Нанокристаллические порошки и консолидированные структуры

Методы сушки в системах золь — гель и аэрогель — пересыщенный пар позволяют синтезировать неорганические оксиды, имеющие огромную площадь поверхности пор и, соответственно, более высокие хемосорбционные характеристики. При таком синтезе ультратонкие порошки консолидируются под давлением, образуя высокопористые гранулы с очень большим объемом открытых пор, размер которых можно частично контролировать. Химические свойства поверхности таких ультратонких порошков и консолидированных гранул зависят от необычной, многогранной формы отдельных нанокристаллов, а образуемые ими материалы могут использоваться в качестве суперадсорбентов токсичных веществ и кислотных газов.

Нанокристаллические материалы занимают промежуточное положение между молекулами и обычными твердофазными веществами и обладают уникальными свойствами. В частности, они могут иметь огромную площадь поверхности и повышенную химическую реакционную способность, что позволяет эффективно использовать их в качестве покрытий, пленок и дисперсий. Кроме того, поверхность нанокристаллических материалов может быть модифицирована различными лигандами, а сами материалы, могут быть консолидированы в пористых твердых веществах или введены в жидкости и полимерные матрицы.

Рис. 29. «Твёрдый дым» – адсорбент на основе сверхвысокопористой структуры гидроокиси алюминия с нанорахмерными частицами, обладающий непревзойдённой поглощающей способностью.

Технологии такого рода скоро найдут применения в производстве чернил для печати, магнитных материалов, сорбентов, катализаторов, оптических покрытий, лекарственных препаратов, красок, антикоррозионных покрытий и средств химической или биологической защиты. Однако для широкого применения этих материалов с новыми свойствами требуется разработка совершенно новых, экологически безопасных методов синтеза.

Нанокраски позволяют создать исключительно совершенные способы защиты государственных бумаг и документов, поскольку состав краски определяется не только входящими в неё компонентами, но и формой частиц, образующих красящий слой.

Приоритеты развития в данной области включают разработку методов химического синтеза наночастиц и получения материалов на их основе, как в лабораторном масштабе (граммы), так и в масштабе опытного производства (килограммы). Университетские, федеральные и промышленные лаборатории должны работать совместно, что предполагает и расширение финансирования индивидуальных исследователей, сотрудничающих с перечисленными лабораториями. Еще одним приоритетным направлением является совершенствование измерительной аппаратуры, включая разработку новых методик и развитие инфраструктуры для более эффективного использования оборудования.

Рис. 30. Примеры применения нанокрасок для создания защитных рисунков на ценных бумагах. (МИФИ, Отраслевая лаборатория МИНАТОМА РФ)

1. Нанокомпозиты — дешевые и прочные материалы для автомобильной и авиационной промышленности 

В последние годы, стремясь решить проблему экономии топлива, конструкторы снижают вес автомобилей, используя для изготовления некоторых деталей вместо металла более легкие материалы (обычно пластмассы). Однако наиболее пригодные для этой цели полимерные материалы достаточно дороги пока не нашли широкого применения в автомобильной промышленности. Экономичным решением этой проблемы могли бы стать нанокомпозиты обычных полимеров, армированных диспергированными в них наночастицами (рис.31). В принципе, детали из таких материалов можно легко изготавливать (с очень высокой точностью) экструзией или формованием. Такие материалы почти не уступают металлам по жесткости и прочности, но они значительно легче. По коррозионной стойкости, звукопоглощению, монолитности и способности к переработке нанокомпозиты превосходят традиционные материалы, однако для их производства требуется разработка методов диспергирования частиц в объеме полимера, а также методов изготовления деталей из таких материалов.

Рис. 31. Структура полимерного материала, армированного наночастицами

Приоритеты развития в данной области включают разработку методов химического синтеза наночастиц и получения материалов на их основе, как в лабораторном масштабе (граммы), так и в масштабе опытного производства (килограммы). Университетские, федеральные и промышленные лаборатории должны работать совместно, что предполагает и расширение финансирования индивидуальных исследователей, сотрудничающих с перечисленными лабораториями. Еще одним приоритетным направлением является совершенствование измерительной аппаратуры, включая разработку новых методик и развитие инфраструктуры для более эффективного использования оборудования.

Нанокомпозиты могут найти применение и в других отраслях промышленности, в том числе в строительстве (трубы и детали отделки зданий), в облицовке холодильников, в производстве оборудования и мебели для деловых, медицинских и жилых помещений, бытовых электроприборов и т. д.

2. Использование наночастиц для защиты от биологического оружия 

Ультратонкие порошки могут найти применение в качестве средства защиты от некоторых видов биологического оружия. Опыты показали, что термостойкие споры Bacillus Globigii (имитатор возбудителя сибирской язвы) уничтожаются в воздухе при комнатной температуре распыленными наночастицами из оксида магния и других реакционноспособных компонентов.

На рис. 32 показаны зависимости от времени параметра КОЕ (колониеобразующая единица) для спор Bacillus Globigii при отсутствии (базисная кривая) и наличии в воздухе наночастиц. Аналогичные результаты были получены для спор Bacillus Cereus и бактерий кишечной палочки Е. coli. Опыты продемонстрировали эффективность действия нескольких составов наночастиц, однако коммерческое производство порошков для этой цели пока не налажено.

Рис. 32. Кривые выживания Bacillus Globigii при отсутствии (базисная кривая) и при наличии в воздухе хлорсодержащего порошка наночастиц. Данные получены для двух проб воздуха с низкой (10 мг/м3) и высокой (20 мг/м3) концентрацией наночастиц.

Таблица 1. Текущие и будущие применения наноструктурных дисперсий