Материалы

Одним из важнейших результатов развития НТ обещает стать появление большого количества самых разнообразных материалов с новыми свойствами. Для удобства рассмотрения их можно упрощенно подразделить на конструкционные (преимущественно металлы, сплавы и композиты), функциональные и так называемые активные материалы.

Композиционные материалы уже давно использовались в оборонной промышленности (например, для повышения прочности и уменьшения веса авиационной техники широко применяются пластики, армированные стекловолокном и углеродными волокнами). Развитие нанотехнологии привело в последние годы к возникновению совершенно нового класса таких материалов с повышенными характеристиками, а именно – нанокомпозитов или композитов с нанопримесями. Например, оказалось, что введение в термопластичные материалы добавок в виде слоистых силикатов сразу значительно повышает огнестойкость исходных веществ, делая их весьма ценным материалом для изготовления изоляционных покрытий силовых кабелей электропитания и другой важной аппаратуры. В некоторых композиционных материалах введение нановолокон позволяет почти вдвое повысить коэффициенты упругости и твердости, увеличить на 50% прочность на растяжение и вязкость на растяжение, а также в 10 раз (на порядок) снизить их проницаемость для различных жидких веществ. Чередуя в гибридных материалах тонкие слои жестких и пластичных полимеров, можно создать очень легкие и прозрачные щиты для индивидуальной защиты. Введение нанотрубок в качестве наполнителя придает некоторым композиционным материалам электропроводность и другие важные свойства. Кроме того, введение наночастиц в полимерную матрицу иногда повышает механические характеристики даже так называемых длинноволокнистых композитов, хотя механизм этого явления и степень влияния остаются неясными. Электропроводящие пластики могут найти самое широкое применение в аэрокосмической технике, например в качестве сигнальных проводов, устройств защиты от разрядов статичексого электричества, для создания разнообразных приводов и гибких электрических схем. Так называемые многофункциональные полимерные материалы могут быть использованы при изготовлении ракетных двигателей, динамичных и «разворачивающихся» в пространстве конструкций, а также при производстве многих стандартных предметов армейского оборудования (резервуаров, шин и т.п.).

Композиты с добавками углеродных нанотрубок обладают исключительно высокой прочностью на растяжение, что позволяет создавать на их основе качественно новые, высокопрочные и очень легкие конструкционные материалы. Возможно, такие материалы будут использованы при создании космического «лифта/башни», позволяющего доставлять грузы на геостационарную орбиту и обеспечивать дешевую доставку в космос грузов военного назначения для обеспечения боевых операций.

Известно, что одним из важнейших факторов, определяющих прочность веществ, является размер составляющих его кристаллов, поэтому неудивительно, что наноструктурные металлы и сплавы обладают очень высокими механическими характеристиками.

На основе изучения очень малых по размеру биологических объектов была выдвинута концепция создания новых материалов, образующихся самосборкой из простых биологических «блоков» по некоторой иерархической схеме. Метод уже позволяет синтезировать нано и микроразмерные трехмерные структуры, а в дальнейшем может привести к технологии производства материалов из разветвленных молекул ДНК. Используя исходные блоки различной формы и соединение по специфическим методикам, можно перейти к созданию двух- и трехмерных сложных структур, которые можно будет затем применять, например, в молекулярной электронике.

Из функциональных материалов можно выделить прежде всего нанокомпозитные постоянные магниты, имеющие огромное значение для развития силовой электроники (мощные диоды и транзисторы) и электродвигателей. Еще одно очень перспективное направление исследований в области функциональных материалов – так называемое «самозалечивание» повреждений объектов за счет наноразмерных добавок в состав различных веществ. Изготовленные из таких материалов нановолокна вполне могут быть использованы для создания тканей (с интегрированными в них датчиками и электронными соединениями) или в производстве нанопористых мембран для фильтрации, биологической защиты и т.п.

К активным материалам относятся те, которые способны изменять свою форму или даже создавать внутри себя определенные силы при контролируемом изменении внешних условий (классическим примером таких материалов могут служить пьезоэлектрики, вещества с эффектом памяти формы). Материалы такого типа могут широко использоваться для обеспечения подвижности деталей военного снаряжения, «конечностей» роботов. Применение НТ может, с одной стороны, позволить значительно повысить используемые характеристики таких материалов, а с другой – создать их новые виды, например способные к «сокращению» молекулы, которые можно применять для организации движения экзоскелетов. В качестве альтернативы можно предложить биологические или гибридные материалы на основе миозина или кинезина. Активные молекулы, соединенные с датчиками, источниками энергии и устройствами обработки информации, превращаются в так называемые «умные» материалы, которые планируется в дальнейшем использовать, например, для изготовления аэродинамических деталей самолета, способных изменять свою жесткость и понижать вибрацию конструкции на определенных режимах полета и т.п.

Многие из этих перспективных материалов так и не будут запущены в производство и никогда не будут применяться практически (хотя бы по соображениям экономической целесообразности), однако в целом они обещают привести к революционным изменениям в материаловедении. Сроки реального внедрения таких материалов оценить довольно трудно, однако можно предположит, что широкое использование нанофазных композитов и металлов начнется примерно через 5–10 лет, а промышленное производство высокопрочных материалов, армированных углеродными нанотрубками, – через 10–20 лет. Через 5–10 лет могут появиться экспериментальные образцы изделий с smrat материалами, а примерно через 10-20 лет начнется коммерческое производство новых бионаноматериалов, хотя во всех перечисленных областях нельзя исключить возможность бурного технологического прорыва, обусловленного неожиданным успехом в разработке или применении новых подходов и веществ.