Взгляд в будущее нанотехнологий

Фонд Lloyd’s Register Foundation подготовил и опубликовал отчет о потенциальном влиянии развития нанотехнологий на безопасность и производительность инженерных активов, а также инфраструктуру, на которую опирается современное общество.

 

Наиболее яркий пример влияния нанотехнологий на развитие общества, это стремительное развитие электроники в последние 20 лет. Поколение компьютеров, мобильных телефонов, цифровых камер, планшетов и связанных с ними технологий опираается главным образом на методы производства и измерений на наноуровне с использованием инструментов нанотехнологий. Ожидаемый объём рынка бытовой электроники в 2014 году — 289 миллиардов долларов. Экспертный совет Lloyd’s Register Foundation обращает внимание, что эта индустрия будет продолжать вводить новшества, расти и существенно изменять мир вокруг нас.

В целом эксперты фонда Lloyd’s Register Foundation выделили четыре технологических инструмента реализации, где нанотехнологии станут значительным инновационным фактором:

  • распространение механизмов измерения (сенсорика),
  • умные материалы,
  • генерация и хранение энергии,
  • супермассивы данных.

Также эксперты принимают во внимание существование определенных рисков контакта наночастиц с человеческим организмом и отмечают значимость контроля качества, сертификации и контролепригодности производимых наночастиц.

 

Всеобъемлющие измерения (Сенсорика)

Прямым следствием миниатюризации, доступной благодаря нанотехнологиям, является способность производить все более миниатюрные датчики. Это могут быть как сенсоры, добавляемые в раствор бетона для определения его химических характеристик и распределение нагрузки в материале, так и датчики вводимые в тело человека для контроля ключевых физиологических или биохимических показатели. Датчики могут быть вшиты в архитектуру системы, могут быть беспроводными, с автономным питанием, или могут быть активируемыми только на время запроса, когда подключение питания и считывание данных будет производиться извне.

Возможность внедрения датчиков даже в самые базовые материалы, такие как бетон, породило концепцию всепроникающего или вездесущего зондирования. Эта концепция позволяет, с одной стороны, производить мониторинг долгосрочной стабильности и поведения строительных материалов, а с другой стороны, дает возможность контролировать сложную систему с оптимальной эффективностью благодаря постоянному мониторингу всех аспектов состояния системы.

Широкое распространение датчиков принципиально зависит от уровня миниатюризации компонентов для уменьшения физических размеров, увеличения сложности / логических способностей и уменьшения потребления энергии; все это — прямое следствие способности производства использовать нанотехнологии.

Внедрение датчиков в важные структурные компоненты позволяет улучшить и расширить возможность контроля узлов и систем на всех этапах жизненного цикла продукции — производства, распределения, эксплуатации и утилизации. Подобный контроль активов в реальном времени важен не просто для контроля целостности цепи поставок, но и для улучшения способности предсказывать и контролировать неисправности, степень износа и производительность компонентов.

Датчики в контурах управления или даже в протяженных системах повысят эффективность на всех уровнях. На локальном уровне, например в автомобиле, это может быть повышение эффективности силовых агрегатов. На промежуточном уровне это может повлиять на улучшение работы электростанции, благодаря контролю всех аспектов её функционирования. Более высокий уровень мониторинга позволит управлять всей системой, например, перевозкой продукции от завода до потребителя. Использование мониторинга окружающей среды, позволит системе адаптироваться к меняющимся условиям.

Результатом повсеместного мониторинга и повышения уровня интеллектуальности контуров управления стало, например, появление автономных транспортных средств. Нет никаких сомнений, что эта технологическая революция будет продолжаться, и обычным делом станет отпавшая потребность в личном управлении транспортным средством, судном или даже, возможно, самолетом. Есть здесь и определенная трудность, она заключается в том, каким образом можно обеспечить безопасность для таких автономных систем, как продемонстрировать отказоустойчивость механизмов и их устойчивость к внешним помехам, учитывая, что такие системы требуют постоянной электронной коммуникации.

 

Рис. 1. Всеобъемлющие измерения.
Рис. 1. Всеобъемлющие измерения.

Умные материалы

Разнообразие типов материалов, доступных для использования при решении особо важных инженерных и конструкторских задач, позволяет говорить о революции в данном направлении. Например, в Боинге 787 Дримлайнер (Boeing 787 Dreamliner) значительная доля элементов изготовлена из пластмасс и композитов на основе углеродных волокон. Композиты, где одной из составляющих являются наночастицы, уже используются в определённых нишевых областях применения. Существует ряд потенциальных преимуществ, которые можно получить при использовании материалов с наноразмерными или наноструктурированными составляющими.

Во-первых, в том же ключе, что и создание композитов, армированных углеволокном, с помощью нанотехнологий можно будет разрабатывать более прочные и более лёгкие составляющие для материалов. На данный момент стоимость производства таких материалов значительно выше, чем стоимость традиционных, поэтому новые материалы обычно используются в наиболее значимых сферах, где снижение потребления топлива играет крайне важную роль: космос, авиация. По мере того, как технологии производства будут совершенствоваться, неизбежно произойдёт расширение сферы применения материалов, основанных на нанотехнологиях, за пределы нишевых применений к более повсеместному и полномасштабному использованию.

Вторым преимуществом наноматериалов является то, что можно расширить свойства уже существующих материалов и, следовательно, их функции. Простой пример — использование сверхгидрофобных покрытий, отталкивающих воду. Уже существует противообрастающая краска для применения в судостроении и морских конструкциях, основанная на применении наноматериалов в составе краски. Также можно наноструктурировать поверхность материала, например, так как это выглядит на крыле некоторых бабочек, у которых цвет крылышка зависит не от наличия пигмента, а от того, как свет отражается от наноструктурированной поверхности. Покрытия или добавки также могут придать материалам способность самовосстанавливаться при повреждении или износе.

Другое потенциальное применение наноматериалов — требованиеизменения свойств материала при внешнем воздействии. Уже созданы бронежилеты, где материал мягок и гибок при нормальном использовании, но становится твёрдым при попадании осколка или пули, защищая владельца. Также потенциально возможно менять свойства материала при приложении к нему магнитных или электрических полей. Можно будет делать материал мягким или жёстким просто путём приложения к нему напряжения. Хотя такие виды применений сейчас ещё находятся на стадии научных исследований, очень вероятно, что технологии такого типа начнут появляться на рынке уже завтра.

В дополнение к возможности производить более лёгкие, прочные и адаптирующиеся материалы, имеющие широкое применение, существуют перспективы имитации свойств живой природы, для производства таких материалов, как прочная паутина или покрытия, обладающие свойствами, аналогичными коже на лапках геккона позволяющей ему передвигаться по вертикальной поверхности. Вне зависимости от типа наноматериала, следует ожидать, что они повлияют на все без исключения отрасли промышленности.

Согласно выводам Lloyd’s Register Foundation распространение «умных» материалов переведет мир от использования металлургии к использованию нанокомпозитов и подражающих природе (бионических) материалов, с особыми свойствами, для достижения которых данный материал был специально разработан.

Ещё одна из областей, заслуживающих внимание — потенциальное применение нанотехнологий в области RFID (радиочастотной идентификации). Технология RFID используется в метках, которые хранят информацию в электронном виде, и позволяет считать её бесконтактным способом для автоматической идентификации и отслеживания меток, прикреплённых к предметам. Такие метки имеют относительно большие размеры и дороги в производстве, однако уже ведутся исследования для создания нового поколения RFID-меток с применением нанотехнологий. Эти метки будут практически невидимыми, и информацию с них можно будет получить простым оптическим считывающим устройством. Каждая метка имеет уникальный оптический «штрих-код», состоящий из наноточек, которые активируются при освещении их сканером. Такие метки будут значительно дешевле в производстве, что будет способствовать их массовому использованию для обеспечения точной маркировки, отслеживания и документирования компонентов и сборных узлов.

 

Рис. 2. Умные материалы
Рис. 2. Умные материалы

 

Генерация и хранение энергии

Генерация, накопление и энергоэффективность относятся к вопросам, представляющим интерес мирового масштаба. Глобальные инвестиции в данную область очевидны. Будь то небольшие аккумуляторные батареи с большей емкостью для мобильных телефонов, компактные топливные элементы для сжигания углеводородов, фотоэлектрические элементы или ультраконденсаторы для накопления электроэнергии в электромобилях — всюду нанотехнологии уже играют критическую роль. Для батарей и конденсаторов наноструктурирование обеспечивает более эффективное накопление электроэнергии, в фотоэлектрических элементах – эффективное преобразование света в электричество, а в топливных элементах оно обеспечивает огромную площадь поверхности для преобразования тепла в электроэнергию.

В то же время, с развитием технологий накопления энергии будут значительно изменяться способы управления энергией. Процесс выработки, накопления, использования и переработки станет более интегрированным, что уже видно на примере интеллектуальных сетей (Smart grid). Такие системы дают возможность понять все аспекты энергетической цепи, используя компьютерное моделирование и управление для оптимизации всего процесса, тем самым повышая энергоэффективность. Это существенные изменения в исторически сложившемся бинарном подходе, включающем источник энергии с одной стороны и потребителя – с другой. Такой подход выходит за рамки только лишь оптимизации системы, он также изменяет технологию генерации, накопления и передачи.

Рис. 3. Хранение и генерация энергии
Рис. 3. Хранение и генерация энергии

 

Супермассивы данных

Несмотря на неочевидное влияние нанотехнологий, в будущем будет наблюдаться избыток источников данных, распространяющих непрерывные потоки информации во все сферы нашей жизни. В некоторых случаях такой взрывной рост является следствием информационной революции, в свою очередь вызванной развитием нанотехнологий и стремлением к миниатюризации, но это и последствие всеобъемлющих измерений, описанных выше. На простейшем уровне количество доступной информации требует дополнительных изменений в процессе накопления и передачи, в развитии которых нанотехнологии сыграют критическую роль. Но существуют и другие возможности и задачи.

Кроме непосредственного использования данных, например, для управления системой, необходим также анализ данных для получения важной информации о поведении систем, выявления неисправности или неэффективных компонентов и подпроцессов, и для обеспечения прогнозирующих алгоритмов, позволяющих анализировать ошибки и неисправности системы.

Сами данные становятся мощным коммерческим инструментом, для которого требуются стандарты хранения и использования, чтобы гарантировать, что такие данные могут обоснованно использоваться и толковаться. Например, потоки данных от датчиков были бы почти бесполезным продуктом с точки зрения последующей обработки, если бы не были учтены характеристики самого датчика. Аналогично этому, для данных потребовались бы отметки о времени / дате и пространственном расположении, чтобы сделать данные пригодными к анализу.

 

Нанотехнологии и риск

Как и всё новое, нанотехнологии могут воздействовать на здоровье, окружающую среду и безопасность. Однако существует ряд факторов, затрудняющих определение норм и лучших практик здравоохранении и безопасности при использовании нанотехнологий. Первый фактор – это размер наночастиц, который, как правило, не превышает 100 нм. Такой размер частиц означает, что частицы могут свободно двигаться по живому организму и окружающей среде; диапазон размеров не слишком отличается от диапазона, принятого в химической практике. Таким образом, необходим подход, который, аналогично химическому подходу, учитывает подвижность и длительное время жизни свободных наночастиц в среде, а также потенциальное токсикологическое воздействие на живые организмы.

Вторым фактором является то, что свойства наночастицы могут изменяться с формой и размером. В отличие от более крупных частиц, чьи физические свойства не зависят от формы и размера, наночастицы претерпевают существенные изменения свойств. Так, например, диапазон цветов наночастицы золота от синего до красного может зависеть от размера частицы. Несмотря на то, что такая зависимость от размера и формы является одним из определяющих свойств нанотехнологий, она ограничивает применение факторами здравоохранения и безопасности. Такое осложнение вызвано тем, что если исследовать наночастицу определенной формы и размера с точки зрения ее потенциальных опасностей и рисков, то для наночастицы с другим диапазоном формы и размера может потребоваться новое исследование, несмотря на то, что их химическая структура одинакова. Это накладывает определенную ответственность на контролирующие органы за определение размера, концентрации и формы, а также химического состава наночастиц.

Также встает вопрос о том, свободна ли наночастица или включена в более крупную структуру. Почти для всех случаев применения наночастицы, как правило, входят в состав других материалов, будь то микросхема, композит или краска. В таком случае их биодоступность нуждается в анализе для определения того, будет ли иметь наночастица свободный выход в окружающую среду, что может создать потенциальную опасность. Данный подход следует учитывать, оценивая возможность контакта человека со свободными наночастицами на любой стадии жизненного цикла продукции. Как правило, наибольший риск контакта возникает в случае, когда частицы синтезируются в начале производственного процесса, поскольку тогда они, скорее всего, свободны. Также возникает риск выхода на конечной стадии, когда компонент разрушается или перерабатывается.

Несколько последних замечаний. Во-первых, наночастицы уже присущи окружающей среде: загрязнение, например, городской смог, содержит частицы на основе углерода, образующиеся в результате сжигания ископаемого топлива. Наименьшие наночастицы имеют тот же размер, что и химические и биохимические молекулы и соответствующие клеточные структуры. Поэтому важно различать синтетические (новые) наночастицы и те, которые уже имеются в среде. Во-вторых, размер затрудняет исследования с точки зрения токсикологии, поскольку анализ отдельных частиц возможен только при помощи сложных и дорогих экспериментальных методов. Наконец, следует учитывать и внимание общественности к внедрению новых технологий. Ярким примером может служить до сих пор не утихающие споры о внедрении генномодифицированных продуктов, что стало причиной принятия повышенной ответственности при внедрении новых технологий для обеспечения максимальной строгости в отношении контроля и оценки рисков.

Все вышеописанные вопросы были признаны значимыми на ранних стадиях развития нанотехнологий всеми странами, следствием чего стали серьезные инвестиции в исследования для контроля и оценки возможных рисков. ЕС спонсировал ряд проектов для улучшения понимания и определения количественных показателей рисков, включая интеллектуальную стратегию тестирования наноматериала ITS-NANO, кроме того, посредством ISO разрабатываются международные стандарты для нанотехнологий.

 

Рис. 4. Пример схемы процесса с использованием наночастиц в условиях риска.
Рис. 4. Пример схемы процесса с использованием наночастиц в условиях риска.

 

 

Контроль качества наночастиц

Производство наночастиц – сложнейший процесс, включающий несколько конечных пользователей, приобретающих такие материалы у специализированных поставщиков. Контроль качества, прослеживаемость и сертификация наноматериалов представляют собой проблемный вопрос для пользователей, в частности, поскольку методы анализа и испытаний дорогие, учитывая, что университеты, как правило, единственные организации, имеющие подходящее оборудование и возможность выполнять такие исследования. Стандартизированные аналитические протоколы также отсутствуют.

Дополнительные сложности заключаются в том, что свойства определенных наночастиц могут варьироваться в зависимости от того, как они были изготовлены, или от условий, в которых их получали. Например, свойства углеродных нанотрубок могут изменяться в зависимости от их диаметра и хиральности.

 

Leave a Comment