НАНОТЕХНОЛОГИИ В УПАКОВКЕ

Впервые человек будет создавать новую материю, которая Природе была неизвестна и недоступна… Человек поднимается на равную ступеньку с Творцом… Это революция, которой цивилизация не знала. Возникнет целый комплекс новых этических проблем. Не вижу ничего страшного в том, что человек по потенциалу сравняется с Творцом, если принять гипотезу о его существовании.

Генеральный директор РНЦ «Курчатовский институт», ученый секретарь Совета по науке, технологиям и образованию при президенте РФ, член-корреспондент РАН Михаил КОВАЛЬЧУК:

НАНОТЕХНОЛОГИИ В УПАКОВКЕ (ЧАСТЬ I)

Нанотехнология — наука о маленьком — декларируется как большой приоритет инновационной политики многими государствами, а сейчас и Россией. По прогнозам, к 2008 году мировой рынок нанотехнологий достигнет $700 млрд (данные US NanoBusiness Alliance), к 2015 году — $1 трлн. Наибольшая доля здесь принадлежит Соединенным Штатам, по итогам 2005 года это 27%. У Японии — более 24%, у стран Западной Европы — 25% с преобладающим вкладом Германии, Великобритании и Франции. Остальное распределено между Китаем, Россией, Южной Кореей, Канадой и Австралией.

Исследовательские программы по нанотехнологиям на национальном уровне запустили уже 30 стран. На нанонауку во всем мире сейчас тратится больше $4 млрд.

Миллиард долларов, выделенный правительством РФ на приборное оснащение и создание инфраструктуры отечественной нанотехнологии в ближайшие три года (не говоря о средствах, выделяемых из Стабфонда и доходной части бюджета на капитализацию Российской корпорации нанотехнологий, — это еще 130 млрд рублей в одном только 2007 году), сопоставим со средствами, которые вкладывают в эту область такие страны, как США и Германия.

Закон «О Российской корпорации нанотехнологий» был принят Государственной думой 4 июля 2007 г. и одобрен Советом Федерации 6 июля 2007г. В соответствии с документом, корпорация создается в целях реализации государственной политики в научно-технической и инновационной сферах, содействия переходу российской экономики на инновационный путь развития, реализации проектов создания перспективных нанотехнологий и наноиндустрии. Гендиректором Госкорпорации по нанотехнологиям назначен президент инвестиционной финансовой корпорации «Алемар» Леонид Меламед.

Российская корпорация нанотехнологий будет осуществлять инвестиционную и внешнеэкономическую деятельность по реализации проектов в области нанотехнологий в России и за рубежом, в том числе с участием иностранного капитала.

Предусматривается также право корпорации осуществлять предпринимательскую деятельность и распределять полученную прибыль исключительно в этих целях. С. Иванов пояснил, что «конечная цель — выйти на рынок с коммерческим продуктом, а первая — заняться стандартизацией и метрологией». Какие именно коммерческие продукты будет производить наноиндустрия, определит госпрограмма ее развития до 2015 года. Впрочем, эта программа будет рассмотрена правительством только в первом квартале 2008 г. Добавим также, что 12 июля правительство одобрило инвестиции в размере 24,9 млрд рублей на развитие наноиндустрии — отрасли промышленности, которая должна внедрять в производство нанотехнологии.

Государственные, а также частные (около 2,8 млрд рублей) деньги по ФЦП направляются на развитие инфраструктуры наноиндустрии. По словам А.Фурсенко, средства пойдут на оснащение специальным экспериментальным, диагностическим и научно-технологическим оборудованием элементов национальной нанотехнологической сети, формируемых на базе госорганизаций. По мнению министра, на эти деньги также необходимо создать системы «обмена информацией» и «методического обеспечения механизмов регулирования развития наноиндустрии». Для этого будет организовано десять научно-образовательных центров в вузах.

Интересно, как вся эта программа коснется упаковочной отрасли? Поживем — увидим. Сейчас мы планируем лишь познакомить с разработками в области нанотехнологий для упаковочной индустрии.

Упаковка

Нанокапсулы для лекарств и ядов. Учёные из американской лаборатории Беркли (Berkeley Lab) определили, что в процессе диффузии твердых материалов образуются идеальные нанокапсулы. Они проводили опыты с нанокристаллами кобальта (шарики, насчитывающие лишь несколько тысяч атомов) и поместили их в серу. На первый взгляд, результат был ожидаемый — образовались шарики сульфида кобальта. Но вот рассмотрев их под электронным микроскопом внимательнее, учёные удивились — это были не шары, а полые сферы. Учёныепопробовали повторить процесс с другими парами материалов: кобальт и кислород, железо и кислород, кадмий и сера… Всё повторялось в точности.

Замечательным было и то, что в этом природном производственном процессе сферы получались почти одинаковыми — внутренние пустоты отличались по диаметру не более, чем на 13%. Таким идеальным сферам нанометрового масштаба можно найти массу применений. Внутрь можно помещать лекарственные препараты для постепенного выпуска в теле пациента, в оптике и электронике также найдётся, что сделать с такими объектами, а уж химия… Готовый химический реактор, наноколба — разве это не здорово? При этом для массовой технологии важно, что весь процесс идёт «в одном горшке»: добавил ингредиенты — получил наносферы. Никакого переноса материалов по разным плошкам, никаких потерь. Всё просто.

Клатраты профессора Яковлева. Конечно, американцы — молодцы, но русский профессор И. Яковлев уже давно мог упаковать любой яд. Изучая клатратоподобные соединения на базе графита, он обнаружил, что внутри графитовой оболочки могут быть поштучно упакованы молекулы пахучих веществ и дезодорантов, а при необходимости — самых агрессивных веществ и сильных окислителей, таких как диоксид хлора, в сотни раз превосходящего по активности обычные дезинфицирующие вещества. Это — один из примеров разрабатываемых нанотехнологий будущего.

Молекулярная наноупаковка неограниченно долго сохраняет состав и инертность, но при необходимости она может быть вскрыта и активирована по своему назначению как душистое вещество, дезодорант или дезинфектор.

Программируемый контейнер для жидкостей (Programmable Liquid Container) — сконструировала американская компания системных инноваций Ipifini, сообщает Yenra Feature News Encyclopedia. Не раскрывая конкретных технологических деталей, Ipifini демонстрирует внешний вид контейнера, на поверхности которого размещается 20 кнопок, нажатие на которые приводит к впрыскиванию в жидкость различных добавок.

Programmable Liquid Containers

Владелец такой «бутылки» может по вкусу добавить в напиток различные ароматы, вкусовые добавки, красители и тому подобное. Покупатель, к примеру, «модифицированной» колы сможет самостоятельно моделировать вкус, цвет, запах напитка, добавляя вкус лимона, ванили с вишневым ароматом, регулируя содержание кофеина. Программируемый контейнер краски с 20 добавками пигмента позволяет потребителю выбирать из одного миллиона цветов. Соавтор инновации, Глен Вокле, отмечает, что предложенная технология позволяет производителю одним контейнером заменить ряд вариантов продукта, а потребителю изменять ряд параметров продукта во время его использования. Programmable Liquid Container от Ipifini весьма перспективен для использования в пищевой, фармацевтической промышленности, в производстве косметики и парфюмерии.

Наноупаковка с улучшенными барьерными свойствами на подходе у немецкой химической компании Bayer. В компании надеются продемонстрировать технологию на выставке пластиков в Дюссельдорфе (Германия) в октябре 2007 года. Для создания упаковки Bayer работает с наноглинами, совмещая их с полимерами, создавая извилистые пути для нежелательных в пищевой пленке молекул. В компании объясняют, что главная проблема в работе с наноглинами заключается в том, что слои должны отделяться друг от друга. Необходимый эффект может быть достигнут химическим путем, и Bayer планирует применить «умные» компоненты для этой цели.

Планируется, что пленка будет прозрачной, так как эта особенность очень важна для клиентов компании. В Bayer отмечают, что если разработка будет успешной, вероятнее всего сначала она будет представлена на азиатском рынке.

Упаковка с высоким уровнем защиты. Компания Huhtamaki будет использовать нанотехнологии для создания идеальной пищевой упаковки с высоким уровнем защиты. Финская упаковочная компания собирается использовать наноматериалы, чтобы твердая тонкая упаковка могла сравниться и даже превзойти свойства EVOH, который на сегодня является лучшим барьерным покрытием.

Уровень кислородного барьера EVOH заметно снижается во влажных условиях, поэтому для некоторых продуктов с длительным сроком хранения необходима интеграция материала с поглотителем кислорода. В компании считают, что потенциал нанотехнологий будет расти в сфере улучшения переносимости полимерами высоких температур, а также улучшения их механических показателей.

Упаковка, смешиваемая с пищей. Австралийская фирма Advanced Nanotechnology изучила влияние химических абсорбентов ультрафиолета, которые содержатся в упаковке и призваны продлевать сроки хранения продуктов питания, на состояние этих продуктов. Эксперты Advanced Nanotechnology установили, что подобные абсорбенты могут мигрировать из достаточно тонких упаковочных пластиковых пленок непосредственно в упакованное питание, и теперь предлагают заменять эти химические вещества новейшими наночастицами оксида цинка, которые не вызывают подобного вредного эффекта, но столь же эффективно препятствуют проникновению УФ-лучей в упаковку. Кроме того, наночастицы оксида цинка (а также магнезии) оказывают на упаковку антимикробное воздействие. Теперь перед учеными стоит задача разработать наночастицы, способные нейтрализовывать вредные газы, проникающие извне через полимерную пленку в продукты питания.

Упаковочные материалы

Наноцеллюлоза. Исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) вырастили кристаллы металлов прежде невиданной формы, подобрав и закристаллизовав соответствующие по форме волокна хлопковой целлюлозы.

Полученные кристаллы могут найти применение во многих областях нанотехнологии. Используя обработанные кислотой волокна целлюлозы в качестве природного шаблона, группа из PNNL смогла вырастить однородные по размеру нанокристаллы золота, серебра, палладия, платины, меди, никеля и других металлов, а также их оксидов. Полученные нанокристаллы проявляют каталитические, электрические и оптические свойства, не характерные для больших или разноразмерных кристаллов.

Кислотная обработка повышает степень кристалличности целлюлозы, разрушая ее аморфные участки. К полученным образцам нанокристаллической целлюлозы, диспергированным в воде, добавляют соли металлов, помещают систему в автоклав и нагревают при температурах от 70° до 200°С в течение 4–16 часов. Такая обработка приводит к образованию однородных кристаллов металлов на целлюлозном шаблоне.

Исследователи говорят, что разработанный ими процесс с полной уверенностью можно назвать «зеленым», так как все, что требуется для получения нанокристаллов — нагрев, нанокристаллическая целлюлоза и соли металлов.

Нанобумага. Исследователи университета Арканзаса (University of Arkansas) разработали новый материал — бумагу из нановолокна. И хотя её точно так же можно складывать, мять, резать, остальные свойства мало напоминают о привычном целлюлозном продукте.

Используя метод гидротермального нагрева, учёные под руководством профессора Райана Тяня (Z. Ryan Tian) создали длинные нанонити из диоксида титана, а затем из них сделали плоские мембраны. Получился белый материал, напоминающий бумагу, из которого легко можно делать трёхмерные предметы самой широкой функциональности. Экспериментаторы ради интереса попробовали сделать из него пробирки, тарелки, чашки. Они утверждают, что для этого требуются только ножницы. Увидев, что материал действительно удобный, они решили протестировать его с более серьёзными целями и затеяли некоторые испытания, которые позволили очертить возможную область применения.

Как выяснилось, бумагу можно использовать в военном обмундировании, в качестве огнеупорного материала, для фильтрации жидкостей, для дозирования лекарственных препаратов и даже для разложения опасных веществ — от обычных загрязнителей среды до химического оружия.

Все эти функции возможны благодаря химической инертности и огнеупорности — материал выдерживает температуру до 700° С — трудновато называть его бумагой! Учёные уже подали заявку на патент и надеются скоро найти тех, кто будет заинтересован в коммерческом использовании нового продукта.

Наноисследования Евросоюза в ЦБП. Исследования будут вестись и в области новых производственных стратегий, нанотехнологий и наноматериалов. По мнению специалистов, нанотехнологии помогут сделать рабочие поверхности бумагоделательных машин чище, улучшат взаимодействие между печатными красками и бумагой, сократят использование химикатов. Вполне возможно, что результаты исследований дополнительно стимулируют развитие упаковки из «умных» материалов — бумаги и картона. Такая упаковка будет информировать потребителя о сроке годности, а производители с ее помощью смогут следить за транспортировкой и состоянием продукции.

Полимер в композиции с нанотрубками. Ученые из университета штата Пенсильвания и университета Райса (США) сделали новый важный шаг в создании сверхпрочных полимеров.

Новый материал является композиционным, в нем использованы обычный нейлон и углеродные нанотрубки. Композит получают методом межфазной полимеризации, с помощью которого нанотрубки равномерно распределяются по длине макромолекулы. Кроме того, исследователи научились модифицировать свойства полимера путем введения алкильных сегментов, или углеродных спейсеров. Спейсеры играют роль связующих сегментов, обеспечивающих ковалентную связь между нанотрубками и макромолекулами. Эта связь определяет прочностные и упругие свойства композиционного материала.

Попытки создать композицию нейлона с нанотрубками без спейсеров были неудачными — материалы оказались слишком хрупкими. Важным результатом исследования является возможность получать материалы с заданными свойствами — регулировать можно не только механические, но электрические и термические свойства.

Области применения нанотехнологий

Перечислить все области, в которых эта глобальная технология может существенно повлиять на технический прогресс, практически невозможно. Можно назвать только некоторые из них, а заодно и подумать, как они могут быть связаны с упаковкой:

• элементы наноэлектроники и нанофотоники (полупроводниковые транзисторы и лазеры; фотодетекторы; солнечные элементы; различные сенсоры);

• устройства сверхплотной записи информации;

• телекоммуникационные, информационные и вычислительные технологии; суперкомпьютеры;

• видеотехника – плоские экраны, мониторы, видеопроекторы;

• молекулярные электронные устройства, в том числе переключатели и электронные схемы на молекулярном уровне;

• нанолитография и наноимпринтинг;

• топливные элементы и устройства хранения энергии;

• устройства микро- и наномеханики, в том числе молекулярные моторы и наномоторы, нанороботы;

• нанохимия и катализ, в том числе управление горением, нанесение покрытий, электрохимия и фармацевтика;

• авиационные, космические и оборонные приложения;

• устройства контроля состояния окружающей среды;

• целевая доставка лекарств и протеинов, биополимеры и заживление биологических тканей, клиническая и медицинская диагностика, создание искусственных мускулов, костей, имплантация живых органов;

• биомеханика; геномика; биоинформатика; биоинструментарий;

• регистрация и идентификация канцерогенных тканей, патогенов и биологически вредных агентов; безопасность в сельском хозяйстве и при производстве пищевых продуктов.

Ольга Гулинкина, Журнал «Packaging R&D»

http://www.press-release.ru/…5671b338e37/

Конечно, этот рассказ «о применении НТ для изготовления упаковки» – это милая уловка сотрудницы профильного специализированного журнала. И тем не менее, в этом (солидном) обзоре довольно много говорится и об упаковках разного рода или о материалах, которые в принципе могли бы быть использованы в качестве таковых. И здесь – необъятное поле для исследований, тем более что и сам термин «упаковка» столь же многозначен, как и термины «нанотехнологии» и «наноматериалы». СтОило бы ещё раз упомянуть, что в нынешнем мире, который в значительной мере ориентируется на торговлю, на рынок, роль упаковки/упаковок очень велика. Ведь порой от качества и даже внешнего вида упаковки будет зависеть «судьба» того или иного товара. От свойств упаковки будет зависеть срок годности и/или «товарный вид» и качества самого товара… Словом, упаковка играет значительную роль в нынешней рыночной экономике. А использование нанотехнологий и наноматериалов может существенно повысить «полезные» потребительские качества существующих и привести к появлению принципиально новых материалов и технологий упаковки…