МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ
ФГБОУ ВПО «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
М.М. БЕЗЗУБЦЕВА, В.С. ВОЛКОВ
НАНОТЕХНОЛОГИИ В ЭНЕРГЕТИКЕ
У Ч Е Б Н О Е П О С О Б И Е
Рекомендовано УМО РАЕ по классическому
университетскому и техническому образованию
в качестве учебного пособия для бакалавров
высших учебных заведений, обучающихся
по направлению подготовки:110800.62«Агроинженерия»
(Профиль «Электрооборудование
и электротехнологии в сельском хозяйстве»)
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2012
Стр.1
УДК 620.16(075.8)
ББК 3-01 я 73
К56
Составители: М.М. Беззубцева; В.С. Волков
Ре ц ен з е н ты: д.т.н., проф. С.А. Ракутько; д.т.н., проф. В.В.Орлов
Редактор: д.т.н., проф. В.В.Тишин
М.М. Беззубцева, В.С. Волков
К 56 : Нанотехнологии в энергетике. – СПб: СПбГАУ, 2012. –133с.
В учебном пособии представлены базовые определения и классификация
нанотехнологий. Изложены физические основы нанотехнологии, приведены наиболее
важные для энергетики виды наноматериалов, рассмотрены их свойства, принципы и методы
моделирования нанообъектов. Проанализированы достижения и перспективы внедрения в
энергетику технологий и производств с атомарной точностью.
Учебное пособие составлено в соответствии с рабочей программой дисциплины
«Нанотехнологии в энергетике» и предназначено для бакалавров, обучающихся по
направлению «Агроинженерия» профилю «Электрооборудование и электротехнологии в
сельском хозяйстве». Представляет интерес для инженеров и специалистов теплоэнергетиков
и электроэнергетиков агропромышленного комплекса. Учебное пособие «Нанотехнологии в
энергетике» может быть рекомендовано для заочного и дистанционного обучения.
УДК 620.16(075.8)
ББК 3-01 я 73
ISBN 978-85983-135-7
© М.М. Беззубцева
© В.С. Волков
2
Стр.2
ВВЕДЕНИЕ
Интенсивное развитие,
внедрение в производство и потребление
нанотехнологий и связанные с этим риски (социальные, этические и
экологические)
обусловливают актуальность решения задач формирования
системы структуры и динамики данного технологического направления и
соответствующей ему сферы деятельности, в том числе и в энергетической
отрасли.
Отсутствие необходимой для этого методологической базы и
практического инструментария ведет к противоречивым представлениям о
состоянии сферы нанотехнологий в энергетической отрасли, ее экономических
и социальных эффектах.
В настоящее время нанотехнологии признаны наиболее перспективным
направлением научно-технологического развития.
Практический аспект нанотехнологий включает в себя производство
устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и
манипуляции атомами, молекулами и наночастицами. Подразумевается, что не
обязательно объект должен обладать линейным размером менее 100 нм — это
могут быть макрообъекты, атомарная структура которых
создаётся с
разрешением на уровне отдельных атомов, либо содержит в себе нанообъекты.
В более широком смысле этот термин охватывает также методы диагностики и
исследований таких объектов.
3
Стр.3
Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных дисциплин,
поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические технологии
обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления,
пренебрежительно слабые на привычных масштабах, становятся намного
значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул или
агрегатов молекул (например, силы Ван-дер-Ваальса), квантовые эффекты.
Нанотехнология и в особенности молекулярная технология — новые,
мало исследованные дисциплины. Основные открытия, предсказываемые в этой
области, пока не сделаны. Тем не менее, проводимые исследования уже дают
практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых
научных достижений позволяет относить её к высоким технологиям.
Нанотехнологии, являясь объектом приоритетной поддержки во многих
государствах мира, получили в последние годы значительные государственные
инвестиции . Между тем, по замечанию А. Хульман, «вопрос о том, в какой
степени «нано-шумиха» опирается на реальные экономические показатели, а в
какой отражает лишь благие пожелания», остается открытым: оценки рынка
товаров и у слуг, связанных с нанотехнологиями, в зависимости от
используемого в них определения последних и «степени оптимизма» их
aвторов варьируются от 150 млрд. долл. в 2010 г. до 3.1 трлн. долл. к 2015 г.
Несмотря на несколько ажиотажный характер большинства прогнозов, многие
эксперты сходятся в том, что нанотехнологии
трансформированы в
«технологии общего назначения» вслед за информационно-коммуникационными
и биотехнологиями и относятся к общедисциплинарному направлению.
Вместе с тем формирование понятийного аппарата, прежде всего определений
и классификаций, здесь существенно отстает от динамики самого
рассматриваемого явления. С учетом масштабов инвестиций в эту сферу и
неизбежной в такой ситуации склонности к преувеличению научнотехнических
и экономических эффектов в некоторых аналитических исследованиях и
прогнозах, опирающихся на различную терминологию, подобное положение
дел не может не вызывать озабоченности, поскольку способно оказывать
4
Стр.4
дезориентирующее воздействие на принятие обоснованных управленческих
решений.
Разработка определений и классификаций в сфере нанотехнологий
представляет собой довольно сложную задачу. В первую очередь, это связано с
«универсальным» характером нанотехнологий — слабоструктурированной
области, отличающейся высокой динамичностью развития и растущим
многообразием практических приложений. Нельзя не учитывать также
мультидисциплинарный характер этой сферы и ее адаптивность как к новым
научно-технологическим достижениям, так и к потребностям экономики и
общества.
Проблема единства понятий и стандартов в области нанотехнологий
неоднократно обсуждалась в зарубежной и отечественной литературе . Этот
вопрос имеет ключевое значение для выработки единого подхода к пониманию
сущности и особенностей развития нанотехнологий. Общий понятийный
аппарат позволит более четко обозначить границы исследуемой области и
оценить порождаемые ею научно-технологические и социальноэкономические
тенденции. На основе анализа международного опыта и практики
в
организации научных исследований, стандартизации и статистического учета
разработаны базовые определения нанотехнологий и проект классификации их
направлений. Принципиальное значение при этом придается гармонизации
понятийного аппарата с международными подходами, что способствует
усилению интеграции российской науки в мировое научно-технологическое
пространство.
Согласно оценкам отраслевых экспертов и аналитиков компании
Abercade, основными перспективными сферами применения нанотехнологий
являются автомобильная промышленность, доля которой в структуре
потребления нанопродуктов в ближайшее время составит порядка 25%, а также
здравоохранение (22%) и аэрокосмические технологии (порядка 17%).
Однако особые надежды специалисты связывают с массовым
использованием нанопродуктов в сфере энергетики. Ожидается, что уже в
5
Стр.5
ближайшей перспективе на энергетику будет приходиться порядка 13%
мирового потребления нанопродуктов, а в обозримом будущем разработки в
сфере нанотехнологий помогут совершить революционный скачок в развитии
технологий получения и преобразования энергии. Одной из ключевых областей
использования нанотехнологий в энергетике будет являться создание батарей
нового поколения. Основные исследования в данной сфере сегодня
сконцентрированы на решении задач повышения плотности энергетического
потока, снижения продолжительности цикла зарядки батарей, уменьшения их
габаритов и веса, а также повышения безопасности и стабильности работы.
Стратегической задачей является разработка батарей высокой емкости,
которые позволят обеспечить пробег электромобилей на длительные
дистанции, а также смогут гарантировать более экономичные режимы работы
возобновляемых источников энергии, таких как солнечные батареи и
ветроэнергетические установки путем аккумулирования избытков энергии.
Не менее перспективным направлением применения нанотехнологий в
энергетике является создание суперконденсаторов, обладающих высокой
электрической емкостью.
Основными видами нанопродуктов, которые в ближайшей перспективе
найдут широкое применение для изготовления наноконденсаторов, будут
являться углеродные нанотрубки и нанопорошки.
6
Стр.6
Глава 1. ОБЩИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И МЕЖОТРАСЛЕВАЯ
КЛАССИФИКАЦИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
1.1. ОБЩИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
Нанотехнологии рассматриваются сегодня и как область исследований, и
как направление технологического развития. С одной стороны, это отражает
современные тенденции взаимосвязи науки и технологии, а с другой —
порождает расхождение в терминологиии. Противоречия начинаются уже в
попытках обозначить область исследований в целом и дать определение
понятия «нанотехнологии». В настоящее время выделяют «нанонауку»
(nanoscience), занимающуюся познанием свойств наноразмерных объектов и
анализом их влияния на свойства материалов, и «нанотехнологию»
(nanotechnology), имеющую своей целью развитие этих свойств для
производства структур, устройств и систем с характеристиками, заданными на
молекулярном уровне. Такое разделение имеет методическую основу, когда
речь идет об анализе научных публикаций (и тогда говорится о «нанонауке»)
либо патентов (в этом случае используется понятие «нанотехнологии»). На
практике
провести различие между нанонаукой и нанотехнологией
оказывается практически невозможным. Поэтому исследователи предлагают
ограничиться только одним термином – «нанотехнологии», объединив в нем
обе составляющие. Принимая такой подход, необходимо иметь согласованное
определение нанотехнологий, которое, в частности, призвано обозначить общие
границы рассматриваемой области. Общие определения нанотехнологий
представлены в табл. 1.1.
7
Стр.7
Таблица 1.1. Общие определения нанотехнологий
Организация-автор
VII Рамочная
программа ЕС (2007–
2013)
Определение
Получение новых знаний о феноменах, свойства которых
зависят от интерфейса и размера; управление свойствами
материалов на наноуровне для получения новых
возможностей их практического применения; интеграция
технологий на наноуровне; способность к самосборке;
наномоторы; машины и системы; методы и инструменты
для описания и манипулирования на наноуровне;
химические технологии нанометровой точности для
производства базовых материалов и компонентов; эффект в
отношении безопасности человека, здравоохранения и
охраны окружающей среды; метрология, мониторинг и
считывание, номенклатура и стандарты; исследование
новых концепций и подходов для практического
применения в различных отраслях, включая интеграцию и
конвергенцию с новыми технологиями.
Рабочий план
Международной
организации по
стандартизации (ISO) от
23/04/2007
1) Понимание механизмов управления материей и
процессами на наношкале (как правило, но не
исключительно, менее 100 нанометров по одному или
нескольким измерениям), где феномены, связанные со столь
малыми размерами, обычно открывают новые возможности
практического применения.
2) Использование свойств материалов, проявляющихся на
наношкале и отличных от свойств отдельных атомов,
молекул и объемных веществ, для создания улучшенных
материалов, устройств и систем, основанных на этих новых
свойствах.
Европейское патентное
ведомство (EPO)
Термин «нанотехнология» покрывает объекты,
контролируемый геометрический размер хотя бы одного из
функциональных компонентов которых в одном или
нескольких измерениях не превышает 100 нанометров,
сохраняя присущие им на этом уровне физические,
химические, биологические эффекты. Он покрывает также
оборудование и методы контролируемого анализа,
манипуляции, обработки, производства или измерения с
точностью менее 100 нанометров.
США: Национальная
нанотехнологическая
инициатива (2001– н.в.)
Нанотехнология – это понимание и управление материей на
уровне примерно от 1 до 100 нанометров, когда уникальные
явления создают возможности для необычного применения.
Нанотехнология охватывает естественные, технические
науки и технологию нанометровой шкалы, включая
получение изображений, измерение, моделирование и
манипулирование материей на этом уровне.
8
Стр.8
Табл. 1.1 Продолжение
Япония: Второй общий
план по науке и
технологиям
Нанотехнология – междисциплинарная область науки и
техники, включающая информационные технологии, науки
об окружающей среде, о жизни, материалах и др. Она служит
для управления и использования атомов и молекул размером
порядка нанометра (1/1.000.000.000), что дает возможность
обнаруживать новые функции благодаря уникальным
свойствам материалов, проявляющимся на наноуровне. В
результате появляется возможность создания
технологических инноваций в различных областях.
Все эти определения были идентифицированы рабочей группой по
нанотехнологиям (РГН) Организации экономического сотрудничества и
развития (ОЭСР) в качестве базы для создания унифицированной
методологической рамки, необходимой для организации гармонизированной в
международном масштабе системы сбора и анализа статистической
информации о сфере нанотехнологий. Предлагаемые международными либо
национальными организациями определения носят характер рабочих, отражая
специфику тех конкретных программ и проектов, применительно к которым
они и сформулированы, и различаются в зависимости от сферы их применения,
решаемых задач и уровня полномочий этих организаций. Например, в
определении нанотехнологий в VII Рамочной программе ЕС подчеркивается их
научно-технологическая составляющая. Подходы, принятые Европейским и
Японским патентными ведомствами, нацелены на работу в сфере охраны
интеллектуальной собственности.
Формулировка из Национальной
нанотехнологической инициативы США охватывает естественные, технические
науки и технологии. Состав приведенного набора определений продиктован,
прежде всего, их политической операциональностью (ориентацией на принятие
политических решений) и принадлежностью к странам (регионам) с
максимальными объемами государственного финансирования научнотехнологической
сферы (ЕС, США, Япония). Список дополняют так
называемое «рамочное» определение ISO, составляющее основу документов
РГН, и определение Европейского патентного ведомства (EPO) — пока еще
9
Стр.9
единственного источника международно-сопоставимой информации о
нанотехнологиях.
Указанные определения объединяет ряд общих черт, относительно
которых следует сделать несколько дополнительных замечаний:
- каждое из
определений обращает
внимание на масштаб
рассматриваемого явления. Как правило, указывается диапазон от 1 до
100 нм, внутри которого могут быть зафиксированы уникальные
молекулярные процессы;
- подчеркивается принципиальная возможность управления процессами,
происходящими, как правило, в границах обозначенного диапазона.
Это позволяет отличить нанотехнологии от природных явлений подобного
рода («случайных» нанотехнологий), а также обеспечить возможность
придания создаваемым материалам и устройствам уникальных характеристик и
функциональных
возможностей,
достижение
которых
в
рамках
предшествующей технологической волны было невозможно. В свою очередь
это означает, что в средне- и долгосрочной перспективе нанотехнологии могут
не только содействовать развитию существующих рынков, но и способствовать
возникновению новых рынков (продуктов или услуг), способов организации
производства, видов экономических и социальных отношений.
Характерной особенностью определений является их экономикостатистическая
операциональность. Нанотехнологии представлены как явление,
поддающееся количественной оценке, – это техника, инструменты, материалы,
устройства, системы. Это делает их важным элементом цепочек создания
стоимости, однако вопросы оценки вклада нанотехнологий в стоимость
конечного продукта и пределов диверсификации существующих секторов
производства при их применении требуют дополнительного рассмотрения.
В то же время обращают на себя внимание некоторые различия в указанных
определениях. Прежде всего, они касаются степени конвергентности и целевого
назначения нанотехнологий. Так, в европейском варианте отмечается как
10
Стр.10
интеграция различных технологий в границах наношкалы, так и их
конвергенция с другими технологиями; выделяются отдельные сферы их
применения. Японская версия подчеркивает инновационную природу
нанотехнологии. К тому же европейское и японское определения со всей
очевидностью отражают распространенное убеждение, что использование
схожих «строительных элементов» (например, атомов и молекул) и
инструментов анализа (микроскопы, компьютеры высокой мощности и др.) в
различных научных дисциплинах может привести в будущем к синтезу
информационных, био- и нанотехнологий.
Среди приведенных определений встречаются не только общие (базовые),
но и так называемые «списочные», в том числе принятое в VII Рамочной
программе ЕС. Обычно они формируются путем перечисления научнотехнологических
областей
(направлений),
которые
относятся
к
соответствующей сфере. Как показывает случай с биотехнологиями,
использование общего и списочного определений способствует эффективному
решению различных задач в области статистики, анализа, научно-технической
и инновационной политики. Так, базовые определения хорошо подходят для
научных дискуссий, достижения консенсуса по общим вопросам, принятия
рамочных политических решений.
Списочные определения позволяют
наладить коммуникацию с технологическими и производственными областями,
где новые технологии могут иметь прикладное значение (например, для
исследования рынков и компаний), а также обеспечить создание более строгой
системы отбора и экспертизы проектов. В конечном итоге это позволяет
повысить точность и достоверность получаемой информации.
В официальной российской практике вплоть до последнего времени
действовали два различных базовых определения нанотехнологий, которые
представлены, соответственно, в «Концепции развития в Российской
Федерации работ в области нанотехнологий» и «Программе развития
наноиндустрии в Российской Федерации до 2015 года» (табл. 1.2).
11
Стр.11
Таблица 1.2. Российские определения нанотехнологий
Документ
Определение
Концепция
развития
в
Российской
Федерации
работ в области
нанотехнологий
Программа
развития
наноиндустрии
в Российской
Федерации до
2015 года
Нанотехнологии – это совокупность методов и приемов,
обеспечивающих возможность контролируемым образом
создавать и модифицировать
объекты,
включающие
компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие
принципиально новые качества и позволяющие осуществлять
их интеграцию в полноценно функционирующие системы
большего масштаба; в более широком смысле этот термин
охватывает также методы диагностики, характерологии и
исследований таких объектов.
Нанотехнологии – технологии, направленные на создание и
эффективное практическое использование нанообъектов и
наносистем с заданными свойствами и характеристиками.
Первая из этих двух версий фокусируется на изучении и создании объектов
определенного (наноразмерного) масштаба, вторая – предлагает рассматривать
процессы создания и использования нанотехнологий. В обоих случаях
отсутствуют указания на особенности, связанные с уникальностью явлений и
происходящие в пределах наношкалы. Кроме того, определение,
представленное в Программе развития наноиндустрии, не несет новой
информации о характеризуемом явлении и формулируется исходя из свойств и
признаков одного порядка. Это делает его максимально абстрактным и лишает
какого бы то ни было уровня операциональности.
С целью преодоления отмеченных выше проблем и выработки такого
определения нанотехнологий, которое позволило бы отразить их
специфический характер и могло бы быть использовано в сфере
статистического наблюдения,
инновационной политики,
а
также научно-технологической и
предпринята попытка синтеза эффективных
элементов различных существующих подходов. Результатом соответствующих
методических усилий стала новая
версия базового определения
нанотехнологий, которая прошла обсуждение в целом ряде представительных
12
Стр.12