27.01.2010   Нанотехнологии и керамика: Проверка на совместимость

Керамика известна человеку с глубокой древности и, возможно, была первым созданным человеком материалом. Самая ранняя керамика использовалась и 10 тысяч лет назад в эпоху мезолита как примитивная посуда и используется сегодня как оболочка космических шатлов. В настоящее время керамика применяется как строительный, художественный, широко используемый в медицине, науке материал. В XX столетии новые керамические материалы были созданы для использования в полупроводниковой индустрии и других областях. С развитием нанотехнологии керамика становится смежной областью знаний и принимает новые веяния физики, химии и биологии.

Нанотехнологии как совокупность новых и амбициозных исследований привлекли общественный интерес в виду бесконечных возможностей манипулирования свойствами материала. Так применяя новые технические решения керамика будет иметь лучшие механические, электрические и оптические свойства, будет прочнее и дешевле.

Как отмечают ученые Американского керамического общества (American Ceramic Society), в будущем наноструктурная керамика найдет свое применение в качестве биоматериалов, режущих инструментов, газовых сенсоров, твердых топливных элементов и даже в качестве люминофоров для дисплеев 3D мониторов.

Именно 3D мониторы могут появиться благодаря изобретению американских ученых из Мичиганского университета (University of Michigan USA). Принцип действия такого дисплея связан с эффектом преобразования частоты света в кристалле. Ученые изготовили полую оболочку с равномерным распределением пикселей люминофора, в качестве которого использовали прозрачную керамику состава (Y0.86-Yb0.11Er0.03)2O3 в виде частиц размером 50 нм, разделенных неизлучающим материалом оболочки. Экспериментаторы задали фигуре определенную форму в виде буквы «М». При облучении ее невидимым человеческому глазу светом в области 980 нм проявилась объемная фигура, излучаемая в видимой области — 662 нм, т. е. соответствующей красному свету в зрении человека. Как отмечают исследователи, сложность заключается лишь в трудоемкости прессовки таблеток микронных размеров. Иными словами, подобрав составы люминесцирующих керамик к каждому свету спектра, возможно создать полноценный 3D дисплей. Такая работа уже ведется, а значит, будущее уже не далеко.

Все шире и шире применение керамике в медицине. Врачи используют биокерамические материалы для протезирования конечностей, зубов и даже клапанов сердца. Благодаря применению керамики, содержащей флюрапатит и наночастицы стекла, зубы имеют эстетический натуральный вид, меньше изнашиваются и препятствуют росту зубного камня и загрязнений. Высокопроизводительные керамики — это важнейший элемент современного оружия. Ее используют в системах наведения ракет, а керамическая броня защищает войска в воздухе и на земле.

В октябре 2009 года группа исследователей Технологического института штата Джорджия, США, сообщила о разработке нового твердо-оксидного топливного элемента, представляющего собой керамический материал на основе оксида бария-циркония-иттрия-церия-иттербия. Основное его преимущество над другими топливными элементами в том, что он может вырабатывать энергию без использования дорогостоящих катализаторов, таких как платина, которая обычно используется в водородных топливных элементах. Однако есть ряд проблем, которые мешают широкому внедрениею этого топливного элемента, одна из которых — большое количество выделяемого тепла.

Не обошли нанотехнологические новшества и вполне бытовые аспекты применения керамики, прежде всего строительную область, где керамика широко применяется в виде керамической плитки. Ряд патентов в области применения водо- и грязеотталкивающих покрытий керамики принадлежит германскому концерну Deutsche Steinzeug. Керамические частицы размером от 100 нм, нанесенные особым способом на покрытие плитки, заставляют капли воды, попавшие на поверхность собираться в шарики под действием сил поверхностного натяжения, после чего они удаляются под действием силы тяжести вместе с остатками грязи, пыли, грибка и мха.

Не отстают от разработок и отечественные ученые из различных научных центров страны. Так коллектив Белгородского государственного технологического университета им. В. Г. Шухова добился улучшения технических свойств керамических композиционных материалов. Особый интерес, среди них представляют исследования вяжущих фарфорофаянсовых суспензий, которые могла бы заменить традиционные шликера. Это увеличит скорость набора массы, снизить пористость отливок и температуру обжига, а значит и придаст лучшие свойства керамике и удешевит производство.

Интересные результаты получили петербургские ученые из Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН . Методами электронной и атомно-силовой микроскопии керамики они выявили структуру природной оптической керамики CaF2 Суранского месторождения (Южный Урал). Результаты исследований позволили подобрать условия получения прекурсоров и технологические параметры процесса получения прозрачной фторидной керамики с минимальными оптическими потерями, что важно в лазерных технологиях.

В сентябре 2009 года ГК «Роснано» подписала договор о соинвестировании с петербургским ООО «Вириал», которое занимается производством износостойких керамических узлов для нефтяной промышленности. Общий объем инвестиций в новое производство составит 1,6 млрд рублей. Использование нанотехнологий в производстве керамики, из которой делают узлы для нефтедобычи, позволяет улучшить технические качества продукции, сделав ее более прочной и долговечной.

Алексей Масанов, РЭН