Проблемы применения нанотехнологии Докладчик:Младший научный сотрудник НОЦ «Нанотехнологии» МГСУ Гришина А.Н.

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
Определения и принципы нанотехнологии
Новые 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

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
Дефиниции
Технология (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.

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
Нормативные документы

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
Дополнительная полезная информация
Методические 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.

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
Комплект документов
Область применения и рекомендуемые уровни внесения; торговое, химическое наименование 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.

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
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.

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
Категории продукции наноиндустрии в части товаров и услуг
Категория «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.

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
Категории продукции наноиндустрии в части товаров и услуг
Категория «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.

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
Категории продукции наноиндустрии в части товаров и услуг
Категория «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).

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
Категории продукции наноиндустрии в части товаров и услуг
Категория «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».

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
Основные виды углеродных наноразмерных материалов

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
Фотографии многослойных углеродных нанотрубок

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
Фотографии астраленов

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
Определения наноматериалов
Наноматериалы (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

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
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»)

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
Атомная структура наноматериала

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
Общий вид наноматериала

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
Достижения по наноструктурированному бетону
С 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).

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
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.

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
Фотография агломерации астраленов на многослойных нанотрубках

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
Влияние УНТ на прочность бетона
Источник: А.Н. Слижевский, Самуйлов Ю.Д., Батяновский Э.И. О Влиянии углеродных наноматериалов на свойства цемента и цементного камня

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
Другие наномодификаторы
Структурирующие 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 раза
Нанолнитель (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 раза
Наночастицы диоксида титана – экономия цемента до 10%, снижение стоимости 1 м2 изделий на 15…20%.

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
Другие наномодификаторы
Наноразмерный 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.

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
Другие примеры
Неметаллическая арматура
Энергоэффективное стекло
Коррозионно-стойкие покрытия на металлических поверхностях
Пеностекло
Краска-термос

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
Зарубежный опыт
Наноразмерный TiO2 – активный фотокатализатор, очищающий воздух от COx, NOx, VOCs. Снижение содержания указанных газов до 40%.
Наноструктурные композиты на основе взаимопроникающих полимерных сеток
Нанокомпозиты на основе гибридной органосиликатной матрицы
Полимерные нанокомпозиты с очень низкой проницаемостью и высоким сопротивлением агрессивным средам
Краски с наноразмерными частицами серебра

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
Задачи нанотехнологии
Определить рациональную траекторию наноструктурирования строительных материалов
Оценить токсикологическое влияние нанообъектов на здоровье человека
Разработать методологию технико-экономической оценки внедрения нанотехнологии в строительство

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
Задача №1
Введение в материал синтезированных нанообъектов
Синтез нанообъектов в материале в процессе его изготовления

Управление скоростью гидратации вяжущего, морфологией новообразований, плотностью структуры и свойствами композитов гидратного твердения

Управление кристаллической и надмолекулярной структурой
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

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
Проблемы обеспечения однородного распределения
1) Сила притяжения при do<<λ
2) Сила притяжения Бьеркнеса
(при протяженных агрегатах)
3) Сила притяжения Бернулли
При =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.

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
Влияние ПАВ
Энергетический 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
E = πσr2 + kT(Cr − C∞)

Управление скоростью гидратации вяжущего, морфологией новообразований, плотностью структуры и свойствами композитов гидратного твердения

Управление кристаллической и надмолекулярной структурой
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

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
Задача №2
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 материала
2) Подобрать вспомогательные вещества, обеспечивающие агрегативную
стабильность коллоидных систем и удаляющиеся для реализации потенциала
наночастиц

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
Задача №3
Коэффициент эффективности:
Разработать методики расчета экономических показателей, учитывающих
весь жизненный цикл работы материала.
Сформулировать обобщенный критерий качества материала.
Установить перечни и граничные значения свойств материала.
Ключевые подзадачи:
Обобщенный критерий качества

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
Методика оценки экономической целесообразности внедрения новой технологии
Критерий экономической целесообразности
qi – расход ресурса на изготовление изделия
ti – продолжительность эксплуатации
qp – расход ресурса на поддержание изделия в работоспособном состоянии
tp – продолжительность межремонтного периода
qe – энергопотребление в процессе эксплуатации изделия

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
Критерий экономической эффективности

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
Результаты моделирования

НОЦ НТ
|тел. [phone] || www.nocnt.ru|
Выводы и заключения
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.