ЧАСТЬ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОБЪЕКТЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Вопрос исследования НТ в наше время очень актуален. В настоящее время НТ-разработки ведутся по всему миру практически во всех отраслях промышленности. Это мотивируется тем, что в условиях рыночной экономики применение НТ-материалов уже на первом этапе их появления способно резко изменить свойства традиционных продуктов, а значит – сделать более конкурентоспособными даже хорошо известные товары, не говоря уже о тех НТ-продуктах, которые обязаны своим появлениям исключительно НТ.

В последние годы происходит общее замедление темпов развития мировой экономики, в первую очередь в США. Снижение общеэкономических показателей ведет к сокращению спроса на многие промышленные товары, а в случае дальнейшего спада положение будет еще более усугубляться. В этих условиях НТ могут сыграть роль глобального рычага, который способен в перспективе обеспечить устойчивое развитие стран и народов, подвергающееся в XXI веке новым тяжким испытаниям – не только климатическим, но и социальным, и политическим. Новейшие нанотехнологии наряду с компьютерно-информационными технологиями и биотехнологиями являются фундаментом научно-технической революции в XXI веке, сравнимым и даже превосходящим по своим масштабам с преобразованиями в технике и обществе, вызванными крупнейшими научными открытиями XX века.

В развитых странах осознание ключевой роли, которую уже в недалеком будущем будут играть результаты работ по нанотехнологиям, привело к разработке широкомасштабных программ по их развитию на основе государственной поддержки.

Наноразработки ведутся сегодня практически во всех отраслях промышленности, т.к. применение наноматериалов способно изменить свойства традиционных продуктов, а значит, сделать товар более конкурентноспособным.

В данной работе можно выделить следующие пункты:

Во-первых, актуальность нанотехнологий и наноматериалов в современном мире, в связи с низкой ценой на затраты и очень перспективное будущее,

Наноматериалы успешно используются в промышленности, медицине фармацевтике, автомобилестроение, энергетике, электротехники и т.д.

Во-вторых, огромные инвестиции со стороны государства, или частных фондов, т.е. можно представить, что государство серьезно вкладывается в этот сегмент отрасли, а значит верит в его перспективное будущее.

В-третьих, развитие НТ способствует появлению в вузах специальностей, связанных с исследованиями НТ, что в свою очередь способствует преодолению дефицита научных кадров в области НТ.

ЧАСТЬ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОБЪЕКТЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Определение, терминология

Нанотехнология - комплекс методов, который позволяет создавать объекты наноразмеров (от 1 до 100 нм). Такие объекты имеют особые свойства. Именно эти свойства наноматериалов позволят использовать их для новейших научных достижений. Уже сейчас нанотехнологии - наиболее перспективное и финансируемое направление в мировой науке.

Использование нанотехнологий:

-Медицина

Наносенсоры обеспечат прогресс в ранней диагностике заболеваний. Это увеличит шансы на выздоровление. Мы сможем победить рак и другие болезни. Старые лекарства от рака уничтожали не только больные клетки, но и здоровые. С помощью нанотехнологий лекарство будет доставляться непосредственно в больную клетку.

-Строительство

Нанодатчики строительных конструкций будут следить за их прочностью, обнаруживать любые угрозы целостности. Объекты, построенные с использованием нанотехнологий, смогут прослужить в пять раз дольше, чем современные сооружения. Дома будут подстраиваться под потребности жильцов, обеспечивая им прохладу летом и сохраняя тепло зимой.

-Энергетика

Мы меньше будем зависеть от нефти и газа. У современных солнечных батарей КПД около 20%. С применением нанотехнологий он может вырасти в 2-3 раза. Тонкие нанопленки на крыше и стенах смогут обеспечить энергией весь дом (если, конечно, солнца будет достаточно).

-Машиностроение

Всю громоздкую технику заменят роботы – легко управляемые устройства. Они смогут создавать любые механизмы на уровне атомов и молекул. Для производства машин будут использоваться новые наноматериалы, которые способны снижать трение, защищать детали от повреждений, экономить энергию. Это далеко не все сферы, в которых могут (и будут! ) применяться нанотехнологии. Ученые считают, что появление нанотехнологий – начало новой Научно-технической революции, которая сильно изменит мир уже в ХХI веке. Стоит, правда, заметить, что в реальную практику нанотехнологии входят не очень быстро. Не так много устройств (в основном электроника) работает " с нано". Отчасти это объясняется высокой ценой нанотехнологий и не слишком высокой отдачей от нанотехнологической продукции.

Методы исследования наноматериалов

В силу того, что нанотехнология — междисциплинарная наука, для проведения научных исследований используют те же методы, что и «классические» биология, химия, физика. Одним из относительно новых методов исследований в области нанотехнологии является сканирующая зондовая микроскопия. В настоящее время в исследовательских лабораториях используются не только «классические» зондовые микроскопы, но и СЗМ в комплексе с оптическими и электронными микроскопами, спектрометрами комбинационного (рамановского) рассеяния и флюоресценции, ультрамикротомами (для получения трёхмерной структуры материалов).

Одним из методов, используемых для изучения нанообъектов, является сканирующая зондовая микроскопия. В рамках сканирующей зондовой микроскопии реализованы оптические методики. С помощью сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) можно не только увидеть отдельные атомы, но также избирательно воздействовать на них, в частности, перемещать атомы по поверхности. Учёным уже удалось создать двумерные наноструктуры на поверхности, используя данный метод. Например, в исследовательском центре компании IBM, последовательно перемещая атомы ксенонa на поверхности монокристалла никеля, сотрудники смогли выложить три буквы логотипа компании, используя 35 атомов ксенона

ЧАСТЬ 2. МИРОВОЙ РЫНОК НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Медицина и фармацевтика

Наномедицина — нанонаука и наноинженерия, применяющие комплекс подходов для обеспечения применения нанотехнологических разработок в сфере практической медицины и здравоохранения.

Нефте- и газопереработке

Обоснована определяющая значимость нанотехнологий в добыче нефти и газа. Проведен анализ нанотехнологий для добычи нефти и газа и нанотехнологий в добыче нефти и газа при вытеснении нефти и газа из пористых сред. Показано, что характерный размер явлений, определяющих эффективность нефтевытеснения в пористых средах, - капиллярный гистерезис, ионнообмен, размер асфальтенов - составляет десятые доли нанометра. Целенаправленное регулирование химического и ионного состава закачиваемых в пласт агентов, а также воздействие физическими полями на пласт, особенно глиносодержащий, приведет к изменению ионного равновесия в системе «нефть-газ-вода-порода» и повышению нефтегазоизвлечения. Физико-химические технологии, обеспечивающие высокую эффективность вытеснения нефти и газа в пористых средах, - это нанотехнологии, а особым объектом исследований нефтегазовой науки являются физико-химические наноявления в геологических телах, пластовых флюидах и промысловом оборудовании.

Рынок наноматериалов

Несмотря на общие тенденции к замедлению и сокращению рынка полупроводников, освоение наноматериалов будет идти ускоренными темпами, и не в последнюю очередь благодаря стремлению поставщиков увеличить прибыльность за счет сокращения себестоимости производства – к такому выводу пришли исследователи рынка из компании The Information Network. Средний ожидаемый ежегодный прирост данного сегмента – более 40% на период до 2015 г. Согласно опубликованному прогнозу, уже в следующем году применение наноматериалов в полупроводниковых приложениях вырастет на 63%, что увеличит объем рынка до 800 млн долл. Аналитики считают, что к 2015 г. наноматериалы потеснят традиционные полупроводники, главным образом в RFID-метках и разнообразных сенсорах, приблизительно на 58%, отвоевав у них рынок в объеме около 7 млрд долл. В ближайшей же перспективе наиболее активное использование наноматериалов ожидается для выпуска тонкопленочных поликристаллических элементов солнечных батарей методом струйной печати, с красящими материалами, содержащими наночастицы

Рынок нанокомпозитов

Нанокомпозиты разработаны для усиления технических характеристик материалов в ряде сложных областей применения путем улучшения структурных, функциональных или эстетических свойств. Нанокомпозиты можно классифицировать по типу. Например, углеродные нанотрубки, оксид металла, нановолокна, наноглины, графен и другие.

На основе типа полимера нанокомпозиты можно разделить на термопласты и реактопласты. Также их можно классифицировать по рынкам потребления: упаковка, автомобилестроение, электроника и полупроводники, авиакосмическая и оборонная промышленность, энергетика, покрытия и другие промышленные отрасли.

Полимерные нанокомпозиты предлагают уникальное сочетание свойств, что делает их привлекательной альтернативой традиционным материалам в упаковочной промышленности, а потому упаковвка доминирует на рынке нанокомпозитов: в 2014 году на нее пришлась наибольшая доля рынка.

Спрос на легкие детали для автомобилестроения открыл новые возможности нанокомпозитам благодаря их высокой прочности и малому весу. Воспользоваться преимуществами полимерных накомпозитов автомобильная промышленность может в производстве таких компонентов, как двигатель и коробка передач, подвески и тормозные системы, выхлопные системы и каталитические нейтрализаторы, смазки, шины и детали корпуса.

В денежном выражении объем рынка полимерных нанокомпозитов, по прогнозам исследовательской компании MarketsandMarkets (США), достигнет 5, 1 млрд. долларов к 2020 году.

Азиатско-Тихоокеанский регион (АТР) – основной потребитель полимерных нанокомпозитов в мире, на втором месте стоит Европа. Вместе на Европу и АТР в 2013 году в денежном выражении пришлось более 60% рынка полимерных нанокомпозитов. Среднегодовой темп роста в Азиатско-Тихоокеанском регионе, по прогнозам MarketsandMarkets, будет самым быстрым и сохранит за регионом лидирующую позицию на рынке благодаря новым областям применения в электрике и электронике, а также в автомобилестроении. В Европе применение полимерных нанокомпозитов продолжает расти в автомобильной отрасли, где они заменяют собой другие материалы.

Рынок полимерных нанокомпозитов слабо фрагментирован, основную долю в производстве и поставке занимают компании 3D System (США), Foster Corporation (США), Industrial Nanotech (США), Hybrid Plastics Inc. (США), Inframat Corporation (Великобритания), InMat Inc. (США) и Nanocor Incorporated (США). Компании вынуждены конкурировать друг с другом в ценах и широте ассортимента, внедряя передовые технологии, чтобы отвечать требованиям рынка.

Рынок нанопокрытий

Стремительно догоняя сегмент традиционных покрытий, сегмент нанопокрытий, по оценкам аналитиков, к 2020 году достигнет $ 8, 17 млрд. «Объем их потребления увеличится до 1263 тысяч тонн», – уверены специалисты Grand View Research.

С развитием технологий спрос на них продолжает расти. Если в 2012 году объем потребления нанопокрытий оценили в 225 тысяч тонн (и $ 1, 49 млрд.), то в 2012 году показатель достиг уже 309, 5 тысяч тонн.

Рассмотрев функциональные типы наноматериалов, сотрудники Grand View Research сделали вывод, что наиболее быстрорастущим сегментом рынка станут покрытия, на которых не остаются отпечатки пальцев. В период с 2014 года по 2020 год средний темп роста составит 23, 2%. Такие покрытия будут востребованы в первую очередь в электронике и автопроме.

Противомикробные покрытия, уже широко используемые в медицине и даже строительстве, не отстают от первых. Этот сегмент рынка будет расти в среднем на 22, 9%. В 2013 году его объем составил 90, 9 тысяч тонн и $ 541, 6 млн.

Исследователи утверждают, что основной отраслью потребления нанопокрытий стало здравоохранение. В 2013 году на его долю пришлось 43, 7 тысяч тонн от общего объема потребления.

Среди регионов по объему потребления нанолакокрасочных материалов лидирует Северная Америка, которой в 2013 году понадобилось 128, 7 тысяч тонн покрытий – более 40% от общего спроса.

Значительный рост, вероятно, ожидает и европейский рынок в связи с жесткими экологическими требованиями, которые распространяются и на лакокрасочные материалы. Окажет влияние и рост цен на сырье для традиционных ЛКМ.

Что касается Азиатско-Тихоокеанского региона, спрос будет расти преимущественно в таких отраслях, как электроника, здравоохранение и автомобилестроение. По мнению представителей отрасли, ключевую роль в этом сегменте играют инновации. Поэтому многие компании разрабатывают все новые решения, чтобы получить конкурентные преимущества.

Венчурные фонды.

Российско-Казахстанский венчурный фонд нанотехнологий

РОСНАНО и АО «Kazyna Capital Management» («КСМ») создают Российско-Казахстанский венчурный фонд нанотехнологий («РКВФН» или «Фонд») с целью инвестирования в компании, осуществляющие свою деятельность в сфере нанотехнологий.

Цель проекта

Основными целями создания венчурного фонда является стимулирование развития и внедрения нанотехнологий в экономиках двух стран, развитие инновационной активности частного капитала, а также получение высокой доходности на вложенный капитал для инвесторов Фонда путем инвестирования в проектные компании в сфере наноиндустрии в Российской Федерации и Республике Казахстан.

Фонд создается на 10 лет.

Участники проекта:

ГК РОСНАНО

АО «Kazyna Capital Management» («КСМ»)

ВТБ Капитал (управляющая компания)

I2BF Holdings (управляющая компания

Финансирование проекта

Целевой размер фонда составит 100 млн. долларов. Из них:

РОСНАНО

25 млн. долларов

АО «Kazyna Capital Management»

25 млн. долларов

Планируется, что выбранные управляющие компании Фонда — ВТБ Капитал и I2BF Holdings — дополнительно привлекут средства частных инвесторов в размере от $50 млн. до $100 млн.

Ход реализации проекта

Декабрь 2009 года

Наблюдательный совет РОСНАНО одобрил участие корпорации в проекте

Июль 2010 года

Определены управляющие компании Фонда.

Российско-казахстанский фонд нанотехнологий перейдет в совместное управление к «ВТБ Управление активами» и международной венчурной компании I2BF Holdings. Обе компании выступят как единая сторона, которой будет передано в доверительное управление имущество фонда.

Октябрь 2010 года

РОСНАНО, Казына Капитал Менеджмент, ВТБ Капитал и I2BF Holdings подписали соглашение о намерениях по созданию российско-казахстанского фонда нанотехнологий…

Фонд будет учрежден как Партнерство с ограниченной ответственностью или в другой соответствующей юридической форме и в юрисдикции, предложенной управляющей компанией и приемлемой для РОСНАНО и КСМ. Структура Фонда будет включать закрытый паевой инвестиционный фонд особо рисковых (венчурных) инвестиций («ЗПИФ ВИ»), зарегистрированный в России для осуществления обязательств РОСНАНО. Управляющие компании будут ответственны за создание Фонда, который, как предполагается, начнет свою деятельность в 2011 году.

Управление деятельностью фонда, в том числе: поиск, проведение необходимых экспертиз проектов, структурирование, мониторинг хода реализации проектов и выход из проектных компаний, привлечение средств потенциальных инвесторов и осуществление взаимодействия со всеми органами фонда, а также другими регулирующими и надзорными органами и Инвесторами будут осуществлять выбранные Управляющие компании.

Критериями отбора инвестиционных проектов станут научно-технические критерии, в том числе соответствие сфере нанотехнологий, научная обоснованность и техническая реализуемость проектов, и инвестиционные критерии, как финансовая эффективность проектов и минимизация рисков инвестирования с учетом юридических, маркетинговых, финансовых, патентных, производственно-технологических и иных факторов.

Государственные инвестиции

" Роснано" инвестирует в проекты по производству нанотехнологической продукции 30, 7 млрд рублей в 2015 году. Это предполагает краткосрочный финансовый план " Роснано" на следующий год, утвержденный советом директоров. Об этом сообщает ТАСС.

" Согласно утвержденному документу в 2015 году " Роснано" инвестирует в проекты производства нанотехнологической продукции 30, 7 млрд рублей", — говорится в сообщении.

На обслуживание долгосрочных инвестиционных кредитов и займов, привлеченных под государственные гарантии РФ, будет направлено 31, 1 млрд рублей, ООО " УК " РОСНАНО" в качестве комиссии за управление активами будет выплачено 3, 3 млрд рублей (без НДС).

ОАО " Роснано" создано 11 марта 2011 года в результате реорганизации госкорпорации " Российская корпорация нанотехнологий", основанной в 2007 году. В 2013 году была создана новая структура – ООО " Управляющая компания РОСНАНО", которая будет управлять как самим " Роснано", так и новыми инвестиционными фондами, которые будут созданы в рамках партнерств с крупными игроками рынка. В конце апреля был утвержден бюджет УК " Роснано" на 2014 год: его доходная часть составила 3, 7 млрд рублей, а расходная – 3, 66 млрд рублей.

Совет директоров ОАО " РОСНАНО" перенес срок привлечения в капитал ООО " УК " РОСНАНО" сторонних международных и российских инвесторов. Об этом говорится в сообщении РОСНАНО по итогам заседания совета директоров.

" Совет директоров утвердил стратегию РОСНАНО до 2020 года в новой редакции. В числе изменений — перенос срока привлечения в капитал ООО " УК " РОСНАНО" сторонних международных и российских инвесторов на период после 2015 года, что обусловлено новыми внешними вызовами", — говорится в сообщении. Совет директоров также исключил пункт о том, что в 2014 году максимальная доля частных инвесторов в уставном капитале УК " РОСНАНО" должна составлять до 20%.

В соответствии с долгосрочным бизнес-планом ОАО " РОСНАНО" до 2020 года (утвержден в январе 2014 года) УК " РОСНАНО" подлежит постепенной продаже в пользу частных инвесторов. Максимальная доля частных инвесторов в капитале УК " РОСНАНО" в 2014 году могла составлять до 20%, а в 2015 году – до 49%

Объем и динамика рынка

В настоящий момент доля России в общемировом технологическом секторе составляет около 0.3 %, а на рынке нанотехнологий — 0.04 %. Во многом здесь сказался тот факт, что Россия обратила свое внимание на наноразработки на 7–10 лет позже, чем зарубежные страны.
В результате, сейчас Россия значительно отстает от мировых лидеров отрасли — США, Японии и ЕС как по показателям развития НИОКР, так и по коммерциализации изобретений. Об этом свидетельствует и число наших международных нанотехнологических патентов — в 2013 году их было всего около 30 (удельный вес российских изобретений — менее 0.2 %).
Российский рынок нанотехнологий находится на начальном этапе становления, коммерческие приложения нанотехнологий в промышленности практически отсутствуют. Численность предприятий, которые уже приступили к этапу коммерциализации своих изобретений, составляет менее 20 % от общего числа участников сектора.

Нанопорошки

Нанопорошки

Нанопорошки – только один из многих имеющихся на сегодняшний день наноматериалов. Большинство из них, такие как, например, дендримеры, фуллерин, нанотрубки, нанопрокладки и нанопоры, производятся из ограниченного количества видов сырья. А нанопорошки можно производить из сотен различных материалов. Все наноматериалы, которые производятся в настоящее время, подразделяются на четыре группы: оксиды металлов, сложные оксиды (состоящих из двух и более металлов), порошки чистых металлов и смеси. Оксиды металлов составляют не менее 80% всей производимых порошков. Порошки чистых металлов составляют значительную и все возрастающую долю всего объема производства. Сложные оксиды и смеси имеются в ограниченном количестве. Однако ожидается, что их использование возрастет в долгосрочной перспективе.

Соединенные Штаты отличаются самым большим объемом производства и потребления. Благодаря щедрой поддержке правительства, IPOs и высокой заинтересованности потребителей, американские производители занимаются как научными исследованиями, так и коммерческим производством. Почти все типы нанопорошков, и все порошки, включенные в данное обследование, поставляются хотя бы одним американским производителем. США обеспечивают Европу и, в меньшей степени, Азию многими порошками, необходимыми для промышленности. До сих пор Национальная нанотехнологическая инициатива осуществлялась успешно; производство и потребление, согласно прогнозам, будут расти все быстрее и быстрее.

В Канаде, особенно в провинциях Онтарио и Квебек, располагается большое число производителей и потребителей нанопорошков. В дополнение ко многим ведущим в промышленном производстве нанопорошкам, в Канаде производится широкое разнообразие экзотических редкоземельных оксидов и порошков чистых металлов.

В обеих странах имеются значительные залежи наиболее важного сырья, за исключением некоторых редкоземельных элементов, импортируемых из Китая и Японии. Двусторонняя торговля между США и Канадой находится на высоком уровне благодаря НАФТА (САССТ) и другим торговым соглашениям. Поэтому обе эти страны можно объединить в один регион – Северная Америка.

Европейский Союз, в который входят все страны-производители порошков, за исключением Швейцарии, долго принимал законодательство, необходимое для развития нанотехнологий. Некоторые государства-члены ЕС, такие как Германия и Соединенное Королевство, на раннем этапе разработали свои собственные инициативы и сейчас являются движущей силой европейских научных исследований, производства и потребления нанопорошков. В ЕС нет крупных месторождений сырья. Хотя в настоящее время это не является препятствием для производства нанопорошков, впоследствии такой дефицит может дорого обойтись европейским производителям, поскольку крупные поставщики увеличивают внутреннее производство.

В общем, чем севернее расположена страна, тем больше в ней интерес к нанотехнологиям. В Германии имеется много высококвалифицированных исследователей, хорошо финансируемых лабораторий и промышленных клиентов-энтузиастов. Германские производители порошков изготавливают несколько типов высококачественных порошков для биотехнологий. В настоящее время в британских университетах существуют программы на получение ученых степеней по производству и использованию нанопорошков. Британские компании предлагают широкий выбор порошков. Многие британские специалисты в настоящее время работают в США. Скандинавские страны переживают период повышенного интереса к каждому аспекту нанотенологий, что вдохновляет дальнейшие исследования. Ряд европейских стран, включая Швейцарию, производит ограниченные количества и ассортимент нанопорошков.

Ввиду наличия общих интересов, близости, объединенных инициатив и отсутствия торговых барьеров эти страны сгруппированы вместе в категории Европа.

Структура исследований и производства наноматериалов в азиатских странах имеет много различий. В Корее есть большое число производителей, выпускающих продукты, подобные американским. В Японии головные компании зачастую создают дочерние предприятия по производству порошков для внутреннего использования. Китай предпочитает строить большие региональные заводы, каждый из которых обладает мощным производственным потенциалом. Изобилие редкоземельных оксидов в регионе, даже в Японии, обеспечивает достаточно сырья для будущего применения в электронике. Несмотря на разногласия в прошлом, эти три компании, плюс несколько мелких компаний на Тайване, активно торгуют друг с другом.

Благодаря наличию полезных ископаемых, крупным внутренним инвестициям, многочисленным трудовым ресурсам и торговым преимуществам Китай может стать серьезным участником рынка наноматериалов в ближайшем будущем. Монополия Китая на многие редкоземельные ископаемые и недавно введенный 12% налог на экспорт нанопорошков может иметь отрицательные последствия для западных поставщиков и производителей.

Ряд других стран немного занимаются наноматериалами. Израиль, Австралия и Южная Африка медленно наращивают внутреннее производство и потребление. Индия, крупный поставщик сырья, еще не приступила к крупномасштабным исследованиям и производству.

Наноалмазы

Наноалмазы (общая информация)

Наноалмаз — углеродная наноструктура. Имеет кристаллическую решётку типа алмаза (две ГЦК сдвинутые друг относительно друга на 1/4 главной диагонали). Характерный размер одного нанокристалла 10—100 ангстрем. Наноалмазы или ультрадисперсные алмазы можно рассматривать как специфический наноуглеродный материал, входящий в обширное и все более популярное семейство наноуглеродных кластеров, состоящее из фуллеренов, нанотрубок, нанографита, «луковичной» формы углерода. Алмазные частицы обладают уникальными различными физико-химическими свойствами. Свойства наноалмазов существенным образом зависят от метода получения.

Детонационные наноалмазы

В СССР под руководством Е. И. Забабахина учёные ВНИИТФ в 1962 г. К. В. Волков, В. В. Даниленко и В. И. Елина синтезировали алмазы ударным сжатием графита и сажи в сферических и цилиндрических ампулах сохранения, а в 1963 г для повышения выхода алмаза использовали сжатие смеси графита с металлом-охладителем. В 1962 г. Даниленко предложил замену ампульного синтеза на безампульный с проведением взрывов во взрывной камере. При этом графит помещался непосредственно в цилиндрический заряд из сплава тротил/гексоген ТГ40, а для подавления графитизации и снижения скорости разгрузки образующегося алмаза заряд окружался водяной оболочкой. Это обеспечило резкое увеличение выхода алмаза. В июле 1963 г был выполнен контрольный опыт с зарядом без графита, подтвердивший предположение о синтезе алмаза из углерода продуктов детонации (ПД). На основании фазовой диаграммы углерода и значений P, t точки Жуге при детонационном разложении взрывчатого вещества было показано, что свободный углерод должен конденсироваться в форме алмаза. При этом взрывчатое вещество должно обладать отрицательным кислородным балансом. Главным преимуществом конденсации атомарного углерода продуктов детонации по сравнению с синтезом из графита является то, что в данном процессе отсутствует необходимость расходования энергии и времени на разрушение или перестройку исходной кристаллической решётки графита. Проблема в этом случае заключается в сохранении ультрадисперсного алмаза (УДА) от окисления и графитизации. В 1963—1965 гг показано решающее значение охлаждения ПД за счёт превращения потенциальной энергии ПД в кинетическую энергию оболочки, окружающей заряд. Заряд ПГ 40, сформированный в форме удлиненного цилиндра, давал выход УДА 8-12 % от массы заряда при содержании УДА в шихте до 75 %. В США первое сообщение о синтезе УДА появилось только в 1988 г. Их содержание в саже, по сообщению авторов, составило 25 %. Таким образом, России принадлежит приоритет в синтезе детонационных наноалмазов. Однако, несмотря на серию удачных экспериментальных работ в самом начале 60-х гг, далее исследования были практически приостановлены, поскольку интенсивное развитие в то время получало исследование и производства алмазов каталитического синтеза, а внедрение новых методик синтеза УДА встретило препятствие со стороны неподготовленной промышленности. В 1982 г синтез наноалмазов был налажен сразу в нескольких научных центрах СССР, однако мощности производства существенно превосходили потребность в наноалмазах. В 1993 г ряд производств был свернут и вплоть до 2003 г его не возобновляли. До настоящего времени сохранились производства ДНА в Санкт-Петербурге, Снежинске, Белоруссии и на Украине. В последнее время интерес к ДНА начал проявляться у исследователей во всем мире. ДНА получают путем химических превращений на фронте детонационной волны при взрыве мощных взрывчатых веществ (смесь тротила и гексогена). В газах, образующихся при детонации ряда взрывчатых веществ, содержится значительное количество свободного углерода, из которого в условиях высоких температуры и давлений, достигаемых при взрыве, формируется алмазная фаза углерода. Наноалмаз- самая устойчивая термодинамическая форма углерода. На сегодняшний день не существует единой теории образования ДНА.Согласно представлениям о термодинамике образования ДНА, основным аспектом, обеспечивающим возможность возникновения алмазов в процессе адиабатического распада углерода взрывчатого вещества с отрицательным кислородным балансом, является факт конденсации свободного углерода в алмазной или жидкой фазе. Адиабатическое расширение продуктов детонации следует за детонацией. При этом условия стабильности алмаза сохраняются недолго. Если плотность продуктов детонации близка к начальной плотности взрывчатого вещества, то условия стабильности алмаза сменяются условиями стабильности графита. При адиабатическом разлете давление продуктов детонации падает быстрее температуры, поэтому термодинамическое состояние углеродной компоненты оказывается в области устойчивости графита при высокой температуре, что способствует фазовому переходу алмаза в графит. Но при некоторой температуре скорость графитизации понижается и поэтому на этих (последних) стадиях разлета продуктов детонации количество углерода, перешедшего из алмазной фазы в графитную, становится пренебрежимо малым — это «заморозка» графитизации и сохранение алмазной фазы. Таким образом, переход алмаз-графит происходит при условии превышения температуры заморозки графитизации. Если Т> > Тзам, то весь алмаз успевает превратиться в графит, и в остывших продуктах детонации УДА не обнаруживается. Таким образом, температура имеет решающее значение, и в этом процессе она во многом определяется конфигурацией заряда (теплопроводностью среды). Оптимальными условиями образования УДА в детонационной волне и его сохранения является относительно высокое давление при низкой температуре продуктов детонации, соответствующие точке Чепмена-Жуге. Таким образом, в детонационном синтезе наноалмазов присутствуют 3 стадии:

1.Образование свободного углерода в результате детонационного превращения взрывчатого вещества.

2.Быстрое расширение продуктов детонации и охлаждение алмазных частиц ниже температуры графитизации.

3.Интенсивный тепломассообмен между продуктами детонации и средой, окружающей заряд.

Начиная с конца 90-х, НА использовались как компонент сорбентов смазок, полировочных композиций и как добавка к электролитическим и др. осадительным ваннам. До сих пор много потенциальных применений этого наноматериала, включая биомедицинские области и области структурных композитов, остаются неосвоенными. Детонационный синтез алмазов является сравнительно дешевым и быстрым по времени способом производства искусственных алмазов. Однако, среди семейства искусственных алмазов детонационные наноалмазы на сегодняшний день занимают наименее выгодное положение. Это обусловлено многими факторами: трудоемкая технология очистки алмазов детонационного синтеза, вызванная как низким процентным содержанием алмазного углерода в продуктах детонации, так и дополнительным загрязнением со стороны детонационной камеры; высокая степень их полидисперсности как следствие стихийности детонационного процесса. Но главным, по-видимому, препятствием к широкому использованию ДНА является невоспроизводимость получаемого продукта в партиях, выраженная в разноразмерности, разном элементном и функциональном составе; отсутствие единого стандарта параметров среди разных производителей и как следствие, точного определения наноалмаза детонационного синтеза. Поэтому, любые работы по исследованию, модифицированию, нахождению новых областей применения ДНА, являются актуальными, поскольку открывают пути использования данного продукта. Это объясняет повышенный интерес исследователей во всем мире в 2000-х годах к наноалмазам вообще и к детонационным наноалмазам в частности, как к наиболее доступным из всего семейства алмазов.

В настоящее время термин «наноалмаз» применяется, вообще говоря, к нескольким объектам: наноалмазные кристаллы, встречающиеся в метеоритах, кристаллические зерна поликристаллических алмазных пленок и, наконец, наноалмазные порошки и суспензии, получаемые методом детонационного синтеза.

УДА можно получать с заданными свойствами и успешно применять в качестве сорбентов, катализаторов, лекарственных препаратов.

Способы их добычи

На сегодня существует несколько способов получения алмазных наночастиц. Среди них наиболее распространены следующие:

1. получение из природных алмазов физическими методами;

2. синтез при сверхвысоких давлениях и температурах;

3. электронно- и ионно-лучевые методы, использующие облучение углеродсодержащего материала пучками электронов и ионами аргона;

4. химическое осаждение углеродосодержащего пара при высоких температурах и давлениях;

5. детонационный синтез;

6. электрохимическое осаждение на аноде.

Применение наноалмазов

Оказалось, что детонационные наноалмазы обладают рядом необычных свойств. Исследования последних лет показали, что наноалмазы могут быть использованы для создания нано композиционных материалов, элементов наноэлектроники, селективных адсорбентов и катализаторов, объектов медико-биологического использования. Применение наноалмазов:

Полировальные композиции

Современная лазерная техника, оптика и твёрдотельная электроника, включая микро, опто-, акусто-, магнито-, СВЧ-, криоэлектронику и др. разделы, базируются на большом разнообразии материалов. Здесь требуется получение высокосовершенной по геометрическим, структурным и химическим свойствам поверхности кристаллов посредством технологии финишного химико-механического полирования (ХМП). В Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН разработан ряд (устойчивых более года) химически активных полировальных композиций на основе наноалмазов. Композиции прошли апробацию в технологии обработки металлов, полупроводников и диэлектриков. Некоторые из них способны эффективно полировать несколько (от 3 до 15) кристаллов, имеющих различный состав, кристаллографическую ориентацию, электропроводность, способ получения и назначение. Шероховатость рельефа большинства кристаллов составляет доли и единицы нанометров. На поверхности отсутствуют сколы, трещины, микроцарапины, участки травления и др. макродефекты, поверхностный слой не содержит дислокаций обработки и упругих напряжений. Физическим Институтом им. П. Н. Лебедева РАН, Московским государственным институтом стали и сплавов и научно-производственным объединением “Детонационные Наноалмазы” создан научно-учебный и производственный центр “Наноповерхность”. В настоящее время белорусская фирма “Синта” разрабатывает проект по производству наноалмазов глубокой очистки в объеме около 1000 кг в год, на базе которых возможно изготовление различных полировальных композиций. В НПО «Алтай» (Бийск) разработаны Технические условия " Составы полирующие на основе детонационных наноалмазов " БИКА" (ТУ 07508902-204-2008).

Гальванические покрытия

12 3 4 5 6 7 8 9 Следующая ⇒