О Нано

1

С веществами в виде порошка мы встречаемся очень часто и в повседневной жизни, так же и в производственной деятельности. Часто мы имеем дело с порошками, у которых размеры частиц составляют десятки и сотни микрон. Также в порошковой металлургии сейчас используют в основном порошок с частицами размером превышающий 10 мкм.

Вещество, при переходе от грубодисперсного состояния к состоянию с размером частиц менее 100 нм, может значительно изменить ряд своих фундаментальных свойств, тогда для обозначения этого отличия, в середине 70-х годов прошлого века, в СССР был предложен термин ультрадисперсные порошки (УДП). В настоящее время, на Западе и у нас, для обозначения подобных сред используется термин нанопорошки (НП). В настоящее время существует несколько определений данного термина:

- согласно определению Международной организации по стандартизации (ISO), нанопорошок — твердое порошкообразное вещество искусственного происхождения, содержащее нанообъекты, агрегаты или агломераты нанообъектов либо их смесь;

- ансамбль наночастиц;

- порошок, размер всех частиц которого менее 100 нм

2

Зачем нужны нанопорошки?

Интерес к нанодисперсным материалам связан с тем, что они находят все более широкое применение в качестве исходного сырья при производстве керамических и композиционных материалов, сверхпроводников, солнечных батарей, фильтров, геттеров, присадок к смазочным материалам, красящих и магнитных пигментов, компонентов низкотемпературных высокопрочных припоев и др. Нанопорошки – только один из многих имеющихся на сегодняшний день наноматериалов. Большинство из них, такие как, например, дендримеры, фуллерин, нанотрубки, нанопрокладки и нанопоры, производятся из ограниченного количества видов сырья. А нанопорошки можно производить из сотен различных материалов. Все наноматериалы, которые производятся в настоящее время, подразделяются на четыре группы: оксиды металлов, сложные оксиды (состоящих из двух и более металлов), порошки чистых металлов и смеси. Оксиды металлов составляют не менее 80% всей производимых порошков. Порошки чистых металлов составляют значительную и все возрастающую долю всего объема производства. Сложные оксиды и смеси имеются в ограниченном количестве. Однако ожидается, что их использование возрастет в долгосрочной перспективе. При изготовлении выделяют ряд общих требований, которые являются характерными для всех методов получения УДП и отличают их от методов получения обычных порошков:
- высокая скорость образования центров зарождения частиц;

- малая скорость роста частиц;

- наибольший размер получаемых частиц не более 100 нм;

- узкий диапазон распределения частиц по размерам;

- стабильность получения частиц заданного размерного диапазона;

- воспроизводимость химического и фазового состава частиц;

Изменение фундаментальных свойств традиционных материалов в нанодисперсном состоянии (понижаются: температура начала плавления, теплота испарения, энергия ионизации, работа выхода электронов и др.) открывает широчайшие возможности в области создания новейших материалов и технологий, принципиально новых приборов и устройств.

33

Рис. 1. Наноразмерный порошок и изделие, формируемое из него.

Применение различных нанопорошков

Серебро •

Антибактериальные свойства в косметологии, фармацевтике, текстильной промышленности. • Специальные покрытия. • Катализаторы. • Аддитивные технологии (ювелирное дело).

Наночастицы серебра обладают эффектом плазмонного резонанса – образования "электронного газа" у поверхности частицы при облучении ее светом.

Данное свойство может быть широко использовано в создании вычислительной техники построенной на квантовых эффектах, устройствах преобразования света в электрическую энергию (фотовольтаика, солнечные батареи), устройствах оптической передачи и обработки информации, продуктов для увеличения энергоэффективности (способны поглощать свет определенной длины волны).

Металлические наночастицы эффективно заменяют солевые катализаторы, созданные на основе солей одноименных металлов. За счет большого количества поверхностных атомов и активных центров, наночастицы показывают на порядки большую эффективность в каталитических реакциях, чем соли. Применение их в создании катализаторов нового поколения не требует изменения технологического процесса производства катализатора. Наночастицы могут быть нанесены из раствора на любые подложки.

Золото •

Электроника. • Медицина (маркер ДНК). • Катализатор. • Аддитивные технологии (ювелирное дело).

Золото в медицине и косметологии используется широко и достаточно давно, однако с появлением нанотехнологий оно получило вторую жизнь.Адресная доставка лекарств – наночастицы золота отлично подходят в качестве носителя для адресной доставки лекарств. В силу своей природы золото не оказывает токсичного воздействия на системы и ткани организма, а за счет малого размера способно проникать сквозь любые естественные барьеры.

Платина •

Электроника • Производство водородных топливных элементов. • Медицина. • Аддитивные технологии (ювелирное дело).

Медь •

Антимикробные, фунгицидные составы. Биологические науки. • Электроника. • Оптика. Порошок меди может найти применение в катализе и материаловедении, электроннной, химической промышленности. Продукты, требующие противогрибковых и противоводорослевых свойств.

Грибок и водоросли часто становятся проблемой для многих продуктов и объектов бытового и промышленного назначения. Почернения, биологические обрастания, запахи, биодеструкция - все это вызвано грибковыми и водорослевыми образованиями, и борьба с ними важная часть в обеспечении долговечности и качества конечного продукта, изделия или объекта. Так же наночастицы меди применяются бля борьбы с грибком на теле человека и животных.

Преимущество наночастиц меди перед синтетическими аналогами или прочими соединениями меди заключается в длительном сроке сохранения свойств (до 2х лет) и более выраженном действии (требуется на порядки меньшее количество металла). Помимо длительного срока службы в составе конечного продукта, наночастицы меди позволяют включать их практически в любые материалы без потери свойств. Наночастицы меди могут быть включены в составы жидких, твердых, полимерных, текстильных и прочих материалов. На сегодняшний день применяются в упаковочных материалах, текстильных материалах, моющих средствах, средствах бытовой химии, парфюмерных материалах, косметической продукции, медицинских препаратах, лакокрасочных материалах, смазочно-охлаждающих жидкостях, обработке древесины.

Порошок оксида меди находит применение в материаловедении, в качестве добавок к электродным материалам для изготовления высокопроводящих кислородных электродов с высокой электрохимической активностью.

Железо •

Очистка воды • Производство магнитов и запоминающих устройств. • Производство покрытий, полимеров. • Оптика. • Порошковая металлургия. • Аддитивные технологии.

Порошок может найти применение в создании лекарственных препаратов, растениеводстве, переработке промышленных отходов, изготовлении сухих смазок.

Алюминий •

Антимикробные, фунгицидные составы. • Катализаторы большой площади. • Более дешевый заменитель титана. • Аддитивные технологии.

Может найти применение в пиротехнике, материаловедении, медицине, для гибридных ракетных двигателей, для повышения нефтеотдачи продуктивных пластов при применении нанотехнологии с использованием в составе нанокомпозиционного материала алюминиевой пудры.

Титан •

 Антимикробные, фунгицидные составы. • Добавка для стабильности к УФ-лучам. • Производство прочных покрытий. • Аддитивные технологии, порошковая металлургия.

Порошок титана может применяться в медицине в качестве имплантантов, протезов и инструментария; в эрокосмическаой промышленности; хирургии; стоматологии.

Цинк •

Антимикробные, фунгицидные составы. • Производство полимеров. • Текстильное производство. • Производство водородных топливных элементов. • Производство солнечных батарей.

Порошок цинка может найти применение в материаловедении, электронной промышленности, производстве лакокрасочных материалов.

Цинк, как известно, служит хорошим противокоррозионным агентом, и применяется везде, где требуется защитить поверхность от взаимодействия с кислородом. Современная промышленность обладает несколькими подходами к созданию цинк-содержащих покрытий. Но все они имеют свои недостатки: гальваника вредна и энергозатратна, холодное цинкование ненадежно, а ЛКМ с цинковым порошком не экономичны.Наночастицы цинка способны решить большинство проблем связанных с приданием антикоррозионных свойств различным изделиям. Применение наночастиц цинка в создании цельнометаллических покрытий способно открыть путь к получению наноструктурированных покрытий, в составе ЛКМ – снизить расход материала и достичь показателей протекции на уровне горячего цинкования, в области газоплазменного напыления – увеличить степень кристалличности получаемого покрытия.

Большинству косметических, парфюмерных и лекарственных средств содержащих цинк в виде различных соединений (оксиды, йоны и т.д.) требуется именно цинк, а не его соединения, однако в силу невозможности выделения его в чистом виде, производители применяют его стабильные соединения. Наноразмерный цинк – решение этой проблемы.

 Никель •

Производство водородных топливных элементов (катализатор) • Производство покрытий, полимеров, текстиля. • Электроника. • Оптика. • Медицина. • Более дешевый заместитель платины.

Вольфрам •

Производство покрытий и полимеров. • Аддитивные технологии. Молибден • Катализатор (в том числе для производства нанотрубок). • Производство покрытий, полимеров. • Ингибитор и лубрикан.