Наука и производство

Нанотехнологии в производстве

Наномир – загадочный мир, потому что материалы ведут себя по-разному на атомном уровне. Они приобретают улучшенные физические свойства, которые можно использовать в производстве для создания инновационных, высокоэффективных продуктов. Нанотехнология предполагает работу в удивительно небольших масштабах – 100 нанометров или меньше. Для сравнения, человеческий волос имеет ширину около 100 000 нанометров. Нанотехнологии в производстве – это большой шаг в техническом прогрессе человечества.

Наноматериалы могут быть сконструированы так, чтобы улучшать прочность, гибкость, долговечность, смазывающую способность и электрическую проводимость по сравнению со стандартными материалами, а также быть устойчивыми к многочисленным условиям окружающей среды, таким как блики, влажность, температура, коррозия и даже микробы.

«Используя преимущества этих свойств, современные продукты с поддержкой нанотехнологий варьируются от бейсбольных бит и теннисных ракеток до катализаторов для переработки сырой нефти и сверхчувствительного обнаружения и идентификации биологических и химических токсинов», – говорится на веб-сайте Национальной инициативы по нанотехнологиям (NNI). Инициатива правительства США в области нанотехнологий, основанная в 2000 году. Новые внедрения нанотехнологий в массовое производство – это масштабное, повторяемое и экономически эффективное производство наноразмерных материалов, конструкций, устройств и систем. Эти материалы и устройства затем используются для производства инновационных продуктов следующего поколения, которые обеспечивают более высокую производительность при более низких затратах и повышенную устойчивость.

Сверху вниз или снизу вверх

Существует два основных подхода к нанопроизводству: сверху вниз или снизу вверх. Изготовление «сверху вниз» начинается с блока исходного материала и систематически вырезает его до конечного наноразмерного продукта. При подходе «снизу вверх» продукты создаются путем их построения из компонентов атомного и молекулярного масштаба, что дает инженерам больше возможностей для сборки. Согласно NNI, передовые процессы, которые позволяют организовать нанопроизводство снизу вверх, включают в себя:

  • Химическое осаждение из паровой фазы – химические вещества объединяются для взаимодействия и получения очень чистых высокоэффективных пленок.
  • Молекулярно-лучевая эпитаксия – метод нанесения монокристаллов, особенно полезный в производстве полупроводников.
  • Эпитаксия атомного слоя – процесс нанесения слоев толщиной в один атом на поверхность.
  • Литография «Dip Pen» – погружает наконечник атомно-силового микроскопа в химическую жидкость, которая затем «пишет» на поверхности подложки.
  • Нанопечатная литография – создает наноразмерные элементы путем штамповки или печати на поверхности.
  • Обработка до рулона – производит наноразмерные устройства на рулоне из ультратонкого пластика или металла в больших объемах.
  • Самосборка – процесс, при котором отдельные химические или биологические молекулярные структуры естественным образом объединяются в одну упорядоченную структуру без внешнего направления.

Наука и производство

Прорыв в нанотехнологиях предоставляет новые, постоянно расширяющиеся возможности для синтеза и коммерциализации новых материалов в наноразмерном масштабе. Эти материалы имеют решающее значение для продвижения передового производства, повышения производительности продукта и создания новых, инновационных продуктов, которые улучшают производство. Например нанотехнологии в производстве создают:

  • Покрытия. Системы нанесения наночастиц создают очень однородные, конформные покрытия из наноразмерных частиц. Например, в 2015 году Modumetal изобрел процесс нанопокрытия, который увеличивает прочность стали в 10 раз, делая ее более устойчивой к коррозии.
  • Наноинженерные полимеры. Тысячи наноинженерных полимеров и гибридных полимерных смесей доступны для производителей. Наночастицы внедряются в полимеры в очень специфических концентрациях и ориентациях, обычно для увеличения прочности, температуры и коррозионной стойкости.
  • Смазочные покрытия. Наночастицы также могут быть сконструированы для обеспечения смазывающей способности и износостойкости. Они обычно наносятся в виде покрытия на твердые поверхности или распространяются в смазочных жидкостях, таких как масло.
  • ДНК-структуры. ДНК человека может быть использована для формирования каркасов, на которых могут быть построены механические структуры и устройства. Например, «молекулы ДНК могут служить точно управляемыми и программируемыми каркасами для организации функциональных наноматериалов при разработке, изготовлении и характеристике электронных устройств и датчиков нанометрового масштаба», – пишет Nanowork , ведущий портал по нанотехнологиям.
  • Наномашины. Исследователи успешно разработали рабочие наномоторы, нанороботы и наномашины из химических и биологических молекул. Эти молекулы самостоятельно собираются в функциональные, программируемые наноразмерные функциональные машины. Поскольку они достаточно малы, чтобы путешествовать по сосудистой системе, они обладают огромным потенциалом в области медицины – например, они могут быть микроскопическими роботами, которые обнаруживают и уничтожают раковые опухоли, проникая в опухоль и опорожняя в них крошечные капсулы лекарств.

Потенциал будущего

Нанотехнологии в производстве, как и нанотехнологии в медицине, произвели революцию во многих производственных секторах, включая информационные технологии, оборону, медицину, транспорт, энергетику, науку об окружающей среде, телекоммуникации и электронику.

В России новое предприятие по производству тканей запустил «БТК Холдинг». По словам экспертов, это единственный крупный проект в этой сфере, который был реализован в стране в последние годы. Площадка находится в городе Шахты Ростовской области. Компания вложила в инфраструктуру и оборудование более 6 млрд руб. Предприятие будет использовать нанотехнологии в производстве тканей и выпускать высокотехнологичный текстиль из синтетических волокон. Он применяется, в частности, при изготовлении спецодежды, в том числе, для вооруженных сил, и спортивной одежды.

Нанотехнологии уже и в области экологии.

Экологические  службы многих стран разрабатывают уникальные проекты по охране экологии. Китайский ученый  Чжан Вейсян, проводивший  эксперименты по изучению наночастиц железа  в одном из американских университетов сделал важное открытие. Он работал с наночастицами железного порошка. Учитывая, что количество Fe –самое большое на планете,  в сравнении с другими металлами,  – удачные опыты исследователя  позволят эффективно  и бережно очистить почву и   сэкономят немыслимые деньги.

«Гибкая электроника была разработана с использованием полупроводниковых наномембран для приложений на экранах смартфонов и электронных книг», – говорит NNI. «Создание плоской, гибкой, легкой, не хрупкой и высокоэффективной электроники открывает двери для бесчисленных интеллектуальных продуктов».

Интеллектуальность, однако, зависит от данных – устройство может быть таким же умным, как и вход, который он получает от датчиков. Наноразмерные датчики и устройства будут продолжать улучшать мониторинг оборудования и машин, чтобы максимизировать эффективность и производительность.

Промышленность: инновации и нанотехнологии

Для дальнейшего развития НИОКР в области нанопроизводства, NNI сотрудничает с почти 100 исследовательскими центрами и пользовательскими объектами по всей стране, чтобы предоставить исследователям оборудование, специализированное оборудование и обученный персонал, необходимый для разработки приложений в области нанотехнологий и связанных с ними производственных процессов. На 2017 год правительство США предоставляет NNI 1,4 миллиарда долларов, включая 37 миллионов долларов на нанопроизводство.

Различные производители используют нанотехнологии в производстве продуктов с улучшенными возможностями или для снижения стоимости их производства. На этой странице приведены примеры того, как нанотехнологии помогают производителям сегодня.

  • Исследователи из Университета «Прудью» продемонстрировали технологию, называемую импринтинг с помощью лазерного удара, который формирует наноразмерные металлические формы, такие как зубчатые колеса.
  • Исследователи из Северо-Западного университета разработали настольный инструмент нанофабрикации. Настольный инструмент использует литографическую решетку с лучевой ручкой для создания наноразмерных структур.
  • Исследователи из Университета Пенсильвании разработали методику изготовления наконечников AFM из алмаза.
  • Исследователи из Университета Райса продемонстрировали, что атомно-тонкие листы нитрида бора можно использовать в качестве покрытия для предотвращения окисления. Они считают, что это покрытие можно использовать для покрытия деталей, которые должны быть легкими, но работать в жестких условиях, например, в реактивных двигателях.
  • Компания ArcelorMital производит сталь, которая содержит наночастицы. Этот материал позволяет им делать более тонкие колеи, более легкие балки и пластины. Эти стальные балки и пластины примерно такого же веса, что и алюминий, но могут быть изготовлены с меньшими затратами. ArcelorMital продает эту легкую сталь производителям автомобилей.
  • Исследователи изготовили пряжу из углеродных нанотрубок, покрытых алмазом. Они считают, что этот материал можно использовать в тонких пильных полотнах, которые уменьшают отходы, образующиеся при резке дорогостоящего материала, например, при распиливании кремниевых слитков в пластины для полупроводниковой или солнечной промышленности.
  • IMEC и Nantero разрабатывают чип памяти, который использует углеродные нанотрубки. Эта память помечена NRAM для энергонезависимой оперативной памяти на основе нанотрубок и предназначена для использования вместо микросхем флэш-памяти высокой плотности.
  • Nanosolar строит солнечные элементы с использованием полупроводниковых наночастиц, применяемых в процессе низкотемпературной печати. Этот процесс приводит к более низкой стоимости солнечных элементов, чем традиционные высокотемпературные производственные процессы.
  • Hewett Packard работает с Hynix Semiconductor над созданием запоминающего устройства, называемого мемристором. Мемристор использует нанопроволоки, покрытые диоксидом титана, и, по прогнозам, имеет лучшую плотность памяти, чем флэш-память.

Также исследователи работают над разработкой метода, называемого молекулярным производством, который поможет создать в будущем репликатор Star Trek. Гаджет, который изобретают эти люди, называется молекулярным производителем; это устройство будет использовать крошечные манипуляторы для позиционирования атомов и молекул, чтобы построить такой же сложный объект, как настольный компьютер. Как показано в этом видео, исследователи считают, что с помощью этого метода сырье можно использовать для воспроизведения практически любого неодушевленного предмета.

Создавая объект, атом за атомом или молекулу за молекулой, молекулярное производство, также называемое молекулярной нанотехнологией, может производить новые материалы с улучшенными характеристиками по сравнению с существующими.

Например, стойка самолета должна быть не только очень прочной, но и легкой. Молекулярный производитель может строить атом за атомом распорки из углерода, в результате получается легкий материал, который является более твердым, чем алмаз.

Помните, что алмаз – это просто решетка из атомов углерода, скрепленных связями. Размещая атомы углерода, один за другим, в форме распорки, такой производитель может создать алмазоподобный материал, который будет легче и прочнее любого металла.

Метки
Обсудить статью на форуме

Администратор

Впереди еще много нового!

Related Articles

Back to top button
Close