Наноинженерия в химической промышленности

В химической промышленности миниатюризация объектов является не самоцелью, а средством придать объектам и материалам из них новые, "нанометровые" свойства, которым затем можно найти различные технические применения. Ожидается, что наноэнергетика позволит значительно повысить эффективность систем преобразования и аккумулирования солнечной энергии, а разработка более легких и прочных конструкционных материалов позволит решить многие проблемы транспорта. Использование низкоэнергетических химических реакций даст возможность легко разлагать ядовитые и вредные вещества, а разработка сверхмалых датчиков и устройств управления позволит повысить эффективность производственных процессов.

Концепции развития нанонауки и нанотехнологии привлекают внимание исследователей разнообразных научных специальностей по всему миру. Стремление перейти к изучению и использованию наноразмерных объектов и структур объясняется двумя обстоятельствами:

¾ поведение и свойства веществ на квантовом (нанометровом) уровне существенно отличаются от их макроскопических характеристик;

¾ материалы, обладающие квантовыми свойствами, теперь могут быть синтезированы и изучены в лаборатории. Поэтому значение исследований квантовых характеристик повышается по мере продолжающейся миниатюризации устройств и элементов структуры материалов.

Ниже приводятся примеры влияния квантовых свойств веществ на их макроскопическое поведение:

¾ Наночастицы (металлические, углеродные, оксидные и т. д.) обладают особыми электрическими, химическими, магнитными и структурными характеристиками.

¾ Молекулярная диффузия через молекулярные сита (например, цеолиты) не может быть объяснена в рамках макроскопических схем молекулярных взаимодействий (в частности, модели твердых шаров) или структур (например, стенка с фиксированными отверстиями).

¾ Катализаторы (наноразмерные в одном, двух или трех измерениях) обладают особой химической и каталитической активностью.

¾ Процессы переноса заряда и энергии (электроны, фотоны) происходят особым образом в наноструктурных материалах.

Для разработки новых материалов все большее значение принимает исследование атомных взаимодействий на фундаментальном уровне. Можно указать много примеров промышленно производимых и разрабатываемых материалов, поведение которых частично определяется квантовыми свойствами:

¾ Неорганические кластеры, образованные чистыми металлами, сплавами, оксидами, карбидами и сульфидами металлов, а также углеродом, и органические молекулярные кластеры.

¾ Материалы, представляющие собой молекулярные сита с точно заданными размерами пор.

¾ Углеродные нанотрубки разных диаметров и спиральности и углеродные замкнутые оболочки.

¾ Пленки толщиной в несколько молекулярных слоев.

¾ Катализаторы, наноразмерные хотя бы в одном измерении.

¾ Материалы для батарей с нанометровыми порами.

¾ Материалы с высокой удельной поверхностью, используемые в качестве сорбентов или носителей катализаторов.

¾ Устройства преобразования энергии на основе элементов Грацеля, в которых используются молекулы красителей, абсорбированные на наноразмерных неорганических оксидах.

¾ Электронные устройства, наноразмерные хотя бы в одном измерении.

В ближайшем будущем изучение наноструктур и возможностей их практического использования станет, по-видимому, важным направлением развития многих научных дисциплин. В области энергетики и химической промышленности приоритетными являются следующие области применения:

¾ В нефтехимической переработке (где основной задачей всегда являлась разработка каталитических процессов с максимальной избирательностью и высоким выходом) можно добиться значительного прогресса, используя порошки катализаторов из наночастиц, обладающих высокой специфичностью к конкретным реакциям.

¾ В энергетике главные преобразования могут быть связаны с новым классом материалов (пористых веществ с точно определенными размерами пор и высокой удельной поверхностью). Некоторые из этих материалов уже производятся промышленностью, а другие разрабатываются в лабораториях. Их использование в устройствах накопления энергии, химического разделения веществ или электрохимических элементах обещает резко повысить емкость устройств, скорость их заряжания и разряжения, а также возможности регулирования процессов абсорбции и переноса. В будущем эти материалы приведут к созданию нового поколения дешевых, высокоэффективных, высокоемких и экологически безопасных газопоглощающих элементов (например, для аккумуляции Н2 и СН4), позволяющих легко сохранять, перевозить и использовать энергоносители для разных нужд. Аналогично, создание устройств, способных поглощать H2S, Н20, СО и С02 из природного газа непосредственно на выходе буровой скважины, значительно облегчило бы задачу транспортировки газа от скважины к потребителям. Недавно было обнаружено, что при электрохимическом восстановлении оксида олова образуется сеть нанокристаллических непрерывных агрегатов олова, что открывает возможности значительного улучшения характеристик перезаряжаемых ион-литиевых батарей. Было также показано, что применение некоторых наноструктурных материалов (в частности, V2O5, LiCo02) в анодах тоже может значительно улучшить многие характеристики батарей (емкость, срок службы, скорость заряжания/разряжения).

¾ В области конструкционных материалов получены новые вещества, обладающие улучшенными эксплуатационными свойствами, обусловленными морфологическими особенностями поверхности наноразмерных элементов структуры. Возможно, они позволят создать материалы с высокой прочностью и ударной вязкостью, требуемые для строительства и металлургии. Использование наноструктурных твердых сплавов позволило изготовить сверла с вдвое более высокими износостойкостью и прочностью. Введение в бетон углеродных нановолокон или нанотрубок не только повышает его прочность, но и позволяет осуществлять непрерывный контроль его структурной целостности путем измерения электросопротивления. Регулирование числа, размеров и границ кристаллических зерен в стали должно повысить ее прочность и другие характеристики. Например, из нее можно будет изготовлять более тонкие, но и более прочные трубы для распределительных газовых систем, работающих при высоких давлениях.

¾ В других областях материаловедения ведутся интенсивные поиски, включая получение теплоизоляционных покрытий и высокочувствительных датчиков, а также разработку технологий молекулярной репликации для быстрого увеличения масштаба и изготовления. Такие исследования интенсивно ведутся во многих странах.

Разумеется, в конечном счете промышленное использование наноматериалов будет зависеть не столько от успехов изучения их свойств, сколько от экономических выгод, получаемых конечным потребителем.

Пример уникальных характеристик наночастиц, представляющих интерес для исследователей в областях энергетики и химической технологии, дают нанокристаллические материалы, образованные кристаллитами размером 1—10 нм, у которых отношение поверхность/объем достигает очень больших значений. Грани и углы таких кристаллитов содержат атомы с малыми значениями координационного числа (в макроскопической порции материала число таких атомов огромно), что создает большое число каталитически активных центров. Как уже отмечалось, химические, каталитические и физические свойства наноструктурных материалов отличаются от свойств как отдельных атомов, так и макроскопических порций обычных материалов. Ключевой проблемой при попытках использования наноструктурных материалов в промышленности выступает сложность стабилизации формы и размеров нанокристаллитов. В этом направлении уже проводятся активные фундаментальные исследования. В случае успеха эти исследования могут привести к организации промышленного производства новых материалов, свойства которых будут определяться размерами кристаллитов и числом атомов в них.