Именно размерными эффектами определяются многие уникальные свойства наноматериалов. Для различных характеристик (механических, электрических и др.) критический размер может быть различным, как и характер изменений (равномерный или неравномерный). Например, электропроводность начинает зависеть от размера частицы при уменьшении кристалла вещества до размеров 10-20 нм и менее.
Доля атомов, находящихся в поверхностном слое (толщиной около 1 нм), естественно, растет с уменьшением размера частиц вещества. Поверхностные атомы обладают свойствами, отличающимися от "внутренних" атомов, поскольку они связаны с соседями иначе, чем внутри вещества. В результате на поверхности велика вероятность протекания процессов изменения структурного расположения атомов и их свойств. В результате поверхность (или межфазная граница) рассматривается как некое новое состояние вещества.
Учитывая абсолютные размеры наночастиц, с определенными допущениями можно считать, что наночастица представляет собой вещество, близкое по свойствам к межфазной границе. Например, нанотрубки имеют высокую удельную плотность поверхности, поскольку вся масса сосредоточена в поверхностном слое.
Важнейшими свойствами наноструктур, отличающими их от обычных материалов, являются повышенная диффузионная и миграционная способность атомов, молекул веществ и электронов по поверхности твердых наноструктур, а для жидких наноструктур - ускоренная диффузия внутри них, повышенная прочность изолированных твердых наноструктур и способность твердых наноструктур к самоорганизации и самосборке.
1) Повышенная диффузионная и миграционная способность атомов и молекул веществ по поверхности и внутри наноструктур:
Жидкости внутри микротрещин и микропор нанометровой ширины являются жидкими наноструктурами, обладающими своеобразными особенностями, из которых важнейшей является ускоренная диффузия растворенных в них веществ под действием осмотической составляющей СРПС.
2) Повышенная миграционная способность атомов по поверхности твердых наноструктур:
Как известно, диффузия по поверхности твердых веществ осуществляется на несколько порядков быстрее, чем в их объеме.
3) Ускоренное движение электронов по поверхности твердых наноструктур - сверхпроводимость электрического тока:
Здесь, как и в предыдущем случае, можно выделить два уровня ускоренного движения частиц, в данном случае электронов, по поверхности веществ. Первый уровень - движение электронов вдоль поверхности обычного проводника при обычных температурах. Ускоренное движение электронов в этом случае хорошо известно и практически используется в ускорителях заряженных частиц Ван-дер-Граафа (Гершензон и др., 1980).
4) Ускоренное движение электронов по поверхности твердых наноструктур:
На поверхности обычных проводников Т-СРПС, создавая разуплотненный поверхностный слой, способствует образованию слоя с более редким расположением атомов в нем. Поэтому в нем электрический ток протекает с меньшим сопротивлением, а значит, и с большей скоростью, чем в глубине проводника, создавая первый уровень ускоренного движения электронов.
5) Ускоренное движение электронов по поверхности твердых наноструктур:
В научной литературе проводят аналогию между сверхпроводимостью тока и сверхтекучестью жидкого гелия, объясняя, что жидкий гелий также образует единую когерентную сверхтекучую систему - конденсат, который тоже течет через щели без какого-либо сопротивления.
6) Повышенная прочность на разрыв изолированных твердых наноструктур.:Известно, что прочность на разрыв, например углеродных нанотрубок, в несколько десятков раз больше самой прочной стали при плотности в 6 раз меньшей (Головин, 2007). Удовлетворительного объяснения этому в научных работах пока не дано.
7) Способность твердых наноструктур к самоорганизации и самосборке:
Наноструктуры, находящиеся в жидкой, газовой среде и в вакууме, обладают максимальными возможностями к самоорганизации и самосборке, так как эти среды не мешают им в полной мере проявить эти свои свойства.
3. Нанотехнологии в автомобилестроении
Автомобили будущего станут более комфортными и интеллектуальными, основанными на легких и прочных материалах, миниатюризации и новых энергетических установках. Практически каждая деталь автомобиля может быть усовершенствована при помощи нанотехнологий. Сегодня нанотехнологии внедряют несколько крупнейших производителей, но к 2010 году их будут использовать все автомобилестроители и большинство их поставщиков. 70 ведущих мировых автомобилестроителей, включая Renault, General Motors, BMW, Toyota, Audi, Ford, Volkswagen, Mercedes-Benz, Opel, Ferrari, MAN, FIAT, Volvo, Hyundai, Honda, Nissan, Chrysler, Jaguar, Porsche, Peugeot, Saab, Rover, Citroen, Huachangcar, Mazda, Alfa Romeo, Asia Motors, Mitsubishi, Vauxhall, Subaru и др., провели совместное исследование возможностей применения нанотехнологий в автомобилях с 2002 до 2015 года.
Мы предлагаем Вашему вниманию краткий обзор возможностей нанотехнологий в усовершенствовании автомобиля. Если Вы захотите использовать их на своем предприятии, пожалуйста свяжитесь с нами.
- Генерация и хранение энергии
- Топливные ячейки
- Солнечные батареи
- Хранение энергии
- Электричества
- Водородного топлива
- Углеводородного топлива
- Топливные катализаторы
Наноструктурированные материалы / нанокомпозиты / наночастицы
- Легкие каркасные материалы
- Огнеупорные и термостойкие материалы: Увеличение прочности, жесткости и долговечности
- Умные, сверхмягкие рессоры
- Антифрикционные и противоизносные покрытия
- Материалы со сверхмалым коэффицентом теплового расширения
- Стекла с управляемыми оптическими свойствами
- Долговечные шины с оптимальными свойствами
- Функциональные краски и покрытия
- Самоочищающиеся
- Самовосстанавливающиеся
- Нецарапающиеся
- Антикоррозионные
- Радиопоглощающие
- Цветовые эффекты
Со специальными оптическими свойствами
- Теплоотражающие
Программируемые материалы
- Другие функциональные материалы
- Наноэлектроника
- Сверхточные сенсоры и анализаторы
- Системы GPS-навигации на основе МЭМС-датчиков
- Сверхточные микроакселерометры
- Мониторинг перемещения
- Мониторинг давления
- Мониторинг заклинивания и повреждений
- Мониторинг износа
Биометрические системы
- Мониторинг климата
- Интеллектуальное управление двигателем
- Дисплеи, внешнее и внутреннее освещение
- Электроника, работающая в широком диапазоне температур
- Противоугонные системы
- Датчики контроля безопасности и окружения
- Акселерометры подушек безопасности
- Сверхъемкие аккумуляторы
Обработка и передача информации
- Обработка изображений
- Автомобильная телематика
- Дистанционное управление
- Мультимедиа-архитектура
- Элементы искусственного интеллекта
- Интеграция CMOS-микроэлектроники в системы управления
Биомедицинские приложения
- Гигиена
- Система эвакуации
- Интерактивный эргономичный дизайн
- Снижение вибрации и шума
Производство
- Измерение и контроль
- Инструменты, станки и машины
- Автоматизация и телеуправление
- Снижение стоимости сырья
- Снижение энергопотребления
- Анализ дефектов и структуры материалов
Экология
- Фильтрация и очистка выхлопных газов
- Экологичное производство
- Переработка старых автомобилей
- Биодеградируемые материалы
- Восстановление и ремонт
3.1 Применение нанотехнологий в автомобильной промышленности
Автомобильная промышленность Германии, являющаяся одной из наиболее важных отраслей производства, уже сейчас серьезно заинтересована в НТ и активно изучает возможности внедрения новых материалов и технологий, особенно в связи с экологией, безопасностью движения и обеспечением комфорта. НТ в автомобилестроении может быть связана с решением множества проблем и технических задач, относящихся к ходовой части, весу конструкции и динамике движения, кондиционированию и снижению выхлопа вредных веществ, уменьшению износа, возможностям вторичной переработки и т. п. Кроме этого, НТ имеют непосредственное отношение к развитию связанных с автомобилестроением информационных систем (например, контроль обстановки на дорогах, коммуникации и т. п.).
Очень большие перспективы коммерческого производства имеет внедрение прозрачных многослойных наноматериалов. В частности, наносимые на стекло металлические покрытия толщиной в несколько нанометров могут одновременно отражать инфракрасное излучение и придавать стеклу дополнительную термостойкость. Для затемненных внутренних стекол в автомобилях можно даже использовать так называемые электрохром-ные составы, которые автоматически настраиваются на соответствующую интенсивность света, а также способствуют уменьшению отражения в циферблатах приборов, что очень трудно осуществить обычными методами. Водоотталкивающие и противоударные покрытия могут наноситься на множество деталей, включая «дворники» и т. п. Еще один очень интересный пример связан с применением микроскопических частиц углерода. В начале 20 века было случайно обнаружено, что введение микрочастиц сажи в каучук приводит к очевидному улучшению качества автомобильных шин. Эффект связан с тем, что частицы сажи «склеивают» каучук и делают шины прочнее, обеспечивая их повышенную износостойкость. Сегодня уже предпринимаются целенаправленные попытки увеличения поверхности частиц сажи и уменьшения их возможного слипания, что позволяет снизить процессы рассеивания (диссипации) энергии в шинах и приводит в целом к повышению их характеристик и снижению расхода горючего в среднем на 4%.
Соответствующая оптимизация сопротивления воздуха, веса автомобиля и приводного устройства привела бы к снижению потребления горючего на 6%, 15% и 28%, в результате чего можно было бы уменьшить выбросы двуокиси углерода. Намеченное Евросоюзом снижение норм выброса угарного газа и частиц (программа Евро-5) к 2008 году может быть достигнуто только путем значительного понижения потребления горючего, для чего настоятельно требуется поиск альтернативных источников питания. Например, в качестве автомобильного топлива очень перспективен экологически почти безопасный метанол, и НТ может сыграть важную роль в производстве новых методик впрыскивания горючего, реформинге топлива, аккумуляции водорода, объединении клеточных электродов и мембран для обмена протонов при сгорании топлива и т. п.