Граймс уверен, что со временем учёным удастся получить коммерчески рентабельные результаты.

Электроэнергия из тепла человеческого тела

Инженеры из Фраунгоферовского института интегральных схем IIS разработали единственный в своем роде трансформатор напряжения, который может работать от входного напряжения в 20 милливольт. То есть этот миниатюрный электроприемник приводят в действие самые малые энергии, и получить их можно из окружающей среды.

Mp3-плеер, который больше не нужно подзаряжать от розетки? Спортсмен-любитель, следящий за своим пульсом и частотой дыхания просто по показаниям на запястном ремешке? И то, и другое совсем без каких-либо аккумуляторов или батареек? Это вовсе не утопия, а современное состояние исследований во Фраунгоферовском институте. Необходимый для функционирования ток это устройство может получать… из тепла человеческого тела.

При разнице температур в 2 °C (например, между человеческой кожей и окружающим пространством) теплогенератор размером 2х2 см с новым трансформатором напряжения IC генерирует до 4 мВ. Другой возможный источник энергии для IC солнечные элементы при малом освещении. Если получаемую таким образом энергию аккумулировать в течение некоторого времени, ею можно питать и большие устройства, такие как mp3-плеер или карманный компьютер.

Трансформатор напряжения IC размером 1.5х1.5 мм может снабжать энергией в 3.3 В сенсоры, беспроводные приемопередатчики радиосигналов и дисплеи. При этом КПД, в зависимости от нагрузки и входного напряжения, составляет от 30 до 80 %. Это первое в мире решение, когда устройство обходится питающим напряжением всего в 20 милливольт. Такие миниатюрные и, соответственно, экономичные в изготовлении трансформаторы напряжения имеют большое преимущество во многих областях применения, например, в медицинской технике, в инженерных системах зданий и сооружений, в автомобилях, в системах автоматизации и логистике.

Разработка была осуществлена в рамках Фраунгоферовского проекта «Термоэлектрические нанокомпозиты», направленного на разработку теплогенераторов специально для децентрализованной выработки энергии, которая должна обеспечивать работу автономных устройств типа «сенсор-актуатор». Для этого будут реализованы подходы к решению задач производства высокоэффективных поликристаллических термоэлектрических материалов и конструктивных элементов, а также вопросов применения не менее необходимых высокоинтегрированных электронных схем.

Нанотехнологии в атомной энергетике

По мнению специалистов, современные нанотехнологии в атомной отрасли направлены, прежде всего, на создание и внедрение:

·специальной наносистемной техники для обеспечения гарантированной безопасности использования атомной энергии, повышения уровня экологической безопасности и комфортности среды обитания;

·интеллектуальных наноматериалов и нанотехнологий для повышения эффективности физической защиты радиационно-опасных объектов;

·принципиально новых радиационно-стойких конструкционных материалов и высокоэффективного ядерного топлива для атомной энергетики;

·электротехнических, магнитных и сверхпроводящих материалов и изделий для широкого внедрения в энергетику, прежде всего, атомную;

·средств и методов медицинской диагностики, лекарственных средств нового поколения и лечебной аппаратуры.

В атомной отрасли технологии, основанные на качественном изменении свойств материалов при переходе к нанометровому размеру, стали активно разрабатываться в середине XX века, практически одновременно с первым испытанием советского ядерного оружия. Начало нанотехнологиям в атомной отрасли положили ультрадисперсные порошки, используемые в промышленных технологиях разделения изотопов урана. В 1965 г. коллективу разработчиков ультрадисперсных порошков была присуждена Ленинская премия. Еще раньше, в 1962 г. академику А.А. Бочвару было поручено создание технологий получения сверхпроводников, в которых были широко использованы ультрадисперсные структуры, а в 1970-1980-х гг. многие сотрудники отрасли были удостоены государственных наград, премий и почетных званий за исключительно перспективные технологии получения сверхпроводников. С тех пор исследования ультрадисперсных и нанодисперсных структур в интересах атомной отрасли практически не прекращались.

В настоящее время усилиями сотрудников ФГУП ВНИИ неорганических материалов успешно разрабатываются опытно-промышленные технологии получения функциональных веществ и изделий с использованием нанотехнологий и наноматериалов для ядерной, термоядерной, водородной и традиционной энергетики, медицины, а также для других отраслей экономики.

Перспективы развития атомной энергетики на базе идей науки наноразмерного состояния связаны в первую очередь со снижением удельного потребления природного урана, в основном за счет увеличения глубины выгорания ядерного топлива. Для этого исследуется создание крупнокристаллических структур ядерных материалов с контролируемой и строго определенной пористостью. Такие материалы будут способствовать эффективному удержанию продуктов деления и препятствовать транспорту осколков деления к оболочке тепловыделяющего элемента и ее внутреннему повреждению. Кроме этого активация процесса спекания за счет добавок нанометрического размера рассматривается специалистами как одно из перспективных направлений создания новых видов уран-плутониевых оксидов и нитридов для ядерной энергетики.

С нанотехнологиями специалисты также связывают решение проблемы обеспечения радиационной стойкости материала оболочки при повышенных характеристиках жаропрочности. Например, решение данной проблемы может базироваться на использовании нового класса конструкционных материалов для элементов активных зон перспективных ядерных реакторов феррито-мартенситных радиационно-стойких сталей, упрочненных частицами оксидов нанометрового размера (так называемая ДУО-сталь). Разработанная в настоящее время отечественная технология производства ДУО-стали включает в себя: получение гомогенных быстро-закаленных ультрадисперсных порошков со сферической и чешуйчатой формой методом центробежного распыления расплава; твердофазное легирование матричного материала нанодисперсными оксидами иттрия в высокоэнергетическом аттриторе; компактирование ультрадисперсных или нанодисперсных порошков и термомеханическая обработка изделия для создания в матрице стали выделений оксидов иттрия нанометрового размера. Исследования показали, что наноструктурированная ДУО-сталь сохраняет достаточно высокое остаточное удлинение после обработки со степенями деформации до 60 %. Кроме этого дореакторные испытания этих сталей в опытнопромышленных условиях показали многократное (до 8 раз) увеличение параметров жаропрочности по сравнению с традиционно применяемой сталью.

Особые перспективы нанотехнологий можно связывать и с созданием так называемых бористых нержавеющих сталей. Например, выделения боридов нанометрового уровня (от 5 до 100 нм), позволяют увеличить содержание бора в 3-4 раза при сохранении пластичности и свариваемости нержавеющих сталей. В целом, новые конструкционные материалы способны продлить срок службы атомных реакторов.

В последнее время специалисты атомной отрасли установили, что наиболее эффективный способ обеспечения радиационной стойкости может быть связан с образованием в твердом растворе наноструктурной подрешетки кластеров ближнего упорядочения ловушек вакансий и интерстиций с периодом 5-10 нм, соизмеримым с длиной свободного пробега радиационных точечных дефектов. В отличие от обычной деградации реакторных материалов, связанной с появлением хрупкости при радиационном воздействии, высокодозное облучение подобных сплавов, наоборот приводит к повышению их прочности при сохранении вязкости. Таким образом, нанотехнологии, по сути, дают жизнь новому направлению радиационного материаловедения созданию конструкционных материалов, «положительно» реагирующих на фактор радиации.

Не менее перспективным для ядерной энергетики является создание универсальной фильтрующей системы от микро- до нанометрического размеров. Такие металлические объемные нанофильтры весьма перспективны для применения в системах водоподготовки и очистки теплоносителя реакторов АЭС.

Переход к нанометрическим структурам позволил увеличить токонесущую способность сверхпроводников, применяемых в атомной отрасли. При этом магнитные нанокомпозиты улучшают технические параметры магнитных систем при одновременном уменьшении их габаритов.

Пористые нанокаркасы из функциональных материалов (металлы, интерметаллиды и керамика) с размером ячейки микронного масштаба и толщиной стенки порядка 10-40 нм используются для получения сверхпрочных и сверхлегких конструкционных материалов, и создания высокопрочных пористых емкостей для хранения высокоэнергетических веществ, включая водород. Такие материалы могут быть использованы для перспективной атомноводородной энергетики.

Нанотехнологии в машиносторении

Технологические особенности применения нанотехнологий в машиностроении (на примере автомобильной промышленности)

Нанотехнологии обещают целый ряд выгод от широкомасштабного внедрения в массовое производство автомобилей. Так буквально каждый узел или компонент в конструкции автомобиля может быть в значительной степени усовершенствован при помощи нанотехнологий.

Одним из наиболее перспективных и многообещающих направлений применения (в том числе коммерческого) достижений современной нанотехнологии является область наноматериалов и электронных устройств.

Уже существуют легко очищающиеся и водоотталкивающие покрытия для материалов, основанные на использовании диоксида кремния.

В форме наночастиц это вещество приобретает новые свойства, в частности, высокую поверхностную энергию, что и позволяет частицам SiO2 при высыхании коллоидного раствора прочно присоединяться к различным поверхностям, в первую очередь к родственному им по составу стеклу, образуя, тем самым, сплошной слой наноразмерных выступов.

Покрытие из наночастиц кремнезема делает обработанную поверхность гидрофобный - на поверхности с плёнкой из SiO2 капля воды касается субстрата лишь немногими точками, что во много раз уменьшает Ван-дер-ваальсовые силы и позволяет силам поверхностного натяжения жидкости сжать каплю в шарик, который легко скатывается по наклоненному стеклу, унося с собой накопившуюся грязь.

В силу наноразмерной толщины, такие покрытия совершенно невидимы, а благодаря биоинертности кремнезема - безвредны для человека и окружающей среды. Они устойчивы к ультрафиолету и выдерживают температуры до 400 °C, а действие водоотталкивающего эффекта длится в течение 4 месяцев.

Несколько зарубежных фирм уже выпускают подобные покрытия в промышленных масштабах. На российском рынке их продукцию представляет эксклюзивный дистрибутор - компания NanotechnologyNewsNetwork.

Что касается в прямом понимании самоочищающихся поверхностей, то такая технология основана на использовании диоксида титана. Принцип действия материала с таким покрытием заключается в следующем.

При попадании ультрафиолетового излучения на нанопокрытие из TiO2 происходит фотокаталитическая реакция. В ходе этой реакции испускаются отрицательно заряженные частицы - электроны, а на их месте остаются положительно заряженные дырки. Благодаря появлению комбинации плюсов и минусов на поверхности, покрытой катализатором, содержащиеся в воздухе молекулы воды превращаются в сильные окислители - радикалы гидроокиси (HO), которые в свою очередь окисляют и расщепляют грязь, а также нейтрализуют различные запахи и убивают микроорганизмы.

Кроме покрытий для стекол также разработаны и выпускаются составы с аналогичным действием для тканей, металла, пластика, керамики - и все они имеют потенциал для применения в автомобильной промышленности.

Из серийных моделей автомобилей гидрофобное покрытие наносится на боковые стекла NissanTerrano II. Оно не создает полноценный водоотталкивающий эффект, но уменьшает пятно контакта поверхности с каплями воды, благодаря чему во время дождя стекло остается вполне прозрачным.

По некоторым сообщениям, концерн BMW работает над созданием самоочищающихся покрытий на основе нанопорошков.

Компания Mercedes-Benz с конца 2003 года выпускает модели А, С, E, S, CL, SL, SLK покрытых новым поколением прозрачных лаков, изготовленных с использованием нанотехнологии. В состав верхнего слоя такого лакокрасочного покрытия вводят наноскопические керамические частицы. По утверждению создателей, новое лакокрасочное покрытие защищает кузов от царапин в три раза эффективнее, чем обычный лак.

По результатам испытаний оказалось, что покрытые лаком нового типа машины сохраняют блеск на 40% сильнее, чем покрашенные обычной краской.

Новое лаковое покрытие не только защищает кузов от механических повреждений, но еще и полностью отвечает требованиям Mercedes относительно устойчивости к воздействию химических элементов, находящихся в воздухе.

В настоящее время с использованием нанотехнологических подходов уже производятся высокоэффективные антифрикционные и противоизносные покрытия для автотранспорта. Так российский концерн «Наноиндустрия» наладил серийное производство ремонтно-восстановительного состава «Нанотехнология». Состав предназначен для обработки механических деталей, испытывающих трение - двигали, трансмиссия.

При применении состав позволяет создавать модифицированный

высокоуглеродистый железосиликатный защитный слой (МВЗС) толщиной 0,1-1,5 мм в областях интенсивного трения металлических поверхностей, что дает возможность избирательной компенсации износа мест трения и контакта деталей за счет образования в этих местах нового модифицированного поверхностного слоя. Использование РВС позволяет увеличивать ресурс работы узлов и деталей в 2-3 раза за счет замены плановых ремонтов предупредительной обработкой, снижает вибрации и шум, на 70-80% снижает токсичность выхлопа автомобиля без применения каких-либо других мер.

В аэрокосмической промышленности уже широко применяется семейство наноструктурированных аэрогелей. Так кремниевый аэрогель - лучший в мире твердый теплоизолятор, когда-либо обнаруженный или полученный. Для промышленности он представляет интерес, так как обладает высокой термической изоляцией - до 800° С (2,5сантиметровый лист из силиконового аэрогеля надежно защищает руку человека от огня паяльной лампы) и акустической изоляцией - скорость звука при прохождении через аэрогель составляет лишь 100 м/сек. Развитие нанотехнологии позволит снизить себестоимость производства аэрогелей и сделает этот вид материалов доступным для применения в различных отраслях промышленности, в том числе автомобильной.

Большие перспективы имеются в улучшении электронных компонентов автомобиля с помощью нанотехнологий. Так МикроЭлектроМеханические системы (MEMS) уже расширяют стандартную технологию микроэлектроники, позволяет объединять в одной микросхеме элементы, обеспечивающие как механическое перемещение физических частей, так и электронов в электрической схеме.

Это позволяет вместо раздельного производства микроактуаторов и сенсоров, делать их в виде интегрированного в микросхему единого изделия. При этом для их производства используется уже апробированная традиционная технология производства интегральных микросхем и полупроводников.

Идею подвижного кремния (еще так называют MEMS) прекрасно иллюстрируют MEMS-акселерометры, которые уже широко используются в качестве сенсоров автомобильных подушек безопасности.

Вращающиеся акселерометры также используются для расширения возможностей антиблокировочных систем автомобиля (ABS). Кроме того, в автомобилях MEMS находят применение в датчиках продольных и поперечных ускорений, датчиках крена и т.д. Определяя положение кузова, они служат источником информации для работы различных электронных систем стабилизации и контроля курсовой устойчивости. Также MEMS представляют интерес для создания датчиков давления, температуры. В дорогих автомобилях количество датчиков и сенсоров на основе MEMS-технологии может составлять до нескольких десятков штук. Кроме измерения ускорений и детектирования перемещений, MEMS используется в системах GPS-навигации.

История развития MEMS насчитывает более сорока лет, но широкое практическое распространение эти системы получили только с середины 90-ых годов прошлого века. В настоящее время уже идет речь о развитии NEMS - NanoElectroMechanicalSystems. В результате эволюции MEMS происходит уменьшение до нано размеров механических компонентов систем, снижается их масса, при этом увеличивается их резонансная частота и уменьшается константы взаимодействия, что сказывается на значительном повышении функциональности данного рода устройств. Точность измерения перемещения у лучших образцов таких устройств составляет 10 нанометров.

Развитие нанотехнологий обещает массовое распространение новых конструкционных материалов с порою уникальными свойствами и характеристиками. Наибольший интерес для инженеров и исследователей представляют углеродные материалы, из которых в настоящее время наиболее изученными, а также наиболее перспективными для целей практического применения являются углеродные нанотрубки (УНТ). Они обладают самым широким набором уникальных свойств, делающих их чрезвычайно перспективными для использования, в том числе в автомобилестроении.

Баллистический характер электропроводности УНТ (электроны движутся, как бы скользя по поверхности, не встречая препятствий) позволит создавать высокоэффективные электропроводящие узлы различных машин и механизмов, в том числе автомобилей.

Углеродные нанотрубки уже находят применение в конструкции современных автомобилей. Например, инженеры компании Toyota добавляет композиционный материал на основе УНТ в пластиковые бамперы и дверные панели своих автомобилей. Помимо повышения прочности и снижения массы, пластик со смолой из УНТ становится электропроводным, и его можно покрывать теми же красками с электрическим нанесением, что и металлические детали.

Электронные системы все более тесно интегрируются в конструкцию автомобиля. Существует тенденция дальнейшего расширения использования электроники в автомобилях с одновременным усовершенствованием самой полупроводниковой техники и появлении наноэлектроники и молекулярной электроники.

Нанотранзисторы, в том числе с нанотрубками в конструкции будут обладать рядом улучшенных характеристик и бесспорных преимуществ по сравнению с традиционными кремниевыми:

· Повышенное быстродействие;

· термо - и радиационная стойкость;

· миниатюрность;

· низкое энергопотребление и как следствие - незначительное тепловыделение при работе.

Большой интерес представляют нанотехнологии для создания перспективных автомобилей на топливных элементах.

С помощью нанотрубок предполагается решить проблему надежного и безопасного хранения водорода на борту транспортного средства, так как наряду с металлами и жидкостями углеродные нанотрубки могут заполняться газообразными веществами и связывать большое его количество.

Китайские и американские ученые совместно разработали нанолампочку, в которой нитью накаливания служит не вольфрамовая проволочка, а углеродные нанотрубки. Лампочка с УНТ более экономичная - при равном напряжении она испускает больше света.

Сейчас конструкторы «гибридных» автомобилей уже сталкиваются с потребностью в компактных, легких и высокоемких аккумуляторных батареях. Стоит напомнить, что ставшие традиционными кислотные аккумуляторы не годятся, в силу большой массы, громоздкости, экологической «небезупречности». С ростом парка гибридов, а также с массовым появлением водородных автомобилей на ТЭ потребность в автономных источниках хранения электрической энергии возрастет еще больше. Нанотехнологии предлагают ряд решений данной проблемы.

В силу того, что большинство автомобилей будущего будет работать на электрической тяге, гораздо больший интерес станет представлять использование фотоэлементов в конструкции автомобиля. В этом отношении нанотехнология позволяет создавать долговечные, ультратонкие и гибкие преобразователи солнечного света. Кроме того, использование нанотехнологических принципов позволит получать солнечные панели с КПД до 80-90%.Кроме конструкции автомобиля, измениться структура самой автомобильной промышленности.

Так с появлением автоматизированной молекулярной нанотехнологии получит новое развитие уже наметившаяся тенденция - разделение функций разработки/проектирования автомобилей и их производства с окончательным закреплением приоритета за первой из перечисленных двух функций. Собственно, в будущем автомобильные концерны будут только разрабатывать конструкции тех или иных моделей автомобилей для последующей продажи права на их производство методами поатомной сборки сторонним организациям.

Тем самым не автомобиль будет товаром, а информация об особенности его конструкции, что будет полностью соответствовать модели новой экономической формации, где единственным предметом обмена станет информация

Вывод

нанотехнология наука техника исследование

Сегодня трудно предвидеть все социальные последствия внедрения нанотехнологий, так же как в середине ХХ в. трудно было предсказать, что повлекут за собой разработки в области электроники и информатики. Предполагается, что в ближайшие годы бюджетные ассигнования ведущих индустриальных стран на изыскания в области нанотехнологий существенно возрастут. При этом намеченные исследования будут нацелены на решение ряда конкретных задач: создание сверхминиатюрных запоминающих устройств с мультитерабитовым объемом памяти; повышение быстродействия компьютеров в миллион раз; создание сверхпрочных материалов и на их основе новых транспортных средств; выпуск генетических и медицинских препаратов для диагностики и лечения раковых заболеваний, СПИДа; разработка новых материалов и процессов для защиты окружающей среды и др.

Размещено на Allbest.ru