Наночастицы и наноматериалы представляют собой развивающуюся технологию, которая обладает потенциалом оказания воздействия на невероятно большое число отраслей и рынков. Задачей компаний-игроков, которые хотят будет обеспечение рынка материалами в нужном объеме, с нужным качеством и с нужными экономическими параметрами.

Наноматериалы и, в особенности, наночастицы находятся на самом гребне нанотехнологической волны. На протяжении нескольких последних лет наблюдается быстрое расширение диапазона имеющихся на рынке наноматериалов, а также числа поставляющих их компаний. Используется целый ряд производственных технологий, причем у каждой имеются свои преимущества и недостатки, и все они постоянно совершенствуются. Расширяется число имеющихся и потенциальных применений наночастиц, и эти применения представлены на очень многих рынках. По оценкам аналитиков, размеры рынка достигнут в 2005 г. 900 млн. долл., а в 2010 г. 11 млрд. долл. Это вызывает большой интерес у компаний, хотя существует еще множество препятствий, которые необходимо преодолеть, прежде чем потенциал наночастиц будет оценен в полном объеме.

Идея нантехнологической революции овладела умами не только в пределах научного сообщества, она все более и более завоевывает сторонников среди широкой общественности по мере того, как появляется все больше и больше статей, рассматривающих вопрос о том вкладе, которые нанотехнологии могут внести в будущем. Но нанотехнологии не новость, сам термин был создан еще в шестидесятых годах. Можно утверждать, что материаловеды и химики работали в области нанотехнологий с самого первого момента возникновения их научной области. Действительно, наночастицы использовались еще более 2000 лет тому назад в римском стекле, в котором кластеры наночастиц золота применялись для создания более ярких цветов.

Однако настоящий переход к использованию наночастиц произошел не ранее начала двадцатого века, когда начали производить углеродную сажу и, вслед за ней, коллоидную двуокись кремния в сороковых годах. Тем не менее, только с развитием высокоскоростных компьютерных технологий и, следовательно, моделирования, современных технологий снятия характеристик, таких как атомно-силовая микроскопия и сканирующая туннельная микроскопия, а также способов синтеза, таких как золь-гель технология, появилась возможность проектирования наноматериалов.

Вместе с этими материалами появились и достижения в области совершенствования эксплуатационных характеристик полимеров. Тем не менее, этого удалось достигнуть с помощью эмпирического подхода: эти материалы не проектировались, их просто открыли.

Именно этот момент и отличает современную нанотехнологию от прежних исследований в области материаловедения и химии. Как отмечается в недавнем отчете Европейского Союза, «ожидается, что с помощью нанотехнологии будут созданы новые материалы с совершенно новыми свойствами, которые снимут все имеющиеся проблемы».

Что представляют собой наночастицы?
Хотя нанотехнологии сейчас широко обсуждаются, не существует единого мнения, относительно того, где проходят границы нанотехнологической области. В недавно опубликованном докладе, составленном совместно отделом разведывательной экономической информации и Институтом Нанотехнологии, даны материалы опроса примерно ста экспертов по нанотехнологиям и, как это следует из таблицы 1, их взгляды на этот вопрос существенно отличаются друг от друга.

Таблица 1. Результаты опроса экспертов, которых попросили дать определение нанотехнологии

Для целей настоящей статьи, я на свой страх и риск установил, что наночастицы это дискретные частицы с диаметром 250 нм или менее. Попытки показать, что это означает с точки зрения масштаба, привели к выявлению впечатляющих статистических данных. Например, количества наночастиц алюминия размером 100 нм содержащихся в 2 г, достаточно для того, чтобы выдать каждому человеку на планете по 300 000 таких частиц, в то время как у наносиликатов имеется площадь межфазной поверхности, которая соответствует футбольному полю, помещенному внутрь дождевой капли. Сюда также включается очень широкий диапазон материалов: полимеры, металлы и керамика. Можно также формировать наночастицы с самой разнообразной морфологией, от сфер, чешуек и пластинок до дендритных структур. На рисунке 1 даны три примера.

Рис. 1. Три примера морфологии наночастиц.

Почему наночастицы представляют интерес?
Просто тот факт, что эти материалы можно производить в виде очень маленьких частиц, еще не означает, что они имеют какое-либо практическое значение. Тем не менее, сам факт, что материалы можно производить в таком масштабе, наделяет их потенциалом для выражения некоторых весьма любопытных свойств. Материалы, имеющие размеры частиц в наноразмерном масштабе от 1 нм до 250 нм, находятся в области реализации квантовых эффектов атомов и молекул, а также основных свойств материалов. Именно поэтому и именно на этой нейтральной территории многие физические свойства материалов управляются явлениями, которые имеют критические размеры в наноразмерном масштабе.

Возможность создавать и контролировать структуру наночастиц позволяет ученым и инженерам влиять на конечные свойства материалов и, в конечном счете, проектировать материалы так, чтобы они имели заданные свойства. Имеется очень большое количество применений, в которых физический размер частицы может обеспечивать наращивание полезных свойств, например: небольшой размер позволяет лучше полировать и получать более гладкие поверхности; там, где зерно слишком мало для смещения можно создавать высокопрочные и очень твердые металлы; высокая удельная поверхность также позволяет осуществлять более эффективный катализ и производить более энергоемкие материалы (таблица 2).

Таблица 2. Определяющие линейные размеры для модели физики твердого тела.

Как их создают?
Наночастицы можно производить с помощью большого количества различных способов. Некоторые из них существуют уже много лет, другие возникли совсем недавно.

В сущности, имеется четыре основных способа создания наночастиц: с использованием жидких реактивов; механический; синтез из газовой фазы и сборка на месте. Стоит рассмотреть каждый из них, поскольку получаемые в результате материалы могут иметь существенно отличающиеся свойства в зависимости от того, какая технологии изготовления выбирается. Также, некоторые способы больше подходят для изготовления некоторых классов материалов, чем другие.

«Мокрая» химия
Сюда входит коллоидная химия, метод гидротермального синтеза, золь-гель технология и другие технологии осаждения. По существу, растворы различных ионов смешиваются в точно определенных количествах при контролируемых условиях температуры и давления для ускорения образования нерастворимых компаундов, которые осаждаются из раствора. Эти осажденные вещества затем собираются фильтрованием и/или распылительной сушкой для получения сухого порошка. Преимуществом таких жидкостных химических технологий является возможность изготавливать самые разнообразные компаунды, включая как органические, так и неорганические, а также некоторые металлы, на более дешевом оборудовании и в существенных количествах. Другим важным фактором является возможность точно контролировать размер частиц и производить монодисперсные материалы. Тем не менее, имеются ограничения типов компаундов, которые можно создать: проблему может представлять связавание молекул воды и, в особенности, для золь-гель технологии, выработка вещества может быть очень небольшой. Таким образом, для массового производства может потребоваться большое количество исходных материалов, а это означает – большие затраты.

Механические технологии
Сюда относятся технологии измельчения, перемалывания, а также сплавления при механическом воздействии. При условии изготовления крупного порошка в качестве исходного сырья, эти технологии используют веками применявшийся метод физического толчения крупных порошков до получения все более мелких, подобно тому, как это делается на мукомольных установках. В наши дни наиболее распространены либо планетарные мешалки, либо вращающиеся шаровые мельницы. Преимуществами таких методов является то, что они просты, не требуют дорогостоящего оборудования и, при условии, что есть возможность изготовить крупный порошок, с их помощью можно обрабатывать многие материалы. Тем не менее, могут возникнуть и трудности, такие как агломерация порошков, широкий разброс размеров частиц, загрязнение от самого технологического оборудования, и получение частиц очень мелких размеров. Как правило, эти методы используются для обработки неорганических веществ и металлов, а не органических материалов.

Технология сборки на месте
Сюда относятся: литография, вакуумное осаждение (термовакуумное осаждение из паровой фазы и химическое осаждение из паровой фазы), а также нанесение покрытия методом распыления. Эти технологии больше приспособлены для производства наноструктурированных слоев и покрытий, но их можно использовать и для создания наночастиц путем соскабливания отложений с коллектора. Тем не менее, они оказываются совсем неэффективными и не используются при производстве сухих порошков, хотя некоторые компании и начинают применять эти технологии.

Синтез из газовой фазы
Сюда включаются технологии пиролиза огнем, электровзрыва, лазерной абляции, высокотемпературного испарения, а также плазменного синтеза. Пиролиз огнем использовался на протяжении многих лет при изготовлении простых материалов, таких как углеродная сажа и коллоидная двуокись кремния, и сейчас он используется для изготовления многих других компаундов. С помощью лазерной абляции можно производить практически всякий наноматериал, поскольку эта технология использует сочетание физической эрозии и испарения, но скорость производства здесь исключительно низкая, и технология больше подходит для использования в исследовательских целях. И плазма ВЧ-разряда, и плазма постоянного тока успешно используются для изготовления широкого диапазона материалов. Тепловой источник очень чистый и хорошо управляемый, и температуры в плазме могут достигать более 9000°C, а это означает, что можно обрабатывать даже очень тугоплавкие материалы. Тем не менее, это также означает, что эти методы не применимы для обработки органических материалов.

Нетрудно видеть, что для производства наночастиц можно использовать множество различных методов. Все они имеют коммерческое использование, и у каждого есть свои достоинства и недостатки. Тем не менее, трудно сделать какие-либо общие выводы относительно того, какие методы будут преобладающими, поскольку использование той или иной технологии производства будет зависеть от потребностей изготовления определенных материалов.

Рынок наночастиц
Посадка частиц на матрицу была распространенной технологией для изменения свойств материалов практически с тех пор, когда были разработаны первые синтетические материалы. Тем не менее, размеры присадок обычно превышали наноразмерный масштаб. Первое промышленной производство наноматериала было осуществлено при изготовлении углеродной сажи в начале двадцатого века, а затем коллоидной двуокиси кремния в сороковых. Эти материалы до сих пор производятся и используются в больших количествах, на них основывается деятельность некоторых известных компаний, таких как Degussa и Cabot.

Тем не менее, по-настоящему научный подход к материалам, включающим сверхмелкие частицы, был разработан только во второй половине двадцатого века. Именно тогда пришло понимание того, что можно добиться существенного совершенствования свойств материалов. На протяжении 1960-х, 1970-х, и начала 1980-х происходило постепенное развитие по мере того, как крупные интернациональные компании создавали свои дочерние отделения. Но настоящий бум в коммерческом использовании производства наночастиц имел место на протяжении примерно десяти последних лет. На рисунке 2 приводятся данные, из которых можно видеть этот бурный рост.

Рис. 2. Рост числа компаний, занимающихся наноматериалами.

В девяностых годах прошлого века число компаний удвоилось, а имеющаяся на данный момент скорость формирования, похоже, будет в ближайшие годы такой же, если не больше. Большая часть этого роста происходит за счет основания новых небольших компаний по запуску продуктов, которые были выделены университетами, государственными лабораториями или же основаны предпринимателями. В настоящее время, считается, что к этой категории относится почти половина компаний, занимающихся наноматериалами. До некоторой степени, стимулом к развитию этого процесса послужил рост венчурного капитала, как источника финансирования, особенно в США, где расположена существенная часть этих компаний.

Хотя трудно получить точные данные, в мире на сегодняшний день существует более 320 компаний, которые производят наноматериалы в различных формах, из которых примерно 200 являются производителями наночастиц. Распределение по типам материалов дано в таблице3.

Таблица 3. Тип продукта из основного материала и объекты приложения рыночных усилий компаний, производящих наноматериалы.

Тем не менее, не все из этих компаний продают наноматериалы, которые они производят, многие нацелены на разработку и лицензирование интеллектуальной собственности, основанной на использовании их наноматериалов. Помимо этих компаний существуют также и другие компании, которые производят наноматериалы для использования в своей собственной продукции.

Здесь встает вопрос, что это за рынки для наноматериалов, вызвавшие такой бурный рост числа компаний, работающих в этой области? До некоторой степени, это уже существующие рынки. Имеется много применений, для которых возможности переконструирования существующих материалов до наноразмерности, могут повысить эффективность и, следовательно, открыть дорогу новым продуктам. К числу таких примеров относятся: пиротехника и взрывчатые вещества, где наноразмерный алюминий обеспечивает более высокую скорость высвобождения энергии; абразивная смесь для притирки и полировки, где размеры бороздок на кремниевых чипах приближаются к 150 нм, а полировочная среда должна иметь размеры существенно меньше, чтобы повреждения были незначительными по сравнению с размерами оставляемых бороздок; а также средства магнитной записи, где накопители более высокой плотности обеспечиваются за счет более мелких частиц и размеров зерна по мере того, как носители приближаются к терабайтной мощности. Этот вид эволюционного перехода на наноразмерные материалы будет развиваться и дальше по мере того, как люди будут осознавать его преимущества. Тем не менее, рост интереса нельзя отнести исключительно на счет такого эволюционного развития. Поскольку усилия исследователей все более и более направлены на изучение наноразмерных материалов, возможности осуществления скачкообразных изменений рабочих параметров выявляются все время. Это открывает дорогу совершенно новым применениям и возможностям изготовления продуктов, относительно которых на протяжении многих лет существовали гипотезы, таких как методы целевой доставки лекарственных препаратов, новые оптоэлектронные устройства, и небольшие и более рентабельные энергетические устройства. Из-за этого возникли очень отличающиеся друг от друга оценки размеров рынка нанотехнологий и сегмента наноматериалов. В целом, рынок нанотехнологий оценивается к 2010 г. в 11 триллионов долл., с учетом наноматериалов, кторые должны вырасти с 490 млн. долл. на сегодняшний день до 11 млрд. долл. к 2010 г. Тем не менее, влияние наноматериалов распространяется намного дальше непосредственной ценности самих материалов. По данным одной из оценок, под влиянием наноструктурированных материалов и технологий рынок получит к 2010 г. более 340 млрд. долл.

Если посмотреть, какие функциональные наноматериалы имеются на сегодняшний день на основных рынках, то получается, что самыми большими являются рынки автомобильных катализаторов, химико-механического сглаживания (chemical mechanical planarization - CMP), средств магнитной записи, и солнцезащитных фильтров, при 11,5; 9,4; 3,1 и 1,5 тыс. т соответственно. Тем не менее, объем рынка зависит от материалов, которые используются, а также от самого их использования. Это означает, что, несмотря на то, что рынок катализаторов значительно больше, чем рынок солнцезащитных фильтров, в денежном выражении они очень близки. В конце этого списка располагаются материалы для биораспознавания и маркировки, где очень небольшое количество может иметь очень большое значение, и, хотя продается всего несколько килограммов, цена за килограмм на много порядков выше, чем, например, для материалов для CMP. Имеется множество применений с использованием наночастиц, либо на рынке, либо в стадии разработки, в таблице 4 даны некоторые основные применения, в которых в настоящее время используются наночастицы, а также прочие, которые разрабатываются и также основаны на использовании наночастиц. Область применения и число применений наночастиц продолжает расти, компании находят все больше и больше возможностей для использования этих материалов.

Таблица 4. Выборка применений с использованием наночастиц

Что же сулит будущее наночастицам и их производителям?
Использование наночастиц будет расширяться, и рынок обладает потенциалом для бурного роста на протяжении предстоящих десяти лет по мере того, как новые применения для этих материалов будут разрабатываться и представляться на рынок.

Наиболее значительным будет влияние на рынки медицинской и фармацевтической промышленности по мере того, как будут выдаваться лицензии на новые виды лечения на основе использования наночастиц. Тем не менее, существует множество других применений, где сроки поступления на рынок значительно меньше, чем в медицинском и фармацевтическом секторе, особенно, для потребительских товаров. Как уже упоминалось выше, должно быть расширение рынка с сегодняшних 490 млн. долл. до 11 млрд. долл. в 2010 г. Но перед компаниями, занимающимися наноматериалами, стоит еще множество проблем, которые необходимо будет преодолеть, прежде чем этот потенциал будет реализован, включая:
- как производить материалы в промышленных количествах и по конкурентным ценам: для многих современных технологий трудно провести адекватное масштабирование так, чтобы осуществить снижение затрат, которое необходимо целевым рынкам;
- как поставлять материалы в форме, приемлемой для включения в производственные технологии – понимание химии поверхности и того, как можно диспергировать частицы в самых различных средах, может стать ключом к включению многих материалов;
- последовательность и надежность массового производства: допуски к размерам и составу могут быть получены с должной степенью надежности для простых компаундов, таких как бинарные оксиды и для более сложных материалов при производстве мелкосерийными партиями, но сделать это для сложных материалов при крупносерийном производстве не так легко;
- определение характеристик – сложность определения параметров материала, т.к. многие технологии приспособлены для исследовательской лаборатории, а не для производственной среды. Здесь нужны быстрые, масштабные и предпочтительно онлайновые методы мониторинга свойств, таких как распределение размера частиц;
- необходимость специализироваться на очень широком рынке предопределит выживаемость многих занимающихся наноматериалами компаний на краткосрочную перспективу по мере того, как они начнут получать доходы;
- увеличение и сохранение стоимости будут основой для долгосрочной жизнеспособности компаний по мере того, как будут увеличиваться объемы и давление по снижению цен и границ. Используемый многими подход заключается в сохранении интеллектуальной собственности для обеспечения долгосрочного притока доходов;
- здравоохранение, безопасность и окружающая среда – за последние месяцы профиль нанотехнологии расширился, с основным упором на потенциальные долгосрочные воздействия нанотехнологий и, точнее, наноматериалов, на людей и окружающую среду. Как и в случае с любой находящейся на виду технологией, будут задаваться вопросы, но многие наноматериалы служат нам уже много лет, не вызывая никакой озабоченности. Тем не менее, для успеха данной отрасли очень важно, чтобы этой озабоченности уделили внимание. Основной вопрос здесь в следующем: имеются ли какие-либо неблагоприятные воздействия в дополнение к тем, которые уже выявлены для этих материалов, возникающие только потому, что эти материалы находятся в наноформе? Также наноматериалы вряд ли будут использоваться без введения в какую-либо иную среду, такую как композит или жидкость. Исследования воздействий наноматериалов сейчас ведутся, и на данный момент трудно сделать какие-либо окончательные выводы, но имеются данные, что у этого типа материалов могут быть положительные воздействия, как на людей, так и на окружающую среду.

Наночастицы и наноматериалы представляют собой развивающуюся технологию, которая обладает потенциалом оказания воздействия на невероятно большое число отраслей и рынков. Задачей занимающихся нанотехнологиями компаний, которые хотят, чтобы этот потенциал принес свои плоды, будет обеспечение рынка материалами в нужном объеме, с нужным качеством и с нужными экономическими параметрами.

Майкл Дж. Питкети
http://www.nanotoday.com