Кераміка в епоху нанотехнології

Кераміка в епоху нанотехнології.

Хімічні нанотехнології оперують з добре відомими хімічними процесами, в яких беруть участь добре відомі органічні або неорганічні елементи та структури. Альо беруть участь смороду лише в "наноскопіческіх" кількостях. Якщо порівняти середні розміри наноелементів з розмірами звичайного футбольного м яча, то їх співвідношення буде таким же, як у футбольного м яча з земною кулею! В результаті, акуратно вибудовуючи мініатюрні структури із знайомих елементів таблиці Менделєєва, сьогодні можна отримати матеріали з дивовижними властивостями, які часом навіть суперечать здоровому глузду.

Деякі сучасні матеріали можуть проявляти потужну здатність, що клеїть, будучи, однак, репелентамі. Інші демонструють найвищу твердість, але залишаються гнучкими. Покриття з таких найтонших матеріалів прозорі, стійки до хімічного впливу, стійкі до корозії, тому область застосування тут справді безмежна.Один із секторів практичних досягнення нанотехнологій ― це отримання міцних і стійких покриттів для кераміки. Покриттів, які самоочищаються від бруду, або до яких бруд не пристає.У 1999 році німецька компанія Nanogate Technologies GmbH з Саарбрюкена перемогла в тендері, оголошеному концерн Duravit AG, на розробка самоочисного покриття для кераміки ― WonderGliss. На виставці CEVISAMA 2000 в Іспанії був свідчень ще один продукт ― покриття для плитки Sekcid, розроблене фірмою в результаті стратегічного партнерства з іспанським концерном Torrecid SA ― Одним зі світових лідерів у сфері виробництва фрітів і глазурі для керамічної промисловості. В даний час йде робота над продуктом Cleartec для душових кабін фірми Duscholux GmbH.

Суть підходу Nanogate досить проста. Уявіть собі дощечку, з якої стирчить ліс гострих цвяхів, забитих зсередини. Або масажну щітку.Уявіть собі клаптик паперу, який буде зображувати пляма бруду.Сила прилипання бруду обумовлена площею поверхні їх взаємного контакту. Якби цвяхів не було і поверхня була б гладкою, то площа контакту не б значною і бруд трималася б міцно. Однак, через гострі кінчиків цвяхів площа контакту мінімальна, і бруд "парити на пуантах".Теж саме відбувається і з краплею води. Вона не може "розтектися" по вістрям і той згортається в пакунку.Тепер, якщо злегка нахилити дощечку, то кулька води покотиться по вістрям і зустрінеться з плямою бруду.Перед плямою "встає проблема вибору": або продовжувати нестійке балансувати на вістрях, або "злитися" з гладкою рівною поверхнею котитися водяний краплі. Природно, вибір вирішується на користь іншого варіанту. І краплі води, обволоченние зустріти на шляху пластівцями бруду, скочуються вниз, залишаючи за собою чисту суху поверхню.

Інший підхід застосували дослідники японського концерну TOTO. Вони проводили експерименти з фотокаталізатором на основі двоокису титану.Під впливом ультрафіолетових променів двоокис титану, модифікована розробниками на основі нанотехнологій, виділяє активний кисень з води або атмосферного кисню. Цей процес подібний фотосинтезу, в якому хлорофіл використовує сонячне світло, щоб перетворити воду і вуглекислий газ в кисень і глюкозу.Виделенного активного кисню цілком достатня, щоб окисляти і розчленувати органічні матеріали або пахучий газ, вбивати бактерії.В результаті досліджень були створені покриття для керамічних матеріалів з принципово новими властивостями ― стерілізованія, деодорування приміщень, руйнування частинок бруду. Особливо це актуально для медичних установ або для приміщень, де готують їжу.

Подальші експерименти з фотокаталізатором дозволили відкрити ще одне незвичайне явище. При впливі світла кут контакту поверхні з водою починає поступово зменшуватися. І через деякий час поверхня починає проявляти властивості супер-гідрофільності.Іншими словами, поверхня не відштовхує воду взагалі, вода не може існувати у формі краплі, вона повністю розтікається тонкої плівкою по всій поверхні, перетворюється на тонку прозору плівку. Базові рішення знайдені японцями, були запатентовані в 1998 році (всього було зареєстровано більше 350 патентів) і отримали комерційна назва Hydrotect.Ця технологія була ліцензована німецьким концерном Deutsche Steinzeug, і в 2000 році на заводах AgrobBuchtal було розпочато серійне виробництво керамічної плитки для облицювання фасадів KerAion Hydrotect.

Будь атмосферна волога туман, ранкова роса, дощ ― постійно утворює на поверхні плитки KerAion Hydrotect тонку плівку води, яка, стікаючи з вертикальних або похилих площин фасаду, захоплює за собою бруд, не дає їй накопичуватися. А активний кисень, що виділяється під впливом ультрафіолету, розщеплює органічні забруднювачі.При цьому ліквідуються і потенційні джерела біоруйнування будівель ― цвіль, грибок, мох і лишайник.Технологія нанесення покриття Hydrotect в кулю останнього випалу плитки дозволяє отримати зносостійку поверхню.Плитка може експлуатуватися і в якості облицювання підлоги в зонах з інтенсивним рухом. Сьогодні всі плитки лінії KerAion випускаються з таким покриттям.

Тут потрібно відзначити один важливий момент. Самоочищаються поверхні розглядаються сьогодні перш за все в загальному контексті боротьби за зниження витрат та робочого часу на обслуговування.За даними ETCSC ― японської комісії з вивчення поведінки плитки в зовнішнім облицюванні ― саме через неминуче поступового накопичення бруду витрати на чищення фасадів, облицьованих звичайної плиткою, за перші вісім років щорічно зростають приблизно на 12,5%. У наступні вісім років щорічне зростання витрат досягає 18% (з урахуванням появи витрат на ремонт). У разі ж плитки з самоочищається поверхнею Hydrotect ці витрати так і залишаються на постійному рівні.

У світі стрімко розгортається новий виток науково-технічної революції, може бути, найважливішою в історії цивілізації. На цей раз мова йде не просто про великих відкриттях і винаходах, начебто парової машини, електрики або енергії атомного ядра. Вони стали справжніми етапами в історії, вплинули на все життя людей. Нині на порядку денному ― такі досягнення науки і техніки, які можуть зробити життя всього людства абсолютно невпізнанною. Вони можуть змінити природу самої людини. Смороду здатні привести людство до фантастичного розквіту, але можуть стати і причиною його зникнення з лиця Землі. Йдеться про наночастинках, про нанооб'об'єктів на їх основі, про всілякі нанотехнологіях.

Розмір наночастинок і нанооб'об'єктів вимірюють в «нанометрах» (нм). Один нанометр дорівнює одній мільярдної частки метра. Ця величина в п'ятдесят тисяч разів менше товщини людської волосини. Розміри такого порядку мають атоми, молекули і їх наноагрегати. І вісь, занурюючись у світ таких маленьких частинок, наука і техніка виявили у них абсолютно нові можливості, якими не володіють фрази об'єкти, звичні нам у повсякденному житті. Стрімко виникають нові науки ― нанофізика, нанохімія, нанобіології, наномедицина і т. д. На базі наукових досягнення відразу ж з'єднання являються нові галузі техніки ― нанотехнології ― для якнайшвидшого застосування на практиці здобутих знань.

Всі ці науки і напрямки є міждисциплінарними, тобто знаходяться на стіки різних наук. І це не випадково. По-перше, опанувати настільки новими та складними для вивчення об'єктами можна лише спільними зусиллями фахівців в різних областях науки і техніки. І, по-друге, досягнення нанонауки і нанотехнології застосовуються в багатьох сферах діяльності людей: у матеріалознавстві, медицини, механіки, машинобудуванні, електроніці, оптиці і т. д. Успіхи в цій новій області були б неможливі без винаходу в 80-х роках минулого століття абсолютно нових мікроскопів для «розглядання» настільки малих часток. Це слово взяте в лапки тому, що сам процес вивчення мало схожий на звичне нам розглядання маленьких частинок у звичайний оптичний мікроскоп. Нові мікроскопи ― електронні, зондові, атомно-силові ― працюють на інших принципах. Крім того, з їх допомогою можна не тільки «побачити» ці фантастично малі фрази об'єкти, але і маніпулювати ними: переміщати, розділяти, з'єднання єднувати. Про все це можна прочитати в численних книгах, патентах і статтях, яких за останні 25-30 років написані вже десятки і сотні тисяч!

У цьому нарисі постараємося коротко розповісти лише про деякі наночастинках і їх надзвичайно цікаві можливості. У 1991 році японський вчений Суміо Ііджіма відкрив наночастинки, які отримали назву вуглецевих «нанотрубок». Така «трубка» являє собою згорнуту в трубку площину, що складається з безлічі конденсованих (зчленованих між собою) вуглецевих шестикутників. Нанотрубки, в залежності від довжини, містять від тисячі до мільйонів атомів вуглецю.Завдяки своїй структурі вони можуть бути такими ж добрими провідниками електричного струму, як мідь, або напівпровідниками, як кремній. Вони можуть проводити тепло так само добре, як алмаз. Тут відразу ж очевидно можливе застосування в електроніці або теплотехніки. З тієї колосальної різницею, що вуглецева нанотрубка в мільярди разів менше звичних нам з повсякденного життя електричних проводів або мікрочіпів.

Тепер читачеві, цілком ймовірно, зрозуміло, наскільки мініатюрними будуть вироби з нанотрубок в порівнянні з сучасними! Більш того, хіміки навчилися приєднувати до вуглецевим атомів нанотрубок атоми різних інших речовин. Цей прийом хіміки називають «функціоналізація» вуглецевих нанотрубок. Завдяки цьому виникає можливість використовувати функціоналізованих вуглецеві нанотрубки як самих різніх нанорозмірних матеріалів для композитів і біологічних систем. Вже доведено, що з таких нанотрубок можна створити найміцніші волокна, які майже в 100 разів міцніше і в 6 разів легше стали! Ще більш широкі можливості відкриває застосування багатошарових нанотрубок, що складаються з декількох одношарових вуглецевих циліндрів, «вкладених» один в одного. Такі нанотрубки відкріті теж японськими вченими у 90-х роках.

Великим науковим досягненням стало відкриття фулеренів. Перший з них ― фулерен С60. Це ― наночастинок, що має форму порожнього кулі і що складається з 60 атомів вуглецю. Оболонка такого кулі побудована з конденсованих п'яти - і шестикутників. Фулерен С60 був відкритий групою американських і англійських учених ― Річардом Смоллі, Гарольдом Крото і Робертом Керлом. За це відкриття вони в 1996 році були удостоєні Нобелівської премії з хімії. Фулерен вважається четвертим алотропна видозміною вуглецю (після алмазу, графіту і карбін). Свою назву фулерен С60 отримав за прізвищем американського архітектора Річарда Фуллера, який сконструював для міжнародної виставки в Монреалі В 1967 році кулястий купол павільйону США у вигляді зчленованих п'яти - і шестикутників. Молекула фулерену С60 за зовнішнім поглядом нагадує футбольний м'яч, тому в літературі зустрічається й інша назва ― «Футбол». Крім фулерену С60 існують і більш складні фулерени: С70 з молекулою у вигляді еліпса, С540 з молекулою у вигляді ікосаедра, а також інші

Молекули фулеренів містять подвійні зв'язки між атомами вуглецю. Тому вони, як і всі ненасичені органічні сполуки, здатні до реакцій приєднання з найрізноманітнішими неорганічними і органічними речовинами: з воднем, хлором, металами. Зокрема, з фулеренів і нанотрубок можна отримувати комбіновані наночастинки. Наприклад, за допомогою атомно-силових мікроскопів встановлена можливість заповнення внутрішніх порожнин нанотрубок фулеренами, бором, солями металів і т. д. Для таких комбінованих наночастинок розроблена своя номенклатура, що зовні нагадує адреси електронної пошти. Наприклад, С60 @ НТ позначає «фулерен всередині нанотрубки».Крім вуглецевих, отримані різноманітні Невуглецеві (неорганічні) нанотрубки та інші наночастинки різної будови: наносфери, наностержні, нанодроту, нановолокна, наноленти, нанолуковіци і ін.

Наночасткою, спорідненої нанотрубок і фулеренів, є графен. Він вважається ще однією двовимірної, аллотропной модифікацією вуглецю. Найближче за будовою графен схожий на графіт. Графіт ― це шаруватий матеріал. Один шар графіту ― це і є графен. Це ― плоска структура товщиною в один вуглецевий атом і що складається з конденсованих правильних шестикутників. За отримання та дослідження графену Нобелівську премію з фізики в 2010 році була присуджена російським ученим, працюючим за кордоном, А. К. Гейму і К. С. Новосьолову. Графен володіє чудовими властивостями ― надзвичайно високою міцністю, а також високу електропровідність, що робить його дуже перспективним наноматеріалів.

Нанотехнології мають хороші перспективи в машинобудуванні та металообробці. Зокрема, це відноситься до виробництва нових металорізальних інструментів з наноструктурованих покриттям. Цей напрямок активно розвивається в Росії і може бути використано в авіадвигунобудуванні, літако - і ракетобудуванні, енергетичному і транспортному машинобудуванні, суднобудуванні. Настільки ж перспективні зносостійкі вироби з наноструктурованих кераміки і металокераміки. До їх числа відносяться підшипники ковзання і кільця торцеві ущільнень, осьової інструмент, змінні багатогранні пластини, ріжучий інструмент на основі нових матеріалів і ін. Дуже цікаві сверхвисокопрочние пружини. Ці перспективні напрямки реалізуються ВАТ «РОСНАНО» спільно з багатьма промисловими підприємствами та науково-дослідними інститутами.

Завдяки нанотехнологій скоро можна буде виробляти нові матеріали з таким поєднанням властивостей, яке важко собі уявити. Наприклад, в Японії отримані тверді матеріали, що володіють гарною райдужні (подібно цінному каменю опалу), альо в тій же година м'яка які і гнучкі (подібно желатину). У США за допомогою нанохімії створений унікальний прозорий матеріал для мікроелектроніки. Він схожий на кераміку, го гнучкий і стійкий до багаторазових навантажень. Такі незвичайні матеріали мають велике значення з метою застосування в охороні навколишнього середовища. У Німеччині їх застосовують для виготовлення спеціальних фільтрів промислових стічних вод від шкідливих домішок, а у Франції ― для нових пристроїв, що очищають автомобільні газові вихлопи. В Японії на основі таких матеріалів створюють нові хімічні джерела електричного струму і сонячні батареї.

Велике значення нанотехнологій для будівництва і архітектури. Білосніжний бетон, самоочищаються скло, углестеклопластік ― споруди з цих матеріалів вже стояти в наших містах. Нанотехнології дали зодчим нові матеріали для втілення їхніх ідей. Поряд з відомими старовинними пам'ятками архітектури, туристів, які відвідують Рим, привертає незвичайний будинок у дусі постмодернізму ― церква Dives in Misericordia ( «Щедрий в милосерді»). Це біла споруда зі збірного залізобетону і скла складається з трьох вигнутих конструкцій, що нагадують раковини або пелюстки квітки. Церква зведена у 2003 році за проектом американського дизайнера Річарда Мейєра, а здійснити його задум допомогла італійська компанія Centro Technico di Gruppo. Проект церкви вимагав особливих технологій: її стіни повинні бути білосніжними і якомога довше зберігати свою чистоту. Для вирішення цих завдань фахівці компанії вибрали цемент, виготовлений ними за новою технологією: у його склад входять наночастки діоксиду титану (TiO2). Завдяки Фотокаталіз поверхню з такого цементу може сама собою очищатися. Відбувається це так: коли сонячні промені торкаються стін будівлі, діоксид титану, що входити в їх склад, діє як каталізатор і прискорює хімічну реакцію. Забруднення самої різної природи ― бактерії, спори бактерій, цвіль, якими покриті стіни будь-якої будівлі, ― просто розкладаються на воду, кисень і солі в присутності каталізатор

Ще одна дивовижна споруда ― Великий національний театр у Повітря. Його автор ― француз Поль Андре. Під сферичної оболонкою зі скла і бетону розташовані три самостійні майданчики ― оперний і концертний зали і театр. Тут же ― численні виставкові павільйони, ресторани і магазини. Архітектор Андре назвавши своє дітище «Містом театрів». Споруда знаходиться посеред штучного озера, через форми купола і відображення у води місцеві жителі назвали театр «яйцем». Скляна поверхня купола завжди прозора, так як покрита тонкої плівкою з каталізатора TiO2, завдяки якому під дією фотокаталізу купол самоочищається. Через панелі багатошарового теплоізолюючого скла можна спостерігати, що відбувається всередині.

Скляний купол Великого національного театру в Повітря покрить самоочищається плівкою.Самоочисний вид цементу використовували і при будівніцтві пам " ятника жертвам Голокосту в Берліні в 2005 році ― безліч бетонних прямокутних плит в центрі міста. Цей пам'ятник пам'ять не покриє цвіль, завдяки наночасткам діоксиду титану, що входять до складу матеріалу бетонних плит. Перераховані вище досягнення нанотехнологій не відносяться до якогось віддаленого майбутнього, а до теперішнього часу, і з них вже видно великий вплив цих досягнення на найрізноманітніші аспекти практичної діяльності.

Що ж стосується майбутнього, то тут відкриваються воістину фантастичні перспективи. Взяти, приміром, біологію і медицину. Тут вже йде активний пошук методів введення штучних наноматеріалів в живі клітини! Це відкриває абсолютно нові перспективи для генної терапії. Вчені створюють спосібі отримання наночастинок, здатних проникати у кровоносні судини. Це робиться з метою отримання високоякісних зображень серця, судин, шлунково-кишкового тракту. Фулерени, нанотрубки, наносфери і інші наночастинки здатні підвищувати якість імплантатів ― біосумісність, механічну міцність, термін служби і т. д. Смороду можуть придбати велике значення при виготовленні штучних клапанів серця. Нові імунологічні тести з допомогою наноматеріалів допоможуть істотно поліпшити діагностику. Полімерні нанокапсули можна буде використовувати для доставки лікарських речовин безпосередньо в хворі органи і тканини

У більш віддаленій перспективи нанотехнології відкриють можливість створення нових матеріалів із заданою структурою та потрібними властивостями взагалі без проведення будь-яких хімічних реакцій. Неважко уявити собі, який тягар звалиться з людства, якщо врахувати дорожнечу хімічних виробництв і шкода, що наноситься ними навколишньому середовищу! Комфортне життя без хімічних сурогатів ― одвічна мрія людей, в принципі цілком здійсненна. Повномасштабний перехід до нанотехнологій означатиме якісний стрибок від маніпуляції з речовиною до маніпуляції окремими атомами. Початок був покладений створенням в 1986 році атомно-силового мікроскопа. При його допомозі вдалося «підчепити» атом і перемістити його в потрібне місце, а отже, безпосередньо збирати з атомів будь-який завдань проверяемая з потрібними властивостями. Звичайно, рішення цього завдання в повному обсязі ― справа майбутнього. Але вже сьогодні можна, наприклад, за допомогою атомно-силового мікроскопа робити написи з атомів на твердій підкладці.

Подальший розвиток цього напрямку дозволить збирати потрібні матеріали з атомів так само, як будівля збирається з цегли. Тут виникають два завдання. Перша ― перебудова наявних структур. Наприклад, перебудувавши порядок з'єднання єднання атомів в графіті, можна буде перетворювати його в алмаз. Одного завдання ― складання більш складних структур з менш складних. Так, використовуючи молекули води і вуглекислого газу, можна виготовити з них цукор або крохмаль, як це роблять рослини. У промисловості це буде означати заміну традиційних методів виробництва. У сільському господарстві здійсниться заміна «природних машин» для виробництва їжі, рослин і тварин їх штучними аналогами ― комплексами з наномашин. Вони будуть відтворювати ті ж хімічні процеси, що відбуваються в живому організмі, проте більш коротким і ефективним шляхом. Наприклад, з ланцюжка «грунт ― вуглекислий газ ― фотосинтез ― трава ― корова ― молоко» видалять всі зайві ланки, тобто залишиться «грунт ― вуглекислий газ ― молоко» (сир, масло і т. д.). Подібне «сільське господарство» не буде залежати від погодних умов, не потребуватиме важкій фізичній праці, а його продуктивність дозволить назавжди вирішити продовольчу проблему. За попередніми оцінками, такі напрямки можуть увійти в життя в середині ХХІ століття.
Наступне магістральний напрямок розвитку нанотехнологій на перспективу ― створення «наномашин» ― молекулярних роботів. Основна ідея тут полягає в тому, щоб збирати з атомів і молекул якісь найпростіші механізми, здатні за допомогою керуючих сигналів ззовні (акустичних, електромагнітних і ін.) Маніпулювати іншими молекулами і створювати собі подібні пристрої або складніші механізми. Ті, в свою чергу, зможуть виготовити ще більш складні пристрої і т. д. У кінцевому підсумку цей експонентний процес призведе до проектування молекулярних роботів ― механізмів, які можна порівняти за розмірами з великої молекулою і володіють власним вбудованим комп'ютером. В результаті світ докорінно зміниться. Практично все необхідне для життєдіяльності людини може бути виготовлено молекулярними роботами безпосередньо з атомів і молекул навколишнього середовища. Очевидно, що подібне виробництво буде значно більш рентабельним і екологічним, ніж нинішні промисловість і сільське господарство. Необхідно лише забезпечити наномашини сировиною та енергією, а все інше вони зроблять самі (хоча в принципі ніщо не заважає наномашин самим добувати і сировину і енергію). Людство отримає виключно комфортне середовище проживання, де не буде місця ні голоду, ні хвороб, ні виснажливої фізичної праці.

Складність виготовлення наномашин аж ніяк не є основним чинником, що стримує їх розвиток. Вчені вже вміють збирати атоми і молекули в певні конструкції. Головні труднощі в тому, що для складання такої машини треба спочатку її сконструювати, розробити. Розрахунок такої конструкції настільки трудомісткий і складний, що для його здійснення не вистачає навіть потужності сучасних суперкомп'ютерів. Однак, з огляду на темпи розвитку обчислювальної техніки, очевидно, що поява молекулярних роботів ― питання лише десятиліть. Оптимісти і песимісти, пророкуючи, коли за допомогою молекулярних роботів вдасться поставити бар'єр єр на шляху хвороб і старіння людини, розходяться в своїх оцінках незначно. За різними прогнозами, це відбудеться в другій або третій чверті XXI століття.
          

Статті pp-budpostach.com.ua Все про лазні

Статті по пїноблоку,пінобетону,пінобетонним блокам

Статті pp-budpostach.com.ua Статті по бетону

Статті Все про парканах

Статті pp-budpostach.com.ua Все про дахах ( види, матеріал, як краще вибрати)

Статті Все про Фундаменті

Статті по газобетону ( газоблокам ), газобетонних блоків, блоків газосиликатнных

Новини, статті, чутки, факти, різне і по чу-чуть

Статті по цеглині ( рядовому, особового,облицювальної,клинкерному, шамотною, силікатній,)