Супергубка для нефти и её использование в отрасли водного транспорта

IX ЕЖЕГОДНЫЙ ВСЕРОССИЙСКИЙ КОНКУРС ДОСТИЖЕНИЙ ТАЛАНТЛИВОЙ МОЛОДЁЖИ

«НАЦИОНАЛЬНОЕ ДОСТОЯНИЕ РОССИИ»

_______________________________________________________

Секция: Экология, безопасность жизнедеятельности

Тема: Супергубка для нефти  и ее использование в отрасли водного транспорта

Автор: Епанчинцев Михаил Андреевич

Научный руководитель: Лопатко Гузель Инсафовна

Место выполнения работы: ГАПОУ ТО «Тюменский колледж водного транспорта»

2014-2015

...Состояние водных ресурсов

во многом определяет качество жизни

людей, напрямую влияет и на экономику

страны, и на уровень её безопасности.

В.В. Путин

Россия отличается изобилием природных вод, хорошо развитой речной сетью, принадлежащей бассейнам Северного Ледовитого, Тихого и Атлантического океанов, уникальным водным побережьем, имеющим протяженность около шестидесяти тысяч километров.

Все это - наше богатство, и огромная ответственность. Природе легко нанести урон, но очень сложно, а иногда и невозможно восстановить утраченное. Транспортировка нефти и нефтепродуктов всегда сопряжена с опасностью разлива нефти и крупным загрязнением воды с губительными последствиями для любой речной и морской фауны и флоры. Это большая ответственность для компаний, занимающихся перевозкой грузов по водным артериям. В таких случаях важно оперативно собрать большую часть разлившейся нефти для последующего обезвреживания и утилизации. Всего одна тонна нефти способна покрыть непроницаемой для воздуха и света пленкой площадь в двенадцать квадратных километров, а при крушении танкеров происходит утечка десятков тысяч тонн нефти.  С учетом значительности территорий, затрагиваемых загрязнением, требуется применять материалы, которые можно легко распределять на большой площади и которые селективно впитывают нефтепродукты в достаточно большом относительно своей массы количестве. Ученые многие годы разрабатывают средства для борьбы с такими экологическими катастрофами.  Не так давно была изобретена  супергубка для нефти.

Объектом нашего исследования является  губка, состоящая из нанотрубок  для впитывания  масла и нефтепродуктов.

Предметом исследования является  состав и применение  губки.

Цель исследования:  описать структуру губки  для впитывания  масла и нефтепродуктов и сферу её применения (внедрения в России для водного транспорта).

Задачи исследования:

1. изучить  литературу,
2. сделать описание  нанотрубок,  входящих в состав супергубки;
3. описать сферу её применения,
4. проанализировать возможность  использования супергубки  в отрасли водного транспорта.

Фуллерен (C60) был открыт группой Смолли, Крото и Кёрла в 1985 г., за что в 1996 г. эти исследователи были удостоены Нобелевской премии по химии. Что касается углеродных нанотрубок, то здесь нельзя назвать точную дату их открытия. Хотя общеизвестным является факт наблюдения структуры многостенных нанотрубок Иидзимой в 1991 г., существуют более ранние свидетельства открытия углеродных нанотрубок. Так, например в 1974—1975 гг. Эндо и др. опубликовали ряд работ с описанием тонких трубок с диаметром менее 100 Å, приготовленных методом конденсации из паров, однако более детального исследования структуры не было проведено. Группа ученых Института катализа СО АН СССР в 1977 году при изучении зауглероживания железохромовых катализаторов дегидрирования под микроскопом зарегистрировали образование «пустотелых углеродных дендритов», при этом был предложен механизм образования и описано строение стенок. В1992 в Nature была опубликована статья, в которой утверждалось, что нанотрубки наблюдали в 1953 г. Годом ранее, в 1952, в статье советских учёных Радушкевичаи Лукьяновича сообщалось об электронно-микроскопическом наблюдении волокон с диаметром порядка 100 нм, полученных при термическом разложении окиси углерода на железном катализаторе. Эти исследования также не были продолжены. В 2006 г, углеродные нанотрубки были обнаружены в дамасской стали.

Существует множество теоретических работ по предсказанию данной аллотропной формы углерода. В работе химик Джонс (Дедалус) размышлял о свёрнутых трубах графита. В работе Л. А. Чернозатонского и др., вышедшую в тот же год, что и работа Ииджимы, были получены и описаны углеродные нанотрубы, а М. Ю. Корнилов, профессор кафедры органической химии Киевского национального университета, не только предсказал существования одностенных углеродных нанотруб в 1986 г., но и высказал предположение об их большой упругости.

Впервые возможность образования наночастиц в виде трубок была обнаружена для углерода. В настоящее время подобные структуры получены из нитрида бора,карбида кремния, оксидов переходных металлов и некоторых других соединений. Диаметр нанотрубок варьируется от одного до нескольких десятков нанометров, а длина достигает нескольких микрон.

Ричард Смолли

Ха́рольд Уо́лтер Кро́то

Ро́берт Кёрл

Углеродные микротрубки были запатентованы в конце XIX века, а нанотрубки впервые получены в московском Институте физической химии в 1950-х годах, затем в Японии в 1970-х и, наконец, «открыты» в Японии. 

Сумио Ииджима

Первооткрывателем углеродных нанотрубок является сотрудник японской корпорации NEC Сумио Ииджима, который в 1991 году наблюдал структуры многослойных нанотрубок при изучении под электронным микроскопом осадков, образовывавшихся в процессе синтеза молекулярных форм чистого углерода, имеющего клеточную структуру. Связь атомов углерода друг с другом в нанотрубках имеет большую прочность. Модуль Юнга (величина размерности давления, характеризующая сопротивление вещества растяжению или сжатию) нанотрубок более 1 ТПа (около 1 млн атмосфер — выше, чем у алмаза). Теплопроводность нанотрубок в восемь раз выше, чем у меди, а электропроводность не подчиняется закону Ома. Плотность тока в трубках может в тысячу раз превышать плотность, при которой медный провод взрывается. Использование материалов из углеродных нанотрубок или содержащих углеродные нанотрубки становится новым сектором экономики. Наноструктурированные материалы делятся на две большие группы. Материалы одной на 95–100% состоят из нанотрубок. Материалы второй — нанокомпозиты — наоборот, нанотрубок содержат немного, до 5%.

Впервые изображение углеродных нанотрубок, произведенных по технологии холодной деструкции графита было получено в 2002 году в Московском государственном институте электронной техники доктором физико-математических наук Владимиром Кирилловичем Неволиным. 

доктор физико-математических наук В. К. Неволин

Топография двухэлектродного элемента с углеродной нанотрубкой

Получение углеродных нонотрубок  

Развитие методов синтеза углеродных нанотрубок (УНТ) шло по пути снижения температур синтеза. После создания технологии получения фуллеренов было обнаружено, что при электродуговом испарении графитовых электродов наряду с образованием фуллеренов образуются протяженные цилиндрические структуры. Микроскопист Сумио Ииджима, используя просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ), первым идентифицировал эти структуры как нанотрубки. К высокотемпературным методам получения УНТ относится электродуговой метод. Если испарить графитовый стержень (анод) в электрической дуге, то на противоположном электроде (катоде) образуется жесткий углеродный нарост (депозит) в мягкой сердцевине которого содержатся многостенные УНТ с диаметром 15-20 нм и длиной более 1 мкм.

Формирование УНТ из фуллереновой сажи при высокотемпературном тепловом воздействии на сажу впервые наблюдали Оксфордская и Швейцарская группы. Установка для электродугового синтеза металлоемка, энергозатратна, но универсальна для получения различных типов углеродных наноматериалов. Существенной проблемой является неравновесность процесса при горении дуги. Электродуговой метод в свое время пришел на смену метода лазерного испарения (абляции) лучом лазера. Установка для абляции представляет собой обычную печь с резистивным нагревом, дающую температуру 1200°С. Чтобы получить в ней более высокие температуры, достаточно поместить в печь мишень из углерода и направить на нее лазерный луч, попеременно сканируя всю поверхность мишени. Так группа Смолли, используя дорогостоящие установки с короткоимпульсным лазером, получила в 1995 г. нанотрубки, «значительно упростив» технологию их синтеза.

Однако, выход УНТ оставался низким. Введение в графит небольших добавок никеля и кобальта (по 0.5 ат.%) позволило увеличить выход УНТ до 70-90%. С этого момента начался новый этап в представлении о механизме образования нанотрубок. Стало очевидным, что металл является катализатором роста. Так появились первые работы по получению нанотрубок низкотемпературным методом — методом каталитического пиролиза углеводородов (CVD), где в качестве катализатораиспользовались частицы металла группы железа. Один из вариантов установки по получению нанотрубок и нановолокон CVD методом представляет собой реактор, в который подается инертный газ-носитель, уносящий катализатор и углеводород в зону высоких температур.

Упрощенно механизм роста УНТ заключается в следующем. Углерод, образующийся при термическом разложении углеводорода, растворяется в наночастице металла. При достижении высокой концентрации углерода в частице на одной из граней частицы-катализатора происходит энергетически выгодное «выделение» избыточного углерода в виде искаженной полуфуллереновой шапочки. Так зарождается нанотрубка. Разложившийся углерод продолжает поступать в частицу катализатора, и для сброса избытка его концентрации в расплаве нужно постоянно избавляться от него. Поднимающаяся полусфера (полуфуллерен) с поверхности расплава увлекает за собой растворенный избыточный углерод, атомы которого вне расплава образуют связь С-С, представляющую собой цилиндрический каркас-нанотрубку.

Температура плавления частицы в наноразмерном состоянии зависит от ее радиуса. Чем меньше радиус, тем ниже температура плавления, вследствие эффекта Гиббса-Томпсона[29]. Поэтому, наночастицы железа, с размером порядка 10 нм находятся в расплавленном состоянии ниже 600°С. На данный момент осуществлен низкотемпературный синтез УНТ методом каталитического пиролиза ацетилена в присутствии частиц Fe при 550°С. Снижение температуры синтеза имеет и негативные последствия. При более низких температурах получаются УНТ с большим диаметром (около 100 нм) и сильно дефектной структурой типа «бамбук» или «вложенные наноконусы». Полученные материалы состоят только из углерода, но к экстраординарным характеристикам (например, модуль Юнга) наблюдаемым у одностенных углеродных нанотрубок, получаемых методом лазерной абляции или электродуговым синтезом, они даже близко не приближаются.

Схема установки для получения нонотрубок методом лазерного испарения.

Классификация нанотрубок

Основная классификация нанотрубок проводится по количеству составляющих их слоев.

Однослойные нанотрубки (single-walled nanotubes, SNWTs) – простейший вид нанотрубок. Большинство из них имеют диаметр около 1 нм при длине, которая может быть во много тысяч раз больше. Структуру однослойных нанотрубок можно представить как "обертывание" гексагональной сетки графита (графена), основу которой составляют шестиугольники с расположенными в вершинах углов атомами углерода, в бесшовный цилиндр. Верхние концы трубок закрыты полусферическими крышечками, каждый слой которых составлен из шести- и пятиугольников, напоминающих структуру половины молекулы фуллерена.

Рисунок 1. Графическое изображение однослойной нанотрубки

Многослойные нанотрубки (multi-walled nanotubes, MWNTs) состоят из нескольких слоев графена, сложенных в форме трубки. Расстояние между слоями равно 0.34 нм, то есть такое же, как и между слоями в кристаллическом графите.

Существуют две модели, использующиеся для описания их структуры. Многослойные нанотрубки могут представлять собой несколько однослойных нанотрубок, вложенных одна в другую (так называемая "матрешка"). В другом случае, один "лист" графена оборачивается несколько раз вокруг себя, что похоже на прокрутку пергамента или газеты (модель "пергамента").

Рисунок 2. Графическое изображение многослойной нанотрубки (модель "матрешка")

Методы синтеза нанотрубок

Наиболее распространенными методами синтеза нанотрубок являются электродуговой метод, лазерная абляция и химическое осаждение из газовой фазы (CVD).

Дуговой разряд (Arc discharge) - сущность этого метода состоит в получении углеродных нанотрубок в плазме дугового разряда, горящей в атмосфере гелия, на технологических установках для получения фуллеренов. Однако здесь используются другие режимы горения дуги: низкие плотности тока дугового разряда, более высокое давление гелия (~ 500 Торр), катоды большего диаметра. Для увеличения выхода нанотрубок в продуктах распыления в графитовый стержень вводится катализатор (смеси металлов группы железа), изменяется давление инертного газа и режима распыления.

В катодном осадке содержание нанотрубок достигает 60%. Образующиеся нанотрубки длиной до 40 мкм растут от катода перпендикулярно его поверхности и объединяются в цилиндрические пучки диаметром около 50 км.

Лазерная абляция (Laser ablation). Этот метод был изобретен Ричардом Смалли и сотрудниками Rice University" и основан на испарении графитовой мишени в высокотемпературной реакторе. Нанотрубки появляются на охлажденной поверхности реактора как конденсат испарения графита. Водоохлаждаемая поверхность может быть включена в систему сбора нанотрубок. Выход продукта в этом методе – около 70%. С его помощью получают преимущественно однослойные углеродные нанотрубки с контролируемым посредством температуры реакции диаметром. Однако стоимость данного метода намного дороже остальных.

Химическое осаждение из газовой фазы (Chemical vapor deposition, CVD). Метод каталитического осаждения паров углерода был выявлен еще в 1959 году, однако до 1993 года никто не предполагал, что в этом процессе можно получить нанотрубки.

В процессе этого метода готовится подложка со слоем катализатора – частиц металла (чаще всего никеля, кобальта, железа или их комбинаций). Диаметр нанотрубок, выращенных таким способом, зависит от размера металлических частиц. Подложка нагревается примерно до 700 °С. Для инициации роста нанотрубок в реактор вводят два типа газов: технологический газ (например, аммиак, азот, водород и т.д.) и углеродосодержащий газ (ацитилен, этилен, этанол, метан и т.д.). Нанотрубки начинают расти на участках металлических катализаторов. Этот механизм является наиболее распространенным коммерческим методом производства углеродных нанотрубок. Среди других методов получения нанотрубок CVD наиболее перспективен в промышленных масштабах благодаря наилучшему соотношению в плане цены на единицу продукции. Кроме того, он позволяет получать вертикально ориентированные нанотрубки на желаемом субстрате без дополнительного сбора, а также контролировать их рост посредством катализатора.

Учеными экспериментаторами из США был разработан инновационный материал, который способен быстро и с легкостью впитывать нефтепродукты с поверхности воды. Как сообщается в пресс релизе новой разработки [1; 90] материал представляет собой пористую структуру, которая способна накапливать в себе нефтепродукты на поверхности воды в значительных количествах. Кроме этого собранные нефтепродукты могут содержаться в такой губке длительное время, а потом извлекаться оттуда, и губка снова готова к употреблению. В качестве основы для таких инновационных губок были выбраны углеродные нанотрубки.

Рис.1 Схематическое изображение нанотрубки

Ученым - экспериментаторам из университетов Пенсильвании и Райса удалось соединить такие нанотрубки в сложную структуру в которой они пересекаются друг с другом многократно.

Соединение и пересечение трубок вызывается добавлением бора в момент выращивания нанотрубок по методу химического осаждения пара. Если на данном этапе не выполнить работы по добавлению бора, то трубки вырастают стандартными — прямыми и без пересечений и соединений. Но именно атомы бора заставляют образовываться случайные ковалентные связи между углеродом, что заставляет материал трубок, соединятся между собой в самых разных местах на атомарном уровне. В новой технологии с применением бора есть одно преимущество — это простота процесса изготовления. Для того что бы извлечь из трубки нефтепродукты достаточно ее отжать.

(Рисунок из Adv. Mater., 2009, DOI: 10.1002/adma.200902986) Губка из нанотрубок очищает поверхность воды от разлитого дизельного топлива, распухая по мере поглощения неполярной жидкости.

Материал может хранить в себе нефть неограниченно долго, отдавать ее по требованию и многократно использоваться без потери ценных свойств. При этом он супергидрофобен – затолкнуть его под воду невозможно, он выскакивает на поверхность. Можно и поджечь ее как показали опыты, накопленные масло и нефть, выгорят, а сами нанотрубки останутся неповрежденными, если губку, впитавшую нефть, поджечь, то нефть сгорит, а губка останется целой и невредимой.  

             Преимущество данной технологии – простота изготовления. Макроскопические образцы твердых материалов, с заданными характеристиками получаются непосредственно во время роста нанотрубок. Авторы разработки указывают, что новые губки сохраняют эластичность даже после 10 тысяч циклов сжатия, пустоты занимают более 99%. Материал супергидрофобный, впитывает разного рода масло в количестве 100 грамм на 1 грамм собственной массы. [1; стр.90]. 
Ведущий автор исследования, аспирант из университета Райса Дэниел Хэшим, демонстрирует спокойное горение масла, пропитавшего нанотрубочную губку.

Сегодня ученые университета Райса трудятся над технологией сшивания небольших фрагментов таких губок в большие листы и рассматривают возможность применения таких листов в отрасли водного транспорта, где губка будет применяться на нефтеналивных судах, для сбора нефти, в случае если нефть или масло будут разлиты на поверхность моря, реки или суши. 

Материалы  нанотрубок

Форма нанотрубок позволяет укладывать их двояко: хаотично или упорядоченно,  что влияет на свойства материалов. Нанотрубки можно модифицировать, присоединять к ним различные химические группы и наночастицы. Это также меняет свойства самих нанотрубок и материалов в них.

К материалам первой группы относятся «монолитные» структуры из нанотрубок; покрытия, пленки и нанобумага из трубок; волокна из трубок; «лес» — нанотрубки, расположенные параллельно друг другу и перпендикулярно подложке. «Монолитные» материалы не получили широкого распространения.

Из спутанных длинных нанотрубок выделена «резина», устойчивая к разрушению при циклических нагрузках и температурах от –140 до +900 оС. Ее показатели далеко превосходят силиконовую резину, которую считают лучшим вязкоэластичным материалом.

Покрытия, пленки и нанобумагу получают либо в ходе синтеза трубок, либо из их дисперсий (коллоидных растворов). Первая группа методов — высокотемпературная, вторая нагревания не требует. Простейший макроматериал из трубок — нанобумага — имеет толщину 10–30 нм и производится фильтрацией дисперсий.

Из нанобумаги делают фильтры (в том числе для удаления вирусов или обессоливания воды), защиту от электромагнитного излучения, детали нагревателей, сенсоры, актюаторы, полевые эмиттеры, электроды электрохимических устройств, носители катализаторов и др.

Прозрачные электропроводные пленки и покрытия конкурируют с твердым раствором оксидов индия и олова и способны заменять этот дорогой и хрупкий материал в приборах электроники, сенсорики и фотовольтаики.

Волокна из углеродных нанотрубок казались идеальным материалом троса «космического лифта» для экономичного подъема грузов на околоземную орбиту. Однако перенос свойств нанотрубок на макроматериалы оказался далеко не простой задачей. Волокна получают разными способами. «Сухие» способы включают формирование из аэрогеля, образующегося в процессе пиролиза углеводородов, и прядение из «леса». Прядение из «леса» напоминает получение шелковых нитей из коконов шелкопряда.

.

Растворные способы получения волокон — экструзия дисперсий в поток жидкости или вытягивание из коллоидных растворов в суперкислотах (кислотах сильнее серной).

 «Лес» по набору свойств не имеет аналогов — это упругий, электро- и теплопроводный материал, способный принимать разные формы и подвергаться модифицированию.  «Лес» можно использовать для создания электродов суперконденсаторов, полевых эмиттеров и солнечных батарей, как компонент композитов на основе полимеров. Укладкой «леса» на поверхность подложки получены плотные ленты. По удельной электропроводности они могут превзойти металлы и найдут применение в авиакосмической отрасли.

Ленты для искусственных мускулов из параллельно расположенных нанотрубок действуют при температурах от 80 до 1900 К и при приложении электрического потенциала обеспечивают очень высокое удлинение. Такие преобразователи электричества в механическую энергию значительно эффективнее пьезокристаллов.

Материалы с примесью нанотрубок

Резко растет производство материалов второй группы — нанокомпозитов, главным образом полимерных. Введение даже небольших количеств углеродных нанотрубок заметно меняет свойства полимеров, придает электропроводность, повышает теплопроводность, улучшает механические характеристики, химическую и термическую устойчивость. Созданы нанокомпозиты на основе десятков различных полимеров, разработано много способов их получения. Широкое применение могут найти созданные на основе полимеров с нанотрубками композитные волокна.

Типы нанотрубок

Керамические композиты созданы на основе многих тугоплавких веществ, однако по промышленному освоению заметно уступают нанокомпозитам на основе полимеров. Как и в случае полимеров, добавки небольших количеств нанотрубок увеличивают электро- и теплопроводность, придают способность защищать от электромагнитного излучения, а главное — увеличивают трещиностойкость керамик.

Введение очень малых количеств нанотрубок в бетон повышает его марку, трещиностойкость, прочность и уменьшает усадку.

Металлические композиты созданы с распространенными цветными металлами и сплавами. Наибольшее внимание уделяется медным композитам, механические свойства которых в два-три раза выше, чем у меди. Многие составы имеют повышенную прочность и твердость, меньшие коэффициенты термического расширения и трения.

Гибридные композиты обычно содержат три компонента: полимерные или неорганические волокна (ткани), нанотрубки и связующее. К этому классу относятся препреги. Нанотрубки повышают прочность и жесткость препрегов на 30–50%. Препреги использованы для создания беспилотных морских разведывательных катеров «Пиранья».

Число новых разработок на базе углеродных нанотрубок растет с геометрической прогрессией, исследователи разрабатывают все новые применения УНТ в диапазоне от наноэлектроники до наномедицины и даже защитной брони для военного применения. Среди разработок 2008 года следующие:

Работа Массачусетского университета по созданию высокочувствительного миниатюрного прибора, базирующегося на изменениях электрического давления в углеродной нанотрубке, который позволит определить химический состав воздуха. Его чувствительность будет чрезвычайно высока и для анализа будет хватать минимальных объёмов газовой смеси.

Исследования Уорвикского университета по новому способу создания углеродных нанотрубок, благодаря которому сразу формируется готовая высокочувствительная микросхема. Им удалось сделать готовый диск с одностенными углеродными нанотрубками в качестве ультрамикроэлектродов. Нанотрубки расположены на диске таким образом, что образуют единую и завершённую микросхему, при этом они занимают менее одного процента диска, что позволяет использовать данные ультрамикроэлектроды для создания ультрачувствительных сенсоров.

Работы по достижению направленного роста скоплений нанотрубок на кристаллической структуре кварцевой подложки, что позволит в будующем связывать «леса» идентичных нанотрубок в множественные сверхтонкие чипы, которые обрабатывают и передают информацию на наноуровне.

Новый метод очистки углеродных нанотрубок от отложений аморфного углерода и других загрязняющих частиц посредством нагрева в условиях окисления.

Бумага из углеродных нанотрубок, которая может как сужаться при растяжении в продольном направлении, так и расширяться при растяжении в поперечном направлении.

Технология стандартизации пищевых продуктов, основанная на применении углеродных нанотрубок.

Исследования Института Квантовой Электроники в Цюрихе, которые доказали испускание одиночного фотона углеродной однослойной нанотрубкой в процессе фотолюминесценции. Это явление может широко использоваться в устройствах, использующих квантовую передачу данных и существенно обезопасить её.

Работы по усовершенствованию конструкции солнечных батарей на основе сенсибилизированных красителей при помощи замены диоксида титана и платины (которые применяются при производстве батарей) на углеродные нанотрубки. Данная технология увеличила выходную мощность, уменьшила тепловыделение (что даёт возможность использовать в качестве основы для батареи не только термостойские материалы) и существенно снизила стоимость конструкции, так как позволила отказаться от использования дорогой платиновой плёнки. В настоящее время учёные патентуют своё изобретение.

Модель наномотора, приводимого в движение электронным ветром, основой которого является двухслойная углеродная нанотрубка с разрывом посередине.

Метод восстановления хрящевой ткани посредством трансплантации в область повреждения синтетического матрикса с углеродными нанотрубками, обладащего свойствами привлекать в эту область хондрогенные (образующие хрящ) клетки. Планируется внедрить данную разработку в клиническую практику.

Эксперименты, проведённые китайскими учёными из Университета науки и технологии провинции Хэбэй, в ходе которых было установлено, что углеродные нанотрубки могут использоваться для реализации процесса искусственного фотосинтеза, в качестве «накопителя» электронов, необходимых для создания сложных углеводородов. Искусственный фотосинтез мог бы оказаться полезным для производства водородного топлива и очистки атмосферы от парниковых газов.

Сверхлёгкий актюатор на основе многослойных углеродных нанотрубок. Полоска из получившегося актюатора при подаче напряжения 10 В изгибается, создавая давление на упор в 1,8 МПа. Устройство работает в жидкой среде и может потенциально использоваться в лабораториях на чипе. Данное исследование является частью проекта NOESIS, связанного с разработкой новых полимеров и актюаторов для аэрокосмической промышленности. Полимер может использоваться в составе средств диагностики аэрокосмических материалов, как инструмент неинвазивной хирургии и в качестве наносенсора. 

Компания Nantero разработала производственный процесс, позволяющий получать пленки длиной 20 см из углеродных нанотрубок, которые будут использоваться для производства коммерческих чипов энергонезависимой памяти (NRAM). Их выпуск освоен на заводе компании SVTC Technologies, уже получившей прототипы коммерческой продукции. Кроме того, компания говорит о том, что разработанные ей технологии позволяют наносить пленки нанотрубок на множество разновидностей подложек, используя для этого любое существующее CMOS-производство, а, следовательно, применять нанотрубки не только для NRAM, но также в дисплеях, тачскринах, солнечных батареях и MEMS-устройствах. При этом можно изменять толщину и плотность пленок, или даже делать их прозрачными для использования в дисплеях и тачскринах, применять для производства всех типов электронной бумаги и так называемой «электронной кожи». Кроме того, сейчас нанотрубки рассматриваются в качестве альтернативы медным интерконнектам в кремниевых чипах.  

В США в 2009 году полетел первый самолет для воздушной акробатики с обтекателем двигателя из композита с нанотрубками. Некоторые элементы планера самолета F-35 компании Martin Lockheed изготовлены из таких композитов, примерно 100 деталей планера пассажирского Boeing 787 предполагается делать с применением нанотрубок.

Компания Nanocyl производит эпоксидную смолу с трубками Epocyl и препреги Pregcyl на основе стекловолокон, углеродных или арамидных волокон. Добавки повышают трещиностойкость на 100%, межслоевую прочность на сдвиг на 15% и уменьшают коэффициент термического расширения. Предполагается использовать композиты в автомобильной и авиационной промышленности, для бронежилетов. Они снижают массу 49-метровых лопастей ветроустановок с 7,3 до 5,8 т.

Финская компания Amroy Europe Oy, используя нанотрубки производства Bayer, выпускает эпоксидный концентрат Hybtonite для морских судов, ветрогенераторов, спортивного инвентаря и др.

Для препрегов канадская Nanoledge использует трубки компании Bayer, а Nanocomp Technologies выпускает большие по площади листы и рулоны нанобумаги.

Гибридные композиты могут проявлять свойства сенсора повреждений.

С различными матрицами созданы также биокомпозиты. Исследуются материалы для костных имплантатов, пленки для выращивания мышечных и костных тканей, сетчатки и эпителиальных клеток глаза, сетей нейронов, а также биофункциональные композиты и биосенсоры.

Область применения нанотрубок

Углеродные нанотрубки вместе с фуллеренами и мезопористыми углеродными структурами образуют новый класс углеродных наноматериалов, или углеродных каркасных структур, со свойствами, которые значительно отличаются от других форм углерода, таких как графит и алмаз. Однако наиболее перспективными их них являются именно нанотрубки.

• Благодаря своим уникальным свойствам (высокая прочность (63 ГПа), сверхпроводимость, капиллярные, оптические, магнитные свойства и т.д.) углеродные нанотрубки могут найти применение в огромном количестве областей:
• добавки в полимеры;
• катализаторы (автоэлектронная эмиссия для катодных лучей осветительных элементов, плоские панели дисплеев, газоразрядные трубки в телекоммуникационных сетях);
• поглощение и экранирование электромагнитных волн;
• преобразование энергии;
• аноды в литиевых батареях;
• хранение водорода;
• композиты (заполнители или покрытия);
• нанозонды;
• датчики;
• усиление композитов;
• суперконденсаторы.

Перспективы использования нанотехнологий

Нанотехнологии – совокупность приемов и методов, применяемых при изучении, проектировании и производстве наноструктур (около 1-100 нм), устройств и систем, наличие которых приводит к улучшению либо к появлению дополнительных эксплуатационных и/или потребительских характеристик и свойств получаемых продуктов.

Использование возможностей нанотехнологий может уже в недалекой перспективе принести резкое увеличение стоимости валового внутреннего продукта и значительный экономический эффект в следующих базовых отраслях экономики.

В машиностроении - увеличение ресурса режущих и обрабатывающих инструментов с помощью специальных покрытий и эмульсий, широкое внедрение нанотехнологических разработок в модернизацию парка высокоточных и прецизионных станков. Созданные с использованием нанотехнологий методы измерений и позиционирования обеспечат адаптивное управление режущим инструментом на основе оптических измерений обрабатываемой поверхности детали и обрабатывающей поверхности инструмента непосредственно в ходе технологического процесса.

В двигателестроении и автомобильной промышленности - за счет применения наноматериалов, более точной обработки и восстановления поверхностей можно добиться значительного (до 1,5-4 раз) увеличения ресурса работы автотранспорта, а также снижения втрое эксплуатационных затрат (в том числе расхода топлива), улучшения совокупности технических показателей (снижение шума, вредных выбросов), что позволяет успешнее конкурировать как на внутреннем, так и на внешнем рынках.

В электронике и оптоэлектронике - расширение возможностей радиолокационных систем за счет применения фазированных антенных решеток с малошумящими СВЧ-транзисторами на основе наноструктур и волоконно-оптических линий связи с повышенной пропускной способностью с использованием фотоприемников и инжекционных лазеров на структурах с квантовыми точками; совершенствование тепловизионных обзорно-прицельных систем на основе использования матричных фотоприемных устройств, изготовленных на базе нанотехнологий и отличающихся высоким температурным разрешением; создание мощных экономичных инжекционных лазеров на основе наноструктур для накачки твердотельных лазеров, используемых в фемтосекундных системах.

В информатике - многократное повышение производительности систем передачи, обработки и хранения информации, а также создание новых архитектур высокопроизводительных устройств с приближением возможностей вычислительных систем к свойствам объектов живой природы с элементами интеллекта; адаптивное распределение управления функциональными системами, специализированные компоненты которых способны к самообучению и координированным действиям для достижения цели.

В энергетике (в том числе атомной) - наноматериалы используются для совершенствования технологии создания топливных и конструкционных элементов, повышения эффективности существующего оборудования и развития альтернативной энергетики (адсорбция и хранение водорода на основе углеродных наноструктур, увеличение в несколько раз эффективности солнечных батарей на основе процессов накопления и энергопереноса в неорганических и органических материалах с нанослоевой и кластерно-фрактальной структурой, разработка электродов с развитой поверхностью для водородной энергетики на основе трековых мембран).

В сельском хозяйстве - применение нанопрепаратов стероидного ряда, совмещенных с бактериородопсином, показало существенное (в среднем 1,5-2 раза) увеличение урожайности практически всех продовольственных (картофель, зерновые, овощные, плодово-ягодные) и технических (хлопок, лен) культур, повышение их устойчивости к неблагоприятным погодным условиям. Например, в опытах на различных видах животных показано резкое повышение их сопротивляемости стрессам и инфекциям (падеж снижается в 2 раза относительно контрольных групп животных) и повышение продуктивности по всем показателям в 1,5-3 раза.

В здравоохранении - нанотехнологий обеспечивают ускорение разработки новых лекарств, создание высокоэффективных нанопрепаративных форм и способов доставки лекарственных средств к очагу заболевания. Широкая перспектива открывается и в области медицинской техники (разработка средств диагностики, проведение нетравматических операций, создание искусственных органов). Общепризнано, что рынок здравоохранения является одним из самых значительных в мире, в то же время он слабо структурирован и в принципе "не насыщаем", а решаемые задачи носят гуманитарный характер.

В экологии - перспективными направлениями являются использование фильтров и мембран на основе наноматериалов для очистки воды и воздуха, опреснения морской воды, а также использование различных сенсоров для быстрого биохимического определения химического и биологического воздействий, синтез новых экологически чистых материалов, биосовместимых и биодеградируемых полимеров, создание новых методов утилизации и переработки отходов. Кроме того, существенное значение имеет перспектива применения нанопрепаративных форм на основе бактериородопсина. Исследования, проведенные с натуральными образцами почв, пораженных радиационно и химически (в том числе и чернобыльскими), показали возможность восстановления их с помощью разработанных препаратов до естественного состояния микрофлоры и плодоносности за 2,5-3 месяца при радиационных поражениях и за 5-6 месяцев при химических.

Опреснение морской воды мембраной из нанотрубок

Исследователи из национальной лаборатории Лоуренса в Ливерморе изготовили мембраны на основе углеродных нанотрубок, имитирующие клеточные мембраны.

В биологических системах мембраны обычно содержат протеиновые каналы субмиллиметрового размера. Эти поры регулируют клеточный транспорт, позволяя одним молекулам быстро проникать сквозь мембрану и не пропуская другие молекулы и ионы. Группа ученых под руководством Ольгицы Бакаджин (Olgica Bakajin) попыталась смоделировать этот процесс, используя в качестве каналов углеродные нанотрубки, сообщается в пресс-релизе лаборатории Лоуренса.

Мембраны на основе углеродных нанотрубок обладают большей водопроницаемостью в отличие от обычных мембран с таким же размером пор. Таким образом, в будущем они позволят снизить энергетические затраты при опреснении морской воды.

Проблемы развития нанотехнологий в России

Анализ мирового опыта формирования национальных и региональных программ по новым научно-техническим направлениям свидетельствует о необходимости выявления некоторых ключевых проблем в области разработки наноматериалов и нанотехнологий.

Первая проблема - формирование круга наиболее перспективных их потребителей, которые могут обеспечить максимальную эффективность применения современных достижений. Необходимо выявить, а затем и сформировать потребности общества в развитии нанотехнологий и наноматериалов, способных существенно повлиять на экономику, технику, производство, здравоохранение, экологию, образование, оборону и безопасность государства.

 Вторая проблема - повышение эффективности применения наноматериалов и нанотехнологий. На начальном этапе стоимость наноматериалов будет выше, чем обычных материалов, но более высокая эффективность их применения будет давать прибыль. Поэтому необходимо среднесрочное и долгосрочное финансирование НИОКР по наноматериалам и нанотехнологиям с выбором способов реализации программы, включая масштабы и источники финансирования. Государство заинтересовано в быстрейшем развитии перспективного направления, поэтому оно должно взять на себя основные расходы на проведение фундаментальных и прикладных исследований, формирование инноваций.

Третья проблема - собственно разработка новых промышленных технологий получения наноматериалов, которые позволят России сохранить некоторые приоритеты в науке и производстве.

Четвертая проблема - обеспечение перехода от микротехнологий к нанотехнологиям и доведение разработок нанотехнологий до промышленного производства, особенно в области электроники и информатики.

Пятая проблема - широкомасштабное развитие фундаментальных исследований во всех областях науки и техники, связанных с развитием нанотехнологий.

Шестая проблема - создание исследовательской инфраструктуры.

Седьмая проблема - создание финансово-экономического механизма формирования оборотных средств у институтов и предприятий-разработчиков наноматериалов и нанотехнологий, а также развитие инфраструктуры, обеспечивающей поддержку инновационной деятельности в этой сфере на всех ее стадиях - от выполнения научно-технических разработок до реализации высокотехнологической продукции.

Восьмая проблема - привлечение, подготовка и закрепление квалифицированных научных, инженерных и рабочих кадров для обновленного технологического комплекса Российской Федерации.

В России же существует значительный разрыв между высоким качеством проводимых исследований, созданных научно-технологических заделов и низким уровнем инфраструктуры наноиндустрии в стране. Низкая восприимчивость промышленности к разработкам в области нанотехнологий в условиях перехода экономики на инновационный путь развития является главным сдерживающим фактором. Частные инвесторы сейчас не готовы вкладывать средства в науку на долгий срок и без государственных инвестиций не получится внедрить нанотехнологии в массовое производство. Также проблемой, ввиду недостаточности опыта и развитости правовой базы, является отсутствие передаточного звена между научными исследованиями, средним и крупным бизнесом. В связи с этим, Президентом РФ ещё в 2007 году была выдвинута инициатива по стратегии развития наноиндустрии. Результатом её реализации стала программа развития наноиндустрии в России до конца 2015 года, одним из приоритетных направлений которой является создание собственного производства углеродных нанотрубок. Для реализации различных проектов в области нанотехнологий создана государственная корпорация "Роснанотех" и разработана "Стратегия развития нанотехнологической отрасли". Сейчас исследованием углеродных нанотрубок серьезно занимаются на химфаке МГУ, в институтах Академии наук в Черноголовке (Институте физики твердого тела, Институте проблем химической физики), в Тамбовском государственном техническом университете, в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе (г. Санкт-Петербург), в ряде московских институтов РАН, в Институте катализа в Новосибирске. Успешно работают коллективы в Нижнем Новгороде, Красноярске и Казани.

Лидерами на рынке углеродных нанотрубок являются Бельгия (Nanocyl S.A.), Франция (Nanoledge, CNRI, Arkema), Англия (Thomas Swan, Dynamics Lab.), Германия (Bayer), США (Carbon Nanotechnologies, Hyperion Catalysis, Ebay, NanoLab, CarboLex, MER, Tailored Materials Corp., SweNT), Китай (Shenzen Nanotech Port Co., Ltd. (NTP)) и Япония (Mitsui and Co.), Канада (Raymor Industries Inc.), Кипр (Rossetter Holdings Ltd.), Норвегия (n-TEC), Греция (Nanothinx).

Среди российских компаний, занимающихся производством углеродных нанотрубок, можно назвать следующие: «НТЦ «Гранат», ОАО «Тамбовский завод “Комсомолец“ им. Н.С. Артемова».

Конечно, до стран-лидеров России ещё очень далеко, но можно сказать, что начало положено.

Мне хотелось бы призвать руководящие структуры обратить внимание на новый инновационный материал, который способен быстро и легко  впитывать нефть и масло с поверхности воды и суши, который можно внедрить у нас в России в отрасли водного транспорта,

Список используемой литературы:

1. Научно популярный и научно-художественный журнал «Знание сила» №11 /2012г.
2. Виктор Балабанов.Нанотехнологии. Наука будущего М.: Эксмо, 2009 г. 256 стр.
3. Головин, Ю. И. Введение в нанотехнику. М. : Машиностроение, 2007. - 493 стр.
4. Рыбалкина М. М.: Нанотехнологии для всех. Nanotechnology News Network, 2005. - 444 с.
5. Неволин В.К. Зондовые нанотехнологии в электронике. Изд. 2-е. – М.: Техносфера, 2006. –159с.
6. Журнал «Коммерсантъ Наука» №4 от 25.07.2011, стр. 52.

Сайты:

1. http://mysuperfact.ru/index.php/tehnology/1179-supergubka-neft 
2. http://techjurnal.info/nauka/supergubka-dlya-nefti-mnogorazovogo-ispolzovaniya.html 
3. http://www.membrana.ru