24.01.2019

Альберт Насибулин часть 2

Будущее начинается с мелочей. Осталось выяснить — с каких именно.

Физик Альберт Насибулин о передовых технологиях.

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. Физик 3.jpg

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)— 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…

Интервью журналу "Огонёк" №2 от 21.01.2019

Центр перспективных экономических исследований Академии Наук РТ 50 лучших инновационных идей для Республики Татарстан Виртуальный музей-библиотека Академии Наук Республики Татарстан Татарстанский ЦНТИ