Неорганические наноматериалы (стр. 75 )

6-33. Фуллерит С60 при комнатной температуре образует кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку с параметром 1.415 нм. Большие по сравнению с ионами металлов или обычными атомными группировками размеры молекул С60 определяют значительные параметры решётки и размер пустот между молекулами.

Атомы С в фуллеренах так же, как и в графене, образуют sp2-связи. Однако из-за кривизны поверхности эти связи имеют также и sp3-характер, что придает фуллеренам необычные электронные, оптические, химические и биологические свойства.

6-34. Наиболее крупная электродуговая установка была создана в американской компании MER (Materials & Electrochemical Research), автоматизированная установка со сменными электродами – в Петербургском институте ядерной физики РАН.

6-35. Интерес к фуллеренам возрастал до 2002 – 2003 г., когда число публикаций в год приближалось к 1500. В последующие годы это число постепенно снижалось.

6-36. В ряде работ к наноалмазам относят также диамондоиды – содержащие водород молекулы клеточного строения, включая адамантан С10Н16, диамантан С14Н20, триамантан С18Н24.

6-37. Описания детонационного синтеза алмаза появились лишь в 1988 г. Метод был разработан в 1962 г. во Всесоюзном научно-исследовательском институте технической физики (г. Снежинск), однако развивался и применяется в нескольких российских научных центрах и производственных объединениях.

6-38. Опытное производство в НПО «Алтай» было организовано в 1984 г. Однако из-за ограниченного спроса оно было закрыто. В последние годы интерес к наноалмазу возродился. Производства организованы в Беларуси (НПО «Синта»), на Украине (), в Китае (Пекинский технологический институт).

6-39. Способность наночастиц Au адсорбироваться на линиях скрытых отпечатков пальцев может быть использована в криминалистике (для усиления изображения производят «проявление» дисперсией коллоидного Ag).

6-40. Коллоидное Au и его дисперсии были известны китайским, индийским и арабским ученым уже в V–IV вв. до нашей эры. В средние века дисперсии считались панацеей и эликсиром долголетия. Получение и применение коллоидного Au было описано в 1618 г. в книге медика и философа Франциска Антония. Коллоидные растворы получены М. Фарадеем. Фундаментальные работы по свойствам коллоидного Au в конце XIX – начале XX в. провел австрийский ученый, лауреат Нобелевской премии (1925) Р. Зигмонди (Жигмонди, 1865–1929).

6-41. Наноструктурированный Si был впервые получен ещё в 1950-х гг. в лабораториях фирмы Bell.

6-42. Фирма Bayer выпускает конденсаторы с наноструктурированным оксидом тантала.

6-43. Согласно данным , фотоэлектрические источники тока с наночастицами TiO2 обладают высокой эффективностью при малом освещении и используются для локального энергообеспечения специальных объектов. Катализаторы для очистки газовых выбросов ТЭЦ с TiO2 обеспечивают снижение затрат на очистку в 1.7 – 2.0 раза и снижение концентрации оксидов азота до величины, составляющей 30% от ПДК.

6-44. Наночастицы CdSe/ZnS используются в криминалистике для проявления скрытых отпечатков пальцев.

6-45. Наиболее распространены нанокомпозиты с глинами: в 2005 г. они занимали 24% рынка (нанокомпозиты с металлами и оксидами – 19%, с углеродными нанотрубками – 15%). К 2011 г. ожидается повышение вклада нанокомпозитов с глинами до 44%.

6-46. Для стабилизации наночастиц ZnO используют тиоглицерин, CdSe – меркаптоэтанол. Наночастицы магнетита, предназначенные для введения в организм при проведении томографических исследований, стабилизируют природным полисахаридом декстраном или полисахаридами крахмала. При осаждении CdS рост частиц прерывают резким повышением рН раствора.

6-47. Некоторые составы известны с древности. Это, например, тушь с частицами сажи, стабилизированные природным полисахаридом – гуммиарабиком. Добавки полимеров были предложены и исследованы также М. Фарадеем (стабилизация коллоидного Au желатиной).

К главе 7

7-1. Термины «получение», «генерирование» энергии не отвечают сущности происходящих процессов. Со строго научных позиций правильнее говорить о конверсии, преобразовании энергии.

7-2. Порошковые металлоплакирующие присадки из наночастиц MoS2, BN, графита с добавками металлов и фторопласта создают на трущихся поверхностях деталей металлокерамические слои, частично восстанавлиявающие дефекты и обладающие противоизносными и антифрикционными свойствами.

7-3. В США на освещение тратится около 20% вырабатываемой электроэнергии. Снижение энергопотребления достигается при замене ламп накаливания на люминесцентные лампы, светодиоды и органические светодиоды. Удельная яркость ламп накаливания 12–18 лм/Вт, люминесцентных источников – 65–100 лм/Вт, лучших светодиодов – 100–170 лм/Вт, органических светодиодов – 20–50 лм/Вт при теоретическом пределе 350 лм/Вт. Полупроводниковые светодиоды до 70% электрической энергии преобразуют в свет. В России выпускаются светодиоды с удельной яркостью 50 лм/Вт.

7-4. В разработанной им. дорожной карте «Функциональные наноматериалы для энергетики» до 2025 г. для реакторов на тепловых нейтронах предусмотрено создание топлива, модифицированного нанодобавками, наноструктурированных циркониевых сплавов с повышенной коррозионной стойкостью, наноструктурированных гафниевых сплавов с комплексом улучшенных свойств, создание сенсоров и элементов систем управления и безопасности.

Дорожная карта для реакторов на быстрых нейтронах включает создание топлива, модифицированного нанодобавками; новых конструкционных сталей; новых материалов, устойчивых в расплавах металлов; сенсоров и систем управления и безопасности.

Для будущих термоядерных реакторов предусматривается разработка низкотемпературных сверхпроводников для работы в полях с напряжённостью 15–16 Тл, высокотемпературных сверхпроводников для токовводов, радиационностойких и жаропрочных V-Ti-Cr-сплавов и высокопористых бериллиевых материалов.

Дорожная карта содержит лишь основные направления разработок по наноматериалам. Атомная энергетика – сложный комплекс разнообразных производств, и наноматериалы имеют значительно более широкие перспективы применения в этом комплексе.

7-5. Функциализованные фосфатными группами углеродные нанотрубки имеют ёмкость по Pb2+ 398 мг/г.

7-6. Сорбенты с наночастицами Ag применяются для улавливания радиоактивного иода в виде I2, HI и CH3I (разработки Института физической химии и электрохимии РАН).

7-7. В 1960-е годы в СССР были созданы РИТЭГи для спутников и космических кораблей. В сентябре (3 и 18) 1965 г. были запущены спутники связи «Космос-84» и «Космос-90» с РИТЭГ «Орион-1» с полонием-210 мощностью 20 Вт. Более мощные источники были установлены на Луноходе-1 и Луноходе-2, спутниках Луна-1 и Луна-2, АМС типов «Венера», «Марс», «Вега», «Фобос» (последний – в 1996 г.).

Для питания бортовой аппаратуры на спутнике «Космос-367», запущенном 3 октября 1970 г., спутниках «Космос-402», «Космос-469» и «Космос-516» использовалась ядерная энергетическая установка БЭС-5 с гомогенным ядерным реактором и термоэлектрическим генератором. Температура эмиссии – около 700 оС, кпд преобразрвания в электроэнергию – ~6%.

Несколько последующих полётов были аварийными и после 14 марта 1988 г. (хотя спутник «Космос-1932» с установкой мощностью в конце ресурса 2400 Вт отработал нормально) прекратились. В космосе остаются 29 подобных установок.

Для электроснабжения маяков и других наземных объектов использовались РИТЭГи с 90Sr, срок службы которых составлял 20 лет.

7-8. Перспективным материалом для обоих электродов являются УНТ (имеют низкий порог перколяции) и металлические композиты с УНТ.

7-9. Высокая электропроводность и большая удельная поверхность делает УНТ перспективным носителем катализатора – наночастиц Pt, Pd или оксида Ru в кислород-водородных и метанольных топливных элементах.

7-10. Высокотемпературные твердооксидные топливные элементы с нанокерамическими супериониками могут стать основой прямого беспламенного преобразования химической энергии в электрическую. Однако твердые электролиты имеют необходимую проводимость лишь при высоких температурах, что ограничивает выбор конструкционных материалов и удорожает получаемую энергию. Наноструктурирование электролитов может повысить их проводимость и тем самым снизить рабочие температуры. Наноструктурированный СеО2 за счёт частичного восстановления Се 4+ до Се 3+ (разд. 2.1.3) имеет смешанную ионно-электронную проводимость, что увеличивает эффективность электрода.

7-11. При использовании технологии ионно-лучевого напыления создают многослойную ленту: сплав Ni-W толщиной ~ 50 мкм, Al2O3 (~60 нм), Y2O3 (~6 нм), MgO (30нм), LaMnO3 (~75 нм), YBa2Cu3O7 –x, Ag (~1 мкм), Сu (50 – 75 мкм). Такие провода имеют длину 100–500 м и могут иметь плотность тока более 300 А/см ширины при 77 К.

7-12. Показано, что одиночная однослойная УНТ может выдерживать ток до 20 мкА. Если допустить, что эффективная электропроводность в контактах трубок друг с другом составляет 5% от их собственной электропроводности и что плотность упаковки УНТ в кабеле составит 1014 см – 2, можно рассчитать, что кабель выдержит ток в 106 А/см2, т. е. в 100 раз больше, чем лучший на сегодня сверхпроводник.

7-13. В университете южнокорейского г. Сувон батареи с Si-наностержнями показывали устойчивую ёмкость при 50 циклах 2800 мА-ч/г.

7-14. Механохимическое покрытие LiхCoO2 инертными оксидами металлов повышает стабильность в циклах разрядка–зарядка.

7-15. Перспективными катодными материалами являются наночастицы LiFePO4. Необходимость использования именно наночастиц связана с тем, что этот фосфат в обычном состоянии образует двухфазную систему Li1-yFePO4–LiδFePO4, где y и δ имеют очень низкие значения. При размере частиц 100 нм y = 3.2%, δ = 2.8%, вещество остается однофазным, а механизм интеркалирования Li меняется. При высокой удельной поверхности материала электродов облегчается доступ электролита к электроактивному материалу. При этом возникают и нежелательные процессы, снижающие эффективность и срок службы источника тока: побочные окислительно-восстановительные реакции. Для снижения влияния побочных реакций частицы активного материала покрывают тонким (несколько нанометров) слоем аморфного углерода или другого неорганического вещества. Такое покрытие, например на наночастицах LiFePO4 или LiMnPO4, не препятствует диффузии ионов лития и несколько повышает электропроводность частиц.