ПРИМЕНЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ В ПРАКТИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Использование наноразмерных веществ в промышленности возможно благодаря разнообразию принципиально новых свойств этих материалов. Ниже представлен краткий обзор применения этого нового класса веществ в электромашиностроении и электроэнергетике.

Прежде всего, применение наноматериалов позволяет создавать конструкционные материалы с повышенными механическими свойствами.

Изготовление высокопрочных резьбовых изделий из титана и их сплавов. Детали из титана широко используются в авиа- и автомобилестроении. Формирование наноструктуры приводит к повышению долговечности изделия в 1,5 раза.

Использование алюминиевых сплавов эффективно для получения легких (по весу) изделий сложной формы в режиме высокоскоростного сверхпластического формообразования. Применение наноматериала позволяет, в свою очередь, достигать более полного заполнения гравюры штампа, что обеспечивает качественное формообразование и значительно снижает усилия при штамповке изделия. В частности снижается температура процесса до 350⁰С, что на 100⁰С меньше температуры формообразования литейных сплавов. В настоящее время таким методом получают поршни сложной формы, которые используются в малогабаритных двигателях внутреннего сгорания.

В качестве жаропрочных материалов применяются изделия, получаемые компактированием наноструктурных легированных нитридных керамик. Они используются для изготовления двигателей внутреннего сгорания, газовых турбин, режущих пластин.

На основе шихты, содержащей наноалмазы, разработаны и используются волоки для холодного волочения проволоки из меди, серебра, золота, платины и др. металлов.

Весьма перспективно использование нанопорошков метал­лов в композиционных материалах, содержащих пластмассы и полимеры. Данный прием позволяет изготавливать пласти­ковые магниты, электропроводную резину, токопроводящие краски и клей и другие электропроводящие композиционные материалы. Например, на основе нанопорошка Ni получен эластичный слоистый электропроводящий материал, содер­жащий Ni и каучук в соотношении 2:1 частей по массе, имею­щий низкое, стабильное и хорошо воспроизводимое при мно­гократном сжатии электрическое сопротивление проводящих слоев. Материал может быть использован для коммутирова­ния жидкокристаллических и катодолюминесцентных инди­каторов, светодиодов и интегральных микросхем к печатным платам.

Разработаны полимерные материалы с добавками нанопо­рошков металлов с контролируемым уровнем горючести. Определено, что механизм разложения полимеров зависит от содержания наноприсадок: при концентрациях порядка 0,005% металл ускоряет термоокисление материала, а при содержании металла 1% данный процесс замедляется. В ка­честве добавок использовали нанопорошки Al, Си, Fe.

Эффективно применение в композиционных материалах наноразмерного алмаза. Так, добавление наноалмаза повы­шает микротвердость композиционного материала на основе алюминия в 4-5 раз, а на основе меди — в 3-10 раз. Присад­ки алмазосодержащей шихты в резину, керамику, пласт­массу показали существеные улучшения их характеристик: повышение износостойкости, снижение коэффициента трения, увеличение предельных нагрузок.

Нанопорошки уже в настоящее время нашли широкое применение в различных материалах и технологиях электромашиностроения.

С разработкой порошковых материалов с наноразмерными частицами стало возможно создание

сухих смазочных ма­териалов, твердосмазочных покрытий, карандашей твердой смазки и т. п. Они

обладают низким коэффициентом трения, достаточно высокими магнитными свойствами и

высокой дисперсностью и, следовательно, практически не оказывают абразивного воздействия на герметизируемую деталь (вал, шток и др.). Магнитопорошковые сухие смазки могут быть удержаны в

рабочем зазоре магнитным полем, выполняя в этом случае функцию герметизатора магнитной

псевдожид­кости. Данная продукция изготавливается из нанопорошков железа, никеля,

алмазосодержащей шихты.

Увеличению эффективности процессов холодной и горя­чей обработки металлов давлением

способствует применение нанопорошков различного состава в штамповочных смазках. Например, использование нанодисперсных материалов в ка­честве исходных компонентов при горячем прессовании

по­зволяет получать материалы с уникальными прочностными характеристиками: прочность

материалов повышается в 2-3 раза, а твердость в 6-10 раз, положительно влияют на качество

отливок из стали, сплавов полунепрерывных слитков из алюминиевых сплавов. В качестве модифицирующих добавок используются нанопорощки А1₂0₃, SiC, TiN, TiCN, WC и др.

Возможна интенсификация процесса спекания промыщленных порошков путем добавления в качестве активаторов спекания нанопорошков алюминия, никеля, железа, нитри­да алюминия и др. Введение всего 0,5-5% масс наноматериалов в промышленные смеси позволяет снизить температуру спекания на 400-800 °С и сократить его время в несколько раз. При этом повышаются твердость и ударная вязкость ко­нечной продукции. Использование добавок из нанопорошков экономически эффективно, поскольку количество этого ма­териала составляет несколько процентов, а разработанная технология изготовления твердых сплавов практически не отличается от традиционной. В настоящее время по данной методике получают твердые сплавы на основе никелида ти­тана со связкой из нанопорошка карбонитрида титана, ко­рундовую и циркониевую керамику с добавлением 1-3% и 0,5-5% нанопорошка алюминия, соответственно. Кварц спе­кали с добавлением нанопорошка вольфрама.

Добавки наноматериалов в качестве гидродинамических пластификаторов позволяют получать при формовании высо­коплотные изделия. Присадки из нанопорошков интенсифи­цируют процесс спекания, упорядочивают синтез соедине­ний, что позволяет снизить температуру обжига на 300-400°С; существенно уменьшают размер пор в изделиях и повы­шают, тем самым, шлакоустойчивость огнеупоров.

Кроме того, нанопорошки металлов добавляют в качестве присадок в абразивные суспензии и

пасты для притирочно-доводочных работ. Это позволяет в процессе приработки пар трения

заполнить впадины и микротрещины частицами дисперсной фазы, что способствует выравни-

ванию трущихся поверхностей, залечиванию дефектов, а также разделяет по­верхности трения высокодисперсными частицами.

Для финишного полирования по 13-14 классам шерохо­ватости эффективны пасты из наноалмаза с размером частиц до 10 нм. Они используются в качестве тонкого полирующего мате­риала при

доводочных операциях в процессе изготовления особо точных деталей из различных материалов и сплавов; при полировке ювелирных изделий и полупроводниковых пластин кремния и германия; при изготовлении оптики, ла­зеров, стекол и зеркал специального назначения(телескопы, микроскопы, лазеры ит.д.).

Получение и применение нанокомпозитных материалов в электротехнике является мощным средством энергосбережения. Отличительной особенностью нанотехнологий является производство материалов с наноструктурными компонентами при более низких температурах.

Фундаментальной проблемой наноразмерных веществ является определение механизма процесса межзеренного взаимодействия нанокристаллических порошков. Для осуществления качественного процесса формирования наноматериалов необходимо использование комплекса оборудования для магнито-импульсного прессования порошков, что значительно расширяет возможности получения и изучения механизма образования плотных керамических материалов на основе оксидных нанокристаллических порошков. Получение практически 100% плотности на стадии формирования, что невозможно при использовании традиционных методов прессования, похволяет понизить температуру спекания нанокристаллов и уменьшить влияние процессов рекристаллизации на образование нанокерамики. Разработка технологии производства нанокерамики и других магнитных наноматериалов с повышенными механическим и функциональными свойствами позволяет получать новые материалы для магнитопроводов электрических машин.

Дешевые, легкие и прочные наноматериалы со временем вытеснят большинство металлов и пластмасс. Углеродные нанотрубки в сто раз прочнее стали при том, что в десять раз легче ее и в тысячи раз электропроводнее. Toyota уже добавляет их в бамперы автомобилей, но массового применения пока еще нет. Это связано тем, что пока нанотрубки получают примитивными, малопроизводительными методами, что обусловливает их слишком высокую для повседневного применения цену: $50-100 за грамм.

Перспективно использование наноматериалов для созда­ния защитных, декоративных и износостойких поверхностных покрытий. Уже разработаны технологии получения мелкодисперсных покрытий из Pd, Ir, Rh, Со, Ni, Ag, Си на керамичес­ких, кварцевых, металлических, пластмассовых, компози­ционных изделиях с формой любой сложности. Покрытия из наноматериалов более плотные и коррозионностойкие, одно­родны по толщине, сохраняются на деталях сложного про­филя, лучше паяются по сравнению с гальваническими или полученными вакуумным напылением покрытиями.

Получены покрытия из двухфазного композиционного наноматериала, состоящего из металлической матрицы и внед­ренных дисперсных частиц алмаза. В качестве матриц мо­жет использоваться широкий круг металлов: хром, никель, цинк, медь, серебро, золото, кобальт. Композиционные ме­талл-алмазные покрытия характеризуются существенным увеличением адгезии и когезии, повышением микротвердос­ти, износостойкости, коррозионностойкости, уменьшением пористости, хорошими антифрикционными свойствами, вы­сокой рассеивающей способностью.

Например, при нанесении хром-алмазных покрытий срок службы прессовой оснастки для холодного прессования по­рошков металлов увеличивается в 15-20 раз, матриц и пуан­сонов для глубокой вытяжки металлов — в 2,5-4 раза, ножо­вочных полотен — в 4-8 раз, газораспределительных валов двигателей внутреннего сгорания — в 2-2,5 раза. После на­несения кобальт-алмазных покрытий на записывающие го­ловки магнитофонов их износостойкость повышается в 6 раз. По сравнению с металлическими покрытиями стойкость алмазосеребряных наноматериалов повышается в 3 раза, ал-мазо-никелевых — в 4-5 раз.

Среди многообразия материалов, применяемых в электромашиностроении, ведущая роль принадлежит электротехническим сталям. По накопленным в процессе эксплуатации электрических машин данным, потери в стали энергетических электрических машин составляет 10-20% от общих потерь, а масса электротехнической стали составляет 40-50% от общей массы машины.

Как показывает опыт, имеются большие возможности широкого воздействия на свойства электротехнических сталей. Так, например, присадка кремния существенно изменяет свойства материала, вызывая образование больших кристаллов, для которых характерна меньшая площадь петли гистерезиса. Соответственно, для получения минимума потерь и требуемой для проведения магнитного потока через магнитопровод магнитной проницаемости материалов содержание кремния целесообразно увеличивать. Так, увеличение содержания кремния с 1 до 4% приводит к возрастанию удельного сопротивления сплава 2,5-3 раза, что приводит к соответствующему уменьшению потерь от вихревых токов. При этом предел текучести увеличивается почти в пять раз, а предел прочности – в 2,5 раза.

Создание новых материалов магнитопровода становится возможным при использовании нанотехнологий путем синтеза их по принципу многофазных композиционных материалов. Для получения высококонцентрированных многофазных сред, определяющих свойства материала, необходимые для создания роторов турбогенераторов, работающих при высоких центробежных нагрузках, применяются материалы, содержащие фуллереновские компоненты. Подтверждается прогноз о том, что перевод магнитных сплавов в нанокристаллическое состояние позволяет получить новый класс магнитных материалов, у которых потери на перемагничивание стремятся к нулю.

Для турбогенераторов с высокими частотами вращения эффективность работы зависит, в том числе и от диаметра ротора. Практический интерес, в этом случае, представляет получение легкого и прочного материала для ротора, что может быть достигнуто, например, при использовании матрицы карбида титана или алюмоборонитридной керамики с наноструктурными компонентами. Это позволяет рассчитывать на изготовление ротора турбогенератора с внешним диаметром до 400мм при частоте вращения до 60 000об/мин.

Ферриты, на основе оксидов циркония и железо-кобальта, имеет магнитную проницаемость 40-90μ₀, что в свою очередь позволит создать новые типы электромеханических преобразователей энергии, характеризующихся уникальными параметрами, особенно по прочностным показателям.

Так как основные параметры электротехнических материалов энергетического оборудования зависят от соотношения μ и ρ, то, варьируя величины этих свойств материала, можно достигнуть желаемых рабочих характеристик оборудования, особенно таких, как низкая удельная масса, низкие потери, высокие прочностные показатели, обеспечивающие работу при высоких частотах вращения. Выбор того или иного диапазона соотношения параметров связан с требованиями к конкретному режиму эксплуатации и с показателями эффективности.

Уникальный комплекс электромагнитных свойств нашел применение при создании большого круга магнитных нано­материалов, а именно: жидких магнитов, лент магнитной и видеозаписи, кредитных карт, магнитных экранов, дисков памяти, сердечников высокочастотных трансформаторов, постоянных магнитов и магнитопроводов, материалов элек­троконтактов и др.

В качестве материала для магнитной записи используется порошок y-Fe₂0₃. Повышение плотности записи обеспечива­ется при использовании наноматериала, состоящего из игольчатых частиц с размером длинной оси 300-500 нм и ко­роткой оси 50-70 нм.

При изготовлении электроконтактов для низковольтной аппаратуры использование нанопорошков ZnO обеспечивает электрокоррозионную стойкость, низкую склонность к свари­ванию, малую величину контактного сопротивления, сущес­твенно упрощает технологию изготовления, уменьшает со­держание серебра в конечном изделии, повышает экологи­ческие показатели при изготовлении и эксплуатации вследствие замены токсичного CdO.

После аварии на Чернобыльской АЭС снова возобновляется интерес к атомной энергетике как обеспечивающей при необходимом уровне надежности работы условия экологической безопасности и эффективности энергетики. Безопасность ядерных реакторов и повышение их мощности определяют перспективы развития энергетического сектора России в целом и атомной энергетики в частности. Создание надежной безопасности АЭС станет возможным только на основе разработок принципиально нового класса функциональных материалов. Главной задачей этих материалов является безусловное обеспечение ими работоспособности системы безопасности АЭС независимо от влияния человеческого фактора, наличия или отсутствия дополнительных энергоресурсов и других обстоятельств, характерных, в частности, и для возможных террористических проявлений.

Впервые в мире было получено семейство оригинальных по составу и свойствам функциональных материалов на основе компонентов системы AlFeSiSrBaYGeLaGdEuSmO, представляющих собой принципиально новый класс материалов. Внедрение этого класса материалов позволит создать новое поколение систем безопасности в атомно-энергетическом секторе.

Атомная энергетика является сегодня высокотехнологичной отраслью и играет системообразующую и природоохранную роль в топливно-энергетическом комплексе (ТЭК) России. В проектируемых и вновь сооружаемых АЭС с реакторами ВВЭР – 1000 и ВВЭР – 1500 безопасность этих сложных технических систем, защита населения и окружающей среды от последствий за проектных аварий обеспечивается устройством локализации расплава активной зоны, которое входит в состав технических средств, специально предусмотренных на АЭС для управления тяжелыми авариями, образующих четвертый – последний уровень глубокоэшелонированной защиты. Использование специальных функциональных материалов, взаимодействующих с расплавом активной зоны, обеспечивает длительную ( в течение 60 лет проектного срока эксплуатации АЭС) и эффективную работоспособность устройства локализации расплава. Это позволяет существенно уменьшить радиационные последствия тяжелых аварий. Механизм защитного действия нового класса материалов основан на окислении содержащихся в расплаве сильных восстановителей, прежде всего циркония и урана, которые в противном случае способны к образованию водорода при взаимодействии с парами воды. Кроме этого, при взаимодействии с расплавом активной зоны эти материалы должны понижать температуру расплава за счет общего эндотермического эффекта и создавать благоприятные условия для теплоотвода из устройства локализации, а также понижать плотность оксидной фазы расплава активной зоны до пространственной инверсии ее с металлической фазой расплава. Последнее свойство позволяет предотвратить эффект фокусировки тепловых потоков на водоохлаждаемой поверхности устройства локализации и создает благоприятные условия для последующей подачи воды на поверхность расплава. Понижение плотности расплава обеспечивается за счет растворения в оксидной фазе легких компонентов, входящих в состав функционального материала. Кроме того, эти материалы выполняют и ряд других функций, обеспечивающих эффективную работу систем безопасности, в частности создают условия для надежной подкритичности системы, уменьшают выход наиболее опасных радионуклеидов. Важным требованием, которому должны удовлетворять новые функциональные материалы, является прогнозируемость их поведения при широком варьировании параметров внешних химических, термических и механических воздействий.

Удовлетворить всем этим требованиям можно только на основе многокомпонентной системы со сбалансированным химическим и фазовым составом, строго определенной структурой.

В странах Азии лотос почитается священным растением прежде всего потому, что поверхность листьев этого растения отталкивает воду, грязь и пыль. В этом эффекте сочетаются две характеристики – повышенная гидрофобность и способность к самоочищению. Гидрофобность проявляется в том, что поверхность лотоса отталкивает воду, в результате чего даже микроскопические капельки воды на таких поверхностях превращаются в круглые «бисеренки», которые при малейшем наклоне скатываются с поверхности, оставляя ее сухой. Так называемый краевой угол (контактный угол, угол смачивания) на таких поверхностях превышает 140⁰, а в некоторых случаях даже достигает 170⁰, т.е. поверхность практически не смачивается. Вопреки распространенному мнению, самоочищающиеся поверхности типа лотоса являются не гладкими, а имеют сложную, шероховатую структуру, причем неровности (неоднородности) имеют микро и даже наноразмеры. Реальная поверхность листьев лотоса состоит из кристаллов воска (естественно являющихся гидрофобными, в виде «узелков» высотой 5-10мкм, расположенных на расстоянии 10-15мкм друг от друга.

Многообещающие перспективы в технической реализации и использования эффекта лотоса заключаются именно в том, чтобы путем комбинации наночастиц и гидрофобных полимеров (типа полипропилена или полиэтилена) получать сверхгидрофобные материалы и покрытия. Для практического применения очень удобно нанесение на поверхность аэрозолей, при высыхании которых происходит самоорганизация вещества, приводящая к образованию наноструктурированного покрытия или слоя. Аэрозоли этого типа уже получили название «лотос спрей» и их очень удобно использовать, разбрызгивая на любые шероховатые поверхности ( включая бумагу, кожу, текстильные изделия и каменную кладку). Эффект лотоса с нанопокрытием также применяется при изготовлении специальной аппаратуры, в которой важно обеспечить полное выливание жидкости из сосуда (например пипетки и т.д.).

Защита от коррозии является глобальной задачей. Так только в США экономический ежегодный ущерб от коррозии составляет около 300 миллиардов долларов.

Ржавчина представляет собой естественно образующуюся смесь различных окислов и гидроокислов железа, содержащую соли и ионы железа, которые автокаталитически увеличивают скорость коррозии. В этом смысле весьма перспективными представляются так называемые органические металлы (органические и металлорганические соединения с высокой электропроводностью). Нанопокрытия (особенно, если им удастся придать способность к самозалечиванию) могут оказаться исключительно важными и востребованными.

Очистка промышленных отходящих газов является важ­ным направлением химического катализа. Как известно, в процессе рабо­ты технологического оборудования происходит накопление отработанных масел, утилизация которых в настоящее вре­мя осуществляется сжиганием. Отходящие при этом газы содержат сажу, оксиды углерода, азота, серы, механичес­кие примеси. Снижение уровня вредных веществ в отходя­щих газах путем варьирования режимов сжигания и уста­новка фильтров не дает необходимого эффекта. Введение непосредственно в топочное устройство вместе с топливом микроскопических количеств каталитически активных на-нопорошков простых и сложных оксидов переходных и ред­коземельных металлов представляет собой принципиально иной подход к решению данной проблемы. Благодаря ма­лым размерам и высокой удельной поверхности нанопорошка, происходит эффективное дожигание сажи в отходящих газах технологических печей.

Например, катализаторы глубокого окисления, содержа­щие нанопорошки оксидов неблагородных металлов (состав CuCrCoNiCe — 60:30:5:2:3), показали степень очистки отхо­дящих газов печей от угарного газа и метана в пределах 94-99%.

Созданные на основе наноматериалов каталитические нейтрализаторы выхлопных газов автомобильных двигате­лей позволили снизить содержание оксида углерода для ди­зельного двигателя в 7-40 раз, для бензинового — более чем в 10 раз.

Переработка промышленных отходов — еще одно направ­ление использования наноструктурных катализаторов. На­пример, при добавлении в катализатор 1% порошка железа можно достигнуть высокой эффективности в процессах глу­бокой переработки вязких отходов нефтяной промышлен­ности до получения бензинов и других углеводородов. Кроме того, железо образует оксид железа III, который является эффективным катализатором для обезвреживания таких сое­динений, как СО, NO_x, S0₂.

Для решения широкого круга технологических и экологи­ческих задач целесообразно применение наноматериалов в ка­честве высокоэффективных адсорбентов в современных мем­бранных технологиях (мембраны, микрофильтры). В частности, нанооксиды показали вы­сокую активность в процессах тонкой комплексной доочистки питьевой воды от тяжелых металлов и органических загряз­нений. Эти наноматериалы позволяют извлекать из водных сред широкий спектр примесей неорганического и органичес­кого происхождения; очищать стоки гальванических произ­водств, предприятий добычи, транспортировки и переработки нефти и нефтепродуктов. Производимые анофильтры позволяют выделять из воды одновалентные и многовалентные ионы, понижать степень ее жесткости, очищать от солей, микробов, пестицидов, гербицидов и углеводородов.

Нанопорошки адсорбентов, благода­ря различию в скоростях адсорбции отдельных ионов, можно также использовать для извлечения и селективного выделе­ния отдельных ценных компонентов из буровых вод и водных промышленных отходов.

Для очистки жидкостей от взвешенных примесей разрабо­таны фильтры с использованием нанокристаллических мем­бран. Основным узлом данных устройств являются фильтро-элементы, представляющие собой полые цилиндры из порис­того полиэтилена, на внешнюю поверхность которых нанесены пористые покрытия из нанодисперсных нитридов, оксидов, оксинитридов титана, алюминия, циркония. В ре­зультате полученные мембраны обладают высокими фильт­рующими характеристиками, достаточно высокой произво­дительностью по фильтрату, способностью к многократной гидродинамической регенерации без разборки и длительным сроком эксплуатации.

Создание высокоэффективной малогабаритной аппарату­ры для очистки нефтесодержащих сточных вод стало воз­можным благодаря сочетанию нанопорошков адсорбентов с высокоемкими волокнистыми материалами (углеткани, ба­зальтовые волокна и др.). Один прибор, содержащий три слоя наноадсорбента, разделенных слоями волокнистого ма­териала, обеспечивает очистку эмульсий нефтепродуктов с исходной концентрацией 200-300 мг/л до уровня санитар­ных норм.

Использование нанопорошков металлов позволяет произ­водить микропористые материалы с открытой пористостью 35-70%. Получены микропористые материалы состава Ni₃Al, NiAl, Ti₃Al, которые эффективны при изготовлении испарителей, сепараторов и фильтров в системах терморегу­лирования.

Действие керамических датчиков влажности также осно­вано на адсорбционных свойствах наноматериалов. В них ис­пользуются нанопорошки диоксида циркония, развитая по­верхность которых оказывает основное воздействие на про­цесс поглощения влаги из потока воздуха. В результате, полученные структуры с широким набором пор позволяют значительно превысить технологические параметры приме­няемых в настоящее время датчиков влажности.

Одним из важнейших направлений применения нанома­териалов является создание различных средств защиты, где они используются в качестве компонентов свето- и теплопо-глощающих составов, поглотителей электромагнитного излучения, радиационной защиты.

Многие возлагают надежды на нанотехнологии в решении проблемы энергетического кризиса. Нанотехнологии могут повысить эффективность солнечных батарей, помочь в улучшенном катализе нефти, создать новые источники хранения энергии и улучшить старые (аккумуляторы, батарейки, топливные элементы). Благодаря нанотехнологиям уже сделаны солнечные батареи, толщина которых не превышает толщины оберточной бумаги. Это поколение солнечных батарей отличается от аналогичных источников питания неизмеримо меньшим весом, большей гибкостью и долговечностью. Не забудем и протопливные ячейки. Эксперименты по переходу на экологически чистое водородное топливо в развитых странах проводятся уже сейчас.

Перспективно использование наноматериалов в различ­ных источниках энергии при создании средств прямого пре­образования энергии; полупроводниковых, эмиссионных, коммутационных материалов; материалов для водородной энергетики.

В частности, использование нанопорошков Zr0₂, стабили­зированных иттрием, снижает температуру синтеза керами­ки на 100-200 °С, что значительно уменьшает энергозатра­ты при производстве топливных элементов и повышает ре­сурс работы термического оборудования. Это, в свою очередь, позволяет применить принципиально новые техно­логии изготовления топливных элементов. Кроме того, появ­ляется возможность снижения в 1,5-2 раза количества топ­ливных элементов в энергоустановке или рабочей температу­ры до 800 °С.

В будущем развитие энергетики будет связано с массовой заменой твердых видов топлива и горючих веществ на водород. Ключевой проблемой является накопление и хранение газообразного водорода. При этом не может быть и речи о сжижении водорода под давлением или его охлаждении до свехнизких температур. Высокоперспективными материалами для этих целей представляются нанопористые вещества со специфически большой активной поверхностью. Это могут быть углеродные нанотрубки, металлорганические сотовые структуры. Из этих структур создаются крупные по размеру и легкие пористые вещества с открытыми порами и каналами нанометрового размера. который необходимо будет аккумулировать в специально создаваемых устройствах, и именно в этом наноматериалы ( в частности сложные фуллерены) могут оказаться исключительно полезными. Уже в настоящее время создаются емкости-хранилища водорода на основе фуллеренов с 10% эффективностью.

Солнце в среднем ежедневно производит количество энергии, превышающее годовой расход энергии в такой стране как Германия в 80 раз. В принципе, техническая утилизация солнечной энергии осуществляется двумя основными методами: так называемый фотогальванический метод ( то есть прямое преобразование солнечной энергии в электрическую) и соляротермический метод ( так иногда называют использование солнечного излучения для получения горячей воды, для отопления отдельных помещений и т.п.). Нанотехнологии могут сыграть важную роль в разработке многих устройств такого типа, прежде всего за счет нанесения на поверхность стекол солнечных батарей или коллекторов нанослоев некоторых веществ, позволяющих повысить степень поглощения падающего на поверхность солнечного излучения.

Контрольные вопросы

1. Почему материалы в масштабе «нано» ведут себя необычно и обнаруживают свойства, отличающиеся от тех, что они имеют в массивом состоянии?

2. Какие вещества можно использовать в качестве восстановителей при получении наночастиц золота и серебро?

3. За счет чего происходит процесс стабилизации наночастиц? Для чего это нужно?

Какие частицы называют однодоменными?

4. Как волновые свойства света и электрона проявляются в экспериментальных наблюдениях?

5. В чем состоит гипотеза де Бройля?

6. Какие фундаментальные отличия в заполнении энергетических зон у металлов, диэлектриков и полупроводников?

7. В чем состоит сущность процесса туннелирования?

8. В чем состоит квантоворазмерный эффект?

9. Чем обусловлен предел разрешения электронного микроскопа?

10. Опишите принцип действия просвечивающего электронного микроскопа.

11. В чем заключается принцип работы сканирующего зондового микроскопа?

12. В чем отличие между туннельным и атомно-силовым микроскопом?

13. Что такое кластер? В чем особенности физических свойств кластеров?

14. Как получают нанокластеры?

15. Что такое магические числа?

16. Что такое квантовые точки и почему их называют «искусственными атомами»?

1. Что называется аллотропической формой углеродных наноструктур?
2. Какими способами получают углеродные наноструктуры?
3. Какие химические свойства углеродных нанотрубок Вам известны?

20. Приведите примеры использования нанотехнологий в медицине.

21.

ПРИЛОЖЕНИЕ

1. НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ О ВЕКТОРАХ.

Величины, характеризующиеся численным значением и направлением, называются векторами. К числу векторов принадлежат скорость, ускорение, сила и ряд других величин. В практике расчетов электрических цепей переменного тока широко используется метод векторных диаграмм, отличающийся простотой и наглядностью. Диаграммы применяют главным образом потому, что сложение и вычитание синусоидальных величин, наиболее просто выполняется в векторной форме. На чертежах векторы изображаются в виде прямолинейных отрезков со стрелкой на конце. Длина отрезка в установленном масштабе дает модуль вектора, а указанное стрелкой направление отрезка дает направление вектора.

Векторы, направленные вдоль параллельных прямых (в одну т ту же сторону или в противоположные стороны), называются коллинеарными.

Векторы, направления которых параллельны одной и той же плоскости, называются компланарными.

Одинаковые по модулю коллинеарные векторы, направленные в одну и ту же сторону, считаются равными друг другу. Равные по модулю коллинеарные векторы, имеющие противоположные направления, считаются отличающимися друг от друга по знаку.

Так, например, между векторами, изображенными на рис.224 и их модулями имеются следующие соотношения:

А = В; А = -С; В = -С;

А = В = С или .

Рис.224

Сложение векторов.

Рис. 225

Пусть даны два вектора А и В (рис.225 а). Чтобы получить результирующий вектор С, перенесем вектор В параллельно самому себе так, чтобы его начало оказалось совмещенным с концом вектора А (рис.225 б). Тогда вектор С, проведенный из начала вектора А в конец вектора В, будет представлять собой результирующий вектор;

С = А + В. (п.1)

Можно, однако, осуществить построение несколько иным способом (рис.225 в). Перенесем вектор В (или А) так, чтобы начала обоих векторов оказались совмещенными. Затем построим на векторах А и В параллелограмм. Диагональ этого параллелограмма, очевидно, совпадает с вектором С, полученным по способу, параллельного переноса (рис. б). По этой причине часто говорят, что векторы складываются по правилу параллелограмма.

Оба рассмотренных способа дают одинаковый результат. Однако в случае сложения более чем двух векторов способ параллельного переноса (способ (б)) оказывается более простым и удобным (менее

Рис.226

загромождается чертеж). Пусть даны векторы А, В, С и D (рис.226 ). Перенесем векторы параллельно самим себе таким образом, чтобы начало последующего ректора оказалось совмещенным с концом предыдущего.

Получится ломаная линия. Результирующий вектор будет представлять собой вектор Е, проведенный из начала первого из слагаемых векторов А в конец последнего D. Легко убедиться в том, что результирующий вектор Е не зависит от последовательности, в которой складываются заданные векторы. На рис.226 б. показан случай Е = А + В + С + D, а на рис.226 в – случай Е =D+ В + С + А.

Вычитание векторов. Разностью двух векторов А – В называется такой вектор С, который в сумме с

Рис.227

вектором В дает вектор А (рис.227 ). Поскольку разность А – В может быть представлена в виде

А – В = А + (-В), (п.2)

вектор С =А –В можно получить, сложив векторАс вектором, равным по величине вектору В, взятому с обратным знаком.

Радиус – вектор. Радиусом – вектором точки называется вектор, проведенный из начала координат в данную точку (рис.228). Радиус – вектор r однозначно определяет положение точки в пространстве. Его

Рис. 228

декартовым координатам точки:

r_x = x; r_y = y; r_z = z. (п.3)

Квадрат модуля вектора r равен сумме квадратов координат:

r² = x² + y² + z² (п.4).

Проекция вектора на ось. Пусть даны вектор А и некоторое направление в пространстве (ось), которое обозначим буквой n (рис.229 ). Проведем через начало и конец вектора А плоскости, перпендикулярные к направлению n. Точки 1' и 2', в которых пересекаются эти плоскости с осью n, называются проекциями начала и конца вектора Ана ось n. Величина отрезка оси, заключенного между плоскостями, называется проекцией вектора А на направление (или на ось) n. Проекция вектора есть скалярная величина. Если направление от точки 1' к точке 2' совпадает с направлением n, проекция считается положительной; в противном случае проекция отрицательна.

Рис.229

Проекция, обозначается той же буквой, что и сам вектор, с добавлением ин