Металлопрокат на Металл Торг.Ру

English version
Проект РВС - РВС-Металлы
  РЕГИСТРАЦИЯ
  НОВОСТИ
Рынка металлов
Новости компаний
Торговой системы
  АНАЛИТИКА
Черные металлы
Цветные металлы
Драгоценные металлы
Металлолом
Сырье
Статистика
МеталлСТАТ
Индекс цен России
Мировые цены
Цены на биржах
Вопрос месяца
Публикации
  МЕТАЛЛОТОРГОВЛЯ
Металлоторговля
Каталог
Прайс-листы
Доска объявлений  <<
Classified
Подшипники
ГОСТы и стандарты
Список должников
  ПОЛЬЗОВАТЕЛЯМ
Регистрация               <<
Подписка
Вопросы FAQ
Форумы
Биржа труда
Металлургический чат
Разделы
Информеры
Выставки
Реклама
Контакты
  РЕГИСТРАЦИЯ
  ПОИСК ПО САЙТУ


Черные металлы

Новости Аналитика и цены Металлоторговля Доска объявлений Подписка Реклама


28.09.2009    Нанобред или нанометалл? (Часть I)



Зачем нам это надо?

Обратиться к очень модной теме нанотехнологий нам хотелось сравнительно давно, причем не раз и не два.

Первый заметный толчок в этом направлении дал Федеральный закон №139-ФЗ от 19 июля 2007 г. о создании госкорпорации «Российская корпорация нанотехнологий» (ГК «Роснанотех»).

Гендиректором «Роснанотеха» стал Л. Б. Меламед. Согласно его биографии, он родился в 1961 г. в Ленинграде и начал свою карьеру слесарем механосборочных работ ПО «Октябрь» - в городе Каменске-Уральском. После армейской службы всего за 4 года окончил Новосибирский электротехнический институт. Далее сделал блестящую карьеру как финансист (в многопрофильной ИФК «Алемар») и как энергетик (в «Новосибирскэнерго», «Росэнергоатоме» и РАО «ЕЭС»). При назначении Л. Б. Меламед сообщил, что ему поставлена «задача создать на основе нанотехнологий национальную инновационную модель», сравнимую с разработкой «космической или атомной программы», т. е. стать Королевым или Курчатовым. Однако в первую очередь ГК «Роснанотех» намеревалась управлять грандиозными финансовыми вливаниями, поскольку в 2007–2008 гг. из федерального бюджета в уставный фонд корпорации планировалось внести около 130 млрд руб.

За год Л. Б. Меламед с грандиозными задачами ГК «Роснанотех», видимо, не справился и был смещен по должностной лестнице на ступеньку ниже. Главой корпорации в сентябре 2008 г. стал известный российский «специалист в любой области» (экономика, энергетика и т. д.) – господин А. Б. Чубайс. А сама корпорация превратилась в «Роснано».

Другой знаковой фигурой – председателем наблюдательного совета корпорации – стал министр образования и науки А. Фурсенко, наиболее прославившийся введением Единого госэкзамена для школьников.

Мы также отметили, что в наблюдательный совет корпорации вошла и весьма известная в российской металлургии личность – тогда совладелец «Норникеля», а ныне – «Русала» – М. Д. Прохоров. Кстати, в октябре 2008 г. «Русал» тоже пообещал бизнес-инвестиции в науку, включая нанотехнологии, правда, предпочел ограничиться скромной суммой $840 тыс.

Второй повод обратить внимание на модное направление нам дала Магнитка. Руководство Магнитогорского металлургического меткомбината в начале 2008 г. приняло участие в презентации международного проекта с весьма креативным названием – «Инициатива северных стран в области квантового материаловедения» в Магнитогорском государственном технологическом университете (МГТУ). Тогда же сообщалось, что с помощью Магнитогорского меткомбината уже «работает институт квантового материаловедения в Екатеринбурге, открыт институт наносталей на базе МГТУ».

Третий толчок интереса к нано был связан с «Северсталью». В декабре 2008 г. на международном форуме по нанотехнологиям директор ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» академик РАН Игорь Горынин сообщил об успешной разработке нового вида сталей на основе нанотехнологий для газонефтедобывающей промышленности в суровых условиях Крайнего Севера и Восточной Сибири. Более того, он сообщил, что трубы из новых сталей, выпускаемых в Череповце, уже производит ОАО «Ижорские заводы» (входит в группу «Северсталь»). А глава группы «Северсталь» Алексей Мордашов, участвовавший в том же форуме, подтвердил большой интерес своей компании к нанотехнологиям.

Далее «Северсталь» сообщила, что совместно с «Прометеем» уже подала две заявки на соинвестирование проектов в «Роснанотех». Причем ряд научно-исследовательских и экспериментальных работ по развитию нанотехнологий Череповецкий меткомбинат планирует осуществлять самостоятельно.

Сейчас, в кризис, ажиотаж вокруг нанотехнологий несколько притих. Тем более что ГК «Роснано» заставили вернуть в госбюджет часть многомиллиардных финансовых средств, залежавшуюся на банковских депозитах.

Взамен 19 августа 2009 г. на совещании у премьера В. Путина «Роснано» получило добро на мощный выпуск облигаций под госгарантии. Кроме того, обещано, что государство в течение трех лет вернет в уставный капитал компании 85 млрд руб.

Зачем – с точки зрения чиновников вполне понятно. Как сообщил А. Чубайс, госкорпорация уже в нынешнем году планирует утвердить 50 нанопроектов на сумму 80 млрд руб.

Так что еще не поздно разобрать как реалии нанотехнологий, так и нашей изголодавшейся российской науки. Или чиновников под ее крышей. А именно: что могут они дать металлургии? А чего не смогут, сколько ни жди…

Откуда взялась эта наномода?

Основным двигателем современных нанотехнологий многие десятилетия являются крупнейшие мировые корпорации по производству полупроводниковых чипов для современной электроники (Intel, Samsung, TI, AMD и др.), охватывающие рынок с объемом продаж в 2008 г. более $300 млрд.

В острой конкуренции полупроводниковыми компаниями стремительно совершенствуются кремниевые процессоры, память, контроллеры и прочие микросхемы для компьютеров, сотовых телефонов, автоэлектроники, фото- и видеотехники и многих других применений. Преимущественно – за счет миниатюризации основных активных компонентов (транзисторов), что одновременно улучшает их быстродействие и энергопотребление.

Специалистам этой отрасли давно известен закон Мура, прогнозирующий удвоение числа транзисторов на единицу площади за 18 месяцев (за счет развития технологии), который неплохо выполняется почти 40 лет. Если перейти от площадей к линейным размерам, то получится красная линия (рис. 1), которая уверенно вторглась в область наноразмеров.



Инвестиции одной только корпорации Intel в науку, конструкции и технологии, а также в создание и модернизацию своих производственных мощностей составляют в последние годы по $3–8 млрд. А инвестиции прочих компаний и сопутствующих отраслей оцениваются в сумму до $60 млрд в год.

Последний завод Fab 28, открытый корпорацией Intel 1 июля 2008 г. в израильском городе Кирьят-Гат, потребовал инвестиций в $3,5 млрд. Предпоследний, открытый в октябре 2007 г. в городе Чендлере (штат Аризона, США), – в $3 млрд и т. д.

Эти передовые предприятия Intel будут выпускать по 45-нм технологии полупроводниковые микросхемы на основе нового типа транзисторов. В качестве диэлектрика затвора (вместо оксида кремния) применен материал на основе гафния толщиной около 3 нм, затвор выполняется из сплава (Ni-Si), изоляция – из нитрида кремния.

На очереди – строящиеся новые заводы и цеха Intel в Орегоне (США), Китае и Мексике, а также промышленное освоение 32-нм технологии.

Эта кропотливая и многолетняя работа настоящих специалистов по чипам и полупроводникам (читай – по нанотехнологиям) за пару десятилетий компьютеризировала весь мир, внесла заметный вклад в развитие Интернета, сотовой телефонии и многое-многое другое.

Столь заметные успехи электронной индустрии США и ряда других развитых стран не могли оставить равнодушными весьма многих людей, в частности – не слишком успешных политиков всех мастей. К явному позитиву надо непременно присоединиться, а еще лучше – возглавить этот процесс.

В 2000 г. президент США Б. Клинтон при поддержке конгресса запустил программу «Национальная нанотехнологическая инициатива» (NNI) с инвестициями в $422 млн. Дальше – больше. В 2003 г. президент США Д. Буш подписал документ о финансировании уже в размере $3,7 млрд на 4 года. А к 2008 г. общие госинвестиции США в нано достигли $9 млрд. Однако все американские специалисты отмечают, что финансовые вложения бизнеса в эту сферу были как минимум на порядок выше. Отметим от себя – и на два порядка эффективнее…

Это означает, что вмешательство властей в реальную индустрию, как обычно, никакой погоды не делает. Однако оно успешно размножает количество людей и компаний, желающих «распилить» бюджетные деньги под любым благовидным предлогом.

В нанотехнологии, а точнее – в эти инвестиции, как в США, так и в России ринулась лавина невостребованных бизнесом «специалистов», разных недоучек, а то и просто «комбинаторов от науки». Незабвенный Остап Бендер, уверены, тоже оставил бы проект «Нью-Васюки» и присоединился к нанопроекту.

Теперь по возможности попробуем познакомить читателя с некоторыми основами и отсечь явный блеф в части нанотехнологий металлов и других конструкционных материалов.

Путь по шкале наносравнений

Чтобы прояснить, с какими объектами оперируют сейчас нанотехнологии, приведем таблицу с уменьшающейся шкалой характерных размеров.



Практически все современные конструкционные материалы, в частности металлы, сплавы и композиты, разработаны без использования нанотехнологий и наноразмерных методов контроля. Для этого оказался достаточным контроль конечных, т. е. нужных, свойств материала: прочности, стойкости и т. п. Почти сто лет более глубокое и тонкое изучение структур шло по мере развития оптических микроскопов, вскоре достигнувших предельной точности около 0,3 мкм (с иммерсией в поляризованном свете).

Технология оптического изучения микроструктуры сталей и сплавов была освоена, очень широко распространена и вошла в ряд стандартов. Например – в ГОСТ 5639–82 «Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна», ГОСТ 8233–56 «Сталь. Эталоны микроструктуры» и др. Отметим, что современные оптические технологии несколько облегчают работу за счет компьютеризации обработки данных, но не решают главных проблем. Они, кстати, совсем не в недостаточном разрешении оптики, которая не позволяет проникнуть в область наноразмеров.

Сотрудники металлографических лабораторий мира быстро обнаружили общие проблемы всех видов микроскопии: сложность процесса вырезки, полировки и травления каждого из образцов (шлифов) металла. Не раз бывало, что после нескольких дней кропотливой подготовки образцов их просмотр занимал всего лишь несколько минут, чтобы убедиться: нет, не то – нужная структура стали или сплава не получилась. Но это – для анализа типовой микроструктуры. Поиски локальных отдельных дефектов (включений, трещин и т. п.) занимали порой многие сутки на каждой поверхности размером пару квадратных сантиметров. А в глубине слитка или детали такие «поиски» невозможны принципиально. Как для оптической микроскопии, так и для более современных исследований невозможно «нашинковать» без проблем на слои-образцы весь исследуемый объект. Более того – движение вниз по наношкале стремительно усложняет этот процесс.

Проникающие методы исследований металлов и соединений, например рентгеноструктурный анализ (или радиационная дефектоскопия), позволяют провести ряд оценок их внутренней структуры, однако с весьма слабым разрешением ввиду сложностей фокусировки таких излучений.

Тем не менее металлурги, металловеды и металлофизики (плавно осваивая микронные технологии контроля) за последние полтора столетия разработали и передали в промышленность весьма четкий и обширный набор сталей и сплавов. А также эффективных методов их прокатки и термообработки.

Полностью стала ясна роль углерода и других лигатур, как правило, образующих фазы сравнительно жесткого каркаса для более мягких фаз железа. Стала ясна коррозионная слабость границ зерен стали, появились составы и технологии достижения компромиссов между прочностью, жаро- и коррозионной стойкостью и другими свойствами, например магнитными. Родились технологии разнообразных покрытий стали и других металлов. Эти знания и технологии материаловедения и металлургии успешно расширились для легких (алюминий, титан) сплавов или материалов с весьма экзотическими свойствами. Например – для циркониевых сплавов высокой стойкости в условиях активной зоны ядерных реакторов и т. д. и т. п.

Без применений методов наноконтроля размер зерна (кристалла) ряда метизов вполне успешно снижен от десятков микронов до единиц нанометров (до атомарных групп), т. е. до практически аморфного состояния. К примеру, Ашинский металлургический завод с 1986 г. выпускает целую гамму таких сплавов, аморфной ленты и магнитопроводов на их основе.

Тем не менее наномода словно не замечает всех этих успехов, методик и целых направлений материаловедения.

На «Роснано» сейчас обрушился целый вал предложений по созданию нанометаллов, сплавов, покрытий и нанокомпозитов. Судя по публикациям – около 80% всех предложений для инвестиций. Еще около 10% приходится на наноматериалы и т. п. для биологии и медицины. В этом списке предложений по реальным нанотехнологиям для полупроводников и электроники (рис. 1) практически нет. По методам и приборам наноконтроля предложений в «Роснано» также нет. А ведь единственную Нобелевскую премию по физике за последние десятилетия, имеющую наиболее прямое отношение к нанотехнологиям, дали именно за нужные приборы. В 1986 г. ее получили Эрнст Руска, Герд Бинниг, Генрих Рорер за разработки электронных и туннельных микроскопов.

Проблемы и успехи лежат на поверхности

Переход к наноразмерным исследованиям и технологиям любых привычных объектов прежде всего очень быстро «раскрывает» их поверхность.



Данные таблицы 2 надо несколько пояснить. Квадратичный рост общей поверхности с уменьшением размеров частиц наноматериала очевиден. Менее известно, что все металлы (и реальные конструкционные материалы) сразу адсорбируют на поверхности мономолекулярный слой паров воды, кислорода или иных газов. Для наноразмеров частиц (в несколько атомов) эта «грязь» начинает превышать объем и массу самого исходного материала.

Подавляющее большинство металлов (кроме драгоценных) имеет достаточную химическую активность, чтобы вступить с окружающей средой в химическую реакцию. Микро- и нанопорошки железа, алюминия или кремния взаимодействуют с нормальным воздухом с возгоранием или взрывом. Даже если этот процесс притормозить, все равно рост оксидной пленки за считаные часы и дни составляет не нанометры, а десятки микрон. Фактически наночастицы металла исчезают (превращаясь в оксид) практически мгновенно. Ввиду огромных размеров поверхности и высокой химической активности работать с дисперсными металлами можно только в высоком вакууме. Причем со строжайшим его контролем.

В случае если заметную долю наночастиц и итоговых «наносвойств» технологически удалось создать внутри монолитного материала, проблема огромной поверхности (где это произошло) возникает вновь. Это проблема резко растущей трудоемкости контроля того, что там (внутри) удалось сделать.

Кубик наностали, где микролегирование всегда идет на границах нанозерен, имеет общую межкристаллитную площадь размером с футбольное поле. Проползти-исследовать такое с нормальным оптическим микроскопом – потратить всю жизнь. А с нужным (для нано) электронным микроскопом – нереально вообще. Придется где-то упростить или пропустить – а это возврат от нано- к микроразмерам, и так изученным весьма неплохо.

Реальные специалисты по нано тоже прекрасно осознают роль поверхности в современных технологиях. Более того, они именно (и прежде всего) на поверхностях и работают. У Intel, например, – на тонких сверхчистых поверхностях (в том числе - на пластинах кремния диаметром 300 мм). При этом основной проблемой таких технологий они считают чистоту химреактивов, газов и сложнейших производственных помещений.

Основное назначение более 110 тыс. кв. м производственных площадей нового завода Fab 32 – обеспечить качество основной «чистой комнаты» класса 1 (на 0,28 куб. м – не более одной частицы пыли размером 500 нм). Это в 100–1000 раз меньше, чем в самых лучших операционных, и в миллионы – чем чистый загородный воздух.

Именно эта реальная нанотехнология методами литографии, химического напыления и травления образует на поверхности кремния сотни миллионов активных компонентов, имеющих в своем составе только 9 нанослоев (проводников, изоляторов, полупроводников). Механическая или геометрическая точность изготовления и позиционирования фотомасок (для изготовления этих слоев) – также нанометры.

Тем не менее на этапе освоения сверхсовременное производство полупроводников часто имеет брак изделий, доходящий до 90–95%. Но в этом случае не исследуется обработанная поверхность. Для электронных компонентов возможен эффективный косвенный контроль (по электрическим параметрам на входе и выходе).

Подводя итог этого раздела, отметим, что все основные работающие (!) нанопродукты сделаны на поверхности. А все основные нанотехнологии, приборы и методы контроля работают там же.

Все остальное – на 99% нанобред, включая нанометаллы или наносплавы с какими-то выдающимися свойствами. Нанометаллы, где свойства структурированы до наноуровня отдельных атомов, давно выпускаются серийно. Это аморфные или монокристаллические изделия. Но применяются они весьма ограниченно, да и для их производства вполне хватает традиционных технологий…

Исключения из этого правила, естественно, возможны. Например, в химии и биологии, или опять же на поверхности. Однако об этом – в продолжении данной статьи…

Пожалуйста, оцените этот материал


        Отлично (5)
        Хорошо (4)
        Удовлетворительно (3)
        Плохо (2)
        Очень плохо (1)


Результаты голосования здесь

Внимание!!! Копирование, перепечатка или распространение иным образом материалов, размещенных в разделах "Аналитика" сайта MetalTorg.Ru, возможна только с письменного разрешения редакции ©