Нанотехнологии - УрФО

Перейти на основной сайт
ИА ИНВУР Логотип Инновационного портала УрФО
Вы здесь: Главная // Аналитика

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ

Добавлено: 2012-08-09, просмотров: 938



Источник: РОССИЙСКИЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ ,  Ольга Баклицкая-Каменева



 

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. 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. 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.

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 высокотемпературные 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 раз-

мерам. 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 про-изводствах 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 высокотехнологические 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 госу-дарстве 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.