|
<<< www.interlibrary.narod.ru |
В.А. Войтович
к.г.н., ННГАСУ
Нанонаука,
нанотехнологии, строительные наноматериалы
|
Нанонаука (НН) и нанотехнология (НТ) в настоящее время —
наиболее бурно развивающиеся сферы человеческой деятельности. На основании
теоретических предпосылок НН сейчас в мире инструментами НТ производят
цемент, керамику, металлические сплавы, пластмассы, лакокрасочные и многие
другие материалы с уникальными свойствами. Однако в России таких производств
почти нет. Задача данной публикации — постараться привлечь внимание к этой
еще не занятой, но чрезвычайно заманчивой нише. «Там, внизу, еще много места», — сказал в 60-х гг. прошлого века
Р. Фейнман — Нобелевский лауреат, один из самых авторитетных физиков прошлого
столетия, по поводу перспектив развития микроэлектроники. Она тогда
оперировала величинами, измеряемыми десятками и сотнями микрометров, Р.
Фейнман обратил внимание на возможность и целесообразность изготавливать
электронные устройства наноразмеров. (Напомним, что наноединица длины —
нанометр (НМ), равна 10-9м, т. е. в 1000 раз меньше, чем микрометр). Поэтому
его можно считать идеологом нанотехнологии (НТ) — той сферы человеческой
деятельности, которая на рубеже веков развивалась быстрее, чем любая другая,
и дала наибольшие экономические и социальные результаты. И вполне правомерны
предложения назвать, по крайней мере, начало XXI в. — веком НТ. Наверное, можно довольно точно назвать и дату, когда произошел
взрыв интереса к НТ и началось ее лавинообразное развитие. Это 1984 г., когда
американские ученые Р. Смолли, В. Курл, Т. Крото сообщили об открытии
фуллерена. Значимость этого открытия подчеркнута присуждением этим ученым в
1996 г. Нобелевской премии по физике. Фуллерен — 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. Другим свидетельством этой значимости может быть число
публикаций, посвященных НТ. К настоящему времени их уже несколько сот тысяч.
Появились журналы, посвященные НТ, например, в России — «Нанотехника»,
который начал издаваться в 2004 г. Уже опубликовано несколько монографий в
том числе и в России (1—3). За рубежом в 2000 г. издана первая десятитомная энциклопедия
«Нанонаука и наноматериалы». Именно из этой энциклопедии мы и процитируем
определение НТ, как науки и техники создания, изготовления, характеризации и
реализации материалов, функциональных структур и устройств на атомном,
молекулярном и нанометровом уровне. В странах с развитой экономикой и наукой — США, Японии,
Объединенной Европе, а также и в Китае исследования в области НТ объявлены
высшими национальными приоритетами. Билл Клинтон, будучи президентом США, утвердил программу под
названием «Национальная нанотехнологическая инициатива», рассчитанную на 10
лет с ежегодно увеличивающимся финансированием. (В 2004 г. было выделено $889
млн.). В этой программе записано, что США не могут себе позволить
оказаться на втором месте в области НТ. Страна, которая будет лидировать в
ней, получит огромное преимущество в мирной и военной сферах. В России ничего
подобного пока нет. А есть отставание уже на 10-15лет. Наверное, учитывая эти обстоятельства, президент России В.В.
Путин в своих выступлениях начала 2006 г. неоднократно подчеркивал
необходимость развития НТ в России, а в своем Послании Федеральному собранию
11 мая 2006 г. он упомянул лишь об одном научно-техническом национальном
приоритете — нанотехнологиях. НТ в настоящее время в наибольших масштабах используют и
электронике, биологии, медицине, энергетике, охране природы,
материаловедении. Учитывая профиль журнала, ограничимся лишь описанием
возможностей НТ в производстве строительных материалов. Пожалуй, наиболее востребованными в России в ближайшие 5— 10 лет
будут НТ, направленные на получение минеральных вяжущих веществ и, в первую
очередь, портландцемента (ПЦ). В настоящее время в нашей стране возникла
крайне напряженная ситуация с этим строительным материалом. Из-за
изношенности оборудования цементная промышленность не может увеличивать
производство ПЦ в тех объемах, какие нужны для интенсивно развивающихся
потребностей в нем. С помощью НТ ситуацию можно разрядить. Для этого необходимо
организовывать домол ПЦ перед его использованием до наноразмерных частиц. У
такого цемента будет значительно большей доля вещества, вступающего в реакцию
с водой (у обычного ПЦ, удельная поверхность которого около 3000 кв. см/г, в
реакцию вступает лишь третья часть объема его частиц, преимущественно с
поверхности, остальной объем выполняет в готовом изделии функцию инертного
заполнителя). У домолотого цемента частицы реагируют с водою на 80 — 90 % их
объема. Следовательно, на получение заданного изделия цемента потребуется
меньше. Домолотый цемент обеспечивает получение более прочных бетонных изделий.
Это обстоятельство позволяет еще более снизить расход цемента. По-видимому,
учитывая эти обстоятельства, в США домол цемента производится в больших
масштабах, несмотря на отсутствие дефицита в нем. В России еще 2-3 года назад идея домола цемента была бы обречена
на провал. И не столько из-за отсутствия, в то время дефицита в нем, сколько
от того, что не было помольного оборудования, способного измельчать твердые
частицы до наноразмеров. Теперь такое оборудование есть. Это — планетарные
мельницы. Второе направление, позволяющее экономить цемент, — добавление в
него нанодисперсных модификаторов, особенно таких, которые являются отходами.
В мире уже около 30 лет, а в России — лет десять используют так называемый
микрокремнезем, образующийся как отход при получении индивидуального кремния
и ферросилиция. Его введение в цементные смеси позволяет повысить прочность
бетонов. Необычным источником нанодисперсного кремнезема становятся
геотермальные воды, которые в нашей стране начинают использовать для теплоснабжения.
Однако в них много минеральных компонентов и особенно кремнезема. В. В.
Потапов с сотрудниками разработал способ выделения кремнезема из этих вод и
установил его эффективность как упрочнителя бетона [19]. Автором статьи для этой цели предложено использовать
микрокремнезем, образующийся непосредственно в цементных смесях при введении
в них поливинилацетатной дисперсии, в которую, в свою очередь был введен
этилсиликат-32 или этилеиликат-40 [4]. При этом способе реализуется золь-гель
технология получения наночастиц, причем с удельной поверхностью 900 кв. м/г,
не достижимой другими способами, и не возникает проблем с их введением. В.И. Корнев, И.Н. Медведева, А.Г. Ульянов получили прочный бетон
от введения в цемент наночастиц гидроксида алюминия [5]. А.Н. Пономарев разработал технологию изготовления микрофибры
базальтовой, модифицированной фуллерен о подобными частицами — астраленами, и
показал, что при введении ее прочность бетона как па сжатие, так и на
растяжение может быть заметно повышена [6]. Наномодификатором, причем опять-таки отходом, является
гальваношлам — продукт, образующийся при обработке известью сточных вод
гальванического производства. Авторами и многими другими исследователями
показана его эффективность в составе цементных смесей [7]. Быстро развивающимся направлением строительной НТв России
является использование в производстве строительных материалов шунгита —
природного минерала, содержащего в своем составе фуллереноподобные
наночастицы. Они придают шунгиту способность поглощать электромагнитные и
даже ионизирующие излучения. Наряду с этим шунгит проявляет себя и как
сильный бактерицид, так что изделия, изготовленные из материалов, содержащих
этот минерал, стойки против биопоражений. Будучи электропроводным, шунгит
препятствует возникновению электростатических зарядов. Опираясь на это свойство шунгита, Н.И. Александров с коллегами
разработал рецептуру бетонной смеси, из которой получается камень, стойкий к
γ-лучам [8]. Интересно отметить, что в этой смеси в качестве
воздухововлекающей добавки использовалась смола древесная омыленная (в
разработке которой принимал участие автор), образующая в бетоне наноразмерные
пузырьки воздуха. Такой бетон рекомендован исследователями для изготовления
хранилищ радиоактивных отходов и отработанного ядерного топлива [9]. На Пешеланском гипсовом заводе «Декор-1» (Нижегородская область)
налажено производство пазогребневых гипсовых плит, содержащих шунгит, для
устройства радионепрозрачных перегородок. Рецептура гипсовой смеси для этих
плит разработана в ООО НПО «Синь России» [10]. ООО «Альфа-Пол» (Санкт-Петербург) изготавливает сухие
строительные смеси, предназначенные для изготовления штукатурок и покрытий
пола, предохраняющих от проникновения в помещения или из него
электромагнитных излучений. Начинается и использование для производства строительных
материалов и собственно фуллеренов или их еще более перспективных разновидностей
— нанотрубок, несмотря на то, что оба эти вещества пока еще очень дороги
[11]. Так, Г. И. Яковлев с коллегами рекомендует использовать
нанотрубки, синтезируемые по разработанной этим коллективом исследователей
технологии, для приготовления цементных пенобетонов, поскольку это приводит к
повышению физико-механических свойств, а затраты па добавку с лихвой
компенсируются возможностью экономить цемент [12]. У фуллеренов есть еще одно свойство, которое позволяет создавать
лакокрасочные материалы, образующие самоочищающиеся покрытия. Суть этого
свойства — 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, предопределяют
прилипание грязи. Впервые такая фотокаталитическая активность была обнаружена на
наночастицах (размер 10— 15 нм) диоксида титана анатазной модификации,
производство которых уже налажено в Германии [13]. С использованием таких
частиц, которые, будучи сорберами УФ-лучей, прозрачны для видимого света, уже
производят не только фасадные краски, но и лаки, которыми в тех же целях
окрашивают оконные стекла [14]. Наночастицы диоксида титана начали использовать и для защиты от
воздействия солнечного света изделий из древесины [14], А для защиты изделий
из этого материала от биопоражения предложено использовать наноэмульсии
биоцидов, нерастворимых в воде [15]. Биоциды в такой форме, проникая в
древесину, обратно из нее уже не вымываются, в отличие от водорастворимых. Небезынтересно отметить, что в Институте катализа Сибирского
отделения РАН совместно с Информационно-технологическим институтом (Москва),
разработан фотокаталитический очиститель и обеззараживатель воздуха (под
названием «Аэро Люкс»), в котором под действием УФ-лампы па поверхности
катализатора образуются свободные радикалы, разлагающие органические
соединения, в том числе и тела микроорганизмов, содержащиеся в прокачиваемом
через это устройство воздухе.
Г. Вагнер сообщил о разработанных в Германии
«неорганоорганических гибридных полимерах», которые при использовании их в
качестве пленкообразователей лакокрасочных материалов, для обеспечения
высоких защитных свойств, достаточно наносить нанослоем (16). Подробная
химическая природа такого пленкообразователя не раскрывается, упомянуто лишь,
что он — «продукт силикатной и уретановой структуры с короткой цепью».
Наверное, подобные полимеры были разработаны автором много лет назад, но по
известным для судьбы советских изобретений причинам не только не увидели
промышленного воплощения, но даже и не могли быть опубликованы. Чуть ли не самыми актуальными для России в настоящее время
являются лакокрасочные материалы (их называют интумесцентными или
вспучивающимися), способные образовывать покрытия, превращающиеся при
нагревании (пожаре) в толстый слой негорючей пены с низкой теплопроводностью.
Такие покрытия способны на несколько десятков минут замедлить процесс
нагревания строительной конструкции до критической для нее температуры, при
которой происходит потеря несущей способности. Несколько представителей интумесцентных красок в России уже
производится [17]. Однако недостатком ряда таких красок является малая
адгезионная прочность образующейся пены по отношению к черному металлу. С.С. Мнацаканов с соавторами предложил вводить в эти краски
фуллерены в количестве до 0,7 %, что оказывает структурирующее воздействие на
формирующийся при горении пенококс и способствует сохранению адгезии [18]. Литература
|
