Россия еще может стать лидером в углеродных нанотехнологиях
МОСКВА, 4 фев – РИА Новости. Известный российский физик Александр Вуль рассказал о том, как открытие фуллеренов, графена, углеродных нанотрубок и прочих наночастиц изменило мир науки и технологий за последние годы, и почему Россия имела большие шансы захватить лидерство в этих отраслях, но почти упустила его.
Александр Вуль, заведующий лабораторией в Физико-техническом институте РАН имени Иоффе в Санкт-Петербурге, считается одним из ведущих специалистов в физике углеродных наночастиц в России. На прошлой неделе он выступил с лекцией в компании "Роснано", в рамках которой он рассказал слушателям, в том числе и Анатолию Чубайсу, о том, как продвинулись углеродные нанотехнологии за последние 30 лет, и можно ли эти разработки применять сегодня на практике.
"Мячики на стол"
Такая дата, как отмечает профессор, была выбрана им не случайно – более 30 лет назад, в 1985 году, ученые впервые экспериментально доказали существование фуллеренов и получили их на практике.
"Почему углерод, почему он так важен для нас? Углерод является одним из самых распространенных элементов во Вселенной. Вся органическая химия, по сути, основана на бензольном кольце, который в некотором роде можно представить как своеобразную наноструктуру-шарик. В отличие от других элементов своей группы, только углерод может образовать разные кристаллические структуры – алмаз, графит и ряд других вещей. Кремний этого не может делать", — начал свой рассказ Вуль.
По его словам, история открытия фуллеренов и других наноструктур, как и все остальное в жизни и науке, имела драматический и местами трагический характер. Углеродные структуры, похожие на мячик, были теоретически предсказаны японским химиком Эйдзи Осавой еще в 1970 году, но о существовании его статьи в японском научном журнале никто не знал долгие годы.
© Фото: Science/AAAS
Физики превратили нанотрубки и воск в мощные синтетические мускулы
Через год, не зная о публикации японского коллеги, советские химики из Института элементоорганических соединений АН СССР, Елена Гальперн и Дмитрий Бочвар, математически доказали, что такая структура может существовать в реальном мире, и даже склеили ее модель – классический футбольный "мячик" фуллерена. Руководитель института, известный академик Александр Несмеянов, посчитал это шуткой и долго не давал авторам этого "мячика" опубликовать свою работу, которая вышла в свет лишь в 1973 году.
Вдобавок, как отмечает Вуль, сами ученые не верили в то, что такую структуру удастся синтезировать, и прошло много лет, прежде чем фуллерены стали реальностью, и работы японского химика и его русских коллег мир уже успел забыть. В результате Нобелевскую премию 1996 года за открытие фуллеренов получили совсем другие люди – американцы Ричард Смолли, Роберт Керл и Гарольд Крото.
"Осава рассказывал мне, что тот день, когда он увидел (их) работу, стал самым черным днем его жизни. "Я почувствовал, что у меня отняли ребенка", говорил он", — продолжает физик.
Схожим образом складывалась ситуация с открытием нанотрубок, на роль чьих создателей претендуют два японских химика – Моринобу Эндо, обнаруживший их первыми, но опубликовавший статью о своем открытии в малоизвестном журнале, и Сумио Ииджима, опубликовавший статью об их открытии почти сразу после создания фуллеренов и ставший благодаря этому более известным.
© Фото: Joel Brehm, University of Nebraska-Lincoln Office of Research and Economic Development
Трехмерная визуализация углеродных нанотрубок переменного диаметра
Наследие Союза
Главный вклад российских ученых в открытия, касающиеся углеродных наночастиц, был совершен в двух других областях – в синтезе так называемых "детонационных" наноалмазов и в производстве так называемого нанопористого углерода.
"Если бы мы сегодня остановили производство обычных искусственных алмазов, то вся промышленность цветных металлов просто бы встала, так как нечем было бы их обрабатывать. И это производство было неплохо развито в Советском союзе – только один Полтавский завод на Украине производил примерно четверть синтетических алмазов, которые закупались американскими клиентами", — рассказывает Вуль.
Методика изготовления этих алмазов была изобретена не в России, а в США в середине 1950 годов компанией General Electric, однако следующий этап в "миниатюризации" алмазов был сделан в Советском Союзе.
"У наших ученых родилась другая блестящая идея – создавать алмазы не из графита, а из одиночных атомов углерода во взрывчатых веществах, используя энергию взрыва как источник высокого давления и температур. Это открытие было сделано трижды из-за высокой секретности таких работ, а первая публикация об этой методике вышла в свет через десятилетия после ее создания", — объясняет ученый.
Первенство России в этой области, как подчеркивает Вуль, не вызывает сомнения в мире, однако наша промышленность проигрывает конкурентную борьбу и теряет эти технологии – их больше применяют в Китае и в других зарубежных странах, нежели в России.
© Boris I. Yakobson et al.
Тверже алмаза: ученые исследовали свойства одноатомной углеродной нити
"Это то, где мы могли иметь мировой приоритет, и в производстве, и в применении детонационных алмазов. Сейчас здесь крайне жесткая конкуренция, и мы имели бы огромное преимущество за счет продвинутой отрасли взрывчатых веществ. Очень обидно, что впервые сделали у нас, а потом, в силу известных причин, не мы начинаем это использовать".
Нечто похожее произошло со вторым большим открытием российских ученых – нанопористый углерод был открыт в Петербургском технологическом институте, однако патентом на его производство и использование обладает эстонская фирма Skeleton Technologies, которая, как считает Вуль, в ближайшее время станет крупнейшим производителем суперконденсаторов на базе этого материала и уже не российской технологии.
Другой углеродный наноматериал, к созданию которого Россия тоже имеет отношение – графен, пока не оправдывает ожиданий. Графен, по словам Вуля, могли так же открыть в Советском Союзе, однако из-за ошибки Льва Ландау, считавшего такие материалы не существующими в природе, никто даже не пытался создать его из-за высокого авторитета академика.
© Фото: Peter Allen/Harvard SEAS
Так художник представил себе графен в виде "водного металла"
"Когда графен открыли Костя Новоселов и Андрей Гейм, все сразу обратили внимание на высокую подвижность электронов в этом материале. Именно поэтому Гейм, когда он еще не был лауреатом Нобелевки, сразу говорил, что его основной приоритет – терагерцовая электроника", — продолжает физик.
Как Вуль пояснил РИА "Новости", он считает, что первооткрыватели графена сознательно умолчали о том, что данный материал невозможно сделать полупроводником из-за отсутствия в нем так называемой "запрещенной зоны". Это фактически не позволяет создавать "чистую" электронику на базе графена и вынуждает ученых идти на серьезные компромиссы, сочетая графен с другими материалами, что пока не позволяет создать транзисторы, способные работать на частотах в тысячи терагерц. Пройдут десятки лет, прежде чем графеновая электроника станет реальностью, считает петербургский ученый.
Что делать?
Как Россия может вернуть себе лидерство в технологической части этой отрасли? Как считает Вуль, сделать это можно, в первую очередь, благодаря пока уникальным российским технологиям и приемам, которые позволяют производить нанотрубки и фуллерены в десятки раз дешевле, чем это делают сегодня западные и японские нанокомпании.
"На самом производстве наноструктур, денег много не заработать. Нужно делать следующие продукты в цепочке – к примеру, комбинации из разных углеродных наноматериалов, которые стоят в десятки раз дороже. Делают ли у нас это? Пытаются, но пока прогресс недостаточен", — объясняет физик.
Проблема заключается в том, что сами по себе подобные материалы, несмотря на их высокую технологичность и сложность производства, приносят мало прибыли из-за небольших объемов производства и малой потребности в них в мире сегодня и в ближайшем будущем. Только фуллерены и нанотрубки заняли прочное место в промышленности в качестве добавок для различных смазок, наполнителей, изоляционных материалов, а также в качестве добавок для солнечных батарей для повышения их эффективности.
© Dubrovinskaia et al. Sci. Adv. 2016; 2 : e1600341
Российские физики создали "неразрушимые" наноалмазы
"Мы поздновато вступили в гонку производителей нанотрубок, и ученые в этом не виноваты. Для того, чтобы развивать технологии их производства, нужны не деньги, а электронные микроскопы и другие инструменты. Заказчикам нужны не просто нанотрубки, а трубки с определенными свойствами. Такие микроскопы в 1990 годах были всего в двух институтах в Новосибирске. Наша промышленность ничего не хочет делать, объемы производства не растут, и Россия уступает зарубежным конкурентам. Наши разработки доводятся до ума за рубежом, и мы получаем пустое место", — продолжает Вуль.
С другой стороны, в некоторых других областях вполне можно захватить лидерство, если обратить на них внимание. Как отмечает физик, сегодня очень быстро развиваются полимерные солнечные батареи на базе фуллеренов, обладающие высокой гибкостью и прозрачностью. Их создание и производство в России может поднять российскую наноиндустрию на мировой уровень. Такие батареи будут обладать средней эффективностью, однако они будут дешевы и удобны в использовании.
Как отметил Чубайс, это направление уже сегодня развивается в рамках "Роснано", и сейчас госкорпорация строит центр гибкой полимерной электроники, где эти технологии обретут смысл для существования. По его словам, компания и частные инвесторы готовятся вложить очень большие деньги в этот проект.
Еще одно интересное направление – суперконденсаторы на базе нанопористого углерода. Такие конденсаторы будут удерживать рекордное количество электричества, но пока технологии не отработаны не до конца, нет общего стандарта их изготовления.
Это позволяет отечественной нанопромышленности "вписаться" в этот рынок, несмотря на присутствие сильных конкурентов, подобрав удачную комбинацию электролита и углеродного материала. Такие конденсаторы смогут стать основой для электромобилей и других устройств, где нужно быстро отдать большое количество энергии. Небольшие конденсаторы такого типа в России уже создает фирма "Герикон", однако нужно выходить, как считает петербургский ученый, на другие масштабы.
© Fotolia/ ogwen
Физики создали компьютер на базе сверхчистых углеродных нанотрубок
С другой стороны, как отметил Анатолий Чубайс, даже при реализации всех этих идей сфера применения этих наноматериалов будет оставаться достаточно узкой – как признал Вуль, никаких материалов, состоящих целиком из наноструктур и интересных для промышленников и бизнеса, пока ученые не создали.
"Для осуществления этих замыслов необходимо решить принципиальную задачу – научиться "печатать" нанотрубки и другие структуры в заданном направлении, свободно манипулировать ими и выстраивал из них сложные конструкции. Без этого нельзя говорить о создании чипов из нанотрубок и материалов с заранее заданными свойствами. Пока мы можем делать только канаты из скрученных нанотрубок", — заключает физик.
— С момента открытия углеродных нанотрубок нам обещают создать космические лифты, способные поднимать грузы в космос с поверхности Земли по тросу из нанотрубок. Возможно ли изготовление таких длинных волокон?
— Безусловно. Несколько лет назад нам уже показывали волокно из упорядоченных нанотрубок, превосходящее по прочности стальной трос. Но вопрос в том, нужны ли такие конструкции? Я считаю, что потребности в этом нет. У нас сейчас нет "космической гонки" с США, нет необходимости первыми чего-то достичь любой ценой, и у них тоже ее нет.
