eng
С 10 по 12 июня в Риге (Латвия) прошли выставка и конференция EuroNanoForum 2015, организованные Латвийским университетом и консалтинговым агентством Spinverse в сотрудничестве с Генеральным директоратом по исследованиям и инновациям Европейской комиссии. В рамках конференции был рассмотрен широчайший круг проблем от различных аспектов внедрения нанотехнологий в промышленность до привлечения инвестиций в перспективные разработки.
П
родолжаем начатый в предыдущем номере обзор наиболее интересных докладов конференции, посвященных новым материалам, применению нанотехнологий в энергетике, электронике, фотонике и медицине.
Новые материалы и покрытия
Применению нанотехнологий в производстве текстиля был посвящен доклад Антонио Бразд дос Сантос Косты, генерального директора португальского технологического центра текстильной промышленности CITEVE. Он сообщил, что для модификации свойств текстиля используются наночастицы, нановолокна и нанопокрытия. Так, для эффекта самоочистки, на поверхности волокон формируется нанокомпозиционное покрытие из диоксидов кремния и титана SiO2/TiO2, которое затем проходит специальную обработку для функционализации свойств. Фотохромный эффект – формирование скрытого изображения, проявляемого УФ-излучением, достигается путем нанесения на текстиль наночастиц диоксида кремния. Для сообщения текстилю фотолюминесценции в полипропиленовые гранулы внедряются квантовые точки с последующим формованием из расплава фотолюминесцентных волокон.
Функциональные нанопокрытия придают текстилю антимикробные, огнеупорные, теплоизоляционные, водоотталкивающие свойства, а также могут повышать его механическую прочность и улучшать технологичность при вторичной переработке. Для формирования покрытий применяются ультразвуковое напыление, контактное покрытие, магнетронное напыление, химическое осаждение из паровой фазы и другие технологии.
В производстве "умной" одежды в состав текстиля внедряют волокна со специальными комплексами свойств, например, способные преобразовывать солнечный свет в электроэнергию и накапливать ее, а также датчики разных типов. Формирование "умных" структур может выполняться и непосредственно на поверхности ткани с использованием печатных технологий.
Йоланда де Мигель, руководитель нанотехнологического кластера Tecnalia (Испания), рассказала о новом фотокаталитическом покрытии с эффектом самоочистки, предназначенном для фасадов и интерьеров зданий. Такое покрытие обеспечивает не только улучшение внешнего вида сооружений и сокращение затрат на их очистку, но и уменьшение концентрации вредных веществ в городском воздухе. Кроме того, антимикробные свойства покрытия позволяют эффективно применять его для борьбы со стойкими бактериями в лечебных учреждениях. Покрытие хорошо совместимо с различными строительными материалами, включая сталь и стекло. Его основа – наномодифицированный диоксид титана TiO2, образующий под действием естественного УФ-излучения гидроксильные радикалы и анионы, которые окисляют токсичные органические вещества. Так как УФ-излучение делает покрытие ультрагидрофильным, загрязнения легко смываются водой, например, естественными осадками.
Хавьер Апарачо, руководитель исследовательского подразделения группы Maier, поделился опытом разработки пластиковых компонентов для автомобилестроения. Maier применяет нанотехнологии для упрочнения изделий из термопластов и модификации их поверхности: повышения стойкости к царапинам, достижения эффекта самоочистки и улучшения адгезии краски. С целью увеличения прочности в матрицу термопласта вводятся монтмориллонит или волластонит, что позволяет уменьшить массу деталей на 9–14% без ухудшения технологичности обработки материала. Повышение стойкости поверхности к механическим повреждениям достигается благодаря покрытию, которое содержит наночастицы диоксида кремния. Стоимость таких покрытий невелика, а сопутствующее снижение глянца поверхности незначительно. Для реализации эффекта самоочищения при литье под давлением применяются специальные формы с нанотекстурой, которые позволяют получать детали с исключительно высокой гидрофобностью поверхности. Также специальная наноструктура поверхности может создаваться при литье для улучшения адгезии лаков и красок, причем требуемый эффект достигается даже при работе с такими "сложными" для окрашивания материалами, как полипропилен.
Энергетика
Таави Мадиберк, генеральный директор компании Skeleton Technologies, рассказал об инновациях в области производства суперконденсаторов. По сравнению c литий-ионными аккумуляторами современные суперконденсаторы характеризуются более чем в 80 раз лучшей удельной мощностью, позволяют выполнять в 500 раз больше циклов глубокой разрядки/зарядки при в 300 раз более высокой скорости зарядки. Также важными преимуществами суперконденсаторов являются широкий диапазон рабочих температур (от –40 до 70°C), высокий КПД, малый вес и отсутствие в конструкции токсичных химических веществ. По данным агентства IDTechEx, в 2014 году объем рынка суперконденсаторов составил 573 млн. долл. США, а основными областями их использования были транспорт (295 млн. долл.), альтернативная энергетика (167 млн. долл.) и промышленная техника (75 млн. долл.). Прогнозируется, что к 2021 году объем производства вырастет до 4,052 млрд. долл. США, причем быстрее других будут расти решения для промышленной техники и автомобилестроения.
Созданная в 2009 году в Эстонии компания Skeleton Technologies разработала суперконденсаторы с применением нанопористого углерода, получаемого из карбидов (carbide-derived carbon – CDC). Площадь поверхности этого материала существенно выше, чем у традиционного активированного углерода, что обеспечивает более эффективное взаимодействие с ионами электролита. Благодаря этому суперконденсаторы Skeleton Technologies превосходят продукцию конкурентов по энергетической плотности в два и более раз, а по удельной мощности – в шесть и более раз. Таким образом, суперконденсатор на базе нанопористого углерода имеет в несколько раз меньшие вес и габаритные размеры, чем суперконденсатор такой же удельной мощности, но изготовленный с применением обычного активированного углерода.
Эгберт Локс, старший вице-президент компании Umicore по связям с правительственными организациями, представил доклад о тенденциях совершенствования материалов для литий-ионных аккумуляторов. Umicore поставляет литий оксид никеля-кобальта-марганца (NMC) и кобальтит лития (LCO), которые используются в производстве аккумуляторов для бытовой электроники, электроинструмента, автомобилей, стационарных накопителей энергии. Достоинством аккумуляторов на базе LCO является очень высокая удельная энергоемкость, а аккумуляторы на основе NMC характеризуются сочетанием большого ресурса, хорошей токоотдачи и низкой стоимости. В настоящее время используется NMC первого поколения, разработанные в 2011–2012 годах, но к 2017 году ожидается внедрение в промышленность материалов второго поколения с увеличенным содержанием никеля, которые будут характеризоваться повышенной удельной мощностью. В 2019–2020 годах прогнозируется появление NMC третьего поколения с меньшим содержанием кобальта, что позволит снизить стоимость аккумуляторов. Для обеспечения высокого качества катодных материалов Umicore использует современные системы контроля параметров сырья и полуфабрикатов, а также режимов их обработки, в том числе, измерения в нанодиапазоне.
Электроника и фотоника
Джин-Ву Хан из исследовательского центра NASA Ames (США) представил доклад о перспективном направлении наноэлектроники – создании вакуумных наноустройств. Вакуумные электронные устройства характеризуются высокой скоростью потока частиц – 3·1010 см/с, что примерно на три порядка выше, чем скорость частиц в полупроводниковых приборах, где их движению мешает кристаллическая решетка. При этом вакуумные приборы эффективны в условиях высоких температур и отличаются хорошей радиационной стойкостью, что позволяет использовать их в военной и космической технике.
Разрабатываемые NASA Ames приборы с интегрированным вакуумным контуром изготавливаются по КМОП-технологии, дешевы, универсальны, долговечны и высокоэффективны. Принцип действия основан на эффекте туннелирования по Фаулеру-Нордхайму. Эмиссия электронов осуществляется холодным полевым катодом. Рабочее напряжение не превышает 10 В, причем разработчики стремятся снизить его до 5 В.
Ларс Самуэльсон, профессор Лундского университета (Швеция) и главный научный сотрудник компаний QuNano, GLO и Sol Voltaics, рассказал о перспективах использования нанопроволок в фотоэлементах, дисплеях и осветительных приборах. Активные исследования нанопроволок во всем мире начались в конце 1990-х годов, спустя десятилетие после публикации первых работ д-ра Хирума из компании Hitachi (Япония). На первом этапе акцент делался на технологиях выращивания таких структур, в 2003–2005 годах в центре внимания были механизмы самосборки нанопроволок и их использование в биологии, физике и электронике, в 2008–2009 годах стало изучаться применение нанопроволок в светодио-дах и фотовольтаике.
В Лундском университете исследовались рост и физика гетероструктурных нанопроволок, а также велась разработка новых методов получения упорядоченных систем из них. Результаты интеграции нанопроволок из нитридов элементов III–V групп с кремнием оказались многообещающими. Для их коммерциализации было создано несколько стартапов, в том числе Sol Voltaics и GLO.
Компания Sol Voltaics занимается проблемой повышения эффективности фотоэлементов на базе монокристаллического кремния и тонкопленочных систем. Благодаря созданию на поверхности фотоэлементов нанопроволочных структур, эффективность преобразователей из фосфида индия (InP) была увеличена на 13,8%, а из арсенида галлия (GaAs) – на 15,3%. Также разработана технология непрерывного газофазного синтеза нанопроволок из GaAs, обеспечивающая скорость роста до 1 мкм/с.
Компания GLO специализируется на светодиодах на базе нанопроволочных структур для применения в дисплеях и системах освещения. Разработана технология выращивания нанопроволок из нитрида галлия (GaN) на кремниевой основе через маску из нитрида кремния Si3N4. Sol Voltaics уже удалось создать синий и зеленый GaN-светодиоды и ведется разработка красного светодиода.
Тонкопленочным электролюминесцентным дисплеям (Thin Film Electroluminescent – TFEL) был посвящен доклад Джо Пименоффа, менеджера по маркетингу компании Lumineq Displays. Конструкция таких дисплеев включает стеклянную основу толщиной около 1 мм с нанесенными на нее матрицами прозрачных вертикальных и непрозрачных горизонтальных электродов (столбцов и строк). Между электродами и двумя прозрачными диэлектрическими слоями располагается пленка люминофора. Пиксель люминофора, находящийся на пересечении строки и столбца испускает свет при приложении напряжения к соответствующим электродам матрицы. Толщина функциональной структуры – около 1 мкм.
TFEL-дисплеи имеют широкий угол обзора и высокий контраст при времени отклика менее 1 мс, устойчивы к ударам и вибрациям, могут использоваться в условиях высокой влажности и при температурах от –100 до 100°С. После 100 тыс. ч эксплуатации яркость дисплея снижается всего на 15%. Такие дисплеи хорошо подходят для эксплуатации в военной и аэрокосмической технике, системах безопасности, промышленности, медицине.
Иоанна Делигкьози, ведущий сотрудник греческого научно-исследовательского центра Hellas, представила доклад "Струйная печать прозрачных проводящих элементов с использованием нанопроволок из медных сплавов". Она отметила, что при создании электропроводящих чернил для струйной печати с использованием медных нанопроволок необходимо решить проблемы диспергирования последних в связующем, предотвращения забивания сопел, хорошей адгезии к подложке, а также стабилизации процесса. В Hellas разработаны электропроводящие чернила, состоящие из растворителей, полимерного связующего с ПАВ-добавками, термо-отверждаемых смол, олиго- и мономеров, а также фотоинициаторов. Чернила закрепляются под действием УФ-излучения, что позволяет применять компактное печатное оборудование, характеризующееся низким энергопотреблением.
Медицина
Патрик Босье, руководитель технологической платформы "Наномедицина" института CEA-Leti, рассказал о тенденциях в области наномедицины. В настоящее время 80% выполняемых в Европейском союзе разработок предназначены для терапевтических целей, причем наибольшее число проектов ориентированы на лечение онкологических, инфекционных и сердечно-сосудистых заболеваний. В общей сложности в ЕС исследованиями в области наномедицины занимаются более 1,5 тыс. научных групп и реализуется 15 национальных наномедицинских платформ. В 2014 году в рамках программы Horizon 2020 в исследования было инвестировано около 100 млн. евро. По характеру нанотехнологические разработки можно разделить на пять групп:
системы диагностики in vitro;
системы диагностики in vivo;
решения для адресной доставки лекарственных препаратов;
вакцины;
решения для функционализации биоматериа-
лов.
Прогнозируется, что к 2016 году объем рынка наномедицинских продуктов достигнет 97–126 млн. долл. США и будет представлено 38 новых нанолекарств и 46 наномедицинских устройств.
родолжаем начатый в предыдущем номере обзор наиболее интересных докладов конференции, посвященных новым материалам, применению нанотехнологий в энергетике, электронике, фотонике и медицине.
Новые материалы и покрытия
Применению нанотехнологий в производстве текстиля был посвящен доклад Антонио Бразд дос Сантос Косты, генерального директора португальского технологического центра текстильной промышленности CITEVE. Он сообщил, что для модификации свойств текстиля используются наночастицы, нановолокна и нанопокрытия. Так, для эффекта самоочистки, на поверхности волокон формируется нанокомпозиционное покрытие из диоксидов кремния и титана SiO2/TiO2, которое затем проходит специальную обработку для функционализации свойств. Фотохромный эффект – формирование скрытого изображения, проявляемого УФ-излучением, достигается путем нанесения на текстиль наночастиц диоксида кремния. Для сообщения текстилю фотолюминесценции в полипропиленовые гранулы внедряются квантовые точки с последующим формованием из расплава фотолюминесцентных волокон.
Функциональные нанопокрытия придают текстилю антимикробные, огнеупорные, теплоизоляционные, водоотталкивающие свойства, а также могут повышать его механическую прочность и улучшать технологичность при вторичной переработке. Для формирования покрытий применяются ультразвуковое напыление, контактное покрытие, магнетронное напыление, химическое осаждение из паровой фазы и другие технологии.
В производстве "умной" одежды в состав текстиля внедряют волокна со специальными комплексами свойств, например, способные преобразовывать солнечный свет в электроэнергию и накапливать ее, а также датчики разных типов. Формирование "умных" структур может выполняться и непосредственно на поверхности ткани с использованием печатных технологий.
Йоланда де Мигель, руководитель нанотехнологического кластера Tecnalia (Испания), рассказала о новом фотокаталитическом покрытии с эффектом самоочистки, предназначенном для фасадов и интерьеров зданий. Такое покрытие обеспечивает не только улучшение внешнего вида сооружений и сокращение затрат на их очистку, но и уменьшение концентрации вредных веществ в городском воздухе. Кроме того, антимикробные свойства покрытия позволяют эффективно применять его для борьбы со стойкими бактериями в лечебных учреждениях. Покрытие хорошо совместимо с различными строительными материалами, включая сталь и стекло. Его основа – наномодифицированный диоксид титана TiO2, образующий под действием естественного УФ-излучения гидроксильные радикалы и анионы, которые окисляют токсичные органические вещества. Так как УФ-излучение делает покрытие ультрагидрофильным, загрязнения легко смываются водой, например, естественными осадками.
Хавьер Апарачо, руководитель исследовательского подразделения группы Maier, поделился опытом разработки пластиковых компонентов для автомобилестроения. Maier применяет нанотехнологии для упрочнения изделий из термопластов и модификации их поверхности: повышения стойкости к царапинам, достижения эффекта самоочистки и улучшения адгезии краски. С целью увеличения прочности в матрицу термопласта вводятся монтмориллонит или волластонит, что позволяет уменьшить массу деталей на 9–14% без ухудшения технологичности обработки материала. Повышение стойкости поверхности к механическим повреждениям достигается благодаря покрытию, которое содержит наночастицы диоксида кремния. Стоимость таких покрытий невелика, а сопутствующее снижение глянца поверхности незначительно. Для реализации эффекта самоочищения при литье под давлением применяются специальные формы с нанотекстурой, которые позволяют получать детали с исключительно высокой гидрофобностью поверхности. Также специальная наноструктура поверхности может создаваться при литье для улучшения адгезии лаков и красок, причем требуемый эффект достигается даже при работе с такими "сложными" для окрашивания материалами, как полипропилен.
Энергетика
Таави Мадиберк, генеральный директор компании Skeleton Technologies, рассказал об инновациях в области производства суперконденсаторов. По сравнению c литий-ионными аккумуляторами современные суперконденсаторы характеризуются более чем в 80 раз лучшей удельной мощностью, позволяют выполнять в 500 раз больше циклов глубокой разрядки/зарядки при в 300 раз более высокой скорости зарядки. Также важными преимуществами суперконденсаторов являются широкий диапазон рабочих температур (от –40 до 70°C), высокий КПД, малый вес и отсутствие в конструкции токсичных химических веществ. По данным агентства IDTechEx, в 2014 году объем рынка суперконденсаторов составил 573 млн. долл. США, а основными областями их использования были транспорт (295 млн. долл.), альтернативная энергетика (167 млн. долл.) и промышленная техника (75 млн. долл.). Прогнозируется, что к 2021 году объем производства вырастет до 4,052 млрд. долл. США, причем быстрее других будут расти решения для промышленной техники и автомобилестроения.
Созданная в 2009 году в Эстонии компания Skeleton Technologies разработала суперконденсаторы с применением нанопористого углерода, получаемого из карбидов (carbide-derived carbon – CDC). Площадь поверхности этого материала существенно выше, чем у традиционного активированного углерода, что обеспечивает более эффективное взаимодействие с ионами электролита. Благодаря этому суперконденсаторы Skeleton Technologies превосходят продукцию конкурентов по энергетической плотности в два и более раз, а по удельной мощности – в шесть и более раз. Таким образом, суперконденсатор на базе нанопористого углерода имеет в несколько раз меньшие вес и габаритные размеры, чем суперконденсатор такой же удельной мощности, но изготовленный с применением обычного активированного углерода.
Эгберт Локс, старший вице-президент компании Umicore по связям с правительственными организациями, представил доклад о тенденциях совершенствования материалов для литий-ионных аккумуляторов. Umicore поставляет литий оксид никеля-кобальта-марганца (NMC) и кобальтит лития (LCO), которые используются в производстве аккумуляторов для бытовой электроники, электроинструмента, автомобилей, стационарных накопителей энергии. Достоинством аккумуляторов на базе LCO является очень высокая удельная энергоемкость, а аккумуляторы на основе NMC характеризуются сочетанием большого ресурса, хорошей токоотдачи и низкой стоимости. В настоящее время используется NMC первого поколения, разработанные в 2011–2012 годах, но к 2017 году ожидается внедрение в промышленность материалов второго поколения с увеличенным содержанием никеля, которые будут характеризоваться повышенной удельной мощностью. В 2019–2020 годах прогнозируется появление NMC третьего поколения с меньшим содержанием кобальта, что позволит снизить стоимость аккумуляторов. Для обеспечения высокого качества катодных материалов Umicore использует современные системы контроля параметров сырья и полуфабрикатов, а также режимов их обработки, в том числе, измерения в нанодиапазоне.
Электроника и фотоника
Джин-Ву Хан из исследовательского центра NASA Ames (США) представил доклад о перспективном направлении наноэлектроники – создании вакуумных наноустройств. Вакуумные электронные устройства характеризуются высокой скоростью потока частиц – 3·1010 см/с, что примерно на три порядка выше, чем скорость частиц в полупроводниковых приборах, где их движению мешает кристаллическая решетка. При этом вакуумные приборы эффективны в условиях высоких температур и отличаются хорошей радиационной стойкостью, что позволяет использовать их в военной и космической технике.
Разрабатываемые NASA Ames приборы с интегрированным вакуумным контуром изготавливаются по КМОП-технологии, дешевы, универсальны, долговечны и высокоэффективны. Принцип действия основан на эффекте туннелирования по Фаулеру-Нордхайму. Эмиссия электронов осуществляется холодным полевым катодом. Рабочее напряжение не превышает 10 В, причем разработчики стремятся снизить его до 5 В.
Ларс Самуэльсон, профессор Лундского университета (Швеция) и главный научный сотрудник компаний QuNano, GLO и Sol Voltaics, рассказал о перспективах использования нанопроволок в фотоэлементах, дисплеях и осветительных приборах. Активные исследования нанопроволок во всем мире начались в конце 1990-х годов, спустя десятилетие после публикации первых работ д-ра Хирума из компании Hitachi (Япония). На первом этапе акцент делался на технологиях выращивания таких структур, в 2003–2005 годах в центре внимания были механизмы самосборки нанопроволок и их использование в биологии, физике и электронике, в 2008–2009 годах стало изучаться применение нанопроволок в светодио-дах и фотовольтаике.
В Лундском университете исследовались рост и физика гетероструктурных нанопроволок, а также велась разработка новых методов получения упорядоченных систем из них. Результаты интеграции нанопроволок из нитридов элементов III–V групп с кремнием оказались многообещающими. Для их коммерциализации было создано несколько стартапов, в том числе Sol Voltaics и GLO.
Компания Sol Voltaics занимается проблемой повышения эффективности фотоэлементов на базе монокристаллического кремния и тонкопленочных систем. Благодаря созданию на поверхности фотоэлементов нанопроволочных структур, эффективность преобразователей из фосфида индия (InP) была увеличена на 13,8%, а из арсенида галлия (GaAs) – на 15,3%. Также разработана технология непрерывного газофазного синтеза нанопроволок из GaAs, обеспечивающая скорость роста до 1 мкм/с.
Компания GLO специализируется на светодиодах на базе нанопроволочных структур для применения в дисплеях и системах освещения. Разработана технология выращивания нанопроволок из нитрида галлия (GaN) на кремниевой основе через маску из нитрида кремния Si3N4. Sol Voltaics уже удалось создать синий и зеленый GaN-светодиоды и ведется разработка красного светодиода.
Тонкопленочным электролюминесцентным дисплеям (Thin Film Electroluminescent – TFEL) был посвящен доклад Джо Пименоффа, менеджера по маркетингу компании Lumineq Displays. Конструкция таких дисплеев включает стеклянную основу толщиной около 1 мм с нанесенными на нее матрицами прозрачных вертикальных и непрозрачных горизонтальных электродов (столбцов и строк). Между электродами и двумя прозрачными диэлектрическими слоями располагается пленка люминофора. Пиксель люминофора, находящийся на пересечении строки и столбца испускает свет при приложении напряжения к соответствующим электродам матрицы. Толщина функциональной структуры – около 1 мкм.
TFEL-дисплеи имеют широкий угол обзора и высокий контраст при времени отклика менее 1 мс, устойчивы к ударам и вибрациям, могут использоваться в условиях высокой влажности и при температурах от –100 до 100°С. После 100 тыс. ч эксплуатации яркость дисплея снижается всего на 15%. Такие дисплеи хорошо подходят для эксплуатации в военной и аэрокосмической технике, системах безопасности, промышленности, медицине.
Иоанна Делигкьози, ведущий сотрудник греческого научно-исследовательского центра Hellas, представила доклад "Струйная печать прозрачных проводящих элементов с использованием нанопроволок из медных сплавов". Она отметила, что при создании электропроводящих чернил для струйной печати с использованием медных нанопроволок необходимо решить проблемы диспергирования последних в связующем, предотвращения забивания сопел, хорошей адгезии к подложке, а также стабилизации процесса. В Hellas разработаны электропроводящие чернила, состоящие из растворителей, полимерного связующего с ПАВ-добавками, термо-отверждаемых смол, олиго- и мономеров, а также фотоинициаторов. Чернила закрепляются под действием УФ-излучения, что позволяет применять компактное печатное оборудование, характеризующееся низким энергопотреблением.
Медицина
Патрик Босье, руководитель технологической платформы "Наномедицина" института CEA-Leti, рассказал о тенденциях в области наномедицины. В настоящее время 80% выполняемых в Европейском союзе разработок предназначены для терапевтических целей, причем наибольшее число проектов ориентированы на лечение онкологических, инфекционных и сердечно-сосудистых заболеваний. В общей сложности в ЕС исследованиями в области наномедицины занимаются более 1,5 тыс. научных групп и реализуется 15 национальных наномедицинских платформ. В 2014 году в рамках программы Horizon 2020 в исследования было инвестировано около 100 млн. евро. По характеру нанотехнологические разработки можно разделить на пять групп:
системы диагностики in vitro;
системы диагностики in vivo;
решения для адресной доставки лекарственных препаратов;
вакцины;
решения для функционализации биоматериа-
лов.
Прогнозируется, что к 2016 году объем рынка наномедицинских продуктов достигнет 97–126 млн. долл. США и будет представлено 38 новых нанолекарств и 46 наномедицинских устройств.
Отзывы читателей
