Нанотехнологии просятся в строительную отрасль

В связи с этим корреспондент «СГ» обратился к президенту Российской и Международной инженерных академий, члену-корреспонденту РАН Борису Владимировичу ГУСЕВУ с просьбой рассказать о влиянии принятых мер на развитие российской строительной отрасли.

— Без сомнения, одним из определяющих направлений в развитии науки сегодня является нанонаука, сказал Б.В. Гусев. — Полагаю, что говорить о создании наноиндустрии еще рано.

Прежде всего о сути проблемы: когда мы стремимся глубже, полнее познать мир, проникнуть в более глубокие взаимосвязи, мы начинаем рассматривать явления на уровне наночастиц. Наночастица — это частица с размером 10-9 м. То есть одна тысячная микрона. Таким образом, практически сразу по сравнению с микронной системой технологий в области наноисследований мы переходим на три порядка к более серьезным вопросам, связанным с микромиром.

Какие технологии предшествовали новым исследованиям? В металлургии уже около 30-40 лет развивается порошковая металлургия: из металла производят порошок с размерами частиц порядка микрона, затем порошок плавят и прессуют. Таким образом, обеспечивается мелкозернистая структура металла. А такая структура материала обладает свойствами, примерно в два раза превышающими свойства обычного металла по прочности, упругости и многим другим свойствам. Уменьшение частичек в материале, пусть даже до размеров микрона, всегда приводит к положительным результатам.

Использование частичек, которые сопоставимы с размерами наночастиц, безусловно, приведет к революционным изменениям свойств материалов. Нанонаука зародилась недавно, в XXI веке.

В 1980-х годах электроника и биология развивались в связи с изучением очень мелких размеров материалов. В результате обеспечен существующий прогресс в электронике, создана возможность для развития информационных систем с большой памятью, с высоким быстродействием, обеспечившим высокую эффективность.

В 1990-2000 годы развитие информационных технологий на базе электроники продолжилось. В этом же время появилась биотехнология. Начаты исследования генома человека. Начали изучать системы, в которых процессы происходят на наноуровне. Возросло количество лекарственных препаратов нового поколения, существенно возросли показатели в электронике.

Процессами на наноуровне постепенно стали управлять с помощью электронной микроскопии. Настоящим прорывом было создание быстродействующих систем оценки размеров частиц. В частности, был создан принцип сканирования поверхности с помощью тоннельного эффекта, который уже имеет возможность определить размеры частиц даже меньше чем нанометр. Это уже атомарный уровень, к примеру, атом водорода обладает размером 0,1 нанометра, эта единица называется 1 ангстрем. Вряд ли стоит вдаваться в те принципы, на которых работает тоннельный микроскоп. Тем не менее этот принцип используется в телевидении.

Двухтысячные годы — это время, когда на базе нанонауки произошло создание новых методов в информационных технологиях и биотехнологиях. Таким образом, оформилась нанонаука.

Что такое нанонаука? Это фундаментальные исследования в области физики и химии, позволяющие изучать объекты с масштабом частиц размером в нанометр. Считается, что в нанотехнологии мы работаем с частицами от 1 до 100 нанометров.

Что представляют собой так называемые нанотехнологии? Это можно сформулировать как прикладные исследования нанонауки в той или иной области.

А также в нанотехнологиях требуется использование фундаментальных исследований методов измерения, обработки и моделирования поведения вещества на атомарно-молекулярном уровне. Нанонаука и нанотехнологии прежде всего затронули направления: информационные технологии, медицину и биологию, экологию и энергетику.

Для аудитории «Строительной газеты» наиболее интересны вопросы материаловедения, экологии и энергетики, так как именно в этих областях нанонаука влияет на будущее строительной отрасли в целом. Многие ученые считают, что нанонаука позволит использовать солнечную энергию, создавая новые топливные элементы, бороться с парниковым эффектом и в конечном итоге прийти к обществу, жизнедеятельность которого будет происходить в гармонии с природой.

Остановимся подробнее на вопросах энергетики. Человечество сжигает нефть, уголь, газ и получает тепло. Работают системы, создающие холод. При сжигании человечество получает диоксины, при охлаждении использует фреоны. Ни тех, ни других газов в природе не существовало. Диоксины накапливаются в тканях человека и ведут к необратимым изменениям. Ко всему прочему, попадая в верхние слои атмосферы, начинают разрушать озонный слой. Фреоны таким же образом поднимаются в озонный слой и начинают его разрушать.

С экологической точки зрения надо срочно переходить на новые источники энергии. Пока что в качестве альтернативы просматривается водородная энергетика. Но водород — среда взрывоопасная. Особенно при больших размерах баллонов с водородом опасность растет. Но техника-то оперирует не с малыми размерами, а с большими!

Создание новых материалов на основе углерода позволило получить так называемые нанотрубки. То есть материал пронизан нанопорами. При большой пористости обеспечивается большая емкость хранения и медленная подача, что создает условия для безопасного хранения водорода. В результате водород может гореть, но не может взорваться. Баллон из губчатого, пористого материала с тонкой структурой не позволит водороду мгновенно взрываться.

В этом плане водородная энергетика становится безопасной энергетикой, экологически чистой. Надо переходить на другие источники энергии: гидростанции, ветровые станции, солнечные батареи. Солнечные батареи на основе элементов на наноуровне позволяют получить источники с большим кпд. Таким образом, нетрадиционные источники энергии в ближайшее время станут одним из серьезных энергоносителей электричества. Так нанотехнологии будут решать вопросы экологии и энергетики.

Вторая сторона вопроса — это новые материалы на наноуровне. Нанотехнологии позволяют создавать сверхлегкие материалы. Мы можем говорить о том, что использование наноструктур создает высокую однородность свойств любого материала. В результате появляются такие же массовые материалы, как и сталь, как и бетон, но значительно более легкие. А по своим прочностным характеристикам — не уступающие, а часто и превосходящие существующие материалы. Это очень важно с точки зрения абсолютно всех направлений техники и материалов. Нанотехнологии могут создать совершенно новые свойства материала, которые не всегда еще можно прогнозировать.

В некоторых зарубежных странах развитию нанотехнологий уделяется большое внимание.

В России в отсутствие общенациональных программ каждый ученый работает на свой страх и риск. Конечно, происходит поддержка исследований по нанотехнологиям различными фондами. Но это «короткие», целевые гранты, которые не могут дать возможность развиваться фундаментальной науке.

Вообще исследованиями с частичками размером от нескольких нанометров до десятков нанометров занимаются практически все научные структуры. Только уровень этих работ сейчас определить невозможно, и прогнозировать развитие отечественной промышленности нельзя.

Какое место занимает строительство в мире нанонауки?

Прежде всего надо сказать об эффекте тиксотронии, который мы начинали изучать в 60-е годы. Тогда мы показали, что частички малых размеров позволяют в условиях различного рода вибрационных воздействий обеспечивать повышение эффективности технологических режимов в сотни раз. Вопросы формирования структуры, в том числе виброуплотнением бетонной смеси, неразрывно связаны с составами бетонных смесей, с их рациональным проектированием и участием частиц наноразмеров.

Применение наночастиц в количестве всего 2-3 процентов от общей массы бетона значительно улучшает прочностные характеристики, повышает общую плотность цементного камня и, конечно, способствует улучшению всех свойств бетона.

Надо сказать о различных технологических методах повышения технических свойств. Прежде всего это методы, связанные с активацией частиц по поверхности и их измельчением. Необязательно добиваться наноуровня, измельчить частицы до наноуровня мы практически не можем. Тем не менее дополнительное измельчение всегда приводит к активации поверхности. Активация позволяет получать высококачественные материалы всех видов, в том числе для строительства.

При измельчении широко используются роторно-пульсационные аппараты, а также аппараты, которые созданы совсем по другому принципу — с использованием достижений гидродинамики, то есть гидродинамические излучатели. Это позволяет, например, получать тонкодисперсную смесь бензина с водой, смесь дизельного топлива с водой, которая в течение недели как минимум не расслаивается. Такая дисперсная измельченная структура обеспечивает эффект снижения вредного экологического воздействия выхлопных газов.

Если говорить о создании наноматериалов в строительстве, то прямое использование для зданий и сооружений наноматериалов маловероятно. Но эти же самые углеродные волокна размером меньше 0,1 микрона — это уже эффективный теплоизоляционный материал. Частицы размером в диапазоне от 10 до 100 нанометра, или 0,1 микрона, — это эффективные минеральные добавки, которые обеспечивают повышение плотности бетона как основного конструкционного материала.

Создание технологических принципов получения мелкокристаллических структур металлов повышает их прочность примерно в два раза. Создание на поверхности металла слоя из наночастиц существенно улучшает качества обрабатывающего инструмента, который используется при горных проходках, при дроблении материала. Изнашиваемость рабочего органа резко сокращается.

Для строительной отрасли очень важны работы, хотя бы частично связанные с использованием нанотехнологий хотя бы для поверхностных слоев материалов. Таким образом, стойкость красок и внешних покрытий может быть повышена в десятки раз, что очень важно для отделочных фасадных работ.

Нанотехнологии, без сомнения, будут основой для создания экологически чистых материалов для высотного строительства. При теплоизоляции с использованием волокон на наноуровне существенно повышается комфортность помещения. Стены начинают "Дышать», выводя вредные вещества за пределы помещения, при этом сохраняя тепло. Нанофильтры в воздуховодах высотных зданий могут работать на основе саморегулирования оборота воздуха в помещениях.

Кто же будет создавать нанотехнологии для нашего производства и строительства? Да, еще недавно было очень сложное время, когда молодые ученые уезжали из страны десятками и сотнями. Теперь ситуация понемногу меняется. Молодые ученые, имеющие наиболее высокую отдачу и в науке, и в производстве, остаются в России: появились исследовательские фирмы, позволяющие зарабатывать и заниматься наукой. В этом смысле отечественные лаборатории и сохранившиеся институты еще имеют надежду на приток новых научных кадров. А в области форсированного развития нанонауки, обеспечивающей приоритеты страны в целом, требуется государственное регулирование, Разрозненные отраслевые исследования должны быть объединены в рамках общегосударственной целевой программы, чтобы наша фундаментальная наука и технологии развивались в ногу со временем.

Лариса Белянчикова

"Строительная газета" №8 от 23 февраля 2007 г.  28.02.2007