Поиск - новости науки и техники

Чудо на потоке. Ученые Черноголовки наладили производство уникального нанопродукта.

Человек, даже далекий от науки, что-то да слышал о таком чуде, как углеродные нанотрубки. Использование этих полых цилиндрических структур предельно малых размеров сулит поднять человечество на следующую ступень прогресса. Но чтобы это сбылось, ученым еще надо поработать, в частности найти способы, которые позволили бы добиваться особой чистоты этого продукта при невысокой себестоимости его производства. Заметных результатов в решении этой проблемы достигла научная группа “Дисперсные углеродные материалы” под руководством доктора физико-математических наук Анатолия КРЕСТИНИНА из Института проблем химической физики (ИПХФ) РАН в Черноголовке.

– Углеродными наноматериалами (прежде всего, это фуллерены и нанотрубки) наука стала активно заниматься начиная с последнего десятилетия прошлого века, – рассказывает Анатолий Васильевич. – Уже сейчас они находят применение, скажем, при создании композитных материалов с особыми свойствами, а со временем могут стать основой наноэлектроники будущего, вывести на новый уровень развития ракетную и вычислительную технику, медицину.
Надо заметить, что к числу этого вида материалов относится и всем знакомая сажа, средний размер частиц которой всего 30-50 нанометров. Механизмом ее образования при горении и пиролизе углеводородов я начал заниматься еще в конце 1980-х. В то время ведущим специалистом в этой области у нас был профессор Павел Александрович Теснер, работавший во ВНИИГАЗ. С ним мы познакомились на одной из конференций в 1989-м и с тех пор стали сотрудничать.
Основываясь на экспериментальных результатах Теснера, мне удалось к концу 1990-х годов сформулировать кинетическую модель зарождения и роста сажи, которая получила название “полииновая модель сажеообразования”. В ней этот процесс трактуется как процесс гомогенной конденсации пересыщенного полиинового пара в химически активной атмосфере. Молекулы полиинов представляют собой углеродные цепи с чередующимися тройными и одинарными связями, эта особенность придает соединениям исключительно высокую реакционную способность к полимеризации. С помощью этой модели впервые удалось количественно описать кинетику зарождения и роста сажи при пиролизе углеводородов.
С открытием фуллеренов в конце 1980-х годов и началом их интенсивного изучения в 1990-х меня заинтересовал вопрос, насколько отличаются механизмы образования фуллеренов и сажи. Вместе с научным сотрудником ИПХФ Александром Петровичем Моравским (он один из первых воспроизвел в России открытый в начале 1990-х годов Крэчмером электродуговой метод синтеза фуллеренов) нам удалось получить неплохие результаты в понимании кинетики образования фуллеренов в процессе электродугового испарения углерода. Тогда это был основной метод получения новой аллотропной формы углерода.
Однако возможности технического применения фуллеренов были тогда неясны, поэтому после открытия углеродных нанотрубок с конца 1990-х моя научная группа переключилась на изу­чение механизма их образования. Наиболее интересными и перспективными нам казались однослойные углеродные нанотрубки (ОСУНТ), стенка которых образована всего одним слоем атомов. К началу 2000-х мы отработали лабораторную технологию получения чистых нанотрубок из продуктов конденсации электродугового процесса, в котором графит с добавкой металлов-катализаторов испаряется в электрической дуге. Основная сложность здесь состоит в очистке нанотрубок от примесных частиц, так как содержание ОСУНТ в продуктах конденсации электродугового процесса не превышает 25-30%.
По своей эффективности и качеству получаемого продукта наша лабораторная технология в то время вполне соответствовала мировому уровню. Тогда на Западе начали образовываться spin-off-компании по производству ОСУНТ, связанные с лабораториями, которые, как и наша, занимались изучением механизма образования однослойных углеродных нанотрубок. Однако в России денег на прикладные работы не было, поэтому совершенствовать свою технологию производства чистых ОСУНТ мы не могли.
– И все-таки выход был найден?
– Если бы такая ситуация сохранялась еще в течение пяти-шести лет, то наши наработки по технологии электродугового синтеза ОСУНТ безнадежно устарели бы и потеряли ценность. Но тут произошло неожиданное событие. Заведующий одной из лабораторий санкт-петербургского Физтеха профессор Александр Яковлевич Вуль в начале 2008 года предложил нам подготовить проект лота на тему “Разработка технологии и оборудования для производства однослойных и многослойных углеродных нанотрубок высокой степени чистоты” для Федеральной целевой научно-технической программы (ФЦНТП). Соглашаясь на эту работу, я понимал, что опытно-конструкторские разработки – не моя область, и возможность провала была довольно велика. Но, с другой стороны, было интересно проверить, можно ли выполнить такую работу в академическом институте и довести фундаментальные исследования до практически полезных результатов. Итог оказался в целом положительным.
В техническом задании к лоту ФЦНТП были сформулированы требования к оборудованию и продуктам: в случае ОСУНТ уровень примесей не должен превышать 1%, для многослойных углеродных нанотрубок (МСУНТ) средний диаметр трубок – менее 10 нм и уровень примесей также не более 1%.
Так как базы для производства МСУНТ в ИПХФ не было, нам пришлось создать консорциум. В него вошли фактически все реально работающие в то время в России научные группы, изучавшие процессы синтеза и свойства углеродных нанотрубок. Это ИПХФ, Институт кристаллографии РАН, Институт общей физики РАН, Институт катализа СО РАН, Тамбовский государственный технический университет. Для поддержки технологической части в консорциум были также включены Завод химического машиностроения “Комсомолец” (Тамбов) и ФГУП “СКТБ Технолог” (Санкт-Петербург). Благодаря созданию такой сильной команды мы смогли одержать победу в конкурсе ФЦНТП.
В ИПХФ при поддержке директора института академика Сергея Алдошина и замдиректора члена-корреспондента РАН Владимира Разумова был организован научно-производственный комплекс, задачей которого стала разработка технологии и оборудования для производства ОСУНТ электродуговым методом.
В 2011 году было создано предприятие ООО “Углерод Чг”, в уставный капитал которого ИПХФ вложил интеллектуальную собственность по технологии и оборудованию для производства ОСУНТ. Однако для организации производственного участка нужны были деньги в размере 12 миллионов рублей, которых институт не имел. Нам удалось найти инвесторов – российских бизнесменов, вложивших в уставный капитал предприятия необходимые средства. К концу 2012 года на площадях, арендуемых “Углерод Чг”, было изготовлено, установлено и запущено в работу оборудование первой очереди по производству однослойных углеродных нанотрубок. Сегодня это единственное в России производство ОСУНТ, которого достаточно для того, чтобы обеспечить на ближайшие годы исследовательские работы в стране новым углеродным наноматериалом высокого качества.
– Какова цена таких современных материалов? Насколько они доступны для других секторов экономики и научных организаций?
– Углеродные нанотрубки с высокосовершенной структурой и близкими к предельным характеристиками по прочности имеют очень высокую цену – порядка 500-700 долларов за грамм чистых ОСУНТ. Страны-лидеры, определяющие уровень развития индустрии углеродных нанотрубок в мире – США и Япония и догоняющий их Китай, – ведут интенсивные исследования новых методов синтеза ОСУНТ. Их цель – разработка процессов и оборудования для создания производства нанотрубок мощностью до одного килограмма чистых ОСУНТ в день. Однако даже в этом случае цена продукта будет выше 50 долларов за грамм.
Теперь о том, насколько перспективна электродуговая технология производства ОСУНТ и какую стоимость будут иметь нанотрубки, произведенные по этой технологии в случае масштабирования производства. Насколько конкурентно это производство сегодня и в ближайшем будущем? Еще в 2003 году мы сделали расчеты и опубликовали данные о том, что цена чистых углеродных нанотрубок лазерного и электродугового синтеза не может быть ниже 60-80 долларов за грамм. Прогресс за прошедшие годы оказался заметно меньше, и нижняя граница цены ОСУНТ, которую допускает технология электродугового синтеза, пока не достигнута: в ближайшее время наши продукты высокого качества на основе электродуговой технологии после отладки производства будут иметь себестоимость 100-200 долларов за грамм. Но даже эти цифры показывают, что наши ОСУНТ-продукты дешевле и лучше самых доступных на мировом рынке.
Мы провели анализ китайского рынка однослойных углеродных нанотрубок и не смогли найти в нем ни одного аналога, сравнимого по качеству с нашими продуктами. Неоднократно обнаруживалось, что товар, который компания-производитель заявляет как ОСУНТ-90 (то есть содержащий 90% основного вещества), в действительности имел не более 30-40% однослойных углеродных нанотрубок, остальное – примеси МСУНТ и других наночастиц. В общем, приобрести на мировом рынке ОСУНТ высокого качества пока проблематично.
– Можете ли вы сопоставить достижения в области получения углеродных нанотрубок в России и за рубежом?
– Как показывает практика, исследования, выполненные на хорошем научном уровне, всегда приносят имеющие перспективное значение результаты. Сейчас в мире формируется так называемый шестой технологический уклад. Американцы прекрасно понимают важность научного и технологического рывка на этом этапе развития мировой экономики и вкладывают в науку денег больше, чем все остальные страны мира вместе взятые. Причем средства выделяются не просто на науку, а на проблемно-ориентированные исследования и конструкторские разработки, которые через 10-15 лет обеспечат США экономическое доминирование в новых условиях.
Россия отстает в мировой гонке в области высоких технологий. Поэтому я считаю, что любая исследовательская работа должна быть связана, пусть опосредованно, с решением крупной технической проблемы. Создание производства ОСУНТ в Черноголовке – это возможность выполнять проекты на уровне опытно-конструкторских работ в области технических приложений однослойных углеродных нанотрубок.
Наши работы показали, что включение 0,003-0,01% ОСУНТ в полимерную матрицу, например эпоксидную или уретановую, приводит к заметному (на 20-50%) повышению прочностных и упругих характеристик полимера. Если этот эффект удастся перенести в углепластики для авиации и ракетно-космической техники, чем мы сейчас занимаемся, то результат применения однослойных углеродных нанотрубок окажется экономически выгодным даже при сегодняшних ценах на этот продукт.

На верхнем фото: Реактор для производства однослойных углеродных нанотрубок по технологии, разработанной в ИПХФ

На среднем фото: Образцы ОСУНТ-продуктов

На нижнем фото: Схематическое изображение нанотрубки

Фирюза ЯНЧИЛИНА
Фото из архива института
и с сайта http://www.dailytechinfo.org

Нет комментариев