Aktuální vydání

celé číslo

06

2018

Systémy strojového vidění

Výrobní a montážní linky

celé číslo

Nanotechnologie – malé rozměry, velké příležitosti

číslo 10/2004

Nanotechnologie – malé rozměry, velké příležitosti

Nanotechnologie – jejich potenciál se velmi obtížně odhaduje, ale jejich přítomnost nelze přehlédnout. Tučné titulky v médiích oznamují „Nová investice do nanotechnologií...„, „Otevřeno nové centrum pro nanotechnologie...„, Nanověda přinesla průlom v...„

Jaké jsou skutečné možnosti nanotechnologií? Jaký mají význam v praxi?

Podívejme se na tento obor z pohledu ABB, významné firmy v oblasti automatizace a elektrotechniky.

Poslední tři roky byly ve znamení nevídaného zájmu o nanotechnologie. Fondy jednotlivých vlád věnované investicím do tohoto oboru za rok 2002 v součtu dosáhly výše dvou miliard amerických dolarů a obdobná částka byla celosvětově vydána ze zdrojů soukromého sektoru. Celkově se v uvedeném oboru v tomtéž roce angažovalo na sto investičních společností.

Obr. 1.

Je zřejmé, že rozvíjející se nanotechnologie ovlivní široké spektrum oborů: elektroniku a výpočetní techniku, materiálové inženýrství, energetiku, dopravu, lékařství i vojenství. Příležitosti, výzvy a návratnost investic jsou více než slibné pro ty, kteří se budou na vývoji nanotechnologií podílet. ABB též předpokládá, že využije potenciál nanotechnologií a získá tak výhodnou pozici při vývoji a zavádění nových výrobků.

Z toho vyplývá, proč ABB od roku 2000 zaměřuje svůj rozvojový program také na tento obor. Program zahrnuje sledování vývoje nanotechnologií, zajišťuje přenos informací z výzkumných pracovišť do ABB a hledá pro nanotechnologie nové obchodní příležitosti. Strategicky je zaměřen na oblasti zatím méně využívané, ale mající přímý vztah k předmětům podnikání ABB – to je využití nanotechnologií v elektrotechnice, vytváření nanovrstev a vývoj nanosenzorů. Cílem je doplnit či rozvinout v praxi významné vlastnosti produktů vyrobených s přispěním nanotechnologií. Program se kloní ke konkrétním aplikacím spíše než např. k vývoji nových materiálů, kde ABB spoléhá spíše na spolupráci s univerzitami, popř. jinými partnery z oblasti výzkumu.

Oblast nanotechnologií
Nanotechnologie se zabývá vytvářením struktur o velikosti (alespoň v jednom směru) 1·10–7 až 10–9 m. Pro ilustraci, rozměry jednotlivých atomů jsou řádově 10–10 m (obr. 1). V těchto rozměrech se již výrazně uplatňují kvantové vlastnosti hmoty.

„Prorokem„ nanotechnologie je fyzik Richard P. Feynman, který poprvé nastínil možnosti nanotechnologie v roce 1959 v článku There‘s plenty of room at the bottom (Tam dole je spousta místa) V článku se hovoří o tom, že neexistují žádné fyzikální překážky, které by bránily přemisťovat jednotlivé molekuly a atomy podle toho, jak si fyzici a chemici přejí. Feynman v článku položil otázku: Celá živá příroda funguje na úrovni molekul – proč by to nemohl dokázat člověk?

Uhlíkové nanotrubice
Uhlíkové nanotrubice jsou podlouhlé útvary složené z atomů uhlíku. Jejich struktura je podobná fullerenům, na rozdíl od nich však mají válcovitý tvar (fullereny jsou kulovité). V přírodě se nanotrubice pravděpodobně nevyskytují, v laboratoři byly poprvé připraveny v roce 1991. Průměr nanotrubic je 1 až 100 nm a jejich délka může být až 100 µm. Uhlíkové nanotrubice mohou být jednostěnné či vícestěnné (obr. 4). Lze vyrobit nanotrubice s vodivými nebo polovodivými vlastnostmi.

Pole výzkumu uhlíkových nanotrubic je velmi aktivní a přitahuje velkou pozornost, protože nanotrubice mají zajímavé vlastnosti využitelné v elektrotechnice, termodynamice a mechanice.

Vodivost uhlíkových nanotrubic
V klasických elektrických vodičích se elektrony nepohybují volně, ale rozptylují se „nárazy„ do atomů materiálu, které nejsou nehybné, ale vlivem své tepelné energie se chvějí. Čím větší je teplota vodiče, tím větší je intenzita rozptylu. Rozptyl omezuje rychlost pohybu a energii elektronů – v makrosvětě je tento jev znám jako elektrický odpor. V uhlíkových nanotrubičkách se mohou elektrony pohybovat téměř volně – podobně jako třeba světlo ve světlovodných vláknech. Odpor nanotrubic je velmi malý a téměř nezávisí na délce nanotrubice.

Rozměry nehrají roli

Jak se vlastně nanomateriály (materiály vyrobené za přispění nanotechnologií) liší od běžných materiálů? Jejich nejslibnější a zároveň základní vlastnost je, že v rozměrech menších než 100 nm se již přechází od klasické fyziky ke kvantové fyzice. Kvantové jevy vedou k naprosto novým možnostem. Další zajímavou charakteristikou je obrovský nárůst poměru plochy povrchu k objemu částic nanomateriálu. Tento poměr velmi silně ovlivňuje většinu chemických a fyzikálních vazeb na hranicích zrn v materiálu. Rozdílné jsou také vazby nanočástic se základní hmotou kompozitních materiálů. Je to proto, že velikost nanočástic je řádově srovnatelná s takovými rozměrovými charakteristikami, jako střední volná dráha elektronů nebo šířka hradlové vrstvy v polovodičích.

Elektrotechnika

Hlavním cílem uplatnění nanotechnologií v elektrotechnice je zlepšit elektromagnetické vlastnosti základních materiálů a komponent. Očekává se, že nanomateriály sníží ztráty v jednotlivých komponentách soustavy pro přenos a distribuci elektrické energie za současného zmenšení jejich hmotnosti a snížení ceny. Týká se to především:

  • kabelů – nových, popř. inovovaných kabelových koncovek a systémů izolace,

  • vodičů – nových vodičů elektřiny a lepších vodičů tepla,

  • kontaktů – nového provedení elektrických kontaktů založených na využití nanotechnologií nebo s vlastnostmi zlepšenými za přispění nanotechnologií.

Nanovrstvy

Povrchy materiálů opatřené nanovrstvami dají vzniknout výrobkům s novými funkcemi, zvětšenou energetickou účinností, ale také s lepší spolehlivostí, užitnými vlastnostmi a delším životním cyklem. V připravovaných projektech budou např. zkoumány antiadhezivní vrstvy, vrstvy s malým nebo naopak velkým třetím, velkou tepelnou odolností nebo odolností proti difuzi.

Obr. 2.

Nanosnímače

Nanotechnologie má mimořádný vliv na vývoj nové generace vysoce citlivých snímačů s krátkou dobou odezvy a dlouhodobou stabilitou. Kromě nanotechnologií se při vývoji těchto snímačů uplatňují i biotechnologie.

Současné aktivity ABB

Následující dva příklady ilustrují aktivity ABB na poli nanotechnologií. Ten první, který se týká nanovrstev, je blíže reálné výrobě, zatímco druhý, z oblasti elektrické vodivosti, je ukázkou dlouhodobé spolupráce s univerzitní výzkumnou základnou.

Povrchy s malým koeficientem tření

Povlakové vrstvy vyvíjené s ohledem na jejich tribologické vlastnosti (tření a opotřebování materiálů při vzájemném pohybu) a také antiadhezivní povlaky mohou být díky „nanovědě“ zásadně vylepšeny. Společnost ABB zakládá svoje znalosti v tomto oboru na krátkodobých výzkumných úkolech cílených na použití v reálných výrobcích. Konkrétně jsou nyní v centru pozornosti vrstvy s malým koeficientem tření. Záměrem je nahradit kuličková ložiska kluznými, která jsou cenově dostupnější a po technické stránce mají i další přednosti – větší tuhost, menší rozměry, větší odolnost proti vnějším silám a proti opotřebení. Jako taková jsou ideální pro mechanické součásti vypínačů, kde je nezbytná velká spolehlivost v nejrůznějších prostředích.

Obr. 3.

Byly zkoumány celkové charakteristiky tření, opotřebení a tvrdosti různě tenkých povrchových vrstev s nanostrukturami, a to v mikroskopické i makroskopické oblasti. Výsledky výzkumu byly dále doplněny při zkouškách na skutečných výrobcích v praxi.

Obzvláště byly zkoumány povlaky vzniklé slinutím vodních disperzí polymerových nanočástic. Vodní disperze byly zvoleny s ohledem na jejich neškodnost k životnímu prostředí. Kluzné ložisko se skládá z válcovitého tělesa, které je vyrobeno z porézního kovu. Na něm je povlak z PTFE (polytetrafluoroethylen, nepřilnavý polymer s malým koeficientem tření), jehož přilnavost k podkladu (substrátu), trvanlivost povlaku a stálost jeho tribologických a dalších fyzikálně-technických vlastností jsou zlepšeny díky nanostrukturám na povrchu výstelky i podkladu (substrátu). Na povrchu substrátu se vytváří nanostrukturní morfologie tak, aby byla zlepšena přilnavost výstelky vzniklé slinutím z dispergovaného nanoprášku. Nanostruktura neznamená, že by celkové rozměry vrstev byly v řádech nanometrů: jejich celková tloušťka je v řádu mikrometrů.

Technologie vytváření povlaků PTFE z nanodisperzí umožňuje splnit požadavky na jejich kompaktnost a mechanickou odolnost po slinutí. Ačkoliv vlastnosti PTFE jsou známy dlouhou dobu, při výrobě teflonového kuchyňského nádobí nebyly nanotechnologie nutné – významně se uplatnily právě až při výrobě ložisek.

Materiály s velmi malým elektrickým odporem

Jedním z příkladů dlouhodobého výzkumného projektu podporovaného ABB je vývoj vodivého materiálu, který za pokojové teploty povede dvakrát lépe než měď. Obr. 4. Vychází se z toho, že v uhlíkových nanotrubicích se mohou elektrony pohybovat na relativně velké vzdálenosti (řádově mikrometry) bez rozptylu. Odpor tedy není závislý na délce nanotrubice. Cílem je umístit relativně dlouhé uhlíkové nanotrubice do kovové matrice. Za předpokladu, že trubice bude mít dobrý kontakt s materiálem matrice, bude takový kompozit vykazovat podstatně nižší odpor, než je vlastní odpor materiálu matrice.

Pro hlubší pochopení základních elektrických vlastností uhlíkových nanotrubic navázalo ABB spolupráci s profesorem Hongijem Daiem ze Stanfordské univerzity. Teoretické výpočty ukazují, že záměr vyrobit materiál s vodivostí za pokojové teploty dvakrát větší než vodivost mědi je realistický. Takové vodiče by měly na elektrotechniku značný dopad. Zamezilo by se velkým ztrátám energie a otevřely by se cesty k novým konstrukcím, které při uplatnění běžných materiálů nejsou uskutečnitelné.

Závěr

Uvedené příklady ukázaly potenciál, který spočívá v nanotechnologiích pro zlepšení vlastností produktů v krátkodobém i dlouhodobém horizontu. Společnost ABB bude i nadále pokračovat v rozvíjení nových vlastností svých výrobků za přispění nanotechnologií tak, aby získala co možná nejvíce výhod z této nově odhalené a slibné vědní disciplíny.

Thomas Liljenberg, Olof Hjortstam, ABB Corporate Research, Västeras, Švédsko;
Silvia Volponi, ABB Service srl, Sesto San Giovanni, Itálie.
Přeložil Radomír Procházka, ABB, s. r. o.

Inzerce zpět