Ирина Эланс
Нанотехнологии
Введение
Нанотехнология - технология с атомарной точностью - обладает революционным потенциалом для решения важнейших научно-технических задач.
Нанотехнологии обычно делят на три направления:
- изготовление электронных схем, элементы которых состоят из нескольких атомов;
- создание наномашин, то есть механизмов и роботов размером с молекулу;
- непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них чего угодно;
Благодаря стремительному прогрессу в таких технологиях, как оптика, нанолитография, механохимия и 3D прототипировние, нанореволюция может произойти уже в течение следующего десятилетия. Когда это случится, нанотехнология [1] окажет огромное влияние практически на все области промышленности и общества.
Наноинженерия - научно-практическая деятельность по конструированию, изготовлению и применению наноразмерных объектов или структур. Наноинженерия поверхностей относится к наиболее востребованной в машиностроении нанотехнологии, являясь доступным и прогрессивным методом получения перспективных наноматериалов.
1 Основные положения наноинженерии поверхностей
Чаще всего наноинжене́рия (англ. nanoengineering) представляется как научно-практическая деятельность человека по конструированию, изготовлению и применению наноразмерных объектов или структур, а также объектов или структур, созданных методами нанотехнологий. В настоящее время термин «наноинженерия» широко применяется в научной и популярной литературе [1] в связи со значительной общностью и специфичностью рассматривающихся в нем различных направлений практической деятельности человека. Наноинженерия поверхностей – это конструирование, изготовление нанообъектов только на рабочей поверхности любого изделия, т.е. формирование на поверхности так называемых полифункциональных наноструктурированных покрытий, позволяющих принципиально улучшать эксплуатационные свойства, надежность и безопасность всего изделия.
Наноинженерия поверхностей объективно является наиболее востребованной в современном машиностроении нанотехнологией, представляя по своей сути наиболее доступный, достаточно простой, универсальный метод получения перспективных наноматериалов. На практике различают следующие типы наноматериалов:
- нанопористые структуры;
- наночастицы;
- нанотрубки и нановолокна;
- нанодисперсии (коллоиды);
- наноструктурированные поверхности и пленки;
- нанокристаллы и нанокластеры.
Основные методы получения наноматериалов представлены на следующем рисунке.
Рис.1.1 - Основные методы получения наноматериалов
Актуальность разработки и широкого внедрения этих технологий связана с тем, что в деталях, узлах и изделиях машиностроения, особенно судового машиностроения, подвергаются старению, например, изнашиваются в основном их поверхности на глубину не более чем на 1-2 мм. Следовательно, заданными свойствами, например, высокой износостойкостью ко всем видам изнашивания должны обладать в первую очередь рабочие поверхности, ограниченной толщины [2]. Вся остальная конструкция должна соответствовать требованиям прочности и усталостной долговечности.
Классификация наноориентированных технологий обработки поверхностей и формирования на них вторичных структур показана ниже на рисунке.
Рис 1.2 - Классификационная схема наноориентированных технологий обработки поверхности
Таким образом, под наноинженерией поверхностей, как правило, понимаются методы и технологии формирования полифункциональных покрытий поверхностей деталей с заданными или оптимальными прочностными, антикоррозионными и другими эксплуатационными свойствами.
2 Методы наноинженерии поверхностей изделий машиностроения
Важнейшим для инженерии поверхностей, несомненно, являются технологии получения функциональных наноматериалов, как правило, это порошковые материалы.
Методы, связанные с созданием на поверхности материалов, особенно металлических, модифицированных слоев, достаточно изучены, отработаны и широко применяются на практике. Многие из таких методов или их усовершенствованных вариантов могут рассматриваться как методы нанотехнологий, так как позволяют создавать наноразмерные и/или наноструктурные слои на поверхности материалов, узлов и деталей, а также композиционные материалы с нанокомпонентами, а в ряде случаев и наноматериалы в виде нано и микроизделий [3].
Данные методы можно условно подразделить на две большие группы – технологии, основанные на физических процессах и технологии, основанные на химических процессах. Среди всех наноориентированных технологий обработки поверхности на сегодняшний день наиболее перспективными являются ионно-вакуумные технологии нанесения покрытий (т.н. PVD и CVD технологии). Полученные такими способами слои отличаются высокой адгезией, а температурное воздействие на материал основы, как правило, минимальное. Анализ литературных источников, показывает, что размер кристаллитов в пленках, полученных по технологиям вакуумного нанесения, может достигать 1-3 нм.
Наиболее распространенные методы наноинженерии поверхностей представлены ниже.
Рис. 2.1 - Типичная схема установки для нанесения покрытия PVD-методом: 1- материал для покрытия; 2- система перевода материала в паровую фазу; 3- поток испарившегося вещества; 4- подложка; 5- формирующееся покрытие; 6- система транспортировки материала покрытия в паровой фазе к подложке; 7- система фокусировки (и/или сканирования) потока вещества, осаждающегося на подложку; 8- система закрепления подложки и ее контролируемого перемещения; 9- система регулирования температуры нагрева подложки; 10- система управления и контроля технологическими параметрами (температура подложки, скорость перевода материала в паровую фазу, давление в камере, скорость осаждения покрытия, толщина покрытия и др.); 11- вакуумная камера; 12- система создания и поддержания высокого вакуума (система вакуумных задвижек, форвакуумных и высоковакуумных насосов, азотная ловушка и др.); 13- шлюзовая камера и система подачи и смены подложек; 14- смотровые контрольные окна; 15- система охлаждения.
Рис. 2.2 - Варианты метода термического испарения а) испаритель из металлического листа с защитным покрытием; б) металлический испаритель в виде лодочки; в) керамический тигель с внешним нагревательным элементом; г) испарение лазерным или электронным лучом.
Рис. 2.3 - Основные принципиальные схемы катодного распыления: а) двухэлектродный метод, б) четырехэлектродный метод, 1- вакуумная камера, 2- держатель подложки (в двухэлектродном методе также является анодом), 3- подложка, 4- зона плазмы тлеющего разряда, 5- мишень (распыляемый материал), 6-основной катод, 7- тепловой катод, 8- стабилизирующий электрод, 9- анод.
Рис. 2.4 - Схема магнетронного распыления: 1- вакуумная камера, 2- держатель подложки (в двухэлектродном методе также является анодом), 3- подложка, 4- зона концентрации плазмы тлеющего разряда, 5- распыляемый материал, 6- катод, 7- анод кольцевой или рамочной формы, 8- магнит, 9- силовые линии магнитного поля.
Рис. 2.5 - Схема ионно-лучевого распыления: 1- вакуумная камера, 2- держатель подложки, 3- подложка, 4- концентрированный поток ионов, 5- распыляемый материал, 6- держатель мишени, 7- ионно-лучевой источник, 8- магнитная система концентрации плазмы тлеющего разряда, 9- устройство фокусировки ионного луча, 10- зона концентрации плазмы тлеющего разряда, 11- поток частиц осаждающегося на подложку материала.
Рис. 2.6 - Схема метода ионного плакирования: 1- вакуумная камера, 2- держатель подложки - катод, 3- подложка, 4- зона плазмы тлеющего разряда, 5- испаряемый материал, 6- испаритель - анод, 7- лазер и устройства фокусировки и управления лазерным лучом, 8- лазерное излучение, 9- прозрачное для лазерного излучения окно.
Рис. 2.7 Схема метода ионной имплантации: 1- источники ионов, 2- поток ионов, 3- систему анализа и сепарации ионов, 4- система фокусировки, 5- ускоритель ионов, 6- система стабилизации и сканирования ионного луча, 7- ионный луч, 8- вакуумная камера, 9- модифицируемый материал, 10- держатель модифицируемого материала (образцов).
Кроме отмеченных выше в машиностроении могут найти применение метод ионно-лучевое перемешивания, а также группа так называемых лазерных методов.
Наноструктурное состояние при практической реализации отмеченных методов достигается в тонких поверхностных слоях металлических материалов или изделий, полученных по традиционным технологиям, путем взаимодействия вещества с лазерным излучением высокой плотности [5]. Лазерное легирование или лазерная имплантация связана с дополнительным введением в оплавляемый поверхностный слой легирующих веществ. Такое введение может проводиться как за счет предварительного нанесения тонкой пленки легирующего вещества на поверхность обрабатываемого материала, так и за счет инжекции частиц порошка (в том числе наночастиц) в струе газа в зону воздействия лазерного излучения. При этом легирование может преследовать две основные цели:
- создание на поверхности модифицированного слоя с химическим составом и, следовательно, свойствами, отличающимся от основного металла;
- облегчение формирования наноструктурного или аморфного состояния при затвердевании оплавленного поверхностного слоя.
3 Перспективы
применения нанопорошков для
получения поверхностей
В настоящее время специалисты в качестве перспективных технологий использования нанопорошков, например, отмечают следующие:
- Технологии нанесения износо-коррозионностойких покрытий методом сверхзвукового «холодного» газодинамического напыления;
- Технологии микроплазменного напыления;
- Получение наноструктурированных покрытий с высокой твердостью методом электроискровой обработки в водных растворах и использованием наноразмерных порошковых материалов;
- Технологии вакуумного осаждения наноразмерных порошковых материалов и т.д.
Основой наноинженерии поверхностей служат нанопорошки или нанокластеры [6]. Наиболее распространенные методы получения нанопорошков представлены на следующем рисунке.
Рис 3.1 – Методы получения нанопорошков
Наибольший интерес для инженеров и исследователей представляют углеродные материалы, из которых в настоящее время наиболее изученными, а также наиболее перспективными для целей практического применения являются углеродные нанотрубки (УНТ). Они обладают самым широким набором уникальных свойств, делающих их чрезвычайно перспективными для использования, в том числе в автомобилестроении.
Баллистический характер электропроводности УНТ (электроны движутся, как бы скользя по поверхности, не встречая препятствий) позволит создавать высокоэффективные электропроводящие узлы различных машин и механизмов, в том числе автомобилей.
Углеродные нанотрубки уже находят применение в конструкции современных автомобилей. Например, инженеры компании Toyota добавляет композиционный материал на основе УНТ в пластиковые бамперы и дверные панели своих автомобилей. Помимо повышения прочности и снижения массы, пластик со смолой из УНТ становится электропроводным, и его можно покрывать теми же красками с электрическим нанесением, что и металлические детали.
Мировое производство нанопорошков распределено неравномерно. Многие страны, такие как Бразилия, Южная Африка, Россия и Австралия, являются крупными производителями сырья, и только в последнее время производство нанопорошков в этих странах приобретает массовый коммерческий характер.
В настоящее время более половины производителей нанопорошков приходится на США. При этом американские производители вырабатывают не менее двух третей всего объема мирового производства нанопорошков. Совместно Европейский Союз и Азия производят большую часть остального объема.
Среди нанопорошков из оксидов металлов наиболее распространены диоксид кремния, диоксид титана и оксид алюминия [7]. На них, как отмечалось выше, приходится более 80% всего производства порошков из оксидов металлов.
Кроме указанных выше в мире производятся нанопорошки из оксидов железа, цинка, церия, циркония, иттрия, меди и магния.
Особое место в наноиндустрии занимает производство порошков из чистых металлов. Промышленное применение многих из них в настоящее время существенно расширяется. Применение нанопорошков из чистых металлов пока ограничивается тем, что затраты на производство однородных порошков металлов с высокой степенью чистоты и заданной размерностью значительно выше, чем на производство оксидов металлов. По объему производства лидируют пять нанопорошков: порошки железа, алюминия, меди, никеля и титана.
Нанопорошки из драгоценных металлов производятся в мире в ограниченных объемах. Среди них можно отметить:
1. Металлическое серебро — Ag.
2. Металлическое золото — Au.
3. Металлическая платина
— PtОтдельное место в
Наиболее распространенными нанопорошками из сложных оксидов являются:
1. Сурьмяно-оловянный оксид— Sb2O3/SnO2.
2. Индие-оловянный оксид—In2O3/
3. Нитрид кремния— Si3N4.
4. Титанат бария— BaTi03.
5. Вольфрамово-кобальтовый карбид — WC/Co.
6. Наноалмазы — C.
В качестве наиболее технологических приемов получения металлических нанопорошков отечественными специалистами рекомендуются методы электрохимической электрокристаллизации и испарения – конденсации металлов.
Однако исследования свидетельствуют, что наибольшие перспективы наноинженерии поверхностей, особенно применительно к машиностроению, в том числе и судовому машиностроению, можно связывать с ультрадисперсными структурированными порошками, получаемыми из природных активных минералов, которые отличаются максимальными значениями внутренней энергоплотности [7].
4 Состояние и перспективы развития наноинженерии поверхностей изделий машиностроения в Российской Федерации
Уровень развития наноиндустрии в РФ можно охарактеризовать как начальный. Надо признать, что сегодня РФ значительно отстает от мировых нанотехнологических лидеров - США, Японии, стран Евросоюза по абсолютным показателям развития науки, технологий, степени промышленного освоения и коммерциализации разработок наноиндустрии. Поэтому для выхода на современный уровень РФ необходимо найти свои ниши в этой отрасли и грамотно применять трансферт технологий в рамках крупных международных проектов.
Основные слабые стороны в развитии нанотехнологий в РФ:
нет координирующего центра для реализации государственной политики в сфере нанотехнологий, развития инновационной инфраструктуры в сфере нанотехнологий, реализации проектов создания перспективных нанотехнологий и наноиндустрии;
недостаточное финансирование научно-исследовательских и опытно- конструкторских разработок в области нанотехнологий;
отсутствие долгосрочных научно-технических программ; лаборатории практически не обеспечены современным технологическим оборудованием для получения наноматериалов;
дефицит квалифицированных кадров для обеспечения отрасли; нет постоянно действующих масштабных нанотехнологических форумов и конференций мирового уровня;
низкий уровень информационного обеспечения по вопросам нанотехнологий, отсутствие информаций на государственном языке;
низкая доля производства высокотехнологичных и наукоемких видов продукции.
РФ сейчас жизненно необходим инновационный прорыв в нанотехнологии - новые заводы, цеха и фабрики, производящие наукоемкую продукцию на основе отечественных разработок.
РФ реально обладает огромным интеллектуальным потенциалом, одаренной, талантливой молодежью. Нужно его правильно использовать, делая ставку на молодых ученых. Но для этого нужно, прежде всего, предотвратить «утечку мозгов», которая наблюдается в российской науке. Необходимо создать условия для работы и возможности для творческой самореализации молодых ученых.
Научно-технические программы в области нанотехнологий должны быть направлены на освоение современных методов синтеза наноструктур, создание технологических комплексов синтеза и необходимой инфраструктуры, подготовку кадров, владеющих данной технологией, освоение современной технологической культуры, что позволит в дальнейшем создавать свои технологии в самых различных областях [8].
Для повышения эффективности и целенаправленности акцент следует сделать на развитии нанотехнологических разработок в приоритетных инновационных кластерах:
- ядерно-энергетический комплекс;
- агропромышленный (нанобиотехнологический) кластер;
- медицина и фармацевтика;
- микро-, наноэлектроника и информационные технологии;
- транспорт и машиностроение;
- строительная, горно-металлургическая отрасли, нефтехимическая отрасль;
Формирование и реализация активной государственной политики в области нанотехнологий позволит с высокой эффективностью использовать интеллектуальный и научно-технический потенциал страны в интересах развития науки, производства, образования и обеспечения национальной безопасности РФ [9]. Принятые государством меры по повышению финансирования науки, обновлению инфраструктуры научных организаций, увеличению ежегодного госзаказа на подготовку магистров и докторов призваны изменить ситуацию в системе науки и вернуть туда молодежь. Важную роль в этом процессе должны сыграть университеты.
Заключение
По мнению многих экспертов, XXI в. будет веком нанонауки и нанотехнологий, которые и определят его лицо. Воздействие нанотехнологий на жизнь обещает иметь всеобщий характер, изменить экономику и затронуть все стороны быта, работы, социальных отношений. С помощью нанотехнологий мы сможем экономить время, получать больше благ за меньшую цену, постоянно повышать уровень и качество жизни.
Нанотехнологии требуют больших объемов материалов и собирать их атом за атомом невозможно. Поэтому есть два основных ключа к нанотехнологиям:
- Нужно организовать процессы так, чтобы наноструктуры собирались сами, образуя то, чего бы нам хотелось. Другими словами, это процессы самоорганизации, самоформирования и самосборки.
- Решение многих проблем нанотехнологий требует совместной деятельности физиков, химиков, математиков, биологов — общего языка, понятий и моделей — междисциплинарного подхода. Кроме того, именно широкий междисциплинарный взгляд дает понимание того, чего в принципе возможно достичь, чего хотелось бы достичь и — главное — чего хотелось бы избежать. Здесь первостепенное значение приобретает проектирование будущего, в котором технологические, экономические, политические, военные и социальные проблемы оказываются значительно более взаимосвязаны, чем ныне. Это обусловлено совершенно новыми технологическими возможностями.
В самом деле, чтобы нанотехнологии не остались научной фантастикой, они должны найти свое место в экономике, включиться в существующие экономические циклы или создать новые. Это требует активного мониторинга и сопровождения на всех этапах от лаборатории до рынка. Это качественно новый уровень управления, позволяющий решать организационно-экономические проблемы невиданного уровня сложности.
Список используемых источников
- Введение в нанотехнологию: В. И. Марголин, В. А. Жабрев, Г. Н. Лукьянов, В. А. Тупик — Москва, Лань, 2012 г.- 464 с.
- Занимательные нанотехнологии: М. М. Алфимова — Москва, Бином. Лаборатория знани, 2010 г.- 96 с.
- Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии: А. И. Гусев — Санкт-Петербург, ФИЗМАТЛИТ, 2007 г.- 416 с.
- Нанотехнологии без тайн: Л. Уильямс, У. Адамс — Санкт-Петербург, Эксмо, 2009 г.- 368 с.
- Нанотехнологии в учебном процессе: Е. В. Чувелева, А. В. Козлова — Санкт-Петербург, Центр "Педагогический по, 2011 г.- 128 с.
- Нанотехнологии в электронике. Выпуск 2: — Москва, Техносфера, 2013 г.- 688 с.
- Нанотехнологии и молекулярные компьютеры: Н. Г. Рамбиди — Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2007 г.- 256 с.
- Нанотехнологии, метрология, стандартизация и сертификация в терминах и определениях: — Санкт-Петербург, Техносфера, 2009 г.- 136 с.
- Нанотехнологии: настоящее и будущее: Т. Г. Черненко — Москва, Балтийская книжная компания, 2011 г.- 80 с.
