Сергей Тараненко - Наполовину мертвый кот, или Чем нам грозят нанотехнологии
Каковы же эти базовые преставления?
Даже если мы не знаем точно, то в целом понимаем, зачем нам необходимы изменения свойств материалов и сред, применяемых в нашей технологической деятельности. Зачем и почему нужны материалы более прочные и легкие, более долговечные и способные работать в агрессивных средах, материалы, обладающие низкими коэффициентами трения и надлежащей адгезией и несмачиваемостью, и далее… — список может быть продолжен.
Так же и с электроникой в различных ее аспектах: мы знаем, зачем нужна миниатюризация, ведущая к высочайшему быстродействию и колоссальным объемам памяти (как оперативной, так и «архивной»), к снижению энергопотребления (что среди прочего делает эти электронные устройства возможными, купируя проблему «отвода» рассеиваемой мощности).
Иными словами, речь идет о нашем технологическом опыте, включая не только набор доступных нам технологий, а значит, возможностей, но и технологические «привычки» и стандарты мышления, наши рутины (см. п. 8.1 «Наш враг — стереотип»).
Так, человечество в области металлургии давно и с успехом (ранее — опытным путем, впоследствии — на строгой научной основе) создает и массово производит материалы с желаемыми свойствами. При этом, как физик в области твердого тела, так и металлург-технолог, оперируют понятиями о строении вещества на уровне малых размеров, когда говорят о дислокациях, доменах, когда изучают фононную и иные «квазичастичные» структуры материала. И все это уже давно представлено в нашей практической жизни: прочные и надежные конструкционные материалы, инструментальные материалы, включая материалы, применяемые для медицинского протезирования, и многое другое.
И если предел такого технологического развития, основанного на традиционных для XX в. технологиях, наступает (а во многом он уже наступил), то нанотехнологии «подхватывают» эту эстафету, которую вполне можно охарактеризовать, перефразировав олимпийский призыв: «прочнее, легче, практичнее».
Да, нанотехнологии часто требуют иного инструментария, иных технологических принципов для реализации и этих вполне традиционных «улучшений». Но не всегда. Пример тому — нанопорошки, получение которых часто основывается на вполне традиционных технологиях[8]. При этом благодаря своим полезным свойствам такие нанопорошки имеют широкий спектр применения — от доставки лекарств в клетки и органы человека до создания поверхностей материалов с заданными свойствами.
Но наибольшего эффекта следует ожидать от применения «традиционных» нанотехнологий в создании материалов на основе уже существующих технологий, может, и значительно модифицированных, использующих в качестве сырья нанообъекты. Примером тому может быть процесс создания волокон на основе фуллереновых трубок. Фуллереновая трубка — нанотехнологический объект, допускающий над собой традиционные манипуляции. Это возможный «шелк» будущего: на основе фуллереновых волокон возможно создание материалов и устройств самого различного назначения. Среди них есть и фантастические, такие как космический лифт (поднятие спутников на орбиту «на веревочке»), реализация которых сомнительна, но не по причине недостаточной прочности и легкости нити[9]. Но вот создание легких и чрезвычайно прочных материалов: нитей, полотна и на их основе композитов (для менее экзотических применений) вполне вероятно уже в среднесрочной перспективе. Такие материалы и композиты — основа многих будущих технических решений от создания броней и бронежилетов до развития авиа-, автомобиле- и судостроения.
Применение новых конструкционных материалов — основа качественного изменения самих конструкционных решений высокотехнологической продукции. Не исключено, что те или иные решения, представляющиеся неэффективными или даже технически невозможными и непредставимыми сегодня, получат существенный импульс к развитию и станут нормой технологий недалекого будущего.
Но не только фуллерены и структуры, основанные на них, являются перспективным направлением технологического развития по пути «традиционных» технологий. Другой перспективный путь — образование на поверхности материалов нанопленок с заданными свойствами. Достигается это путем как их нанесения, так и обработки поверхностей. Использование лазерного излучения, ионных пучков для нанесения таких поверхностей не должно скрывать от нас того обстоятельства, что это нанотехнологическое продолжение такого технологического процесса «со стажем», как оцинковка кровельного металла.
Но такое продолжение открывает совсем новые технологические возможности применения материалов, которых ранее не было. Так, речь идет о создании покрытий, обеспечивающих длительное и надежное функционирование материалов в критических условиях. При этом одновременно решаются задачи обеспечения надежности и соблюдения сроков эксплуатации, что объединяется термином «ресурс», принципиально важным в таких областях, как авиадвигателестроение, энергомашиностроение, двигатели и генераторные агрегаты в целом.
Нанопокрытия решают и вопросы повышения энергоэффективности, технически понимаемой как коэффициент полезного действия (КПД). Так, благодаря покрытию лопастей газовой турбины тепловой электростанции нанопленкой может быть существенно повышена рабочая температура, что в соответствии со «школьной» формулой тепловой машины[10] позволяет значительно поднять КПД электрогенерации.
С проблемами КПД, долговечности и надежности также тесно связаны вопросы, решаемые в рамках нанотехнологического вектора развития по снижению трения в различных агрегатах, в том числе двигателях. Снижение на порядок трения за счет нанопокрытия — ближайшая технологическая перспектива.
В этом контексте следует отметить и упоминавшиеся нанопорошки как основу смазочных материалов, применяемых с обычными агрегатами (без нанопокрытий), как способа продления их ресурса. Одновременно другие нанопорошки будут использоваться и как абразивные материалы, применяемые в таких традиционных сферах, как бурение нефтяных и газовых скважин. В целом, это направление также справедливо рассматривать как традиционное, начатое технологиями по созданию искусственных технологических алмазов и производством уже полностью искусственного, т. е. не существующего в природе, фианита. При этом твердость созданного инструмента (не только бурового, но и иного) может быть выше или соразмерна твердости алмаза, как, впрочем, могут повышаться и его прочностные свойства в целом за счет снижения хрупкости.
Традиционные области применения нанотехнологий требуют и ряда «простых» решений, таких как повышение надежности и качества соединений. Последнее решение стало особенно актуальным при строительстве подводных газопроводов, где качество сварных швов трудно периодически контролировать.
В этом же — решение проблемы сродства[11] различных материалов сборных конструкций, актуальной, в частности, в авиастроении. Так, отсутствие надлежащих материалов при проектировании в целом удачного воздушного судна ТУ-134/154 не позволило найти решения, исключающие процедуры технического обслуживания самолета, требующего периодическую частичную разборку фюзеляжа для проверки состояния стрингеров в местах соединений с корпусом.
В этом же ряду стоит задача обеспечения необходимой адгезии[12] поверхностей, имеющей место в процессах склеивания, пайки, сварки, нанесения покрытий, решение которой, в частности, позволит «склеивать» разнородные материалы, например керамическую пластину с металлической.
Итак, отчетливо просматривается перспектива «традиционных» нанотехнологий как продолжение уже сформировавшихся технологических потребностей и трендов технологического развития, но уже на новой технологической базе. При этом — и это принципиально — конечный продукт данных технологий, как правило, являет собой привычное нам изделие промышленности — от горных лыж, достаточно прочных и эластичных, обеспечивающих скольжение по любому снегу, а возможно и асфальту, до летательных аппаратов, пусть и с большим ресурсом и грузоподъемностью. Конечно, новые материалы дают нам перспективу новых конструктивных решений, позволяющих получить «новое качество», которое в свое время было достигнуто в авиации в виде принципиально новых видов техники и транспорта. Но данное технологическое развитие будет основано на уже имеющихся базовых представлениях, опираться на уже развитые модели, понятную нам математику в форме инженерного дела.
Конечно, не все так просто и последовательно. Следует отметить тенденцию по изменению классического характера некоторых ранее «классических» технологий (назовем такие технологии «переходными»). Ярким примером таких «переходных» технологий могло бы стать создание материала, обеспечивающего обтекание крыла без образования турбулентности, т. е. завихрений потока, приводящих к повышению сопротивления движению в разы и на порядки. Такой ламинарный (не турбулентный) поток по обтеканию «классического материала» демонстрирует нам природа в «лице», а точнее в теле дельфина. Казалось бы, создание «дельфиньей кожи» на основе классических технологий, пусть и нано-, ожидать сложно. Однако научные лаборатории дают нам иные сигналы. Так, разработанная в Институте физических проблем Сибирского отделения Российской академии наук технология создания массивов микродатчиков на основе нанотрубок на достаточно большой поверхности позволяет говорить о создании «думающей» поверхности летательного аппарата, которая будет подстраиваться под аэродинамический поток, затягивая ламинарно-турбулентный переход и уменьшая сопротивление. А это важный шаг к созданию принципиально нового летательного аппарата, «плывущего» в атмосфере подобно дельфину. Вообще, улучшение тех или иных качеств, уже в принципе достигнутых, традиционных, может приводить к изменениям, носящим принципиальный характер. Так, вполне традиционное «легче и прочнее» может сделать реальным полет на Марс, ранее невозможный по простейшим технологическим причинам. И это всегда надо иметь в виду.
