Поиск - новости науки и техники

Легче легкого. Нанокомпозит прочнее стали, а весит меньше алюминия.

Она блестящая, очень легкая, но… не алюминиевая. Только с виду лента выглядит хрупкой, на самом деле, прочность нового суперматериала превосходит алюминий аж в три раза, не уступает она и низкоуглеродистой стали. Со временем нанокомпозит может вытеснить покрытия из алюминия и его сплавов. И найдет применение там, где высоко ценятся вес и прочность, где важно уменьшить расход топлива: в космической и военной технике, авиастроении, возможно, в строительстве, при разработке легких, долговечных конструкций. Но из-за высокой стоимости вряд ли заинтересует, скажем, автомобильную промышленность или железнодорожный транспорт.
Разработал этот необыкновенный материал известный ученый, профессор Дмитрий Гольберг, руководитель научно-исследовательской лаборатории “Неорганические наноматериалы” Национального исследовательского технологического университета “МИСиС”. Одновременно он возглавляет Центр нанотрубок Национального японского института материаловедения (г. Цукуба). Дмитрий Гольберг – автор более 550 работ, опубликованных в ведущих мировых изданиях, его индекс Хирша достигает 73, в рейтинге 2014 года, составленном известным аналитическим агентством Thomson Reuters по разделу “Науки о материалах”, он входит в число 100 самых высокоцитируемых мировых ученых. Послушать Дмитрия Гольберга – и выходит, что многому в своей научной карьере он обязан случаю.

– Я окончил МИСиС, – рассказывает Дмитрий Викторович, – и восемь лет проработал в ЦНИИчермете им. И.П.Бардина. В 1991 году вместе с научным руководителем впервые поехал на крупную международную конференцию в Японию. Общаться с коллегами пришлось в основном мне, поскольку хорошо знал английский. Там я познакомился с японским профессором, известным материаловедом, понравился ему и, благодаря его усилиям, через два года получил стипендию японского Общества содействия науке для молодых, как теперь говорят, креативных иностранных ученых. Вместе с тем профессором мы подали заявку на проведение исследований, дополнив ее списком публикаций в ведущих мировых изданиях. И хотя конкурс составлял 10 проектов на место, именно наш победил. Так, в качестве стипендиата, я оказался в Японии, в городе Цукубе (отчасти напоминающем нашу Черноголовку). Потом работал в Германии в Институте Макса Планка, но вновь вернулся в Японию в 1995 году.
И вот опять случайность (а как иначе можно рассматривать мое попадание в Цукубу?): изучая феномен плавления нитрида бора, вместе с моим коллегой и другом Михаилом Еремцом мы обнаружили необычные, обладающие рядом структурных особенностей, нанообъекты. Это были нанотрубки из нитрида бора. Естественно, мы старались найти их осмысленно, целенаправленно. Разработали массу методов и, наконец, применив индукционный нагрев порошков и газов, получили нанотрубки в больших количествах. Поясню: нитрид бора – синтетический материал, не существующий в природе. Теоретически было предсказано, что он может образовывать нанотрубки – чрезвычайно перспективные структуры. Однако экспериментально подтвердить это не удавалось, пока мы их не создали. Так, в 1995 году, одним из первых в мире, я начал заниматься нанотрубками из нитрида бора. И продолжаю разрабатывать эту многообещающую тему.
Нанотрубка выглядит как свернутый лист либо графита, либо нитрида бора. Это почти идеальный кристалл, обладающий огромной прочностью и упругостью – нанотрубки сгибаются, как резина, но не ломаются. Предел их упругости едва ли не самый высокий на Земле, сравним с алмазом. Прочность на разрыв превышает характеристики стали в десятки раз. Лет семь-восемь мы потратили на то, чтобы освоить синтез бор-нитридных нанотрубок, различных структур и на их основе разработать новые наноматериалы с высокой прочностью. Начали с непрочных полимеров. Но стоит добавить к ним нанотрубки нитрида бора, как они избавляются от этого недостатка, к тому же теплопроводность новой структуры существенно возрастает.
Следующий шаг – добиться упрочнения легких металлов. Первым на свет появился нанокомпозитный материал с алюминием. Если объяснять очень просто, то мы смешиваем порошок алюминия с порошком нанотрубок – и получаем композит. Но можно пойти другим путем: напылять на нанотрубки алюминий. Вопрос: насколько композит прочнее обычного алюминия? Лента, которую я вам показывал, раза в три прочнее обычной алюминиевой и на 10 процентов легче. Следующие на очереди металлы – магний и литий.  Их есть смысл упрочнять, сделав еще и более легкими. Даже небольшая добавка порошка из нанотрубок увеличивает прочность материала в несколько раз.
Нанокомпозиты, как я уже сказал, получают либо методом напыления, либо путем смешивания порошков из нанотрубок и металла. Мы прессуем их, превращая в нечто вроде таблетки. Ее потом можно переплавить или продеформировать. Понятно, что кастрюлю из нанокомпозитного материала при желании изготовить можно, но ее никто не купит – будет стоить баснословно дорого. Ведь цена самих нанотрубок нитрида бора составляет до 2 тысяч долларов за грамм. Композит стоит на порядок дороже алюминия. Конечно, нет смысла делать еще более прочными, скажем, титан, вольфрам или высоколегированную сталь – они в этом не нуждаются.
– А в электронике ваши наноструктуры найдут свое место?
– Безусловно. Изучение свойств нанонитрида бора, как, кстати, и графена, может привести к революции в электронике. Если, скажем, сконструировать “сэндвич” из нитрида бора и модифицированного графена, то получится готовый транзистор. Самые разнообразные дисплеи, панели в виде прозрачных пленок можно будет вырабатывать из этих наноматериалов. И, что важно подчеркнуть, они могут стать очень дешевыми.
– Известно, что уже несколько лет вместе с МИСиС вы осваиваете мегагрант. Как это случилось?
– Инициатива исходила от МИСиС. Мне предложили организовать лабораторию мирового уровня для разработки новых материалов на основе композитов легких металлов с нанотрубками нитрида бора. Я охотно согласился: хотелось сделать нечто полезное для вуза, который дал мне бесплатное образование. Правда, до того момента я вовсе не думал, что буду сотрудничать с коллегами из России или других стран: у меня и в Японии дел хватало. В моей лаборатории 25 человек, на сложном оборудовании они ведут очень важные исследования. Но опять вмешался случай: в тот год, в 2011-м, в Японии произошло сильнейшее землетрясение. Наши приборы несколько пострадали, нужно было время, чтобы привести их в порядок. И руководство, чтобы ученые не простаивали, предложило нам продолжить исследования за рубежом, объединившись с иностранными коллегами. Я воспользовался этой уникальной возможностью организовать сотрудничество с Россией.
В конкурсе на мегагранты участвовало более 500 заявок. Но мы выиграли и в 2011-м получили 150 миллионов рублей на два года. Считаю, помогли энергия тогдашнего ректора МИСиС Дмитрия Ливанова, мировая известность моей лаборатории в Японии и, безусловно, значимость проекта. Университет выделил 30 миллионов из собственных средств (в дополнение к предусмотренным мегагрантом) на организацию лаборатории. В первый год было отремонтировано помещение, в первоначальном виде представлявшее собой лишь бетонную коробку в подвале МИСиС, затем мы закупили дорогое и сложное оборудование. Есть у нас и электронный микроскоп: ведь чтобы изу­чить нанотрубку, ее нужно увеличить в тысячи раз. Мы имеем дело со структурами размером в тысячи раз тоньше человеческого волоса (его толщина около 50 микрометров), а нанотрубка тоньше одной десятой микрометра. Таков уровень измерений в современной науке.
Мы объявили конкурс и набрали 12 специалистов, теоретиков и практиков, из академических институтов Черноголовки, Троицка, МГУ им. М.В. Ломоносова (их возраст примерно 35-40 лет), а также трех аспирантов из МИСиС. Требования к сотрудникам простые: они должны быть знающими, энергичными, заинтересованными в результате. Кроме физиков, химиков и материаловедов у нас работают биологи, поскольку из наноструктур мы предполагаем делать мини-контейнеры для адресной доставки лекарств непосредственно в больной орган пациента. К моей радости, штат лаборатории возглавил мой давний друг и коллега, доктор физико-математических наук из МИСиС Дмитрий Штанский.
Третий год как существует лаборатория, и сделано, уверен, немало. Мы освоили технологии получения наноматериалов. В принципе все они известны, но ведь нам пришлось начинать с нуля, а потому необходимо было “изучить азы”. Мы научились делать нужные нам композиты, и сегодня, считаю, ни в чем не уступаем самым передовым лабораториям мира. В планах – еще больше увеличить прочность композитных материалов, приблизившись к показателям высоколегированной стали. Но прежде необходимо существенно повысить эффективность технологий. Добиться этого мы намеревались за счет продления гранта: подали заявку, и она была удовлетворена. Хотя финансирование стало меньше, но это не страшно, поскольку теперь лаборатория “на ходу”.
В будущем она должна существовать без поддержки мегагранта и независимо от моего присутствия. Фундамент заложен, задел на будущее для вуза создан. Нас уже знают в мире: за несколько лет сотрудники лаборатории опубликовали 13 статей в ведущих иностранных изданиях. Я планирую часто бывать в Москве, так что буду в курсе дел и, если надо, всегда помогу. Главное, у лаборатории есть перспектива и, едва ли не в первую очередь, в области биотехнологий. Налажены прочные связи с медиками, которым мы поставляем для испытаний наши образцы. Правда, неминуемо встает проблема увеличения объемов производства суперматериалов. Пока созданные нами структуры измеряются в граммах, а потенциальным заказчикам для убедительности хорошо бы продемонстрировать килограммы. Однако университетская лаборатория не в состоянии поставить на поток производство сложнейших нанокомпозитов, зато мы готовы предложить технологии производства.
– А будет кому их осваивать и выпускать новинки?
– Сейчас такой заинтересованности у промышленности нет, и вряд ли она появится в ближайшее время. Основать новое производство – дело долгое, дорогое и сложное. На быструю отдачу рассчитывать не приходится. Возможно, проще будет покупать наноматериалы за рубежом. Однако пока не известно, как пойдет дело дальше – ведь всего два года, как мы научились получать эти замечательные наноструктуры. Посмотрим, что будет лет через десять – двадцать. Наверняка появятся эффективные методы создания этих материалов. Так уже было с кремниевыми технологиями, теперь очередь за нанокомпозитными.

Юрий ДРИЗЕ
Фотоснимки предоставлены Д.Гольбергом  

Нет комментариев