Свойства материалов, которые мы считали постоянными величинами, перестают быть таковыми, когда размер частичек материала приближается к наноуровню

Калинников В.Т., академик РАН, председатель УРАН КНЦ РАН, директор ИХТРЭМС 
Николаев А.И., чл.-корр. РАН, зам. директора УРАН ИХТРЭМС КНЦ РАН

Работы ИХТРЭМС КНЦ РАН

Перспективы развития нанотехнологий в Мурманской области

Два слова — наноматериалы и нанотехнологии – сегодня относятся к наиболее часто применяемым. Обычно их сочетают с определениями уникальности для промышленности и общества, но нередко говорят о таких материалах, как о способных привести человечество к грядущей катастрофе. В научной и научно-популярной литературе существуют понятия нанобума и даже нанопурги [1, 2]. Попытаемся проанализировать сложившуюся ситуацию и отделить «зерна от плевел».

Почему появилась необходимость в новых материалах? Безусловно, это - вызов времени. Постоянный прогресс в технологии, вычислительной технике, бытовых приборах и др., т.е. в промышленности, сельском хозяйстве, быту, обязывает искать новые возможности решения усложняющихся задач, связанные с использованием функциональных материалов нового поколения. Наноматериалы, созданные человеком или природой, оказались «палочкой-выручалочкой». Что такое наноматериал? Это не только сверхмалые размеры частичек материала, приближающиеся к размерам крупных молекул и составляющие порядка 1.10^-9 м, но, главным образом, это - материалы с размернозависимыми химическими, физическими и биологическими свойствами. Оказалось, что физические характеристики, химические и биологические свойства материалов, которые мы считали фундаментальными величинами, т.е. постоянными, перестают быть таковыми, когда размер частичек материала приближается к наноуровню. Понижаются температуры плавления, многократно или на порядки увеличивается реакционная способность материала, прочностные характеристики и многие другие свойства. По мере накопления знаний оказалось, что наноматериалы не только порождение человека, но они характерны для природы, например, наноминералы в горных породах [3].

Под нанотехнологией в настоящее время понимают совокупность приемов и методов, применяемых при изучении, проектировании, производстве и использовании функциональных структур, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и модификацию формы, размера и интеграции составляющих их элементов, имеющих размер 1-100 нанометров (нм) [4].

Нанонаука, наноматериалы и нанотехнология в США, Западной Европе, Японии и даже в Китае начали развиваться раньше и более интенсивно, чем в России [1]. Еще в 1959 году нобелевский лауреат физик-теоретик Р.Фейнман намного предвосхитил появление техники, позволявшей реально осуществлять процессы создания структур на атомном уровне, названное им технологией «снизу – вверх», т.е. когда материалы создаются из отдельных наночастиц, как изделия из элементов конструктора [5]. Использование опыта этих стран (в первую очередь американского) при организации отечественной наноиндустрии позволит нам избежать пережитых ими ошибок и не наступать «на их и свои грабли». В известной книге Э. Дрекслера 1986 года «Машины созидания: наступление нанотехнологической эпохи» [6], описывая достижения нанонауки и нанотехнологии, автор выдвинул идею так называемой «серой слизи». Он предположил возможность появления пока не существующих продвинутых продуктов нанотехнологий – ассемблеров, способных самовоспроизводиться, что приведет к вытеснению человека из жизненного пространства, т.е. к гибели человечества. Подобные сюжеты весьма характерны для фантастических романов, где появляются умные роботы. Хотя позднее Э. Дрекслер отказался от ассемблеров, его идеи были подхвачены последователями и нашли благодатную почву, прежде всего среди людей далеких от этих проблем и не имеющих достаточных знаний в данной области.

Возможные преимущества стран, получаемые от наноматериалов и нанотехнологий, очень велики. На западе это давно поняли и вкладывают огромные средства в развитие нанонауки и наноиндустрии. Только в США на развитие нанотехнологий вкладывается ежегодно более 1 млрд. долл., заметная часть которых тратится на фундаментальные исследования. Анализируя зарубежный опыт инвестирования в наноматериалы, следует признать более эффективным вложение средств в относительно простые нанопродукты, например, наносенсоры на основе металлических сплавов или полимеров [4].

Производство и использование наноматериалов в России заметно отстает от самых развитых стран. Наиболее интенсивно сегодня в стране развивается нанонаука и всё то, что связано с разработкой методов синтеза, исследования свойств и областей применения наноматериалов. На Кольском полуострове основным исполнителем работ по наноматериалам является Учреждение Российской академии наук Кольский научный центр РАН, главным образом входящий в его состав Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.Тананаева [7]. Основные направления работ института в области наноматериалов приведены ниже.

Наноразмерные материалы для электроники

В мире в год выпускается около 600 млрд. керамических конденсаторов с использованием сегнетоэлектрических материалов. Основное направление развития этих изделий электронной техники – уменьшение массогабаритных характеристик, что может быть достигнуто в первую очередь путём снижения толщины слоев диэлектрика в многослойных конструкциях. Ключевым в этой связи является использование диэлектриков в виде нанодисперсных порошков. В Институте химии для этой цели разработаны методы синтеза наноразмерных порошков сегнетоэлектрических метатитанатов и метацирконатов стронция, бария, свинца, в том числе впервые в мире в виде узких заданных классов крупности, для использования в производстве керамических конденсаторов. Применение нанопорошков позволит снизить толщины диэлектрических слоев до 1-3 мкм и тем самым увеличить удельную емкость конденсаторов в 3–5 раз.

Обнаружение эффекта формирования в стеклообразном материале нанообразований позволило разработать методы синтеза наноразмерных порошков сегнетоэлектрических метаниобатов и метатанталатов щелочных металлов, титанилфосфатов щелочных металлов в виде узких требуемых классов крупности. Это открывает возможность изготовления оптических и электрооптических керамик методом горячего прессования. В НИТИОМ ВНЦ «ГОИ им. С.И. Вавилова» с использованием разработанных нами наноразмерных порошков метатитанатов бария, свинца, метаниобатов натрия и лития, титанилфосфата калия получены нелинейные оптические материалы: стёкла и стеклокерамики со значениями электрооптических и нелинейно-оптических коэффициентов, значительно превосходящими мировой уровень.

Разработаны подходы к получению эпитаксиальных покрытий метатанталата лития на некоторых изоструктурных материалах нано- и микроразмерной толщины. Такое покрытие на поверхности метаниобата лития позволяет повысить лучевую стойкость к повреждению лазерным излучением изделий и ёмкость оптических элементов хранения информации. Требуется как совершенствование технологии нанесения таких покрытий, так и разработка оптических ячеек памяти и устройств на их основе.

Наноразмерные материалы для катализа

Разработаны методы получения наноразмерных порошков диоксида титана, которые намного дешевле и значительно превосходят по фотокаталитической активности и временной устойчивости фотокаталитических свойств мировую продукцию. Материал может быть использован для разрушения практически всех органических веществ в растворах, а также цианистой группы. Исследования в институте по получению и применению новых фотокаталитически активных материалов интенсивно развиваются.

С использованием наноструктурированных покрытий микрореакторов и топливных элементов разрабатываются методы электрохимического синтеза каталитических систем нового класса для реакции вода-газ, которые в отличие от известных катализаторов не деградируют в течение многих циклов и могут быть использованы для катализа как высокотемпературной, так и низкотемпературной реакций. В институте изготовлено 600 каталитических элементов для микрореакторов. Финальные испытания синтезированных нами материалов будут проведены в университете г. Эйндховена в Нидерландах совместно с сотрудниками ИХТРЭМС по согласованной программе. Именно там имеется уникальное оборудование для изучения каталитических свойств новых материалов.

Разработаны методы получения бинарных металлических наноразмерных порошков, обладающих особыми магнитными и каталитическими свойствами, в частности сплава Fe-Co. Коэрцитивная сила порошков на два порядка превосходит компактный сплав FeCo а уменьшение размера частиц порошка от 420 до 25 нм приводит к увеличению коэрцитивной силы в 10 раз.

Разработан новый способ получения наноразмерных бинарных металлических порошков высокой степени гомогенности, основанный на термолитическом разложении комплексных соединений. Синтезированные интерметаллиды Co-Fe, Co-Cu и Ni-Fe были использованы для получения исходных композиций на основе Al₂O₃ для приготовления катализаторов синтеза Фишера-Тропша. Они испытаны в Институте катализа Сибирского отделения РАН – головной организацией в России по разработке и внедрению новых каталитических систем. Было установлено, что наш катализатор, содержащий Co-Fe-интерметаллид с объемно-центрированной кубической решеткой дает исключительно высокий (более 90% всех образующихся углеводородов) выход олефинов, особенно при низком давлении и температуре. Столь высокий эффект до сих пор не наблюдался. У новых катализаторов предполагается высокая эффективность при использовании в других процессах. Сформирована расширенная программа совместных работ нашего института с Институтом катализа СО РАН. Помимо интерметаллидов будут испытаны соединения других классов, в частности карбиды молибдена, оксиды различных элементов и др. Таким образом кооперация с коллегами позволит интенсифицировать это перспективное направление работ.

Наноразмерные материалы смешанного назначения

Разработан оригинальный электрохимический метод получения наноразмерных порошков СеО₂ дисперсностью 20-40 нм. Данный материал имеет широкую перспективу применения для специальных керамик, косметической промышленности, компонента высококачественных полирующих смесей и в др. областях. Важной особенностью разработки является то, что продукт будут получать из нынешних отходов переработки апатитового концентрата – фосфогипса, но может использоваться и другое сырье, содержащее редкоземельные элементы.

Высокоэффективными и перспективными пигментами являются оболочковые пигменты. Их получают нанесением тончайшего слоя пигмента толщиной от 1 до более 100 нм на доступные дешевые материалы (гипс, тальк и др.). В Институте химии разработаны и запатентованы методы получения перламутровых пигментов (покрытия диоксида титана или других неорганических и органических пигментов на мусковите и флогопите), пигментов на тонких фракциях зольных продуктов, гипса и др. с наноразмерной оболочкой из диоксида титана или оксидов железа. Использование отходов переработки и доступного Кольского сырья может обеспечить потребности в пигментах не только нашего региона, но и всей страны. Интерес к данным разработкам проявили в Китае, хотя нам хотелось бы иметь своих российских заказчиков.

Технология оболочковых пигментов на основе золы Апатитской ТЭЦ, покрытых оксидами железа, прошла испытания на ОАО «Апатит», а технология перламутровых пигментов успешно испытана на ОАО «Апатит» и ОАО «Кольская ГМК». Реализованные варианты технологии гарантируют высокие свойства функционального материала оболочкового строения.

Прогресс в производстве флюсов, сварочных материалов и технологии сварочного производства диктует необходимость создания нового класса компонентов с упорядоченной наноструктурой и контролируемым размером частиц. Новые материалы требуют разработки методов их получения и организации производства образцов, опытных и опытно-промышленных партий как самих наноразмерных порошков, так сварочных электродов и флюсов с их использованием. Применяемые в настоящее время в отечественной и мировой электродной промышленности методы не позволяют получать порошки этих соединений наноразмерной крупности. С использованием минерально-сырьевой базы Северо-запада России в институте разработаны золь-гель методы синтеза наноразмерных компонентов покрытий и на их основе перспективных композиций сварочных электродов, представляющих плавленые и спеченные смеси компонентов. Они обеспечивают надежность и работоспособность сварных конструкций, повышение эксплуатационных характеристик металла сварных швов высокопрочных хладостойких сталей, предназначенных для использования их в районах Крайнего Севера и Арктического шельфа. Проведенный цикл исследований и промышленных испытаний обеспечивает конкурентоспособность производимых в Российской Федерации сварочных электродов и флюсов.

Потенциальные потребности отечественной электродной промышленности в таким материалах составляют десятки тыс.т/год и будут увеличиваться по мере перехода на более качественные рецептуры покрытий с постоянным совершенствованием технологии их использования. Проводимые в институте исследования и практические работы совместно с ЦНИИ КМ «Прометей» и ОАО «Севмаш» по получению и применению наноразмерных компонентов сварочных материалов как составной части флюсов и покрытий электродов позволит России занять передовые позиции в мире в данной отрасли промышленности.

Наноструктурированные материалы для сорбции

Разработаны методы получения и технологии использования наноструктурированных сорбентов на основе гидратированного фосфата титанила. Такие сорбенты проявляют высокую эффективность при дезактивации жидких радиоактивных отходов, сорбции цветных металлов из стоков производств, извлечении редкоземельных элементов из фосфорнокислых растворов переработки хибинского апатитового концентрата на минеральные удобрения и др.

Список проектов Института химии для программы «Нанотехнологии Мурманской области» включает 12 работ. Их названия приведены ниже:

1. Разработка технологии и создание опытно-промышленного производства наноразмерных порошков сегнетоэлектрических сложных оксидов редких элементов IV и V групп Периодической системы для новых лазерных и электротехнических материалов.

2. Разработка новых сварочных материалов на основе минерально-сырьевой базы Северо-Запада России с использованием наноматериалов и нанотехнологий.

3. Разработка способов нанесения наноразмерной оболочки на активные носители при получении функциональных синтетических и минеральных материалов из техногенных отходов.

4. Разработка научных основ технологии получения титана, циркония, ниобия и редкоземельных металлов особой чистоты с использованием сырья Кольского полуострова и создания функциональных наноматериалов с их участием.

5. Двойные комплексные соли как прекурсоры для получения наноразмерных биметаллических порошков.

6. Разработка новых методов получения многокомпонентных металлических нанопорошков.

7. Получение материалов с высокой удельной поверхностью, соответствующей наноразмерному уровню методом механического легирования.

8. Исследование механизмов формирования и структуры наноразмерных частиц карбонатов, образующихся при механически индуцированном поглощении CO₂ силикатными минералами.

9. Роль нано- и микроразмерных частиц в техногенном рассеянии и извлечении элементов при переработке минерального сырья Кольского полуострова.

10. Разработка технологии наноразмерных порошков тантала на базе продуктов переработки лопаритового концентрата.

11. Синтез наноразмерных покрытий карбидов и нитридов молибдена для каталитических систем, совмещенных с использованием микроструктурированного реактора.

12. Научно-технические основы получения микрокремнеземистых продуктов с использованием нанотехнологий для улучшения качества бетонов.

Основное финансирование работ института по направлению наноматериалы и нанотехнология осуществляется за счет бюджетных средств РАН. С учетом важности работ Института химии по наноматериалам, связанным с исследованиями и разработками по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России, нам предоставлен грант Президента России для поддержки научной школы академика Калиникова В.Т. «Разработка принципов и методов создания наноматериалов, кристаллов и композитов с наноразмерными эффектами на основе редких и цветных металлов для приложений в электронной технике и катализе». Кроме того, институт имеет 5 грантов Российского фонда фундаментальных исследований и 5 проектов по программам РАН и Отделения химии и наук о материалах РАН, в состав которого входит институт. Дополнительное финансирование позволяет нам усилить исследовательские работы по синтезу, изучению свойств и областей применения наноразмерных материалов. К сожалению, средств не хватает на последующие важные для практики стадии работ по наработке и испытанию образцов и опытных партий продуктов. Достаточно ограничены мы и в обеспечении современной аппаратурой для изучения нанообъектов. Поэтому для ускорения проведения всего комплекса работ мы кооперируемся с другими институтами, университетами, центрами коллективного пользования, а также с предприятиями, на базе которых возможна проверка или внедрение новых технологий. Территориальная и тематическая разобщенность участников затрудняют кооперацию в комплексных исследованиях, но на сегодняшний день такую интеграционную структуру следует признать близкой к оптимальной.

И всё же назрела необходимость создания в КНЦ РАН в Апатитах оснащенного современным оборудованием Центра по исследованию структуры вещества и управляемому синтезу новых соединений с заданными свойствами. Это объединит усилия минералогов, физико-химиков, материаловедов, технологов и экологов по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области индустрии наносистем и материалов по критической технологии «Нанотехнологии и наноматериалы» на самом высоком научном уровне, не уступающем лучшим мировым стандартам.

Еще более амбициозные планы ученых-северян связаны с созданием на Кольском полуострове Центра стратегических материалов, способного обеспечить потребности ОПК и других отраслей в материалах, без которых немыслима безопасность государства. Наличие доступного сырья, разработанных технологий его переработки, а также высокий производственный и кадровый потенциал нашего региона могут быть гарантией успешного существования этого Центра. Подобные центры давно существуют в США, они имеют достаточные запасы как сырья, так и готовых продуктов, включающих наноматериалы. Материалы, обосновывающие необходимость создания Центра стратегических материалов, докладывались руководству Мурманской области, депутатам Государственной Думы Алферову Ж.И., Ненашеву М.П. и переданы для проработки в соответствующие федеральные, региональные комитеты и комиссию РАН по нанотехнологиям, которую возглавляет нобелевский лауреат Алферов Ж.И.

По статистике, приводимой в работе [4], число компаний, реализующих нанотехнологические проекты, в 2004 г. составило около 1500 при заметном доминировании США, причем удвоение произошло всего за один год. Из их числа только 10% приходится на долю крупных и свыше 40% - это мелкие компании. Остальное принадлежит малым предприятиям и фирмам, функционирующим в рамках университетов. Анализ эффективности вложения средств за границей в нанобизнес показывает, что он на порядок выше, когда осуществляется через малые предприятия, а не крупные. Российские чиновники рассуждают иначе, а именно, что крупные предприятия могут себе позволить потратиться на нанотехнологии, т.к. это им выгодно. Абсолютное большинство реализованных в мировой практике проектов защищено патентами и лицензиями. Порядка 2-х тысяч нанопатентов из 10-ти тысяч зарегистрированы в России, но России и россиянам принадлежат менее 1% нанопатентов. Если в США можно запатентовать саму авторскую идею, то в России, к сожалению, она не является предметом правовой охраны. С учетом высокой стоимости патентования за границей россияне и малые предприятия не могут без материальной поддержки государства позволить себе закрепить приоритет и получить патент другой страны.

Наши чиновники проявляют хроническое непонимание наиболее короткого пути движения к новым экономически эффективным нанотехнологиям. Казалось бы, имея анализ зарубежного опыта развития нанонауки, нанотехнологии, в России можно было бы избежать их ошибок, но по жизни всё не так. Мы далеки от мысли ругать всё отечественное. В России предпринимаются усилия для ускорения процесса появления наноматериалов и нанотехнологий, уменьшения отставания от передовых стран. В 2007 г. федеральным законом №139-Ф3 для реализации государственной политики в области нанотехнологий основана Российская корпорация нанотехнологий (Роснано) с начальным уставным капиталом 134 млрд. руб., выделенным из бюджета [4]. Корпорация участвует в создании нанотехнологической инфраструктуры, включающей центры коллективного пользования, бизнес-инкубаторы и фонды раннего инвестирования. Корпорация развивает сотрудничество с ведущими мировыми нанотехнологическими центрами и поддерживает выход российских компаний на внешние рынки. Остается надеяться, что данные средства действительно будут потрачены на нанотехнологии, а не осядут в карманах или на счетах отдельных не чистых на руку топ-менеджеров.

Следует отметить, что Роснано не имеет права расходовать средства на фундаментальные исследования наносистем, независимые от крупных промышленных проектов, направленных на создание вполне определенных нанопродуктов и наноматериалов, да и то на возвратной основе [1]. Частные инвестиции в отечественную наноиндустрию несоизмеримо меньше, чем в развитых западных странах, где уровень инвестиций не уступает бюджетному финансированию. В нашей стране Роснано может финансировать наноиндустрию бюджетными средствами в соотношении семь частей вкладывает бизнес, а одну часть - Роснано. С мелкими проектами они работают путем соинвестирования через инкубаторы и венчурные фонды, которые у нас в стране находятся в стадии становления, а отсюда и получаемый эффект не может быть очень заметным. Намечаемые изменения в структуре Роснано, поиск новых форм работы с разработчиками нанотехнологий, их административная, экспертная и финансовая поддержка, которую институт пока никак не ощутил, позволяют надеяться на преодоление негативных явлений на пути наноиндустрии. Важно постоянно помнить, что развитие данной отрасли базируется на глубоких фундаментальных исследованиях, требующих междисциплинарной координации высококвалифицированных ученых и практиков и соответствующего финансирования.

Помимо основных вложений в наноиндустрию параллельно следует развивать исследования по оценке рисков для человечества в связи с использованием наноматериалов. В медицине такое направление получило название нанотоксикологии. Изучение социальных аспектов и последствий развития наноиндустрии позволит оценить реальные риски от наноматериалов и избежать необоснованных нанофобий, препятствующих быстрому продвижению наноматериалов в нашу жизнь.

Использованная литература

1. Третьяков Ю.Д., Гудилин Е.А. Уроки зарубежного нанобума. // Вестник РАН. 2009. Т.79,№1. С. 1-15.

2. Берубе Девид. Нанопурга. Правда о нанотехнологическом буме. США. 2006.

3. Наноминералогия. Ультра- и микродисперсное состояние минерального вещества. Под. Ред. Н.П.Юшкина, А.М.Асхабова, В.И.Ракина. С.-Пб.: Наука. 2005. 581 с.

4. Российская корпорация нанотехнологий (Роснано). 7 шагов к созданию бизнеса. Руководство для заявителя. М. 2008. 60 с.

5. Третьяков Ю.Д. Проблема развития нанотехнологий в России и за рубежом. // Вестник РАН. 2007. №1.

6. Drexsler E. Engines of Creation. The Coming Era of Nanotechnology. Doubleday. 1986.

7. Калинников В.Т. и др. Направления исследований Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья КНЦ РАН в области создания функциональных наноматериалов. // Белая книга по нанотехнологиям. Изд-во ЛКИ, 2008.

"СЕВЕР ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ", МАРТ 2009

Еще статьи на тему "Материалов":

Аспекты хранения и захоронения ядерных материалов

16 ноября заканчивается прием материалов

Заканчивается прием материалов на конкурс научных работ молодых ученых

Разработка и согласование материалов ОВОС

Декларирование материалов для судов рыбопромыслового флота