В настоящее время технологическая гонка в сфере нанотехнологий приобрела мировой масштаб.
Наноматериалы обладают значительно большей удельной площадью поверхности в сравнении с традиционными материалами. Эта особенность привлекает внимание химиков возможностью превращать инертные материалы, не обладающие каталитическими свойствами, в суперкатализаторы. В наноструктурных материалах можно в несколько раз улучшить электрические и тепловые свойства по сравнению с традиционными материалами. По мере обнаружения уникальных свойств наноматериалов специалисты все более нетерпеливо ожидают их практического использования.
Для удобства рассмотрения наноматериалы можно упрощенно подразделить на конструкционные (преимущественно металлы, сплавы, композиты), функциональные и так называемые активные материалы.
Композиционные материалы уже давно использовались в оборонной промышленности. Развитие нанотехнологий привело в последние годы к возникновению совершенно нового класса таких материалов с повышенными характеристиками, а именно нанокомпозитов или композитов с нанопримесями. Например, оказалось, что введение в термопластичные материалы добавок в виде слоистых силикатов сразу значительно повышает огнестойкость исходных веществ, делая их весьма ценным материалом для изготовления изоляционных покрытий силовых кабелей электропитания и другой важной аппаратуры.
В некоторых композиционных материалах введение нановолокон позволяет почти вдвое повысить коэффициенты упругости, увеличить на 50% прочность на растяжение и вязкость на растяжение, а также в 10 раз снизить их проницаемость для различий жидких веществ.
Введение нанотрубок в качестве наполнителя придает некоторым композиционным материалам электропроводность и другие важные свойства. Кроме того, введение наночастиц в полимерную матрицу иногда повышает механические характеристики даже так называемых длинноволокнистых композитов, хотя механизм этого явления и степень влияния остаются неясными.
Известно, что одним из важнейших факторов, определяющих прочность вещества, является размер составляющих его кристаллов, поэтому неудивительно, что нанотруктурные металлы и сплавы обладают очень высокими механическими характеристиками. Структура обычных литых металлических материалов обычно состоит из зерен с размерами не ниже нескольких микрон, и лишь специальные методы порошковой металлургии позволяют получать нанострктурные беспористые материалы. Их упругие свойства остаются практически неизменными, но прочность и твердость увеличивается весьма существенно.
Если же материалы изготавливаются из нанопорошков, то их точка плавления и температура спекания могут быть существенно снижены (примерно на 25-30%). Для этих материалов также характерна сверхэластичность и, следовательно, легкая формуемость. Путем применения нанопорошков можно также снизить температуру спекания и время затвердевания керамических материалов, что будет способствовать разработке новых технологий по совместной обработке керамики и металлов.
Наноструктурированные керамические композиты могут защищать конструкционные материалы от окисления, использоваться в качестве теплоизоляционных материалов, а также при создании сенсоров, электронных и оптических устройств.
Важными разделами в создании техники являются теплозащита и терморегуляция. В частности, для теплозащиты могут быть эффективны наноструктрированные керамические волокна; матрицы, использующие в качестве компонентов нанопорошки карбида кремния ми оксида алюминия; покрытия волокон, имеющие структуру наномсштаба. В настоящее время ведутся разработки нанофракционных компонентов для пластмасс. Такие пластмассы будут иметь самое широкое применение: от высококачественных смазок для двигателей до водонепроницаемых схемных плат, предназначенных для кораблей и бассейнов.
Следует отметить, что в принципе все основные категории материалов, как, например, металлы, полупроводники, стекло и керамика, полимеры и композитные материалы, могут быть реализованы в наноструктурных конфигурациях. Их оптические, электронные, магнитные, каталитические или механические свойства могут быть определенным образом настроены при помощи управляемого синтеза макроскопических объектов с использованием атомных молекулярных компонентов.
Сегодня одним из основных компонентов нанотехники являются углеродные нанотрубки, которые, будучи в десятки раз прочнее стали, обладают необычайной высокой электропроводностью и эмиссионной способностью, необычными магнитными и оптическими свойствами. Сфера применения таких нанотрубок весьма обширна. На их основе может быть, в частности, изготовлен материал, пригодных для создания торцевых уплотнителей компрессоров, перекачивающих агрессивные жидкости и газы; этот же материал обладает высокими абсорбционными возможностями для поглощения сероводорода, диоксида серы, дисульфидов, диоксида, хлора, фтора, метана; с использованием нанотрубок разрабатываются образцы электропроводящих клеев, красителей, пластмасс, сенсоры для метана и кислорода, реализуются проект по созданию радиопоглощающих материалов, электромагнитных экранов, огнезащитных материалов для конструирования антенн, трансформаторов, фильтров, различного рода мед приборов и т.п.
Следует упомянуть и о других возможных полезных применениях нанотрубок. Так, их высокая прочность, устойчивость к термическому шоку и химически агрессивным средам позволяют создавать материалы для покрытия лопаток турбин, сопел, камер сгорния и других компонентов, где традиционно используются жаропрочные стали. Присущее углеродным нанотрубкам явление нелинейной оптической прозрачности свидетельствует о перспективах их использования в ограничителях оптической энергии. Одно из интересных свойств нанотрубок состоит в возможности их заполнения различными материалами. Если в качестве такого материала выступает металл, то это приводит образованию изолированных проводников с диаметром в несколько нанометров.
Нанотрубки характеризуются высокой жесткостью, и поэтому материалы на их основе могут вытеснить большинство современных конструкционных материалов. Композиты на основе нанотрубок позволяют уменьшить вес корпусов технологического оборудования.
Для всех без исключения материалов имеют огромное значение разработки технологий, обеспечивающих «самозалечивание» повреждений объектов за счет введения нанодобавок в состав различных веществ. Изготовленные из таких материалов нановолокна вполне могут быть использованы для создания тканей или производстве нанопористых мембран для фильтрации, биологической защиты и.т.п.
К активным материалам относят те, которые способны изменить свою форму или даже создавать внутри себя определенные силы при контролируемом изменении внешних условий. В частности, создан синтетический материал, который обладает возможностью к регенерации самого себя, когда он расколот или сломан. Материал состоит из микрокапсульного средства заживления и специального катализатора, залитого в структурной сложной матрице, что позволяет увеличивать надежность и срок службы термореактивных полимеров, широко используемых в разных сферах от микроэлетроники до космоса. При формировании трещин в пределах полимерных материалов целостность и прочность структуры значительно ослабевает.
Часто эти трещины происходят глубоко в пределах структуры полимера, где обнаружить их довольно трудно, а порой и практически невозможно, не горя уже о возможности ремонта. В новом материале работает процесс саморемонта. Когда образуются трещины, микрокапсулы разрываются и высвобождают заживляющее средство в поврежденную область через капилляры. Поскольку заживляющее средство входит в контакт с залитым катализатором, происходит новое образование слоя полимера, который сцепляется с существующим и закрывает трещины. В проделанных испытаниях на излом регенерируемые соединения восстановились на 75% от их первоначальной прочности. И поскольку микротрещины саморемонтируются, сами полимерные материалы требуют меньшего обслуживания и, следовательно, обладают меньшей стоимостью эксплуатации.
Заполнение микротрещин также смягчит неблагоприятные эффекты от коррозии. Эта технология увеличивает продолжительность жизни изделий в 2 или 3 раз. Также способность к самовосстановлению и восстановлению герметически расширяет срок службы тех полимерных плат с микросхемами, где микротрещины могут приводить к механическим и электрическим неисправностям.