Золотой нановек

Владимир Путин обратился в Государственную Думу с настоятельной просьбой как можно быстрее принять соответствующий Федеральный закон: «Это еще одно направление, сопоставимое по финансированию со всей научной отраслью России», — подчеркнул Президент РФ Владимир ПУТИН.

В России долго запрягают, но уж когда завершат сие мудреное действо, нас трудно, и это хорошо известно всему миру, остановить. Этого, видимо, и опасаются сегодня на Западе. Надо признать, что мы и так уже задержались на старте в области развития нанонауки (НН) и нанотехнологий (НТ), по подсчетам специалистов, лет на 10—15. В странах с развитой экономикой и наукой — США, Японии, Евросоюза, а также и в Китае — исследования в области НТ официально объявлены высшими национальными приоритетами. Еще три года назад в Америке было выделено $889 млн на программу «Национальная нанотехнологическая инициатива», рассчитанную на 10 лет с ежегодно увеличивающимся финансированием. Причем в этой программе с предельно глобалистским откровением прописано, что «США не могут себе позволить оказаться на втором месте в области НТ». Что и говорить, страна, которая будет лидировать в нанонауке, и это понимают все, получит монополию во всех сферах мирной и военной индустрии, и в конце концов будет править миром.

Вселенский взрыв по имени «фуллерен»

Сегодня мы уже в праве называть едва начавшийся век — веком нанонауки и нанотехнологий. Уникальный цемент и керамику, металлические сплавы и пластмассы, лакокрасочные и многие другие строительные материалы с неведомыми доселе свойствами производят сейчас в мире на основании теоретических предпосылок НН волшебными инструментами НТ.

А начиналось все далекой осенью 1985 года прошлого столетия, когда на территории России под мелодию застоя мирно спал Советский Союз. Тогда и произошел этот взрыв мирового осознания и вселенского интереса к НТ: американские ученые Ричард Смолли, Роберт Керл и британец Гарри Крото впервые сообщили миру об открытии фуллерена. Официально эта молекула была названа «бакминстерфуллереном» по имени американского архитектора Ричарда Бакминстера Фуллера, его геодезические купола и навеяли геометрическую структуру новой молекулы.

А с присуждением им в 1996 году Нобелевской премии по физике началось и лавинообразное развитие нанотехнологий. Правда, сами пионеры нанонауки считают идеологом НТ Нобелевского лауреата, одного из самых авторитетных физиков прошлого столетия, Ричарда Фейнмана, который еще за 25 лет до открытия фуллерена произнес по поводу перспектив развития микроэлектроники поистине пророческие слова: «Там, внизу, еще много места».

Тогда микроэлектроника оперировала величинами, измеряемыми десятками и сотнями микрометров. А Ричард Фейнман впервые обратил внимание на возможность и целесообразность изготавливать электронные устройства наноразмеров. «Я уже в достаточной мере стал физиком, чтобы не говорить: «О нет, это невозможно!» — эти слова Фейнмана, по признанию трех ученых, всегда подталкивали их изыскания к открытию века. За четыре года до ухода из жизни ученого пророка Смолли, Керл и Крото доказали правоту его слов...

Сегодня наноединица длины — нанометр (НМ) — равна 10-9 м, т.е. в 1000 раз меньше, чем микрометр. Фуллерен, открытый американскими учеными (полая частица, похожая на оболочку футбольного мяча, состоящая из 20 шестиугольных углеродных циклов и 12 пятиугольных с общим количеством атомов углерода, равным шестидесяти), стал знаковой фигурой НТ. Для его обозначения в текстах был предложен символ С60.

Наиболее наглядно достижения нанотехнологий проявляются в уменьшении чипов, что позволяет в несколько раз уменьшить компьютерную аппаратуру и потребляемую ею энергию. И то, и другое — крайне важно для дальнейшего развития, например космонавтики. Со временем НТ, видимо, вообще изменит всю современную технику.

 Безграничные возможности nano

Девиз нанонауки: «Время, вперед!». Свидетельством тому может быть и число публикаций, посвященных НТ. Сегодня их уже перевалило за сотни тысяч. Появились журналы, посвященные нанотехнологиям, и у нас, в России, — ежемесячник «Нанотехника», который начал издаваться в 2004 году. Уже опубликовано несколько монографий, в том числе в Москве и на Урале. Гусев А.И., Ремполь А. А. «Нанокристаллические материалы». — М.: Физматлит; Носкова А.И., Ремполь А.А. «Субмикрокристаллические и нанокристаллические металлы и сплавы». — Екатеринбург: Изд-во УрО РАН; Пул Ч., Оуэне Ф, «Нанотехнологий». — М.: Техносфера. А за рубежом в 2000 году издана первая десятитомная энциклопедия «Нанонаука и наноматериалы».

Нет, наверное, области жизнедеятельности человека, в которой не применяли сегодня НТ. В электронике, биологии, медицине, энергетике, охране природы, материаловедении. Но, поскольку нас интересует строительство, остановимся на описании возможностей НТ в производстве строительных материалов, в частности лакокрасочных.

Использование нанотехнологий дает возможность получать покрытия, одновременно сочетающие такие свойства, как эластичность и высокую твердость, получать материалы, стойкие к большинству агрессивных сред и в то же время обладающие высокой гидрофобностью. При этом возможно контролировать гомогенность распределения органических и неорганических частиц на молекулярном уровне. Неорганическими компонентами таких материалов являются нанопорошки металлов, диоксида кремния, диоксидов титана, сульфата бария, оксидов алюминия, циркония. В качестве наполнителей могут использоваться полимерные порошки, равномерно распределенные в пленкообразующем веществе. В отличие от других форм углерода фуллерены растворимы в органических растворителях, образуя истинные растворы. На основании фуллеренов возможно создание покрытия с высокими физическими свойствами, снижающими массу покрытий в 10 раз и более.

—У фуллеренов есть одно удивительное свойство. Оно позволяет создавать лакокрасочные материалы, которые образуют самоочищающиеся покрытия, — отметил в беседе с вашим корреспондентом российский специалист по нанотехнологиям, доктор технических наук, академик АИН, профессор Борис Родионов. — Суть этого свойства проста — генерация на поверхности фуллеренов под действием ультрафиолетовых лучей, в частности тех, которые входят в солнечный спектр, свободных радикалов, способных окислять органические соединения до воды, углекислого газа и к тому же уничтожать микроорганизмы. А именно органические соединения, находящиеся, например, в городской пыли, и предопределяют прилипание грязи.

Впервые такая фотокаталитическая активность была обнаружена на наночастицах (размер 10—15 нм) диоксида титана анатазной модификации. С использованием таких частиц., которые (будучи сорберами уф-лучей) прозрачны для видимого света, уже производят в мире не только фасадные краски, но и лаки, которыми в тех же целях окрашивают оконные стекла.

Наночастицы диоксида титана начали использовать и для защиты от воздействия солнечного света изделий из древесины, а для защиты изделий из этого материала от биопоражения предложено использовать наноэмульсии биоцидов, нерастворимых в воде. Биоциды в такой форме, проникая в древесину, обратно из нее уже не вымываются в отличие от водорастворимых.

Заграница нам не поможет

Немецкий лакокрасочный завод «Аллигатор» разработал и внедрил новый материал на основе применения нанотехнологий — силикатно-дисперсионная краска Кизелит-Фузион. Эта краска была представлена на крупнейшей лакокрасочной выставке в Кельне и имела ошеломляющий успех.

Ингредиенты с наноструктурой намного легче могут вступать е прочное соединение с основанием. Подобный материал единственный в своем роде и характеризуется рядом отличительных особенностей: материал С наноструктурой обеспечивает очень высокую адгезию покрытия не только к минеральным типам подложек, но и к органическим основаниям; грязь на такой окрашенной поверхности распадается под воздействием света — возможно благодаря уникальной комбинации пигментов-наполнителей в сочетании с микроструктурной поверхностью. Сочетание новой микроструктуры и светостойких пигментов обеспечивает как высокую насыщенность цвета, так и УФ-устойчивость покрытия в целом, что позволяет фасаду сохранять первозданный внешний вид в течение долгого времени. Низкий коэффициент влагопоглощения гарантирует защиту от дождя. Краска имеет низкий коэффициент паропроницаемости, что обеспечивает максимальную степень «дыхания» стен, полностью поддерживая естественный влажностный режим здания. Благодаря наличию альгицидных и фунгицидных добавок краска противостоит поражению поверхностей грибком и плесенью. Она отличается высокой С02-проницаемостью, что крайне необходимо для процессов карбонизации извести. Это свойство нанотехнологий обеспечивает беспрепятственный набор прочности и сохранение известковых штукатурок, а также старых кладочных растворов, что позволяет использовать этот инновационный материал в реставрации.

А на прошедшей недавно в Москве выставке «Интерлакокраска-2007» турецкая компания «Dyo» представила линейку красок, произведенных по нанотехнологиям. Получились покрытия невозгораемых, самоочищающихся, с высокой устойчивостью к износу и ультрафиолетовым лучам. Матовая краска этой фирмы — на акриловой основе, для стен внутри помещений, самоочищающаяся под действием искусственного света. Благодаря свойству фотокаталитической очистки она не загрязняется, не допускает образования на поверхности следов никотина, копоти от обогревателей. Позволяет без труда счищать с поверхности пятна жира, кетчупа, графита, акварели. Чистка влажной тряпкой с моющими средствами не вызывает блеска на пленочной поверхности краски.

«Умная» матовая краска для наружных стен на акриловой основе умеет самоочищаться под действием солнечного света. Препятствует образованию загрязнений на поверхности, благодаря водоотталкивающим характеристикам, при этом обладает «дышащими» свойствами, что обеспечивает удаление влаги, скапливающейся в стенах, наружу. Кроме того, она обладает высокой степенью устойчивости к возгоранию, благодаря нанокомпозитной структуре и содержанию специальных смол. Может наноситься на бетон и дерево. При контакте с огнем такая краска взбухает, расширяется и препятствует проникновению тепла в основной нижний слой. Обеспечивает 15-минутную защиту при пожаре. Окрашивается любыми красками.

Применяемый «Mercedes-Benz» новый более прочный прозрачный лак на базе нанотехнологий позволяет обеспечить высочайшее качество на долгие годы и образцовую сохранность автомобиля, гарантирующую его высокую стоимость на вторичном рынке. Лаковое покрытие на основе инновационной технологии включено в серийную комплектацию нового CLS-класса. Оно применяется для лакокрасочного покрытия «металлик» и обычной краски.

Последние достижения в области нанотехнологий позволили внедрить в молекулярную структуру связующего средства лака частицы керамики, размер которых менее одной миллионной доли миллиметра. Эти частицы сначала беспорядочно плавают в жидком лаке, а в процессе высушивания в лакокрасочном цеху образуют структурную сетку. При этом на поверхности лакового покрытия образуется очень плотная сетчатая структура. Наночастицы повышают прочность лака в три раза и обеспечивают более интенсивный блеск покрытия.

Энтузиасты НТ считают, что работа с объектами сверхмалых размеров даст ключ к глобальному решению проблемы бедности. Так, например, использование наноматериалов и наноаппаратуры способно решить задачи эффективной очистки воды, хранения экологически чистого топлива и увеличения плодородности почв.

В Германии разработаны «неорганоорганические гибридные полимеры», которые при использовании их в качестве пленкообразователей лакокрасочных материалов (для обеспечения высоких защитных свойств) достаточно наносить нанослоем. Подробная химическая природа пленкообразователя не раскрывается. Специалисты лишь отмечают, что он — «продукт силикатной и уретановой структуры с короткой цепью». К слову, подобные полимеры были разработаны советскими учеными много лет назад, но по известным причинам периода застоя это изобретение не только не увидело своего промышленного воплощения, но даже и не было опубликовано.

Уже сегодня на мировом рынке имеются сотни товаров, изготовленных с помощью НТ. Производством нанопродукции занято свыше тысячи предприятий в различных сферах человеческой жизни. Половина из них — в Соединенных Штатах.

Наноидеи в умах россиян

Сегодня актуальными, на взгляд профессионалов, для России являются лакокрасочные материалы, способные образовывать покрытия, превращающиеся при пожаре в толстый слой негорючей пены с низкой теплопроводностью, подчеркнул доктор технических наук, профессор Борис Родионов. Их еще называют интумесцентными, или вспучивающимися. Такие покрытия способны на десятки минут замедлить процесс нагревания строительной конструкции до критической для нее температуры. Иными словами, они оттянут время начала пожара. Эх, были бы еще у нас дороги хорошие, а то пока до места доедут пожарные наряды все затраченные на нанотехнологии средства пойдут коту под хвост!

К слову, несколько представителей интумесцентных красок в России уже производится. Однако недостатком ряда таких красок является малая адгезионная прочность образующейся пены по отношению к черному металлу. Поэтому некоторые российские специалисты предлагают вводить в эти краски фуллерены в количестве до 0,7%, что оказывает структурирующее воздействие на формирующийся при горении пенококс и способствует сохранению адгезии.

В Институте катализа Сибирского отделения РАН совместно с московским Информационно-технологическим институтом разработан фотокаталитический очиститель и обеззараживатель воздуха под названием «АэроЛюкс». В нем под действием УФ-лампы на поверхности катализатора образуются свободные радикалы, разлагающие органические соединения, в том числе и тела микроорганизмов, содержащиеся в прокачиваемом через это устройство воздухе. Эффективность фотокаталитического обеззараживания воздуха в 10—100 раз превышает таковую при уже традиционной обработке помещения ультрафиолетовым светом.

Детонационный углерод (ДУ) — продукт, получаемый методом взрывного синтеза, — уже успешно используется в российской промышленности в смазочно-восстановительных композициях для двигателей внутреннего сгорания. Другой продукт — детационный наноалмаз, создаваемый из ДУ методом взрывного синтеза путем избирательного окисления графитной части, — применяется как добавка в упрочненных гальванических покрытиях и в полировочных составах, полупроводниковых и оптических материалах, грунтовочных покрытиях. Нанотрубки и нановолокна находят применение в электрохимии и производстве углеродных композиционных материалов.

Кроме того, по созданию гидрофобных покрытий ведутся исследования в области нанотехнологий в российской компании «Пигмент». Разработаны противообледенительная эмаль ЭП-439П, наносимая под водой эмаль «Субкор» и наносимая на влажной поверхности грунтовка «Влагокор».

Проводятся также работы по созданию экологически безопасных противообрастающих красок. Уже сегодня испытания в Южно-китайском и Черном морях позволяют сделать вывод о возможности увеличения срока службы противообрастающих покрытий до 5 лет. А на Новолипецком металлургическом комбинате осуществлено внедренение с использованием нанотехнологий грунтовки ПЭ-0701 для рулонного проката.

Благодаря нанотехнологиям в России созданы стеле-технологии, конкурентоспособные на мировом рынке вооружений. По словам члена-корреспондента РАН Андрея Лагарькова, технологии «стеле», в широком понимании этого слова, предназначены для уменьшения уровня сигналов, приходящих от какого-либо военного объекта на систему, пытающуюся его обнаружить. Современный российский подход заключается в создании новых материалов с определенными радиофизическими свойствами. По мнению генерального директора ГУП Авиационного военно-промышленного комплекса «Сухой» Михаила Погосяна, используются самые современные плазменные, лакокрасочные, дуговые, плазменно-вакуумные и, что главное, — нанотехнологий. Особое место занимает технология создания ферромагнитных композитных материалов и так называемых искусственных магнетиков.

Как подчеркнул Андрей Лагарьков, для создания «интеллектуальной обшивки» самолета будущего требуется решить еще немало сложнейших задач, но уже созданные российскими специалистами технологии удовлетворяют требованиям, предъявляемым к самолету пятого поколения.

Как отмечают признанные военные эксперты, в творческом сотрудничестве промышленности и Российской Академии наук уже разработана и проверена в изготовлении и летных испытаниях самолетов СУ-47 и СУ-27М комплексная технология обеспечения низкого уровня заметности, конкурентоспособная на мировом рынке.

Алексей Александров

Журнал "Строительство" №6, 2007  05.07.2007