Нанотехнологии. Правда и вымысел

К таким разработкам следует отнести нанокомпозиционные электрические провода с высокой прочностью и электропроводностью, состоящие из наноструктурных волокон серебра, распределенных в матрице меди, а также сверхпрочные высокопроводящие кабели на основе интерметаллидов.

Немаловажная задача — разработка и производство специальных проводящих материалов для радиоэлектронной техники и будущих нанометрических устройств. К таким разработкам относятся:

• нанопроволока на основе оксида индия;

• ультратонкие провода на основе наночастиц золота;

• наноструктурные композиционные сверхпроводники NbTi с низкими энергетическими потерями в быстроменяющих-ся магнитных полях для магнитных систем синхротронов SIS-100 и SIS-300 международного проекта FAIR;

• термопарная проволока для высокочувствительных измерений температуры на основе наноструктурированного сплава никеля и другие разработки.

При разработке новых конструкций аккумуляторных батарей и суперконденсаторов ожидается, что наноматериалы окажут решающее значение при решении следующих основных задач.

1. Увеличение плотности энергии и мощности, в том числе для классических батарей.

2. Улучшение показателей продолжительности и эффективности цикла зарядки батарей.

3. Повышение общего срока службы (циклов «заряд-разрядка»).

4. Снижение токсичности применяемых материалов (в том числе возможных перспективных наноматериалов будущих элементов).

5. Снижение взрывоопасности и пожароопасности (так как, например, наночастицы гидридов металла обладают высокой опасностью воспламенения).

Нанокристаллические композитные материалы и нанотрубки планируется использовать для восстановления нормы графита в литиево-графитных электродах. Обеспечивая наноразмерной структурой значительную площадь рабочей поверхности, они смогут привести к увеличению плотности энергии, мощности и улучшению других показателей аккумуляторных батарей и суперконденсаторов.

Наиболее перспективными нанотехнологическими разработками в этой области являются наноструктурированные аноды и катоды из наноматериалов, которые прочнее и до 100 раз мощнее традиционных изделий. Нанокерамические сепараторы и полимерные электролиты могут помочь увеличить мощность и надежность и выдержать до 500 циклов «заряд-разрядка» до полного истощения.

Использование нанокристаллических материалов и углеродных нанотрубок в качестве материалов для электродов в перезаряжаемых аккумуляторах (например, литиевых батареях) привело не только к уменьшению их размеров, но и к значительному увеличению плотности энергии и мощности, срока службы и количества циклов «заряд-разрядка».

Аналогичные результаты могут быть получены при применении нанопористых материалов для изготовления электродов разрабатываемых в настоящее время суперконденсаторов.

Развитие нанотехнологий позволит открыть новые потенциальные рынки для аккумуляторов и суперконденсаторов или их сочетания в наноэлектромеханических системах (роботах), мобильных телефонах, ноутбуках и т. д.

Сбережение энергии

В сбережении энергии наиболее значимые и высокоэффективные сферы применения нанотехнологий открываются при производстве материалов и устройств для улучшения теплоизоляции (аэрогели, умные стекла), более эффективного и экономичного освещения (светодиоды на основе полимерной органики ОЛЕД), использования традиционного углеводородного топлива (катализаторы), а также создании более легких материалов в машиностроении и транспорте.

Главное предназначение теплоизоляции — снижение скорости теплопередачи (фактически теплопотерь) вследствие теплопроводности, конвекции и теплового излучения, а также любой комбинации этих энергетических процессов.

Снижение теплопотерь практически можно осуществить двумя основными способами.

1. Применением высокопористого материала, удерживающего газообразные вещества (воздух или иную среду) и предупреждающего конвекцию.

2. Использованием покрытий для отражения различного рода излучения (в основном, естественно, инфракрасного спектра) как снаружи, так и извне помещений.

В настоящее время для теплоизоляции все еще применяют стекловолокно, минеральную вату и шлаковату, но по мере разработки новых прозрачных аэрогелей и с уменьшением их стоимости эти материалы способны значительно повысить эффективность энергосбережения. Положительный опыт применения аэрогелей уже имеется при изготовлении изоляции трубопроводов (например, для природного газа).

В рамках начавшегося в 2005 году Датского исследовательского проекта в настоящее время разрабатываются новые аэрогели, которые можно применять в качестве светопроницаемого и одновременно изоляционного материала для покрытия в солнечных коллекторах.

Например, такие нанокомпозитные кремниевые аэрогели, как аэростекло (airglass), обладают низкой проводимостью, низкой плотностью твердых частиц, высокой пористостью, большой площадью поверхности и высокой диэлектрической проницаемостью, что делает их одним из лучших светопроницаемых изоляционных материалов.