Нанотехнологии. Правда и вымысел
Шрифт:
Лакокрасочные покрытия и полироли
Один из секторов практического применения достижений нанотехнологий в автомобильной промышленности – получение прочных и стойких материалов, обладающих самоочищающимися свойствами, для лакокрасочных покрытий (KRG) автомобилей и другой транспортной техники, зеркал, керамики, текстиля и ряда других целей.
Формирование заданной наноструктуры (наноинженерия) поверхности может быть выполнено с помощью нескольких основных технологий:
• создания («черчение») рельефа лазерным лучом или плазменным травлением;
• анодного окисления (алюминия) с последующим покрытием специальными веществами;
• придания формы и создания микрорельефа гравировкой;
• покрытия поверхности слоем металлических кластеров, комплексами «поверхностно-активное вещество – полимер» или трехбочных сополимеров, самоорганизующихся в наноструктуры;
• нанесения дисперсией наночастиц с морфологией, не образующей агломератов.
Последняя технология является наиболее многообещающей, так как позволяет образовывать большое число частиц при минимуме затрат. Для формирования таких наночастиц подходят полимеры, сажа, пирогенные кремниевые кислоты, оксиды железа и диоксид титана.
Одна из основных проблем, которую еще предстоит решить, заключается в том, чтобы сформированные поверхности или нанесенные частицы, обладающие новым распределением по размеру и новой структурой, оказались стабильными по отношению к старению и факторам воздействия окружающей среды. Например, ультрафиолетовое излучение может инициировать окисление
Немецкая фирма Duales System Deutschland AG одной из первых представила на проходившей в Ганновере Всемирной выставке «ЭКСПО-2000» новую краску для автомобилей, обладающую самоочищающимся эффектом. Для очистки поверхности сильно загрязненную машину достаточно полить водой.
Более того, в настоящее время имеются разработки на основе нанотехнологий, позволяющие вообще обходиться без воды. На загрязненные поверхности автомобиля из баллона распыляется специальный состав, которой затем растирается салфеткой или полотенцем. В результате не только удаляются образовавшиеся загрязнения, но и осуществляется нанесение защитного самоочищающегося покрытия, остающегося на поверхности более полугода.
Установлено, что любую поверхность можно изменять от су-пергидрофобных до супергидрофильных свойств с помощью розеткообразных частиц пентоксида ванадия (V2O5), которые легко нанести с помощью струйного принтера (или ввести в основу полироли), и последующего облучения ультрафиолетом. При этом гидрофобные свойства вызываются межслойными воздушными полостями размером 2,1 нм. Ультрафиолет обеспечивает создание пар «электрон – вакансия», в которых в кристаллической решетке «дырки» реагируют с кислородом, образуя на поверхности кислородные вакансии, а электроны восстанавливают V5+ до V3+. В свою очередь кислородные вакансии закрываются (поглощаются) водой, делая ее гидрофильной. При длительном нахождении частиц в темноте происходит утрата ими своих гидрофильных свойств за счет замещения воды кислородом.
С 2003 года легковые автомобили Mercedes-Benz серий E, S, CL, SL и SLK покрыты прозрачным лаком с наноразмерными (около 20 нм) керамическими частицами, созданными на основе нанотехнологий, которые в процессе высушивания в лакокрасочном цехе отвердевают, образуя на поверхности лакового покрытия чрезвычайно плотную сетчатую структуру.
Если обычный лак представляет собой длинные молекулярные цепочки связующего вещества с большими расстояниями между перекрестно-сшивающими агентами (рис. 70, слева), то структура нанолака представляет собой разветвленную сеть перекрестных межмолекулярных связей в сочетании с керамическими наночастицами (рис. 70, справа). Благодаря этому в три раза повышается прочность (износостойкость) лака и обеспечивается более интенсивный и долговечный блеск покрытия. Автомобили Mercedes-Benz с лакокрасочным покрытием на основе нанотехнологии отмечены наградой на специализированной выставке Automechanika как «самые легкомоющиеся автомобили 2004 года».
Рис. 70. Длинные молекулярные цепочки связующего вещества и большие расстояния между перекрестно-сшивающими агентами (слева)
Структура износостойкого слоя лака: разветвленная сеть перекрестных межмолекулярных связей в сочетании с керамическими наночастицами (справа).
В настоящее время в области разработки и применения соответствующей нанотехнологической продукции для автомобильной промышленности основная конкуренция развернулась между американскими компаниями PPG, Dupont и Nanovere, а также немецким концерном BASF .
В 2002 году американская компания PPG Industries Inc. представила на автомобильном рынке первое высокоустойчивое керамическое самоочищающееся покрытие – CeramiClear® Clearcoat.
Для самоочистки поверхности фирма использует диоксид титана (TiO2). Его свойства таковы, что покрытие из данного вещества не только окисляет и расщепляет грязь, но и нейтрализует различные запахи и убивает микроорганизмы.
На практике это приводит к тому, что износоустойчивость лакового покрытия возрастает – оказалось, что покрытые лаком нового типа машины сохраняют блеск на 40 % дольше, чем окрашенные обычной краской. Такому заключению предшествовали четыре года экспериментов и 150 окрашенных новой краской «тестовых» автомобилей. В сушильной камере при температуре 140 °C молекулярные цепи «нанолака» вытягиваются, а покрытие становится прочнее «традиционного» в несколько раз. Для повреждения «нанопокрытия» потребовалось усилие 20 мН, тогда как обычное деформировалось уже при 7 мН.
Другое направление использования нанотехнологий в автомобильном машиностроении – исключение экологически вредных красок, содержащих различные растворители, которые выбрасываются в атмосферу во время процесса сушки. Для решения этих проблем вместо традиционных жидких покрытий на водной основе используются порошковые покрытия, которые становятся все более распространенными, поскольку не содержат летучих органических соединений.
Как уверяют в компании DuPont, еще в начале 1990-х годов с активным привлечением последних «нанодостижений» они разработали принципиально новый экологически чистый порошковый материал на водной основе для покраски автомобилей. По словам разработчика, высыхание слоя такой краски при воздействии на него УФ-излучения не превышает десяти секунд.
Аналогичные исследования проводятся и другими конкурирующими фирмами. В 2006 году PPG создала собственный порошковый материал Clearcoat с характеристиками стойкости практически на уровне верхних значений для жидких красителей. С тех пор аналогичные покрытия быстро становятся стандартом в автомобильной промышленности.
В настоящее время компания PPG работает над самовосстанавливающимся лакокрасочным нанопокрытием, позволяющим осуществлять саморемонт царапин и мелких потертостей (матовых поверхностей), возникающих при повседневной эксплуатации автомобиля, за счет его тепловой активации (УФ-излучения).
Американская компания Nanovere также разработала одновременно устойчивую к царапинам и самоочищающуюся краску под названием Zyvere 2K Nanocoating, которая уже была испытана на переднем бампере автомобиля Cadillac CTS-V. При испытаниях автомобиль на некоторых участках трека разгонялся до 320 км/час, но загрязнений или появления царапин на бампере не наблюдалось.
Новое нанопокрытие из наночастиц диоксида кремния (SiO2) для кузовов автомобиля (может также применяться для окраски колесных дисков, самолетов или кораблей), как уверяют разработчики, на 53 % устойчивее к появлению царапин, а за счет самоочистки («эффекта лотоса») – на 60 % к образованию на нем различного рода загрязнений (грязь, пыль, масло, вода и лед).
Еще одно направление применения нанотехнологий – разработка, представленная нанотехнологами компании Nissan . Они придумали так называемое «парамагнитное» покрытие, представляющее собой уникальный полимер из частиц оксида железа.
Под воздействием электрического тока эти частицы меняют способность отражать свет, таким образом, меняется цвет автомобиля.
Цветовая гамма зависит от плотности частиц оксида железа и силы прилагаемого тока (подаваемого на них напряжения). Изменить цвет машины можно одним нажатием кнопки в любое время, в зависимости от настроения, погоды или времени суток. Например, в ночное время цвет автомобиля можно оставить белым, в снегопад или при интенсивном движении – красным, а при плохом настроении – темно-серым и т. д. Однако при выключенном зажигании окраска машины моментально примет свой исходный цвет – белый, что создаст определенные сложности по ее идентификации как самими владельцами (например, на парковке), так и службами автоинспекции. Предполагается, что «хамелеоны» от Nissan должны появиться в продаже уже в 2010 году.
При необходимости «нанопокрытие» сможет также заблокировать проникновение радиосигналов заданных частот в салон автомобиля для защиты от прослушивания со стороны каких-либо спецслужб или конкурентов.
В процессе эксплуатации автомобиля поверхность лакокрасочного покрытия неизбежно окисляется и повреждается, покрываясь царапинами, микротрещинами, сколами, рисками и т. д. Это результат механических повреждений, воздействий агрессивных веществ, солнечного излучения и перепадов температур.
Сохранить лакокрасочное покрытие кузова позволяют полироли и различные средства защиты. Наноструктурированные поверхности изменят существующий подход к очистке и уходу. Особое место среди них занимают современные разработки в области нанотехнологий, например нанополироли для лакокрасочного покрытия и остекления автомобиля, в том числе реализующие «эффект лотоса».
Интересные возможности открываются при сочетании чистящих средств и наноструктур. О некоторых препаратах автохимии, реализующих «эффект лотоса» и применяющихся для повышений качества лакокрасочного покрытия автомобиля, будет рассказано ниже.
Автомобильная нанополироль, реализующая «эффект лотоса», – это, как правило, двухкомпонентный препарат автохимии, состоящий из подготовительной жидкости (растворителя) и собственно полироли, представляющий собой смесь частиц наноматериала (алмаз, оксиды титана, кремния, вольфрама и т. д.) в специальной среде из растворителей и наполнителей. Предназначена она для оптической маскировки локальных потертостей и царапин, восстановления первоначального цвета и свойств лакокрасочного покрытия или остекления автомобиля, а также придания им самоочищающихся свойств.
В 2008 году японскими учеными была создана специальная полироль, полностью состоящая из жидкой неорганической стеклянной структуры, которая не только защищает автомобиль от царапин во время мойки, но и восстанавливает и сохраняет яркость и насыщенность цвета кузова. На поверхности кузова полироль образует защитную стеклоподобную пленку, которая надежно выдерживает действие различных кислот, грязи и обладает водоотталкивающими свойствами («эффектом лотоса»).
Выпускаются нанопрепараты двух видов для остекления автомобилей: специальные защитные водоотталкивающие пленки и двухкомпонентные полироли, состоящие из эффективных растворителей и собственно нанопрепарата.
На рис. 71 представлен механизм «самоочищения» стекла 4 автомобиля, обработанного специальными нанополиролями 1. Поверхность модифицирована таким образом, что капля воды 2 катится по ней, собирая грязь 3, тогда как на гладкой поверхности, наоборот, капля воды, сползая, оставляет грязь на месте.
Гидрофобное покрытие для остекления автомобиля в виде пленок уже используется в автомобильной промышленности при производстве серийных машин – оно наносилось на боковые стекла Nissan Terrano II. Подобное покрытие, хотя не создавало полноценного водоотталкивающего эффекта, но заметно уменьшало пятно контакта поверхности с каплями воды, благодаря чему во время дождя стекло оставалось достаточно прозрачным.
Рис. 71. Схема реализации «лотос-эффекта»: 1 – нанопокрытие; 2 – капля жидкости (воды); 3 – загрязнение; 4 – поверхность (стекло, краска, керамика и т. д.)
После такой обработки вода, снег и грязь не удерживаются на поверхности стекла, а уносятся встречным потоком воздуха, а попавшие на стекло битум, растительные смолы, масляная пленка, прилипшие насекомые и т. д. легко удаляются дворниками даже в самых тяжелых случаях. Ночная видимость становится существенно лучше, а встречный транспорт ослепляет гораздо меньше. В результате водоотталкивающего эффекта и более прозрачного стекла повышается активная безопасность на дороге. Одновременно снижаются расходы на новые стеклоочистители, так как они почти в два раза реже выполняют свои функции.
В настоящее время ведущими автохимическими концернами мира разрабатываются и выпускаются новые нанопрепараты автокосметики с использованием явления «лотос-эффекта», например «антидождь – нанозащита стекла» и «антигрязь – нанозащита шин».
В таблице 15 представлены некоторые препараты безразборного сервиса автомобиля на основе наноматериалов, имеющиеся в настоящее время в открытой продаже.Таблица 15. Препараты безразборного сервиса автомобиля на основе наноматериалов
Мифы военных нанотехнологий
Нанотехнологии способны радикально изменить баланс сил, даже в большей степени, чем ядерное оружие.
Дэвид Джеримайя (David E. Jeremiah), бывший член Объединенного комитета начальников штабов США, 1995 год
Будучи премьер-министром, М. Е. Фрадков на одном из заседаний правительства как-то заявил, что о нанотехнологиях «половина сидящих в этом зале ничего не знает». По его словам, хотелось бы, чтобы над нанопроектами в России работали в таком же режиме, как над атомным проектом при Сталине. Потому как нанотехнологии в настоящее время – примерно то же, что атомная бомба полвека назад.
Пожалуй, самым первым фактом применения нанотехнологий в военных целях следует считать факт, открытый учеными Дрезденского технического университета (Германия) при исследовании образца дамасской стали (известной своей высочайшей прочностью), из которой в XVI веке была изготовлена сабля, хранящаяся в Историческом музее г. Берна (Швейцария). После травления поверхности образца металла в соляной кислоте исследователи обнаружили нитеобразные объекты нанометровых поперечных размеров (рис. 72, а).
При детальном изучении поверхности с использованием сканирующего туннельного микроскопа оказалось, что это многослойные углеродные нанотрубки, к тому же заполненные внутри цементитом – карбидом железа (Fe3C), обладающим очень высокой твердостью. Расстояние между слоями в исследуемых нанотрубках оказалось близким к типичному для таких систем – 0,34 нм.
Поскольку нанотрубки обладают рекордной прочностью на растяжение (модуль упругости приблизительно равен 1012 ТПа), не приходится удивляться тому, что входящие в состав дамасской стали углеродные нанотрубки обеспечивают материалу сабли столь высокие прочностные свойства. Достойна восхищения изобретательность средневековых кузнецов, которые, не имея представления ни о структуре, ни о способах получения нанотрубок, сумели эмпирическим путем создать конструкционный материал, отличающийся исключительными механическими характеристиками, а из него выковать непревзойденное по прочности холодное оружие. Истории известны случаи, когда воин, вооруженный таким оружием, мог с легкостью перерубить саблю противника.