12/09/2016 ИТ СО РАН

В Новосибирске научились промышленно производить уникальную нанодобавку

779 ИТ СО РАН СО РАН НГУ Инновации Физика Новосибирск ​Есть технологии, которые обрушивают рынки и в конечном итоге меняют мир, — взять хотя бы сотовую связь и цифровую фотографию. В 2014 году новое слово в материаловедении сказала новосибирская компания OCSiAL — именно здесь была разработана первая в мире промышленная технология синтеза одностенных углеродных нанотрубок.

Такие нанотрубки представляют собой свернутый в цилиндр графеновый лист толщиной в один атом и обладают фантастической прочностью, упругостью и способностью проводить электрический ток. Но самое главное — они являются новым универсальным аддитивом (добавкой), незначительное количество которого меняет внутреннюю структуру и свойства материалов. 

Более того, нанотрубки позволяют создавать ранее не существовавшие материалы. Лучшим примером может послужить “бумага” на основе одностенных углеродных нанотрубок, обладающая высокой электропроводностью. Заменив медную экранирующую оплетку в высокочастотных кабелях на такую “бумагу”, можно снизить вес кабеля на 40% и сделать его гибким, что позволяет, например, уменьшить вес авиалайнера на тонну с лишним. “Нанобумага”, как и другие новые материалы с добавлением нанотрубок, также разработана в компании OCSiAL. По мнению экспертов, через четверть века нанотрубки изменят две трети всех известных человечеству материалов, годовой объем их производства достигнет 3 триллионов долларов. 

Между прочим, до технологического прорыва новосибирских ученых одностенные углеродные нанотрубки производили исключительно в граммах и стоили они сотни тысяч долларов за килограмм. Сейчас компания OCSiAL — абсолютный мировой технологический лидер в области получения и применения одностенных углеродных нанотрубок. Промышленный реактор Graphetron 1.0, разработанный в OCSiAL, навсегда изменил рынок: в 2015 году было синтезировано 1,2 тонны, в нынешнем году — 4 тонны. Это примерно 90% всех произведенных в мире одностенных нанотрубок. Их цену OCSiAL снизил до 2 тысяч долларов за килограмм, а в ближайшее время ученые запускают новый реактор, способный синтезировать до 50 тонн нанотрубок в год. К слову, к 2020 году потребности рынка должны достигнуть 560 тонн. 

Изобретатель технологии, научный руководитель компании OCSiAL член-корреспондент РАН Михаил Предтеченский​ уверен, что подобный прорыв мог произойти только в Новосибирском академгородке, потому что это уникальное место — лучшее в мире для работы и ученых, и высокотехнологических компаний.

— Академгородок взрастил меня как ученого, — рассказывает Михаил Рудольфович. — Всю жизнь я отработал в Институте теплофизики, а когда мы занялись технологией синтеза нанотрубок, действительно выйдя на передний край науки, то именно здесь смогли найти и необходимых специалистов для консультаций, и уникальное аналитическое оборудование для анализа свойств полученных материалов. 

Сейчас моя очередь помочь коллегам. OCSiAL больше других заинтересована в сотрудничестве с институтами Сибирского отделения РАН. Интерес объясняется просто: промышленная технология производства нанотрубок существует только здесь. Однако мы нуждаемся в рынке сбыта, и наша компания, какой бы технологически продвинутой она ни была, не в состоянии в одиночку проводить исследования по всему широкому фронту возможного использования нанотрубок в создании новых материалов.

Нам необходимо сотрудничество с академическими институтами для проведения исследований по этой тематике и малыми инновационными компаниями для создания новых технологий. Это окно возможностей, которое может закрыться достаточно скоро. Но сегодня Россия должна его использовать — нужна государственная программа в области материаловедения. К сожалению, у нас большие проблемы с формулировкой конкретных задач для науки — государство не всегда понимает, чего хочет от ученых, а здесь редкий случай, когда абсолютно ясно, что делать. Я две недели назад встречался с президентом РАН академиком Владимиром Фортовым и нашел поддержку и понимание. …Началась история этого технологического прорыва много лет назад в новосибирском Институте теплофизики.

 - Я еще аспирантом занялся наночастицами — кандидатская диссертация была посвящена исследованию кластерных молекулярных пучков — это наночастицы, летящие в вакууме, — вспоминает М.Предтеченский. — Сразу после защиты кандидатской стал завлабом, работы нашей лаборатории были связаны с лазерным напылением высокотемпературных сверхпроводящих пленок. До сих пор никто не смог повторить наши рекордные результаты! Мы получили сверхпроводящие пленки с плотностью тока 107 ампер на см2 на подложках из сапфира, исследовали влияние наночастиц на рост пленок, обнаружили эффект анизотропии температуры сверхпроводящего перехода.

Примерно в то время были открыты фуллерены, и я первым в России получил грант по этой тематике. Однако потом интерес утратил, поскольку не видел реальной перспективы применения — надо сказать, всегда тяготел к исследованиям, которые могут дать практический результат.

Когда науку перестали финансировать, нашей лаборатории помогло выжить международное сотрудничество. Я изобрел новый метод струйной распайки чипов, и компания Hewlett-Packard купила лицензию на устройство, созданное на базе этого метода. Лет десять мы выполняли для них поисковые и заказные исследования, что помогло выживанию и развитию лаборатории. Потом перешли на НИОКР для оживших российских предприятий. Все это время я искал проект, который опирался бы на фундаментальные исследования и имел высокую практическую значимость.

В рамках короткой статьи невозможно назвать 303 научные работы, автором и соавтором которых является Предтеченский, в их числе — свыше 50 патентов и авторских свидетельств. Однако об одном изобретении стоит сказать особо — именно оно стало значительным шагом к технологии синтеза нанотрубок. Работая с компанией Air Products в области низкотемпературной плазмы, Михаил Предтеченский придумал плазмохимический реактор нового типа, решив попутно главную проблему существующих плазмотронов.

— Электрическая дуга, горящая между электродами, разрушает сами электроды, поэтому время работы мощных плазмотронов измерялось часами или даже минутами, после чего электроды приходили в негодность, — поясняет ученый. — Мне пришло в голову очень простое решение: сделать электроды из расплавленных металлов (то есть из жидкого вещества), которые по определению нельзя разрушить. Так мы решили целый комплекс проблем в области дуговой плазмы.

Шесть лет назад, имея в активе плазмотрон нового типа, Михаил Предтеченский увидел на выставке РОСНАНО многостенные нанотрубки и практически одновременно встретил известного бизнесмена Юрия Коропачинского, ставшего его первым и основным партнером. Так родилась компания OCSiAL. Предтеченскому и его коллегам понадобилось много раз модифицировать реактор, чтобы создать промышленную установку Graphetron 1.0, способную производить одностенные углеродные нанотрубки (эффективность их использования в материалах несопоставимо выше, чем многостенных) тоннами. Но выяснилось, что синтезировать нанотрубки мало — нужно научиться с ними работать.

— Практически невозможно продавать нанотрубки, просто объясняя на словах производителям, насколько они усовершенствуют их материалы. Нужно показывать сами материалы, — говорит Предтеченский. — Например, когда мы принесли в компанию, являющуюся крупнейшим производителем аккумуляторов, готовую литий-ионную батарейку, которую можно было протестировать и убедиться, насколько дольше у нее срок службы и выше энергоемкость, — переговоры пошли совсем по-другому. Сейчас с нами работают 80% компаний, производящих литий-ионные батарейки.

Чтобы совершенствовать материалы и изделия, пришлось научиться расщеплять нанотрубки, синтезируемые пучками, делать из них так называемые мастербатчи — растворы с высокой концентрацией нанотрубок. Задача была поставлена коммерчески точная: нужно предложить производителю такую технологию усовершенствования продукта, которая не требовала бы от него ни дополнительных инвестиций, ни установки нового оборудования. Чтобы можно было на каком-то этапе просто добавлять раствор с нанотрубками в материал, не меняя технологии производства.

Компания занялась разработкой технологий производства новых материалов для различных индустрий — с этой целью в технопарке Новосибирского академгородка был создан центр прототипирования материалов, оснащенный самым современным оборудованием. “TUBALLцентр” может производить 200 тонн модифицированных материалов в год.

В выставочном центре компании представлен первый серийный электробайк, в аккумуляторы которого добавлены нанотрубки (он производится в Южной Корее), электростатический ремень, используемый в автомобилях, высоковольтные кабели (теперь их будут производить и в России), электростатические полы, электростатическая одежда с подогревом, электростатические перчатки, в которых можно управлять айфоном, сами touchscreens нового образца с прозрачным электродом из нанотрубок и многое другое. Интересная деталь: чтобы улучшить все touchscreens в мире, понадобится всего 500 килограммов нанотрубок.

В лабораториях OCSiAL активно продолжаются научные исследования — нужно тщательно изучить поведение нанотрубок в различных матрицах, для чего были разработаны новые методы спектроскопии. Полученные результаты новосибирские ученые представляют научному сообществу на крупнейших международных конференциях в области наноиндустрии и материаловедения. Только за лето 2016 года научные сотрудники компании OCSiAl выступили на международной конференции по изучению и применению нанотрубок NT16 в Вене (Австрия), международной конференции по технологиям работы с полимерами в Лионе (Франция), международной конференции по углероду CARBON 2016 в Пенсильвании (США). Более того, в июне 2016 года OCSiAl сама организовала международную научную конференцию в Шэньчжене (Китай), посвященную применению одностенных углеродных нанотрубок в электрохимических источниках тока.

В конце прошлого года был совершен очередной технологический прорыв — удалось создать универсальный раствор, суперконцентрат с концентрацией нанотрубок до 20% (до этого в мире умели производить суспензии с концентрацией всего 0,2%). Теперь можно сосредоточить производство мастербатчей исключительно в Новосибирске, транспортируя по всему миру готовый для использования в промышленности продукт.

С особым вниманием новосибирские ученые относятся к экологии: Президент РФ Владимир Путин представил в Париже на Климатической конференции ООН новосибирскую технологию получения одностенных углеродных нанотрубок как средство сокращения эмиссии (выброса) углекислого газа к 2030 году на 160-180 миллионов тонн.

— Более половины эмиссии углекислого газа определяется добычей, первичной переработкой и транспортировкой материалов. Нанотрубки увеличивают прочность, следовательно, можно использовать меньше материала, сократив выброс углекислого газа, — комментирует Михаил Рудольфович.

Хотя нанотрубки существуют в природе миллионы лет (они образуются при неполном горении углеводородов, их можно найти и в саже, и в древних клинках дамасской стали), компания не поленилась доказать, что производимые одностенные нанотрубки не токсичны — этой осенью будет получен международный сертификат REACH. Проведенные в Великобритании разносторонние исследования доказали, что одностенные углеродные нанотрубки относятся к тому же классу опасности, что и обычная поваренная соль. Сертификат дает право на промышленную поставку продукции в Евросоюз. Залогом успеха, помимо правильной постановки задачи, Предтеченский считает верный подбор кадров.

— У нас более 200 сотрудников, из них 30 ученых, все толковые и талантливые, — не скрывает гордости Михаил Рудольфович. — Например, полгода назад пришел ко мне студент последнего курса физфака НГУ Михаил Галков, сказал, что хочет у нас работать. Я поговорил с ним, и сразу принял парня на полную ставку. В июне он окончил университет и уже руководит группой. Признаюсь откровенно, этот молодой человек просто поражает меня полученными результатами.

Согласитесь, читатель, то же самое можно сказать и обо всей компании OCSiAL.

Ольга Колесова