Перспективные материалы, технологии и окружающая среда

Обновление технической базы различных энергосистем и промышленных предприятий требует внедрения перспективных материалов и новейших технологий, которые прямо или косвенно способствуют сохранению окружающей среды. В настоящее время во всем мире признаны перспективными керамические, композиционные, тонкопленочные и другие материалы, производство которых основано на современных технологиях.

Керамические материалы обладают чрезвычайно высокой твердостью и теплостойкостью. Используются они при изготовлении высокотвердых и термостойких деталей двигателей, инструментов, различного рода машин и т. п. Исследования на молекулярном уровне позволили установить, что небольшие структурные дефекты существенно влияют на прочность керамических изделий. Разработанные новые технологии, основанные на управлении кинетикой реакций и формировании заданных молекулярных свойств, позволяют получить керамический материал с заданной структурой. Например, высокую степень однородности материала обеспечивает управляемый гидролиз металлоорганических соединений. При выжигании полимерного скелета в металлоорганическом полимере, скрученном в нить, образуется высокотермостойкий материал, подобный карбиду кремния. С помощью высокотемпературных реакций летучих соединений с последующим осаждением конечных продуктов на подложку заданной формы формируется однородное термостойкое покрытие. Такая технология применяется, например, при изготовлении деталей реактивного двигателя. Небольшое добавление примесей может вызвать значительное изменение свойств материала. Например, при небольшой добавке оксида циркония существенно повышается прочность керамического материала с оксидом алюминия.

Синтез сверхпрочных волокон на основе графита, внедренного в органический полимер, привел к разработке нового вида материалов – композиционных материалов с улучшенными свойствами. Технология изготовления такого материала основана на внедрении тонкого волокна, состоящего, например, из графитовых углеродных цепей, минеральных или углеводородных полимерных нитей, в обычный высокомолекулярный полимер, например эпоксидную смолу. Полученный таким образом композиционный материал по прочности не уступает лучшим маркам конструкционной стали. Благодаря сравнительно большому отношению прочность/масса такие материалы находят широкое применение для изготовления деталей и узлов авиационной и космической техники, автомобилей, судов и т. п.

В последние десятилетия уделяется большое внимание разработке новых тонкопленочных материалов. Тонкопленочные защитные, упрочняющие, полупрозрачные, диэлектрические, магнитные и т. п. покрытия, тонкопленочные элементы интегральных схем современной микро- и наноэлектроники – все это примеры применения тонкопленочных материалов. В зависимости от выполняемой функции толщина слоя осаждаемого материала может колебаться в широких пределах – от нескольких ангстрем до нескольких десятков микрометров. К настоящему времени уже налажена технология формирования микроэлектронного элемента с минимальным размером до нескольких десятых долей микрометра. Для формирования тонкопленочных слоев и элементов применяются разные технологии: механическое и термическое напыление, гальваноосаждение, вакуумное ионно-плазменное осаждение и др.

Наряду с перспективной микроэлектронной технологией в настоящее время интенсивно развивается биотехнология, основанная на видоизменении структуры молекулы ДНК. В микроэлектронной технологии уменьшить элементы интегральных схем до нанометровых размеров – это только пол дела. Нужно еще соединять их между собой и с микроэлектродами. В осуществлении такой операции могут помочь нуклеиновые кислоты, поскольку в них четко проявляется молекулярная самосборка. В лаборатории уже удалось нитями ДНК связать наночастицы из золота в трехмерную решетку. Кроме того, из отрезка ДНК построили мостик, связывающий два электрода, а затем его использовали как матрицу, на которую из раствора осаждали серебро, так что получился проводящий металлический провод диаметром 100 нм, что значительно меньше размера широко применяемых сейчас в микроэлектронике электропроводящих полос. Приведенный пример показывает, как могут удачно сочетаться совершенно разные биотехнология и зарождающаяся наноэлекронная технология.

Экологические заметки

Способы ликвидации последствий заражения токсичными и радиоактивными веществами
С давних времен человек совершенствовал себя, как физически, так и умственно, постоянно создавая и совершенствуя орудия труда. Постоянная нехватка энергии заставляла человека иска ...

Естественное и искусственное загрязнение природных вод промышленностью и сельским хозяйством
Загрязнение поверхностных вод началось в центральной России еще в XVI в., когда начали удобрять поля навозом. С тех пор в центральных районах страны основным загрязнителем вод было ...

Современное экологическое состояние города Семей
Эколо́гия (от греч. οικος - дом, жилище, хозяйство, обиталище, местообитание, родина и λόγος - понятие, учение, наука) - на ...