Нанотехнологии – предвестники новой научно-технической революции

Напомним читателям, что у истоков этих технологий стоял нобелевский лауреат Ричард Фейнман. И примерно 50 лет назад он заявил: человек сможет сконструировать материальный мир, манипулируя атомами и молекулами, как болтами и гайками. Речь идет, поясняет ENR, о том, что под нанотехнологиями специалисты подразумевают работы со структурными элементами, размер которых не превышает 10^-7 м (100 нм). Это казалось невероятным. Однако сегодня мудреное слово «нанотехнологий» — уже на устах президентов ведущих государств. Шикарные буклеты о наномире стоят в обычных магазинчиках европейских городов, по телевидению демонстрируются научно-популярные фильмы. От экрана невозможно оторваться — настолько поражают картины будущего. Тем более, когда ученые в своих прогнозах говорят о значительном улучшении качества жизни благодаря ожидаемым прорывным достижениям на атомно-молекулярном уровне с использованием нанотехнологий.

Это вызывает взрыв интереса у венчурного капитала (наиболее рискованные вложения инвестиций компаний в побочные, непрофильные проекты), крупных корпораций, филантропических, научных и правительственных организаций США и некоторых других стран. Предвкушение высокой отдачи от вложений в передовую науку даже выше, чем в игорный бизнес. Об этом хорошо известно в мире. Наверное, поэтому столь азартной выглядит разворачивающаяся в последнее время полномасштабная нанотехнологическая гонка, в которую, кстати, готова включиться и Россия, дабы начать преследовать ушедших вперед лидеров — США, Китай, Японию, страны Евросоюза. В этой гонке наш главный козырь — подготовленный проект Федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в РФ на 2007-2010 годы».

По словам ученого секретаря Государственного научного центра ЦНИИ конструктивных материалов «Прометей» Лидии Емельяновой, Россия едва не опоздала с развитием нанотехнологий. Многие государства уже давно вкладывают огромные средства в эту отрасль знаний, которая может открыть совершенно новую эру в развитии науки и техники. Развитие нанотехнологий необходимо выделить в качестве одного из национальных проектов, заявил недавно на заседании Правительства РФ вице-премьер Александр Жуков. «Нанотехнологии касаются разных разделов науки, — подчеркнул он, — но если мы будем размазывать мелким слоем и у нас не будет национальной программы, то не будет и никаких результатов». На том же заседании кабинета руководитель Минобрнауки Андрей Фурсенко добавил, что развитие нанотехнологий в настоящее время входит в число девяти основных мегапроектов по развитию высоких технологий. По его данным, «уже сейчас один вложенный рубль через три года дает пять рублей прибыли».

В отличие от России Национальная инициатива «Нанотехнология», запущенная президентом США Б. Клинтоном в 2000 году и приобретшая силу закона в 2003 году при главе Белого дома Дж. Буше, уже работает. Она позволила предусмотреть в федеральном бюджете соответствующие государственные расходы в сумме 3,7 миллиарда долларов в период до 2008 года. Причем, отмечает журнал ENR, американское правительство распределило эти деньги среди правительственных организаций США, в том числе между Национальным научным фондом, Министерством обороны, Министерством энергетики, Национальным институтом здравоохранения, Национальным институтом стандартов и технологий и Министерством внутренней безопасности. Правительство США полагает, что эти инвестиции продвинут понимание многих явлений на наноуровне и позволят полученные знания использовать в первую очередь для усовершенствования медицины, производственных процессов, создания высокотехнологичных материалов, информационных технологий, энергетики и защиты окружающей среды.

Между прочим, мировой рынок продуктов на базе нанотехнологий растет весьма стремительно. К 2015 году он может составить, по прогнозам Национального научного фонда США, более одного триллиона долларов!

Для проведения исследований и разработок на наноуровне современная наука должна и уже обзавелась, по крайней мере, в ряде индустриально-развитых стран соответствующим контрольно-измерительным и технологическим оборудованием, в том числе сканирующей тоннельной аппаратурой, атомно-силовой и сканирующей зондовой микроскопией, нанопроцессорами, наноманипуляторами, нанокомпьютерами и другими приборами. Разрабатываются соответствующие стандарты и методики испытаний. А причем, вы спросите, здесь строительство? Оно, оказывается, выступает здесь в двух ипостасях: исполнителя и потребителя.

Совершенно естественно, что для создания и отработки нанотехнологий требуется наличие новейших лабораторных корпусов и испытательных центров с уникальным оборудованием, где можно производить измерения геометрических размеров с точностью до nm и изготавливать изделия толщиной до нескольких молекул и нескольких nm² по площади. Так, например, Национальный институт стандартов и технологий (NIST) завершил недавно строительство в Гейтерсберге корпуса нанотехнологий с лабораторией измерений стоимостью 175 миллионов долларов. По мнению проектировщиков, в настоящее время он представляет собой здание с наиболее контролируемой в мире внутренней средой. Колебания температуры воздуха в нем не превышают ±0,01 °С, а уровень вибраций не выходит за пределы 2,5 мкм/сек. Электропроводка имеет особую изоляцию, предотвращающую воздействие электрических токов на проводимые эксперименты с точностью до нА и нВ. Проще говоря, в здании отсутствует электромагнитное загрязнение среды. Такие помещения получили название «clean rooms» (чистых помещений), и они становятся обязательной принадлежностью исследовательских центров, работающих на наноуровне.

Более того, некоторые нанотехнологические процессы требуют еще больших ограничений амплитуд колебаний (порядка 1 мкм/сек или даже меньше). Этим требованиям отвечает сегодня бетон. Именно ему отдают предпочтение при сооружении чистых помещений. В этих целях хорошо зарекомендовали себя полы из бетонных плит кессонного типа и толщиной от 700 до 1200 миллиметров.

У них прекрасная пневматическая изоляция, а, кроме того, в них используются так называемые воздушные пружины.

Изучение особых демпфирующих свойств бетона началось еще в 30-х годах прошлого века, но разработке способов их улучшения параллельно с модификацией его прочности и модуля упругости достаточного внимания не уделялось. В настоящее время в Калифорнийском университете Беркли такие исследования ведутся, и специалисты уже располагают определенными способами изменения демпфирующих свойств за счет введения специальных добавок (стирол-бутадиеновых латексов и растительных масел), изменения В/Ц, микроструктуры, некоторых видов заполнителей и арматуры.

Сооружение нанотехнологических центров и лабораторий осуществляется и другими правительственными организациями США, в том числе Министерством энергетики, при широко известных национальных лабораториях в Сандиа, Лос-Аламосе и еще в пяти других местах страны. По заявлению руководства этого министерства, все подведомственные ему лаборатории хотят иметь свои наноподразделения, что вызвано в настоящее время процессом конверсии существующих в них технологий времен «холодной войны». NASA финансирует работы в области нанотехнологий в университете Purdue и Массачусетском технологическом институте. Причем последний финансируется также Пентагоном для проведения поисковых исследований в области совершенствований вооружения для армии.

Проектирование и строительство исследовательских центров по нанотехнологиям существенно отличаются от практики прошлых лет. Они должны обеспечивать возможность сотрудничества специалистов разных профилей, обладать специализированными лабораториями и упомянутыми «чистыми помещениями» для проведения сложнейших экспериментов на субмолекулярном и наноуровне.

Интересно отметить, проектировщики новых исследовательских центров используют в своей работе определенный опыт, накопленный при сооружении зданий, где занимаются микротехнологиями в полупроводниковой промышленности. Рекомендациями здесь служат совместные разработки Агентства по защите окружающей среды и Министерства энергетики США.

Но строительство, как уже упоминалось, хотя и в значительно меньшей мере, чем другие отрасли, является также потребителем достижений нанотехнологии. Так, совершенно нетрадиционный подход к вопросам создания бетонных конструкций с долговечной защитой фасадных поверхностей на основе нанотехнологии предлагают специалисты из германской фирмы NANO-X GmbH, расположенной в Саарбрюкене. Пользуясь достижениями в этой новой нанотехнологической области, они получили защитные материалы с совершенно удивительными свойствами. Химический процесс под названием sol-gel позволяет осуществлять направленный синтез нанокомпозитов и придавать бетонным поверхностям индивидуальные специфические качества. Такие многофункциональные защитные материалы уже появились на рынке стройматериалов. С них легко удаляется пыль, грязь или, к примеру, рисунки граффити. Но главное — они предотвращают появления высолов на бетонных поверхностях.

В лабораторных условиях получены бетоны прочностью на сжатие до 500 N/mm2, то есть материал прочнее обычной стали. Но с использованием достижений нанотехнологии, уже применяемых в других отраслях науки и промышленности, в структуру бетона могут быть введены наночастицы для увеличения плотности, а вяжущее усовершенствовано на квазиатомном уровне, что придаст бетону новые, совершенно уникальные свойства, в том числе, таким образом, создаются так называемые бездефектные бетоны. Немецкий фонд поддержки научных исследований выделил у себя в стране на такого рода исследования 9 миллионов евро.

Использование атомно-силовой микроскопии позволяет исследовать на наноуровне процессы взаимодействия и механизмы реакции гидратации цемента, химических добавок, заполнителей и пуццолановой реакции микронаполнителей. Определенный оптимизм вызывают результаты опытов по применению фибр в виде углеродных нанотрубок с целью упрочнения цементной матрицы.

Нанотрубки, как известно, были изобретены в Японии в 1991 году. Их прочность на разрыв, по некоторым данным, почти в 100 раз превосходит прочность стали! Появление нанотрубок с такой прочностью, кстати, стимулировало создание международного проекта «Космический лифт», который находится ныне в стадии разработки под эгидой NASA. Но эти трубки, помимо высочайшей прочности, обладают и чрезвычайной устойчивостью к проявлениям коррозии, что также очень важно для конструкций из бетона.

Проведенные предварительные опыты показали, что введение даже сравнительно небольшого количества нанотрубок в качестве нанофибр оказывает положительный эффект на механические характеристики композита. Работы будут продолжены в направлении улучшения сцепления нанофибр с матрицей и выбора оптимальных разжижителей поликарбоксилатного типа с разной длиной боковых цепей.

Строительная наука и практика хотя и с некоторым запозданием, но всегда стремились не отставать от достижений фундаментальной науки.

Традиционные строительные материалы — бетон и сталь — имеют древнюю историю и применяются в огромных объемах. Несмотря на всю важность этих материалов для человечества, их свойства, особенно бетонов, из-за сложной природы изучены крайне мало. Применение приемов нанотехнологии в исследовании и модифицировании свойств бетона может оказаться чрезвычайно плодотворным.

Из известных случаев применения нанотехнологии в области строительства следует назвать нано-модифицированную стальную арматуру MMFX2, изготавливаемую американской корпорацией MMFX Steel Corp. USA. Ламинированная структура делает эту сталь по коррозиестойкости похожей на нержавеющую, но со значительно более низкой стоимостью и более высокими механическими свойствами, в том числе по прочности, вязкости и усталостной прочности. Арматура MMFX2 сертифицирована в США, и в настоящее время началось ее широкое применение на объектах дорожно-транспортного и гидротехнического строительства.

Нетрудно себе представить, что могло бы дать дальнейшее улучшение структуры и прочности стали для сооружения, скажем, подвесного моста через Мессинский пролив в Италии, к проектированию которого недавно приступил консорциум международных фирм. Мост стоимостью 4,7 миллиарда долларов шириной 60,4 метра и с пролетом 3,3 километра будет поддерживаться парными вантами диаметром 1,2 метра!

Из других случаев использования нанотехнологии в строительстве можно отметить создание самоочищающихся стекол британской фирмой Pilkington, а также покрытий типа «Антиграффити» в Мексике.

Но уровень научных достижений в области строительства несопоставим, к сожалению, с достижениями в других областях науки и техники. Основным барьером инноваций в строительстве являются слишком высокие риски вложений в строительную науку и такого рода технологии. По некоторым данным среднемировые расходы на исследования и разработки в строительстве на порядок ниже, чем по промышленности в целом, и на два порядка ниже, чем в полупроводниковой промышленности. Это подтверждает закономерность заметного отставания достижений в строительстве от разительных, буквально революционных достижений во многих других областях, например, биотехнологии, информационных технологиях и т. д.

С учетом специфики российского строительства исследования и разработки на наноуровне, к примеру, только в области коррозии и морозоустойчивости материалов могут дать совершенно потрясающий эффект, ведь от этого зависит долговечность наиболее дорогостоящих инфраструктурных инвестиций общества. Следует также подчеркнуть, что руководство строительных вузов нашей страны должно крепко задуматься над тем, как грамотно в учебные программы отдельных факультетов ввести дополнительные спецкурсы по нанотехнологиям, технопаркам, особым экономическим зонам, точнее специальным экономическим районам, где наиболее разумно могла бы складываться сильная концентрация науки, занятой разработкой прорывных идей на основе нанотехнологий. Консультантом же в составлении учебных программ для будущих специалистов по производству стройматериалов могли бы стать, к примеру, научные сотрудники Курчатовского института, получившего статус национальной лаборатории. Именно ему будет поручено определять всю научную идеологию в сфере нанотехнологий.

Грядущая научно-техническая революция XXI века обязывает научную общественность нашей страны активно и целенаправленно заниматься образовательной подготовкой молодых кадров уже сегодня, дабы во всеоружии ответить на ее вызовы завтра.

Александр Сергеев,
Владимир Трамбовецкий, к.т.н., (НИЦ «Строительство»).

"Строительная газета" №44   17.11.2006