Світ із префіксом «нано»

Надтонкі магнітоелектричні плівки, надміцні наноструктурні матеріали та суперконденсатори: зроблено в Україні.

Нанобум, який приніс світові неймовірні можливості й перспективи, наростає. Повідомлення про нові відкриття у сфері нанотехнологій і наноматеріалів надходять з усіх континентів. Як з огляду на світові досягнення виглядають успіхи віт­чизняної науки? На запитання «Української технічної газети» відповідають відомі вчені.

Ефекти на атомних радіусах

У яких напрямах досліджують наносвіт українські вчені, розповідає директор Інституту проблем матеріалознавства ім. І.Францевича НАНУ, академік Валерій Скороход.

— Валерію Володимировичу, насамперед нагадаймо читачам, що таке наночастинки, наноматеріали й чим вони відрізняються від звичного нам «великого» світу.

—Такий модний нині префікс «нано» нічого, по суті, не означає, крім характеристики лінійного масштабу. 1 нанометр — це 10-9 метра й відповідно 1/1000 мікрона. Тобто масштаб близько декількох атомних радіусів. У природі скільки завгодно таких об’єктів. Усі елементи живої клітини — від білка до структур ДНК — типовий наносвіт.

Але це не світ атомів, описуваний законами квантової механіки.  У нього свої закономірності. Головне в наноматеріалах те, що їхні частинки — «зерна» — мають властивості, які відрізняються від тих же матеріалів у більших розмірах. У великих частинок співвідношення площі поверхні до маси об’єкта незначне. У наночастинок воно набагато більше. Поверхня тут є лідируючою характеристикою.

Візьмемо один кубічний сантиметр якогось твердого матеріалу. Його поверхня має площу 6 квадратних сантиметрів. Якщо його поділити на кубики обсягом один кубічний мікрометр (або мікрон — одна мільйонна метра), то площа поверхні всіх кубиків становитиме 6 квадратних метрів.

А якщо той же кубічний сантиметр поділити на кубики обсягом один нанометр, то одержимо вже 6 тисяч квадратних метрів. За такого дрібного поділу речовини, або дисперсії, більша частина атомів потрапляє на поверхню частинок, і величезну роль відіграють поверхневі ефекти, які значно відрізняються від досліджуваних у традиційних фізиці й хімії.

Зрештою весь цей світ дрібних частинок був виділений в особливий розділ, який дістав префікс «нано». Сьогодні розвитку наногалузі приділяється величезне значення, оскільки потенційні можливості нових матеріалів досить великі.

— Коли у світі почався «нанобум» і як Україна «вписується» у світові тенденції?

— Уважається, що поштовхом до цього буму стала висловлена німецьким професором Гайтером ідея створення нанокристалічного матеріалу, у якого розмір «зерен» був би менше 100 нанометрів. Відомо, що властивості матеріалу залежать від розміру «зерна». Зменшуючи його, ми підвищуємо твердість, міцність речовини й відкриваємо нові можливості для одержання несподіваних властивостей.

Першими це усвідомили американці, які на розвиток нанотехнологій і наноматеріалів виділили кілька мільярдів доларів. Потім навздогін кинулася Росія. У МДУ недавно створили перший у Росії факультет науки про матеріали. Основний  його профіль — саме наносистеми, наноматеріали. Створено державну корпорацію «Роснано», яка об’єднала безліч наукових інститутів і виробництв. Вона одержує солідні державні й приватні інвестиції.

Ми теж працюємо над вивченням нанопроцесів, хоча дуже відстаємо від світу. У 2003 році президія НАН України ухвалила цільову програму з наносистем, наноматеріалів і нанотехнологій. У ній беруть участь декілька інститутів Академії. Потім з’явилася міжурядова програма між Україною та Росією, хоча її тематика трохи вужча. І, нарешті, у 2009 році була ухвалена Державна науково-технічна програма з наноматеріалів і нанотехнологій. Утім,  на неї було виділено дуже мало коштів, а цього року фінансування скорочено ще на порядок. Це при тому, що в нас і так не вистачає сучасного обладнання для дослідження наносвіту.

— Після того, як Нобелівську премію з фізики було вручено Андрієві Гейму й Костянтинові Новосьолову за одержання й дослідження графену — шару вуглецю товщиною в один атом, інтерес до вуглецевих наноматеріалів значно зріс.

— Власне, така структура була передвіщена давно. Заслуга Гейма й Новосьолова в тому, що вони зуміли виділити цей один шар і визначити його властивості.

Відомо, що властивості речовини залежать не тільки від  її хімічного складу, а й від структури. Вуглець існує у вигляді графіту й алмазу. Тепер знайдені його нові форми — графітові трубки й фулерени. На базі фулеренів виникла ціла хімія — з’явилися їхні сполуки з металами, зі складними структурами тощо.

Графітовим трубкам приписують унікальні властивості, у тому числі з міцності й пружності. Однак реалізувати ці властивості, зробити з них якийсь макрооб’єкт поки не вдається. Проте використання і фулеренів, і нанотрубок як наповнювачів якогось композиційного матеріалу дає цікаві результати.

Незабаром виявилося, що такі незвичайні структури може мати не тільки графіт, а й багато інших речовин: нітрид бору, оксиди. Зараз у цьому напрямі хіміки всього світу проводять багато досліджень, синтезують різні речовини з дивовижними властивостями. Такі структури переважно можуть використовуватися у галузі хімії: це сорбенти, каталізатори.

— Якими дослідженнями у сфері «нано» займаються вчені України?

— Наш інститут проблем матеріалознавства НАНУ давно й успішно досліджує речовини, які за нинішньою номенклатурою належать до нанокристалічних, наноструктурних матеріалів. Ми провели безліч експериментів і зробили теоретичні розробки проблем ще до того, як виник сам термін.

Уже досить давно ми вивчаємо нітрид бору. Він багато в чому подібний до графіту, а кубічний нітрид бору — до алмазу. Потім виявилося, що є ще одна фаза існування нітриду бору, але не кубічна, одержувана шляхом обробки звичайного нітриду бору вибухом.

На жаль, усі інструментальні тверді матеріали крихкі. Було висунуто гіпотезу, що під час обробки високим тиском утворюється суміш різних станів нітриду бору, яка має багато переваг: крихкість її істотно нижча, а в’язкість вища. По суті, це вже типовий наноматеріал. Зараз ми визначаємо умови технологічних операцій, за яких якість одержуваного матеріалу буде найвищою. Інший напрям досліджень — наноструктурні металеві матеріали. Наше завдання — знайти такі речовини й методи їхньої обробки, щоб створювати міцні, тугоплавкі матеріали для потреб промисловості. Для цього ми у вихідний наноструктурний матеріал уводимо дозовані домішки, які закріплюють межі між частинками, запобігають сповзанню всієї системи у надпластичність. Це можна порівняти з цементом у цегельній кладці. Виявилося, що для того, щоб зробити деталь міцною, досить зміцнити її поверхневі шари. Скажімо, методом протягування заготівки через спеціальну трубу. Тоді в поверхневих шарах заготівки утворюються наноструктури, які надають міцності всьому виробу.

Ще одна велика тема робіт в інституті — композити на основі тугоплавких сполук: нітридів, боридів, карбідів. Для одержання матеріалів із заданими властивостями ми почали застосовувати так зване спікання плазмою. Крізь високодисперсний порошок під тиском пропускається електричний розряд. Це ефективний спосіб одержання нанокристалічного матеріалу на основі тугоплавких сполук. У цьому напрямі в нас добрі контакти з Японією. Там є інститут, дуже схожий на наш за тематикою. Правда, його фінансування набагато більше.

Розробляємо й напрям, що виник під час буму навколо фулеренів і нанотрубок — вивчення цих нових форм вуглецю під певним кутом зору з подальшим їх використанням  як матеріалів, активних щодо водню. Це допоможе створити сорбенти водню для розроб-люваної водневої енергетики. Нагадаю, до речі, що в Україні є фундаментальна програма створення «водневої енергетики», яка близька до наноматеріалів.

Не можна також не назвати напрям, який займається переважно проблемами синтезу неорганічних об’єктів, зокрема шаруватих. Вони мають декілька важливих застосувань, і перехід до наноструктурного стану надає їм нових властивостей.

Досить успішно вирішується завдання створення так званих паливних комірок на основі твердооксидного електроліту, де використовується діоксид цирконію. У них теж важливо мати наноструктурний стан матеріалу в плівковому вигляді.

Беремо участь у грантових проектах, зокрема в одному з перших натовських проектів «Наука для миру». Тож наш інститут, попри всі негаразди часу, намагається підтримувати вітчизняну науку на гідно високому рівні.

Адреса — клітина

Про застосування нанотехнологій у біології та медицині розповідає Сергій Комісаренко, академік, директор Інституту біохімії ім. О.Палладіна НАН України.

— Сергію Васильовичу, чому вчені зараз приділяють таку велику увагу нано-біотехнологіям?

— Буквально в кожному розділі державної програми України з наноматеріалів і технологій є теми, присвячені біології та медицині. Є й окремий розділ «Нанобіотехнології». Але там відсутні теми, пов’язані із синтезом наноматеріалів. Тому ми користуємося тим, що вже зробили наші колеги в інших інститутах. Надзвичайно важливим уважаю розділ держпрограми з нанотоксикології. Створюючи будь-які нові речовини, ми маємо знати, що вони не будуть шкідливими. А наноматеріали можуть потрапляти в організм і циркулювати в ньому дивовижним чином. Відповідає за реалізацію цього розділу академік Юрій Ілліч Кундієв, відомий учений у галузі гігієни праці, віце-президент АМН України.

— Які перспективи нанотехнології в медицині?

— Зараз учені меншою мірою зайняті створенням нових лікарських препаратів. Першорядною є проблема ефективності їхнього застосування. Майже всі сполуки, які лікують те або інше захворювання, мають багато побічних ефектів. Насамперед, це антибіотики й протипухлинні препарати. Щоб різко знизити концентрацію цих ліків в організмі, потрібна їхня цілеспрямована доставка до клітин-мішеней. Модифікуючи наночастинки, можна домогтися того, що вони  здійснюватимуть адресну доставку лікарських препаратів.

Крім того, багато частинок мають цікаві властивості. Вони можуть бути магнітними, флюоресцентними. На них можна «нашивати» різні лікарські препарати, пептиди або білки. Таким чином, наноматеріали в медицині — це вивчення їхньої біологічної дії на організм, а також їхнє використання для медицини.

— У яких напрямах тривають дослідження? Які реальні наробітки?

— Уважається, що застосування наночастинок буде проривом у лікуванні раку. У лабораторіях на основі нанотехнологій уже створені частинки, опромінення яких лазером різко підвищує їхню температуру. Сучасні технології дозволяють прикріпити до них антитіла, які розпізнають антигени на пухлинній клітині. Якщо ввести такі наночастинки в організм, антитіла зв’яжуть їх із раковими клітинами, і ті стануть «міченими». Після опромінення організму інфрачервоним лазером локально значно зросте температура — відбудеться випалювання цих клітин, причому здорові тканини не ушкоджуватимуться.

Така одна з розроблюваних нині ідей боротьби зі злоякісними утвореннями. Методика підкріплена експериментами, результати яких дозволяють сподіватися на ефективну боротьбу з раком.

Наступна ідея — створення штучних еритроцитів, кров’яних клітин, які відповідають за перенесення гемоглобіну. Сам по собі гемоглобін токсичний, його не можна безпосередньо вводити в організм. Тому створюються наночастинки, які дуже нагадують еритроцити за їхнім функціональним станом. У них є гемоглобін, система його відновлення й система з видалення вільних радикалів. Така штучна клітина може переносити гемоглобін, тобто постачати киснем органи.

— Це тільки теорія чи вже реальний винахід?

— Штучні еритроцити на основі наночастинок створені китайським ученим, який працює в США. Повідомлення про це опубліковане ще у 2003 році. Однак чи пройшли такі клітини клінічні випробування й чи використовуються вони вже в медицині, мені сказати важко.

Білки давно застосовуються в ліках, таких, як інсулін. Використовуючи наноплатформи, реально створити пристрої, які автоматично контролюватимуть рівень глюкози в крові й викидатимуть в організм потрібну кількість інсуліну. Це позбавило б хворих на діабет від постійних уколів і загрози діабетичної коми. У лабораторії біохімії нашого інституту розробляються препарати для знищення тромбів на основі все тих же наночастинок: у судини вводяться  частинки з білками, які знищують фібринові згустки.

Є й інші шляхи застосування наночастинок, розроблювані сучасною медициною. Деяким із них, які мають на поверхні мікрочастинки золота або срібла, притаманні дивовижні оптичні властивості. Залежно від свого розміру вони можуть мати різний ступінь поглинання або випромінювання у видимій або ультрафіолетовій області спектра. Це дуже важливо для діагностики багатьох захворювань.

Зараз народжується багато незвичайних ідей, що ґрунтуються на нанотехнологіях. Вони обіцяють величезні перспективи, унікальні можливості, очевидні вже зараз.

Суміжний стан

Кращі у світі суперконденсатори на основі нанотехнологій створені в Україні, налагоджене і їхнє виробництво. , член-кореспондент Національної Академії наук, заступник директора з науки Інституту проблем матеріалознавства НАНУ — про унікальні матеріали, здатні здійснити прорив у багатьох галузях промисловості.

— Андрію Володимировичу, ІПМ почав досліджувати наноматеріали задовго до того, як з’явилися їхні сучасні назви. Тоді ці об’єкти називали високодисперсними порошками. Тож до нинішнього нанобуму ваш інститут підійшов із добрим заділом.

— Дійсно, ми одними з перших в Україні розпочали вивчення наноструктур. Виявилося, що для дуже широкого спектра матеріалів — металевих і неметалевих — проявляються так звані розмірні ефекти. Наприклад, за нанорозмірів у десятки разів збільшуються магнітні властивості, тобто можна зробити на стільки ж потужніші магніти. Зростає діелектрична стала для багатьох сегнетоелектриків. Отже, розміри багатошарових керамічних конденсаторів, які є в будь-якому комп’ютері або мобільному телефоні, можна значно зменшити. Нанотехнології вплинули також на істотну мініатюризацію інших електронних компонентів, що є складовими великих інтегральних мікросхем.

— Учені розрізняють два поняття: нанотехнологія й технологія наноматеріалів. У чому полягає відмінність?

— Це зовсім різні речі. Нанотехнологія  оперує надмалими частинами речовини на рівні наномасштабів. Сюди зараховують елементарне складання наночастинок із атомів або кластерів атомів. А от у технології наноматеріалів не обов’язково оперувати на нанорівні, тут цілком можуть бути макрооб’єкти. Наприклад, якщо необхідно створити якусь габаритну деталь, скажімо, багатоплівкову конструкцію для конденсатора.

— Як властивості матеріалу, що проявляються в його наночастинках, можна використовувати для створення порівняно великих деталей та об’єктів?

— Одним із перших наших завдань було знайти технологічні прийоми, що дозволяють одержувати матеріали з величиною «зерна», вимірюваного в нанометрах. Наступний крок став протилежним: маючи крихітні наночастинки, треба зібрати їх у єдиний матеріал для одержання об’ємних виробів. Завдання це досить важке й суперечливе з огляду на закони фізики.

Ми досліджували матеріали, отримані з тих самих наночастинок, але різними способами: під високим тиском і шляхом спікання за високої температури.

У першому випадку вдається консолідувати окремі наночастинки в єдиний об’єкт за порівняно невеликої температури. При цьому майже не спостерігається росту «зерен», але в матеріалі залишається багато порожнин. Якість таких діелектриків низька. Крім того, створювати значний тиск у великому обсязі дорого, великих об’єктів при цьому не одержиш. Це обмежує можливості методу.

Спікання, навпаки, приводить до небажаного росту «зерен». Але ми змогли уникнути цього, визначивши найкращі режими. Завдяки дифузійним процесам підстроювання площин окремих «зерен» відбувається ефективно, межі стають міцними. Ми навчилися комбінувати ці два методи, щоб одержувати матеріал із найкращими заданими властивостями.

— Якими ще напрямами займається інститут?

— Одне з відділень ІПМ працює над проблемою переходу металів і сплавів зі звичайного стану в наностан методом пластичного деформування. За дуже великої деформації об’єкта змінюється сама структура матеріалу, одні атомні площини переміщаються відносно інших. Що інтенсивніше деформується метал, то більше таких переміщень. «Зерно» стає дрібнішим, а механічні, електричні та електромагнітні властивості матеріалу поліпшуються.

Крім металів, ми почали займатися сегнетоелектриками, наприклад титанатом барію, використовуваним у виробництві керамічних конденсаторів. І виявили такий ефект: що менше розмір зерна, то більше проявляються діелектричні властивості. На цьому ефекті спробували створити нове покоління діелектриків.

Ще один напрям — технології створення тонких магнітоелектричних і сегнетоелектричних плівок. Із тугоплавких плівок карбідів і нітридів навчилися складати багатошарові структури, у яких спостерігалося явище надтвердості. За правильного вибору товщини окремого шару й періодичності їхнього чергування можна досягти твердості алмазу. Плівки бувають аморфні, кристалічні та аморфно-кристалічні. Цікавіше за всіх поводяться останні: у них усередині аморфного тіла містяться металеві вкраплення. Їм властива унікальна твердість. Якщо таку плівку нанести на різальний інструмент, то різко підвищиться рівень обробки матеріалів.

— Досить тонкої плівки, щоб надати твердість всьому інструменту? А пластичні моменти, а крихкість, зношуваність матеріалу?

— Характеристики об’ємних матеріалів не завжди властиві плівкам. Вигідніше мати міцну основу, а зверху нанести плівку, що підвищує різальні властивості й зносостійкість. Плівка стає твердішою, ніж основа, на яку нанесена, інструмент працює надійніше, довше й чистіше.

— Такі інструменти вже реальність чи це поки наукові розробки? У якому напрямі взагалі розвиваються плівкові технології?

— За кордоном у деяких компаніях такі інструменти вже є. У нас — поки ще на підході. Думаю, тоді в нашому машинобудуванні відбудеться серйозний прорив. Ще один напрям у таких технологіях — плівки, до складу яких входять фулерити — молекулярні кристали, складені з молекул фулерену. Виявляється, ці кульки своїми площинами добре сполучаються одна з одною, їх можна укладати дуже щільно. Такі структури мають унікальні властивості, наприклад хвильові, оптичні, електричні, які відрізняються і від властивостей вуглецю, і від окремої молекули фулерену.
Однак нас цікавить той факт, що такою структурою можливо управляти. Створити, наприклад, ендометал із фулереном — тобто фулерен, який містить досаджені до нього хімічним шляхом іони якого-небудь металу. Отож, якщо метал магнітний, така молекула полікристала також може бути магнітною, причому магнітні моменти дуже розкидані в просторі. Інтенсивність взаємодії між ними буде дуже мала, це важливо під час роботи матеріалу на високих частотах.

Як ще один приклад застосування плівкових матеріалів я б назвав аморфні плівки на основі гідридів кремнію, використовувані для сонячних батарей. Із ними в нашому інституті досить багато працювали. Інший об’єкт наших досліджень — оксиди в комбінації з металом: один шар плівки оксидний, а інший — металевий. У таких матеріалах виникає незвичайний ефект, який можна використовувати для виготовлення головок запису та зчитування інформації.

Ще одна цікава тематика нашого інституту — розробки для медицини, зокрема для виробництва імплантатів. У нас ведуться роботи з таким матеріалом, як гідроксиапатит. Це будівельний компонент для всього кістяка людини. В інституті розроблений гідроксиапатит на основі наночастинок, що вживляєтся в ушкоджену кістку. Через якийсь час він сам добудовує хвору ділянку. Через два роки ви не зумієте відрізнити кістку від імплантату. Матеріали з титану з нанесенням шару з гідроксиапатиту використовуються в зубному протезуванні і як імплантати в ремонті тазостегнових суглобів. Титанове тіло імплантату несе на собі основне навантаження, а нанопокриття забезпечує невідторгнення матеріалу.

— Ви назвали багато цікавих розробок. Чи може наша промисловість їх  використовувати, хоча б у дослідних варіантах? І як пробитися на світовий ринок наноматеріалів?

— Є дуже цікаві напрацювання, пов’язані з конденсаторами. До речі, можу вас повідомити, в Україні створені кращі у світі зразки суперконденсаторів. Маю на увазі роботи професора Юрія Малетіна. Вони дозволяють впускати в електричне коло відразу дуже високу щільність електронів. Це необхідно, наприклад, для електромобілів. Досі в них був істотний недолік: вони повільно стартували. Тож майбутні електромобілі використовуватимуть щонайменше два об’єкти нанотехнологій: суперконденсатор як стартовий пристрій і літієві батареї, ємність і питома потужність яких визначаються кількістю наноструктур. Виробництвом найсучасніших конденсаторів уже займається київська фірма «Юнаско Україна». Вона спочатку створювалася як старт-ап компанія на кошти приватного інвестора — англійця. Він переконався, що є перспективна розробка, і дав гроші. Надмініатюрні конденсатори — галузь, де ми можемо вирватися на світовий ринок високих технологій. Саме сюди уряду й великому бізнесу треба вкладати фінанси. Є й інші розробки, але вони поки не готові до промислового впровадження.

Не буду оригінальним: проблема у фінансуванні. Увесь цей рік я їздив на різні форуми та конференції, зустрічався з бізнесменами — намагався знайти покупців на порошок титанату барію, створений у нашому інституті. Це унікальний наноматеріал, який можна застосовувати у виробництві багатошарових суперконденсаторів. Ми створили пілотне виробництво титанату барію, такого у світі немає. Але й покупців нашого порошку теж поки немає. Транснаціональні корпорації, які пильно стежать за розвитком наноматеріалів, аж ніяк не прагнуть впустити нас на цей ринок.

Нанофакти

Учені з Новосибірська створили принтер, здатний друкувати на будь-якій поверхні за допомогою наночорнила. Вони нанесли зображення на воду, налиту в блюдце. Після ультрафіолетового опромінення малюнок миттєво перетворився на полімерну плівку.

Росія виділила 1,8 млрд рублів на клінічні дослідження й виробництво наноліків проти вікових захворювань. Ці препарати запобігають розвитку глаукоми, багатьох серцево-судинних патологій, остеопорозу та ревматоїдного артриту, а також збільшують загальну тривалість життя.

Азербайджанські та іранські вчені повідомили про створення дієвих засобів від раку, які ґрунтуються на доставці препарату до злоякісних клітин за допомогою наночастинок. Пошуки в цьому напрямі ведуться в багатьох лабораторіях світу.

У Франції створений наноматеріал для стоматології. Нанесений на зуб, він виліковує його без усякої бормашини й стимулює відновлення зубної емалі.

Норвезька компанія розробила прозорий наноматеріал для сонячних батарей, який можна наносити на стіни будинків і шибки за допомогою пензля або пульверизатора. Відтепер будь-яка поверхня може генерувати електроенергію.