Еще раз о функциональных наноматериалах

Алексей Викторович Лукашин. Алексей Викторович Лукашин.

В каком направлении сегодня развивается нанотехнологическая наука и промышленность? Сегодня многие задаются этим вопросом, но далеко не все знают на него ответ. Своим мнением об этом любезно делится член редколлегии журнала «Российские нанотехнологии», член-корреспондент РАН, профессор Алексей Викторович Лукашин, факультет наук о материалах МГУ имени М. В. Ломоносова.

Слово «нанотехнологии» сегодня знакомо всем. Впервые оно зазвучало десять лет назад, когда разделы, связанные с нанотехнологиями и нанонаукой, были добавлены в Федеральную целевую научно-техническую программу «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002–2006 годы» постановлением Правительства России. После этого была принята следующая Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2012 годы», а финансирование по направлениям нанотехнологий и нанонауки возросло. В апреле 2007 года Президентом РФ была подписана Президентская инициатива «Стратегия развития наноиндустрии». Что изменилось за это время? В каком направлении развивается нанотехнологическая наука и промышленность? Своим мнением делится член редколлегии нашего журнала, член-корреспондент РАН, профессор Алексей Викторович Лукашин, факультет наук о материалах МГУ имени М. В. Ломоносова.

– Алексей Викторович, какие области нанотехнологий вы считаете приоритетными сегодня?

  • Я могу назвать себя специалистом в области функциональных наноматериалов, поэтому остановлюсь на этом. Несомненные лидеры по числу публикаций и вызываемому интересу – это графен и материалы на его основе, которые могут найти применение в микронаноэлектронике и в качестве прозрачных проводящих покрытий.

В целом научный мир уделяет электронике много внимания, продолжаются исследования в области дальнейшей миниатюризации устройств, создается новый класс материалов и технологий, направленных на уменьшении энергопотребления, увеличение скорости работы устройств.

Это и новые технологии отображения информации и разработка гибких прозрачных экранов, всего, что связано с современными гаджетами. Конечно, это не означает, что в ближайшем будущем мы сможем отказаться от обычной электроники, но такие исследования ведутся активно, потому что у кремния есть свои ограничения по степени миниатюризации, а устройства на основе графена позволят их преодолеть.

А вот количество работ по органической электронике в последнее время стабилизировалось. Исследования по OLED продолжаются успешно, а в молекулярной электронике все не так просто, недостатков пока больше, чем достоинств, системы неустойчивы во времени, разрушаются под воздействием внешних факторов, окисляются, получаемые токи достаточно низкие.

Сегодня в функциональных материалах трудно найти область, где бы не было наноматериалов. С одной стороны, это дань моде, возможность получить финансирование, с другой стороны, каждый материал можно рассматривать как наноструктурированный. Но некоторые специфические показатели материалов обусловлены его структурированием именно на наноуровне. В первую очередь это касается сенсорных материалов. Без исследования их морфологии на наноуровне невозможно достичь высоких показателей по чувствительности, селективности, воспроизводимости.

1-2_2.jpg Рис. 1. Точечный дефект в фотонном кристалле на основе полистирола.

Или различные химические источники тока. Высокие характеристики даже у классических литиевых источников тока – энергоэффективность, емкость, скорость заряда-разряда – удается получить благодаря применению нанотекстурированных поверхностей электродов и специальных электролитов.

Появился и новый класс источников – литиево-воздушные аккумуляторы, но до создания промышленных условий их производства еще далеко.

Большой интерес представляют новые оптические материалы, в том числе наноструктурированные градиентные покрытия с улучшенными оптическими характеристиками.

Особо можно выделить фотонные кристаллы (рис. 1, 2). С одной стороны, это достаточно давно известные материалы с особенной структурой – периодическим изменением показателя преломления в пространственных направлениях. С другой стороны, синтезировать такие прецизионные кристаллы с заданным очень узким распределением структурированных элементов мы научились благодаря развитию нанонауки, развитию подходов коллоидной химии и методов самосборки. Сейчас появляются новые классы фотонных кристаллов, которые обладают собственной генерацией. Создание на их основе различных лазерных элементов в последнее время широко освещается в литературе. Область применения фотонных кристаллов очень велика – от компактных волноводов и суперлинз с отрицательным показателем преломления до новых дисплеев.

1-3_0.jpg Рис. 2. Инвертированный фотонный кристалл на основе палладия.

Всем известны магнитные материалы, свойства которых активно используют в системах хранения информации.

Увеличение плотности записи в первую очередь связано с уменьшением размера одного бита памяти. Наличие так называемого суперпарамагнитного предела, когда при уменьшении размера ферромагнетика до определенных размеров происходит его переход в суперпарамагнитное состояние, приводит к невозможности записи информации из-за спонтанного перемагничивания при комнатной температуре. Для ее сохранения с уменьшением размера бита необходимо использовать особым образом нанотекстурированные поверхности. В этой области не только проводятся активные научные исследования, но готовые изделия уже применяют во многих устройствах, начиная с жестких дисков компьютеров.

– Какие изменения произошли в методах исследования наноматериалов? Что изменилось за последние десять и более лет?

  • За такой длительный период значительно изменились методы анализа вещества в нанокристаллическом состоянии. Сегодня ученые работают с атомно-силовыми и туннельными микроскопами, усовершенствовались методы электронной микроскопии, как сканирующей, так и просвечивающей. И, разумеется, повысилась чувствительность классических методов, что позволило исследовать очень малые количества наноструктурированных материалов и нанопорошков.

Если в девяностые годы Россия сильно отставала по уровню исследований от Запада, теперь собственное оборудование, как исследовательское, так и синтетическое, появилось во многих университетах и институтах, и мы наверстываем упущенное.

Поэтому в последнее время сильно продвинулись направления, связанные с наноэлектроникой, сенсорными и оптическими материалами, фотоника, нанобиотехнологии. Если говорить о неоправдавшихся надеждах, то в какой-то мере это высокотемпературная сверхпроводимость. Технология синтеза таких материалов оказалась существенно сложнее, нежели предполагалось. И высоко-температурные сверхпроводники только-только начинают завоевывать рынок, замещая классические металлические сверхпроводники первого поколения.

– Для химиков термин «нанотехнологии» связан с коллоидной химией, но обыватель столкнулся с чем-то непонятным. Меняется ли в обществе понимание нанотехнологий?

  • Можно сказать, что общественно-просветительские работы ведутся, но в целом создано много лишнего псевдонаучного шума вокруг нанотехнологий. В повседневной жизни можно встретить «нано-» и к месту, и не к месту: нанокраски, нанокремы, наномойки и наноноски – чего только нет с этой приставкой. А где «нано-» и правда есть, об этом и не все знают, как в просветляющей оптике, например, или в электронике.

– Какие направления исследований вашей научной группы можно отнести к нанотехнологиям?

  • В какой-то мере все, чем занимается наша группа, это нанотехнологии – экспериментальные подходы к созданию различных типов упорядочивания наноструктур. Получаем не просто нанопорошок или наноструктуры, а заставляем наночастицы собираться в массивы с определенным порядком в пространстве, например магнитные нанопроволочки (нитевидные наночастицы), собранные, как карандаши в коробке. Такие структуры можно использовать, например, для записи информации со сверхвысокой плотностью или в качестве оптических материалов, фотонных кристаллов с пространственно повторяющейся структурой (с периодом повторения – от нескольких нанометров до нескольких десятков нанометров).

Без использования специальных подходов получить такие структуры невозможно. Можно, например, использовать пористые матрицы с упорядоченными структурными полостями, которые мы заполняем нужным веществом – магнитным или полупроводниковым. А затем, удалив матрицу, получаем объемную упорядоченную структуру. Другой подход – использование методов самосборки, который мы применяем для получения фотонных кристаллов. Такие материалы могут быть оптическими и магнитными, каталитически активными или сенсорными.

В частности, исследования в области магнитных материалов для систем хранения информации и сенсорных материалов для газовых датчиков выделяют нашу группу среди остальных.

– Расскажите, пожалуйста, подробнее об этих материалах.

  • У наших магнитных материалов высокая поверхностная плотность записи, и по многим показателям они находятся на уровне лучших образцов других мировых научных центров. Что касается сенсоров, мы умеем изготавливать материалы с разными наборами характеристик.

Например, газовые сенсоры для детектирования метана и природного газа.

Можно изготовить хороший чувствительный сенсор, но не с лучшими показателями по селективности. Для автономных сенсоров, которые устанавливают в шахтах для детектирования метана, очень важный параметр – малое энергопотребление, они должны работать на одной батарейке продолжительное время. Этому требованию удовлетворяют не все типы сенсоров. Мы научились изготавливать сенсоры, которые можно применять и для системы безопасности шахт, и в быту, ведь взрывы бытового газа сегодня не редкость. Они долго работают, обладают высокой чувствительностью и хорошей селективностью, сейчас выпускают их опытные партии.

Газовая система России, к сожалению, требует повышенного внимания и модернизации, время ее эксплуатации истекло, поэтому принята программа по установке сенсоров, которые позволяют детектировать утечки.

– Одна из разработок вашей группы – это мембраны, которые можно использовать в нефтегазовой отрасли?

  • Да, мы разрабатываем неорганические мембраны на основе пористого оксида алюминия. Такие мембраны давно известны и не нами изобретены. Но мы научились управлять процессами их роста для получения воспроизводимых характеристик по пористости и распределению пор по размерам. Сначала мы их использовали для создания композитов, заполняли поры и получали магнитный материал. Но потом поняли, что и сами по себе мембраны представляют большой практический интерес.

Сейчас мы умеем создавать пленки-мембраны, в которых поры строго перпендикулярны к поверхности, упорядочены и могут иметь разный профиль толщины по длине. Хотя для работы мембраны упорядоченная пористость не особенно нужна, она позволяет достичь более высоких показателей открытой пористости. Такие мембраны можно чем-то заполнять – и мы научились это делать – например, катализатором при газовом катализе, что существенно увеличивает эффективность самого катализа.

Наша технология позволяет получать мембраны с узким распределением пор по размерам, поэтому их можно использовать для селективного разделения различных газовых смесей и жидкостей.

У неорганических мембран есть существенное преимущество перед полимерными: они более прочные и выдерживают высокие температуры – до 700–800 градусов Цельсия.

Это увеличивает срок их использования. С одной стороны, мембрану можно использовать для очистки газов на производстве с высокими температурами, с другой стороны, отжечь, если она загрязнена, а полимерные мембраны для этого не подходят. Пока, правда, неорганические мембраны дороже, но с развитием технологий их производства, я уверен, их стоимость существенно снизится.

Как можно использовать их свойства?

Во-первых, для разделения газов. Вы, наверно, слышали о проблеме сопутствующих нефтяных газов, которые сейчас сжигают в факелах. Правительством РФ принята программа запрета их сжигания в целях предотвращения загрязнения атмосферного воздуха. А если газы разделять, отделяя метан от тяжелых фракций? Его можно было бы использовать сразу на нефтяной вышке для выработки электроэнергии, не затрачивая добытую нефть на бензин для транспортных средств. Ведь и для работы самой вышки, и для обслуживания энергией транспортных средств и персонала требуются большие затраты. Причем первичную обработку надо проводить непосредственно на местах добычи, так как переработка сопутствующих газов в удаленных местах нерентабельна. Поэтому мембраны очень пригодятся для разделения сопутствующих газов. Это не единственная область применения, мембраны можно использовать для очистки и фильтрации промышленных газов на химических производствах или при выбросах на теплоэлектростанциях, при работе с мелкодисперсной пылью или для разделения и очистки жидкостей.

– В ваших мембранах и сенсорах заинтересована нефтегазовая промышленность. Какие еще научные разработки, по вашему мнению, могут быть коммерчески эффективными?

  • Действительно, пока что мы видим отклик со стороны нефтегазовой отрасли. К сожалению, в России интерес к высоким технологиям (в той области, где мы работаем) ограничен именно нефтегазовой отраслью. Оно и понятно, сегодня это беда нашей страны: все завязано на добычу и переработку полезных ископаемых. Что касается наноэлектроники, магнитных и оптических материалов, здесь проявляется активность со стороны зарубежных групп. Мне кажется, что коммерциализировать в России такие высоко-технологические продукты достаточно сложно, потому что их производство требует огромных вложений для организации инфраструктуры.

– Какие направления нанотехнологий следует включить в критические технологии, на ваш взгляд?

  • По моему мнению, формирование таких направлений должно определяться текущим развитием науки. Нельзя заранее точно предсказать, где произойдет прорыв, хотя мы проводим форсайт, пытаемся идти в ногу с зарубежными странами и предсказать какие-то направления развития. Безусловно, необходимо проводить исследования в области электроники и наноэлектроники. Сложно представить развитие технологического общества при ином развитии событий.

Все острее будет вставать вопрос и об альтернативной энергетике, использовании возобновляемых источников энергии – ветра и Солнца, разработке преобразователей и передатчиков энергии, аккумуляторов высокой емкости и малого веса. Очень важное направление – все, что связано со здравоохранением, потому что это волнует каждого. Конечно же, с помощью нанотехнологий можно изготовить эффективные лекарства, например для борьбы с раком. Те же мембраны медицина широко использует, например для очистки крови. Для фильтрации биологических сред подходят и наши мембраны, но до использования они должны пройти много стадий апробаций. Большое значение надо уделять экологии, это бич современного общества, практически все загрязнено. Устаревает оборудование, нормы соблюдаются не всегда…

– Какие проекты необходимо финансировать государству?

  • Безусловно, государство должно поддерживать фундаментальную науку. Мне кажется, это обязанность государства, хотя сегодня и утверждается, что на науке необходимо зарабатывать, наука должна сама себя обеспечивать, это в корне неверный подход.

Ни в одном развитом государстве такой подход не рассматривается. Сегодня акценты смещены в сторону коммерциализации, практического применения. Рынок сам определит, в каких областях должна происходить коммерциализация, это не должно происходить по указу сверху. Бизнес-структуры естественным образом будут вкладывать деньги в востребованные разработки. Государство, конечно, может выступать заказчиком, например, в области военных технологий или медицины. А вот фундаментальную науку без государства никто не поддержит. Если мы хотим быть передовой державой, то государство должно финансировать фундаментальные науки. Другое дело – как выбрать, какое направление здесь важно, а какое нет. Для этого необходимо иметь (и ценить!) квалифицированных экспертов, а это, в свою очередь, требует вложений в образование и его интеграцию с фундаментальной наукой.

Беседовала Ольга Баклицкая-Каменева.

Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 5 (7 votes)
Источник(и):

1. nanojournal.ru



OSV аватар

Дорогой Алексей, Мне кажется, что ты ещё в состоянии выйти за рамки некоторых ошибочных, но уже крепко внедрённых в сознание обывателя во всём мире (в том числе и в науке) представлений. Поэтому дам краткий комментарий отдельных твоих высказываний, содержащих ошибки и неточности.

По порядку

  1. «Графен» лучше брать в кавычки, т.к. изобретено только новое название, так же как и «белый графен» (см. «Графеновый вирус» и «Об углеродных трубках и графене сегодня знают даже малыши» на сайте НОР rusnor.org)
  2. То, что каждый материал можно рассматривать как нано-структурированный абсолютно верно. И это понимание очень важно для проведения корректной диагностики (особенно поверхностей, которые ранее считали идеально гладкими). Но ранее, когда наши академики лоббировали продажу Чубайсом золы от ТЭЦ, как содержащую много нано-частиц, я выразил своё отношение к этой сделке фразой: «Нано-частиц также много, как и атомов и задача нано-технологии не в собирании грязи по России (которой у нас много), а в создании контролируемых и управляемых нано-частиц». В этом плане фраза «Без исследования их морфологии на нано-уровне невозможно достичь …» не является полной. Это необходимое условие, но недостаточное. Невозможно достичь проявления нано-эффектов на макро-уровне без учёта и управления как свойствами отдельного нано-фрагмента, так и их взаимодействия.
  3. И, как следствие из второго пункта, в интервью нет ни слова ни о специфики свойств отдельного нано-объекта, ни о специфики их взаимодействия, что демонстрирует полное отсутствие понимания эффектов на нано-уровне. Вместо этого демонстрируются конечные макроскопические параметры, достигнутые на функциональных материалах эмпирическим путём за счет улучшенной диагностики и более качественной тежнологии, но построенных на макроскопических представлениях (см. «Термодинамика и нано» и «Размерные эффекты и НАНО» также на сайте НОР).
  4. Использование самого термина «функциональные материалы» как бы затушёвывает отсутствие использования нано-физики, отмеченной в пункте 3 и дистанцируется от того, что делается, например, в процессоре из нано-транзисторов, но сам же говоришь о создании нано-структур. А представления нано-физики являются общими и для названых тобой «функциональными материалами» и реально функционирующими процессорами. Отличие лишь в требуемых (оптимизируемых) рабочих параметрах нано-структур.

Станислав Ордин.