Презентация на тему: Проблемы применения нанотехнологии
Проблемы применения нанотехнологии Докладчик:Младший научный сотрудник НОЦ «Нанотехнологии» МГСУ Гришина А.Н.
Определения и принципы нанотехнологииНовые технологии – это то, что венчает многогранное движение человечества вперёд по пути прогресса. Технологии определяют качество жизни каждого человека и мощь государства. Нанотехнологии – технология объектов, размеры которых порядка 10-9 м (атомы, молекулы); включает атомную сборку молекул, новые методы записи и считывания информации, локальную стимуляцию химической реакций на молекулярном уровне, включая атомную сборку молекул, новые методы записи и считывания информации, локальную стимуляцию химической реакций на молекулярном уровне и др. При этом любую химическую реакцию нельзя рассматривать как нанотехнологию
ДефиницииТехнология (от греч. techne – искусство, мастерство, умение и ...логия), совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката, осуществляемых в процессе производства продукции; научная дисциплина, изучающая физические, химические, механические и другие закономерности, действующие в технологических процессах. Технологией называют также сами операции добычи, обработки, транспортировки, хранения, контроля, являющиеся частью общего производственного процесса.Приставка «нано» – первая составная часть наименований единиц физических величин, служащая для образования наименований дольных единиц, равных миллиардной доле исходных единиц.Нанотехнология – это совокупность методов получения продукции (изделий) посредством организации вещества на наноуровне.
Нормативные документы
Дополнительная полезная информацияМетодические указания МУ 1.2.2520-09 «Токсиколого-гигиеническая оценка безопасности наноматериалов»Область применения: Требования, изложенные в настоящих методических указаниях, применяются при осуществлении государственной регистрации продукции, полученной с использованием нанотехнологий или содержащей наноматериалы, впервые разрабатываемой и внедряемой для промышленного изготовления на территории Российской Федерации на этапе ее подготовки к производству, а также впервые ввозимой и ранее не реализовывавшейся – до ее ввоза на территорию Российской Федерации.
Комплект документовнаименование наноматериала; точное название, адрес, реквизиты изготовителя; метод получения; состав наноматериала (название и формула(ы) вещества или веществ, входящих в его состав, его (их) молекулярная масса); сведения об идентичности представленного образца выпускаемой продукции; нормативно-техническую документацию на отечественную продукцию, включая все конструкционные элементы; протоколы отдельных разделов токсиколого-гигиенических испытаний на безопасность продукции (если таковые имеются), выполненных в аккредитованных лабораториях; специфический метод определения наноматериалов в продукции; для оценки многокомпонентных материалов, если наноматериал находится в растворителе или на носителе, подробная рецептура композиции; Реквизиты импортной продукции дополнительно должны содержать: сертификаты фирмы-производителя о безопасности продукции, протоколы испытаний в аккредитованных лабораториях (центрах) зарубежных стран; физические характеристики наноматериалов (размер и распределение по размеру частиц, форма частиц, площадь поверхности, пористость, агрегатное состояние); физико-химические характеристики наноматериалов (растворимость в воде и биологических жидкостях, заряд частиц, кристаллическая структура, адсорбционная емкость, устойчивость к агрегации, гидрофобность, адгезия наночастиц к поверхности, химическая активность (в том числе способность генерировать свободные радикалы), способность к биодеструкции; молекулярно-биологические характеристики (взаимодействие с ДНК, РНК, клеточными мембранами, белками); цитологические характеристики (цитотоксичность, способность к накоплению в клетках, влияние на протеомный и метаболомный профиль); токсикологические характеристики (потенциальные пути проникновения в организм, острая токсичность, подострая токсичность, хроническая токсичность, кумулятивное действие, местнораздражающее действие, отдаленные эффекты (мутагенность, эмбриотоксичность, тератогенность, канцерогенность), иммунотоксичность, аллергенность, накопление в органах и тканях, проницаемость барьеров организма для токсикантов, проникновение через барьеры организма); разрешение уполномоченных органов страны-изготовителя на использование наноматериалов в странах-импортерах.
Распоряжение Правительства РФ №1192-р от 07.07.2011 г.К продукции наноиндустрии относится продукция (товары, услуги), произведенная с использованием нанотехнологий и обладающая вследствие этого ранее недостижимыми технико-экономическими показателями.
Категории продукции наноиндустрии в части товаров и услугКатегория «А» (первичная нанотехнологическая продукция) – товары, представляющие собой нанокомпоненты (нанообъекты и наносистемы), в том числе используемые как сырье и полуфабрикаты для производства продукции наноиндустрии категорий «Б», «В» и «Г». Условия соответствия к категории «А»:продукция содержит составляющие компоненты, которые определяют ее функциональные свойства и (или) потребительские характеристики и размер которых хотя бы в одном измерении находится в пределах от 1 до 100 нм.продукция произведена путем манипулирования отдельными атомами и молекулами, в том числе с использованием биохимических технологий.
Категории продукции наноиндустрии в части товаров и услугКатегория «Б» (наносодержащая продукция) – товары, содержащие нанокомпоненты (продукцию наноиндустрии категории «А»). Условия отнесения к категории «Б»:если нанокомпоненты придают продукции новые, принципиально важные для нее функциональные (механические, физические, физико-химические и др.) свойства или обеспечивают существенное улучшение ее технико-экономических и (или) потребительских характеристик.
Категории продукции наноиндустрии в части товаров и услугКатегория «В» – услуги (товары, не содержащие нанокомпоненты), при оказании (производстве) которых используются нанотехнологии и (или) нанокомпоненты (продукция наноиндустрии категории «А»). Условие отнесения к категории «В»:если использование нанотехнологий и (или) нанокомпонентов обеспечивает существенное улучшение технико-экономических и (или) потребительских характеристик оказываемых услуг (производимых товаров).
Категории продукции наноиндустрии в части товаров и услугКатегория «Г» – товары, представляющие собой специальное оборудование для нанотехнологий Условие отнесения к категории:обеспечивает качество измерения и (или) контроля характеристик нанокомпонентов, недостижимое иными методами.обеспечивает возможность контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами, в том числе при производстве нанопродукции категорий «А», «Б» и «В».
Основные виды углеродных наноразмерных материалов
Фотографии многослойных углеродных нанотрубок
Фотографии астраленов
Определения наноматериаловНаноматериалы (нанофазные материалы, наноструктурированные материалы, объемные наноматериалы) – материалы, содержащие более 10% по объему наноразмерных элементов.Наномодифицированные материалы – материалы, содержащие менее 10% по объему наноразмерных элементов.К такой категории нанопродукции относятся в первую очередь разнообразные изделия с наноупрочняющими или иными нанофукциализирующими покрытиями. Считать такие продукты продуктами наноиндустрии можно лишь в том случае, если нанокомпоненты создают принципиально новые функциональные и потребительские характеристики нанопродукции и нанокомпоненты являются неотъемлемой частью произведенного изделия». Академик РАН М.В. Алфимов
Нанобетон«Нанобетон … это вовсе не конкретный бетон, а только лишь обозначение бетона, который каким-то образом связан с какими-то наноматериалами, или нанотехнологиями». (А.Н. Понамарев ООО «НТЦ прикладных нанотехнологий») «Нанобетон – это группа методов и спектр наноматериалов, использование которых в различных сочетаниях позволяет управлять набором свойств строительных композиций на основе минеральных вяжущих. Общий признак: нанобетон обладает теми или иными преимуществами благодаря своей особой структуре, задаваемой на нано- и микроуровнях. При этом нанобетонами могут быть названы бетоны совершенно различных классов и марок». (М.Е. Юдович ООО «НТЦ прикладных нанотехнологий»)
Атомная структура наноматериала
Общий вид наноматериала
Достижения по наноструктурированному бетонуС применением синтезированных углеродных наноразмерных добавок фуллероидного типа «разработан и поставлен на производство «Бетон наноструктурированный легкий» со следующими характеристиками:- плотность – 1,2-1,6 т/м3;- прочность на сжатие – 30-60 МПа;- прочность на изгиб – 4-8 МПа;- теплопроводность – менее 0,2-0,4 Вт/(м*К);- водопоглощение – не более 0,4 %;- водонепроницаемость – W20;- огнестойкость – более 780 оС;- морозостойкость – F300-F350.» Источник: Статья «Перспективы применения нанобетона в монолитных большепролетных ребристых перекрытиях с постнапряжением» авторов: Е.В. Кишеневская, Н.И. Ватин, В.Д. Кузнецов (Журнал Инженерно-строительный журнал, №2, 2009).
Углеродные наноматериалы серии «Таунит» ООО «НаноТехЦентр» (г. Тамбов)Композиционные материалы – модифицирующая добавка УНТ повышает прочность (в 1,5-3 раза), электропроводность, теплопроводность, изменяет структуру композитов на основе полиэтилена, полипропилена, фторопластов, полиуретана и др.Строительные материалы и дорожные покрытия – применение сверхмалых добавок (0,001-0,0001%) в бетоны повышает в 1,2-2 раза их прочность, температуроустойчивость, снижает трещинообразование.
Фотография агломерации астраленов на многослойных нанотрубках
Влияние УНТ на прочность бетона
Другие наномодификаторыСтруктурирующие добавки (наноразмерные гидросиликаты кальция) – ускорение твердения до 50%, повышение прочности сцепления до 30%, повышение прочности при сжатии в 2-3 раза, повышение трещиностойкости в 2 разаНанолнитель (модифицированный диатомит) – ускорение твердения до 50%, повышение прочности сцепления в 2 раза, повышение прочности при сжатии в 2-2,5 раза, повышение трещиностойкости в 2 разаНаночастицы диоксида титана – экономия цемента до 10%, снижение стоимости 1 м2 изделий на 15…20%.
Другие наномодификаторыНаноразмерный диоксид кремния – повышение скорости набора прочности (увеличение тепловыделения), увеличение прочности до 30% (при содержании 12%).Органоглины (органофильно модифицированный монтмориллонит или каолинит) – вводится в полимеры в количестве до 5%; повышает жесткость полимеров (до 98%), стабильность и барьерные свойства (до 6 раз), токопроводимость. Промышленно выпускаются компаниями Elementis, Nanocor, Southern Clay (США), Süd-Chemie (Германия), Laviosa (Италия) и др.
Другие примерыНеметаллическая арматураЭнергоэффективное стеклоКоррозионно-стойкие покрытия на металлических поверхностяхПеностеклоКраска-термос
Зарубежный опытНаноразмерный TiO2 – активный фотокатализатор, очищающий воздух от COx, NOx, VOCs. Снижение содержания указанных газов до 40%.Наноструктурные композиты на основе взаимопроникающих полимерных сетокНанокомпозиты на основе гибридной органосиликатной матрицыПолимерные нанокомпозиты с очень низкой проницаемостью и высоким сопротивлением агрессивным средамКраски с наноразмерными частицами серебра
Задачи нанотехнологииОпределить рациональную траекторию наноструктурирования строительных материаловОценить токсикологическое влияние нанообъектов на здоровье человека Разработать методологию технико-экономической оценки внедрения нанотехнологии в строительство
Введение в материал синтезированных нанообъектовСинтез нанообъектов в материале в процессе его изготовления
Управление скоростью гидратации вяжущего, морфологией новообразований, плотностью структуры и свойствами композитов гидратного твердения
Управление скоростью гидратации вяжущего, морфологией новообразований, плотностью структуры и свойствами композитов гидратного твердения
Управление скоростью гидратации вяжущего, морфологией новообразований, плотностью структуры и свойствами композитов гидратного твердения
Проблемы обеспечения однородного распределенияПри =1500…2000 м/с и λ =dо=10…100 нм частота равна n=15…200 ГГц. При таких частотах (область гиперзвука) происходит быстрое поглощение звуковой энергии и она расходуется на различные физические процессы и преобразование вещества.
Влияние ПАВЭнергетический потенциал:σ – поверхностное натяжение; r – радиус наночастицы; k – постоянная Больцмана; T – температура; C∞ – концентрация вакансий в макротеле; Cr – концентрация вакансий в наночастице∆V – изменение объема кристалла при замене атома на вакансию
Управление скоростью гидратации вяжущего, морфологией новообразований, плотностью структуры и свойствами композитов гидратного твердения
Управление скоростью гидратации вяжущего, морфологией новообразований, плотностью структуры и свойствами композитов гидратного твердения
Управление скоростью гидратации вяжущего, морфологией новообразований, плотностью структуры и свойствами композитов гидратного твердения
Наночастицы, на введении которых основаны разрабатываемые технологии как российских, так и зарубежных строительных материалов, могут попадать в организм человека через органы дыхания, желудочно-кишечный тракт или другими путями. Причём негативные эффекты от введения нанотрубок превосходили результаты воздействия асбеста и кристаллического кремнезёма. Такие же проблемы выявлены при использовании наночастиц оксида титана и серебра.Ключевые подзадачи:Подобрать способы и режимы обработки, обеспечивающие однородное распределение наночастиц по объему среды-носителя и строительного материала2) Подобрать вспомогательные вещества, обеспечивающие агрегативную стабильность коллоидных систем и удаляющиеся для реализации потенциала наночастиц
Коэффициент эффективности:C – относительная стоимость технологииФk– относительное изменение обобщённого показателя качества материалаКлючевые подзадачи:Разработать методики расчета экономических показателей, учитывающих весь жизненный цикл работы материала.Сформулировать обобщенный критерий качества материала. Установить перечни и граничные значения свойств материала.
Методика оценки экономической целесообразности внедрения новой технологии Критерий экономической целесообразностиqi – расход ресурса на изготовление изделияti – продолжительность эксплуатацииqp – расход ресурса на поддержание изделия в работоспособном состоянииtp – продолжительность межремонтного периодаqe – энергопотребление в процессе эксплуатации изделия
Критерий экономической эффективности
Результаты моделирования
Современная нормативная база не способствует развитию нанотехнологий в строительстве.Введение наночастиц (3D-нанообъектов) приводит к возникновению экологических проблем. Кроме того, использование активных способов распределения нанообъектов (ультразвук) в диапазоне частот промышленных аппаратов не может обеспечить гомогенизацию смесей, а применение вспомогательных веществ блокирует активную поверхность нанообъетов и не позволяет реализовать их потенциал.Стратегия реализации современной нанотехнологии в строительстве должна базироваться на использовании запасённой в веществе химической энергии, т.е. перспективны химические методы синтеза нанообъектов. Производство строительных материалов должно проводиться на базе традиционных объёмных технологий, поэтому способы управления структурообразованием должны осуществляться без существенного изменения технологической линии.
Благодарю за внимание!Контактная информация:Тел. (499) 188-04-00www.nocnt.ruE-mail: [email protected]
