Технологии

Биоразлагаемые пластики. В институте машиностроения Университета Висконсин-Мэдисон азрабатывают биопластмассы из возобновляемых природных ресурсов (кукуруза и соевые бобы). Эти материалы по окончании срока службы при соответствующих условиях распадаются на углекислый газ, воду и другие биоматериалы. Углекислый газ поглощается растениями, и таким образом сохраняется баланс углекислого газа, избыток которого вызывает парниковый эффект и глобальное потепление. Ученые считают, что 30 % всех произведенных пластмасс используется для упаковки. «Если заменить их биопластмассами, можно значительно улучшить состояние окружающей среды». Однако существующие на сегодняшний день биополимеры обладают только способностью к биологическому разложению, не являясь при этом прочными и термостойкими, что ограничивает их применение для упаковки. Для улучшения прочности и термостойкости ученые добавляют в состав биополимеров такие примеси, как наноглина, углеродные нанотрубки и природные волокна. Кроме того, они собираются использовать такие процессы, как экструзия и опрессовка под давлением, чтобы изменять свойства и микроструктуру биополимеров, и ведут исследования также в этом направлении.

Биоразлагаемые нанокомпозиты. Шведские ученые из Королевского института высоких технологий считают, что до момента внедрения наноматериалов в коммерческую промышленность пройдет еще не меньше трех лет. Добавление наночастиц в полимеры повышает барьерные свойства материалов, а также их водонепроницаемость. Профессор Института Микаэль Хеденквист говорит, что «новые разработки в 4 раза более герметичны, чем традиционные полимерные аналоги». Исследования, проведенные в Институте, подтверждают: наноматериалы на основе пшеницы превосходят по своим качествам традиционные виды упаковки и облегчают процесс утилизации отходов, т.к. приобретают свойства биоразлагаемого материала. Этиленвиниловый спирт EVOH, который на сегодня наиболее широко применяется для изготовления ПЭТ-тары, по прогнозам ученых, будет постепенно уступать место новым технологиям.

Вспомогательные материалы
Наноклей разработали исследователи из Rensselaer Polytechnic Institute (США). Они нашли способ, как склеить два материала, которые обычно не прилипают друг к другу. Новый связывающий материал состоит из наноразмерных самособирающихся слоев полимерных цепей.
Клей состоит из полимерных цепей, концы которых модифицированы такими элементами, как сера, кремний или кислород. Например, сера используется для крепления к медным поверхностям.
Обычно подобные модифицированные полимерные цепи самособираются в слои, образуя «лес». Однако нагрев быстро разрушает связи Cu — S , и сцепление пропадает.
Исследователи разместили на противоположном конце полимерного «леса» O -группы и сделали сэндвич медь-полимер-оксид кремния. При комнатных температурах полимерные цепи не прилипают к поверхности SiO2 , но при нагревании выше 400°C здесь образуются водородные связи и прочные силоксановые мостики, которые не разрушаются и при охлаждении. Таким образом, «лес» не разрушается, а связь меди и оксида кремния упрочняется.
Такой наноклей оказался достаточно дешев (около 35 долларов за 100 г) и требуется в чрезвычайно малых количествах, при этом он способен выдержать намного более высокие температуры (до 700 °С), чем ранее применявшиеся полимерные адгезивы. При нагревании сцепление даже становится прочнее. Суперклей может использоваться в электронике для крепления микросхем, а также для создания жаропрочных красок и покрытий. По описанной технологии можно разработать клей и для других материалов.
 

Наноклей с обратным свойством. До недавнего времени правило было таково: чем лучше клей, тем труднее разъединить склеенное. И еще меньше было шансов удалить клей без остатка. Нарушить традицию решили ученые из бременского Исследовательского института производственных разработок и прикладных материалов имени Фраунгофера (IFAM) совместно с химическим концерном Degussa. Они разработали «клей будущего», который способен приобретать или терять клеящие свойства при нажатии кнопки. Происходит это так: в обычный клей добавляют оксид железа, помещенный в слой наночастиц оксида кремния. При воздействии высокочастотного магнитного поля частицы колеблются в такт с полем, и в считанные секунды масса затвердевает. Для расклеивания вновь понадобится высокочастотное магнитное поле, причем такой же частоты, только несколько большей интенсивности. Технология уже опробована в лабораторных условиях, и до выпуска продукта на рынок остались лишь финальные тесты. «Пока есть лишь одно условие: чтобы склеенная вещь работала, одна из склеиваемых частей не должна проводить электричество. Мы много экспериментировали: процесс наномагнитного склеивания действует при самых разных сочетаниях материалов», — говорит Андреас Хартвиг из IFAM.

Нанолаки и нанокомпозиты. Саратовское предприятие «Москатель» — единственное в России предприятие, внедрившее в производство лакокрасочных и композиционных материалов опыт молекулярной нанотехнологии. Переход производственного предприятия «Москатель» на молекулярное производство (использование молекулярной нанотехнологии вместо макротехногенной технологии с еe энерго- и металлоeмким оборудованием) позволил снизить энергоeмкость производства за счет того, что работают не электромоторы, а специальные компактные нанороботы-ассемблеры.
Причем предприятие само обеспечивает себя ассемблерами — функциональными молекулярными образованиями для нанотехнологических работ в ЛКП — и продаeт их другим лакокрасочным предприятиям. Доля ассемблеров в объeме продаж растeт, в то время как производство ЛКМ остаeтся примерно на одном уровне. Предприятия всe больше переходят на производство и продажу наукоeмкой продукции — элементов для молекулярной нанотехнологии.
Разработанные ассемблеры — сборщики молекулярного нанопроизводства — позволяют практически за минуту готовить лак (раствор полимера в растворителе) в отличие от известных технологий, предусматривающих многочасовое растворение даже бисера полимера, практически за сутки воздушной сушки получать стойкую к смыванию красочную плeнку из ВД-композиций. Для сравнения: импортные ВД-краски требуют десятидневного срока до достижения стойкости хотя бы к атмосферным осадкам.
Следует отметить уже указанную выше возможность получения из известных молекул с помощью изменения программы ассемблера или введением в его структуру других заместителей-эффекторов новых молекул с новыми свойствами, отличающимися от известных не только количественно, но и принципиально качественно.
При благоприятном стечении обстоятельств предполагается создание на базе «Москатели» лабораторно-промышленного комплекса молекулярного производства строительных, лакокрасочных и материалов специфического назначения для ряда отраслей промышленности.

Защита от подделки
Магнитно-резонансные металл-транспондеры (МРМТ). Принципиально новую технологию для борьбы с подделками разработало ЗАО «РИМКО-XXI» в феврале 2001 г. Суть данной технологии заключается в следующем: на упаковку наносится невидимая глазу метка, содержащая уникальную по составу смесь, включающую макро- и наноматериалы , названные авторами технологии магнитно-резонансными металл-транспондерами (МРМТ). Последние обладают свойствами ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и имеют по крайней мере две резонансные частоты. Специалистам «РИМКО-XXI» также удалось создать компактный прибор-детектор, названный ими «считывателем металл-транспондеров», который по сути является небольшим — массой не выше 399 г и размерами не более 166x66x33 мм — радиоспектрометром, устойчиво работающим при температуре окружающей среды от -15 до 70°С. Эти приборы мы в дальнейшем для краткости будем называть МРМТ-детекторами, а смеси металл-транспондеров, которые они распознают, соответственно МРМТ-метками или метками-транспондерами. МРМТ-етки — это легкорастворимый порошок, который можно тем или иным способом наносить на упаковку. При этом заказчик с помощью только ему известного набора цифр (своего рода PIN-ода) сам выбирает «формулу» МРМТ-метки. Таким образом, c одной стороны, гарантируется тайна метки, а с другой — возможность, в случае необходимости, изготовления новой порции МРМТ-меток, удовлетворяющих известной лишь заказчику формуле. При этом сам металл-транспондер cтоит, по словам г-на Мосиенко, буквально копейки (менее цента за метку), а себестоимость МРМТ-детектора, как и любого электронного устройства, зависит от его тиражности.

Источник питания для RFID. Нанотехнологическая компания mPhase Technologies работает над созданием новой версии своей энергетической системы Smart Nanobattery, которая в качестве источника энергии позволит существенно увеличить время работы RFID-меток. Производитель планирует интегрировать в Smart Nanobattery систему безопасности, что даст возможность использовать новый продукт для отслеживания продуктов при дальних перевозках.
Практически все источники отмечают, что инновации в области упаковки продуктов питания являются на данный момент самым многообещающим прорывом нанотехнологий в повседневную жизнь. Причем в ближайшем будущем. Мы надеемся, что этот небольшой срез инноваций поможет вам найти свой верный курс в мире нанотехнологий.

Историческая справка
Чарльз Пул Charles P. Poole, автор книги «Введение в Нанотехнологию»Introduction to Nanotechnology, приводит показательный пример: в Британском музее хранится, так называемый «Кубок Ликурга» (на стенах кубка изображены сцены из жизни этого великого спартанского законодателя), изготовленный древнеримскими мастерами. Он содержит микроскопические частицы золота и серебра, добавленные в стекло. При различном освещении кубок меняет цвет от темно-красного до Светло-золотистого. Аналогичные технологии применялись и при создании витражей средневековых европейских соборов.
Отцом нанотехнологии можно считать греческого философа Демокрита. Примерно в 400 г. до н.э. он впервые использовал слово «атом», что в переводе с греческого означает «нераскалываемый», для описания самой малой частицы вещества.
В 1661 году ирландский химик Роберт БойлRobert Boуle опубликовал статью, в которой раскритиковал утверждение Аристотеля, согласно которому все на Земле состоит из четырех элементов — воды, земли, огня и воздуха (философская основа основ тогдашней алхимии, химии и физики). Бойл утверждал, что все состоит из «корпускулов» — сверхмалых деталей, которые в разных сочетаниях образуют различные вещества и предметы. Впоследствии идеи Демокрита и Бойла были приняты научным сообществом.Вероятно, впервые в современной истории нанотехнологический прорыв был достигнут американским изобретателем Джорджем ИстмэномGeorge Eastmen (впоследствии основал известную компанию Kodak), который изготовил фотопленку в 1883 году.

1905 год. Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр.
1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.
1968 год. Альфред ЧоAlfred Cho и Джон АртурJohn Arthur, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей.
1974 год. Японский физик Норио Танигучи ввел в научный оборот слово «нанотехнологии», которым предложил называть механизмы размером менее одного микрона. Греческое слово «нанос» означает «гном», им обозначаютбиллионные части целого.
1981 год. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали микроскоп, способный показывать отдельные атомы.
1985 год. Американские физики Роберт КерлRobert Curl, Хэрольд КротоHarold Kroto и Ричард СмэйлиRichard Smalley создали технологию, позволяющую точно измерять предметы диаметром в один нанометр.
1986 год. Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрик ДрекслерEric Dreхsler опубликовал книгу, в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться.
1989 год. Дональд ЭйглерDonald Eigler, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона.
1993 год. В США начали присуждать Фейнмановскую премию, которая названа в честь физика Ричарда ФейнманаRichard P. Feynman, который в 1959 году произнес пророческую речь, в которой заявил, что многие научные проблемы будут решены лишь тогда, когда ученые научатся работать на атомарном уровне. В 1965 году Фейнману была присуждена Нобелевская премия за исследования в сфере квантовой электродинамики — ныне это одна из областей нанонауки.
1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий.
1999 год. Американские физики Джеймс ТурJames Tour и Марк РидMark Reed определили, что отдельная молекула способна вести себя так же, как молекулярные цепочки.
2000 год. Администрация США поддержала создание Национальной инициативы в области нанотехнологииNational Nanotechnology Initiative. Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено $500 млн.
2001 год. Марк РатнерMark A. Ratner, автор книги «Нанотехнологии: введение в новую большую идею»Nanotechnology: A Gentle Introduction to the Next Big Idea, считает, что нанотехнологии стали частью жизни человечества именно в 2001 году. Тогда произошли два знаковых события: влиятельный научный журнал Science назвал нанотехнологии — «прорывом года», а влиятельный бизнес-журнал Forbes — «новой многообещающей идеей». Ныне по отношению к нанотехнологиям периодически употребляют выражение «новая промышленная революция».

Ольга Гулинкина,
журнал "Packaging R&D