Мир с приставкой «нано»

Сверхтонкие магнитоэлектрические пленки, сверхпрочные наноструктурные материалы и суперконденсаторы: сделано в Украине.

Нанобум, принесший миру невероятные возможности и перспективы, нарастает. Сообщения о новых открытиях в сфере нанотехнологий и наноматериалов поступают со всех континентов. Как на фоне мировых достижений выглядят успехи отечественной науки? На вопросы «Украинской технической газеты» отвечают известные ученые.

Эффекты на атомных радиусах

В каких направлениях исследуют наномир украинские ученые, рассказывает директор Института проблем материаловедения им. И.Н.Францевича НАНУ, академик.

— Валерий Владимирович, прежде всего давайте напомним читателям, что такое наночастицы, наноматериалы и чем они отличаются от привычного нам большого мира.

— Столь модная нынче приставка «нано» ничего, по сути, не означает, кроме характеристики линейного масштаба. 1 нанометр — это 10-9 метра и соответственно 1/1000 микрона. То есть масштаб порядка нескольких атомных радиусов. В природе сколько угодно таких объектов. Все элементы живой клетки — от белка до структур ДНК — типичный наномир.

Но это не мир атомов, описываемый законами квантовой механики. У него свои закономерности. Главное в наноматериалах то, что их частицы — зерна — имеют свойства, отличающиеся от тех же материалов в больших размерах. У крупных частиц соотношение площади поверхности к массе объекта незначительно. У наночастиц оно намного больше. Поверхность здесь выступает как лидирующая характеристика.

Возьмем один кубический сантиметр какого-нибудь твердого материала. Его поверхность имеет площадь 6 квадратных сантиметров. Если его поделить на кубики объемом 1 кубический микрометр (или микрон — одна миллионная метра), то площадь поверхности всех кубиков составит 6 квадратных метров. А если тот же кубический сантиметр поделить на кубики объемом в один нанометр, то получим уже 6 тысяч квадратных метров. При таком мелком делении вещества, или дисперсии, большая часть атомов оказывается на поверхности частиц и огромную роль начинают играть поверхностные эффекты, которые значительно отличаются от изучаемых в традиционных физике и химии.

В конце концов весь этот мир мелких частиц был выделен в особый раздел, получивший приставку «нано». Сегодня развитию наноотрасли уделяется огромное значение, поскольку потенциальные возможности новых материалов довольно велики.

— Когда в мире начался нанобум и как Украина вписывается в мировые тенденции?

— Считается, что толчком к этому буму стала высказанная немецким профессором Гайтером идея создания нанокристаллического материала, у которого размер зерен был бы меньше 100 нанометров. Известно, что свойства материала зависят от размера зерна. Уменьшая его, мы повышаем твердость, прочность вещества и открываем новые возможности для получения неожиданных свойств.

Первыми это осознали американцы, выделив на развитие нанотехнологий и наноматериалов несколько миллиардов долларов. Затем вдогонку бросилась Россия. В МГУ недавно создали первый в России факультет науки о материалах. Основной  его профиль — именно наносистемы, наноматериалы. Появилась государственная корпорация «Роснано», объединившая множество научных институтов и производств. Она получает солидные государственные и частные инвестиции.

Мы тоже работаем над изучением нанопроцессов, хотя сильно отстаем от мира. В 2003 году президиум НАН Украины принял целевую программу по наносистемам, наноматериалам и нанотехнологиям. В ней участвует ряд институтов академии. Потом появилась межправительственная программа между Украиной и Россией, хотя ее тематика несколько уже. И, наконец, в 2009 году была принята государственная научно-техническая программа по наноматериалам и нанотехнологиям. Впрочем, изначально на нее было выделено очень мало средств, а в этом году финансирование срезано еще на порядок. Это при том, что у нас и так не хватает современного оборудования для исследования наномира.

— После того, как Нобелевская премия по физике была вручена Андрею Гейму и Константину Новоселову за получение и исследование графена — слоя углерода толщиной в один атом, интерес к углеродным наноматериалам значительно возрос.

— Собственно, такая структура была предсказана давно. Заслуга Гейма и Новоселова в том, что они сумели выделить этот один слой и определить его свойства. Известно, что свойства вещества задаются не только его химическим составом, но и структурой. Углерод существует в виде графита и алмаза. Теперь найдены его новые формы — графитовые трубки и фуллерены. На базе фуллеренов возникла целая химия — появились их соединения с металлами, со сложными структурами и т.д.

Графитовым трубкам приписывают уникальные свойства, в том числе по прочности и упругости. Однако реализовать эти свойства, сделать из них некий макрообъект пока не удается. Тем не менее использование и фуллеренов, и нанотрубок в качестве наполнителей какого-либо композиционного материала дает интересные плоды.

Вскоре обнаружилось, что такие необычные структуры могут иметь не только графит, но и целый ряд других веществ: нитрид бора, оксиды. Сейчас в этом направлении химики всего мира проводят много исследований, синтезируют разные вещества с удивительными свойствами. Использование таких структур больше лежит в области химии: это сорбенты, катализаторы.

— Какими исследованиями в сфере нано занимаются ученые Украины?

— Наш институт проблем материаловедения НАНУ давно и успешно исследует вещества, которые по нынешней номенклатуре относятся к нанокристаллическим, наноструктурным материалам. Мы провели множество экспериментов и сделали теоретические разработки проблем еще до того, как возник сам термин.

Уже достаточно давно мы занимаемся нитридом бора. Он во многом подобен графиту, а кубический нитрид бора — алмазу. Затем оказалось, что есть еще одна фаза существования нитрида бора, но не кубическая, получаемая путем обработки обычного нитрида бора взрывом.

К сожалению, все инструментальные твердые материалы имеют значительную хрупкость. Была выдвинута гипотеза, что при обработке высоким давлением получается смесь разных состояний нитрида бора, обладающая рядом преимуществ: хрупкость ее существенно ниже, а вязкость выше. По сути, это уже типичный наноматериал. Сейчас мы определяем условия технологических операций, при которых качество получаемого материала будет наивысшим.

Другое направление исследований — наноструктурные металлические материалы. Наша задача — найти такие вещества и методы их обработки, чтобы создавать прочные, тугоплавкие материалы для нужд промышленности. Для этого мы в исходный наноструктурный материал вводим дозированные примеси, которые закрепляют границы между частицами, предотвращают сползание всей системы в сверхпластичность. Это можно сравнить с цементом в кирпичной кладке. Оказалось, что для того, чтобы сделать деталь прочной, достаточно упрочнить ее поверхностные слои. Скажем, методом протяжки заготовки через специальную трубу. Тогда в поверхностных слоях заготовки возникают наноструктуры, дающие прочность всему изделию.

Еще одна большая тема работ в институте — композиты на основе тугоплавких соединений — нитридов, боридов, карбидов. Для получения материалов с заданными свойствами мы начали применять так называемое спекание плазмой. Сквозь высокодисперсный порошок пропускается электрический разряд с одновременным приложением давления. Это эффективный способ получения нанокристаллического материала на основе тугоплавких соединений. В этом направлении у нас хорошие контакты с Японией. Там есть институт, очень похожий на наш по тематике. Правда, его финансирование на порядок выше.

Разрабатываем и направление, возникшее в период бума вокруг фуллеренов и нанотрубок: занимаемся этими новыми формами углерода под определенным углом зрения, а именно — для использования их в качестве материалов, активных по отношению к водороду. Такое изучение поможет создать сорбенты водорода для разрабатываемой водородной энергетики. Напомню, кстати, что в Украине есть фундаментальная программа создания водородной энергетики, близко соприкасающейся с наноматериалами.

Нельзя также не назвать направление, в рамках которого занимаемся в основном проблемами синтеза неорганических объектов, в частности слоистыми объектами. Они имеют ряд важных приложений, и переход к наноструктурному состоянию дает новые свойства.

Довольно успешно решается задача создания так называемых топливных ячеек на основе твердооксидного электролита, где используется диоксид циркония. В них тоже важно иметь наноструктурное состояние материала в пленочном виде.

Принимаем участие в грантовых проектах, в частности в одном из первых натовских проектов «Наука для мира». Так что наш институт, несмотря на все сложности времени, старается поддерживать отечественную науку на достойно высоком уровне.

Адрес — клетка

О применении нанотехнологий в биологии и медицине говорит Сергей Комисаренко, академик, директор Института биохимии им. А.В.Палладина НАН Украины.

— Сергей Васильевич, почему ученые сейчас уделяют такое внимание нанобиотехнологиям?

— Буквально в каждом разделе государственной программы Украины по наноматериалам и технологиям есть темы, посвященные биологии и медицине. Есть и отдельный раздел «Нанобиотехнологии». Но там отсутствуют темы, связанные с синтезом наноматериалов. Поэтому мы пользуемся тем, что уже произвели наши коллеги в других институтах. Чрезвычайно важным считаю раздел госпрограммы по нанотоксикологии. При создании любых новых веществ мы должны быть уверены, что они не окажутся вредными. А наноматериалы могут проникать в организм и циркулировать в нем совершенно невообразимым способом. Отвечает за реализацию этого раздела академик Юрий Ильич Кундиев, известный ученый в области гигиены труда, вице-президент АМН Украины.

— Что могут дать медицине нанотехнологии?

— Сейчас ученые в меньшей степени заняты созданием новых лекарственных препаратов. На первый план вышла проблема эффективности их применения. Мы сталкиваемся с тем, что практически все соединения, призванные лечить то или иное заболевание, имеют много побочных эффектов. Прежде всего, это антибиотики и противоопухолевые препараты. Чтобы резко снизить концентрацию этих лекарств в организме, нужна их целенаправленная доставка к клеткам-мишеням. Модифицируя наночастицы, можно добиться того, что они будут осуществлять адресную доставку лекарственных препаратов.

Кроме того, многие частицы обладают интересными свойствами. Они могут быть магнитными, флюоресцентными. На них можно «нашивать» разные лекарственные препараты, пептиды или белки. Таким образом, наноматериалы в медицине — это изучение их биологического действия на организм, а также их использование для медицины.

— В каких направлениях идут исследования? Каковы реальные наработки?

— Считается, что применение наночастиц станет прорывом в лечении рака. В лабораториях на основе нанотехнологий уже созданы частицы, облучение которых лазером приводит к резкому повышению их температуры. Современные технологии позволяют прикрепить к ним антитела, которые распознают антигены на опухолевой клетке. Если ввести такие наночастицы в организм, антитела свяжут их с раковыми клетками, и те станут мечеными. Облучение организма инфракрасным лазером приведет к тому, что локально значительно возрастет температура — произойдет выжигание этих клеток, причем здоровые ткани не пострадают. Такова одна из разрабатываемых ныне идей борьбы со злокачественными образованиями. Методика подкреплена экспериментами, результаты которых дают большие надежды на эффективную борьбу с раком.

Следующая идея — создание искусственных эритроцитов, кровяных клеток, ответственных за перенос гемоглобина. Сам по себе гемоглобин токсичен, его нельзя напрямую вводить в организм. Поэтому создаются наночастицы, очень напоминающие эритроциты по их функциональному состоянию. В них есть гемоглобин, система его восстановления и система по удалению свободных радикалов. Такая искусственная клетка может переносить гемоглобин, то есть снабжать кислородом органы.

— Это только теория или уже реальное изобретение?

— Искусственные эритроциты на основе наночастиц созданы китайским ученым, работающим в США. Сообщение об этом опубликовано еще в 2003 году. Однако прошли ли такие клетки клинические испытания и используются ли они уже в медицине, мне сказать трудно.

Белки давно применяются в лекарствах, таких как инсулин. Используя наноплатформы, реально создать устройства, которые автоматически будут контролировать уровень глюкозы в крови и выбрасывать в организм нужное количество инсулина. Это избавило бы больных диабетом от постоянных уколов и угрозы диабетической комы. В лаборатории биохимии нашего института разрабатываются препараты для уничтожения тромбов на основе все тех же наночастиц: в русло сосуда вводятся  частицы с белками, уничтожающими фибриновые сгустки.

Есть и другие пути применения наночастиц, разрабатываемые современной медициной. Некоторые из них, имея на поверхности микрочастички золота или серебра, обладают удивительными оптическими свойствами. В зависимости от своего размера они могут иметь разную степень поглощения или излучения в видимой или ультрафиолетовой области спектра. Это очень важно для диагностики многих заболеваний.

Сейчас рождается много совершенно необычных идей, основанных на нанотехнологиях. Они открывают огромные перспективы, уникальные возможности, очевидные уже сейчас.

Пограничное состояние

Лучшие в мире суперконденсаторы на основе нанотехнологий созданы в Украине, налажено и их производство. Андрей Рагуля, член-корреспондент Национальной Академии наук, заместитель директора по науке Института проблем материаловедения НАНУ — об уникальных материалах, способных совершить прорыв во многих отраслях промышленности.

— Андрей Владимирович, ИПМ стал исследовать наноматериалы задолго до того, как появились их современные названия. Тогда эти объекты именовали высокодисперсными порошками. Так что к нынешнему нанобуму ваш институт подошел с хорошим заделом.

— Действительно, мы одними из первых в Украине приступили к изучению наноструктур. Оказалось, что для очень широкого спектра материалов — металлических и неметаллических — проявляются так называемые размерные эффекты. Например, при наноразмерах в десятки раз увеличиваются магнитные свойства, то есть можно сделать на столько же более мощные магниты. Возрастает диэлектрическая постоянная для многих сегнетоэлектриков. А значит, размеры многослойных керамических конденсаторов, которые есть в любом компьютере или мобильном телефоне, можно значительно уменьшить. Нанотехнологии повлияли также на существенную миниатюризацию других электронных компонент, являющихся составными частями больших интегральных микросхем.

— Ученые различают два понятия: нанотехнология и технология наноматериалов. В чем состоит отличие?

— Это совершенно разные вещи. Нанотехнология подразумевает оперирование сверхмалыми частями вещества на уровне наномасштабов. Сюда относят элементарную сборку наночастиц из атомов или кластеров атомов. А вот в технологии наноматериалов не обязательно оперировать на наноуровне, здесь вполне могут быть макрообъекты. Например, если необходимо создать некую габаритную деталь, скажем, многопленочную конструкцию для конденсатора.

— Как свойства материала, проявляющиеся в его наночастицах, можно использовать для создания сравнительно крупных деталей и объектов?

— Одной из первых наших задач было найти технологические приемы, позволяющие получать материалы с величиной «зерна», измеряемого в нанометрах. Следующий шаг стал обратным: имея крохотные наночастицы, нужно собрать их в единый материал для получения объемных изделий. Задача это достаточно трудная и противоречивая с точки зрения законов физики.

Мы исследовали материалы, полученные из одних и тех же наночастиц, но разными способами: под высоким давлением и путем спекания при высокой температуре. В первом случае удается консолидировать отдельные наночастицы в единый объект при сравнительно небольшой температуре. При этом практически не наблюдается роста «зерен», но в материале остается много пустот. Качество таких диэлектриков низкое. Кроме того, создавать значительное давление в большом объеме дорого, крупных объектов при этом не получишь. Это ограничивает возможности метода.

Спекание, наоборот, приводит к нежелательному росту «зерен». Но мы смогли избежать этого, определив наилучшие режимы. Благодаря диффузионным процессам подстройка плоскостей отдельных «зерен» происходит эффективно, границы получаются прочными. Мы научились комбинировать эти два метода, чтобы получать материал с наилучшими заданными свойствами.

— Какими еще направлениями занимается институт?

— Одно из отделений ИПМ работает над проблемой перехода металлов и сплавов из обычного состояния в наносостояние методом пластического деформирования. При очень сильной деформации объекта меняется сама структура материала, одни атомные плоскости перемещаются относительно других. Чем интенсивней деформируется металл, тем больше таких перемещений. Зерно становится мельче, а механические, электрические и электромагнитные свойства материала улучшаются.

Кроме металлов, мы начали заниматься сегнетоэлектриками, например титанатом бария, используемым в производстве керамических конденсаторов. И обнаружили такой эффект: чем меньше размер «зерна», тем диэлектрические свойства проявляются сильнее. На этом эффекте попытались создать новое поколение диэлектриков.

Еще одно направление — технологии создания тонких магнитоэлектрических и сегнетоэлектрических пленок. Из тугоплавких пленок карбидов и нитридов научились собирать многослойные структуры, в которых обнаружилось явление сверхтвердости. При правильном выборе толщины отдельного слоя и периодичности их чередования можно достичь твердости алмаза. Пленки бывают аморфные, кристаллические и аморфно-кристаллические. Интереснее всех ведут себя последние: у них внутри аморфного тела находятся металлические включения. Они показывают уникальную твердость. Если такую пленку нанести на режущий инструмент, то резко повысится уровень обработки материалов.

— Достаточно тонкой пленки, чтобы придать твердость всему инструменту? А пластические моменты, а хрупкость, изнашиваемость материала?

— Свойства, присущие объемным материалам, не всегда присущи пленкам. Выгоднее иметь прочную основу, а сверху нанести пленку, которая повышает режущие свойства и износостойкость. Пленка оказывается тверже, чем основание, на которое нанесена, инструмент работает надежнее, дольше и чище.

— Такие инструменты уже реальность или это пока научные разработки? В каком направлении вообще развиваются пленочные технологии?

— За рубежом в некоторых компаниях такие инструменты уже есть. У нас — пока еще на подходе. Думаю, тогда в нашем машиностроении будет серьезный прорыв. Еще одно направление в таких технологиях — пленки, в состав которых входят фуллериты — молекулярные кристаллы, собранные из молекул фуллерена. Оказывается, эти шарики своими плоскостями хорошо сопрягаются друг с другом, их можно укладывать очень плотно. Такие структуры обладают уникальными свойствами, например волновыми, оптическими, электрическими, которые отличаются и от свойств углерода, и отдельно взятой молекулы фуллерена.

Однако нас интересует тот факт, что такой структурой возможно управлять. Создать, например, эндометалл с фуллереном — то есть фуллерен, содержащий присаженные к нему химическим путем ионы какого-либо металла. Так вот, если металл магнитный — то такая молекула поликристалла также может быть магнитной, причем магнитные моменты сильно разнесены в пространстве. Интенсивность взаимодействия между ними будет очень мала, это важно при работе материала на высоких частотах.

Как еще один пример применения пленочных материалов я бы назвал аморфные пленки на основе гидридов кремния, используемые для солнечных батарей. С ними в нашем институте довольно много работали. Другой объект наших исследований — оксиды в комбинации с металлом: один слой пленки оксидный, а другой — металлический. В таких материалах возникает необычный эффект, который можно использовать для изготовления головок записи и считывания информации.

Еще одна интересная тематика нашего института — разработки для медицины, в частности для производства имплантатов. У нас ведутся работы с таким материалом, как гидроксиапатит. Это строительный компонент для всего скелета человека. В институте разработан гидроксиапатит на основе наночастиц, который вживляется в поврежденную кость. Через некоторое время он сам достраивает «больной» участок. Спустя два года вы не сумеете отличить кость от имплантата. Материалы из титана с нанесением слоя из гидроксиапатита используются в зубном протезировании и в качестве имплантатов в «ремонте» тазобедренных суставов. Титановое «тело» имплантата несет на себе основную нагрузку, а нанопокрытие обеспечивает неотторжение материала.

— Вы назвали много интересных разработок. Может ли наша промышленность их использовать, хотя бы в опытных вариантах? И как пробиться на мировой рынок наноматериалов?

— Есть очень интересные наработки, связанные с конденсаторами. Кстати, могу вам сообщить, в Украине созданы лучшие в мире образцы суперконденсаторов. Имею в виду работы профессора Юрия Малетина. Они позволяют впускать в электрическую цепь сразу очень высокую плотность электронов. Это необходимо, например, для электромобилей. До сих пор у них был существенный недостаток: они медленно стартовали. Так что будущие электромобили станут использовать, как минимум, два объекта нанотехнологий: суперконденсатор как стартовое устройство и литиевые батареи, емкость и удельная мощность которых определяются количеством наноструктур. Производством самых современных конденсаторов уже занимается киевская фирма «Юнаско Украина». Она изначально создавалась как старт-ап компания на средства частного инвестора — англичанина. Он убедился, что есть стоящая разработка, и дал деньги. Сверхминиатюрные конденсаторы — область, где мы можем вырваться на мировой рынок высоких технологий. Именно сюда правительству и крупному бизнесу стоит вкладывать финансы. Есть и другие разработки, но они пока не готовы к промышленному внедрению.

Не буду оригинальным: все упирается в финансирование. Весь этот год я ездил по различным форумам и конференциям, встречался с бизнесменами — пытался найти покупателей на порошок титаната бария, созданный в нашем институте. Это уникальный наноматериал, который можно применять в производстве многослойных суперконденсаторов. Мы создали пилотное производство титаната бария, такого в мире нет. Но и покупателей нашего порошка тоже пока нет. Транснациональные корпорации, пристально следящие за развитием наноматериалов, отнюдь не стремятся пустить нас на этот рынок.

Нанофакты

Ученые из Новосибирска создали принтер, способный печатать на любой поверхности при помощи наночернил. Они нанесли изображение на воду, налитую в блюдце. После облучения ультрафиолетовыми лучами рисунок мгновенно превратился в полимерную пленку.

Россия выделила 1,8 млрд рублей на клинические исследования и производство нанолекарств против возрастных заболеваний. Эти препараты предотвращают развитие глаукомы, ряда сердечно-сосудистых заболеваний, остеопороза и ревматоидного артрита, а также увеличивают общую продолжительность жизни.

Азербайджанские и иранские ученые сообщили о создании действенных средств от рака, основанных на доставке препарата к злокачественным клеткам при помощи наночастиц. Поиски в этом направлении ведутся во многих лабораториях мира.

Во Франции создан наноматериал для стоматологии. Нанесенный на зуб, он излечивает его без всякой бормашины и стимулирует восстановление зубной эмали.

Норвежская компания разработала прозрачный наноматериал для солнечных батарей, который можно наносить на стены домов и стекла окон при помощи кисти или пульверизатора. Отныне любая поверхность может генерировать электроэнергию.