http://93.174.130.82/digest/showdnews.aspx?id=e95bb971-c24e-4dd0-9753-d86067e84737&print=1© 2024 Российская академия наук
Физик Альберт Насибулин о передовых технологиях
Физики, работающие с веществом на наноуровне, не сомневаются: уже через пару десятков лет их открытия изменят наш мир до неузнаваемости. Войдет в обиход гибкая электроника, суперэкономичные аккумуляторы, построят трос для космического лифта, это не говоря уже об одежде с наночастицами, которую можно не стирать месяцами… О самом прикладном разделе современной науки Елене Кудрявцевой рассказал профессор Сколковского института науки и технологий и Университета Аалто (Финляндия) Альберт Насибулин.
Сочинитель материи
Будущее начинается с мелочей. Осталось выяснить — с каких именно
Профессор РАН Альберт Насибулин большую часть своей научной деятельности провел в институтах Финляндии, успешно совмещая фундаментальные исследования с разработкой наукоемких технологий. Сейчас он руководитель лаборатории наноматериалов Сколтеха, специалист в области синтеза, исследования механизмов роста и применения наноматериалов, автор и соавтор более 230 научных работ и 24 патентов.
Профессор Насибулин — автор оригинальных технологий синтеза однослойных углеродных нанотрубок (ОУНТ) аэрозольным методом химического осаждения из газовой фазы. Он также разработал метод изготовления свободностоящих пленок ОУНТ с толщиной от субмонослоя до нескольких сотен нанометров. Предложил новый, простой и быстрый метод синтеза и изучения механизмов роста нитевидных кристаллов оксидов различных металлов. Является сооснователем двух компаний, которые успешно коммерциализируют результаты научной деятельности.
За это время в реакторе — он напоминает высокотехнологичную духовую печку — углеродные компоненты распадаются на частицы нанометрового размера, а затем собираются в новый материал. Его переносят на гибкую или эластичную подложку (в виде пленки), и вот перед нами основа для электроники будущего, прозрачной, гибкой и эластичной. Если положить такую пленку на любую поверхность — стекло, дерево, ткань, даже бумажные обои,— она превратится в сенсорный экран (см. фото на с. 33). Мало того, вы также можете придать этому экрану любую форму. Ученые обещают: при нынешнем темпе разработок такие новинки войдут в нашу жизнь в ближайшие годы.
— Альберт Галийевич, эта техника напоминает о временах, когда слово «нанотехнологии» звучало из телевизора каждый день. Помнится, лет 5–10 назад уже ждали прорыва, но его не произошло. Надежды оказались напрасными?
— Вовсе нет, в XXI веке нанотехнологии наряду с информационными и биотехнологиями стали фундаментом научно-технической революции.
Если говорить в денежном эквиваленте, общий рынок нанотехнологий в 2019-м, по оценкам экспертов,— около 60 млрд долларов, годовой прирост — порядка 20 процентов.
Не секрет, что этот сектор науки рассматривают как рычаг политического влияния, и это тоже способствовало его развитию в приоритетную область исследования во многих странах. Сейчас этим занят весь цивилизованный мир.
Другое дело, что развитие любой технологии начинается со взрывного интереса, проходит пик чрезмерных ожиданий, а потом научное сообщество постепенно разочаровывается. А через некоторое время начинается новый подъем, связанный с переходом от фундаментальных исследований к практическому применению. Именно это сейчас и происходит с нанотехнологиями.
— О поддержке нанотехнологий на госуровне раньше всех заговорили в США. Это и спровоцировало взрывной интерес к новой отрасли?
— Да, правительство США в 2000 году положило начало бурному развитию этой науки, объявив о «Национальной нанотехнологической инициативе» — она привлекла почти миллиард долларов государственного и внебюджетного финансирования. Этот подход стал моделью: за 5 лет о таких планах развития заявили 50 стран.
— Значит, Россия, объявившая о приоритете нанотехнологий лишь в 2007-м, отстала?
— На самом деле у нас нанотехнологии включили в Федеральную программу «Исследование и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» еще в 2002-м. А в 2007-м президент назвал нанотехнологии одним из приоритетных направлений и предложил учредить российскую корпорацию нанотехнологий, которая затем была преобразована в «Роснано». В 2008-м была принята программа по развитию наноиндустрии, но сейчас в связи с реорганизацией Минобрнауки многие из намеченных тогда проектов финансировать перестали. В прошлом году, по моим сведениям, у нас не было объявлено грантов в этой области. Ожидаем, что в этом году ситуация изменится.
— США потратили на нанотехнологии миллиарды. А на какое направление в первую очередь?
— На развитие материаловедения, и это не случайно. Развитие цивилизации неразрывно связано с совершенствованием технологии использования и получения материалов: человечество прошло через стадии использования бронзы, стали, полимерных соединений, композитов, а сейчас наступил этап, когда мы накопили знания в области наноматериалов. Благодаря этому целые сферы деятельности начинают кардинально меняться: электроника, энергетика, сельское хозяйство, медицина...
Атомное лего
— Долгое время ученые не могли договориться о том, что считать наноматериалами. Да и работают они с веществом на атомарном уровне не первый десяток лет. Сейчас есть какая-то определенность в классификации?
— Наноматериалы — это объекты с размером в диапазоне от 1 до 100 нанометров. Для наглядности: диаметр человеческого волоса составляет примерно 80 тысяч нанометров, а поперечный срез цепочки ДНК — 2 нанометра. Если чайка сядет на палубу авианосца, то он погрузится в воду на 1 нанометр.
Теперь о свойствах наноматериалов. Свойства любого вещества определяет количество атомов, которое находится у него внутри и снаружи. Например, обычно на поверхности куска сахара находится примерно 1 атом из 10 млн, но, если размолоть кусочек в нанопыль, на поверхности окажется порядка 80 процентов всех составляющих его атомов. Колоссальное увеличение площади и количества находящихся на поверхности атомов — причина резкого изменения свойств. Атомы на поверхности связаны с меньшим количеством соседних атомов, чем те, что находятся внутри, поэтому обладают избыточной энергией. В итоге мы получаем вещество с принципиально новыми свойствами.
На самом деле люди это знали еще до появления науки, например когда сжигали уголь и получали сажу — она как раз укладывается в нанометровый диапазон. К слову, недавно была опубликована статья по дамасской стали. Оказалось, в ее составе есть углерод в виде углеродных нанотрубок — одного из самых известных и перспективных наноматериалов с потрясающими свойствами.
— И какие свойства проявляются у веществ в новом состоянии?
— Самые разные: увеличивается твердость в сочетании с высокой пластичностью, увеличивается предел текучести, меняется температура плавления… Так, железо, которое плавится при температуре 1,5 тысячи градусов, в наноразмерном состоянии имеет температуру плавления порядка 200–300 градусов.
Свежее дыхание химии
— Тем не менее распространение получили углеродные наноматериалы. Чем они интересны, и почему российские ученые, вложившие в работу с ними немало сил, остались в стороне от нобелевских премий?
— В этой истории немало драматических страниц. Начать надо с открытия фуллерена. Это молекула углерода, представляющая собой полую замкнутую сферу. Она имеет форму усеченного икосаэдра — как футбольный мяч. Не случайно японский физик Эйдзи Осава догадался о существовании такой молекулы, наблюдая за игрой сына в футбол в 1970-м. Но статья об открытии была написана на японском, его в буквальном смысле не поняли.
В 1973-м существование необычной формы углерода впервые было подтверждено расчетами советских ученых из Института элементоорганических соединений РАН. Елена Гальперн, Игорь Станкевич и Дмитрий Бочвар исследовали полые углеродные замкнутые структуры, надеясь найти стабильную. Заядлый футболист Станкевич обратил внимание на замкнутую структуру из углерода С60, имеющую симметрию усеченного икосаэдра. По легенде, он принес в лабораторию футбольный мяч и сказал: «22 здоровых мужика часами пинают этот мяч. Молекула такой формы должна быть очень крепкой». В итоге ученые, не имея на тот момент подходящей ЭВМ, выполнили расчеты, предсказывающие электронную структуру новой молекулы. К сожалению, на открытие особо внимания не обратили, а синтезировать фуллерены не представлялось возможным.
— В итоге вся слава досталась экспериментаторам.
— Да, экспериментально материал был получен в 1985 году тремя англоязычными учеными: Робертом Кёрлом, Харольдом Крото и Ричардом Смолли. Они так спешили опубликовать статью, что не стали рассчитывать модель молекулы и вместо иллюстрации в журнале Nature поместили фотографию футбольного мяча. За открытие фуллеренов им в 1996-м присудили Нобелевскую премию. В нобелевской речи Крото упомянул, что молекула фуллерена «очаровала ученых, привела в восторг обывателей и придала свежее дыхание химии». Получение фуллеренов породило продолжающийся до сих пор бум углеродных наноструктур: полученные вскоре углеродные нанотрубки изменили мир.
Нанонос
— Словосочетание «углеродные нанотрубки» знакомо не только ученым. Многие слышали, что с их помощью обычные вещества приобретают сверхъестественные свойства. Но мало кто понимает, как они устроены.
— Углеродные нанотрубки — это не существующие в природе молекулы углерода в виде полой трубки диаметром около нанометра и длиной несколько десятков микрон.
Считается, что они открыты японским ученым Сумио Иджима в 1991-м. Хотя еще в далеком 1952-м советские ученые Л. Радушкевич и В. Лукьянович в «Журнале физической химии» поместили изображение углеродных нанотрубок. Так что нам есть чем гордиться.
— Тогда почему именно публикация 1991 года вызвала настоящий технологический бум?
— Была подготовлена почва: все уже ждали. Научное сообщество мгновенно подняло открытие нового наноматериала на небывалый уровень. Углеродные нанотрубки и в самом деле имеют уникальные свойства. Если рассмотреть механическую прочность, то благодаря углеродной связи между атомами, на земле нет материала прочнее. Более того, микроскопические добавки углеродных нанотрубок в другие материалы могут кардинально менять их свойства. Скажем, делать полимер электропроводящим или очень прочным и легким. Простой пример — совершенствование самолетов. Сейчас их фюзеляж сделан из металла. Чтобы уменьшить вес, можно использовать полимеры с добавками углеродных нанотрубок.
Появляются сообщения и об экзотических экспериментах. Так, в Университете Тренто (Италия) паукам скармливали углеродные нанотрубки, после чего, утверждают физики, те сплели сверхпрочную паутину — более крепкую, чем кевларовые волокна.
— Как дорого производство углеродных нанотрубок? Из чего их делают?
— Нанотрубки чаще всего получают на инертной подложке, способной выдерживать высокие температуры. Для этого углеродсодержащие соединения разлагают в присутствии наноразмерного катализатора в реакторе, разогретом до порядка 1000 градусов. Что касается источника, то им может быть любое химическое соединение, содержащее углерод. Чаще всего это метан, монооксид углерода или спирт. Но есть и пионерские работы по добыче углеродных наноматериалов из… воздуха. В 2015-м команда из Университета Дж. Вашингтона (США) брала атмосферный углекислый газ, из которого путем определенных манипуляций получала углеродные нановолокна.
— Над чем сейчас трудится ваша лаборатория в Сколтехе? Судя по заявленному оборудованию, она не должна уступать мировым университетам?
— Сегодня лаборатория наноматериалов входит в число лучших технологических лабораторий в мире. Одна из главных задач — прогнозирование поведения и свойств углеродных наноматериалов, в частности — углеродных нанотрубок. Лаборатория Сколтеха — одна из четырех в мире, где нанотрубки получают особым аэрозольным методом. Это занимает, как вы видели в начале, секунды и позволяет на выходе получать готовый продукт, не требующий очистки. Что касается целей, то сейчас мы занимаемся разными проектами, которые объединяет лишь общий базовый материал. Помимо гибкой и прозрачной электроники мы создали термоакустический ультразвуковой громкоговоритель, используя в качестве динамика свободно подвешенные прозрачные пленки из
углеродных нанотрубок. Такие пленки могут использоваться и для получения высокочувствительных и быстродействующих фотодетекторов инфракрасного диапазона. Мы работаем и над созданием переключаемых лазеров. Отдельный проект — газовые сенсоры, так называемый электронный нос.
— И чем этот сенсор отличается от аналогов?
— Прежде всего чувствительностью. Сенсор на основе углеродных нанотрубок позволяет определить миллиардные доли вещества. Одна из задач — сделать его с помощью машинного обучения похожим на работу обонятельной системы млекопитающих, чтобы он в принципе мог чувствовать любые изменения. Помимо стандартного набора газов он может определить, что в помещении изменилась температура и влажность. Он будет помогать пожарным определять, что горит в помещении и можно ли туда входить.
Проблема в том, что мы пока не до конца понимаем, как охарактеризовать запах. Свет — это длина волны, звук — тоже. А запах?
Поэтому мы до сих пор не можем его оцифровать так же, как и вкус. Над всеми этими загадками работают наши студенты и аспиранты. Особенность Сколтеха в том, что мы нацеливаем их не только на получение научных знаний, но и на внедрение разработок. Поэтому каждый из этих проектов, я надеюсь, в недалеком будущем должен выстрелить — дать старт высокотехнологичной компании. Пока мы открыли одну компанию, которая коммерциализирует маркировку взрывчатых веществ. На подходе вторая — получение прочного и проводящего волокна на основе наноматериалов для 3D-печати.
Китайский след
— Давайте не о науке, а о наноиндустрии. Сколько сейчас в мире производят тех же уникальных нанотрубок?
— Есть два вида нанотрубок. Многослойные — их получить относительно просто в больших количествах. И однослойные — легкие, но более ценные. Если говорить о многослойных трубках, за год в мире их производится свыше 2 тысяч тонн. Безусловный лидер по производству многослойных нанотрубок Китай.
— Однослойные — другой материал?
— Да, и получить его гораздо сложнее, ведь он очень легкий: каждая углеродная нанотрубка состоит всего из одного атомного слоя углерода. На сегодня можно говорить о мировом производстве порядка 10 тонн в год. Лидером здесь является Россия. Продает этот материал, а также распространяет для исследований, отечественная компания OCSiAl в Новосибирске. В 2019-м она планируется запустить установку, которая позволит получать 50 тонн в год. Это довольно дорогой материал, поэтому его используют как добавку в небольших количествах: для изменения механических свойств в полимер добавляют от 0,01 до 1 процента. И это принципиально меняет свойства.
— Чиновники все чаще говорят, что в РФ нужно создавать наноиндустрию. О чем речь? Годятся ли для этой цели предприятия химической отрасли?
— В России, несмотря ни на что, сохранились сильные научные школы. Многие коллективы занимаются фундаментальным изучением наноматериалов. Появляются и новые центры, наподобие «Сколково», Иннополиса в Казани, нанотехнологического центра «ТехноСпарк» в Троицке и другие, где нанотехнологии являются основным объектом исследований. Но, к сожалению, существующая государственная структура не позволяет внедрить какие-то разработки.
Одна из главных проблем внедрения нанотехнологий в России в том, что их некуда внедрять.
Наша индустрия после распада СССР оказалась практически развалена, и она только кое-как встает на ноги. Где-то начинает появляться интерес к разработкам нанотехнологий, но самой наноиндустрии нет, она только формируется, а существующая промышленность нашими разработками еще не заинтересовалась.
— Можно назвать современную мекку нанотехнологий и создания наноматериалов?
— Одного центра нет. Но нанотехнологиями занимаются абсолютно все ведущие университеты мира — КалТех, Университет Техаса в Далласе, Хьюстонский университет, МТИ, Стэнфорд, Университет Токио, Цингуа, Университет Манчестера, Аалто, Пекинский университет... Китайцы, кстати, в отношении наноматериалов сегодня впереди планеты всей.
— За счет чего они вырвались?
— Экономика в Китае плановая, и если партия скажет, что необходимо внедрять материалы, то под это выделяют деньги и решение воплощают в жизнь. Этим летом я был на крупнейшей конференции по нанотрубкам и новым двухмерным материалам в Пекинском университете. Выступал один из чиновников КНР, который рассказал, что за два последних года они открыли 15 научно-технологических центров, которые не только получают и исследуют новый материал — графен, но уже и продают его.
— Какие еще новинки ожидают нас в ближайшем будущем благодаря развитию наноматериалов?
— Думаю, что в первую очередь мы увидим гибкую электронику, включая сенсоры касания, и облегченные детали в автомобилях. Но уже сегодня в магазине можно купить спортивные товары с применением наноматериалов: довольно легкие и прочные ракетки для тенниса и бадминтона, лыжи с покрытием из углеродных нанотрубок с супергидрофобными свойствами, велосипед весом в 1 килограмм. Кстати, именно на таком Флойд Лэндис не так давно выиграл велогонку «Тур де Франс».
— Насколько реальны заверения, что использование углеродных натотрубок позволит построить космический лифт, который резко удешевит доставку грузов на орбиту?
— Лет 5–10 назад НАСА потратило довольно много денег, чтобы узнать, возможно ли создание такого лифта. Понятно, что речь прежде всего о тросе, который должен покрыть всю длину от Земли до орбиты, быть прочным и одновременно легким, чтобы не порваться под собственным весом (стальной трос рвется при длине 10 километров.— «О»). Пока в лаборатории удалось получить углеродные нанотрубки порядка 1 метра в длину. Но, думаю, уже лет через 10–20 мы увидим материал, который станет потенциально годным для создания троса для космического лифта.
— Эти материалы используются для военных нужд?
— Ученые ведут исследования, но особо о них не рассказывают. Есть работы, которые показывают, что углеродные нанотрубки совместно с кевларом можно использовать для высокопрочных тканей для бронежилетов. В открытых источниках сообщалось, что новейший боевой вертолет Ми-28НМ получил композитные лопасти, созданные с применением нанотехнологий.
Также известно, что американская компания NanoScale Materials Inc. предложила продукт на основе нанотехнологий, который нейтрализует токсичные химикаты. Порошок состоит из активных наночастиц, которые связывают и дезактивируют около 24 боевых токсичных соединений.
Молоко из травы
— Ждать ли открытия новых материалов? Сколь охотно дают деньги на такие исследования?
— С каждым годом получить грант на изучение новых материалов тяжелее. Все не так радужно, как думали вначале: от синтеза нового материала до его использования проходит порядка 20 лет. А чиновникам интересно получить выход немедленно, поэтому сейчас в основном финансируются медицинские или биологические тематики.
Пик исследования углеродных нанотрубок пришелся на 2014 год, затем количество публикаций и патентов снижается. Одна из причин — многие ученые, занимавшиеся углеродными нанотрубками, переключились на графен — новый перспективный материал. Как известно, за его открытие два наших ученых-физика — Андрей Гейм и Константин Новоселов, работающих в Университете Манчестера,— в 2010 году получили Нобелевскую премию по физике. Графен обладает огромной механической прочностью, у него высокая теплопроводность и электропроводность.
— У меня вопрос. То, о чем мы с вами говорим, это физика или уже давно химия? Вы сами как себя позиционируете как ученый?
— По образованию я химик, окончил химический факультет, стал кандидатом химических наук, но так получилось, что я всю жизнь работал с физиками. Последнее мое место до Сколтеха —Университет Аалто в Хельсинки на кафедре прикладной физики. Я химик, но занимаюсь процессами образования вещества, изучением физических свойств и применением полученных новых материалов.
— Почему вы решили стать ученым?
— Любовь к науке у меня проявилась благодаря химии. У нас был очень хороший учитель химии, а в школе — она в городе Междуреченске (Кемеровская область.— «О») — прекрасная лаборатория, которая позволяла любые эксперименты. Например, мы делали вытяжки из разных растений и воспроизводили лосьоны. А когда я поступал в Кемеровский госуниверситет на химфак, то у меня была тайная идея: я хотел создать молоко из травы, убрав из этого процесса корову.
— А физически это возможно?
— Возможно, это долгий биофизикохимический процесс, который до сих пор не был реализован. Но теперь, с развитием нанотехнологий, можно было бы попробовать…