Глава 3 Наноматериалы и способы их получения
Возможность манипулирования отдельными атомами впервые была высказана лауреатом Нобелевской премии Р. Фейнманом в лекции: «Внизу полным-полно места. Приглашение в новый мир физики», прочитанной 29 декабря 1959 г. [1]. Термин «nanotechnology» (нанотехнология) был введен японским профессором Норио Танигучи в 1974 г. в докладе «Об основной концепции нанотехнологии» [2]. С практической точки зрения под термином «нанотехнология» удобно рассматривать совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы макромасштаба. Понятие «наноматериалы» было определено Г. Тлейтером в 1981 г. [3]. Наноматериалы включают в себя группу различных материалов (наноструктурные, нанофазные, нанопористые, нанокомпозитные и т. д., а также нанопорошки, нанотрубки, нанокапсулы, нановолокна, нанопленки и т. д.). Характерным признаком таких наноматериалов является наличие в них основных структурных элементов (кристаллитов, пор, волокон, слоев и т. п.), величина которых, по крайней мере хотя бы в одном измерении, не превышает так называемого нанотехнологического предела – 100 нм [4]. Отдельной строкой из-за их широкого распространения можно выделить такие наноматериалы, как фуллерены и углеродные нанотрубки, иногда их называют нанообъектами. Впрочем, этот термин подходит также и к нанотрубкам вообще, и к нанокапсулам, и частично к нановолокнам. Следует отметить, что круг наноматериалов до сих пор расширяется. В 2004 г. был получен графен. Поиск новых наноматериалов идет и будет продолжаться.
Существует два подхода к получению наноматериалов. Первый, так называемый «снизу-вверх», основан в первую очередь на зондовой микроскопии и позволяет конструировать требуемые наноструктуры, прибавляя шаг за шагом необходимые атомы к собираемому объекту. Второй, наиболее распространенный – «сверху-вниз», удаляет лишний материал до тех пор, пока не будет получена соответствующая наноструктура.
Варианты патентования наноматериалов рассмотрим на примерах материалов, в которые входят наночастицы, углеродных нанотрубок и графенов, а также жидкостей, в которых включения разделены до наноразмерных частиц.
3.1. Материалы, содержащие наночастицы
Эти наноматериалы включают в себя огромное количество объектов, содержащих наночастицы, благодаря которым они приобретают уникальные свойства. Это могут быть полимеры, клеи, покрытия, биологически активные добавки, косметические средства, медицинские препараты и многое другое. Патентование таких объектов, материалов и способов не является особо сложной задачей, так как неизвестный ранее признак, приводящий к новому эффекту, и в обычных материалах является достаточным аргументом для получения патента.
Рассмотрим патентование наноматериалов на примере способа получения биологически активного вещества на основе природных объектов [5]. В одном из вариантов гомогенизацию исходной субстанции проводят до получения нанодисперсных частиц, которое приводит к повышению эффективности конечного продукта. Однако, несмотря на коммерческую целесообразность введения в название и первый пункт формулы изобретения процесса нанодиспергирования, было принято решение о его введении в зависимый пункт формулы. Это было сделано потому, что и без него исходный процесс обеспечивал получение достаточно качественного продукта и если бы получение нанодисперсных частиц было включено в первый пункт формулы изобретения, то его неиспользование все равно позволило бы конкурентам выпускать достаточно качественный продукт и при этом выйти из-под действия этого патента.
В другом варианте рассмотрим состав для придания волокнистым материалам антимикробных и фунгицидных свойств [6]. В этом случае наночастицы серебра уже должны были входить в первый независимый пункт формулы, так как это явилось основным отличительным признаком изобретения. При этом был назначен достаточно широкий диапазон количественного состава наночастиц серебра в растворе. Этот прием используется и для обычных материалов, однако для наноматериалов есть своя специфика выбора верхней границы диапазона. Наноматериалы часто бывают дорогими и превышение их концентраций может быть экономически нецелесообразным. Кроме этого, они достаточно активны и даже небольшое превышение концентрации может привести к нежелательным результатам. Дополнительная защита этого решения была обеспечена введением второго независимого пункта формулы изобретения, касающегося способа введения наночастиц серебра в раствор.
Таким образом, при патентовании наноматериалов не всегда обязательно вводить нанопризнаки в первый независимый пункт формулы изобретения. Кроме этого, целесообразно сделать максимальную защиту своего изобретения, используя свойства наночастиц, благодаря разумному расширению диапазона их процентного содержания в составе вещества.
3.2. Углеродные нанотрубки
С момента первого получения углеродных нанотрубок (УНТ) в 1991 г в компании NEC (Япония) при распылении графита в электрической дуге довольно быстро были разработаны различные устройства и способы их получения [7, 8, 9, 10]. В этих устройствах рабочий углеродосодержащий газ, подаваемый в камеру, разлагался под действием температуры на каталитической поверхности с образованием УНТ. Причем эти и некоторые другие способы, описанные в первых патентах, включили почти все возможные варианты. Тем не менее, часто для продвижения своего продукта на рынок необходимо его патентовать. А как быть, если почти все способы получения УНТ оказались уже запатентованы. Основной подход к патентованию оборудования и не только нанотехнологического в этом случае может состоять в защите его не основных характеристик, таких, как безопасность работы, удобство эксплуатации и т. п. Это и было осуществлено в патенте [11]. На рис. 3.1 представлена схема устройства роста углеродных нанотрубок. В этом устройстве реакционная камера 1 была выполнена с возможностью съема с основания 2, что обеспечило удобство профилактической чистки камеры 1. Нагреватель 3 за счет своей формы мог обеспечивать нагрев образца 4 и одновременно обезгаживание камеры 1. Устройство было снабжено модулем оптического воздействия 5 на образец 4, позволяющее воздействовать на процесс и его контролировать. Кроме этого, модуль 5 был оптически сопряжен с образцом 4 через канал 6 подвода парогазовой смеси от блока 7, что упростило конструкцию.
Рис. 3.1. Схема устройства роста углеродных нанотрубок: 1 – реакционная камера; 2 – основание; 3 – нагреватель; 4 – образец; 5 – модуль оптического воздействия; 6 – канал подвода парогазовой смеси; 7 – модуль формирования парогазовой смеси
3.3. Графены
Другим характерным наноматериалом является графен [12]. Финишные технологические операции по получению графена, очевидно, будут связаны с высокими технологиями, например, с различными вариантами плазменного травления графита. Однако если при патентовании ограничиться только их использованием, то экспертиза может резонно указать, что применяются известные способы (плазменного травления) для получения известных результатов (тонких пленок). Чтобы этого избежать и подтвердить новизну предложенного решения, необходимо было найти признаки изобретения в других действиях, не связанных с основной технологической операцией, а именно в способе подготовки образцов графита к травлению. Действительно, в случае, описанном ниже, способ создания первичных графитовых структур для последующего травления оказался уникальным, в результате чего были получены графитовые фрагменты толщиной 30—100 нм до 1 мм в поперечнике. При этом весь процесс их подготовки (первичное формирование, промежуточное закрепление, перенос и фиксация их на подложке для финишного плазменного травления) осуществлялся оператором с использованием примитивных средств. Однако на момент подачи заявки никто до этого не додумался. Более того, были разработаны различные способы первичного захвата графитовых фрагментов на промежуточный носитель, часть из которых вошла в зависимые пункты формулы изобретения [13], а часть была скрыта и оформлена как ноу-хау. В результате сочетание новых, хотя и «примитивных», манипуляций (признаков) с высокотехнологичными, хотя и известными, технологиями плазменного травления позволило выполнить критерии «новизна» и «изобретательский уровень».
Таким образом, если для патентования способов получения нанообъектов не удается найти отличительные признаки за счет высоких технологий, можно пытаться это сделать за счет обычных технологий либо благодаря сочетанию высоких и обычных технологий.
3.4. Жидкости с наноразмерными включениями
Особенности патентования таких решений хорошо иллюстрируются примерами кавитационного нанодиспергирования жидких смесей. Они показывают, как запатентовать сложный процесс, реализуемый посредством сложного устройства. В одном из вариантов, чтобы осуществить разделение микрочастиц на наночастицы было предложено использовать эффект кавитации. Он возникает в том случае, если канал 1 (рис. 3.2), по которому проходит высокоскоростной поток жидкости 2, перекрыть задвижкой 3. В результате этого, за задвижкой 3 по ходу движения жидкости 2 образуется разряженная зона 4, которая впоследствии, схлопываясь, формирует высокие ускорения жидкости 5, в результате чего микрочастицы 6 разбиваются на наночастицы 7. Процесс перекрытия канала 1 осуществляется с высокой частотой и поэтому диспергирование идет непрерывно.
Рис. 3.2. Процесс кавитационного нанодиспергирования: 1 – канал прохождения жидкости; 2 – поток жидкости; 3 – задвижка; 4 – разряженная зона; 5 – диспергированная жидкость; 6 – микрочастицы; 7 – наночастицы
Рис. 3.3. Кавитационный нанодиспергатор: 1 – ротор; 2 – первые отверстия; 3 – зазор; 4 – вторые отверстия; 5 – статор; 6 – входной патрубок; 7 – внутренняя полость ротора; 8 – приемная камера; 9 – выходной патрубок
Патентование таких решений обычно не вызывает трудностей, так как для обеспечения формирования кавитационных областей можно придумать большое количество конструкций, отличающихся одна от другой. Это может быть вращающийся барабан (ротор) 1 (рис. 3.3) с первыми отверстиями 2, сопряженными через зазор 3 со вторыми отверстиями 4, расположенными на статоре 5. Жидкость под давлением поступает во входной патрубок 6 и во внутреннюю полость 7 ротора 1. При его вращении отверстия 2 периодически совпадают с отверстиями 4, в это время жидкость из полости 7 поступает в приемную камеру 8. Зазор 3 составляет величину в несколько микрон и поэтому попаданием туда жидкости можно пренебречь. В моменты несовпадения отверстий 2 и 4 в камере 8 в непосредственной близости от отверстий 4 образуются кавитационные области, которые осуществляют нанодиспергирование жидкости. Готовый продукт поступает на выходной патрубок 9.
Такого рода конструкции довольно сложны, в них приходится решать большое количество задач: поддержание зазора 3, создание высокого давления на входном патрубке 6, организацию потоков в приемной камере 8 и т. д. Решение сложных задач приводит к возникновению большого количества отличительных признаков и патентование таких решений не вызывает проблем. Например, в патенте [14] описаны устройство и способ нанодиспергирования с более чем двадцатью отличительными признаками, касающимися в первую очередь конструктивного выполнения нанодиспергатора. Еще одна особенность при патентовании нанодиспергирования заключается в том, что в этом случае не требуется особенно следить за возможностью нарушения единства изобретения, так как почти все отличительные признаки будут работать на единую цель – уменьшение размеров частиц, то есть повышение эффективности процесса диспергирования. В том случае, если планируется получение серии патентов в данной области, то из-за глубокой взаимосвязи процесса и устройства его реализации целесообразно в первичном патенте защищать комплекс, имеющий два независимых пункта формулы изобретения (устройство и способ). Вторичные патенты при этом уже могут иметь один независимый пункт формулы изобретения (чаще всего способ), но с обязательным подробным раскрытием устройства реализации способа. Например, в патенте [15] на способ нанодиспергирования было приведено восемь чертежей устройства без внесения его признаков в независимый пункт формулы изобретения. Это было целесообразно, так как устройство достаточно полно объясняло процесс, но при этом состояло из известных на тот момент узлов, используемых по прямому назначению. Дополнительная простота патентования нанодиспергирования связана со сложностью изготовления нанодиспергаторов, возникающей из-за возможного кавитационного разрушения элементов конструкции. Используя принцип ТРИЗа «обратить вред в пользу», можно разрушающие свойства кавитации направить на удаление отложений на элементах конструкции. Дело в том, что при нанодиспергировании нефти в зазоре 3 и на краях щелей 2 и 4 могут образовываться солевые отложения, при нанодиспергировании молока зазор 3 может забиваться жиром и т. п. Технически добиться, чтобы конструкция не разрушалась, а разрушались только отложения непросто, но с точки зрения защиты интеллектуальной собственности перевод отрицательного эффекта в дополнительный положительный облегчает получение патента. Более того, в этом случае всегда есть возможность не раскрывать ноу-хау, а именно не приводить точного значения энергии диспергирования, позволяющей одновременно получать необходимый размер частиц, не разрушать конструкцию и оказывать воздействия на паразитные отложения.
Литература
1. Feiman R.P. Theres Plenty of Room at the Bottom. An Invitation to Enter a New Field of Physics. – Engineering and Science, 1960, vol. 23, № 5, p. 22–36.
2. Tanigychi N. On the Basic Concept of Nanotechnology // Proc. Int. Conf. Prod. Eng., Part 2, Tokyo, 1974. – p. 18–23.
3. Gleiter, H. Deformation of Polycrystals: Mechanism and microstructures // Proc. of 2nd RISO Symposium on Metallurgy and Materials Science. – Roskilde, 1981, p. 15–21.
4. Удовицкий В.Г. О терминологии, стандартизации и классификации в области нанотехнологий и наноматериалов. – ФИП, 2008, т. 6, № 3–4, с. 193–201.
5. Заявка RU2007145957. Способ получения водорастворимых форм биологически активных веществ. 12.12.2007.
6. Заявка PCT/RU2009/000191. Состав для придания волокнистым материалам антимикробных и фунгицидных свойств.
7. Заявка W02006091291. Apparatus and process for carbon nanotube growth. 13.01.2006.
8. Патент TW238421B. Conductive material using carbon nanotubes and process for preparing same. 18.07.2002.
9. Заявка JP2005187309. Method and apparatus for manufacturing carbon nanotube. 09.02.2004.
10. Абрамян А.А., Балабанов В.И., Беклемышев В.И., Вартанов РВ., Махонин И.И., Солодовников В.А. Основы прикладной нанотехнологии. – М.: Издательский дом «Магистр-пресс», 2007. – 197 с.
11. Заявка RU2007131065. Устройство роста углеродных нанотрубок методом пиролиза этанола. 15.08.2007.
12. Шека Е.Ф. Химическая теория и расчеты наноуглеродов: фуллерены, нанотрубки, графены. Нанонаука и нанотехнологии. Энциклопедия систем жизнеобеспечения. – М.: Издательство ЮНЕСКО, 2009, с. 415–444.
13. Заявка RU2009142861. Способ получения атомно-тонких монокристаллических пленок. 23.11.2009.
14. Патент RU2340656. Способ получения нанодисперсной водотопливной эмульсии и устройство для его осуществления. 01.06.2006.
Конец ознакомительного фрагмента.