Заправочная химической промышленности будущего

Нанотехнологии в целом, по-прежнему новой области с учетом необходимости добиться прогресса в научной и технической точки зрения до огромных коммерциализации продуктов может произойти. Тем не менее, коммерческие продукты, которые там - больше, в некоторых областях применения, чем в других странах.

За последний год, кажется, что "нанотехнология" стал повседневный обиход. Движимый начало Национальная нанотехнологическая инициатива в начале 2000 года (см. стр. 48S), осознание обещание наноразмерные науки и техники находится на подъеме после научных и промышленных исследований сообщества.

Нанотехнология способность к синтезу, манипулировать и характеризуют этот вопрос на уровне суб-100-нм. Такое широкое поле междисциплинарных и включает в себя несколько основных направлений развития и коммерциализации, в том числе наноматериалы, нанобиотехнологии, наноэлектроники и наносистем, таких, как наноэлектромеханических систем (НСМОС) и молекулярных машин. В этой статье освещаются коммерческого применения нанотехнологий в химической промышленности, в том числе компаний, работающих на новых катализаторов, покрытий, смазочных материалов, технологий фильтрации и других конечных продуктов, а также материалов, на которых эти продукты основаны, например, нанопористых структур и дендримеров . Снимок компаний, которые в настоящее время производством или использованием нанотехнологий продуктов в химической промышленности представлены в табличной форме на стр. 46S.

Химические реакции и катализ

Заявки на нанотехнологии улучшенный катализаторы широко распространены в химической и смежных отраслей промышленности, особенно в районах, где химические реакции ключевую. Нанопористых материалов (см. врезку, стр. 37S), например, цеолиты, уже давно используются для уточнения сырой нефти, промышленности, что будет легко принять катализаторов, которые были улучшены путем контроля структур на наноуровне. Тем не менее, для крупных фирм, в разработке новых катализаторов структур (например, нанопористых материалов) могут быть в тени, предлагая широкие возможности для любой компании, которая может разработать масштабируемое подход к промышленно жизнеспособный процесс химического синтеза, которые либо новых или значительно дешевле (например, использует мягкие условия реакции), чем существующие процессы. Примером этого может быть эффективным методом для преобразования метана в жидком топливе, такие, как заменителя дизельного топлива. Современные методы решения этой задачи являются дорогостоящими и привлекать большие физические, а не химические, компонента.

Каталитические свойства наночастиц объясняются их высоким отношением поверхности к объему. Кроме того, основания, которое имеет место в катализатор имеет большое влияние на эффективность катализатора, а дальше можно повысить эффективность каталитического нейтрализатора, если состоит из nanostructerd материала. К примеру, каталитические наночастицы кремния подложки могут повышения эффективности катализатора на коэффициент 10. В некоторых случаях, использование наночастиц кремния в качестве катализатора поддержка была затруднена вследствие хрупкости материала кремнезема. Эта проблема была решена путем сшивания наночастиц кремния путем полимеризации. Сшитого наночастицы могут также использоваться в качестве катализатора поддерживает.

В энергетической отрасли, могут воспользоваться нанокатализаторы $ 2 млрд сжижения угля проекта в Китае с участием группы Shenhua корпорации (<A HREF = "http://ns.coalinfo.net.cn/shenhua/e1.htm" целевых = "_blank" относительной = "NOFOLLOW"> http://ns.coalinfo.net.cn/shenhua/e1.htm </ A>), углеводородных технологий Инк (HTI; htinj.com) и Министерством энергетики США (DOE ; doe.gov). Процесс производит чрезвычайно чистого дизельного топлива и экономичный достаточно для многих районах Китая, чтобы конкурировать с импортной нефти или дизельного топлива в среднем на мировые цены. Катализа занимает важное место в перспективной области топливных элементов. Платиновых катализаторов, применяемых в современных коммерческих прототипов около 2 нм.

Фильтрации и сепарации

В фильтрации промышленности, нанофильтрация обычно относится к использованию мембраны с размером пор больше, чем в мембраны обратного осмоса. Этот процесс широко применяться в области водоснабжения и очистки воздуха и многие производственные процессы, в том числе очистки фармацевтических препаратов и ферментов, масло / вода разделения и удаления отходов жизнедеятельности. Чуть подальше находится цель разделения кислорода от молекул азота, которые отличаются только в размерах 2 сотых долей нанометра. Основное применение такого процесса было бы экономически эффективно производить чистый кислород без криогенные методы.

В частности, нанофильтрации технологии открывают широкие возможности для удаления загрязнений многие из воды. первый нанофильтрации мире объекта для питьевой воды, построенный Generale дез О ", вошел в строй в 2000 году во Франции, с использованием полимерных мембран с порами чуть меньше 1 нм. Хотя энергопотребление выше, чем у традиционных технологий очистки Есть компенсации льгот, таких, как избежать необходимости добавить хлора.

Способность управлять размерами пор более точно приведет к ближайшей приложений нишу. Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (pnl.gov) уже создал класс структур, называемых самоорганизующихся монослоев на мезо поддерживает (Саммс), которые содержат единый цилиндрических пор с размерами от 1-50 нм, в зависимости от применения. Пор покрыты самоорганизующихся монослоев которых активные группы, такие как ферменты, прилагаются. Саммс были успешно продемонстрировали для извлечения различных металлов и органического вещества из обоих водных и неводных средах.

Адсорбента и абсорбирующие свойства нанопористых материалов, также открывают возможности по восстановлению окружающей среды, например, зачистка тяжелых металлов, таких, как мышьяк и ртуть. Но технологии не фильтрации на основе нанопористых материалов можно двигаться вперед. Ярким примером является технология, разработанная компанией Argonide наноматериалов (argonide.com), которая использует 2-нм диаметром. волокон для создания высокопроизводительных систем, которые можно отфильтровать вирусы, мышьяк и другие загрязняющие вещества.

Несколько новых полимерных композиционных материалов-неорганических также обещают более высокую пропускную способность номера для систем фильтрации газа. Мембраны из углеродных нанотрубок должны предложить очень высокую пропускную для газов, из-за отсутствия взаимодействия нанотрубок и молекул газа. Одним из главных обещаний таких материалов является недорогой разделения газов на электростанциях, главным образом потому, что высокий расход приводит к снижению требований давления. Такие мембраны могут быть использованы для удаления углекислого газа из газового потока или отдельных водорода от угарного газа, который будет найти применение в станции нового поколения энергии, угля в жидкое растений и газ-жидкость растений. Мембран, содержащих именно размера nanotubules также провести большой потенциал для разделения биохимических.

Композиционные материалы

Использование наночастиц в композиционных материалов: повышение прочности материала и / или снижения веса, увеличение химической, тепло-и износостойкость; добавить новые свойства, такие как электропроводность, а также изменить взаимодействие света и других излучений.

Рынок глины нанокомпозитов на основе похоже, значительно расширить в ближайшем будущем. Перспектива новых конструкционных материалов на основе нанотрубок просто несколько лет, с серьезными препятствиями являются стоимость и доступность лучших наполнителей (например, однослойных нанотрубок) и возможность использовать свои свойства в композиционных материалах. Значительные приложений с использованием больших и менее совершенный нановолокон углерода можно ожидать начала около 2004. Эти события могли бы положить брешь в структурных приложений для наноглины композитов.

Потенциал для nanoclays находит свое отражение в запланированное расширение производства таких компаний, как Nanocor, Inc (дочерняя AMCOL интернэшнл корп; nanocor.com), которая готовится производить 20000 тонн / год nanoclays, в свете два важных факта: наноглины составляет около 5% от составной продукт и Nanocor не единственная компания, успешно продавать nanoclays на рынке композитов.

Большинство крупных компаний полимерных нанокомпозитных также изучает технологии. Пластмассы компаундирующее RTP (rtpcompany.com) освоен органоглины нанокомпозитов нейлона для изготовления пленок и листов приложения и системы Тритон (tritonsys.com) использует нанокомпозитных кремнезема в полимерной матрице нанокомпозита, что она превратилась материала покрытия. Другие фирмы, такие как Honeywell (honeywell.com), Убе промышленности (ВБО-ind.co.jp) и Unitika (unikita.co.jp) коммерчески производства нейлона нанокомпозитов в качестве высокого барьера пластмассы (HBPs) для упаковочных пленок. Nanocor и Mitsubishi газохимического ° (mgc.co.jp) недавно создали стратегический альянс для производства и продажи HBP упаковки для продуктов питания и напитков сегментов. Кроме того, Bayer (bayer.com) смотрит на нейлона 6 нанокомпозиты для использования в многослойной упаковки и защитных пленок. В тестах с использованием глины Nanocor в "Байер" два раза передачу кислорода через упаковку, в то время все яснее материала и жесткости.

Другой материал, показывающий ближайшее обещание в качестве наполнителя в нанокомпозитов класса сложных молекул, известных как многогранного олигомерных silsesquioxanes (POSS). Гибридная Пластмассы (hybridplastics.com) говорит, что может изготовить POSS в больших количествах, и с этой целью в сотрудничестве с пластмассовой производителей и потребителей, в том числе ВВС США. Существует также значительный интерес в производстве нанокристаллических версии металлов и сплавов. Новая сталь производства NKK (nkk.co.jp), и в настоящее время включены в автомобилях Toyota, включает наночастиц углерода в процессе прокатки, что позволяет вес экономии без ущерба для структурной целостности.

Покрытия

Наночастицы имели значительное влияние на сектор покрытий, но подходы, такие как золь-гель монослоев, которые уже производят царапинам и с антипригарным покрытием, и самоорганизующихся монослоев, дают тоже. Дендримеров дополнение к этим последним технологиям и может быть даже в сочетании с наночастицами технологий.

Покрытия на основе наночастиц предлагают различные свойства, такие как прочность, стойкость к истиранию и прозрачности и проводимости. Bayer, в сотрудничестве с Nanogate (nanogate.com) работает над проводящей и прозрачных покрытий для пластмассовых деталей.

Однако создание наночастиц покрытий на основе не без трудностей. Нанопорошков может быть трудно справиться. Подход, используемый в ВМС США является работа с микроуровне агломераты, которые поставляются в виде плазмы (горячий, ионизированный газ), а также разбить по заявлению. В других теплового напыления, порошков частично растаял, так что они сливаются, когда они образуют покрытие.

Bayer и Hansa Metallwerke (hansametall.com) работают на водо-и грязе-отталкивающих покрытий с использованием наночастиц. В 2002 году BASF представил спрей покрытием на основе наночастиц и полимеров, что самостоятельно собрать при высыхании на поверхности наноструктурных выставке эффектом лотоса - вода посадку на поверхность можно найти так мало сцепление с поверхностью, что бисер вид, что просто скатываются , принимая грязи с ними (рис. 2).

Аналогичным образом, наночастицы покрытий, таких, как Inframat (inframat.com) используются для борьбы на судах корпусов судов. Жесткий, но не хрупкий, глинозема в Inframat-титана керамические покрытия получили фирмы в размере $ 4 млн контракт с ВМС США (<A HREF = "http://nanoscience.nrl.navy.mil" целевых = "_blank" относительной = "NOFOLLOW "> http://nanoscience.nrl.navy.mil </ A>), который будет использовать материал для того чтобы покрыть все свои подводные перископы. Нанофазных технологий и поставок глинозема наночастицы, которые используются в устойчивое к царапинам покрытие для пола плитка. Nanogate обеспечивает наночастицы для покрытий на основе испанского производителя плитки, что делает плитку легче чистить, а также производит стойкое к царапинам покрытий для очков.

Наночастиц с повышенной покрытия также обещают в биологических применений. Включение наночастиц, таких как медь было показано снижение роста клеток на поверхности, которая может быть серьезной проблемой для имплантатов.

Добавки и роль дендримеров

В пространстве композитов, наночастиц глины и POSS уже делает успехи. В ближайшем будущем, углеродные нанотрубки, могут также оказывать воздействие. Тем не менее, разнообразие форм дендримера структур и легкость, с которой они могут быть функционализированных позволит создать композитов на основе той или иной структуры и более широкий спектр свойств, которые будут предоставлены по дендримера наполнителя.

Потенциальных дендримеров в качестве принимающей стороны или контейнеров для малых молекул была продемонстрирована в середине 1990-х Берт Мейер, профессор химии в Эйндховене Univ. технологии (tue.nl). "Дендритных ящик" (по аналогии с твердой оболочки) был построен около эротика дендримеров, когда-то маленькой молекулы включаются в состав дендримеров (рис. 3). С тех пор, дендримеров были показаны для инкапсуляции молекул красителя в их полостей. Благодаря химической модификации их концевые группы, используя полное или частичное алкилирование, дендримеров может быть химически совместимыми линейные полимеры, для улучшения перемешивания. Роль дендримеров бы, в данном случае является создание молекулярных микроокружения, или "наноскопическая карманы" в пластиковой сыпучих материалов для размещения молекул красителя.

Действуя в качестве морфологических или поверхностное модификаторов, дендримеров также добавить прочность материалу, не изменяя его обработки. В смесей и композитов, они выступают в качестве компатибилизаторов и вяжущих фаз. Такие данные привели Perstorp химические (perstorp.se) для использования дендримеров в качестве добавок для инженерных пластмасс. Дендритные сверхразветвленного полимеров также используются в качестве tougheners для эпоксидных смол. Помимо всего лишь 5% по весу содержимое дендритных полимерных провоцирует существенное увеличение прочности материалов. Дендритные частицы мелкодисперсной в смоле через контролируемый процесс расслоения. Дендримеров смолы взаимодействия подкрепляется химической связи реактивной эпоксидных групп, которые прививаются с функциональными дендритных структур.

Дюпон производит и использует сверхразветвленного структур в качестве добавок в полимерных смесях для улучшения обработки. В результате полимер, который сочетает в себе физические свойства стекла с гибкостью органических материалов. И, DSM освоен сверхразветвленного-полипропилена иминной (ИЦП) дендримеров, которые она продает, как технология Astramol. Эти дендримеров в основном используются в качестве добавок в производстве недорогих пластмасс и резин, для снижением вязкости, а также имеют аналогичные приложения в производстве покрытий, типографских красок и клеев. Между тем, Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА; nasa.gov) финансирует проект, в котором Dow Corning (dowcorning.com), а также материалы электрохимических исследований корпорации (mercorp.com) изучают плазменных покрытий и дендримеров dendrimerfullerene нанокомпозитов для смазки микронных и субмикронных поверхностей.

Дендримеров и дезактивации

Дезактивация 1 приложение, в котором дендримеров представляется особенно подходит, по сравнению с другими подходами, которые, как правило, в зависимости от размера самостоятельно (например, нанофильтрации) или требовать функционализации. Дендримеров выступать в качестве поглотителей ионов металлов, предлагая потенциал для очистки окружающей среды. Изменение кислотности среды вызывает дендримеров освободить ионов металлов. Дендримеров могут быть восстановлены с помощью ультрафильтрации и использовать повторно. Таким же образом, дендримера-инкапсулированные катализаторы могут быть отделены от продуктов реакции и используется повторно. Центр биологической Нанотехнологии в Мичигане Univ. (<a Target="_blank" href="http://nano.med.umich.edu" rel="nofollow"> http://nano.med.umich.edu </ A>) планирует разработать и оценки дендримера-усиленной ультрафильтрации, как лечение роман воды процесс удаления ионов металлов из воды.

Кроме того, способность дендримеров для захвата небольших молекул в их полостей или на их изменение групп конца делает их пригодными для поглощения или адсорбции биологических и химических загрязнений. Армия США (army.mil) оценивает потенциал дендримеров для этих приложений.

Nano-защиты

Дендримеров, также эффективны, как реактивные компоненты кремов кожу защиты. Это приложение может быть продлен на защитную одежду, путем стабилизации дендритных слоя от мойки и погодных условий. Амфифильные дендримеров с половиной-дендримеров, половина "хвост" структуры используются для крепления активного дендримеров в защитную пленку.

Кроме того, за последние несколько лет, многое деятельность была сосредоточена вокруг использования наночастиц для обнаружения и / или защиты от боевых отравляющих веществ. Наносферы, Inc (nanosphere.com) в скором времени выпустить системы, которая в итоге может быть использован для обнаружения боевых биологических агентов, таких как сибирская язва. Система использует датчики золотые наночастицы, разработанные в Северо-Западном Univ. (Northwestern.edu). Между тем, Альтаир "Роснанотех" (altairnano.com) и Западного Мичигана Univ. (Wmu.edu) совместно разрабатывают датчики для обнаружения биологического и / или химического оружия на основе наночастиц диоксида титана. Магний оксид наночастиц, которые уничтожают бактерии (в том числе сибирской язвы) были разработаны материалы наноразмеров, для размещения в фильтрации маски.

Серебро, которое расхваливали его антибактериальными свойствами, выпускается в форме наночастиц Шэньчжэнь Tsinghua-Yuanxing наноматериалов и Ко Nucryst (nucryst.com), последний из которых использует свой продукт в антибактериальные повязки. Нанобио (nanobio.com) выпустила антибактериальной жидкостью, NanoProtect, в котором содержится наноскопическая капель нефти, что уничтожить споры бактерий, вирусных частиц и даже грибов с помощью взрывных релиз поверхностного натяжения. Удивительно, что продукт не является вредным для тканей человека. Американские военные в настоящее время основным клиентом Нанобио в.

Топливные элементы

Рост спроса на мощность портативной электроники, в сочетании с желанием уменьшить их вес и размер, создал новый рынок для наночастиц, которые, из-за их большую площадь поверхности, может улучшить скорость реакции в топливных элементов и батарей.

Нанопорошковые производителя П. Материалы (apmaterials.com) и ее партнер тысячелетия Cell (millenniumcell.com), разработчик систем водородного топлива, недавно был удостоен первого этапа Small Business инновационных исследований (SBIR) контракта от Агентства противоракетной обороны США в целях развития наноразмерных диборида титана для современных батарей и других энергетических систем хранения.

Альтаир недавно объявил успешную серию своих передовых демонстрации твердого оксидного топлива-испытательной камеры. Всего топливных элементов, в том числе разъемы, электролит, анод и катод, был изготовлен из микро-и наноразмерных материалов. Кроме того, Альтаир "разработала наночастицы литиевого аккумулятора электродных материалов, которые выставлены заряда и разряда со скоростью до 10 раз быстрее, чем в текущем материалов литий-ионные аккумуляторы.

Целый ряд компаний планируют коммерциализировать метанола основе топливных элементов для портативных применений электроники в 2004 году или вскоре после нее. В этих клетках, водорода, образующегося из метанола лишается своих электронов, которые становятся источником электроэнергии. Протоны (ионов водорода) проходит через мембрану и в сочетании с кислородом для производства воды. Катализатора в этом процессе является наночастиц платины применяются в навозной жижи.

Ориентация аккумулятора приложений, Брукхейвенской национальной лаборатории (bnl.gov) добилась литий-нанокристаллического сплава олова, который был использован в качестве электрода высокой производительностью. Создано в результате реакции гидрида лития с оксида олова, но с более бывшего, чем нужно реагировать в полном объеме, оно привело к сплава лития олова оксида лития осталось. Повторил добавления и удаления водорода в результате нанокомпозита с размером зерна 20-30 нм. Другие элементы, которые образуют устойчивые гидриды металлов могут быть использованы, чтобы нанокомпозитных материалов с помощью этого метода, при возможности применения не только в батареи, а также в области катализа.

Нанотрубки и nanohorns настоящее время также изучаются на предмет их потенциального провести водорода и углеводородов для использования в топливных элементах. По данным Министерства энергетики США, водородные топливные элементы будут иметь практическое значение для использования в транспортных средствах, когда содержание водорода составляет 6,5% по весу. На сегодняшний день требования цифры выше 1,5%, были оспорены. Прогнозы значительного коммерческого использования водородные топливные элементы в машинах также широко варьируются от 2005 до 2015 года. Nanomix (nanomix.com), которая топливных элементов в качестве долгосрочной цели, с использованием водорода в качестве топлива, считает он будет способен производить системы проведения 5-6 кг водорода под $ 1000 / транспортного средства.

Другой носитель для водорода компании BASF "nanocubes" (которые на самом деле не нано). По этой технологии, масштабируемости и экономика производства выглядят многообещающими, но пока еще слишком рано, чтобы быть уверенным. Первый целевой рынок является персональной электроники.

Перемены неизбежны, но перспективы ярко

Многие из прямого применения нанотехнологии относятся к устранению какого-либо элемента или соединения из окружающей среды с помощью, например, использование нанофильтрация, нанопористых адсорбентов и катализаторов. Однако, большинство эффектов, вероятно, будут косвенными. Например, в экологические вопросы, нанотехнологий открывает новые возможности для компаний, которые хотят увеличить свои "зеленые" полномочия без нанесения вреда их баланс.

Тем не менее, как и любой новой технологии, нанотехнологии могут оказывать положительное или отрицательное воздействие на окружающую среду и общество. Очевидно, что повышение эффективности производства энергии и предложением коммерческих, так и экологические преимущества. В этой области мы, вероятно, увидеть наибольшее влияние в экономии средств за счет легких композитных материалов, роста использования альтернативных источников энергии (посредством улучшения экономической эффективности использования солнечной и ветровой энергии, например), а также появлением коммерчески жизнеспособных клеток топлива количество заявок.

Чуть более спорным, однако, широко осуществляться применения наночастиц в медицине, в частности, доставки лекарств, где влияние наночастиц на здоровье человека является безрезультатным. Любое новое соединение или продукт должен быть и будет полностью характеризуется до утверждения, а также долгосрочные последствия должны быть изучены до какого-либо продукта к производству. Нормальных процедур, используемых для оценки таких продуктов, вероятно, столкнется с многочисленными проблемами.

Дополнительная литература

1. Харпер, Т. и др.. ", Доклад Нанотехнологии возможностей", Cientifica, Лондон, Великобритания (апрель 2002).

2. Харпер, Т. и др.. ", Доклад Нанотехнологии возможностей", вторая ред. Cientifica, Лондон, Великобритания (июнь 2003).

Тим Харпер, Cristina римской Vas и Павла Холистер

Cientifica ООО

TIM Харпер является основательницей и президентом СС Cientifica (Officina 19-20, Edificio BurgoSol, C / Comunidad де Мадрид 35-бис, 28230 Лас-Росас, Испания, телефон: +34 91 640 71 85, факс: +34 91 640 71 86; Телефон / факс из США: (877) 295-4480, E-почта: <a href="mailto:tim.harper@cientifica.com"> tim.harper @ <cientifica.com />) и генеральный директор ООО Cientifica . (Лондон, Великобритания), бизнес-исследований и консалтинга руку СС Cientifica. Харпер ранее инженером в R Европейского космического агентства

PAUL Холистер (E-почта: <a href="mailto:paul.holister@cientifica.com"> paul.holister @ <cientifica.com />) является редактором главный X Доклад и TNT Еженедельно, последняя из которых имеет читателей охватывающих сообщества нанотехнологий научных кругов инвесторов. После ранней подготовки в области биохимии, Холлистер работал в научных публикаций и в индустрии информационных технологий в качестве консультанта, бизнес-аналитик и разработчик системы.

CRISTINA РОМАН VAS, старший научный консультант и управляющий директор Cientifica в Мадриде, Испания (Тел.: +34 91 636 06 26, факс: +34 91 640 71 86, E-почта: <A HREF = "mailto: cristina.roman @ cientifica. ком "> cristina.roman @ <cientifica.com />). До прихода в Cientifica, она работала на Джонсона