CC BY
64
УДК 620.1/2
Анализ проблем возможного применения наноматериалов и нанотехнологий в интересах МЧС России
ISSN 1996-8493
© Технологии гражданской безопасности, 2014
О.А. Медведев, Е.В. Михеева, В.А Одарюк, А.С. Маклаков, А.Х. Авгуцевичс
Аннотация
Авторами перечислены практические аспекты применения нанотехнологий в базовых отраслях экономики: машиностроении, в автомобильной промышленности, в электронике, энергетике, в сельском хозяйстве, в здравоохранении, экологии. Приведен перечень проблем развития нанотехнологий, промышленные разработки отечественных научных институтов, проекты РОСНАНО, разработки региональных и производственных организаций. Среди разработок, находящихся на стадии, близкой к внедрению, приведены практические нанотехнологические разработки, представляющие интерес для МЧС России.
Ключевые слова: наночастицы; нанотехнологии; матричные фотоприемные установки; нанодатчики; нанофильтры; полупроводниковые чипы; оптико-электронные комплексы; наноструктурная керамика; нанокристаллические сплавы; наноэмульсии; магнитно-импульсное прессование; фулереновые смеси.
Analysis of the Possible Nanomaterials and Nanotechnologies use in the Interests of EMERCOM of Russia
ISSN 1996-8493
© Civil Security Technology, 2014
O. Medvedev, E. Mikheeva, V. Odaruk, A. Maklakov, A. Аvgutsevichs
Abstract
The authors list the practical aspects of nanotechnologies application in the basic sectors of economy: mechanical engineering, car industry, electronics, energy, agriculture, healthcare, ecology. A list of issues that are connected with the development of nanotechnologies, industrial developments of native scientific research institutes, projects of Rosnano, developments of regional and industrial organizations are provided. Among the developments at the close to implementation stage, practical nanotechnology offers that are of interest for the Emercom of Russia are presented.
Key words: nanoparticles; nanotechnology; matrix photo receiving installation; nanosensors; nanofilters; optical-electronic complexes; infra-red optical sensor; nanostructure ceramics; nanocrystalline alloys; nanoemulsion; magnetic-pulse pressing; fullerene mixtures.
Интерес, проявляемый к нанотехнологиям мировой общественностью, вызван тем, что материалы, основу которых составляют структуры и элементы нанометрового масштаба, обладают уникальными свойствами и большими перспективами практического применения.
При разработке предложений по использованию наноматериалов и нанотехнологий в целях защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций и обеспечения пожарной безопасности авторами статьи была собрана и систематизирована информация о работе отечественных научно-исследовательских, научно-производственных и производственных учреждений по созданию наноматериалов и нанотехноло-гий в различных сферах науки и производства. В статье приведены аналитические данные исследований и производственных разработок, проведенных в регионах, где расположены филиалы ФГБУ ВНИИ (ФЦ) Северо-Западный, Приволжский, Южный, Дальневосточный.
Необходимо, однако, понимать, что приведенные сферы развития науки и технологий являются таковыми пока в перспективе, при этом неизвестно, насколько быстро эти прогнозы могут осуществиться. В действительности Россия отстает в сфере нанотехнологий от США, Японии и стран Евросоюза как минимум на десятилетие: хотя фундаментальные исследования по физике низкоразмерных структур, молекулярной химии и биологии, материаловедению не прекращались даже в 90-е годы XX века, когда российские ученые были поставлены в условия «элементарного выживания».
Нанотехнология (англ. nanotechnology). Этот термин в настоящее время не имеет единого, признаваемого всеми определения. Под термином «нанотех-нологии» «РОСНАНО» понимает совокупность технологических методов и приемов, используемых при изучении, проектировании и производстве материалов, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и управление строением, химическим составом и взаимодействием составляющих их отдельных наномасштабных элементов (с размерами порядка 100 нм и меньше как минимум по одному из измерений), которые приводят к улучшению, либо появлению дополнительных эксплуатационных и/ или потребительских характеристик и свойств получаемых продуктов.
Практический аспект нанотехнологий включает в себя производство устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и наночастицами. Это могут быть макрообъекты, атомарная структура которых создается с разрешением на уровне отдельных атомов, либо же макрообъекты, содержащие в себе нанообъекты. Этот термин предполагает также методы диагностики, исследований и характеристик таких объектов [1].
Предполагается, что использование возможностей нанотехнологий может уже в недалекой перспективе принести резкое увеличение стоимости российского валового внутреннего продукта и значительный экономический эффект в ниже перечисленных базовых отраслях экономики:
В машиностроении:
ожидается увеличение ресурса режущих и обрабатывающих инструментов с помощью специальных покрытий и эмульсий, широкое внедрение нанотех-нологических разработок в модернизацию парка высокоточных и прецизионных станков.
В двигателестроении и автомобильной промышленности:
за счет применения наноматериалов, более точной обработки и восстановления поверхностей можно добиться значительного увеличения ресурса работы автотранспорта и снижения эксплуатационных затрат.
В электронике и оптоэлектронике совершенствование тепловизионных обзорно-прицельных систем на основе использования матричных фотоприемных устройств, изготовленных на базе нанотехнологий, в связи с чем ожидается многократное повышение производительности систем передачи, обработки и хранения информации.
В энергетике, (в том числе атомной) наноматериа-лы будут использоваться для совершенствования технологии создания топливных и конструкционных элементов, повышения эффективности существующего оборудования и развития альтернативной энергетики.
В сельском хозяйстве увеличение урожайности всех продовольственных и технических культур, повышение их устойчивости к неблагоприятным погодным условиям при применении нанопрепаратов стероидного ряда, совмещенных с бактериородопсином. В опытах на сельскохозяйственных животных наблюдается резкое повышение сопротивляемости инфекциям и повышение продуктивности по всем показателям в 1,5—3 раза.
В здравоохранении нанотехнологии ускорят разработку новых высокоэффективных лекарственных форм. В медицинской технике — разработку средств диагностики, нетравматических операций, создание искусственных органов.
В экологии использование фильтров и мембран на основе наноматериалов для очистки воды и воздуха, для опреснения морской воды, использование различных сенсоров для определения химического и биологического воздействия на экологичекие объекты, синтез новых экологически чистых материалов, биосовместимых и биодеградируемых полимеров, создание новых методов утилизации и переработки отходов.
Приведенные выше сферы развития науки и технологий являются таковыми пока в перспективе, при
этом неизвестно, насколько быстро эти прогнозы могут осуществиться, так как помимо проблем фундаментальной науки, существуют проблемы перехода научных открытий в коммерческую промышленную технологию. В связи с этим многие научные разработки находятся в стадии проектов или незапатентованных изобретений.
Перечень проблем (задач) развития нанотехноло-гий в России по литературным данным заключается в следующем:
формирование круга наиболее перспективных потребителей нанотехнологий (продукции, созданной на основе нанотехнологий), которые могут обеспечить максимальную эффективность применения современных достижений;
повышение эффективности применения нанома-териалов и нанотехнологий;
разработка новых промышленных технологий получения наноматериалов, которые позволят России сохранить определенные приоритеты в науке и производстве;
переход от микротехнологий к нанотехнологиям и доведение разработок нанотехнологий до промышленного производства, особенно в области электроники и информатики;
развитие фундаментальных исследований во всех областях науки и техники, связанных с развитием на-нотехнологий;
создание исследовательской инфраструктуры, включая:
современное приборное оснащение научных и производственных организаций инструментами и приборами для проведения работ в области нанотех-нологий, обеспечение доступа научно-технического персонала к синхротронным и нейтронным источникам (как российским, так и зарубежным), к сверхпроизводительным вычислительным комплексам, разработку специальной метрологии и государственных стандартов в области нанотехнологий, привлечение и подготовку квалифицированных научных, инженерных и рабочих кадров для обновленного технологического комплекса Российской Федерации.
Значительное число исследований и промышленных разработок в области нанотехнологий в перспективе могут быть внедрены в практику деятельности МЧС России. Это промышленные разработки отечественных научных институтов и предприятий, а также проекты «РОСНАНО», исследования и разработки региональных научных и производственных организаций.
Отметим, что все, описываемые в данной статье технологии, были отобраны с позиций потенциальной возможности внедрения в практику МЧС. В большинстве случаев это не готовые технологии, а проекты по их развитию. В случае принятия решения о возможности их применения, потребуется доработка и адаптация этих технологий к требованиям конкретных подразделений МЧС и к их конкретным задачам.
Проекты « Роснано»
Светодиоды на основе полупроводниковых чипов нитрида галлия.
Достигаемое при помощи этой технологии, разработанной Уральским оптико-механическим заводом, рекордно низкое количество дефектов в полупроводниковых слоях позволяет приборам работать без потерь эффективности при высоких плотностях тока, обеспечивая высокое соотношение яркость\це-на для светодиодных чипов. Использование этих источников света позволит существенно сократить объем потребления и затраты на электроэнергию и эксплуатацию систем освещения.
ФГУП «ПО «Уральский оптико-механический завод им. Э.С. Яламова» (УОМЗ) — ведущее предприятие России в области проектирования и производства оптико-электронных комплексов для всех видов вооруженных сил и силовых структур.
ООО «ЭМИ» (Санкт-Петербург) занимается разработкой, производством и продажей приборов и оборудования для контроля газовых и жидких сред. Оборудование используется в медицине, в экологическом контроле, в системах вентиляции и кондиционирования.
ООО «ИКО» (Санкт-Петербург) специализируется на разработке и производстве полупроводниковых приборов среднего инфракрасного диапазона — фотоприемников, излучающих диодов и интерференционных фильтров. Полупроводниковые приборы, выпускаемые компанией, используются для производства аналитической аппаратуры, используемой в целях промышленной безопасности, систем автоматизации зданий, газовой и нефтяной промышленности.
РОСНАНО совместно с «Микробор Технолоджи» в 2009 г. объявили о запуске проекта по созданию крупносерийного производства режущих инструментов из сверхтвердого материала-нанопорошка кубического нитрида бора. Продукия проекта может быть востребована для обработки деталей в тяжелом машиностроении, автомобилестроении, строительстве и добывающей промышленности. Совместно с компанией «Вириал» «РОСНАНО» в 2009 г. было подготовлено производство износостойких изделий из наноструктурных керамических и металлокерамиче-ских материалов, которые востребованы в нефтедобывающей и химической промышленности.
Компания «РОСНАНО», помимо того, осуществляет инвестиции в проект по производству малогабаритных датчиков взрывоопасных газов.
Исследования и разработки региональных научных и производственных организаций в Уральском государственном университете им. Горького (УрГУ, Екатеринбург).
В УрГУ в области наноисследований развиваются следующие направления:
Проект «Получение нанокристаллических сплавов» предусматривает повышение экономичности магнитопластов и магнитоэластов.
Проект «Магниторезистивные сенсоры магнитного поля» позволяет повысить эффективность магнитных датчиков, в том числе датчиков в электросчетчиках.
Проект «Устройство для преобразования длины волны лазерного излучения с периодической доменной структурой, изготовленной с нанометрической точностью» позволяет преобразовать инфракрасное лазерное излучение в зеленый или синий лазерный луч с эффективностью до 60 %. Следует отметить, что традиционные лазеры, позволяющие получить зеленое или синее излучение, существенно дороже, чем инфракрасные.
Южно-Уральский государственный Университет (ЮУрГУ, Челябинск).
В ЮУрГУ проводится работа по разрешению фундаментальной проблемы: «Разработка новых композитных наноматериалов по критерию максимума функциональной эффективности» — жесткости, твердости, износостойкости, влагонепрони-цаемости, ударопрочности, химической стойкости, каталитической активности. Результаты исследований реализуются в рамках хозяйственных договоров на разработку нового поколения металлических и керамических наноматериалов для средств индивидуального бронирования, а также смазочных материалов и технологий их приготовления с использованием наноэмульсий и углеродных нанотрубок.
Институт электрофизики УрО РАН (Екатеринбург).
Лабораторией прикладной электродинамики ИЭФ развито применение магнитно-импульсного прессования (МИП) для получения объемных на-ноструктурных материалов. Принцип данного метода состоит в электромеханическом преобразовании энергии первичного емкостного накопителя в кинетическую энергию пресс-инструмента, совершающего работу по сжатию порошка. Мягкие импульсные волны сжатия оказываются эффективным инструментом для уплотнения порошков с размерами частиц < 100 нм. Разработано и создано оборудование для магнитно-импульсного прессования нанопорошков различных материалов. Принципиальное отличие разработанных конструкций импульсных прессов состоит в возможности компактирования наноразмерных порошков.
Институт физики металлов УрО РАН (Екатеринбург).
В институте физики металлов проводятся фундаментальные исследования свойств высокопрочных
нанокристаллических сплавов, создаются лабораторные способы получения нанокерамик и нанострукту-рированных металлических сплавов.
Уральский электрохимический комбинат (Новоуральск, Свердловская область).
В октябре 2008 года представители администрации Уральского завода «Амур» и Уральского электрохимического комбината объявили о создании нейтрализатора выхлопных газов для двигателя автомобиля, показатели работы которого превосходят стандарты ЕВРО-4. Научная разработка на основе нанотехнологий была осуществлена совместными усилиями специалистов Уральского электрохимического комбината и завода «Автомобили и моторы Урала» («АМУР»).
В настоящее время Завод автомобильных катализаторов Уральского электрохимического комбината уже производит нейтрализаторы выхлопных газов по стандарту ЕВРО-2 и ЕВРО-3, которые используются на «Автовазе».
ООО «Ивтехномаш» (Иваново). Предприятие имеет большой опыт работы в области производства оборудования для текстильных фабрик, а также для ряда машиностроительных компаний России. Инженерно-технический персонал ООО «Ивтехномаш» обладает опытом разработки и создания уникального оборудования для плаз-мохимической обработки любых текстильных материалов, а также для плазмохимической обработки полимерных пленок с целью улучшения их смачивания и улучшения их адгезионных свойств. На предприятии создан экспериментальный участок металлизации текстильных материалов и пленок. ООО «Ивтехномаш» также может напылять тонкие пленки алюминия, титана, нержавеющей стали, меди, серебра, бронзы, нитрида титана, двуокиси титана. Текстильные материалы, металлизированные методом ионно-плазменного распыления, могут быть использованы в качестве деталей военного снаряжения.
ЗАО «ИЛИП» (Санкт-Петербург) ЗАО ИЛИП разработаны оригинальные устройства для: синтеза фуллеренсодержащей сажи, экстракции фуллереновой смеси, получения индивидуальных легких фуллеренов, получения индивидуальных тяжелых фуллере-нов.
ООО «АВТОСТАНКОПРОМ» (Санкт-Петербург). Предприятие производит эпиламы, которые предназначены для обработки поверхностей с целью придания им износостойкости, коррозионной, адгезионной стойкости, низкой поверхностной энергии, вла-гозащиты и гидрофобности.
ООО «Научно-производственная торговая компания «СУПРОТЕК» (Санкт-Петербург).
Предприятие производит смазочные композиции СУПРОТЕК-составы для восстановления технического состояния и увеличения ресурса работы двигателей внутреннего сгорания, коробок переключения передач, редукторов мостов. гидроусилителей руля и других агрегатов и узлов автомобиля.
ЗАО «БиоТехнологии» (Нижний Новгород).
Предприятие специализируется на разработке продуктов на основе хитозана. Технология производства хитозана может быть отнесена к нанотехнологи-ям. Интерес представляют текстильные изделия на основе волокна CRABIOtex.
Трикотажные изделия с добавлением 10 % волокна CRABIOtex по сравнению с хлопковым волокном приобретают выраженную бактерицидную активность, повышенную комфортность и пр.
Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны (г. Балашиха Московская обл.).
Совместно с ЗАО «ПироХимика» институтом ВНИИПО проводятся работы по изучению капсули-рования газовых огнетушащих веществ. В основе технологии микрокапсулы, размером около 10 мкм, обладающие наноструктурированной поверхностью, наполняются жидким газовым огнетушащим веществом (хладоном 114В2), освобождающимся при нагревании капсул до температуры 120 0С. По эффективности наполнения капсул газовым огнетушащим веществом технология не имеет себе равных.
Заключение
Анализ современного состояния отечественных разработок в сфере нанотехнологий позволил сделать следующие выводы:
В наше время практически во всех крупных научных центрах страны проводятся фундаментальные исследования в сфере наноматериалов: физики металлов, химии твердого тела. Это исследования по созданию и изучению свойств наноструктурирован-ных керамик, металлокерамик, полимеров, а также производство наноуглеродных материалов (фуллере-ны и фуллероидные продукты) и разработка способов их применения.
Среди практических нанотехнологических разработок (или среди разработок, находящихся на стадии близкой к внедрению), потенциально представляющих интерес для МЧС, следует отметить:
датчики взрывоопасных газов (могут быть использованы в зоне природных, техногенных аварий и катастроф, а также на производственных объектах особой важности);
технологии капсулирования газового огнетуша-щего вещества;
Ссверхтвердый режущий инструмент и высокопрочные материалы с эффектами памяти формы на основе никелида титана (потенциальное применение-создание инструментов и техники для аварийно-спасательных работ);
светотехника на основе светодиодов (потенциальное применение — создание осветительного оборудования для аварийно-спасательных работ);
ткани на основе нанотехнологий — металлизированные, на основе хитозанового волокна (потенциальное применение — создание спецодежды для спасателей, одежды, перевязочных материалов, специальных средств для персонала медицины катастроф).
Реметаллизанты, «присадки» к горюче-смазочным материалам (для увеличения сроков эксплуатации спецтехники и оборудования).
Нанопокрытия, эпиламы (для придания износостойкости коррозионной, адгезионной стойкости, влагозащищенности, снижения трения в парах механических передач, повышения стойкостей поверхностей к воздействию неблагоприятных факторов, таких как контрастные значения температур, влажности, радиации, пыли и т. д.).
Наноаккумуляторы, имеющие малый ток саморазряда, повышенную емкость и малые размеры.
Наноматериалы, полученные методом механохи-мического синтеза; нанокомпозиты на основе твердых материалов (для миниатюрных источников питания).
Солнечные модули электроустановок и каскадные солнечные элементы (для обеспечения работы электроинструмента в условиях отсутствия электросети, а также для зарядки аккумуляторных батарей).
Смазочные композиции (для восстановления технического состояния и увеличения ресурса работы двигателей внутреннего сгорания аварийно-спасательных машин и других видов техники).
Применение вышеперечисленных разработок повысит уровень безопасности личного состава спасательных и пожарных подразделений при проведении аварийно-спасательных и других неотложных работ, увеличит срок службы большинства образцов техники, стоящей на вооружении МЧС России, а также снизит суммарные затраты на амортизацию образцов вооружения и техники, применяемой при проведении работ по ликвидации ЧС. В целом, использование представленных технологий качественно повысит эффективность проведения аварийно-спасательных работ.
Литература
1. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М.: Физматлит, 2007. 416 с.
2. Сорокин Г.П. О перспективах нанотехнологий в России. Публикация 6.05.2008. http://globalscience.ru/article/read/227/
3. Третьяков Ю.Д. Проблемы развития нанотехнологии в России и за рубежом. http://www.nanometer.ru/2006/11/17/5819225.html
4. Метод и оборудование для магнитно-импульсного прессования
порошков. http://www.iep.uran.ru/razzr/nanoim/razr_14.html.
5. Алфимов С.М., Быков B.Ä., Гребенников Е.П., Желудева C.И., Мальцев П.П., Петрунин В.Ф., Чаплыгин Ю.А. Развитие в России работ в области нанотехнологий. http://www.microsystems.ru/ files/publ/753.htm
Сведения об авторах
Медведев Олег Анатольевич: Уральский филиал ФГБУ
ВНИИ ГОЧС (ФЦ), нач. филиала.
620100, г. Екатеринбург, ул. Большакова, 11а.
Тел.: (343) 261-226-90.
E-mail: [email protected]
Михеева Елена Владимировна: к. б. н., Уральский филиал ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), с. н. с. 620100, г Екатеринбург, ул. Большакова, 11а. Тел.: (343) 261-226-90. E-mail: [email protected]
Одарюк Виктория Андреевна: к. х. н., ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), с. н. с.
121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. E-mail: [email protected]
Персональный идентификационный авторский SPIN-код в Научной электронной библиотеке elibrary.ru и системе SCIENCE INDEX — 1194-2887.
Маклаков Александр Сергеевич: ФГБУ ВНИИ ГОЧС
(ФЦ), зам. нач. отд.
121352, Москва, ул. Давыдковская, 7.
Тел.: (499) 449-90-37.
E-mail: [email protected]
Авгуцевичс Антон Хариевич: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), н. с. 121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. Тел.: (499) 449-90-37. E-mail: [email protected]
Персональный идентификационный авторский SPIN-код в Научной электронной библиотеке elibrary.ru и системе SCIENCE INDEX — 8652-2190.
Information about authors
Medvedev Oleg A.: Ural Branch of the Federal Government
Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil
Defense and Emergencies" (Federal Center of Science and
high technology), Head of the branch.
620100, Ekaterinburg, str. Bolshakov, 11a.
Tel.: (343) 261-226-90.
E-mail: [email protected]
Mikheeva Elena V.: Ph.D (Biology Sc.), Ural Branch of the Federal Government Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies" (Federal Center of Science and high technology), Senior Researcher. 620100, Ekaterinburg City, str. Bolshakov, 11a. Tel.: (343) 261-226-90. E-mail: [email protected]
Odaryuk Victoria A.: Ph.D (Chemical sc.), Federal Government Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies" (Federal Center of Science and high technology), Senior Researcher. 121352, Moscow, str. Davydkovskaya, 7. E-mail: [email protected]
Author's personal identification code in SPIN-scientific electronic library elibrary.ru and system SCIENCE INDEX — 1194-2887.
Maklakov Alexander S.: Federal Government Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies" (Federal Center of Science and high technology), Deputy Head of Department. 121352, Moscow, str. Davydkovskaya, 7. Tel.: (499) 449-90-37. E-mail: [email protected]
Avgutsevichs Anton H.: Federal Government Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies" (Federal Center of Science and high technology), Research Associate. 121352, Moscow, str. Davydkovskaya, 7. Tel.: (499) 449-90-37. E-mail: [email protected]
Author's personal identification code in SPIN-scientific electronic library elibrary.ru and system SCIENCE INDEX — 8652-2190.
