Углеродные нанотрубки: как в России создают невозможные материалы

Фундаментальные и прикладные исследования физических неравновесных систем молекулярных кластеров выполнялись учеными в Институте теплофизики СО РАН много лет. Именно они позже легли в основу единственной в мире масштабируемой технологии промышленного синтеза одностенных углеродных нанотрубок или графеновых нанотрубок. Её создателем стал академик Михаил Предтеченский, а практическую реализацию его идеи получили благодаря основанию компании OCSiAl, одним из инвесторов которой выступила Группа «Роснано».

Графеновые нанотрубки обладают уникальными физическими свойствами – невероятной прочностью, гибкостью, высокой электропроводностью, устойчивостью к высоким температурам, рекордным соотношением длины к диаметру и большой площадью поверхности, а также химической инертностью – совместимы практически со всеми материалами. Эти уникальные свойства делают графеновые нанотрубки единственным универсальным аддитивом, улучшающим удельные свойства большинства известных материалов. Нанотрубки позволяют создавать ранее невозможные материалы и продукты, которые изменят многие отраслевые стандарты и облик современного мира.

Для этого достаточно крайне низкой концентрации трубок в общей массе материала – от 0,01%. Проводники из нанотрубок в 5 раз легче медных, при этом в 100 раз прочнее стали и обеспечивают необходимый уровень электропроводности при концентрации 0,015% — 1%. При добавлении графеновых нанотрубок в алюминий и полимерные материалы из них могут быть сделаны детали, равнопрочные стальным, но гораздо более легкие. Новые литий-ионные аккумуляторы, изготовленные с использованием графеновых нанотрубок, по мощности, запасу энергии и жизненному циклу оставляют далеко позади существующие. Это дает мощный импульс развитию электротранспорта и альтернативной энергетики.

«TechInsider» первой поздравила Михаила Предтеченского с Государственной премией и немного поговорила с ним.

«ПМ»: Михаил Рудольфович, где лежит грань между фундаментальными и прикладными исследованиями?

МП: Последнее десятилетие моя научная работа связана с попыткой достичь результатов, которые значимы и могут оказать влияние на людей, быть полезными человечеству. И я пришел к своему определению фундаментальной науки.

Это то, что должно лежать в фундаменте. Фундаментальным результатом можно считать, например, тот момент, когда человек привязал камень к палке, получил топор и научился делать другие каменные орудия. Или изобретение бронзы, железа. И так мы приходим к технологическим укладам — каменный век, бронзовый век, железный век.

Попутно с решением этих задач было найдено много мыслительных решений, о который сейчас никто и не помнит. А фундаментальный результат — который лежит в основе и о котором помнят. Люди помнят о том, что им полезно. Тот же каменный топор, безусловно, фундаментальное открытие, но имеет большое прикладное значение. Поэтому разделение на фундаментальные и прикладные исследования искусственно.

Я начал заниматься наночастицами когда и слова такого не было, они назывались кластерными структурами, а я был аспирантом. У меня кандидатская диссертация даже на эту тему. Нанотехнологии всегда были в сфере моих интересов, хотя я занимался разными вещами: плазмой, лазерной плазмой, высокотемпературной сверхпроводимостью. Но везде я эту тему отслеживал, потому что тема наномасштабов суперфундаментальна. Как только мы раздробим любой материал до наноразмеров, у него начинают появляться совершенно невероятные свойства. И если научиться процесс контролировать — то это прямой путь к новым материалам.

Когда более 20 лет назад были открыты углеродные нанотрубки, я не стал ими заниматься, поскольку у нас были успехи в области высокотемпературной сверхпроводимости, мы были мировыми лидерами, а две такие темы тянуть было невозможно. Тем более было не понятно, для чего нанотрубки нужны. А лет десять назад попал на выставку «Роснано» и увидел, что нанотрубки стали использовать как добавки в материалы, и это давало очень сильный эффект. Я понял, что они имеют очень большие перспективы.

Спросил, а что сдерживает технологию, ответили — цена. Даже многостенные трубки продавали по $1000 за килограмм, а одностенные (это графен, свернутый в цилиндр), которые и имеют самые уникальные и рекордные свойства, продавали по $1000 за грамм. И вот идея создать технологию промышленного производства этого вещества и привела к сознанию OCSiAl и нашего плазменного реактора Graphetron. Мы использовали знания в области конденсации, образования наночастиц и взаимодействия их между собой: это теория, на которой базировались исследования и которая помогла создать промышленную технологию.

Еще одна из идей была в том, что удешевление технологии лежит в масштабировании. Нужно было сделать технологию, которая масштабируется. Поэтому в качестве лабораторной установки был выбран плазменный реактор — плазмотрон, который я и придумал. Вечный плазмотрон, не имеющий ограничений. И мы начали работать на нем и быстро получили первые нанотрубки. Первый промышленный реактор был построен через пять лет. В первый год он синтезировал чуть больше тонны графеновых трубок, сейчас только он производит больше 20 тонн трубок в год — масштабируемость оказалась сильно выше расчетной. А весь OCsiAl — более 75 тонн.

Сегодня самыми перспективными материалами считаются графен и графеновые нанотрубки, а самые передовые материалы — карбоновые, самые легкие и прочные. Можно ожидать, что через некоторое время нашу эпоху будут называть карбоновой. Мы хорошо поработали в этой области, получили уникальные результаты в области углеродных нанотрубок, компания OCSiAl стала научным и технологическим мировым лидером в этой области, мы получили новые материалы и улучшили свойства старых. Это фундаментальные открытия и фундаментальная работа. И присуждение Государственной премии является подтверждением правильности моих мыслей.