20 ноября 2017 Г. Нанотехнологии и наноматериалы Российские нанотехнологии STRF.RU регистрация вход

   
Подписка
Главная / Новости и События / Интервью
Редколлегия
Контакты
Размещение рекламы
Партнёры
форум
В мире НАНО
Реклама

Техноскан

Новости и События

Интервью

04.12.2007
Наноуглерод: исследование и применение

Александр Вуль, заведующий лабораторией физики кластерных структур Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН, доктор физико-математических наук, профессор.

Изучение и разработка наноуглеродов – одно из центральных направлений развития нанотехнологий. Александр Яковлевич, расскажите, пожалуйста, что же такое наноуглерод? Какие его формы существуют?

История наноуглерода начинается в 1985 году, когда обнаружили одну из его форм – фуллерен. Английский ученый Г. Крото вел исследования с целью обнаружить жизнь в межзвездном пространстве. Будущий нобелевский лауреат пытался создать такой углеродный объект, который объяснил бы полосы поглощения в межзвездной среде. Со своими коллегами из США – Керлом и Смолли ему удалось экспериментально обнаружить устойчивые соединения из 60 и 70 атомов углерода. Самое удивительное, что только на основе этого факта стабильности, им удалось точно предсказать их структуру. Так и появился фуллерен, названный именем архитектора Бакминстера Фуллера, задолго до этого использовавшего подобную структуру из пяти и шестиугольников при построении куполов.

До этого открытия мы все со школьной скамьи думали, что существует только два аллотропных вида углерода - графит и алмаз. Оказалось же, что атомы углерода могут образовывать замкнутую полую сферу, которая по форме напоминает футбольный мячик. Через пять лет был придуман метод получения фуллеренов в макроскопических количествах. А в последующие 5-6 лет были получены в эксперименте еще несколько родственных форм углерода: углеродные нанотрубки, углеродные луковицы, которые еще называют русской матрешкой, углеродные стручки.

Нанотрубки ученые теперь без труда могут «вырастить» на специальных подложках. Более сложная конструкция - углеродный стручок. Это - нанотрубка, внутри которой находятся фуллерены. Такая конструкция, сделанная человеческими руками - просто фантастика, если учесть, что диаметр углеродной нанотрубки всего несколько нанометров, то есть несколько миллиардных долей метра. А недавно японские ученые создали новую разновидность стручка - нанотрубку, заполненную фуллеренами, внутри которых помещены 2-3 атома редких металлов.

Фуллерен С60 и конструкция углеродной нанотрубки (фото - wikipedia).

Все эти формы теперь получили общее название – наноуглерод. Надо сказать, что наши ученые внесли заметный вклад в открытие его новых форм. Во-первых, сама возможность существования фуллеренов была предсказана теоретически, можно сказать, открыта на кончике пера, Д. Бочваром и Е.Гальперн - учеными московского Института элементоорганических соединений Академии наук еще в 1973г. Во-вторых, метод получения детонационных наноалмазов и технологию получения нанопористого углерода разработали советские ученые.

Было обнаружено, что наноалмазы образуются при взрыве из углеродов взрывчатых веществ. Размер наноалмазного кристалла, получаемого таким образом, составляет 4 нанометра. Нанопористый углерод может быть получен путем химической обработки ряда соединений углерода, при этом размер пор может составлять 1-2 нанометра.

Какое практическое применение находят эти формы наноуглерода?

Сначала хочу обратить ваше внимание на такой факт: между фундаментальным открытием и появлением на коммерческом рынке продукта, созданного на основе этого открытия, обычно проходит не меньше 15 лет. Речь идет именно о фундаментальном открытии, а не о техническом усовершенствовании какого-либо уже существующего на рынке товара. Например, от идеи приборов с зарядовой связью (1969 год) до появления на мировом рынке  цифровых фото- и видеокамер (80-е годы) прошло столько же лет. Заметим, что успех приходит только в случае существенных финансовых вливаний в новую область. Современная научная разработка - это дорогое удовольствие.

Исследование фуллеренов в мире началось в 1991 году, когда был придуман метод их массового получения. Прибавляем пятнадцать лет. Получается 2006 год. Какие же к этому времени появились практические результаты? Какие товары появились на рынке?

Завод Frontier Carbon Corporation (Mitsubishi group).

В Японии к этому времени компания Мицубиси построила завод по производству фуллеренов, производительность которого - десятки тонн в год. Производство углеродных нанотрубок достиго 100 тонн в год. Нанотрубки используются в производстве аккумуляторов, без которых не могут работать телефоны, радиоприемники и т.д. Новые батарейки внешне ничем не отличаются от обычных. Единственная разница - срок их службы увеличился в десятки раз. Начат промышленный выпуск суперконденсаторов, электрическая емкость которых в десятки тысяч раз превышает емкость конденсаторов известных нам из школьных учебников. Они могут перезаряжаться неограниченное число раз. И давать электроэнергию для работы переносных легких электродвигателей. Простейший пример: 10 минут покрутили педали велосипеда и получили электрическую энергию для моторчика, чтобы подняться в горку. Или чтобы заработал ваш телефон или компьютер. Причем, работать такие конденсаторы могут и в жару и в холод.

Японская фирма Фуджи выпускает теплооотводы для электротехнических устройств на основе углеродных нанотруб. Их теплопроводность в 6-7 раз превышает теплопроводность металлов. Того же алюминия, из которого делают радиаторы для охлаждения «сердца» компьютера - процессора. Как говорится, почувствуйте разницу и масштаб возможных применений! Нанотрубки могут стать элементом компактных интегральных схем. На международной конференции 2007 года в Берлине была продемонстрирована возможность их применения при сборке схем в корпуса: высокая электропроводность, гибкость, прочность и наноразмеры трубок делают их незаменимыми для следующего поколения электронных чипов.

Востребован наноуглерод и в медицине. Так как обычный углерод – один из основных компонентов, который входит в состав живых тканей, наноуглероды – основа для создания биологически совместимых материалов. Сейчас Институт экспериментальной медицины в Санкт-Петербурге вместе с Институтом гриппа ведет работы по изучению антивирусного действия фуллеренов. Еще в начале исследований их биологической активности отмечалось, что фуллерен может препятствовать взаимодействию вируса с клеточной мембраной. Разумеется, чтобы создать и опробовать лекарства, нужно время. Сейчас новые лекарства проходят испытания на мышах.

Упорядоченные массивы (пленки) многослойных нанотрубок на кварцевой подложке, диаметр труб 30-40 нм, толшина пленки 60-80 мкм (длина нанотрубок). (MER Corporation)

Александр Яковлевич, как обстоит дело с разработками по наноуглеродам у нас и за рубежом?

Разработки по наноалмазам наши ученые вели еще в Советском Союзе. Так что, в этой области мы впереди. Что касается фуллеренов, то исследования и у нас, и в других странах начались практически одновременно – в начале 90-х годов. Этому очень помогла поддержанная Министерством науки программа «Фуллерены и атомные кластеры». На стадии научных исследований мы были в первых рядах. А вот когда настал черед детальных исследований и прикладных разработок, и понадобилось специальное оборудование и, соответственно, большие денежные средства, ситуация резко изменилась. На этой стадии работа ученых должна быть востребована промышленностью или финансироваться в рамках специальных государственных программ. Завод по производству фуллеренов в Японии, например, был построен на средства и по инициативе компании Мицубиси.

У нас ни той, ни другой поддержки до недавнего времени не было. Поэтому мы стали отставать. А лидеры сегодня – это США и Япония. Правда и у нас стали появляться «первые ласточки». В Тамбовском государственном техническом университете, например, разработана технология производства углеродных нановолокон, совершенствуется технология получения нанотрубок. Мы занимаем достойное место в мире в области полимер-фуллереновых композиций и биомедицинских приложений.

А какое оборудование необходимо, чтобы проводить серьезные исследования?

Для таких исследований много чего нужно. Нужен просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения, сканирующий электронный микроскоп, атомно-силовой микроскоп, спектроскопия комбинационного рассеяния света, хорошая рентгеновская установка, включая малое угловое рентгеновское рассеивание. Желательно чтобы в зоне досягаемости еще был синхротрон, приборы оптической спектроскопии и для измерения динамического лазерного рассеяния.

Просвечивающий электронный микроскоп Tecnai (фото с сайта www.microscop.ru)

Один просвечивающий микроскоп стоит не меньше 1 млн. долларов! Каждая лаборатория все это купить, конечно же, не в состоянии. Поэтому нужно развивать Центры коллективного пользования. Радует, что в последнее время они стали появляться. Каким бы умным ученый ни был,  «палочкой и веревочкой» в нанотехнологиях ничего не сделаешь.

То есть, одна из главных наших проблем – нехватка дорогостоящего оборудования?

Да. Но проблема состоит не только в этом. Финансирование в последнее время, к счастью, увеличилось. И сейчас самый больной вопрос – кадровый.  Точнее сказать, возрастной: средний возраст наших ученых НИИ – пенсионный или даже выше. А тридцатилетних-сорокалетних в науке в несколько раз меньше. Произошел настоящий разрыв поколений. Вот о чем нужно сейчас думать в первую очередь. Если в течение пяти лет не переломить ситуацию, наши научно-исследовательские институты просто-напросто опустеют. И знания и опыт будет некому передавать.

А передавать есть что. У нас немало высококлассных специалистов в области нанотехнологий. Наноуглеродами, например, занимаются не менее трехсот талантливых ученых. Цифра взята не с потолка. Это среднее число российских участников Международной конференции «Фуллерены и атомные кластеры», которая раз в два года проходит в Петербурге. На ней, кстати, побывали все ведущие ученые мира, исследующие наноуглероды. Два раза выступал с лекциями нобелевский лауреат профессор Крото - «папа» фуллерена.

Радует, что ситуация начинает меняться к лучшему: среди участников последней конференции «Фуллерены и атомные кластеры», которая прошла в июле, было 60 российских ученых моложе 35 лет. Но кадровая проблема по-прежнему одна из самых главных.

И что же делать в этой ситуации?

Во-первых, нужно пригласить на родину наших 30-40-летних ученых, которые в тяжелые для науки годы уехали за границу. Чтобы люди вернулись, нужно предложить им достойные зарплату и условия работы. Если провести конкурс на замещение мест в наших НИИ среди соотечественников, сохранивших российское гражданство, но живущих за рубежом, думаю, будет немало желающих в нем поучаствовать. Претендентами станут современные, квалифицированные специалисты.

Резонен вопрос о смене поколений. Придут молодые, а как быть с учеными в возрасте? Во многих странах эта коллизия решается так:  существует ограничение ученого возраста. Исполнилось 65, будь добр, уступи свою должность более молодому. Есть желание продолжать научную деятельность, переходи на работу по контракту, который финансируется из внебюджетных средств. Конечно, недопустимо только на основании возрастного ценза лишать людей работы. Нужно найти достойный и цивилизованный способ решения кадровой проблемы. На Украине, например, ввели научную пенсию – ученый может спокойно уйти на пенсию и жить достойно.

Но пока к нам никто не вернулся, нужно рассчитывать на свои силы. Какие сложившиеся научные коллективы у нас сейчас занимаются разработкой наноуглеродов?

Наноуглеродом серьезно занимаются на химфаке МГУ, в Институтах Академии наук в Черноголовке (Институте физики твердого тела, Институте проблем химической физики), в нашем питерском Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе, в ряде московских институтов РАН, в Институте катализа в Новосибирске. Успешно работают коллективы в Нижнем Новгороде, в Красноярске и в Казани. Все члены «наноуглеродного» сообщества хорошо знают другу друга, мы встречаемся на конференциях, проводим совместные исследования.

А какие исследования ведет ваш коллектив?

Мы занимаемся физическим материаловедением, основной объект  исследований - наноалмазы детонационного синтеза. Главное наше достижение в том, что мы сумели, несмотря на трудности 90-х годов, сохранить наш коллектив, получить мировое признание. Наша лаборатория  тесно сотрудничает с другими лабораториями Физтеха, со многими НИИ. Большую пользу нам приносит международная научная кооперация, в первую очередь с учеными из Японии.

Наноалмаз (фото с сайта http://abba.com.tw)

Александр Яковлевич, что, на ваш взгляд, нужно сделать, чтобы ситуация в наноразработках изменилась к лучшему?

Задачи науке ставит общество. Когда есть нефть по 100 долларов за баррель, многим кажется, что нет смысла вкладывать деньги в научные исследования, от которых нет сиюминутной отдачи. Очень трудно, а, подчас, и невозможно, доказать предпринимателю необходимость вложить средства в исследования, которые принесут прибыль через 5-7 лет. Проблема еще и в том, что цепочка: поисковые научные исследования в вузах и академических НИИ – прикладные исследования в отраслевых НИИ – промышленность, разрушена.  Мелкий и средний бизнес не будет рисковать и вкладывать деньги в новую разработку, если она не прошла стадию опытно-конструкторских работ. А крупным бизнесменам это неинтересно, так как они привыкли вкладывать средства только в такие проекты, которые принесут быструю прибыль. Понятно, что эти проекты опираются не на создание принципиально новых технологий, а на использование уже имеющихся научных заделов, их усовершенствование. Такой подход мешает перспективным научным исследованиям.

Но, думаю, рано или поздно все встанет на свои места. Общество поймет и осознает, что нанотехнологии – это не заумь, далекая от реальной жизни, а вполне реальные вещи. Без них не произведешь современные и  конкурентоспособные на мировом рынке товары. Отрадно, что в последние годы ситуация меняется к лучшему. Система отбора тематик научных проектов в рамках Федеральной целевой программы Минобрнауки, конкурсы, проводимые среди НИИ, уже дают положительные результаты.

Наталия Мазурик // 20.11.2007

обсудить публикацию

версия для печати

Обсуждение публикации:

Наноуглерод: исследование и применение

09.10.2008 13:26:28
Леонид Леонидович (fobats@rambler.ru)
Обсуждение публикации "Наноуглерод: исследование и применение"
ответить

Странно, что в данной научной статье не упомянуто о питерском ученом, академике РАЕН Викторе Ивановиче Петрике - изобретателе наноуглеродного сорбента УСВР, который уже применяется в производстве.
23.05.2009 11:56:01
Наноколлайдер
re: Обсуждение публикации "Наноуглерод: исследование и применение"
ответить

re: >Странно, что в данной научной статье не упомянуто о питерском ученом, академике РАЕН Викторе Ивановиче Петрике - изобретателе наноуглеродного сорбента УСВР, который уже применяется в производстве.


Я позволил себе дополнить здесь -
http://www.nanorf.ru/Board.aspx?Tmpl=Thread&BoardId=300&ThreadId=205 .
Сообщение было изменено администратором

26.05.2009 9:03:52
Pichugina

ответить

С Петриком не все понятно, некоторые ученые из комиссии по борьбе с лженаукой не считают его настоящим ученым.
Сообщение было изменено администратором

18.01.2012 22:43:15
kirill1974hk (kirill1974hk@mail.ru)
!!

ответить

Неплохо! Пишите ещё! С уважением, Роман Аркадьевич Белов

новое сообщение
Подписаться на новые сообщения темы:
E-Mail:
 


ай вао
Интервью

Композиты на острие 3D-принтинга


Учёные СПбПУ и Сколтеха разрабатывают «софт» и «железо» для трёхмерной печати композиционных изделий

читать полностью читать полностью




Acta Naturae



© ООО «Парк-медиа», 2007-2008

Разработка - Metric

Все права защищены
Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100