Применение нанотехнологий в металлургии
Для стабилизации рентабельности в условиях кризиса большинство меткомпаний сокращают производственные программы, оптимизируют производительность труда, в том числе за счет сокращения кадрового состава. И только передовики производства, нацеленные на перспективы отрасли, продолжают инвестировать средства в исследования принципиально новых методов оптимизации издержек — нанотехнологии.
Металлургическая отрасль производит в основном конструкционные материалы, поэтому от использования нанотехнологий в этом сегменте, по крайней мере в ближайшее время, не стоит ожидать таких невероятных чудес, как появление способных к самопроизводству наносистем-репликаторов, нанопреобразователей энергии или наномедицинских роботов-манипуляторов. Тем не менее отраслевые компании продолжают активно инвестировать в наноматериаловедение, которое позволит в перспективе значительно улучшить потребительские свойства металлургической продукции. Среди российских компаний наибольшую активность в финансировании нанотехнологий в металлургии и материаловедении проявляют "Северсталь" и "Русал". Один из крупнейших инвесторов в отраслевые нанотехнологии — мировой лидер ArcelorMittal — пока в основном сотрудничает с иностранными научными учреждения, но недавно компания Лакшми Миттала заключила соглашение о проведении исследований и с Московским институтом стали и сплавов (МИСиС). Работы в этом сегменте финансирует и государство в лице Федерального агентства по науке и инновациям через федеральные целевые программы, а также Российского фонда фундаментальных исследований. Правда, начальник управления науки МИСиСа Сергей Салихов отмечает, что в силу специфики отрасли найти нанотехнологиям применение в металлургии непросто. Поэтому каждая новая идея в этом сегменте на вес золота.
По данным агентства Lux Research Inc. исследованиях в области нанотехнологий в металлургии, проводятся многими иностранными концернами. К примеру, шведская компания Sandvik разрабатывает наноструктурированную сталь Nanoflex для производства пуленепробиваемых жилетов и Bioline для медицинских инструментов. Американская ExxonMobil использует наноструктурированную сталь в производстве трубопроводов. А General Electric занимается созданием наноструктурированных металлических сплавов для авиадвигателей.
Причины исследования и развития нанотехнологий. Ими может быть дальнейшее развитие авиастроения, автомобилестроения, энергетической и транспортных областей без разработки новых конструкционных и теплоизоляционных материалов и совершенствования механических конструкций просто невозможно. Специалисты "Северстали" соглашаются с учеными, что сейчас резервы повышения механических характеристик сталей различных структурных классов при помощи использования дорогостоящих легирующих элементов практически исчерпаны. Поэтому нанотехнологии считаются наиболее перспективным направлением для создания новых видов продукции с уникальными потребительскими свойствами.
Отличие наноматериалов от материалов традиционных. Наноотличия состоят в том, что происходит появление новых свойств, которые материалы в обычном, не наноструктурном состоянии не проявляют. В фундаментальных свойствах наноматериалов происходят резкие изменения из-за того, что в веществе меняется соотношение поверхностных и объемных атомов — обладающих повышенным запасом энергии поверхностных атомов становится больше. Примером самых распространенных наноматериалов являются материалы на основе углерода — фуллерены (многоатомные молекулы углерода) и нанотрубки (напоминающие трубки структуры с атомами углерода в узлах). Наноструктурированные материалы обладают уникальными механическими, физическими и химическими качествами. У наноструктурированных материалов резко возрастают такие механические свойства, как прочность, ударная вязкость, твердость, износостойкость, низкотемпературная сверхпластичность. Из таких веществ изготавливаются компьютерные запоминающие устройства, солнечные элементы, пожаробезопасные и прочные теплоизоляционные материалы, материалы для энергосбережения, повышения эффективности сжигания топлива и емкости аккумуляторов.
Одна из интересных научных разработок в области нанотехнологий с участием российских ученых, представитель РОСНАНО называет методику интенсивной пластической деформации металлов для получения наноструктурированных заготовок, которые, в частности, разрабатывает группа уфимских ученых под руководством члена-корреспондента Академии наук Руслана Валиева. Металл приобретает структуру с размером частиц в несколько сотен нанометров в результате сильных механических воздействий. Большое будущее специалисты прочат аморфным сталям (неупорядоченным на атомарном уровне системам) и композитам на их основе. Российские ученые активно изучают процессы производства металлических стекол, например, в ГНЦ ЦНИИчермет. Среди разрабатываемых приемов получения новых композитов следует упомянуть целенаправленное внесение наночастиц-модификаторов (например, фуллеренов, углеродных нанотрубок, тугоплавких оксидов) в металлический расплав до начала кристаллизации основной массы металла. Еще одно перспективное направление исследований — получение легких материалов высокой прочности, позволяющих увеличивать полезные нагрузки на транспорте и экономию топлива.