Чтение онлайн

• анодного окисления (алюминия) с последующим покрытием специальными веществами;

• придания формы и создания микрорельефа гравировкой;

• покрытия поверхности слоем металлических кластеров, комплексами «поверхностно-активное вещество – полимер» или трехбочных сополимеров, самоорганизующихся в наноструктуры;

• нанесения дисперсией наночастиц с морфологией, не образующей агломератов.

Последняя технология является наиболее многообещающей, так как позволяет образовывать большое число частиц при минимуме затрат. Для формирования таких наночастиц подходят полимеры, сажа, пирогенные кремниевые кислоты, оксиды железа и диоксид титана.

Одна из основных проблем, которую еще предстоит решить, заключается в том, чтобы сформированные поверхности или нанесенные частицы, обладающие новым распределением по размеру и новой структурой, оказались стабильными по отношению к старению и факторам воздействия окружающей среды. Например, ультрафиолетовое излучение может инициировать окисление покрытия, что приводит к гидрофилизации поверхности за счет образования кислородсодержащих групп.

Немецкая фирма Duales System Deutschland AG одной из первых представила на проходившей в Ганновере Всемирной выставке «ЭКСПО-2000» новую краску для автомобилей, обладающую самоочищающимся эффектом. Для очистки поверхности сильно загрязненную машину достаточно полить водой.

Более того, в настоящее время имеются разработки на основе нанотехнологий, позволяющие вообще обходиться без воды. На загрязненные поверхности автомобиля из баллона распыляется специальный состав, которой затем растирается салфеткой или полотенцем. В результате не только удаляются образовавшиеся загрязнения, но и осуществляется нанесение защитного самоочищающегося покрытия, остающегося на поверхности более полугода.

Установлено, что любую поверхность можно изменять от су-пергидрофобных до супергидрофильных свойств с помощью розеткообразных частиц пентоксида ванадия (V2O5), которые легко нанести с помощью струйного принтера (или ввести в основу полироли), и последующего облучения ультрафиолетом. При этом гидрофобные свойства вызываются межслойными воздушными полостями размером 2,1 нм. Ультрафиолет обеспечивает создание пар «электрон – вакансия», в которых в кристаллической решетке «дырки» реагируют с кислородом, образуя на поверхности кислородные вакансии, а электроны восстанавливают V5+ до V3+. В свою очередь кислородные вакансии закрываются (поглощаются) водой, делая ее гидрофильной. При длительном нахождении частиц в темноте происходит утрата ими своих гидрофильных свойств за счет замещения воды кислородом.

С 2003 года легковые автомобили Mercedes-Benz серий E, S, CL, SL и SLK покрыты прозрачным лаком с наноразмерными (около 20 нм) керамическими частицами, созданными на основе нанотехнологий, которые в процессе высушивания в лакокрасочном цехе отвердевают, образуя на поверхности лакового покрытия чрезвычайно плотную сетчатую структуру.

Если обычный лак представляет собой длинные молекулярные цепочки связующего вещества с большими расстояниями между перекрестно-сшивающими агентами (рис. 70, слева), то структура нанолака представляет собой разветвленную сеть перекрестных межмолекулярных связей в сочетании с керамическими наночастицами (рис. 70, справа). Благодаря этому в три раза повышается прочность (износостойкость) лака и обеспечивается более интенсивный и долговечный блеск покрытия. Автомобили Mercedes-Benz с лакокрасочным покрытием на основе нанотехнологии отмечены наградой на специализированной выставке Automechanika как «самые легкомоющиеся автомобили 2004 года».

Рис. 70. Длинные молекулярные цепочки связующего вещества и большие расстояния между перекрестно-сшивающими агентами (слева)

Структура износостойкого слоя лака: разветвленная сеть перекрестных межмолекулярных связей в сочетании с керамическими наночастицами (справа).

В настоящее время в области разработки и применения соответствующей нанотехнологической продукции для автомобильной промышленности основная конкуренция развернулась между американскими компаниями PPG, Dupont и Nanovere, а также немецким концерном BASF .

В 2002 году американская компания PPG Industries Inc. представила на автомобильном рынке первое высокоустойчивое керамическое самоочищающееся покрытие – CeramiClear® Clearcoat.

Для самоочистки поверхности фирма использует диоксид титана (TiO2). Его свойства таковы, что покрытие из данного вещества не только окисляет и расщепляет грязь, но и нейтрализует различные запахи и убивает микроорганизмы.

На практике это приводит к тому, что износоустойчивость лакового покрытия возрастает – оказалось, что покрытые лаком нового типа машины сохраняют блеск на 40 % дольше, чем окрашенные обычной краской. Такому заключению предшествовали четыре года экспериментов и 150 окрашенных новой краской «тестовых» автомобилей. В сушильной камере при температуре 140 °C молекулярные цепи «нанолака» вытягиваются, а покрытие становится прочнее «традиционного» в несколько раз. Для повреждения «нанопокрытия» потребовалось усилие 20 мН, тогда как обычное деформировалось уже при 7 мН.

Другое направление использования нанотехнологий в автомобильном машиностроении – исключение экологически вредных красок, содержащих различные растворители, которые выбрасываются в атмосферу во время процесса сушки. Для решения этих проблем вместо традиционных жидких покрытий на водной основе используются порошковые покрытия, которые становятся все более распространенными, поскольку не содержат летучих органических соединений.

Как уверяют в компании DuPont, еще в начале 1990-х годов с активным привлечением последних «нанодостижений» они разработали принципиально новый экологически чистый порошковый материал на водной основе для покраски автомобилей. По словам разработчика, высыхание слоя такой краски при воздействии на него УФ-излучения не превышает десяти секунд.

Аналогичные исследования проводятся и другими конкурирующими фирмами. В 2006 году PPG создала собственный порошковый материал Clearcoat с характеристиками стойкости практически на уровне верхних значений для жидких красителей. С тех пор аналогичные покрытия быстро становятся стандартом в автомобильной промышленности.

В настоящее время компания PPG работает над самовосстанавливающимся лакокрасочным нанопокрытием, позволяющим осуществлять саморемонт царапин и мелких потертостей (матовых поверхностей), возникающих при повседневной эксплуатации автомобиля, за счет его тепловой активации (УФ-излучения).

Американская компания Nanovere также разработала одновременно устойчивую к царапинам и самоочищающуюся краску под названием Zyvere 2K Nanocoating, которая уже была испытана на переднем бампере автомобиля Cadillac CTS-V. При испытаниях автомобиль на некоторых участках трека разгонялся до 320 км/час, но загрязнений или появления царапин на бампере не наблюдалось.

Новое нанопокрытие из наночастиц диоксида кремния (SiO2) для кузовов автомобиля (может также применяться для окраски колесных дисков, самолетов или кораблей), как уверяют разработчики, на 53 % устойчивее к появлению царапин, а за счет самоочистки («эффекта лотоса») – на 60 % к образованию на нем различного рода загрязнений (грязь, пыль, масло, вода и лед).

Еще одно направление применения нанотехнологий – разработка, представленная нанотехнологами компании Nissan . Они придумали так называемое «парамагнитное» покрытие, представляющее собой уникальный полимер из частиц оксида железа.

Под воздействием электрического тока эти частицы меняют способность отражать свет, таким образом, меняется цвет автомобиля.

Цветовая гамма зависит от плотности частиц оксида железа и силы прилагаемого тока (подаваемого на них напряжения). Изменить цвет машины можно одним нажатием кнопки в любое время, в зависимости от настроения, погоды или времени суток. Например, в ночное время цвет автомобиля можно оставить белым, в снегопад или при интенсивном движении – красным, а при плохом настроении – темно-серым и т. д. Однако при выключенном зажигании окраска машины моментально примет свой исходный цвет – белый, что создаст определенные сложности по ее идентификации как самими владельцами (например, на парковке), так и службами автоинспекции. Предполагается, что «хамелеоны» от Nissan должны появиться в продаже уже в 2010 году.

При необходимости «нанопокрытие» сможет также заблокировать проникновение радиосигналов заданных частот в салон автомобиля для защиты от прослушивания со стороны каких-либо спецслужб или конкурентов.

В процессе эксплуатации автомобиля поверхность лакокрасочного покрытия неизбежно окисляется и повреждается, покрываясь царапинами, микротрещинами, сколами, рисками и т. д. Это результат механических повреждений, воздействий агрессивных веществ, солнечного излучения и перепадов температур.

Сохранить лакокрасочное покрытие кузова позволяют полироли и различные средства защиты. Наноструктурированные поверхности изменят существующий подход к очистке и уходу. Особое место среди них занимают современные разработки в области нанотехнологий, например нанополироли для лакокрасочного покрытия и остекления автомобиля, в том числе реализующие «эффект лотоса».

Интересные возможности открываются при сочетании чистящих средств и наноструктур. О некоторых препаратах автохимии, реализующих «эффект лотоса» и применяющихся для повышений качества лакокрасочного покрытия автомобиля, будет рассказано ниже.

Автомобильная нанополироль, реализующая «эффект лотоса», – это, как правило, двухкомпонентный препарат автохимии, состоящий из подготовительной жидкости (растворителя) и собственно полироли, представляющий собой смесь частиц наноматериала (алмаз, оксиды титана, кремния, вольфрама и т. д.) в специальной среде из растворителей и наполнителей. Предназначена она для оптической маскировки локальных потертостей и царапин, восстановления первоначального цвета и свойств лакокрасочного покрытия или остекления автомобиля, а также придания им самоочищающихся свойств.

В 2008 году японскими учеными была создана специальная полироль, полностью состоящая из жидкой неорганической стеклянной структуры, которая не только защищает автомобиль от царапин во время мойки, но и восстанавливает и сохраняет яркость и насыщенность цвета кузова. На поверхности кузова полироль образует защитную стеклоподобную пленку, которая надежно выдерживает действие различных кислот, грязи и обладает водоотталкивающими свойствами («эффектом лотоса»).

Выпускаются нанопрепараты двух видов для остекления автомобилей: специальные защитные водоотталкивающие пленки и двухкомпонентные полироли, состоящие из эффективных растворителей и собственно нанопрепарата.

На рис. 71 представлен механизм «самоочищения» стекла 4 автомобиля, обработанного специальными нанополиролями 1. Поверхность модифицирована таким образом, что капля воды 2 катится по ней, собирая грязь 3, тогда как на гладкой поверхности, наоборот, капля воды, сползая, оставляет грязь на месте.

Гидрофобное покрытие для остекления автомобиля в виде пленок уже используется в автомобильной промышленности при производстве серийных машин – оно наносилось на боковые стекла Nissan Terrano II. Подобное покрытие, хотя не создавало полноценного водоотталкивающего эффекта, но заметно уменьшало пятно контакта поверхности с каплями воды, благодаря чему во время дождя стекло оставалось достаточно прозрачным.

Рис. 71. Схема реализации «лотос-эффекта»: 1 – нанопокрытие; 2 – капля жидкости (воды); 3 – загрязнение; 4 – поверхность (стекло, краска, керамика и т. д.)

После такой обработки вода, снег и грязь не удерживаются на поверхности стекла, а уносятся встречным потоком воздуха, а попавшие на стекло битум, растительные смолы, масляная пленка, прилипшие насекомые и т. д. легко удаляются дворниками даже в самых тяжелых случаях. Ночная видимость становится существенно лучше, а встречный транспорт ослепляет гораздо меньше. В результате водоотталкивающего эффекта и более прозрачного стекла повышается активная безопасность на дороге. Одновременно снижаются расходы на новые стеклоочистители, так как они почти в два раза реже выполняют свои функции.

В настоящее время ведущими автохимическими концернами мира разрабатываются и выпускаются новые нанопрепараты автокосметики с использованием явления «лотос-эффекта», например «антидождь – нанозащита стекла» и «антигрязь – нанозащита шин».

В таблице 15 представлены некоторые препараты безразборного сервиса автомобиля на основе наноматериалов, имеющиеся в настоящее время в открытой продаже.

Таблица 15. Препараты безразборного сервиса автомобиля на основе наноматериалов

Будучи премьер-министром, М. Е. Фрадков на одном из заседаний правительства как-то заявил, что о нанотехнологиях «половина сидящих в этом зале ничего не знает». По его словам, хотелось бы, чтобы над нанопроектами в России работали в таком же режиме, как над атомным проектом при Сталине. Потому как нанотехнологии в настоящее время – примерно то же, что атомная бомба полвека назад.

Пожалуй, самым первым фактом применения нанотехнологий в военных целях следует считать факт, открытый учеными Дрезденского технического университета (Германия) при исследовании образца дамасской стали (известной своей высочайшей прочностью), из которой в XVI веке была изготовлена сабля, хранящаяся в Историческом музее г. Берна (Швейцария). После травления поверхности образца металла в соляной кислоте исследователи обнаружили нитеобразные объекты нанометровых поперечных размеров (рис. 72, а).

При детальном изучении поверхности с использованием сканирующего туннельного микроскопа оказалось, что это многослойные углеродные нанотрубки, к тому же заполненные внутри цементитом – карбидом железа (Fe3C), обладающим очень высокой твердостью. Расстояние между слоями в исследуемых нанотрубках оказалось близким к типичному для таких систем – 0,34 нм.

Поскольку нанотрубки обладают рекордной прочностью на растяжение (модуль упругости приблизительно равен 1012 ТПа), не приходится удивляться тому, что входящие в состав дамасской стали углеродные нанотрубки обеспечивают материалу сабли столь высокие прочностные свойства. Достойна восхищения изобретательность средневековых кузнецов, которые, не имея представления ни о структуре, ни о способах получения нанотрубок, сумели эмпирическим путем создать конструкционный материал, отличающийся исключительными механическими характеристиками, а из него выковать непревзойденное по прочности холодное оружие. Истории известны случаи, когда воин, вооруженный таким оружием, мог с легкостью перерубить саблю противника.

Рис. 72. Наноструктура дамасской стали (а) и конструкционного материала ApNano (б)

На одной из первых ежегодных Форсайтовских конференций, проводимых с 1989 года, по инициативе Э. Дрекслера было принято обращение к ученым и правительствам всего мира не производить наноразработки в военных целях. Однако необходимость получения средств на научные исследования привела к развитию нанопрограмм для средств вооружения, а также изделий двойного назначения, главным образом в США. Некоторые такие разработки уже находятся на вооружении армии этой страны и других стран НАТО, Израиля и сил самообороны Японии.

В настоящее время военные исследования в области нанотехнологий ведутся по шести основным направлениям: энергетические ресурсы и боеприпасы, обеспечение и противодействие невидимости объектов, защитные и самовосстанавливающиеся системы, позволяющие автоматически ремонтировать поврежденную поверхность танка или самолета или менять ее цвет («эффект хамелеона»), системы связи, а также устройства обнаружения химических и биологических загрязнений.

Если говорить о современном применении нанотехнологий в военных целях, то оно фактически было запущено, когда начались работы по созданию атомного оружия. Когда ученые смогли перешагнуть порог наноизмерений и устремились вглубь атомов, им открылись великие непознанные свойства материи, приведшие в конце концов к созданию не только ядерного оружия, но и атомной энергетики.

Работы в этом направлении продолжаются. Создаются не только новые виды вооружения и боезапасов, но и различные сопутствующие технологии, например средства защиты (бронежилеты, плащи-невидимки и т. д.), различного рода наносенсоры и другие электронные устройства.

Так, по сообщению заместителя начальника Генерального штаба ВС РФ А. С. Рукшина средствам массовой информации, в сентябре 2007 года испытана новейшая объемно-детонирующая авиационная бомба ОДАБ-9000, разработанная на принципах нанотехнологий, мощность которой, согласно утверждениям военных, может сравниться только с ядерными боевыми зарядами.

«Результаты испытаний созданного авиационного боеприпаса показали, что он по своей эффективности и возможностям соизмерим с ядерным боеприпасом. Основные разрушения производит сверхзвуковая воздушная ударная волна и невероятно высокая температура. Все живое просто испаряется. Почва после взрыва больше похожа на лунный грунт, но нет ни химического, ни радиоактивного загрязнения. Эта разработка обеспечит нам возможность дать реализацию безопасности государства и в то же время противостоять международному терроризму в любой обстановке и в любом регионе», – заявил А. Рукшин ведущим каналам российского телевидения.

До этого времени самой мощной неядерной бомбой считалась американская Massive Ordnance Air Blast («Бомба воздушного площадного взрыва»), или GBU-43/B МОАВ по американской официальной квалификации. По другой, неофициальной маркировке, аббревиатуру MOAB расшифровывают как – Mother Of All Bombs («Мать всех бомб»).

Отечественными военными было отмечено, что конструкторы новой бомбы назвали свое десятитонное изобретение «Папой всех бомб» – в противовес американскому вакуумному боеприпасу.

Сотрудник Научно-исследовательского института российского министерства обороны Юрий Балыко сказал, что взрывчатое вещество, использованное в новой бомбе, имеет более высокую разрушительную силу, чем тротил, и что этого удалось достичь вследствие применения нанотехнологий.

«Это позволило снизить требования к точности, отсюда удешевление – качество, которое необходимо в современных условиях», – заявил Ю. Балыко.

По данным журналистов, российская бомба в четыре раза мощнее американского аналога. При этом температура в центре разрыва в два раза выше. Площадь поражения также в два раза шире – 300 м против 150 м.

Приблизительно в 1960 году американскими военными конструкторами было установлено, что уже через 125 мс после подрыва боеприпаса, содержащего 10 галлонов (примерно 32–33 л) окиси этилена, образуется облако топливовоздушной смеси радиусом 7,5–8,5 м и высотой до 3 м. Одновременное воспламенение облака несколькими детонаторами создает ударную волну, имеющую избыточное давление 2 100 000 Па, что эквивалентно взрыву 200–250 кг тротила. Даже на расстоянии 25–40 м от эпицентра взрыва давление в ударной волне достаточно для разрушения самолета или вертолета на стоянке.

Впервые аналогичные бомбы (тогда их называли «топливными» или «бензиновыми») применялись армейской авиацией США еще в годы войны в Корее в 1950–1953 годах. Сейчас их иногда называют «вакуумными» бомбами (наверное, из-за того, что в эпицентре взрыва кислород выжигается практически полностью).

Военными были испытаны и признаны годными для применения в бомбах объемного взрыва взрывчатые вещества, содержащие окись этилена, окись пропилена, метан, пропилнитрат и состав МАРР (смесь метила, ацетилена, пропадиена и пропана).

Американцы широко использовали вакуумные бомбы во Вьетнаме летом 1969 года во время американо-вьетнамской войны для расчистки джунглей. Использование вертолетов для подвоза материальных средств, а также эвакуации раненых и вообще личного состава в условиях джунглей часто было невозможно из-за отсутствия открытых площадок, пригодных для их посадки. Расчистка джунглей для посадки одного вертолета требовала непрерывной и интенсивной работы целого инженерного взвода в течение суток, что практически приводило их к гибели.

Эффект от применения новой бомбы превзошел все ожидания. Американский многоцелевой вертолет типа UH-1 Iroquois (производства фирмы Bell Helicopter Textron, более известный как «Хьюи», Huey) мог прямо в кабине свободно нести 2–3 таких боезапаса. Взрыв одной бомбы даже в самых непроходимых джунглях создавал открытую площадку диаметром 30–40 м, пригодную для посадки вертолета.

Несмотря на международные запреты, американская армия использовала термобарическую бомбу, основанную на аналогичных принципах, против движения Талибан и «Аль-Каиды» в горах на востоке Афганистана для разрушения пещер и подземных убежищ, в которых мог скрываться Усама Бен Ладен.

В период ливанской войны 6 августа 1982 года израильский самолет сбросил вакуумную бомбу американского производства в Ливане на восьмиэтажный жилой дом. Взрыв произошел в непосредственной близости от здания на высоте второго этажа. В результате здание было полностью разрушено. В самом здании и в находившихся поблизости от места взрыва укрытиях погибли около 300 человек.

Разработанная американцами «Мама всех бомб» при длине в 10 м и диаметре 1 м производит угнетающее впечатление. Из общей массы в 9,5 т около 8,5 т приходится на мощную взрывчатку на основе алюминиевого порошка типа H6 австралийского производства (по мощности в 1,3 раза превышает тротил).

MOAB разрабатывалась взамен знаменитой BLU-82 Daisy Сийег и впервые была испытана в марте 2003 года на полигоне во Флориде.

Как уже отмечалось, радиус ее гарантированного поражения – около 150 м, но частичные разрушения отмечаются и на расстоянии более 1,5 км от эпицентра взрыва. GBU-43/B не является высокоточным оружием, но наводится она все же с помощью GPS. При этом используются решетчатые рули, широко применяемые в аналогичных российских боеприпасах.

Боевое применение подобных авиабомб наиболее целесообразно при расчистке больших территорий от лесных насаждений (джунглей или тайги), а также как эффективное противопехотное или противотанковое средство.

По данным электронных средств массовой информации, в августе 1999 года, во время агрессии чеченских боевиков против Дагестана, на дагестанский аул Тандо, где скопилось значительное число захватчиков, российским штурмовиком «Су-25» была сброшена крупнокалиберная бомба объемного взрыва. Боевики понесли огромные потери. Этот удар имел значительное психологическое действие. В дальнейшем одно лишь появление штурмовика «Су-25» над каким-либо захваченным селением заставляло боевиков спешно покидать населенный пункт – срабатывал так называемый эффект Тандо.

Рассматривая возможные разрушительные последствия взрыва вакуумной бомбы большой мощности, можно вспомнить одну из версий Тунгусской катастрофы. Гигантский взрыв произошел 30 июня 1908 года в районе Подкаменной Тунгуски в Сибири. По одной из версий, он мог быть результатом воспламенения от молнии или пролетавшего метеорита скопившегося над тайгой значительного количества метана или другого газа, которого в этих местах предостаточно. Взрыв уничтожил тайгу на площади 2150 км, привел к регистрации толчков, аналогичных землетрясению, сейсмическими станциями в Иркутске и германском городе Киль, а также образованию взрывной волны, дважды обошедшей земной шар.

В течение первых нескольких суток после взрыва от Бордо (Франция) до Ташкента (Узбекистан) и от берегов Атлантики до Красноярска (Россия) отмечались необычные атмосферные явления – ночное свечение неба, яркие серебристые облака, гало и венцы вокруг солнца. В этот день в далекой Антарктиде участники английской антарктической экспедиции наблюдали необычное по форме и мощности полярное сияние.

Ученые по сей день спорят о возможных причинах этих явлений, но последствия были сравнимы со взрывом атомной бомбы. Если не вдаваться в научные тонкости вопроса, то аналогии налицо.

Разработанная технология объявлена военной тайной, но так как ее сравнивают с американской ОДАБ GBU-43/B MOAB, следует подробно рассмотреть, в чем же заключается принцип действия подобных бомб и какое отношение к нему могут иметь нанотехнологии.

Если вакуумная бомба давно известна, какой вклад внесли нанотехнологии в ее совершенствование? Ответ оказывается достаточно простым.

Известные отечественные ученые-химики заявляют, что современные технологии изготовления алюминиевого порошка (пудры) для вакуумных бомб обеспечивают дисперсность частиц размером до 100 нанометров. Дескать, вот и вся нанотехнология.

Естественно, чем меньше размер частиц распыляемого вещества, тем выше их проникающая способность, больше площадь распыления, а следовательно и площадь поражения. При этом, чем меньше дисперсность частиц, тем более полно они сгорают, обеспечивая выделение максимальной энергии сгорания при меньшей массе всего заряда, что имеет немаловажное значение для транспортировки бомбы к месту применения.

При этом указывается, что ни одна химическая реакция не может сравняться с ядерной (разница примерно в 10 миллионов раз), называя данную разработку очередным проявлением «нанопурги» от отечественных военных структур.

Другим направлением исследований, как уже отмечалось, является создание различного рода защитных средств. Так, израильская компания ApNano Materials недавно испытала один из наиболее стойких к удару материалов, известных человечеству (рис. 76, б). Образец конструкционного материала ApNano, разработанный на основе дисульфида вольфрама, подвергался ударам, которые производились стальным снарядом, выпущенным со скоростью до 1,5 км/с. Исследуемый материал выдержал удар с воздействиями до 250 т/см2, а также статическую нагрузку 350 т/см2, что соответствует приблизительно нагрузке, развиваемой четырьмя дизельными локомотивами на область размером с человеческий ноготь.

Руководитель ApNano Materials, доктор Менахем Генут (Menachem Genut), заявил, что компания готова выпускать до 200 кг материала ежедневно и в перспективе сможет перейти к производству в количестве, достаточном для нужд всей израильской армии. Такой материал может понадобиться для изготовления шлемов и бронежилетов, а также обшивки военного транспорта.

Класс подобных материалов назван «неорганической фуллереноподобной наноструктурой» (inorganic fullerene-like nanostructures, IF). В настоящее время компания переходит к исследованию аналогичных образцов на основе дисульфида титана, которые, как ожидается, могут быть еще более прочными, чем на основе вольфрама, при массе, меньшей в четыре раза.

В армейской научно-исследовательской лаборатории США (U.S. Army Research Laboratory) создали новую нательную броню для солдат на основе самосгущающейся жидкости (Shear Thickening Fluid, STF). STF имеет достаточно сложный состав, однако сам принцип работы достаточно прост. В жидкости, которую разработчики называют «полиэтиленгликоль», расположена взвесь наноразмерных частиц, которые образуют с полиэтиленгликолем суспензию, обладающую рядом уникальных физических свойств, в частности она сгущается при сильном механическом воздействии. Когда материал погружают в STF, кремниевые наночастицы поглощаются волокнами ткани. В обычном режиме ткань сохраняет гибкость, но когда материал встречается с внезапным напряжением, вроде попадания пули, частицы нанокремния автоматически создают дополнительное сопротивление. При сдвиговом течении коллоидных суспензий (в данном случае – STF) в условиях увеличения скорости сдвига возможно резкое увеличение вязкости суспензии, что может стимулировать кардинальные изменения в ее микроструктуре за счет агрегирования частиц. При ударной нагрузке на полимерную наносистему происходит диссипация энергии удара, которая расходуется на образование гидрокластеров, препятствующих разрыву пленки полимерной наносистемы (рис. 73).

Рис. 73. Механизм образования гидрокластеров в полимерной наносистеме STF (Shear Thickening Fluid): 1 – равновесное состояние; 2 – невысокая деформация; 3 – ударное воздействие

На 11-й Международной выставке средств обеспечения безопасности государства «Интерполитех-2007» Научно-исследовательский институт стали (Москва) и Институт прикладных нанотехнологий (Зеленоград) продемонстрировали первые опытные отечественные образцы «жидкой» брони, которая в перспективе может применяться для бронежилетов и других средств индивидуальной защиты.

Создание «жидкой» брони заключается в обработке обычной баллистической ткани гелевой композицией на основе фторполимерной композиции (химических соединений) с наночастицами оксида алюминия. Обработанная ткань внешне не отличается от аналога, но при ударном воздействии на нее пули или осколка находящийся внутри гель мгновенно затвердевает, препятствуя разрушению ткани и снижая поражающее воздействие.

Российскими специалистами исследовалась эффективность защитных свойств опытного образца ткани из «жидкой» брони и стандартного образца, изготовленного из 18 слоев баллистической ткани. Испытания проводились методом метания в них шариков массой 1,04 г и диаметром 6,3 мм (аналог пули) со скоростью 526 м/с. В результате испытаний было установлено, что «жидкая» броня обеспечивает лучшие защитные свойства, выдерживая нагрузку от шариков, летящих со скоростями до 558 м/с.

Проведенные исследования указывают, что имеющие место многочисленные западные публикации о разработках «жидкой» брони в Великобритании и США на основе материалов с прослойкой (или пропиткой) из наночастиц имеют под собой реальную основу.

С учетом относительной простоты изготовления и малого веса таких материалов, они уже сейчас вполне пригодны для применения в качестве средств защиты полицейских и некоторых других должностных лиц. В настоящее время в России и за рубежом ведутся исследования с целью обеспечения эффективности «жидкой» брони для защиты военнослужащих от современного стрелкового оружия и осколков большинства взрывных устройств.

Такое поведение суспензии может быть использовано и в амортизационных устройствах различных конструкций, где возможно ограничение максимальной скорости потока суспензии за счет нелинейного изменения вязкости.

Возможность практической реализации рассмотренных принципов «жидкой» наноброни также вызывает неоднозначные, точнее, негативные отзывы отечественных ученых-химиков, предлагающих удостоить разработчиков к «позорной» Шнобелевской премии (присуждаемой за сомнительные достижения, которые невозможно воспроизвести или же нет смысла этого делать) по химии! В то же время, как мне стало известно из заслуживающих доверия источников, такие исследования в России и за рубежом интенсивно продолжаются, а полученные результаты вселяют надежду в эффективность будущих результатов.

Как отмечается, бронежилеты из такого материала способны достаточно эффективно защитить человека от удара ножом, некоторых осколочных боеприпасов и пуль, выпущенных из огнестрельного оружия.

Другим изобретением, которое может быть в перспективе использовано для военных целей, является разработка так называемого плаща-невидимки. Как видим, некоторые фантастические сюжеты русских народных сказок о шапках-невидимках и коврах-самолетах начинают сбываться.

В таких исследованиях заинтересованы различные спецслужбы и армейские круги, которые и финансируют данные разработки.

Основная задача, стоящая перед разработчиками данного маскирующего устройства, заключается в том, чтобы сделать объект невидимым за счет выполнения двух необходимых требований: свет не должен отражаться от объекта и должен полностью обходить его. При этом необходимо, чтобы наблюдатель видел только задний фон, а не сам предмет, замаскированный устройством-невидимкой.

По данным интернет-ресурса Physorg.com, ученые и инженеры из центра нанотехнологий Бирка (Birck Nanotechnology Center) при университете Пердью, опираясь на теоретические расчеты, выполненные в 2006 году британскими физиками, создали виртуальную модель, состоящую из множества наноигл, торчащих наружу из центральной спицы, которая напоминает круглую массажную щетку. За счет отклонения кончиками игл видимого света объекты позади щетки становятся видны, но сам предмет, окруженный цилиндрическим массивом наноигл, – невидим.

Для изготовления наноигл необходимо оборудование, которое сейчас применяется при производстве устройств с помощью нанотехнологий, так как диаметр игл в теоретической модели составляет примерно 10 нм при длине в сотни нанометров.

Расчеты показывают, что устройство сделает объект невидимым только при одной строго определенной длине волны в 632,8 нм, что соответствует красному свету. Однако с помощью этой же модели «можно создать “плащ-невидимку” для любой длины волны в видимом спектре», – утверждает русский ученый Владимир Михайлович Шалаев, в настоящее время – профессор Колледжа электрического и компьютерного инжиниринга в университете Пердью.

По словам В. Шалаева, хотя модель работает только для одной частоты, ей уже сейчас можно найти практическое применение – например, производство защитной системы, позволяющей сделать солдат незаметными для приборов ночного видения, поскольку системы ночного видения определяют только конкретную длину волны. Другое возможное применение – маскировка объектов от «лазерных целеуказателей», используемых военными для поиска и подсветки цели.

Уже сейчас в ряде армий, прежде всего США, применяются специальные покрытия типа «Антилуч» для военных самолетов, кораблей и бронетехники, способные полностью нейтрализовать импульсы боевых лазеров.

«Создание модели, работающей для всех цветов видимого света одновременно, – трудная техническая задача, но я полагаю, что это возможно, это явно осуществимо. В принципе такой “плащ” может быть сколь угодно большим – размером с человека или самолет», – заявил В. Шалаев.

Другая группа ученых в составе Джона Пендри (John Pendry) из Империал-колледжа в Лондоне, Дэвида Шурига (David Schurig) и Дэвида Смита (David Smith) из Университета Дьюка, одновременно с Ульфом Леонардом (Ulf Leonhardt) из университета Св. Андрея в Шотландии опубликовала результаты собственных исследований – математические принципы, лежащие в основе устройства оптической маскировки.

Леонард пишет, что исследование университета Пердью представляет «.теоретические симуляции, которые показывают, что модифицированная римская чашка, созданная на основе современной технологии производства наноматериалов, будет работать как устройство для обеспечения невидимости… Любой объект, который вы поместите внутрь, исчезнет, как будто растворится в воздухе – при условии, что его наблюдают через поляризованные окрашенные очки именно этого цвета». Он сравнивает разработанную в центре Пердью модель с созданием в Риме «первого оптического метаматериала» – разновидности стекла, содержащего наночастицы золота. При обычном дневном свете изготовленная из этого стекла чашка кажется зеленой, а при внутренней подсветке становится рубиновой.

Другая группа исследователей разрабатывает концепции маскировки объектов размером меньше и больше длины волны видимого света. Такие системы требуются для защиты от различного рода радарных и поисковых устройств. Однако главная цель на сегодняшний день – все-таки принципиальное технологическое решение для маскировки произвольного объекта в спектре видимого для людей света. Наверное, следует признать, что эта задача имеет еще и некоторый психологический аспект.

Предполагается, что устройство может быть создано именно из так называемых немагнитных метаматериалов. В отличие от разработок для обеспечения невидимости в микроволновом спектре, новая модель не обладает магнитными свойствами. Это значительно облегчает маскировку объектов в видимом спектре, но в то же время небольшая часть видимого света все же отражается от маскируемого объекта. Для его производства необходим особый диэлектрик – метаматериал с отрицательным (левосторонним) коэффициентом преломления. В данном же случае с возможным использованием метаматериалов японский теоретик Томоширо Очиаи (Tomoshiro Ochiai) с коллегами теоретически рассчитал концептуальную модель реального «плаща-невидимки».

По поводу метаматериала следует заметить, что в 1967 году советский физик Виктор Георгиевич Веселаго предсказал возможность создания материала с отрицательным коэффициентом преломления (метаматериала), который он назвал «левосторонним». В своей статье «Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями е и ^», опубликованной в вестнике «Успехи физических наук», ученый пришел к заключению, что с появлением такого материала существенно изменяются почти все известные оптические явления распространения волн.

В следующей разработке модель «плаща-невидимки» представляет собой пустотелый цилиндр. Попадающие на него электромагнитные волны огибают внутреннюю полость цилиндра, продолжая движение на его противоположной стороне. В результате волновой фронт остается полностью неизменным, как если бы на его пути не было никакого цилиндра. Однако главный недостаток заключается в том, что в настоящее время все это «функционирует» опять же только для волн строго определенной частоты. Положительной же стороной является тот факт, что предложенный японскими теоретиками вариант устройства полностью соответствует основным требованиям, которые предъявляются к реальному «плащу-невидимке»: не отражать видимого света и не вызывать изменения фазы и направления проходящего излучения.

Имеются и более примитивные устройства, например разработка японского ученого-практика Сусуму Тачи (Susumu Tachi). Его «плащ-невидимка» состоит из частиц (экранчиков), каждая из которых воспроизводит свою часть изображения, полученного камерой на противоположной стороне. Однако невидимым человек является только строго с одной стороны (определенного угла зрения), со всех остальных сторон он видится «обычным» человеком в «необычном» (смешном) плаще.

Следует, однако, отметить тот факт, что невидимое невооруженным глазом может быть заметно с помощью специальных приборов, и наоборот. Наглядный пример – американский самолет-невидимка F-117 Night Hawk (известный в России как «Стелс», Stealth), созданный по новейшим технологиям, который 27 марта 1999 года был сбит югославскими ПВО с помощью достаточно старого советского зенитно-ракетного комплекса (ЗРК) С-125 «Нева» (принятого на вооружение еще в 1961 году).

Во время бомбардировок самолетами НАТО территории союзной Югославии американцы безнаказанно бомбили стратегические объекты страны: мосты, аэродромы, электростанции и т. д., рассчитывая, что югославские ПВО их не видят. Оказалось, что часть устаревших средств ПВО Югославии работает на других частотах, и «невидимки» ими регистрируются. Результатом стали обломки американского бомбардировщика «Стелс», показанные телевидением бывшей Югославии.

С технической стороны, несомненным достоинством сербской батареи ПВО являлись устаревшие радары и ракеты. Современные высокочастотные радары отслеживают летящие объекты, регистрируя отраженный от них радиосигнал. В случае со «Стелс» короткие волны рассеиваются особой карбоновой конструкцией и формой корпуса самолета так, что он не регистрируется на экранах локатора. Оказалось, что для длинноволновых (низкочастотных) радаров подобная форма самолета не является препятствием, и они регистрируют любой крупный объект в воздухе.

Возможно, еще одним фактором, сыгравшим на руку югославским ПВО, стала дождливая погода в этот период времени. Не исключено, что влажная от дождя поверхность «Стелс» оказалась менее защищена от сигналов радаров. Поэтому особое место и в этом случае могут занять гидрофобные покрытия, позволяющие обеспечить несмачиваемость защитных антирадарных поверхностей.

Как известно, наибольшее развитие нанотехнологии получили в электронной, компьютерной и вообще электротехнике, именно поэтому они также заслужили пристальное внимание военных кругов развитых стран мира.

Миниатюризация компонентной базы вычислительной техники и увеличение тактовой частоты представляют собой главное направление развития нанотехнологий. К настоящему времени доказана работоспособность ряда активных компонентов – транзисторов, диодов, ячеек памяти, состоящих из нанотрубок, нескольких молекул или даже единственной молекулы. Передача сигнала может осуществляться одним электроном. Пока не решены проблемы, связанные со сборкой таких компонентов в единую систему и соединением их нанопроводами. Тем не менее можно не сомневаться, что решение этих проблем – вопрос времени. Поэтому было бы удивительно, если бы эти разработки в первую очередь не были использованы в военных целях.

В связи с открытием в 2001 году нового агрегатного состояния вещества (конденсата Бозе-Эйнштейна) и проведением ряда экспериментов по умножению числа атомов (по аналогии с умножением числа фотонов в оптических лазерах) военные круги США в рамках программы «Звездные войны» заинтересовались возможностью изготовления «атомного лазера». В проведенном группой ученых эксперименте количество атомов в пучке, проходящем через установку, удалось увеличить в тридцать раз.

Такое устройство могло бы значительно увеличить мощность боевого луча и, следовательно, эффективность его применения, тем более что именно недостаточная мощность современных оптических лазеров не позволяет в полной мере реализовать намеченные планы.

Первые разработки в области наноскопических датчиков уже успешно применяются в военных целях. Новые поколения сенсорных массивов и аналитического программного обеспечения создадут новые возможности для внедрения в чужие базы данных и перехвата нужной информации. Испытанные американцами во время военной кампании в Афганистане микроскопические датчики Smart Dust («умная пыль»), похожие на пушинки миллиметровых размеров, показали высокую эффективность. Их новизна заключается в том, что сигналы большого количества разнородных элементарных датчиков принимаются и анализируются централизованно, а сами датчики очень дешевы в производстве, так как являются массовым продуктом.

Микроскопические частички Smart Dust разработала и изготовила группа исследователей под руководством профессора химии и биохимии Майкла Сэйлора (Michael Sailor) из калифорнийского университета в Сан-Диего (University of California, San Diego – UCSD). Сэйлор заявил: «Эти пылинки – ключ к разработке роботов размером с песчинку. В будущем можно будет создать миниатюрные устройства, передвигающиеся в крошечных средах вроде вен или артерий к определенным целям, обнаруживать там химические или биологические составы и передавать информацию во внешний мир. Такие устройства могли бы использоваться для контроля чистоты питьевой или морской воды, обнаружения опасных химических или биологических агентов в воздухе и даже нахождения и уничтожения поврежденных клеток в организме человека».

Создание «умной пыли» – это результат электрохимического процесса механической обработки и химических модификаций. Вначале был взят кремниевый чип, из которого гравировкой химикатами получили пористую фотонную структуру. Затем эту структуру модифицировали, чтобы получилось цветное двустороннее зеркало – красного цвета с одной стороны, зеленого – с другой (рис. 74).