Нанотехнологии и автоматизация

Нанотехнологии у всех на слуху. А то, что у всех на слуху, хорошо идет на рынке. Достаточно привесить ярлык: «Изготовлено с использованием нанотехнологий», и в глазах потребителей ценность продукта возрастает. Не грех этот прием и автоматизаторам на вооружение взять. «Работаем с применением нанотехнологий» – неплохим рекламным ходом может оказаться в борьбе за симпатии и кошельки клиентов. Только под этот ход какую-никакую, а материальную базу подвести надо. Чтоб утверждение не голословным было, а на фактах основанным. А что конкретно из нанотехнологий к автоматизации приклеить можно и в свою рекламу вставить? В частности, если автоматизацию зданий взять.

Автоматизация зданий – комплекс изделий программного обеспечения и технического обслуживания для автоматического управления, мониторинга и оптимизации человеческого вмешательства и администрирования с целью достичь энергетически эффективных, экономичных и безопасных операций по обслуживанию оборудования зданий. Попросту говоря, автоматизация зданий – все, что в зданиях работает без участия человека или по командам, инициируемым человеком. Нажал на кнопку – лифт поехал – автоматизация зданий. Нажал на другую – жалюзи открылись – автоматизация зданий. Вошел в комнату – свет зажегся – вершина автоматизации зданий (в глазах обывателя). Кондиционирование, вентиляция, отопление, освещение, звук, видео, безопасность – все под автоматизацию подходит. Про энергоснабжение и говорить нечего – основа основ автоматизации.

Термин «нанотехнологии» ввел в обиход в 1974 году японец Норио Танигучи, когда предложил называть нанотехнологиями те технологии, которые оперируют размерами менее одного микрона. То есть, это технологии, позволяющие воспроизводимо, по описанным процедурам вести исследования, манипуляцию и обработку вещества в диапазоне от 0,1 до 100 нанометров. Или по-другому, технологии, занимающиеся созданием наноматериалов.

Определение нанотехнологий, предложенное Танигучи, дает большой простор для спекуляций. Под эту лавочку практически все загнать можно. Чем многие и пользуются, чтобы привлечь к себе внимание на рынке.

Вот, к примеру, изобретение от компании NanoTwin Technologies из города Салем, штат Нью-Гэмпшир. По сути, очиститель воздуха, а запатентован как NanoTube (нанотруба) только потому, что труба эта покрыта слоем из кристаллов диоксида титана, размер которых составляет 40 нанометров. Во включенном состоянии труба служит источником ультрафиолетового излучения, которое заряжает кристаллы и создает мощные окислительные агенты, которые уничтожают находящиеся в воздухе микроорганизмы и загрязняющие фракции, циркулирующие вблизи от поверхности трубы. Вот и вся премудрость. Зато тем, кто воздух автоматизирует, пиариться не надо, с пеной у рта доказывая, что на гребне научно-технического прогресса работают, а не дедовскими технологиями пользуются. Труба раструбит об этом сама. Нано ж все-таки. Такой же нехитрый прием и все прочие на вооружение берут. Использует кто-то в климат-контроле порошковые фильтры – смело пишет в проспекте, что оборудование создано на основе нанотехнологий. Кто тот порошок мерить будет, какой у него диаметр?

Между тем, в нанотехнологиях важен не столько размер, сколько механика взаимодействия из этого размера проистекающая. Наночастицы – это уже не отдельные атомы и молекулы, взаимодействующие между собой по законам химии, но еще и не песчинки, взаимодействием между которыми можно практически пренебречь. Наночастицы представляют собой несколько десятков или сотен атомов или молекул, соотношение объема и площади поверхности которых таково, что механика взаимодействия между ними определяется силами Вад-дер-Ваальса, что и вызывает необычность их свойств. В частности, благодаря этим силам наночастицы могут самоупаковыться – создавать более плотную пространственную структуру, нежели те же песчинки. В результате получаются вроде бы обычные на вид материалы, но с более однородной структурой. Или вроде бы обычное на вид покрытие, но более тонкое и прочное.

Следует отметить, что по старой доброй традиции наших далеких предков пробовать все новое сначала на зуб, а потом на черепе ближнего своего, нанотехнологии привлекают особое внимание военных. Они их интересуют с нескольких точек зрения: создание и противодействие невидимости; энергетические ресурсы; самовосстанавливающиеся системы, позволяющие автоматически чинить поврежденную поверхность военной техники или изменять ее цвет; связь; устройства обнаружения химических и биологических загрязнений.

Но кое-что из арсенала военных и штатским перепасть может. Например, технику военные предполагают оснастить специальной «электромеханической краской», которая позволит менять цвет наподобие хамелеона, а также предотвратит коррозию и сможет затягивать мелкие повреждения на корпусе машины. Краска будет состоять из большого количества наномеханизмов, которые позволят выполнять все вышеперечисленные функции. Здание такой краской покрасить изнутри да снаружи – цены ему не будет.

Также с помощью системы оптических матриц, которые будут отдельными наномашинами в краске, военные хотят добиться эффекта невидимости танка или самолета. Миниатюрные камеры будут считывать изображение с одной стороны устройства, передавая его на фотоэлементы на другой стороне, формируя таким образом изображение заднего фона спереди машины. Эту систему да соседу б поставить, чтоб глаза его не видели вместе с его апартаментами, которые пейзаж и настроение портят.

Но до оптических матриц в нанокраске еще далеко. А вот высокоскоростной OLED-дисплей на основе углеродных нанотрубок уже создан.

OLED – альтернативный тип дисплеев, основанных на органических светоизлучающих диодах, которые получили широкое распространение в мобильных телефонах и цифровой фото- и видеотехнике.

Обычно в качестве электродов OLED используется тонкая пленка оксида индия. Однако OLED на оксиде индия не обладают необходимым быстродействием. Для применения в мобильных телефонах, цифровых фотоаппаратах и фоторамках быстродействие не играет столь важной роли, но для телевизора на основе традиционных индиевых электродов для показа динамичных сцен быстродействие существенно, поскольку при больших размерах OLED довольно инерционны.

Простой и эффективный способ производства OLED-пленок получается на основе подложки из углеродных однослойных нанотрубок. Пластина из нанотрубок довольно гибкая и при деформации не теряет эластичных свойств. И, что самое главное, пленка полностью прозрачна.

Стена в доме с такой пленкой может мгновенно превратиться в экран телевизора любого размера. А если еще и военные технологиям обеспечения невидимости привлечь, когда на поверхность выводится изображение, находящееся позади нее, то стены в доме можно делать «прозрачными» по желанию хозяев. Окна уйдут в прошлое.

Для нанотрубок, еще одно занятие в доме найтись может – опреснение воды. Исследователи из Политехнического института Ренсслеера разработали систему фильтрации воды с помощью нанотрубок, позволяющую практически мгновенно опреснять воду, даже морскую Основа метода – использование нанотрубочных мембран в качестве селективного элемента. Углеродные нанотрубки гидрофобны и пропустить через них воду, а тем более, создать работоспособный фильтр на их основе, в обычных условиях не получается, но подача на нанотрубку определенного низкого потенциала заставляет воду просачиваться через стенки нанотрубок. При этом процесс можно контролировать с небывалой точностью, изменяя напряжение.

Процесс работы нанофильтра прост: вода заряжается до отрицательного потенциала - 1,7 В, в то время как углеродной нанотрубке сообщается эквивалентный положительный потенциал. После этого нанотрубка «переключается» из гидрофобного режима в гидрофильный режим, пропуская через себя воду. Однако если заряжать отрицательно нанотрубку, а воду – положительно, то для протока требовался серьезный потенциал – около 90 Вольт. В основе процесса лежит электрохимическое оксидирование нанотрубки, благодаря которому она и становится гидрофильной.

По сути, готовое запорное автоматическое устройство получается с функциями фильтра. Ставь мембрану из нанотрубок в трубу, и с помощью напряжения на мембране управляй водой в системе. Заодно фильтруя воду.

Нанотехнологии не обошли стороной и такую модную тему в области автоматизации зданий, как альтернативная энергетика в доме. Американская фирма Nanosolar, располагающая рядом патентов в области наноэлектроники и солнечных элементов, создала наноматериал для солнечных батарей. Благодаря разработанным нанометодикам в производственном процессе солнечные батареи фирмы более производительны, чем остальные, основанные на кремнии, и отличаются низкой себестоимостью. Нанометодика в технологии производства солнечных элементов сводится к применению пленок медь–индий–диселенид галлия (так называемые CIGS-пленки). Этот полупроводник характеризуется на 20% большим фотоэлектрическим эффектом, чем современные солнечные элементы на кремнии. Тонкая пленка CIGS толщиной всего 1 микрометр производит столько же электричества, сколько 200–300-микронный полупроводниковый кремниевый элемент. Одно из преимуществ новой технологии производства пленок – «самосборка» жидкости, состоящей из наночастиц, которые покрывают поверхность CIGS. Благодаря этому солнечные элементы могут быть нанесены на гибкую основу. А это практически невозможно при использовании кремниевых элементов. Сама методика была разработана фирмой Sandia National Laboratories, а Nanosolar ее лицензировала».

В декабре 2007 года компания Nanosolar сообщила, что произвела первые поставки своих солнечных сверхдешевых батарей. При этом генеральный директор Nanosolar Мартин Рeшайзен заявил, что компания сможет продавать солнечные панели по цене $0,99 за ватт с получением прибыли. А солнечных панелей общей мощностью в 1 МВт хватит для снабжения электроэнергией 400 односемейных домов.

Примером пересечения нанотехнологий и освещения зданий являются светодиоды японской компании Nichia, являющейся ведущим изготовителем техники освещения на основе нанотехнологий. Их световые диоды во много раз эффективнее обычных лампочек, дни которых, судя по всему, сочтены. Борьба за экономию электроэнергии, ставящая лампы накаливания практически вне закона, и усилия зеленых, на дух не переносящих люминесцентные лампы, через несколько лет приведут к тому, что лампы повсеместно будут заменены светодиодами.

Встретились нанотехнологии и с системами видеонаблюдения. Оптические особенности наноматериалов позволили создать просветляющее покрытие для оптики, практически исключающее отражение падающего света во всем диапазоне длин волн. Такой материал позволит создать новые антибликовые покрытия, способные значительно улучшить характеристики оптических систем – особенно многоэлементных.

Ученые из политехнического института Ренслера смогли создать материал, который практически не отражает попадающий на его поверхность свет. Руководитель проекта Фред Шуберт и его коллеги взяли за основу тонкую пленку нитрида алюминия - материала, который используется в производстве LCD диодов. Далее, на пленку были размещены кремниевые наностержни под углом 45 градусов к ней. В результате материал практически не отражал света – его коэффициент преломления составлял 1,05.

Впрочем, по мнению авторов разработки, это нанопокрытие пригодится не только в оптике. Оно позволит производить более эффективные светодиоды, которые, благодаря низкому коэффициенту преломления, будут еще ярче, чем обычные. Другое потенциальное применение покрытия – в солнечных батареях, поглощающих больше света и, следовательно, более эффективных, чем существующие аналоги.

Еще более впечатляющи перспективы использования в солнечной энергетике «звездной батареи» из Дубны, созданной на основе нового вещества – гетероэлектрика, открытого учеными НЦеПИ, которая состоит из гетероэлектрического фотоэлемента с высокой эффективностью работы в видимом и инфракрасном спектре и гетероэлектрического конденсатора огромной емкости в малом объеме.

Гетероэлектрик – гетерогенная субстанция, состоящая из носителя и активного начала – наночастиц вещества, отличного от вещества носителя, при этом размеры наночастиц и расстояние между ними меньше длины волны воздействующего электромагнитного поля. Гетероэлектрик, позволяет осуществлять управление магнитным полем и его преобразование с целью создания приборов и устройств с прогнозируемыми оптическими, электрическими и магнитными свойствами. Оптическое стекло из гетероэлектрика имеет рекордные показатели преломления света, превышающие современные показатели в десятки раз.

В настоящее время слабое применение солнечной энергетики обусловлено следующими ее недостатками:
низкая эффективность преобразования света в электрический ток (не более 20%);
отсутствие возможности получения электроэнергии ночью, при облачности и с малым количеством солнечных дней в году;
отсутствие высокоэффективных и экологически безопасных источников накопления энергии (в настоящее время используются аккумуляторы).

У гетероэлектрического фотоэлемента, являющегося основным компонентом «звездной батареи», эти недостатки отсутствуют, зато имеются явные преимущества:
эффективность преобразования видимого спектра составляет – 54%, что значительно превышает существующие мировые показатели;
эффективность преобразования инфракрасного спектра – 31% , что даже выше, чем у современных солнечных батарей;
фототок гетероэлектрического фотоэлемента (ГЭФ) в 4 раза выше, чем у современных солнечных батарей.

При этом ГЭФ имеет массу полупроводникового вещества на ватт энергии в 1000 раз меньше, чем у фотоэлементов современных солнечных батарей. Полученные расчеты указывают на то, что себестоимость гетероэлектрического фотоэлемента «звездной батареи» будет ниже себестоимости фотоэлемента современной солнечной батареи.

Вошли нанотехнологии и в самое сердце автоматизации – микропроцессоры. Компания HP завершила исследования и начала создание прототипов принципиально новых чипов и плат на основе нанотехнологий. По словам представителей компании, новые чипы позволят существенно увеличить мощность компьютеров и повысить пропускную способность сетей.

Подход HP необычен тем, что в нем не предполагается уменьшение размера самих транзисторов, а именно такой подход, как правило, используют производители для повышения мощности и скорости работы электронных устройств. В последние годы данный подход уже был признан тупиковым, так как современное приборостроение приблизилось к той черте, когда дальнейшее уменьшение деталей физически невозможно.

Исследователи HP предлагают использовать микроскопические нанотрубки, расположенные в микросхемах вместо транзисторов, которые будут пронизывать всю поверхность чипа вдоль и поперек в несколько ярусов. В них будет храниться и обрабатываться компьютерная информация в виде электронных или световых импульсов.
Инженеры говорят, что чипы будут легко программироваться, что удобно производителям коммутаторов или концентраторов. При этом практически вся поверхность чипа будет рабочей, в то время как в обычных чипах лишь около 20% от общей поверхности является рабочей».

А инженеры IBM пошли еще дальше – представили полноценную электронную интегральную схему, состоящую всего лишь из одной углеродной нанотрубки и работающей на частоте 52 мГц, что эквивалентно 486 процессору, а по размерам в миллионы раз меньше – ширина нового чипа в 100000 раз меньше человеческого волоса. Таким образом, технология позволяет уменьшить на порядки существующие чипы.

Исследователи из IBM заявляют, что они преследуют цель создания гибридного подхода, который будет сочетать сегодняшнюю микроэлектронику, приспособленную под изготовление чипов на кремневых подложках, с новыми материалами, которые дают возможность существенно уменьшить транзисторы.

Смелость идеи разработчиков IBM состояла в построении сразу всей схемы на базе одной нанотрубки, а не в соединении трубок как отдельных элементов схемы, как это делалось ранее, и если до этого частота молекулярных схем измерялась килогерцами, то IBM-мовская трубка работает в тысячи раз быстрее – на частоте 52 мегагерц. Это пример создания компьютерного чипа на основе одиночных молекул, где за основу взята углеродная нанотрубка – наиболее перспективный на данный момент материал для разработки процессоров из-за своей способности проводить ток, не выделяя при этом большого количества тепла, что на сегодняшний день является главной проблемой современных микропроцессоров.

В автоматизации не меньшую роль, чем микропроцессоры играет память, и нанотехнологии не только микропроцессоры до ума доведут, но и энергонезависимую память сделают такой же быстрой, как оперативная, при умопомрачительных объемах.

В январе 2002 года ученые Каньшуй Чжен из Университета Цинхуа в Пекине и Кин Цзян из Калифорнийского университета опубликовали работу «Multiwalled Carbon Nanotubes as Gigahertz Oscillators». Исследователи установили, что группа концентрических нанотрубок, вложенная внутрь другого набора трубок, может скользить назад и вперед со скоростью порядка миллиард раз в секунду, т.е. с частотой, исчисляемой гигагерцами. Такие нанотрубки получили название «скоростных», или телескопических.

На этом явлении основана новая разработка группы ученых под руководством того же Кина Цзяна и Йона Вон Кана. Сообщается, что новый тип памяти объединяет в себе скорость RAM и при этом иметь все преимущества энергонезависимой памяти. Исследователи спроектировали накопитель на основе энергонезависимой памяти емкостью 1 терабит. Отмечается, что плотность нового типа памяти будет значительно превосходить все существующие на сегодняшний день кремниевые решения. Механизм работы памяти на нанотрубках в общих чертах можно описать следующим образом.

В нанотрубку помещают другую нанотрубку значительно меньшего диаметра. Эта внутренняя нанотрубка получила название «телескоп». Вся система помещается между двумя нейтрально заряженными электродами. При заряжении одного электрода зарядом одного знака, а «телескопа» – противоположного знака, внутренняя нанотрубка начинает притягиваться к соответственному электроду. Происходит это явление под действием сил Ван-дер-Ваальса. Особо отмечается устойчивость состояний в положении «возле электрода», которые сохраняются после окончания действия электрического поля.

Для создания электродов использовалась платина. Исследователи достигли впечатляющих результатов: переключение состояний осуществлялось всего за 10 в минус 11-й степени секунды, а стирание данных с одной ячейки памяти происходит за 10 в минус 12-й степени секунды.

Но чтобы все вышеприведенные разрозненные нанопроекты в автоматизации зданий задействовать, свежий взгляд на сам предмет нужен. И здесь пригодится опыт технологического института Иллинойса, где для более точного определения потенциала нанотехнологий в области архитектуры сотрудничают со студентами Ball State University. Будущие специалисты разрабатывают здания с использованием продуктов нанотехнологий, которые, как ожидается, появятся на рынке в течение ближайших 20 лет. В списке присутствуют панели и несущие конструкции из нанотрубок, освещение на основе квантовых точек, наносенсоры, создающие «умную» среду обитания, постоянно приспосабливающуюся к жильцам.

Впрочем, нанотехнологии настолько всеобъемлющи, что на самом деле, не знаешь, как они на автоматизации зданий в конечном итоге отразятся. Одно несомненно – нанотехнологии войдут в микропроцессоры и прочую микроэлектронику, на которой сейчас все управление автоматикой держится; нанотехнологии войдут в материалы с управляемыми свойствами, на которых автоматизация на качественно новый уровень перейдет, такой, что, может, микропроцессоры с датчиками и не потребуются, управление внутри материалов сидеть будет; нанотехнологии войдут в сами технологии автоматизации, при которых понятие «монтаж» может уйти в прошлое, функциональные элементы обретут способность к самоорганизации.