общества в быстрой переработке огромных массивов информации. Современные кремниевые чипы могут при всевозможных технических ухищрениях уменьшаться ещё примерно до 2012 года. Но при ширине дорожки в 40-50 нанометров возрастут квантовомеханические помехи: электроны начнут пробивать переходы в транзисторах за счет туннельного эффекта (о нем речь пойдет ниже), что равнозначно короткому замыканию. Выходом могли бы послужить наночипы, в которых вместо кремния используются различные углеродные соединения размером в несколько нанометров. В настоящее время ведутся самые интенсивные разработки в этом направлении.

Нанотехнологии - ключевое понятие начала XXI века, символ новой, третьей, научно-технической революции. Это "самые высокие" технологии, на развитие которых ведущие экономические державы тратят сегодня миллиарды долларов. По прогнозам ученых нанотехнологии в XXI веке произведут такую же революцию в манипулировании материей, какую в ХХ веке произвели компьютеры в манипулировании информацией. Их развитие открывает большие перспективы при разработке новых материалов, совершенствовании связи, развитии биотехнологии, микроэлектроники, энергетики, здравоохранения и вооружения. Среди наиболее вероятных научных прорывов эксперты называют значительное увеличение производительности компьютеров, восстановление человеческих органов с использованием вновь воссозданной ткани, получение новых материалов, созданных напрямую из заданных атомов и молекул, а также новые открытия в химии и физике.

Нанотехнологии уже так или иначе затрагивают нашу жизнь. Нанопродукты можно обнаружить в автомобилях и в краске на стенах домов. По прогнозам отраслевой ассоциации NanoBusiness Alliance, к 2010 году мировой рынок нанопродуктов и услуг вырастет до 1 трлн. долларов.

Одна  из причин трудного "характера" нанотехнологии заключается в том, что ее сфера - непостижимо малые по своим масштабам элементы. Нанометр - единица измерения, которая дала название нанотехнологии, - составляет одну миллиардную часть метра. Атом водорода, наименьший из существующих в природе, имеет диаметр около 1/10 нм; диаметр человеческого волоса - около 75 тыс. нм.

Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические, технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул, квантовые эффекты.

В немалой  степени определение нанотехнологии зависит от специалиста, которому задан вопрос.

Теоретик  Э. Дрекслер предложил слово "нанотехнология" в 1980 году, описывая им теоретический (в то время) молекулярный производственный процесс с использованием компонентов и устройств размерами от 1 до 100 нм (этот диапазон получил название наномасштаб - nanoscale). Дрекслер выдвинул концепцию универсальных молекулярных роботов, работающих по заданной программе и собирающих любые объекты (в том числе и себе подобные) из подручных молекул. Все это также сначала воспринималось как научная фантастика. Ученый уже тогда довольно точно предсказал немало грядущих достижений нанотехнологии, которые с 1989 года сбываются, причем часто со значительным опережением даже его прогнозов.

Однако, как часто бывает, задолго до работ  Дрекслера идею о возможности существования искусственных автоматов-самосборщиков выдвинул математик Джон фон Нейман ( John Von Neumann) — ученый, разработавший теоретическую модель устройства компьютера (компьютер фон Неймана) — первое устройство с клавишным вводом данных.

2. Свойства наноструктур

Первым  и самым главным признаком  наночастиц является их геометрический размер - протяженность не более 100 нм хотя бы в одном измерении. Именно с таких размеров может наблюдаться качественное изменение свойств частиц по сравнению с макрочастицами того же самого вещества. Например, нанонить паутины способна надежно удерживать огромных по сравнению с ее толщиной насекомых.

Именно  размерными эффектами определяются многие уникальные свойства наноматериалов. Для различных характеристик (механических, электрических и др.) критический размер может быть различным, как и характер изменений (равномерный или неравномерный). Например, электропроводность начинает зависеть от размера частицы при уменьшении кристалла вещества до размеров 10-20 нм и менее.

Доля  атомов, находящихся в поверхностном  слое (толщиной около 1 нм), естественно, растет с уменьшением размера  частиц вещества. Поверхностные атомы обладают свойствами, отличающимися от "внутренних" атомов, поскольку они связаны с соседями иначе, чем внутри вещества. В результате на поверхности велика вероятность протекания процессов изменения структурного расположения атомов и их свойств. В результате поверхность (или межфазная граница) рассматривается как некое новое состояние вещества.

Учитывая  абсолютные размеры наночастиц, с определенными допущениями можно считать, что наночастица представляет собой вещество, близкое по свойствам к межфазной границе. Например, нанотрубки имеют высокую удельную плотность поверхности, поскольку вся масса сосредоточена в поверхностном слое.

Важнейшими  свойствами наноструктур, отличающими их от обычных материалов, являются повышенная диффузионная и миграционная способность атомов, молекул веществ и электронов по поверхности твердых наноструктур, а для жидких наноструктур - ускоренная диффузия внутри них, повышенная прочность изолированных твердых наноструктур и способность твердых наноструктур к самоорганизации и самосборке.

1) Повышенная  диффузионная и миграционная  способность атомов и молекул  веществ по поверхности и внутри  наноструктур:

Жидкости  внутри микротрещин и микропор нанометровой ширины являются жидкими наноструктурами, обладающими своеобразными особенностями, из которых важнейшей является ускоренная диффузия растворенных в них веществ под действием осмотической составляющей СРПС.

2) Повышенная  миграционная способность атомов  по поверхности твердых наноструктур:

Как известно, диффузия по поверхности твердых  веществ осуществляется на несколько порядков быстрее, чем в их объеме.

3) Ускоренное  движение электронов по поверхности  твердых наноструктур - сверхпроводимость электрического тока:

Здесь, как  и в предыдущем случае, можно выделить два уровня ускоренного движения частиц, в данном случае электронов, по поверхности веществ. Первый уровень - движение электронов вдоль поверхности обычного проводника при обычных температурах. Ускоренное движение электронов в этом случае хорошо известно и практически используется в ускорителях заряженных частиц Ван-дер-Граафа (Гершензон и др., 1980).

4) Ускоренное  движение электронов по поверхности  твердых наноструктур:

На поверхности  обычных проводников Т-СРПС, создавая разуплотненный поверхностный слой, способствует образованию слоя с более редким расположением атомов в нем. Поэтому в нем электрический ток протекает с меньшим сопротивлением, а значит, и с большей скоростью, чем в глубине проводника, создавая первый уровень ускоренного движения электронов.

5) Ускоренное  движение электронов по поверхности  твердых наноструктур:

В научной  литературе проводят аналогию между  сверхпроводимостью тока и сверхтекучестью  жидкого гелия, объясняя, что жидкий гелий также образует единую когерентную  сверхтекучую систему - конденсат, который  тоже течет через щели без какого-либо сопротивления.

6) Повышенная  прочность на разрыв изолированных  твердых наноструктур.:Известно, что прочность на разрыв, например углеродных нанотрубок, в несколько десятков раз больше самой прочной стали при плотности в 6 раз меньшей (Головин, 2007). Удовлетворительного объяснения этому в научных работах пока не дано.

7) Способность  твердых наноструктур к самоорганизации и самосборке:

Наноструктуры, находящиеся в жидкой, газовой среде и в вакууме, обладают максимальными возможностями к самоорганизации и самосборке, так как эти среды не мешают им в полной мере проявить эти свои свойства.

2.1. Значение применения нанотехнологий для машиностроения

Проблему  катастроф различных физических объектов и на земле, и в воде, и в воздухе, и в космосе, в  основном, связанных с качеством  и надежностью машин, нельзя решить без учета эволюционного развития структуры материала на всех этапах его жизненного цикла. Понимание термина «технологический мониторинг» в контексте новой метрологии объемного наноструктурирования позволит решать задачи по обеспечению качества и повышенного ресурса оборудования, устранить необходимость завышенного коэффициента запаса прочности, что повышает конкурентоспособность.

 Объемное  наноструктурирование имеет решающее значение при разработке отличающихся малым весом летательных аппаратов из термически устойчивых материалов с высокой удельной прочностью.

Например:

Реализация  нанотехнологий в авиакосмической отрасли позволит:

1. Повысить прочность летательных аппаратов. Сейчас ставится задача довести возможность их совершать до 70-90 тысяч полетов, что требует повышения прочностных характеристик, которые обеспечивают новые наноматериалы.
2. Добиться «живучести» и снижения веса (которое обеспечивают в настоящее время композиты). К ним должны присоединиться наноматериалы.
3. Переходя на нанотехнологии, можно достигнуть снижения трения.
4. Решить задачи борьбы с обледенением и прилипанием к внешней стороне конструкции летательных аппаратов различной «биологической живности» с помощью отслаивающихся чешуек.
5. Снизить заметность летательных аппаратов.

Космические аппараты будущего будут уже не просто машинами для перевозки живых  существ, но живыми организмами. Они  смогут обучаться, диагностировать  и ремонтировать себя. Применение нанотехнологии в аэрокосмической технике способно также обеспечить: снижение энергопотребления в 10⁴ раз, снижение вибрации и шума - в 10², повышение быстродействия - в 10⁶, повышение КПД солнечных батарей - в 10¹, повышение чувствительности датчиков - в 10⁶, повышение времени автономной работы - в 10⁴ раз, повышение надежности - в 10², повышение стойкости к радиации - в 10¹, повышение стойкости к перегрузкам - в 10² раз.

Внедрение нанотехнологий в автомобильную промышленность позволит сделать автомобили:

1. Доступными (нанотехнологические методы производства позволяют создавать товары и услуги с низкой себестоимостью; в автомобилях будущего основной составляющей цены будет являться «брэнд»);
2. комфортными (более совершенная работа механических частей, улучшенная шумо- и вибро- изоляция на основе наноструктурированных материалов, эргономичный салон);
3. эффективными (повышения средней скорости движения автомобилей, повышение КПД использования энергии, необходимой для перевозки людей и грузов);
4. интеллектуальными (широкое внедрение информационных систем во все узлы и компоненты автомобилей, принятие автомобилем все больших функций водителя на себя); 
5. безопасными для человека и окружающей среды (новые, экологически чистые силовые установки, в том числе на топливных элементах, качественно новый уровень пассивной и активной безопасности для обитателей салона и пешеходов, широкое использование в конструкции авто биодеградируемых материалов, а с созданием дисассемблеров - возможность 100% утилизации устаревших автомобилей).

Кроме того, запатентованы новые  способы и ресурсосберегающие нанотехнологии, в том числе повышения долговечности на этапе эксплуатации, упрочнения твердых сплавов, нержавеющих, конструкционных и инструментальных марок стали, кузнечной сварки многослойных композиций и производства цельнокованого нержавеющего дамаска, квазиаморфного модифицирования карбидами и оксидами кремния. При этом ресурс изделий различного назначения, изготовленных по новой методологии для отраслей машиностроения повышается от 200 до 500%.

В целом  же, разработка и применение нанотехнологий в области машиностроения позволят достичь следующих основных целей:

1. Изменение структуры валового внутреннего продукта в сторону увеличения доли наукоемкой продукции.
2. Повышение эффективности производства.
3. Переориентация российского экспорта с, в основном, сырьевых ресурсов на конечную высокотехнологичную продукцию и услуги путем внедрения наноматериалов и нанотехнологий в технологические процессы российских предприятий.
4. Создание новых рабочих мест для высококвалифицированного персонала инновационных предприятии, создающих продукцию с использованием нанотехнологий.
5. Развитие фундаментальных представлений о новых явлениях, структуре и свойствах наноматериалов.
6. Формирование научного сообщества, подготовка и переподготовка кадров, нацеленных на решение научных, технологических и производственных проблем нанотехнологий, создание наноматериалов и наносистемной техники, с достижением на этой основе мирового уровня в фундаментальной и прикладной науках.

Эффективное достижение намеченных целей потребует  системного подхода к решению  целого ряда взаимоувязанных задач, основными из которых являются:

1. Координация работ в области создания и применения нанотехнологий, наноматериалов и наносистемной техники;
2. Создание научно-технической и организационно-финансовой базы, позволяющей сохранить и развивать имеющийся в России приоритетный задел в исследованиях и применении нанотехнологий; развитие бюджетных и внебюджетных фондов, поощряющих и развивающих исследования в области наноматериалов и нанотехнологий и стимулирующих вклады инвесторов;
3. Формирование инфраструктуры для организации эффективных фундаментальных исследований, поиска возможных применений их результатов, развития новых нанотехнологий и их быстрой коммерциализации;
4. Поддержка межотраслевого сотрудничества в области создания наноматериалов и развития нанотехнологий;
5. Обеспечение заинтересованности в решении научных, технологических и производственных проблем развития нанотехнологий и наноматериалов путем либерализации налоговой политики, оптимизации финансовой политики; создание системы защиты интеллектуальной собственности;
6. Разработка и внедрение новых подходов к обучению специалистов в области нанотехнологий.

2.2. Технологические особенности  применения нанотехнологий в машиностроении (на примере автомобильной промышленности)

Нанотехнологии обещают целый ряд выгод от широкомасштабного внедрения в массовое производство автомобилей. Так буквально каждый узел или компонент в конструкции автомобиля может быть в значительной степени усовершенствован при помощи нанотехнологий. 

Одним из наиболее перспективных и  многообещающих направлений применения (в том числе коммерческого) достижений современной нанотехнологии является область наноматериалов и электронных устройств.

Уже существуют легко очищающиеся  и водоотталкивающие покрытия для  материалов, основанные на использовании  диоксида кремния. 

В форме наночастиц это вещество приобретает новые свойства, в частности, высокую поверхностную энергию, что и позволяет частицам SiO₂ при высыхании коллоидного раствора прочно присоединяться к различным поверхностям, в первую очередь к родственному им по составу стеклу, образуя, тем самым, сплошной слой наноразмерных выступов. 

Покрытие из наночастиц кремнезема делает обработанную поверхность гидрофобный - на поверхности с плёнкой из SiO₂ капля воды касается субстрата лишь немногими точками, что во много раз уменьшает Ван-дер-ваальсовые силы и позволяет силам поверхностного натяжения жидкости сжать каплю в шарик, который легко скатывается по наклоненному стеклу, унося с собой накопившуюся грязь.

В силу наноразмерной толщины, такие покрытия совершенно невидимы, а благодаря биоинертности кремнезема - безвредны для человека и окружающей среды. Они устойчивы к ультрафиолету и выдерживают температуры до 400 °C, а действие водоотталкивающего эффекта длится в течение 4 месяцев.

Несколько зарубежных фирм уже выпускают  подобные покрытия в промышленных масштабах. На российском рынке их продукцию  представляет эксклюзивный дистрибутор - компания Nanotechnology News Network. 

Что касается в прямом понимании  самоочищающихся поверхностей, то такая  технология основана на использовании  диоксида титана. Принцип действия материала с таким покрытием заключается в следующем.

При попадании ультрафиолетового  излучения на нанопокрытие из TiO₂ происходит фотокаталитическая реакция. В ходе этой реакции испускаются отрицательно заряженные частицы - электроны, а на их месте остаются положительно заряженные дырки. Благодаря появлению комбинации плюсов и минусов на поверхности, покрытой катализатором, содержащиеся в воздухе молекулы воды превращаются в сильные окислители - радикалы гидроокиси (HO), которые в свою очередь окисляют и расщепляют грязь, а также нейтрализуют различные запахи и убивают микроорганизмы.

Кроме покрытий для стекол также  разработаны и выпускаются составы  с аналогичным действием для  тканей, металла, пластика, керамики - и  все они имеют потенциал для  применения в автомобильной промышленности. 

Из серийных моделей автомобилей  гидрофобное покрытие наносится  на боковые стекла Nissan Terrano II. Оно не создает полноценный водоотталкивающий эффект, но уменьшает пятно контакта поверхности с каплями воды, благодаря чему во время дождя стекло остается вполне прозрачным (см. рис. 1).

Рисунок 1. Водоотталкивающий эффект гидрофобного покрытия

По некоторым сообщениям, концерн BMW работает над созданием самоочищающихся покрытий на основе нанопорошков. 

Компания Mercedes-Benz с конца 2003 года выпускает модели А, С, E, S, CL, SL, SLK покрытых новым поколением прозрачных лаков, изготовленных с использованием нанотехнологии. В состав верхнего слоя такого лакокрасочного покрытия вводят наноскопические керамические частицы. По утверждению создателей, новое лакокрасочное покрытие защищает кузов от царапин в три раза эффективнее, чем обычный лак.

По результатам испытаний оказалось, что покрытые лаком нового типа машины сохраняют блеск на 40% сильнее, чем  покрашенные обычной краской. 

Новое лаковое покрытие не только защищает кузов от механических повреждений, но еще и полностью отвечает требованиям  Mercedes относительно устойчивости к воздействию химических элементов, находящихся в воздухе.

В настоящее время с использованием нанотехнологических подходов уже производятся высокоэффективные антифрикционные и противоизносные покрытия для автотранспорта. Так российский концерн «Наноиндустрия» наладил серийное производство ремонтно-восстановительного состава «Нанотехнология». Состав предназначен для обработки механических деталей, испытывающих трение - двигали, трансмиссия. 

При применении состав позволяет создавать  модифицированный высокоуглеродистый железосиликатный защитный слой (МВЗС) толщиной 0,1-1,5 мм в областях интенсивного трения металлических поверхностей, что дает возможность избирательной компенсации износа мест трения и контакта деталей за счет образования в этих местах нового модифицированного поверхностного слоя. Использование РВС позволяет увеличивать ресурс работы узлов и деталей в 2-3 раза за счет замены плановых ремонтов предупредительной обработкой, снижает вибрации и шум, на 70-80% снижает токсичность выхлопа автомобиля без применения каких-либо других мер.