Размерные приставки для единиц измерения

Приставка	Обозначение	Соотношение	Наименование (доля)
Фемто	ф	10 ^-15	квадриллионная доля
Пико	п	10 ^-12	триллионная доля
Нано	н	10 ^-9	миллиардная доля
Микро	мк	10 ^–6	миллионная доля
Милли	м	10 ^-3	тысячная доля
Кило	к	10 ^+3	тысяча
Мега	М	10 ^+6	миллион
Гига	Г	10 ^+9	миллиард
Тера	Т	10 ^+12	триллион
Пета	П	10 ^+15	квадриллион

В практике используются и другие соотношения, например, санти метры и   деци метры.

 В строительстве для единиц размеров используются приставки:

  кило метры - расстояния перевозки строительных материалов, тысячи метров;

милли метры - размеры деталей машин и строительных материалов, тысячная доля метра;

микро ны - зазоры между рабочими поверхностями некоторых (прецизионных) деталей, например, зазор между гильзой и плунжером топливного насоса дизельного двигателя составляет всего 0,5..15 мкм.  Микрон - это миллионная доля метра. Нанометр представляет собой тысячную долю микрона, или миллиардную долю метра.

Нанотехнология начала развиваться и появилась соответствующая терминология относительно недавно. В  1974 году японский физик Норио Танигучи вводит термин нанотехника. В 1989 году сканирующий туннельный микроскоп удалось использовать не только как микроскоп, но и как наноманипулятор, т. е. с его помощью смогли перемещать атомы. Естественно, что нанотехнологии особенно эффективны в микропроцессорной технике, требующей непрерывного увеличения быстродействия и уменьшения размеров конструкций. Первые элктронновычислительные машины занимали громадные площади - до нескольких комнат и даже этажей зданий. Современный сотовый телефон имеет многократно меньшие размеры и многократно большие функциональные возможности, чем эти машины.

Наноматериалы используются практически уже давно. Примером этого является сусальное золото: методами ковки из заготовки в 2…3 грамма золота получают  квадратный метр покрытия, толщиной менее микрона. Наночастицы сажи добавляют уже более 100 лет в состав для получения резины.

 Голографические знаки на этикетках и акцизных марках, на кредитных картах и на других видах магнитных носителей тоже продукт нанотехнологии. Так, компьютерные диски имеют слой магнитного материала, который для снижения износа покрыт алмазоподобной пленкой толщиной всего нескольких нанометров, которая в свою очередь для уменьшения износа покрыта тончайшим слоем специальной смазки.

Наноматериалы делятся (рис.10.1) на естественные (сажа, белок, шунгит,…) и искусственные (наночастицы материалов, фуллурены, нанотрубки, модификаторы и др.).

Получение многих наноматериалов основано на их измельчении и диспергировании.

На «Заводе пластмасс» (г. Копейск Челябинской области), занимающемся утилизацией боеприпасов, отработана технология получения наноалмазов. Гексоген (взрывчатое вещество снарядов и мин)  смешивают с графитом, загружают в специальную взрывокамеру. Взрыв внутри ограниченного объема создает огромное давление (до 20 тысяч атмосфер), в результате чего создается шихта, содержащая мелкодисперсные алмазы. Эти искусственные алмазы эффективно используются в качестве износостойкого покрытия поверхностей, для полировки деталей, присадок к маслам и др.

Механическое измельчение частиц твердого вещества имеет границы, при переходе которых частицы слипаются. Поэтому, кроме механических способов дробления вещества, используются и другие методы:

- химические реакции в растворе или газовой среде;

- конденсация в газовой среде путем первоначального испарения;

- твердотельные химические реакции;

- нуклевание из растворов или зель- гель превращения.

Давно известен материал для изготовления режущих инструментов - победит, это композит (частицы карбида вольфрама размерами в десятки микрон, введенные в хромовую матрицу). Используя частицы размерами существенно ниже микрона, получают более твердый материал, чем победит, инструмент из него обеспечивает более высокие скорость обработки и чистоту поверхности при резании металлов.

Фуллерены

Углерод в природе может находиться в 4-х формах:

1. Алмаз, т.е. кристаллическая решетка, в которой каждый атом углерода расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома. Из – за этой структуры алмаз является самым твердым материалом на Земле.

2. Графит, атомы углерода в котором образуют шестиугольные кольца, образующие сетчатую слоистую структуру, позволяющую легко расслаиваться материалу.

3. Карбины.

4. Фуллерены, как особая форма углерода.

В 1996 году американским ученым была присуждена Нобелевская премия по физике за открытие (1984 г) наночастицы - фуллерена. Это полая сферическая частица, внешне похожая на оболочку футбольного мяча, состоящего из 20 шестиугольных ячеек и 12 пятиугольных с общим количеством атомов углерода, равным шестидесяти. Для его обозначения используется символ С60.

Каждый шестиугольник граничит с тремя шестиугольниками и тремя пятиугольниками. Образуется структура структура (усеченный икосаэдр). Длина связи атомов углерода в пятиугольнике 0,143 нм, а в шестиугольнике – 0,139 нм.

Благодаря своему сетчато - шарообразному состоянию фуллерены оказались идеальными наполнителями и идеальной смазкой. Они «катаются» словно шарики размером всего с молекулу между трущимися поверхностями. Комбинированием внутри углеродных шаров разные атомы и молекулы можно создавать самые фантастические материалы будущего.

Фуллерены могут использоваться в медицине, электронике, оптике и др. отраслях. Например, американские ученые разработали технологию нанесения на любую поверхность тончайшие элементов солнечных батарей, содержащие фуллерены. Хотя к.п.д. у них пока в четыре раза ниже, чем у традиционных солнечных батарей, но они значительно проще и дешевле в изготовлении и есть возможность выпускать солнечные батареи даже рулонами.

Пока фуллерены очень дороги, так стоимость фуллерена самого высокого качества составляет около 900 долларов США за грамм, а более низкого качества – около 40.

Термин «фуллерен» дан в честь знаменитого архитектора Фуллера, который еще до открытия фуллеренов в своих конструкциях использовал аналогичные фуллеренам связи из стальных стержней.

Нанотрубки

Углеродные нанотрубки были изобретены в Японии в 1991 году. Прочность их на разрыв почти на два порядка превосходит прочность стали. Углеродные нанотрубки можно рассматривать как модифицированный вид графита.

Закрытая нанотрубка представляет собой полый объект в виде вытянутого в трубу тора, боковая поверхность которого сложена из шестиугольников, а торцы представлены половинками фуллоренов. В настоящее время есть технология, позволяющая открывать концы нанотрубок и превращать их в микрокапиляры.

С помощью нанотехнологии перспективно получение новых материалов на основе углеродных нанотрубок. Углерод может образовывать молекулы материалов не только традиционно с водородом и кислородом, но и гигантские, чисто углеродные атомные соединения (молекулы). Размеры трубок могут быть: длина сотни микрон при диаметре нескольких десятков нанометров, т.е. длина превышает диаметр в миллионы раз. Из этих трубок можно получить материал прочнее стали. Из него можно изготовлять более легкие и прочные чем келавровые бронежилеты, элементы самолетов и космических кораблей.

Нанотрубки  можно использовать для приготовления модифицированного бетона. Но так как они очень дороги, то некоторое увеличение прочности бетона становится не эффективным.

Шунгиты

Шунгит – уникальный природный наноматериал. Он необычен по происхождению, структуре углерода и пород, входящих в его состав. Шунгитовый углерод – это окаменевшая древнейшая нефть, или аморфный, некристаллизующийся, фуллереноподобный углерод. Содержание этого углерода в породе около 30 %, а остальное составляют силикатные минералы – кварц, песок (прил. 8).

Шунгитовый углерод образует в породе матрицу, в которой равномерно распределены дисперсные силикаты со средним размером около 1 мкм.

Уникальные свойства шунгита объясняются двумя факторами:

1. Свойствами шунгитового углерода.

2. Структурой породы, т.е. взаимоотношением углерода и силикатов.

Месторождение шунгита находится около поселка Шуньга  в Кареллии рядом с Онежским озером. (Сейчас здесь добывается около 200 тысяч тонн шунгита в год, а запасы его составляют 35 млн. тонн).

В 1714 году император России Петр 1 основал в этих краях курорт «Марциальные воды», в котором лечились раненые и больные солдаты. По легенде, учитывая антисептические свойства шунгита, Петр 1 приказал солдатам носить в ранцах кусочки его для обеззараживания воды в полевых условиях.

Шунгит имеет следующие замечательные свойства:

1. Обладает высокой активностью в окислительно – восстановительных процессах, поэтому используется в производствах: доменном, ферросплавов, фосфора, карбида и нитрида кремния, наполнителей красок.

2. Имеет высокие сорбционные и каталитические свойства: применяется для очистки сточных вод от нефтепродуктов, пестицидов, фенолов и других химических загрязнений.

3. Обладает электропроводящими свойствами, поэтому применяется для изготовления электропроводящих красок, бетонов и асфальтов, позволяющие создавать теплые стены  тротуары и дороги, обеспечивать удаление льда с дорог и др.

4. Воды, выходящих из шунгитовых толщ,  обладают биологической активностью и используются для лечения дерматологических, аллергических и сердечно – сосудистых заболеваний, астмы, заболеваний печени и поджелудочной железы и многих других болезней.

Нанобетоны и наноасфальты

На основе новых технологий создаются современные строительные материалы, так для дорожного строительства создан нанобитум, а для изготовления фундаментов и ограждающих конструкций – нанобетон.

Основные технологические способы использования наноструктур при производстве бетона:

- диспергирование, измельчение и др.;

- объединение атомов, конденсация, «золь- золь» и др.;

- применние природных фуллеренов (шунгиты).

При домоле портландцемента увеличивается доля вещества, вступающего в реакцию с водой. У обычного портландцемента, удельная поверхность составляет 3000 см² на 1 грамм, в реакцию вступает лишь третья часть объема частиц, а оставшаяся часть (2/3) является инертным наполнителем. У домолотого цемента частицы реагируют с водой уже на 80…90 % их объема.

Следовательно, для приготовления раствора домолотого цемента потребуется меньше, а прочность бетонных изделий будет выше. Проблема домола цемента решена использованием планетарных мельниц. Эта мельница имеет большое число валков малого диаметра, вращающихся вокруг двух опорных валков большего диаметра. В США, несмотря на отсутствие дефицита цемента, домол его проводится в больших масштабах.

Более сложная технология «золь- золь». К цементу добавляется до 20% минеральной добавки доменного шлака, создающего наночастицы оксида кремния в бетоне, которые способствуют сокращению количества пор в бетоне и заполнению их частицами золя и продуктами химических реакций.

Эффективное направление – добавление в бетон нанодисперсных модификаторов. Так введение микрокремнезема, образующего как отход при производстве кремния и ферросилиция, или полученного из геотермальных вод, или из сточных вод гальванического производства при обработке их известью, позволяет экономично (из отходов) улучшить качество бетона. Имеются положительные результаты исследований по использованию отходов сахарного производства в изготовлении нанобетонов.

Применение модификаторов позволяет создать бетоны и строительные смеси различного функционального назначения с широким спектром заданных свойств. Стало возможным создание порошковых бетонов прочностью 500…600 МПа, т.е. на порядок превосходящие обычные бетоны. Прочность бетонов на растяжение доведена до 70…80 % от прочности их на сжатие против имеющих 10…15% у обычных бетонов.

Модифицирующие добавки к строительным растворам использовались в России уже в ІХ…Х веках. При возведении кирпичных стен церковных сооружений строители добавляли в известковый раствор органический модификатор – белок куриных яиц. Белок – это высокомолекулярное органическое вещество, построенное из 20 аминокислот, совместно с неорганическим веществом (известью) создает прочный, морозостойкий и долговечный слоя кладки.

При строительстве дорог из Нижнего Новгорода в республики Марий - Эл и Чувашию вместо обычного асфальта на строительство дороги пошел специально измельченный щебень, цемент и битум, измененный на молекулярном уровне. Слой нового асфальта толщиной всего несколько миллиметров способен защищать дорожное полотно при температурных колебаниях до 100 градусов. В обычном асфальте неизбежны микротрещины;  вода, поступившая  в них в сырую погоду, при последующем замораживании превращается в лед и поэтому  происходит микроразрыв асфальта. Наноасфальт все эти щели закрывает, поэтому нет разрушения дорожного покрытия, и срок службы нового асфальтового покрытия без ремонта составляет не менее 7 лет.

Прочность бетона, изготовленного по нанотехнологии на порядок выше обычного бетона.

Полимерцементогрунт

Это новый материал, разработанный на основе нанотехнологий. Он представляет собой цементно – грунтовую смесь со специальными  добавками- пластификаторами  на основе ренолита. Присадка не токсична, легко растворяется в воде; укладывать дорожное полотно из полимерцементографита можно даже и при отрицательных температурах (до –10 ºС). В 2007 году по новой технологии построен опытный 1000 метровый участок автодороги Сорокино – Знаменщиково в Тюменской области, а позднее полимерцементогрунтовое покрытие применили при строительстве территории новой площадки завода компании «Бенат» в г. Тюмени.

Наноструктурирование воды затворения наномодефикатором на основе фуллероидных материалов  приводит к снижению вязкости цементного теста в 1,4…1,7 раза. Структурирование воды проводится воздействием магнитного или электромагнитного полей, кавитацией воды или др. методами. Прочность бетона на сжатие, изготовленного на такой воде, повышается на 20…35%, а пенобетона до 50% по сравнению с обычными образцами. Это приводит к снижению нагрузки на фундамент на 10…20%. При этом сокращается время набора прочности бетон. Эта технология очень эффективна при монолитном домостроении.