Чему учат нанотехнологов?

В МИРЕ
№ 3 2010
Чему учат нанотехнологов?
РУБРИКА
W W W. N A N O R F. R U | № 3 2 0 10 | В М И Р Е Н А Н О
1
СОДЕРЖАНИЕ
Дайджест . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Нюансы полупроводникового освещения . . . . . . . . . 6
Приложение к журналу
«РОССИЙСКИЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ»
В МИРЕ
Онкологам нужен результат . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Что такое НБИК? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
В ожидании синергетического эффекта . . . . . . . . . . . 14
Даешь наноспецназ! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Чему учат нанотехнологов? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
«Специалисты в области нано
должны стоить очень дорого» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Учредители:
Федеральное агентство по науке и инновациям,
ООО «Парк-медиа»
Издатель:
А.И. Гордеев
Редакционная коллегия:
К.В. Киселев,
к. ф.-м. н. С.А. Озерин
Романтика бетона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Технологии за семью нанопечатями . . . . . . . . . . . . . . 24
Компьютерная визуализация наноструктур. . . . . . . 25
XFEL: стройка полным ходом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Руководитель проекта
Т.Б. Пичугина
Выпускающий редактор:
М.Н. Морозова
Редакция:
К.А. Ветлугин, С.В. Новиков,
М.В. Чуланова
Крепкий орешек . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Адрес редакции:
Москва, Ленинские горы, Научный парк МГУ,
влад. 1, стр. 75Г, корп. 6, офис 628
Рынок дисплеев в ожидании перемен . . . . . . . . . . . . 31
Телефон/факс: (495) 930-88-08
Уральская кузница высокопрочных металлов . . . . 33
Подписка: (495) 930-88-06
E-mail: podpiska@nanorf.ru,
www.nanoru.ru, www.nanorf.ru
Осторожно – еда! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Нужны вам кабели, господа? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Диоксид титана может быть токсичен . . . . . . . . . . . . . 41
Место, где творческие амбиции
ученых могут реализоваться
на «теплой ладони» государства . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Увидеть невидимое . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Для писем: 119311, Москва-311, я/я 136
В оформлении обложки использована фотография,
предоставленная Аргоннской национальной
лабораторией, США
При перепечатке материалов ссылка на приложение
к журналу «Российские нанотехнологии» обязательна.
Любое воспроизведение опубликованных материалов без
письменного согласия редакции не допускается. Редакция
не несет ответственность за достоверность информации,
опубликованной в рекламных материалах.
© РОССИЙСКИЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ, 2010
Тираж 1000 экз.
Отпечатано в типографии «МЕДИА-ГРАНД»
2
В М И Р Е Н А Н О | № 3 2 0 10 | W W W. N A N O R F. R U
ДАЙДЖЕСТ
Внедрение светодиодов – полупроводниковых приборов, способных излучать искусственный свет при прохождении электрического тока – могло бы
сократить потребление электроэнергии
и выбросы парниковых газов. Однако
для того чтобы эта технология, помимо
использования в светофорах, лазерных
указках и цветовых индикаторах, могла
применяться для освещения, необходимо создать кое-что новое: устройства,
способные излучать яркий белый свет.
Органические светодиоды (OLED), в
основу которых положены органические и/или полимерные полупроводники – наиболее многообещающие кандидаты на замену традиционным светильникам. И все же основная проблема
именно с попытками создать материал,
излучающий сразу белый свет. Можно
использовать три материала, излучающие свет трех цветов – красного, зеленого и синего; при смешении они дадут
белый цвет. Тем не менее из-за возникающих связей между светоизлучающими молекулами разных типов система
постепенно начинает сбоить и перестает давать чистый белый свет.
Ученым из нанотехнологического центра Molecular Foundry, входящего в состав
Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и Калифорнийского университета в Беркли удалось создать тонкопленочный OLED, используя светоизлучающие молекулы на основе гостевых
молекул иридия. Молекулы разных типов
помещаются внутрь полимерных наночастиц, надежно изолирующих их друг
от друга и не допускающих вредоносных
взаимодействий между разнородными соседями, таким образом, на выходе
получается белая люминесценция.
Белый свет органических светодиодов
можно будет сделать «теплым» и «холодным», создавая подходящие для разных
целей, и в первую очередь светильники
для жилых домов и офисов.
Лазерная физика
Ученые из Дармштадтского технического университета, Германия, разработали
новый метод генерации лазерного света
с настраиваемой длиной волны, а также
возможность легко переключать лазер с
одной длины волны на другую. В основе
новых лазеров лежат квантовые точки –
крошечные полупроводники, достаточно малые, чтобы проявлять собственные
квантовые свойства. В число возможных
приложений новой технологии входят
биомедицина и нанохирургия.
В рамках проекта FAST-DOT ученые
из группы полупроводниковой оптики
Института прикладной физики ДармW W W. N A N O R F. R U | № 3 2 0 10 | В М И Р Е Н А Н О
штадтского технического университета
под руководством профессора Вольфганга Эльзассера обнаружили, что при
определенных обстоятельствах лазеры
на квантовых точках способны излучать
сначала коротковолновые фотоны с
высокими энергиями, а потом уже длинноволновые с низкими. Такая обратная
иерархия позволит настраивать длину волны излучаемого света, варьируя
свойства лазера. Более того, возможность переключаться между прямым и
обратным методами излучения позволяет по желанию легко переходить с одной
длины волны на другую.
Лазеры на квантовых точках, излучающие серии импульсов с высокой частотой повторения, можно применять для
модификации живых клеток, например,
совершая точно контролируемые разрезы в клеточных структурах, сводя к минимуму повреждения клетки.
Кроме того, таким образом можно
«отключать» некоторые органеллы клетки или, наоборот, активировать какието внутриклеточные или внеклеточные
молекулы. Использование лазеров такого
типа открывает невиданные возможности в молекулярной хирургии, позволяя
делать разрезы в две тысячи раз тоньше
человеческого волоса. В будущем эти
лазеры на квантовых точках смогут прицельно уничтожать раковые клетки.
Ядерный реактор
Ruli
Органический светодиод
Ядерные реакторы из самовосстанавливающихся материалов уже скоро могут
стать реальностью – благодаря работе
ученых из Лос-Аламосской национальной лаборатории, США.
Важнейшая проблема при строительстве ядерных реакторов – подбор материалов, способных выдержать тяжелейшие условия работы. Помимо постоянной бомбардировки ионизирующими
частицами, материалы реактора должны
выдержать экстремальные температуру
и давление и не поддаваться коррозии.
Даже одна радиация сама по себе способна наносить стенкам реактора вну-
шительный урон – в наномасштабе. Под
ее действием отдельные атомы покидают
свои места в кристаллической решетке,
образуя междоузлия и вакансии. С течением времени их становится все больше,
и металл теряет былую прочность, что
может привести к катастрофе.
Нанокристаллические материалы же
обладают способностью «затягивать»
повреждения на уровне атомов. Благодаря компьютерному моделированию лосаламосским ученым удалось просчитать
поведение такого материала под радиационной бомбардировкой в диапазоне
от пикосекунд до микросекунд после
попадания и описать ранее не наблюдавшийся эффект «загрузки-разгрузки».
Модель «загрузки-разгрузки» позволяет объяснить ранее казавшиеся парадоксальными свойства нанокристаллических
материалов по сравнению с гранулированными материалами, отличающимися
лишь большим размером частиц. Работа
лос-аламосских ученых открывает новые
перспективы по изучению специфических свойств наноматериалов.
Температура наночастиц
Специалисты из Института спектроскопии РАН и Троицкого института инновационных и термоядерных исследований
предложили новый метод измерения
температуры наночастиц.
Поляризуемость, магнитный момент,
потенциал ионизации, оптический отклик и многие другие свойства наночастиц зависят от их температуры – внутренней энергии.
Существующие методы измерения температуры наночастиц имеют свои ограничения: применимые только к большим
нанокластерам с кристаллической структурой, к горячим или возбужденным кластерам. Ученые из Института спектроскопии РАН и Троицкого института инновационных и термоядерных исследований
предложили метод измерения температуры нанокластера (CO2)N с помощью
молекул SF6, используемых в качестве
миниатюрных зондов-термометров.
Пучки молекул SF6 и наночастиц пересекаются, молекулы захватываются наночастицами и через определенное время
испаряются с их поверхности. В результате молекулы несут информацию о скорости и температуре наночастиц.
Авторы исследования предполагают,
что если в данном методе в качестве
зондов-термометров использовать атомы гелия или неона, а для измерения
кинетической энергии испарившихся
атомов использовать времяпролетный
метод, то, в принципе, можно определить
температуру практически любых наночастиц в пучке.
3
ДАЙДЖЕСТ
Группа ученых из Гарвардского университета, США, под руководством Марко
Лончара, старшего преподавателя электротехники в гарвардской школе технологий и прикладных наук, сконструировали
устройство на основе алмаза. Оно представляет собой мощный и стабильный
источник единичных фотонов, работающий при комнатной температуре. Разработка гарвардских специалистов открывает новый класс наноустройств на основе
алмаза, пригодных для использования в
квантовых компьютерах, передаче информации, получения изображений биологических и химических структур.
Подобные источники фотонов используют для излучения дефекты в кристаллической решетке алмаза – азотные вакансии (NV), придающие кристаллу слегка
розоватый цвет. Пустое место в решетке
занимается ионом азота с «лишним» электроном. Спин азотной вакансии может
принимать под действием извне одно из
трех фиксированных значений и сохранять его довольно долго. Они очень хорошо могут поглощать и излучать фотоны
с заданными характеристиками – все это
очень важно для практических вычислений и передачи информации. Однако
собирать эти фотоны после излучения не
так-то просто – азотные вакансии находятся в глубине кристалла.
С помощью такого устройства можно
собирать и направлять в нужном направлении фотоны на порядок эффективнее,
чем с устройством на основе одних натуральных алмазов. Более того, оно решит
проблемы, затрудняющие развитие аналогов на иных основах – на флюоресцентно
окрашенных молекулах, квантовых точках, углеродных нанотрубках; алмазные
устройства легко воспроизводить и встраивать в разнообразные наноструктуры.
Резонатор
Немецкие ученые из Мюнхенского центра
современной фотоники при Университете Людвига Максимилиана и Института
квантовой оптики общества Макса Планка
под руководством профессора Харальда
Вайнфуртера разработали новый резонатор, позволяющий генерировать сверхбыстрые вспышки света очень высокой
интенсивности – это именно то, что нуж4
но для создания пар квантово сцепленных фотонов.
Мюнхенская группа сумела создать
процесс, хорошо работающий со светом
разных частот – от инфракрасного до
особенно интересного в плане квантовых исследований ультрафиолетового.
Построенный ими резонатор «накапливает» высокочастотные вспышки ультрафиолетового света, продолжающиеся всего
несколько фемтосекунд; они последовательно накладываются друг на друга –
каждая следующая вспышка на преды–
дущие. В результате образуется быстрая
последовательность сверхкоротких световых импульсов, каждый из которых по
интенсивности более чем в пятьдесят раз
превосходит интенсивность лучших коммерческих лазеров. Благодаря возбуждению серией вспышек кристалл резонатора выпускает сцепленные фотоны.
По мнению создателей, это позволит
получать большие системы сцепленных
фотонов и детально изучить молекулярные характеристики переноса заряда в
полупроводниках.
Алюминий
Neo West
Swamibu
Алмазы
Специалисты ИПХЭТ СО РАН провели ряд
экспериментов с ракетным топливом,
включающим нанопорошки алюминия.
Как выяснилось, именно они позволяют
сделать топливо более экологичным.
Микропорошки алюминия давно применяются в составе твердого ракетного
топлива. Известно, что нанопорошки алюминия в двигателях ракет сгорают более
полно, чем микропорошки. Таким образом, ракета требует меньше топлива. Но
ученые из ИПХЭТ СО РАН обнаружили и
другие преимущества алюминия. Исследования показали, что топливо, включающее 10–20 % нанопорошка алюминия,
горит в 1.5–2 раза быстрее, чем топливо, содержащее ту же долю микропорошка алюминия промышленных марок
АСД. Кроме того, топливо быстрее воспламеняется. Также специалисты исследовали добавку к окислителю твердого
ракетного топлива – нитрат аммония.
Они установили, что добавка к окислителю в количестве 4–10 % по массе снижает выход твердых продуктов сгорания
в 1.7–4.9 раза.
Топлива, основанные на двойном окислителе (перхлорат + нитрат аммония), имеют несколько сниженные баллистические
характеристики. Но, по мнению исследователей, это снижение можно скомпенсировать
частичной или полной заменой микропорошков АСД на наноалюминий – с его повышенной скоростью и полнотой сгорания.
Прокатка
Метод электростимулированной прокатки позволяет получить новый класс
металлических материалов и изделий из
них, например мембран и микрофильтров.
Поперечное сечение изделий составляет
порядка микрометра и менее. Эти исследования проводят в Институте металлургии и
материаловедения им. А.А. Байкова РАН.
Электростимулированная прокатка – это когда через материал пропускают импульсный электрический ток. Этот
метод помогает преодолеть высокое
сопротивление материала деформации,
не нагревая его, и получить ультратонкие
и длинномерные металлические изделия.
Для получения микропрутков исходную
заготовку из металла или другого подходящего материала заключают в оболочку.
Полученную композицию подвергают прокатке, затем разрезают по длине на некоторое количество образцов и формируют
из них пакет, который затем вновь помещают в оболочку исходного сечения, но с
длиной полученного пакета и снова прокатывают. Эти операции повторяют необходимое количество раз, пока исходная
заготовка не достигнет размера порядка
нанометра. Поверхность раздела между
тонкими прутками и оболочками может
быть достаточно большой и чистой от
окислов и поверхностных загрязнений.
По этой методике можно получать композиции с необычными свойствами, которые будут применять в медицине, фармакологии, биохимии и микроэлектронике.
Белый свет
Немецким ученым удалось разрешить
давнюю проблему с излучением чистого,
неокрашенного белого света, создав наноструктурированный оптический материал
из неорганических и органических компонентов. В качестве неорганического сырья
при создании материала служат алкоксиды
кремния, титана, циркония и алюминия, с
помощью контролируемого гидролиза и
последующей конденсации объединяемые
в неорганическую сеть; затем к ней присоединяются полимеризуемые органические
группы. Белый свет представляет собой
сочетание красного, зеленого и синего света и в течение долгого времени получение
белого цвета без периферийных цветовых
эффектов было практически неразрешимой технической проблемой. Специалисты
В М И Р Е Н А Н О | № 3 2 0 10 | W W W. N A N O R F. R U
ДАЙДЖЕСТ
phxpma
Энергия из кактуса
Французским ученым из Научно-иссле–
довательского центра имени Поля Паскаля в Бордо удалось преобразовать в электричество химическую энергию, вырабатываемую растением в процессе фотосинтеза. Созданный ими биотопливный
элемент подсоединяется к живому растению и работает, пока энергия поступает от
растения-хозяина, таким образом, электричество получается экологически чистым, а
его производство – возобновляемым.
Биотопливный элемент в кактусе способен вырабатывать примерно 9 ватт энергии на квадратный сантиметр поверхности в среднем. Выход энергии прямо
пропорционален интенсивности освещения – более яркий свет позволяет растению давать больше глюкозы и кислорода,
снабжая биотопливный элемент большим
количеством топлива. Возможно, в будущем на основе таких вживляемых элементов удастся производить немалые количества электроэнергии, не нанося вреда
окружающей среде.
Изначальной целью работы была разработка биотопливного элемента для
медицинских приложений – для вживления в человеческое тело. Пара «глюкозакислород» присутствует и в жидкостях
организма, где играет важнейшую роль.
Такой вживленный биотопливный элемент мог бы питать находящиеся внутри
тела датчики и стимуляторы, например,
электрокардиостимулятор или датчики,
измеряющие уровень глюкозы в крови
больных сахарным диабетом.
W W W. N A N O R F. R U | № 3 2 0 10 | В М И Р Е Н А Н О
Нанодатчик
Ученым из Технологического института Джорджии удалось создать первые в
мире автономные нанодатчики, питаемые от собственных пьезоэлектрических
наногенераторов.
Новые устройства могут измерять кислотность жидкостей или детектировать присутствие ультрафиолетового света, используя в
качестве источника энергии механическую
энергию окружающей среды – вызванные
движением макрообъектов вибрации, звуковые волны и тому подобное.
Каждый наногенератор состоит из
20 тыс. нанопроволок из оксида цинка и
способен вырабатывать ток напряжением
до 1.2 вольт при сгибе нанопроволок менее
чем на 2 %. Создаются такие генераторы
очень дешево – выращиванием на гибкой
подложке. Испытания, проведенные на
тысяче наногенераторов, показали, что они
со временем не теряют производительности – поскольку не имеют движущихся
частей. В основе работы таких генераторов
лежит пьезоэлектрический эффект – нанопроволоки из оксида цинка вырабатывают
электричество при механическом напряжении, например сгибании. Подобные устройства уже изготавливались раньше, но сейчас ученым удалось создать максимально
простую и воспроизводимую технологию
их производства и интегрировать генераторы в автономные устройства.
Хемосенсор
Многомасштабный метод моделирования элементов оптического хемосенсора
с использованием фотонных кристаллов
предложили специалисты Центра фотохимии РАН, химического факультета МГУ, ООО
«Кинтех Лаб», РНЦ «Курчатовский институт»
и Института спектроскопии РАН.
Создание материалов и устройств
обнаружения и контроля химических
веществ – актуальная задача для современной промышленности. Связанная с
ней задача – создание научной и технологических платформ, обеспечивающих разработку и производство систем контроля
под заданные наборы летучих химических
веществ. Один из подходов к ее решению
может быть основан на «кодировании»
химического вещества оптическим сигналом за счет использования материалов,
изменяющих оптические свойства при
взаимодействии с химическими веществами. Контроль состава сложных смесей
летучих химических веществ возможен
только при использовании матричных
систем, построенных из набора различных сенсорных элементов.
Решением проблемы подбора необходимых параметров, оптимизации структуры и максимизации чувствительности
сенсора может стать компьютерное моде-
лирование. В частности, к задаче моделирования оптических хемосенсоров хорошо применим предложенный многомасштабный метод расчетов «снизу-вверх».
Метод основан на квантово-химических
и электродинамических расчетах из первых принципов. В рамках метода конечных разностей на пространственновременной сетке предложен метод учета
источников электромагнитного излучения. Проведено сквозное моделирование:
выполнен квантово-химический расчет
спектра поглощения и излучения красителя на поверхности носителя; показано,
как модифицируется спектр излучения
молекулы красителя, помещенной в трехмерный фотонный кристалл.
Трехмерные
фотонные кристаллы
Ames Laboratory
из Фраунгоферовского института прикладной оптики и техники точных приборов в
Йене, Германия, уменьшили красные, зеленые и синие светодиоды до наименьших
возможных размеров и затем линзировали полученный свет через оптический
наноматериал – Ormocer. Благодаря такому
материалу могут появиться сверхмалые и
сверхплоские оптические системы для
миниатюрных камер и видеопроекторов,
легко помещающихся в кармане.
С точки зрения создателей, Ormocer, не
такой хрупкий, как стекло, и не столь легко деформируемый, как полимеры, привлекателен для использования в оптике.
Ученые из Вестфальского университета
имени Вильгельма (Германия) и Индийского института технологий продемонстрировали возможность создания из
нелинейного оптического материала
трехмерных фотонных кристаллов и квазикристаллов самой разнообразной геометрии и размеров – исключительно за
счет действия света на этот материал.
В качестве нелинейного фоторефрактивного материала ученые использовали ниобат стронция и бария; требуемая оптическая
структура «высекается» из вещества в рамках пошагового процесса пространственно
модулированным лазерным лучом – таким
образом возможно создание кристаллических и квазикристаллических структур
любой сложности. Созданная немецкими
и индийскими учеными система особенно
привлекательна тем, что для перехода от
одной оптической структуры к другой не
нужно ни добавлять дополнительные оптические компоненты, ни менять конструкцию
экспериментальной установки.
Практическим приложением этой разработки может стать создание больших
дисплеев с произвольно регулируемым
угловым распределением светового
излучения.
По материалам ИнформНауки,
http://strf.ru/inform.aspx
5
СВЕТОДИОДЫ
Prashant Maxsteel
НЮАНСЫ
П
рограмма энергосбережения «Новый свет» и массовый
переход на люминесцентные лампы совпали с моментом,
когда появилась и альтернатива – полупроводниковый свет.
Преимуществами светодиодов перед ртутными лампами называют энергетическую эффективность, долговечность, хорошую
цветопередачу и экологическую чистоту. Бесспорен пока только последний пункт, но уже ясно, что через два-три года и по
остальным параметрам полупроводниковое освещение обгонит
газоразрядное, и к тому моменту хорошо бы иметь в стране все
высокотехнологичные компоненты его производства.
ПРОИЗВОДЯТ ЛИ СВЕТОДИОДЫ В РОССИИ?
На настоящий момент в России экспериментальные гетероструктуры растят, научные результаты получают, но коммерчески доступные светодиоды на отечественной эпитаксии не собирают. Единственный полностью отечественный светодиод С-О ИРС-50, производства ЗАО «СветланаОптоэлектроника», стоит существенно дороже более эффективных азиатских диодов той же мощности (60 люмен с ватта
за 150 рублей против 70 люмен с ватта за 50 рублей). Производитель обещает снижение цены, но при нынешних ценах
остальные производители собирают свои светильники полностью на азиатских светодиодах.
Несколько производителей покупают уже разрезанные
импортные кристаллы с нанесенными контактами и корпусируют, создавая почти отечественный светодиод. Но тоже
почему-то дороже оригинала. Это значит, что продаж нет,
образцы играют роль выставочных, реальная себестоимость
может быть сколь угодно высокой и при этом не иметь значения. Уже можно хвастаться отечественным светодиодом, но
масштабировать его производство нельзя.
ВОЗМОЖНО ЛИ В РОССИИ РАЗРАБОТАТЬ СОБСТВЕННЫЙ СВЕТОДИОД?
Из всей технологической цепочки в России нет только технологии отделения сапфировых подложек от выращенных
структур и их повторного использования. Кристалл приходится резать на чипы вместе с подложкой. Неотделенный сапфир
не дает отводить тепло, если оставлять его снизу, и мешает
выйти свету, если кристалл переворачивать. Чип оказывается
не только дорогим, но и существенно менее эффективным.
6
полупроводникового
освещения
В массовом сознании светодиоды
прочно ассоциируются с яркими
и экономичными фонариками,
которые уже полностью вытеснили
традиционные и в народе называются
китайскими. Раз сейчас в России
даже фонарики, не являющиеся
чем-то технологически
выдающимся, – китайские,
можно ли надеяться, что к началу
массового распространения общего
светодиодного освещения и все
остальные светильники не окажутся
такими же «китайскими»?
Можно заказывать отделение подложек, но для этого тоже
нужны большие объемы. Сотня подложек в год – цифра,
кажущаяся внушительной любому российскому производителю, уже неинтересна тем, кому можно заказать этот процесс.
Цену светодиода определяет в основном не стоимость рабочей
силы (не столь уж дешевой и квалифицированной в России), а
стоимость оборудования и материалов, процентный выход годных структур и масштабы производства. Чтобы конкурировать с
азиатскими и европейскими производителями, нужно покупать
такое же дорогостоящее новейшее оборудование на тех же условиях и для воспроизводимости параметров запускать массовое
производство идентичных структур. Разработка собственной
технологической цепочки невозможна по той же причине, по
которой полностью собственной технологии не имеет никто в
мире. Даже Nichia (Япония), производящая белые светодиоды
дольше всех, имеет кросс-лицензии с основными конкурентами. А чем позже на светодиодном рынке появляется новый
производитель, тем большую часть технологий он покупает у
других. Яркий пример – корейская Seoul semiconductor, которая
просто купила все технологии. Но про корейцев известно, что
они не принимают неверных решений, работают как роботы
и могут сколь угодно большие деньги полностью потратить на
то, что планировалось. Можно ли применить корейский опыт в
России? Вопрос, конечно же, риторический.
Даже если говорить о научном наследии и инженерных
кадрах, у России нет преимуществ перед той же Кореей, с
удовольствием массово приглашающей российских ученых
и инженеров на рабочие места и зарплаты, существенно превышающие лучшие российские.
Но отечественный производитель надеется. Надеется на
бюджет программы «Новый свет». Производит экспериментальные чипы, диоды на импортных чипах, светильники на
импортных диодах и составляет проспекты, в которых описывает полный цикл технологий как собственный, заявляя о
готовности производить все что угодно.
Представление о том, что Россия тоже производит собственные светодиоды и почти не отстает в технологическом плане,
имеет для нас колоссальное вдохновляющее значение. Но пока
эффективность светодиодов быстро растет, светодиоды для
общего освещения, скорее всего, будут покупаться в Азии. А
В М И Р Е Н А Н О | № 3 2 0 10 | W W W. N A N O R F. R U
СВЕТОДИОДЫ
НАСКОЛЬКО ОПРАВДАН ПЕРЕХОД НА СВЕТОДИОДНОЕ ОСВЕЩЕНИЕ СЕГОДНЯ?
Практически любые конкретные цифры, если мы говорим
о комплексном светодиодном светильнике, на поверку оказываются либо неверны, либо требуют настолько большого числа оговорок, что честнее говорить лишь о порядках
величин. Так вот по порядку величин эффективность современного светодиодного светильника соответствует ртутным
люминесцентным лампам (50−100 лм/Вт). Оба этих типа
светильников на порядок эффективнее лампы накаливания (10−15 лм/Вт) и несколько менее эффективны желтых
натриевых ламп (150 лм/Вт). Поэтому об экономии электроэнергии говорить можно только в перспективе, с увеличением энергетической эффективности коммерчески
доступных светодиодов.
Однако на практике светодиодные светильники чаще сравнивают не с ртутными лампами, а с лампами накаливания
(как в рекламном фокусе, когда щелочные батарейки сравнивают с обычными, умалчивая, что под обычными понимаются уже забытые многими солевые). И в этот момент возникает
словосочетание «экономия электроэнергии».
Стоимость же светодиодных решений для общего освещения на порядок превосходит традиционные светильники на
ртутных лампах. Другое дело, что ртутные лампы нуждаются
в обслуживании, замене и утилизации, а светодиод, которому
обеспечен корректный режим работы, сможет непрерывно
светить десять лет.
Полные расходы на правильно спроектированное светодиодное освещение примерно соответствуют расходам на газоразрядное освещение за десять лет (в гипотетической ситуации, когда освещение потребуется все 24 часа в сутки). Это
только что достигнутое примерное равенство и поднимается
на флаг энтузиастами светодиодного освещения.
Однако если традиционное освещение уже смонтировано,
заменять его светодиодным экономически явно нецелесообразно. А если учесть быстрое падение цены на светодиодные
изделия, использование дешевых и эффективных люминесцентных ламп сейчас и отложенная покупка более дешевых и
более эффективных полупроводниковых светильников даст
за те же десять лет меньшие суммарные затраты.
На практике, возможно, стоит учесть и правду жизни,
состоящую в том, что если дорогой светодиодный светильник быстро не перегорит, его украдут. Или останется висеть
на прежнем месте, но светить уже другим людям.
Немного с большим оптимизмом можно говорить о зимнем
уличном освещении и конкуренции с дорогими морозоустойчивыми люминесцентными лампами. Также оправдано специальное применение светодиодов в светофорах, декоративном освещении, архитектурной подсветке и пр.
НЕ ВРЕДЕН ЛИ СВЕТОДИОДНЫЙ СВЕТ ДЛЯ ЧЕЛОВЕКА?
По спектру и индексу цветопередачи светодиодный свет ближе к солнечному, чем люминесцентные лампы, но уступает
свету лампы накаливания. Свет светодиодов, как и свет ртутW W W. N A N O R F. R U | № 3 2 0 10 | В М И Р Е Н А Н О
ных люминесцентных ламп, многим кажется неприятным,
«слепым» или «мертвенным». Однако, жалуясь на свет, люди
обычно показывают пальцем на лампы, спроектированные
под максимальную светоотдачу, а не максимальную цветопередачу и близость к солнечному спектру. Люминофор с улучшенной цветопередачей стоит дороже, света отдает меньше и
потому существенно реже используется.
Цвет светодиодного света также зависит от состава люминофора, но дилемма «больше света или лучше цветопередача» стоит острее, ведь драгоценный полупроводниковый свет
очень хочется сэкономить. Но ее можно разрешить и в пользу
хорошего цвета. Например, уже сегодня существуют светодиодные светильники для хирургии, области сверхважного различения цвета. И красиво, и модно, и затылок хирургу не печет.
ГДЕ ИСПОЛЬЗУЮТ СВЕТОДИОДНЫЙ СВЕТ?
Даже слабый светодиод отличается высокой яркостью, то есть
количеством света, отдаваемым с единицы площади. Яркость
почти не изменяется с расстоянием, поэтому яркие объекты
хорошо видно издалека. И поэтому светодиоды уже первых
поколений прекрасно справлялись с индикаторной функцией. В последние годы высокую яркость светодиодов на РЖД
используют для выполнения индикаторной функции на расстоянии, в сложных погодных условиях, через возможные
загрязнения плафона и стекла кабины машиниста.
Уже несколько лет светодиодные сигнальные приборы
используют в автомобильной оптике, но только в габаритных огнях и стоп-сигналах. Если присмотреться, светодиодный габаритный фонарь – это не единый светящийся объект,
как традиционный фонарь с лампой накаливания, а массив
независимых ярких хорошо заметных по отдельности светодиодов. Если подсветить тем же массивом светорассеиватель традиционный лампы, его будет видно значительно
хуже. Серьезно говорить об использовании светодиодного
головного света ведущие автопроизводители стали только в
последнее время. И это притом, что стоимость автомобильной оптики по сравнению с бытовыми светильниками чрез-
Ryf AG
смысл покупать линии в расчете на собственное производство
появится с приближением к теоретическому пределу эффективности диодов, когда год технологического отставания не будет
иметь столь большого значения. И этот момент близко: Cree
уже продает светодиоды эффективностью 132 люмена с ватта и
заявила о разработке чипа эффективностью 186 люмен с ватта.
Теоретический предел составляет около 300 люмен с ватта.
Российские светодиоды на российских чипах отдают 60 люмен
с ватта, и хорошо бы разработать или купить технологию, позволяющую получить хотя бы 100 люмен с ватта, но срок окупаемости этой технологии явно превосходит срок ее актуальности.
7
вычайно высока и в автомобилестроении
как нигде важно использовать новые во
всех смыслах яркие технологии.
Чрезвычайная яркость превращается
в недостаток, если использовать светодиод для общего освещения. Стоит бросить взгляд на лампу с открытыми мощными светодиодами, и зайчики в глазах
несколько минут не дадут видеть чтолибо еще. А если лампа находится недалеко от рабочего места, десятки ярких
открытых светодиодов образуют десятки теневых контуров от рук или инструмента. Эта особенность делает использование открытого светодиодного света
практически невозможным. Необходимо
использовать отражатели и светорассеиватели, которые на десятки процентов
уменьшат световой поток и поднимут
цену освещения.
Несмотря на это, почти все отечественные светодиодные светильники
представляют собой просто открытое
полотно светодиодов. Футуристическим
видом в выключенном состоянии достоинства такой конструкции заканчиваются. Во включенном состоянии на нее
вообще смотреть нельзя.
chopsueyphoto
СВЕТОДИОДЫ
Самая сложная, наукоемкая и
дорогая часть современного белого
светодиода – полупроводниковая
гетероструктура преобразует энергию электрического поля в синий
свет с теоретически возможным
максимальным КПД 100 %. Затем
большая часть этого синего света
люминофором преобразуется в
остальные цвета видимого спектра. Уже сейчас возможно обходиться без люминофора, смешивая
свет диодов разных цветов и добиваясь постоянства цветовых характеристик, регулируя ток через эти
диоды. Но это достаточно сложно и
дорого. В перспективе ожидается
появление сложных гетероструктур, излучающих сразу все цвета
в нужной для белого цвета пропорции. И вот тогда мы получим
нечто втрое более эффективное,
чем современные трубчатые ртутные лампы. На настоящий момент
эффективность светодиодного
света примерно соответствует ртутным лампам. Цена же различается
на порядок.
ВСЕ ЛИ СВЕТОДИОДНЫЕ
СВЕТИЛЬНИКИ ОДИНАКОВЫ?
Можно подумать, что распространение
светодиодного декоративного света и
светодиодных фонариков обещает скорую доступность общего светодиодного освещения. Легко поверить в то, во
что поверить хочется. Однако с ростом
потребности в валовом количестве света
возникают достаточно сложные технические проблемы.
Одна горящая свеча в большой комнате дает освещенность поверхностей,
достаточную для ориентировки, – около 0.1 люкса. Для современного общего
освещения минимально достаточным
уровнем считается 300 люкс. Приемлемые условия для чтения под яркой настольной лампой – примерно 1000 люкс. Но
по-настоящему комфортно в солнечный день в тени, где освещенность составляет около 10 000 люкс.
Такая нелинейность восприятия глаза означает колоссальную разницу в мощности источников, позволяющих просто
ориентироваться (фонарик) и светильников, заливающих
комфортным количеством света сколько-нибудь значительные площади. А мощным светодиодам нужен стабилизированный источник тока и очень хорошее охлаждение. В противном случае заметно упадет светоотдача и начнется необратимая деградация гетероструктуры.
Правильно спроектированное светотехническое изделие,
действительно обеспечивающее штатный режим работы диодов и гарантирующее полный срок их службы, разочаровывает потребителя своей громоздкостью и ценой.
А российские производители, еще не научившись обеспечивать хороший теплоотвод, уже в массовом порядке форсируют светодиоды, используя токи вдвое больше номинала.
И уже ясно, что часть первых произведенных светильников
8
потускнеет или выйдет из строя если не
сразу, то с летним повышением температуры воздуха.
БЫСТРО ЛИ БУДЕТ РАСТИ
МОЩНОСТЬ СВЕТОДИОДОВ?
Быстро расти будет эффективность, то
есть светоотдача с одного ватта. Потребляемой мощности на единицу площади
кристалла расти почти некуда, пропускать большие токи через гетероструктуру неоправданно – будет снижаться
эффективность. Интересен вопрос –
будет ли идти развитие в сторону кристаллов большей площади или многокристальных сборок.
Основная продукция крупных производителей – диоды на одном кристалле
площадью около 1 кв. мм, но на то они
и крупные производители, чтобы продавать полуфабрикаты – чипы в бобинах для
поверхностного монтажа. А уж кто-то другой будет зарабатывать деньги, монтируя
эти чипы на плате и собирая светильник.
Все пилотные отечественные диоды
также однокристальные, которые затем
предполагается поштучно припаивать на
печатную плату. На первый взгляд кажется
очевидным, что если конечный продукт –
светильник, логично на одном куске меди
смонтировать десятки кристаллов заодно
со стабилизатором и поместить в единый
корпус. Маленькие китайские производители уже так и поступают, избавляя
сборщика светильника от лишней головной боли, а заодно и части прибыли. Российские совсем маленькие производители
пока подражают гигантам.
БЛИЖАЙШИЕ ЗАДАЧИ И ПЕРСПЕКТИВЫ
ОТЕЧЕСТВЕННОГО ПРОИЗВОДИТЕЛЯ
СВЕТОДИОДНОГО ОСВЕЩЕНИЯ
Даже не имея своего коммерчески успешного светодиода, заманчиво держать в руках
самую простую, но самую прибыльную
часть технологической цепочки – производство конечного светотехнического изделия. Это реально и не очень обидно, поскольку доля цены светодиодов в общей стоимости светильника уже
составляет меньшую часть и быстро уменьшается. Уже одна
только схема питания стоит столько же, сколько светодиоды. Так
производство чего надо быстро осваивать – диодов или блоков
питания? Громких заявлений отечественных производителей о
готовности производить недорогие и простые драйвера или их
компоненты не слышно. Возможно потому, что деньги выделяются под саму светодиодную идею, а не под что-то другое.
Торговая наценка удвоит цену лампы, доля стоимости светодиодов в конечной сумме окажется совсем незначительной.
И с экономической точки зрения уже не столь важно, кто диоды сделал, важно лишь, чтобы они были эффективными.
Осталось набить первые шишки и научиться производить
простые, дешевые конструкции, обеспечивающие диодам
правильный режим работы и заявленные десятки тысяч часов
жизни. Чем отечественный производитель и занимается.
Антон Шаракшанэ
В М И Р Е Н А Н О | № 3 2 0 10 | W W W. N A N O R F. R U
ФЕРРОМАГНЕТИКИ
Онкологам
нужен результат
Ученые предлагают использовать ферромагнитные жидкости
для лечения рака. Возможно, они окажутся безопаснее, чем
химиотерапия и многие лекарства. Но пока неясно, какого
размера наночастицы ферромагнетиков надо синтезировать,
чтобы они оказались биосовместимыми.
С
1958 года в небольшом городке
Гестахте около Гамбурга в Обществе
по использованию ядерной энергии для судостроения и судоходства
(Gesellschaft für Kernenergieverwertung
in Schiffbau und Schiffahrt, или GKSS)
работает исследовательский реактор на
нейтронах FRG-1 мощностью 5 МВт,
который обеспечивает масштабные
научно-поисковые работы в области
материаловедения. Основным проектом, с которого начались исследования
в GKSS, стало создание грузового атомохода Otto Hahn, спущенного на воду
в 1964 году. Вплоть до закрытия проекта в 1979 году реактор использовали для
исследовательских целей, которые сводились в основном к безопасности реакторов. Поскольку тема радиоактивной
безопасности для трагического в этом
отношении XX века была крайне актуальной, работы в GKSS хорошо финансировались и развивались. Сейчас здесь
проводят исследования по следующим
направлениям: современное материаловедение и нанотехнологии, экологические проблемы и проблемы изменения
климата, а также изучаются возможности восстановления здоровья человечества (регенеративная медицина), подорванного неразумным использованием
новых технологий и загрязнением окружающей среды. Эти направления тесно
связаны между собой, и выделение их в
W W W. N A N O R F. R U | № 3 2 0 10 | В М И Р Е Н А Н О
отдельные тематики скорее формальное
и определяется в основном задачами
финансирования, кадрового обеспечения и престижности. В 2007 году в GKSS
утвердили совместный проект Российского фонда фундаментальных исследований и Объединения им. Гельмгольца
по исследованию ферромагнитных
жидкостей и их применению. В 2010
году для обсуждения полученных за 3
года результатов был созван семинар
«Структурные аспекты биосовместимых
ферро-жидкостей: стабилизация, контроль свойств и применение». Семинар
прошел 28 и 29 января в Гестахе. Наша
страна участвовала в нем на паритетных
началах: из 42 приглашенных участников семинара 7 были из России.
На семинаре ученые, технологи и
врачи из разных стран мира обсудили
вопросы, каждый из которых мог бы
составить предмет отдельных конференций:
• синтез биосовместимых ферромагнитных жидкостей;
• пути модификации и функционализации феррожидкостей для их применения в биологии и медицине;
• структурные и диагностические
исследования ферромагнитных жидкостей;
• использование биосовместимых магнитных наночастиц in vivo и in vitro.
Ферромагнитные жидкости (ФЖ),
свойства и возможность практического применения которых обсуждались на
семинаре, представляют собой коллоидные растворы ферромагнитных частиц
нанометровых размеров. ФЖ надо создать, стабилизировать, изучить и найти
им должное применение. Существует
несколько способов получения магнитных наночастиц, но наиболее популярен метод термальной декомпозиции
соединений железа, кобальта, никеля
и некоторых других металлов в среде
поверхностно-активных веществ (ПАВ).
При таком способе синтеза получается
сравнительно узкое желаемое распределение по размерам, что очень важно с
точки зрения практического применения ферронаномагнетиков. Затем нужно
стабилизировать наночастицы в растворе. Для этого их покрывают защитной
оболочкой из различных полимерных
соединений, которая не дает частицам
агрегировать под влиянием Ван-дерВаальсовых или магнитных сил. В зависимости от того, какое соединение было
использовано для инкапсулирования,
можно получить коллоидные органические или водные растворы. Последние
особенно важны для применения ФЖ
в медицине и биологии. В этом случае
для защитных оболочек используются
биосовместимые соединения, например
полиэтиленгликоль.
Ферромагнетики представляют собой
класс веществ с определенными свойствами: они структурируются под влиянием внешнего магнитного поля,
зависимость их намагниченности от
напряженности магнитного поля существенно нелинейная, и эквивалентное
значение магнитной восприимчивости
вещества может составлять десятки и
сотни тысяч, а также ферромагнетики
сильно разогреваются под влиянием
внешнего индукционного поля. Эти же
особенности характерны и для ферромагнитных жидкостей, вот почему их
можно использовать в самых различных областях науки, техники, медицины, биологии и даже искусства.
Наибольшие надежды на ФЖ возлагают онкологи. На семинаре в GKSS
эта тема получила особое звучание благодаря присутствию там представителей фармацевтических и медицинских
исследовательских центров и клиник: из
29 докладов 11 были посвящены использованию биосовместимых магнитных
наночастиц in vivo и in vitro. Лечение
онкологических заболеваний с помощью ферромагнитных жидкостей значительно более просто и безопасно по
сравнению с традиционными методами
терапии. ФЖ вводят либо непосредственно в опухоль, либо концентрируют
9
ФЕРРОМАГНЕТИКИ
Этелка Томбач ведет дискуссию о размере биосовместимых наночастиц в ФЖ
там с помощью внешнего магнитного
поля. Известно, что нормальные клетки сохраняют жизнеспособность при
43.5 °C (критическая температура), а
раковые начинают разрушаться уже при
42 °C. На этом основан принцип интерстициальной гипертермии. Поэтому,
если в течение определенного периода
с помощью внешних полей разогревать
ферромагнитные наночастицы внутри
опухоли до температур выше критической, то больные клетки гарантированно
погибнут. Основные проблемы при создании лечебных форм ФЖ – предотвратить агрегацию наночастиц и определить
наиболее целесообразный их размер.
Если стабилизация, как задача синтеза,
в известной мере уже решена, то определенности в вопросе о размере биосовместимых ферромагнитных наночастиц
пока нет. Дискуссия на круглом столе
под председательством Этелки Томбач
с факультета физической химии и материаловедения Сегедского университета,
Венгрия, отчетливо показала это. Токсичность, магнитные свойства, стабильность и терапевтический эффект ферромагнитных наночастиц безусловно зависят от их размеров и распределения по
размерам, и здесь еще только предстоит
найти тот диапазон размеров, который
будет оптимальным образом удовлетворять всем этим иногда взаимоисключающим качествам.
Основная часть докладов на семинаре, однако, была посвящена синтезу, способам модификации и исследованию свойств ферромагнитных жидкостей. Поскольку преобладал комплексный подход, то докладчик все эти
проблемы, как правило, рассматривал
одновременно, а зачастую ставил и
вопросы возможного применения ФЖ.
«Очень важно, что физические и химические методы не просто дают какието результаты, которые публикуются, а
потом складываются на полки, а здесь
10
есть реальная коллаборация с медиками, которые используют полученные
результаты, в данном случае магнитные
жидкости, в своих медицинских опытах.
Хотя, конечно, пока в опытах на животных», − сказал участник семинара профессор Виктор Аксенов, работающий
в Курчатовском институте и Франковской лаборатории нейтронной физики Объединенного института ядерных
исследований в Дубне.
Наиболее популярными методами
исследования структурных характеристик ФЖ и наночастиц традиционно
были трансмиссионная электронная
микроскопия, малоугловое рентгеновское рассеяние и малоугловое нейтронное рассеяние. Эти методы были представлены в 21 докладе из 29. Поскольку
каждый из методов имеет как свои преимущества, так и свои ограничения, их
сочетание дает наиболее полную и адекватную картину строения изучаемых объектов. Используют также светорассеяние
(традиционное и динамическое), рентгеновскую дифракцию, ядерный магнитный резонанс и некоторые другие методы. С помощью магнитометрии, соответственно, изучают магнитные характеристики образцов. В целом, исследователи
умеют получать ФЖ высокого качества.
Однако воспроизводить получение ферромагнитных наночастиц с узким и желательно заданным распределением по размерам пока проблематично.
Оказывается, что даже такие, не очень
совершенные, ФЖ положительно влияют на ход онкологических заболеваний.
Поэтому общей задачей семинара было
вдохновить приглашенных туда врачей,
ученых и технологов из России и стран
Европы интенсивнее работать в этой
очень важной области бионанотехнологии. По словам члена оргкомитета профессора Регины Виллюмейт из GKSS,
«здесь собрались разные специалисты:
медики, биологи, химики и физики.
Мне кажется, что самое важное то, что
они смогли вместе обсудить проблемы.
Медики теперь могут понять задачи
физико-химического плана, как характеризуются наночастицы, что представляют собой новые нанотехнологии.
С другой стороны, те, кто готовит и
исследует магнитные жидкости, смогли
понять проблемы медиков. Что касается меня, то я очень надеюсь на расширение или, по крайней мере, на продолжение проекта, потому что он очень
эффективен: уже сейчас есть много прекрасных публикаций и получаются все
более интересные результаты».
Элеонора Штыкова,
Институт кристаллографии РАН
Где используют
ферромагнитные
жидкости
• в электронных устройствах,
например, в качестве уплотнителя вокруг вращающихся
осей в жестких дисках. ФЖ
также используются во многих
динамиках для высоких частот,
для отвода тепла от звуковой
катушки. Одновременно она
работает механическим демпфером, подавляя нежелательный резонанс;
• в машиностроении в качестве
жидкости, которая способна
снижать трение. Так, известная
фирма Ferrari использует магнитореологические жидкости в
некоторых моделях машин для
улучшения возможностей подвески. Под воздействием электромагнита, контролируемого
компьютером, подвеска может
мгновенно стать более жесткой
или более мягкой;
• в оборонной промышленности
используют краску на основе
ФЖ, которая снижает отражение электромагнитных волн,
делая летательный аппарат
«невидимым»;
• в авиакосмических технологиях ФЖ используют в системе
стабилизации космических
кораблей. Воздействуя магнитным полем на ферромагнитную
жидкость, находящуюся в замкнутом кольце, можно менять
момент импульса и влиять на
вращение корабля (использование принципа гироскопа);
• в различных аналитических
приборах, например в оптике,
где используются преломляющие свойства ФЖ;
• в медицине и биологии как в
диагностических целях, так и для
лечения раковых заболеваний.
• в искусстве в качестве динамического и пластического материала для создания необычных
«живых» картин или фильмов,
главным героем которых выступает ФЖ.
В М И Р Е Н А Н О | № 3 2 0 10 | W W W. N A N O R F. R U
ВОПРОС–ОТВЕТ
Что такое
David Orban
НБИК?
А
ббревиатура NBIC впервые появилась в докладе Converging Technologies for Improving Human Performance
(2002), спонсированном Национальным научным фондом США. Доклад предсказывал, что конвергенция между
четырьмя отраслями в ближайшие десятилетия предложит
человечеству длинный ряд прикладных проектов, которые
существенно преобразуют наш мир. Доклад сам перечислял множество возможных проектов, находящихся в разной
степени разработки. Наконец, доклад предполагал, что этой
новой эпохе потребуются ученые, способные разбираться не
только в своей узкой области компетенции, но и в областях,
сравнительно удаленных. С тем чтобы суметь одно применить
в другом – на то и конвергенция.
Ведущими авторами доклада выступили глава нанотехнологического подкомитета Национального совета по науке и технологии Михаил Роко и известный социолог Уильям Бейнбридж. Доклад произвел фурор, и авторы провели несколько
ежегодных конференций, посвященных NBIC-конвергенции.
Доклады с конференций сами по себе занимают объем, сравнимый с монографиями, например, Managing Nano-Bio-InfoCogno Innovations: Converging Technologies in Society (2006).
Тем не менее по причинам, которые мы рассмотрим ниже,
объединяющее понятие NBIC не приобрело такой популярности, как, скажем, понятие «нанотехнологии».
Впрочем, в России оно стало широко известно благодаря
директору Курчатовского института Михаилу Ковальчуку.
В 2009 году несколько структур института были объединены в
НБИК-центр, который стал инфраструктурной базой НБИКтехнологий в России. А в МФТИ факультет нанотехнологий и
информатики был преобразован в факультет НБИК, и Михаил Ковальчук стал его деканом.
W W W. N A N O R F. R U | № 3 2 0 10 | В М И Р Е Н А Н О
Среди множества понятий,
порожденных расцветом
нанотехнологий, выделяется
аббревиатура NBIC, она же
НБИК. Расшифровывается как
«нанотехнологии-биотехнологииинформационные технологиикогнитивные науки». И обозначает
некое конвергентное целое,
что образуется из данных областей
в настоящее время и обещает
преобразовать всю человеческую
жизнь в ближайшие десятилетия.
Стоит подробнее рассмотреть, что такое НБИК-конвергенция и что она дает – с точки зрения Роко-Бейнбриджа
и Ковальчука. Авторы аббревиатуры выделили пять областей
применений конвергентных технологий: расширение человеческих познавательных и коммуникативных возможностей;
укрепление здоровья людей и их физических возможностей;
новые инструменты для социальных групп и сообществ; укрепление национальной безопасности; объединение науки и
образования. Первому должны помочь разного рода персональные сенсоры и новые технологические подспорья для
творчества. На здоровье человека будут работать нанобиосенсоры, новое поколение имплантатов, медицинские нанороботы. Сообществам поможет универсальный переводчик для
новой, еще более вездесущей версии Интернета, а также маркировка микрочипами любого предмета или места. Военные
проекты НБИК включают средства для усиления ментальной
и физической мощи будущих солдат, опять-таки военные сенсорные сети, а также беспилотные боевые машины, самолеты
и корабли. Из этого, впрочем неполного, перечисления возможных перспектив НБИК очевидно, что новый мир потребует соответствующих ему специалистов – «новых энциклопедистов», способных глубоко разбираться в нескольких областях
знания и уметь их интегрировать. Соответственно, понадобятся программы обучения таких специалистов.
Со своей стороны, представители Курчатовского института, говоря о НБИК, обычно имеют в виду скорее не проекты,
а структуры, инструменты. Здесь и входящие в НБИК-центр
новый нанотехнологический корпус института, и его источник синхротронного излучения, исследовательский нейтронный реактор, суперкомпьютерный центр обработки данных,
оборудование для расшифровки геномов, белковая фабрика,
11
Papalars
ВОПРОС–ОТВЕТ
наконец, факультет НБИК в МФТИ. Стратегической целью
здесь провозглашено создание гибридных нанобиоматериалов и сенсорных систем на их основе, затем биоробототехнических систем с использованием атомно-молекулярного конструирования. Проще говоря, создание технологий на стыке
живого и неживого, человека и машины. Со своей стороны,
премьер-министр РФ Владимир Путин видит в НБИК-центре
Курчатовского института модернизационный задел, призванный обеспечить России прогресс в области искусственного
интеллекта, суперкомпьютеров, элементной базы микроэлектроники, новых материалов с уникальными свойствами,
диагностических систем в медицине.
Широта постановки вопроса о НБИК очевидна – четыре
огромные отрасли знания, связанные с ними производства,
перспектива на десятки лет вперед, многообразные синергии
и конвергенции, еще более многообразные социальные возможности и последствия новых технологий. Книги, статьи
и доклады по НБИК носят ярко выраженный визионерский
характер. И именно широта сыграла с НБИК дурную шутку:
аббревиатура стала лишь зонтичным обозначением крайне
неоднородного собрания возникающих сегодня междисциплинарных технологий, дисциплин и проектов. Аббревиатура эта не единственная: предложены еще GRIN (Genetic,
Robotic, Information, Nano) и BANG (Bits, Atoms, Neurons,
Genes). Кроме того, известен простой факт: сначала возникают синергии технологий, а потом уж, вторичным образом,
названия для них.
Каков собственный смысл НБИК? Зачем это слово вообще
необходимо, что в нем существенно? Здесь представляются важными три вещи. Во-первых, образовательный аспект.
Конвергенция наук и технологий требует ученых и специалистов, способных ее провести. Это и есть новые энциклопедисты, те, кого Михаил Ковальчук называет «интеграторами» –
людьми, для которых основным станет холистический под12
ход, а не редукционный. Их подготовка – задача для нового
образования. Речь о том, чтобы противопоставить традиционной вузовской специализации интеграцию, на уровне отдельно взятых светлых голов. В этом и есть идея. В частности, на
НБИК-факультете МФТИ будут преподавать не только физику и математику, но и информатику, химию и биологию.
Вторая идея НБИК известна как human enhancement – идеология и собрание разрабатываемых и прогнозируемых технологий для увеличения возможностей человеческого тела.
Сюда входят генная инженерия человека, нейроимплантаты,
ноотропы (стимуляторы различных аспектов работы мозга),
экзоскелеты и даже гипотетически возможный перенос человеческого сознания в машину. Подобный бескомпромиссно
технократичный подход к телу человека имеет как убежденных сторонников, так и сильных противников. Его название – трансгуманизм – стало намного более известно, чем
широкая аббревиатура НБИК. Впрочем, следует отметить,
что сторонники НБИК обычно более умеренны в прогнозах,
чем радикальные трансгуманисты или провозвестники «технологической сингулярности».
В-третьих, НБИК, собственно говоря, – это слово, которое произносят и запоминают, оно представляет собой, если
угодно, бренд. В том его ценность. «Под НБИК» можно найти
людей и финансирование, с ним можно выйти на правительственный уровень. Обширные, хотя и смутно открывающиеся
перспективы конвергенции технологий действительно требуют широты взгляда, в какой-то мере холистического подхода. Другое дело, что он должен быть дополнен конкретной
работой над конкретными проектами. Только таким образом НБИК-конвергенция сможет отдать скрытые в ней пока
силы, что глубоко преобразуют человеческое общество в ближайшие десятилетия.
Константин Ветлугин, РН
В М И Р Е Н А Н О | № 3 2 0 10 | W W W. N A N O R F. R U
РУБРИКА
W W W. N A N O R F. R U | № 3 2 0 10 | В М И Р Е Н А Н О
13
ФЦП
В ожидании синергетического эффекта
В середине февраля Роснаука и РНЦ «Курчатовский институт» подвели итоги
ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнического комплекса России на 2007−2012 годы» за 2009 год по приоритетному
направлению «Индустрия наносистем и материалов».
14
Игнат Соловей
«И
сследования и разработки» –
одна из трех ФЦП Роснауки,
прямо связанных с нанотехнологической тематикой. Приоритетное
направление «Индустрия наносистем
и материалов» очень важно: по словам
зам. руководителя Роснауки Александра
Клименко, в нем сосредоточены практически все российские исследования
по нанотематике. Впрочем, «Исследования и разработки» тесно переплетены с двумя другими программами –
«Развитие инфраструктуры наноиндустрии на 2008–2010 годы» и «Научные
и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009–2013 годы».
Например, 40 % руководителей НОЦ
ФЦП «Кадры» одновременно активно
участвуют в «Исследованиях и разработках». А.В. Клименко отметил, что
пора бы уже не просто констатировать
единство программ, но и получать от
них синергетический эффект.
Пока же нанотехнологическое направление «Исследований и разработок» за три
прошедших года дало ФЦП 32.3 % поданных заявок, а именно 3744. Это больше,
чем по любому другому направлению.
Число заявок в 2009 году несколько снизилось, их насчитали 1114 (в 2008 году –
1185, в 2007 году – 1445). Рабочая группа
Научно-координационного совета ФЦП
за прошедшие годы отобрала около 800
заявок для направления на госконтракты,
около 300 заявок в данный момент еще
находятся на рассмотрении, остальные
заявки отклонили.
В 2009 году по данному направлению
в рамках ФЦП заключили 312 госконтрактов с бюджетным финансированием
в размере 4226.32 млн руб. (в 2008 году –
468 контрактов на сумму 5458.61 млн руб.,
в 2007 году – 497 контрактов на сумму
4245.35 млн руб.). Внебюджетное финансирование приоритетного направления
ФЦП составило в 2009 году 3182.09 млн
руб. (в 2008 году – 4109.89 млн руб.,
в 2007 году – 3273.06 млн руб.).
Из списка критических технологий
РФ, утвержденного президентом в 2006
году, в компетенцию рабочей группы
нанотехнологического направления
вошли семь. Исполняемые госконтракты по ним идут, согласно паспорту ФЦП, по мероприятиям 1.3 (НИР) и
Академик Горынин: мы создаем хладостойкие стали для нефтепроводов
2.3 (ОКР). На 169 госконтрактов по НИР
было в 2009 году выделено 904.81 млн
руб., на 39 госконтрактов по ОКР –
2023.80 млн руб. В 2009 году критическая технология 07 «Нанотехнологии и
наноматериалы» собрала 65 контрактов
по НИР и 13 по ОКР, «Технологии механотроники и создания микросистемной
техники» (№ 11) – 7 по НИР и 4 по ОКР,
«Технологии создания биосовместимых
материалов» (№ 22) – 9 по НИР и 1 по
ОКР, «Технологии создания и обработки
композиционных и керамических материалов» (№ 24) – 22 по НИР и 4 по ОКР,
«Технологии создания и обработки кри-
сталлических материалов» (№ 25) – 33 по
НИР и 6 по ОКР, «Технологии создания
и обработки полимеров и эластомеров»
(№ 26) – 20 по НИР и 6 по ОКР, «Технологии создания мембран и каталитических систем» (№ 28) – 13 по НИР и 3 по
ОКР. Кроме того, заключили два ОКРконтракта по смешанным проектам в
области критических технологий.
В подаче заявок и финансировании
программы по федеральным округам с
большим отрывом лидируют Центральный и Северо-Западный федеральный
округа. Центральный федеральный округ
стабильно подает более половины заявок.
Среди ведомств в реализации программы больше всего участвуют Федеральное
агентство по образованию, Российская
академия наук, Федеральное агентство
по науке и инновациям, а лидируют вневедомственные организации.
Со своей стороны, руководитель Рабочей группы Научно-координационного
совета ФЦП по нанотехнологическому
направлению академик Михаил Алфимов, главный редактор РН, сделал ряд
замечаний по работе направления.
Некий спад числа заявок в 2009 году
он связывает с тем, что ранее поданные
заявки закрепили за собой приоритет
тем. Он также отметил, что поступает мало заявок по направлениям, признанным государством перспективными: по биомедицине, светодиодным
материалам, сенсорным устройствам и
др. Нынешним порядком поступления
заявок, т.е. самотеком, поступает много
Минобрнауки подвело итоги наноиндустриальной ФЦП за 2009 год
На заседании коллегии Минобрнауки
подвели итоги за 2009 год выполнения
ФЦП «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в РФ на 2008–2010 годы».
Несмотря на недофинансирование,
целевые показатели ФЦП за год в основном были признаны исполненными.
За 2009 год суммарные кассовые расходы госзаказчиков на реализацию ФЦП
составили 5332.9 млн руб. (недофинансирование составило 34 %), в том числе
по направлениям «капитальные вложения» – 3094.4 млн руб. по 71 контракту,
«прочие нужды» – 2238.5 млн руб. по 185
контрактам. Из внебюджетных источников было привлечено финансирование
в объеме 446.1 млн руб. (на «капитальные вложения» – 112.3 млн руб., или
21.80 % от запланированного объема,
на «прочие нужды» – 333.8 млн руб., или
90.40 % от запланированного объема).
Все целевые показатели и индикаторы
программы в 2009 году были исполнены,
кроме числа вновь созданных рабочих
мест для высококвалифицированных
специалистов (820 при плане 1500).
В рамках ФЦП планировалось создание на базе ведущих вузов до 2010 г.
В М И Р Е Н А Н О | № 3 2 0 10 | W W W. N A N O R F. R U
ФЦП
заявок, решающих задачи сегодняшнего или даже вчерашнего дня. Так, представлено много работ по микроэлектронике, где Россия сейчас занимает
догоняющую позицию. М.В. Алфимов
предложил наряду с текущим порядком
«формировать лоты через госзаказ –
чтобы промышленность назвала востребованные ей продукты, чтобы была
основным направлениям тематической
деятельности ННС. Разработаны проекты
дорожных карт развития нанотехнологий
в России до 2015 и на период до 2025 г.
Подготовлены элементы инфраструктуры
Центра метрологического обеспечения и
оценки совместимости нанотехнологий
и продукции наноиндустрии. Сформирована и поддерживается система консультационной и методической поддержки
патентно-лицензионной деятельности
региональных организаций ННС.
Поскольку Счетной палатой в 2008–
2009 гг. по ряду объектов ФЦП было выяв-
лено нецелевое использование средств,
коллегия Минобрнауки постановила в
текущем году организовать проверку созданных объектов инфраструктуры.
В 2010 году предусмотрено госфинансирование ФЦП в размере 5018.6 млн руб.,
в том числе по направлению «капитальные вложения» осуществят реконструкцию и техническое перевооружение
29 инвестиционных объектов на сумму
3810.0 млн руб. По направлению «прочие
нужды» на 2010 год перешло 107 контрактов на сумму 1208.6 млн руб.
Константин Ветлугин
Нанопродукция уже доступна
на рынке
W W W. N A N O R F. R U | № 3 2 0 10 | В М И Р Е Н А Н О
Игнат Соловей
32 научно-образовательных центров
(НОЦ) по направлению «нанотехнологии».
В 2008 году были созданы 13 НОЦ. Однако в
2009 г. ассигнования на создание 10 запланированных НОЦ не были выделены в связи с оптимизацией расходов госбюджета.
Среди прочих мероприятий в ходе выполнения ФЦП в 2009 г. была сформирована
система распределенного сбора, хранения, обработки и управления потоками
данных по нанотехнологиям и наноиндустрии, объединяющая сеть онлайновых
центров национальной нанотехнологической сети (ННС). Созданы базы данных по
Игнат Соловей
ли также не замедлит себя ждать. В рамках ФЦП «Развитие инфраструктуры
наноиндустрии на 2008–2010 годы» уже
ведется комплексный проект по созданию нормативной документации в
области безопасности наноиндустрии
и ее продуктов. В 2009 году Главным
санитарным врачом были уже утверждены три методических указания,
четкая формулировка от государства
необходимых ему сегментов – без этого институты ее не знают и ведут невостребованные работы». То, что правительство уже обозначило национальные
приоритеты, академик Алфимов считает здесь недостаточным.
Ряд проектов на конференции выделили в качестве примеров успешных и
перспективных, в частности, инновационный проект государственного масштаба «Магистраль» (исполнитель – ФГУП
ЦНИИ КМ «Прометей»). Как отметил
научный руководитель ЦНИИ академик Игорь Горынин, речь здесь идет о
создании наноструктурированных хладостойких трубных сталей и высокопрочных труб большого диаметра для
магистральных газо- и нефтепроводов
страны. Наноструктурирование сталей
дает им морозоустойчивость и одновременно возможность снизить содержание
дорогих легирующих добавок. В 2008–
2009 годах возврат средств в федеральный
бюджет за счет налоговых отчислений от
продаж новых труб превысил стоимость
бюджетного финансирования проекта.
К 2015 году эти налоговые отчисления
могут достичь 10 млрд руб.
Как отметил директор Госдирекции
ЦНТП Андрей Петров, нанотехнологическому приоритетному направлению
ФЦП удалось в 2009 году выйти на целевые индикаторы программы, за исключением вновь созданных рабочих мест. Что
же касается 2010 года, то по госбюджету
на этот год вся ФЦП «Исследования и
разработки» получит только 30 % финансирования от заложенного в паспорте
программы. Это значит, что очень многие
конкурсы, запланированные на 2010 год,
будут отложены. Впрочем, как сообщил
директор департамента государственной научно-технической и инновационной политики Минобрнауки Александр
Наумов, министерство ведет переговоры с Минэкономразвития о продлении
ФЦП на 2013 год с компенсацией недополученных средств. Программа «Развитие инфраструктуры наноиндустрии
на 2008–2010 годы» также продлена на
2011 год, и на него переносятся 5 млрд
руб., недополученные в 2009–2010 годах.
Кроме того, по словам А.В. Наумова,
6 млрд руб. в 2010 году и по 7 млрд руб.
в 2011 и 2012 годах выделят на НИОКР
промышленным предприятиям, чтобы те
сами заказывали научные разработки.
Наконец, как сообщил директор центра «Биоинженерия» РАН академик
Константин Скрябин, нормативнометодическое госрегулирование отрас-
Упаковка для продуктов питания с применением наноструктурированных
материалов на стенде ГК «Роснано».
Продукты в такой упаковке уже достаточно давно обосновались на витринах
большинства российских магазинов
включая МУ 1.2.2520-09 «Токсикологогигиеническая оценка безопасности
наноматериалов». На экспертизе в
Роспотребнадзоре находятся еще пять
методических указаний и рекомендаций,
а в 2010 году разработают еще 25 единиц.
На этом разработка основной части нормативной документации по нанобезопасности в России будет завершена.
Константин Ветлугин, РН
15
ИНТЕРВЬЮ
Стране нужны особые — синтетические специалисты — супермены
с приставкой «нано». Для этого уже в школе нужно обучать новым
технологиям, считает доктор технических наук, генеральный директор ЗАО «Концерн “Наноиндустрия”» Михаил Ананян
ЗАО «Концерн “Наноиндустрия”»
Даешь
наноспецназ!
Михаил Ананян: «Цель создания
ЦПН — внедрение в сознание инженерного сообщества представлений
о нанотехнологии как о радикальном средстве модернизации
отечественной промышленности»
Михаил Арсенович, несмотря на кризис, Вы дали на сайте объЭто довольно неожиданный аспект проблемы с кадрами для
явление о приеме на работу химиков-технологов, конструкторов,
нанотехнологий. И что же делать?
электронщиков, программистов. Как Вы оцениваете ситуацию с
— Руководители большинства предприятий машиностроительподготовкой кадров в области нанотехнологий?
ного комплекса, энергетики, агропрома, промышленности стро— Прежде всего, неожиданно для меня самого пошел поток
ительных материалов, жилищно-коммунального хозяйства мало
заявлений, в основном от молодых специалистов, недавно
того что не информированы о научном и прикладном потенциаокончивших вузы. Изучая их резюме, мы обратили внимале нанотехнологий, но и, как правило, воспринимают в штыки
ние на следующее обстоятельство. Вот один человек окончил
предложения о возможном сотрудничестве даже в части их приинститут по специальности с приставкой «нано». Где он рабоменения непосредственно в интересах самих предприятий. Это
тает сегодня? В банке. Другой — занимается логистикой. Треобстоятельство в значительной степени объясняется тем, что на
тий — в ларьке чем-то торгует.
предприятиях, за небольшим исключением, отсутствует подТо есть возник следующий парадокс: юные дарования,
готовленный инженерно-технический персонал, который по
имеющие квалификацию в области нанотехнологий, не воссвоей квалификации способствовал бы внедрению элементов
требованы промышленными предприятиями, так как там
нанотехнологий как в технологические процессы, так и в выпунет специалистов, которые могут поставить задачу, ввести
скаемую продукцию. Соответственно, отсутствует и необходиих в мир реальных нанотехнологий, обеспечить необходимое для этих целей технологическое оборудование. Поэтому
мым инструментарием. Лишь малая
инновационные возможности нанотехноих часть может найти работу в акаделогий не закладываются в новые проекты
Михаил Арсенович Ананян —
мических институтах или поступить в
и разработки, в регламенты и стандарты,
доктор технических наук, презиаспирантуру. Остальные вынуждены
чем обеспечивается все большее отставадент Национальной ассоциации
работать не по специальности, либо
ние базовых отраслей промышленности от
наноиндустрии, генеральный
стараются уехать за границу. Нескольсовременного технологического уровня.
директор ЗАО «Концерн “Наноко лет назад мы обсуждали эту проблеМне кажется, что давно назрел вопрос о
индустрия”». Среди выпускаемой
му с академиком Юрием Третьяковым,
качественной переподготовке дипломироКонцерном продукции — протиодним из самых серьезных специаливанных специалистов на промышленных
воизносный наномодификатор
стов в области нанотехнологий. «Юрий
предприятиях, в отраслевых институтах, в
«Стрибойл», нанотехнологический
Дмитриевич, — говорю я, — Вы в год
социальной сфере. Наверное, с него и надо
комплекс на базе сканирующего
выпускаете примерно 25 специалистов
было начинать, чтобы подготовить интелтуннельного микроскопа «УМКА»,
высшего класса. Есть такое предложелектуальный и технологический базис для
бактерицидный спрей на основе
ние — создать в городе Фрязино Центр
приема молодежи. Об этом мы говорим
коллоидных растворов серебра
наноэлектроники. Давайте возьмем два
много лет и на всех круглых столах, и на
Ваших выпуска и сразу сделаем мощконференциях, и в печати.
ный кластер?» Он отвечает: «Понимаете, у них проблема —
На базе технопарка «Слава» мы решили организовать Центр
негде жить. Многие уезжают за рубеж». Тогда мы обратились
профориентации в наноиндустрии (ЦПН). Цель его создас письмом к губернатору Московской области с просьбой
ния — внедрить в сознание инженерного сообщества представпостроить жилой дом для молодых специалистов во Фрязиления о нанотехнологии как радикальном средстве модернизано. Была надежда — мы их там всех переженим, и через пару
ции отечественной промышленности. Центр будет заниматься
лет появится команда профессионалов-нанотехнологов.
переподготовкой специалистов в области строительства, сельОднако ответа никакого не последовало.
скохозяйственного производства и социальной сферы. ОчеПо данным профсоюза научных работников России, за
видно, что в деятельности центра заинтересованы как предпоследние десять лет работу за рубежом нашли от 500 до
приятия, так и научно-промышленные центры, профсоюзы.
800 тысяч российских ученых, в том числе и те, кто мог бы
Центр профориентации в наноиндустрии начнет свою работу в
составить цвет отечественной нанотехнологии. И сегодня,
2010 году. При этом в ЦПН будет и программа дистанционного
когда государство декларировало подготовку к 2015 году 100–
обучения специалистов, тем более что мы имеем в регионах
150 тысяч специалистов-нанотехнологов, необходимо все-таки
серьезную методологическую поддержку в лице одиннадцати
ответить на вопрос, как обеспечить их работой, как не потерять
государственных университетов, являющихся членами Нациоих для будущей наноиндустрии.
нальной ассоциации наноиндустрии.
16
В М И Р Е Н А Н О | № 3 2 0 10 | W W W. N A N O R F. R U
ОБРАЗОВАНИЕ
Как Вы оцениваете молодых специалистов, которые приходят
она — в Европе, 0.1–0.2 миллиона — в Тихоокеанском регионе,
устраиваться на работу в Концерн?
около 0.1 миллиона — в других странах.
— В общем, по-разному. Часть из них сразу объявляет, что
Россия в этих прогнозах никак не представлена. Мы сильно
рассчитывает на карьерный рост и повышение заработной
опоздали с введением в программы вузов специальностей по
платы. При этом старается минимизировать время пребынаправлению «нанотехнология». Теперь надо нагонять и готования на работе. Что ценно — почти все они уверенно польвить будущих нанотехнологов буквально с «младых ногтей»,
зуются компьютером и неплохо знают языки. К сожалению,
как это делается в технологически продвинутых странах.
сейчас среди молодежи распространена такая психологиЕще раз подчеркну, что развитие и внедрение нанотехнологий
ческая установка: не работать на одном месте больше года.
есть сугубо системная задача, и возможность технологическоПоэтому, придя в стабильный работоспособный коллекго прорыва России будет в значительной степени зависеть от
тив, такие специалисты через два месяца начинают искать в
подготовки своего рода «спецназа», то есть групп высококвалиИнтернете, где бы им побольше заработать. Все эти попрыфицированных специалистов, обладающих знаниями в таких
гунчики в конце концов мало чему научатся. Они сегодня
областях, как физика, химия, биология, медицина, прикладная
получат маленькую выгоду, не более того — и никогда не стаи вычислительная математика, электротехника, материаловеденут серьезными специалистами.
ние, машиностроение. Подготовка такого рода специалистовС учетом этих факторов отбор у нас довольно жесткий,
системщиков — серьезная задача, которая нашими высшими
зато те, кто остается, действительно увлечены своей рабоучебными заведениями практически не решается.
той, тем более что мы ставим перед ними реальные задачи,
Кроме создания специальных программ обучения, какие условия
и успех в их решении — это и их карьерный рост, и будущие
еще необходимы для эффективной подготовки кадров в сфере
диссертации, и постепенное наращивананотехнологий?
ние социального пакета.
— Сегодня в системе подготовки кадров в
В 2010 году на базе технопарка
Выпускников каких вузов Вы берете
области нанотехнологий есть одно прин«Слава» начнет свою работу Центр
на работу?
ципиально слабое место — отсутствие
профориентации в наноинду— К нам приходят из МГТУ им. Н. Э. Баупромышленного выпуска доступных по
стрии (ЦПН). Цель его создания —
мана, из МЭИ, МИРЭА, МИФИ, МИСицене отечественных научных приборов
внедрение в сознание инженерного
Са. Недавно мы участвовали в ярмарке
и специализированного оборудования
сообщества представлений о нановакансий в Московской государственной
для массовой студенческой и школьтехнологии как радикальном средакадемии тонкой химической технологии
ной аудитории. Приобретаемые дорогие
стве модернизации отечественной
им. М.В. Ломоносова. Там записалось к
импортные приборы и оборудование
промышленности.
нам на интервью 18 человек. Сейчас будем
ориентированы в значительной степени
Для достижения этой цели ЦПН
смотреть, кого из них возьмем на работу.
не на учебный процесс, а на проведение
будет ориентирован на решение
Но кому Вы все-таки отдаете предпочтенаучных исследований, что, безусловно,
следующих задач:
ние? Наверное, получившим профильное
по-своему важно. Однако к работе с этим
• анализ и обобщение опыта внедреобразование по нанотехнологиям?
оборудованием студенты и тем более
ния нанотехнологий на промыш— Вы знаете, все в мире относительно.
школьники, как правило, не допускаленных объектах. Создание систеЯ считаю — базовое образование необхоются. При этом возникает естественный
мы информационного оповещения,
димо, но дальнейшая специализация провопрос — а что мы будем делать через
пропаганды и распространения
фессионала в большой степени зависит
3–5 лет, когда закупленный за рубежом
такого опыта с использованием
от его личной увлеченности работой по
инвентарь устареет? Снова бездумно трамультимедийных средств и образонаправлению «нанотехнология». Многотить бюджетные средства?
вательных технологий Интернета;
факторность нанотехнологии выделяет ее
Эта ситуация стала, в частности, пред• переподготовка специалистов в
как специфическую область междисциметом дискуссии на совещании ректоров
базовых отраслях промышленности,
плинарных научных и инженерных знаи проректоров 18 государственных унистроительства, сельскохозяйственний. Поэтому вопрос подготовки соответверситетов, организованном Национального производства и социальной
ствующих научных, инженерных и рабоной ассоциацией наноиндустрии совместсферы в части, касающейся испольчих кадров требует разработки нетрадицино с Торгово-промышленной палатой РФ.
зования потенциала нанотехнолоонных специальных образовательных проОбщее мнение присутствующих — необгий, для формирования замкнутых
грамм разного уровня. Это курсы лекций,
ходима постановка системной работы по
технологических цепочек, обеспелабораторные работы и учебные пособия
подготовке комплектов дидактических
чивающих модернизацию, в первую
для специалистов, желающих получить
материалов, соответствующих профиочередь, промышленного сектора
второе высшее образование. Затем — то
лю конкретного вуза, разработка и оргаотечественной экономики.
же самое — для переподготовки и повынизация промышленного производства
Организации, заинтересованные в
шения квалификации преподавательского
доступной для студентов лабораторной
деятельности ЦПН:
состава. Следующий уровень — студенты.
базы. В рамках такой работы представля• предприятия, выбравшие путь
И, наконец, — факультативы для школьется целесообразным привлечь в качестве
модернизации производства и
ников, учащихся техникумов, колледжей
экспертов ведущих ученых университетов
возглавляемые эффективными
и профессионально-технических училищ
из различных регионов.
собственниками;
с максимально возможным внесением
Хотелось бы, чтобы Министерство
• научно-промышленные центры;
элементов нано в учебные программы по
образования и науки РФ услышало этот
• союзы промышленников и предприфизике, химии, биологии, информатике.
глас вопиющих. А там, глядишь, оно задунимателей, крупные профсоюзы;
По существующим прогнозам, потребмается и о разработке методических мате• административные региональные и
ность в специалистах в области нанотехриалов и лабораторной базы для школьмуниципальные образования, решанологии в 2010–2015 годах будет не менее
ников. Поживем — увидим …
ющие вопросы занятости населения
0.8–0.9 миллиона человек в США, 0.5–
и создания новых рабочих мест.
0.6 миллиона — в Японии, 0.3–0.4 миллиБеседовала Мария Морозова
W W W. N A N O R F. R U | № 3 2 0 10 | В М И Р Е Н А Н О
17
Чему учат нанотехнологов?
РГТУ им. К.Э. Циолковского известен больше по своей старой аббревиатуре – МАТИ, или Московский авиационно-технологический институт.
Тематика некоторых кафедр связана с нанотехнологиями, и сотрудники института занимались ими в то время, когда и термина такого еще
не было. Однако найти человека в МАТИ, который бы захотел рассказать об учебной программе по нанотехнологии, оказалось непросто –
это направление появилось здесь всего два года назад. «Поговорите
со Слепцовым, – посоветовал мне один преподаватель. – Он в этом разбирается». Так я оказался в старом здании института на Таганке, в кабинете заведующего кафедрой «Наукоемкие технологии радиоэлектроники» факультета «Информационные системы и технологии».
Владимир Владимирович, на вашей кафедре есть специальность
«нанотехнологии»?
— Как отдельное направление у нас эта тематика не выделена.
Мы готовим по направлению проектирования и технологии
радиоэлектронных устройств. И уже лет пять читаем своим
студентам и магистрам курс по нанотехнологиям.
Чем этот курс отличается от курса с таким же названием на кафедре
«Технология обработки материалов потоками высоких энергий»?
— Базовые дисциплины, то есть физико-химические основы нанотехнологий, одни и те же, различаются специальные
дисциплины прикладного характера. На кафедре «ТОМПВЭ»
занимаются созданием корпусных деталей самолетов и авиационных газотурбинных двигателей. Мы же сосредоточены
на технике приема и обработки сигналов, СВЧ-технике, телекоммуникационной технике, цифровой обработке сигналов,
датчиках первичного приема сигналов.
18
Владимир Слепцов:
«Мы будем готовить магистров
с узкой специализацией»
Где ваши студенты проходят практику?
— Чаще всего на предприятиях электронной промышленности
и на кафедре. Нашу кафедру считают ведущей в области создания малошумящих приемных устройств в СВЧ-диапазоне.
У нас есть собственное производство СВЧ-техники, серьезные
заказчики и партнеры, занимающиеся космической техникой,
спецтехникой, среди которых Лианозовский электромеханический завод, ОКБ МЭИ, концерн «ВЕГА», институт Минца, ФГУП «Центр Келдыша». Наши выпускники уже создают
собственные предприятия в области радиоэлектроники.
На кафедре создана лаборатория «Нанотехнологии». Есть ли
там необходимое оборудование для обучения студентов –
сканирующий зондовый, атомно-силовой микроскопы?
— Сканирующий зондовый и атомно-силовые микроскопы
находятся в филиале нашей кафедры в НИИ вакуумной техники им. С.А. Векшинского. Там работают преподаватели и
В М И Р Е Н А Н О | № 3 2 0 10 | W W W. N A N O R F. R U
Argonne National Laboratory
ИНТЕРВЬЮ
ОБРАЗОВАНИЕ
W W W. N A N O R F. R U | № 3 2 0 10 | В М И Р Е Н А Н О
Студенты учатся
создавать элементы
для электроники на комплексе
«НаноФаб100»
Игнат Соловей
студенты кафедры, они знакомятся с этой техникой на лабораторных или научно-исследовательских работах. Эта техника помогает нам увидеть материалы и покрытия, которые мы
создаем на кафедре. Здесь у нас есть набор вакуумного технологического оборудования для синтеза покрытий толщиной
до 10 нанометров. Это двумерные и одномерные структуры,
монослои. Также разработаны технологии формирования
нанокластеров, которые изучают у нас студенты, и некоторые
даже работают в этой лаборатории. Проблема оборудования
стоит наиболее остро. Оно дорогое, и покупать его для одной
кафедры не представляется возможным. Выгоднее использовать центры коллективного пользования – там проводить
исследования могут сотрудники различных организаций. Мы
взаимодействуем с ЦКП в МИСиС. Возможно, в Дубне будет
такой центр. И поскольку оборудования все равно не хватает
в ЦКП для каждого студента, то, скорее всего, магистерскую
подготовку они будут проходить и на кафедре, и на базовых
предприятиях.
Какие научные задачи смогут решать выпускники кафедры?
— Наша главная цель – научить их создавать передовые технологии и устройства в области радиоэлектроники. Для примера:
мощность мобильного телефона – доли ватта. Это серьезная
мощность, которая может в некоторых случаях даже повредить
здоровью, особенно ребенка. Наши специалисты обеспечивают уверенный прием сигнала на несколько порядков, в некоторых случаях до 105 раз меньше, чем в мобильном телефоне.
Эта задача актуальна как для бытовых целей, так и для развития
глобальной системы космической связи и цифровой обработки
информации. Если бы мы в 10−20 раз снизили энергопотребление и уровень сигнала наших мобильных телефонов, представляете, насколько меньше было бы СВЧ-излучение вокруг
нас? Опять же, с увеличением количества работающих точек
просто необходимо снижать уровень сигнала, иначе мощности
не хватит, и будет слишком много помех для окружающей электроники, людей и т.д. Поскольку беспроводные системы связи
будут развиваться, эта задача требует решения. Ее курирует на
кафедре профессор Александр Иванович Кирпиченков.
Как нанотехнологии помогают снизить уровень СВЧ-сигнала?
— Нанотехнологии в разы снижают габаритные размеры изделия, используют новые принципы создания СВЧтранзисторов, что позволяет повысить чувствительность
и снизить уровень рабочих сигналов.
Вторая задача, над которой мы работаем, – это локальные
накопители энергии. С Роснано у нас есть такой проект: «Организация производства сверхъемких электролитических конденсаторов (СЭК) на базе наноструктурированных электродных материалов для радиоэлектроники и энергетики». НТС
он прошел в конце 2009 г., ведущие организации – МАТИ,
МИСиС, ООО «Восток». Ноутбук работает на литиевых батареях 2–3 часа, а хочется, чтобы неделю. Так вот, мы делаем
такие конденсаторы, которые накапливают энергию в двойном
электрическом слое и позволяют работать ноутбуку несколько
дней. Такие локальные источники питания, которые работают
недели, месяцы, а лучше – годы, требуются как для хранения и
передачи информации в радиоэлектронике, так и в энергетике,
машиностроении. Накопители электрической энергии используются в электромобилях и другой технике.
От этих источников питания работают детекторы, которые
собирают информацию. Детекторы также беспроводные, и с
ними связан еще один наш проект.
Суть его состоит в том, чтобы создать беспроводные датчики на основе наноструктурированных материалов. Допустим, у пилота самолета или машиниста поезда начался сердечный приступ, и датчик, закрепленный на его руке в виде
браслета, сразу передаст информацию в центр управления,
что нужна помощь. Областей применения беспроводных
датчиков все больше – датчики пожарной безопасности,
состояния двигателя, элементов фюзеляжа, изменений
полетных условий для самолетов. Изменяется окружающая
среда – изменяется геометрия планера, а информация об
изменении идет через датчики.
Например, обычные датчики пожара сигнализируют: «Ау,
караул, горим». Но, когда горишь, уже поздно что-то делать.
Нужны детекторы, которые скажут: «Осторожно, через 20
минут загоримся. Примите меры». А лучше через 30 минут.
Сейчас мы разрабатываем такую систему датчиков. Это
направление работы ведут профессор Александр Михайлович Баранов и Алексей Владимирович Савкин.
Есть у нас направление, связанное с медициной. Микроэлектроника и медицина – вроде бы вещи разные, но это
не так. Когда я начинал свою деятельность в микроэлектронике, то многое делалось для медицины. Сейчас есть
масса радиоэлектронных систем и устройств, которые
обеспечивают и поддерживают наше с вами здоровье. Мы
работаем над различными биоцидными, биосовместимыми материалами. Например, создаем низкотемпературные
стерилизаторы нового поколения, безмутагенные биоцидные материалы, лекарства для животных, средства личной
гигиены и многое другое.
Для работы над этими задачами мы и учим наших магистров нанотехнологиям.
Где работают магистры, которые прослушали курс по нанотехнологиям? Что думают о них работодатели?
— Чем шире специализация, тем больше недовольства выражают работодатели. Их не устраивает, когда мы говорим:
«Подучится и года через 2–3 он станет у вас классным специалистом». Им нужен сразу готовый специалист, и желательно, чтобы последние год–два он учился и работал на
предприятии. Бизнес требует, чтобы специалист минимальное количество времени тратил на достижение определенных высот в специальности – это приводит к ее узости. И мы
будем удовлетворять такие запросы и выпускать магистров с
узкой специализацией.
В настоящее время мы работаем не только с отдельными предприятиями типа ЗАО «Предприятие Остек», но и с
Ассоциацией производителей электронной аппаратуры и
приборов, где представлены более 50 предприятий радиоэлектронной отрасли.
Ребят, которые уже сориентировались, будем учить под
задачи конкретного предприятия. Магистратура это сделать
позволяет, потому что мы набираем в нее 5–7 человек, и это
позволяет готовить их узконаправленно – каждому подобрать
специализацию по душе. Но есть и те, кто хочет стать ученым
или преподавателем – им будем обеспечивать более широкую
подготовку.
Беседовал Евгений Ануфриев,
«Российские нанотехнологии», № 1-2, 2010 г.
19
ИНТЕРВЬЮ
«Специалисты в области нано должны стоить очень дорого»
Специальность «наноматериалы» появилась в Московском энергетическом институте в 2004 году.
Ее закрепили за кафедрой низких температур Института тепловой и атомной энергетики при МЭИ.
В будущем году состоится первый выпуск специалистов-нанотехнологов. О том, где будут работать
выпускники, корреспонденту РН рассказал заведующий кафедрой д.т.н., профессор А.С. Дмитриев.
МЭИ
Александр Сергеевич, какие предметы изучают студенты,
Во-вторых, стране нужны специалисты для разработки
выбравшие специальность «наноматериалы»?
проектов в области нанотехнологий. К этой работе инжеС 2003 года в России действует экспериментальная програмнеры МЭИ, да и других вузов, не готовы вообще, поэтому
ма по нанотехнологиям и наноматериалам. По ней мы сейнаша кафедра обязательно будет половину студентов обучас и учим студентов нашего института. В программе есть
чать технологическому менеджменту в области наноиндублок базовых дисциплин, которые изучают все студенты
стрии. Эти специалисты придут на работу в РОСНАНО,
нашей кафедры, примерно до третьего курРоснауку и крупные коммерческие компании.
са, а также блок специализированных дисциВ США спрос на выпускников, специализиплин. В базовый блок входят курсы по физирующихся в области нано, возрос за последке, химии наноматериалов; квантовой оптике,
ние 5 лет примерно в 10 раз. Возможно, у нас
электронике, механике; методам и приборам
такого прогресса не будет, но в 3−5 раз спрос
для исследования наноматериалов; гидродивозрастет в ближайшие годы. Сейчас многим
намике и процессам на поверхности. Специанашим компаниям и крупным корпорацилизированные дисциплины – это компьютерям, которые хотели бы заниматься нанотехное и численное моделирование наноструктур,
нологиями, не хватает специалистов. Такие
физические основы нанотехнологий, тепловые
сотрудники должны стоить очень дорого,
процессы в наноструктурах и курс, который
иначе на их места придут полуобразованные
называется экономические и технологические
и непрофессиональные люди, и наша наноперспективы нанотехнологий. Эти курсы читаиндустрия не станет развиваться, как это проют специалисты РАН.
исходит уже который год. Например, выпускОдновременно со специальностью «наноматериаПрофессор МЭИ Александр ники Венского или Мюнхенского универсилы» в МЭИ открыли Наноцентр. Какие возможДмитриев учит студентов тех- тетов, специализирующиеся в области наноности он дает студентам?
нологическому менеджменту технологий, получают от 40 тысяч евро в год.
в области наноиндустрии Я считаю, что зарплата специалистов в РосНаноцентр – это наша гордость. Он оснащен
по последнему слову техники. В нем есть пять
сии должна быть соизмерима с этой суммой.
атомно-силовых микроскопов NanoEducator, машина Ntegra
У нашего нанотехнологического образования есть, однадля туннельной микроскопии с блоком электрохимических
ко, два недостатка, которые мешают оценивать нынешних
и тепловых ячеек, а также оптоэлектронный микроскоп
выпускников так высоко.
Phenom. Эти приборы позволяют студентам знакомиться с
Первый недостаток происходит из-за слабой подготовметодами изучения поверхности и наноразмерных струкки по метрологии. Мы только начинаем осваивать наши
тур. Кроме того, есть установка, где ребята готовят образцы
способности работать руками, делать серьезные эксперииз разных материалов – диэлектрические, металлические,
менты. Я надеюсь, что после трех лет освоения базовых
покрытые тонкими и сверхтонкими пленками. Сейчас мы
курсов и практики на современном учебном оборудовании
отлаживаем ПЭМ – новейший швейцарский электронный
наши студенты достигнут уровня, достаточного для того,
микроскоп с рентгеновской головкой. У нас находится единчтобы стажироваться в Европе, США и Юго-Восточной
ственная пока в Европе установка для исследований при
Азии. Чтобы приобрести экспериментальный опыт, необпомощи поверхностной фотоэлектронной микроскопии. Эта
ходим студенческий обмен с иностранными вузами, работа
технология – альтернативная рентгеновской спектроскопии,
в международных проектах.
которая слишком сложна для студентов.
Второй недостаток связан с тем, что молодых российских
Где ваши студенты проходят практику?
специалистов по нанотехнологиям за рубежом знают мало.
Студенты практикуются на нашей кафедре низких темпераПубликаций наших будущих выпускников в западных научтур, в Наноцентре, в РНИИ КП, Институте общей физики
ных журналах совершенно недостаточно, чтобы приобрести
им. А.М. Прохорова РАН, Институте общей и неорганичеизвестность. Число публикаций по нано, принадлежащих
ской химии им. Н.С. Курнакова РАН, Институте физической
ученым из Китая, за пять лет возросло в 40 раз. Я не говорю,
химии РАН. Группа наших студентов также проходит практику
что мы должны их догнать, – это невозможно, нас все-таки
в Российском государственном медицинском университете.
гораздо меньше, – но нам надо публиковаться за рубежом
Куда пойдут работать ваши выпускники? Где их ждут? Каков
вдвое чаще, чем сейчас.
рынок труда для таких специалистов?
После того как мы преодолеем эти два недостатка, можХорошие вопросы. Обращу внимание на два условия, опрено будет говорить о повышении стоимости наших специалиделяющих ситуацию на рынке труда для наших специалистов на рынке труда. По моим подсчетам, энергетике через
стов. Во-первых, я считаю, что в России пока нет собственно
пять лет потребуется примерно в 10 раз больше специалинанотехнологий, есть наноисследования. Кроме того, наша
стов, которые специализируются в области наноэнергетики
индустрия совершенно не готова внедрять нанотехнологии наноматериалов, чем требуется сейчас.
ческие разработки. За исключением нескольких показательных вещей, которые регулярно демонстрируют на различных
Беседовала Алиса Миронова,
выставках, – здесь мы большие мастера!
«Российские нанотехнологии», № 11-12, 2009 г.
20
В М И Р Е Н А Н О | № 3 2 0 10 | W W W. N A N O R F. R U
ОБРАЗОВАНИЕ
Вузы, готовящие по специальности
«нанотехнологии в электронике»:
Deslizate Naranja
Перечень вузов,
осуществляющих
подготовку
специалистовнанотехнологов
Московский государственный институт электронной техники
(технического университета)
Новосибирский государственный технический университет
Санкт-Петербургский государственный электротехнический
университет «ЛЭТИ»
Воронежский государственный университет
Московский государственный институт радиотехники,
электроники и автоматики (технический университет)
Северо-Кавказский государственный технический
университет
Нижегородский государственный университет
им. Н.И. Лобачевского
Московский инженерно-физический институт
Таганрогский государственный радиотехнический
университет
Вузы, готовящие по направлению
«нанотехнология» (бакалавры и магистры):
Воронежский государственный университет (ВГУ)
Кабардино-Балкарский государственный университет
(КБГУ)
Московская государственная академия тонкой химической
технологии (МИТХ)
Московский государственный институт радиотехники,
электроники и автоматики (МИРЭА)
Московский государственный институт стали и сплавов
(МИСиС)
Московский государственный институт электронной техники
(МИЭТ)
Кабардино-Балкарский государственный университет
Московский государственный институт электроники
и математики (МИЭМ)
Московский государственный технический университет
им. Н.Э. Баумана
Московский государственный технический университет
(МГТУ)
Саратовский государственный университет
Московский энергетический институт (МЭИ)
Вузы, готовящие по специальности
«наноматериалы»:
Московская государственная академия тонкой химической
технологии им. М.В. Ломоносова (МИТХТ)
Московский государственный институт стали и сплавов
(МИСиС)
Московский государственный технический университет
(МГТУ)
Московский инженерно-физический институт (МИФИ)
Российский химико-технологический университет
им. Д.И. Менделеева (РХТУ)
Санкт-Петербургский государственный политехнический
университет (СпбГТУ)
Московский энергетический институт (МЭИ)
Белгородский государственный университет (БелГУ)
W W W. N A N O R F. R U | № 3 2 0 10 | В М И Р Е Н А Н О
Нижегородский государственный университет (ННГУ)
Новосибирский государственный технический университет
(НГТУ)
Новгородский государственный университет (НГУ)
Российский химико-технологический университет (РХТУ)
Ростовский государственный университет (РГУ)
Санкт-Петербургский государственный политехнический
университет (СПбГТУ)
Санкт-Петербургский государственный электротехнический
университет (ЛЭТИ)
Саратовский государственный университет (СГУ)
Северо-Кавказский государственный технический
университет (СКГТУ)
Таганрогский государственный радиотехнический
университет (ТГРТУ)
21
НОЦ
Романтика бетона
Недавно на базе кафедр Московского государственного строительного
университета (МГСУ)* сформировали Научно-образовательный центр –
НОЦ – по нанотехнологиям. Зачем нужен строительный НОЦ и что
же такое «нанобетон», выяснила корреспондент РН Ольга Баклицкая
в беседе с Юрием Баженовым, научным руководителем Центра.
Юрий Михайлович, зачем в МГСУ появился нанотехнологический НОЦ, какие
он будет решать задачи?
– Нанотехнологиями в строительстве
в нашем университете мы занимаемся,
собственно, давно, причем по самым
разным направлениям. Центр образовался не в безвоздушном пространстве,
он базируется на кафедрах, на научноиспытательном центре коллективного пользования, на фундаментальных
исследованиях, которые мы проводим
уже много лет. Его главные задачи –
координирование и организация научноисследовательских работ по нанотехнологиям и наноматериалам в области
строительства по всей стране. Это создание общедоступной материальнотехнической базы коллективного пользования для проведения научных исследований, формирование открытой
научно-образовательной сети в области
строительства. Мы готовы обеспечить
информацией ученых, преподавателей
и студентов, а также все заинтересованные предприятия и организации, дать им
возможность обмениваться информацией, выступать на конференциях, мастерклассах и круглых столах.
В задачи Центра входит выполнение
не только научных и образовательных
задач, но исследования, инженернотехническая деятельность. Для этого мы
привлекаем ведущих ученых и специалистов из российских и зарубежных организаций, в том числе на федеральном
и региональном уровнях. В ближайшее
время, например, мы организуем мастеркласс по высокопрочным и ультравысокопрочным бетонам, который проведет
профессор Дрезденского технического
университета Виктор Мещерин.
Мы издаем книги и статьи по теме,
сотрудничаем с Российской академией архитектуры и строительных наук
(РААСН), при Центре создан научный
совет «Нанотехнологии в строительстве»
академии и нашего университета. Достаточно сказать, что в планах академии в
2009 году стоит восемь нанотехнологи-
ческих тем, которые выполняются в различных регионах. В марте в Белгороде
стартуют академические чтения РААСН
по проблемам применения нанотехнологий в строительном материаловедении.
В апреле в Казани с участием МГСУ проводятся XIV академические чтения по
строительному материаловедению, где
будут рассматриваться вопросы модернизации строительной индустрии, в том
числе с помощью нанотехнологий.
Кроме того, в НОЦ готовят специальные курсы и практикумы по фундаментальной, прикладной и инженерной науке для подготовки студентов, магистров
и аспирантов.
Исследовательская деятельность и
конструкторские разработки в данной
области невозможны без участия как специалистов узкого профиля из строительной науки, так и профессионалов с широким кругозором и знаниями из области
математики, физики и механики, химии и
материаловедения, компьютерных наук.
Каких специалистов вы привлекаете для
работы в НОЦ?
– Действительно, мы активно развиваем
межвузовское научно-образовательное
сотрудничество в рамках Ассоциации
строительных вузов, а также других технических и классических университетов. НОЦ координирует работу в этой
области примерно десяти университетов
только строительного профиля, а также
подразделений университетов, которые
занимаются нанотехнологиями или, во
всяком случае, их применением.
Собственных сотрудников у Центра
практически нет, к работе мы привлекаем специалистов узкого и широкого
профиля из МГСУ и других вузов, в том
числе региональных, которые входят
в Совет НОЦ. Как правило, это академики, которые приезжают к нам и дают
мастер-классы.
На каком оборудовании работают
студенты?
– У нас давно работает своя мощная
исследовательская, испытательная
лаборатория, которую мы стараемся
Юрий Баженов – заведующий кафедрой
технологии вяжущих веществ и бетона МГСУ,
президент Ассоциации ученых и специалистов
в области строительного материаловедения,
академик РААСН, заслуженный деятель науки
РФ, доктор технических наук, профессор
насыщать разными приборами. Раньше под это выделяли финансирование,
которое, к сожалению, прекратилось.
Студенты и аспиранты изучают нанотехнологии с помощью сканирующего
электронного микроскопа, дифрактометров, приборов, работающих в разных
диапазонах, анализатора частиц и других.
На базе НОЦ, на современных суперкомпьютерах они будут моделировать
процессы, исследовать и прогнозировать структуры и свойства стройматериалов. Если мы раньше, например, для
изготовления бетона просто смешивали
составные части, то теперь надо заранее
рассчитать процессы с помощью компьютеров, нужны сложные приборы
для наблюдений. Поэтому мы активно
развиваем направление компьютерного проектирования материалов. Немецкие коллеги предложили нам открыть
совместный научно-образовательный
институт по материалам.
По каким программам учатся студенты?
Получат ли они дипломы нанотехнологов?
– Мы разработали учебно-методический комплект по дисциплине
«Основы нанотехнологий в строительстве». Несколько кафедр из МГСУ и
других институтов создали программы
по специализациям «Технология строительных наноматериалов» для специальности 270106 и «Безопасность строительных объектов наноиндустрии» для
специальности 270102.
Проблема в том, что о возможностях,
которые сулит использование нанотехнологий, мало что знают сами строители. Поэтому так важны подготовка и переподготовка
кадров, повышение их уровня, внедрение
новых компонентов в учебный процесс.
На Строительно-технологическом факультете МГСУ мы ввели специализацию по наноматериалам и нанотехнологиям в строительстве, по которой будем готовить специали-
* Включен в перечень инвестиционных объектов в рамках федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в
Российской Федерации на 2008–2010 годы».
22
В М И Р Е Н А Н О | № 3 2 0 10 | W W W. N A N O R F. R U
НОЦ
стов. Их ждут на предприятиях, заводах и в
строительных организациях, где начнут применять новые технологии. Во-вторых, ВАК
ввел научную специальность по отраслям
«Наноматериалы и нанотехнологии», куда
входит и строительство. Мы создали паспорт
специальности применительно к строительству и начинаем разрабатывать программы
для научных кадров по этой специальности. Мы сталкиваемся с некоторыми сложностями, потому что раньше у нас не было
специалистов, которые бы занимались этими направлениями. Конечно, хотелось бы
иметь отдельную специальность «Наноматериалы и нанотехнологии в строительстве», и
мы сейчас обсуждаем этот вопрос.
В дипломах студентов будут перечислены дисциплины по нанотехнологиям.
Хотя у нас есть аспиранты, изучающие
данную тематику, защит не было, так как
нет совета и целенаправленной аспирантуры по наноматериалам в строительстве.
Как нет и профессоров и докторов наук
по этому направлению в стране.
Насколько востребованы выпускники,
прослушавшие ваши новые курсы?
– Работодателям сегодня нужны хорошо
подготовленные специалисты. Но что
такое строительное материаловедение?
Это многоотраслевое направление.
И мы всегда готовили молодых специалистов по разным направлениям. Один
выпускник специализируется на цементах, второй занимается бетонами, третий — полимерами, четвертый идет на
теплоизоляцию. Раньше, когда студенты заканчивали изучать общие дисциплины, мы их готовили по выбранному
узкому направлению, которое они должны были знать лучше всех. Такие специалисты были крайне востребованы.
И сейчас у нас есть магистры и аспиранты, которые работают в области строительных нанотехнологий, по проблемам
пропитки бетонов, по вопросам новых
нанодобавок для бетонов. Но разделение
на бакалавриат и магистратуру разрушает созданную годами систему. Если раньше мы выдавали дипломы инженеров,
строителей-технологов, специалистов по
промышленно-гражданскому строительству, то сегодня это дипломы бакалавров
строительства. Вероятно, это допустимо
для гуманитариев, но в области строительства нужны хорошо подготовленные
специалисты, ведь в ней крайне важна
техника безопасности, и будущие дома
не должны разваливаться и взрываться...
В чем особенность применения нанотехнологий в строительстве?
– С одной стороны, нанотехнологии в
строительстве существовали давно, просто об этом не говорили и особенно не
использовали, с другой стороны, не было
технических возможностей для глубокоW W W. N A N O R F. R U | № 3 2 0 10 | В М И Р Е Н А Н О
го изучения процессов, которые происходят на наноуровне, для получения и
применения каких-то материалов. Когда
мы говорим о нанотехнологиях в строительстве, это не означает, что мы изготавливаем плиту целиком из наночастиц.
У нас в строительстве широко используются строительные композиты, мы их
называем бетонами гидратационного
твердения. Вяжущее вещество смешивается с водой и добавками и постепенно
твердеет. Полученная структура в процессе физико-химических воздействий изменяется, упрочняется, преобразуется, то
есть ведет себя почти как живой организм.
Одновременно идут процессы ее улучшения, но могут идти и, наоборот, процессы
разрушения. Здесь важную роль начинают
играть наноматериалы. Почему? Потому
что большинство процессов происходит
по поверхности твердых фаз – заполнителей, цементов, а на поверхностные явления наноматериалы могут оказывать значительное влияние. Добавив немного специально приготовленных наноматериалов,
мы получаем композиты с другими свойствами − с повышенной долговечностью,
морозостойкостью, прочностью. Ученые
сегодня разрабатывают разные структуры
таких добавок, которые позволяют подбирать нужные свойства бетонов. В частности, в сооружениях в Санкт-Петербурге
строители использовали пластификаторы
с фуллеренами в бетоне, за счет чего повысили эффективность добавок. Выпускают
нанокремнеземы и наносиликаты. Без
таких добавок сегодня не получить бетоны ультравысокой прочности.
За последние годы мы значительно продвинулись в этом направлении.
Пятьдесят лет назад лучшая марка бетонов имела прочность около 50 МПа.
Сегодня мы используем в строительстве более прочные бетоны, например,
Москва-Сити строили из бетона с прочностью около 100 МПа, но с обычными
добавками. Когда мы начинаем применять нанодобавки, то прочность бетонов
вырастает до 200 МПа, а у специальных
композитов – до 850 МПа, судя по лабораторным данным. Порошковые бетоны
с наноэлементами намного прочнее стали. За рубежом уже продают такие смеси
с прочностью в 250–300 МПа. Зачем же
нам такие прочные бетоны? С их помощью мы сможем заменить наши громоздкие железобетонные конструкции
на очень тонкие и даже ажурные, создать
новые формы сооружений, снизить вес и
уменьшить материалоемкость конструкций. Я думаю, что следующие поколения
конструкций будут гибридного типа, когда в одном материале содержатся разные
вещества − металл, бетон, полимеры с
различными нанодобавками.
Давайте представим, как выглядит наш
цементный камень с наноразмерными
элементами. Так называемый цементный
гель имеет размеры 5–8 нм, в процессе
твердения его структура укрупняется, но
появляются более крупные кристаллы.
Поэтому в технологии важны методы
активации материала, особенно на первой стадии. Надо постараться сохранить
в структуре наноразмерные элементы,
увеличить их количество – что улучшает
свойства материалов. Активация наноэлементов помогает более эффективно
управлять процессом создания материалов и конструкций.
Бетон – капиллярно-пористый материал. В его поры попадает вода и другие агрессивные вещества, что снижает
его долговечность. Поэтому еще одно из
направлений, которыми мы занимаемся, – пропитка бетонов. Его пористую
структуру мы заполняем другим материалом, например полимером, и получаем практически непроницаемый бетон
с высокой морозостойкостью. При этом
образуются фибры наноразмеров, которые
резко повышают прочность бетона. И если
бетон до пропитки обладал прочностью в
20 МПа, то после пропитки − 200 МПа.
Такая обработка, кроме того, защищает материал от агрессивного воздействия, позволяет получать большую гамму новых высокоэффективных материалов: электротехнических, декоративных
и специальных бетонов и композитов.
У нас производят такие бетоны?
– В ограниченных количествах.
Наши строители используют отечественные разработки, о которых Вы
рассказали?
– На практике, к сожалению, нам приходится догонять зарубежных коллег,
правда, не в теории. Зарубежные коллеги часто используют наши разработки и у себя их внедряют – в Германии,
Японии, США.
Насколько использование нанотехнологий удорожает процесс строительства?
– Напротив, даже удешевляет, потому что
резко снижается его материалоемкость.
Мы применяем более прочные материалы и можем уменьшить сечение конструкций, снизить объемы материалов.
Почему нас прельщают наноматериалы? Потому что мы их используем как
добавки в небольших количествах. Их не
надо производить сотнями тонн, как
цемент, щебень. Материалов мало, денег
не так много, а результат удивительный.
Поэтому нам очень интересно заниматься такими веществами.
Беседовала Ольга Баклицкая,
«Российские нанотехнологии»,
№ 1-2, 2010 г.
23
ТЕХНОЛОГИЯ
Людей древних эпох вдохновляли большие размеры.
Подтверждение тому — семь чудес света, которые все были
гигантскими сооружениями. С развитием науки и технологий человечеству открылась красота микромира.
Исследователи не просто вдохновляются секретами природы, но реализуют благодаря им прикладные задачи,
в частности, придают материалам совершенно уникальные свойства с помощью технологии наноимпринтинга.
Joannis Duran
Технологии
за семью нанопечатями
П
J. Dumond, H.Y. Low and I. Rodriguez
роизводство искусственных микроструктур стало воззрачная кварцевая печать, что дает возможность осуществлять
можным благодаря изобретению во второй половине пропроцесс «запечатления» (импринтинга) при комнатной темпешлого века техники фотолитографии. Эта магистральная
ратуре. Вследствие того что печать не может полностью вытестехнология дала начало бесчисленным полупроводниковым
нить полимер, его тонкий остаточный слой всегда остается
и электронным устройствам, значительно изменившим наш
между печатью и субстратом. В тех приложениях, для которых
образ жизни. Однако по мере того как тенденция к
наличие остаточного слоя нежелательно, он убирается
миниатюризации продолжала стимулировать разреактивным ионным травлением (РИТ). Конечно,
работку все новых поколений устройств, фотопечать для НИЛ должна быть предварительно
литография достигла естественного предела,
изготовлена каким-либо другим литографичеобусловленного дифракцией света. По анаским процессом. Однако как только она сделогии с фотолитографией были изобретелана, ее можно многократно использовать
ны новые методы, такие как литография
для воспроизведения рельефного рисунка
с освещением далеким ультрафиолетом
шаблона. Процесс НИЛ не требует никаи электронно-лучевая литография, котоких хрупких оптических элементов, поэторые позволяли создавать нанометровые
му оборудование для производства стоит
структуры. Однако эти методы чрезвына порядок меньше, чем в конкурентных
чайно дороги для использования в масметодах. Стоит также отметить, что НИЛ
совом производстве, тут необходим совербыла разработана как литографическая
шенно иной подход.
техника нового поколения, но она также
10 mм
Наноимпринт-литография (НИЛ) предшироко использовалась как метод создания
лагает необычную альтернативу для произсложных наноструктур на поверхности. ЧтоЧешуйки крыльев бабочки
водства наноструктур. Этот метод был разрабы отличить это конкретное приложение от
Ancyluris meliboeus
ботан около 15 лет назад и сегодня широко
литографического процесса, мы будем назыиспользуется как академическими учеными,
вать его технология наноимпринта.
Подобные структуры
так и в исследовательских центрах компаТехнологию наноимпринта совершенствуна поверхности поликарбоната
ний. В 2003 году Массачусетский технолоют ученые из Института исследования и техгический институт включил НИЛ в список
нологии материалов в Сингапуре, которые
десяти недавно появившихся технологий,
выявили, что напечатанные структуры могут
которые в будущем способны изменить мир.
быть гораздо более сложными, чем простая
Уже сегодня целый ряд компаний используреплика печати, и разработали уникальные
ет НИЛ в промышленном производстве.
процессы изготовления сложных трехмерКонцепция наноимпринтинга очень
ных микро- и наноструктур путем комбипроста и во многом напоминает классиченирования печатей с различным рисунком.
скую технику горячего тиснения полимеТак на поверхности кремния были получеров. Резист из термопластичного полимены структуры Т-образной формы из полира наносится на плоскую поверхность субметиметакрилата (ПММА), которые могут
страта и нагревается выше его температуры
быть использованы для разделения пиксестеклования (Тс). Затем сверху под давленилей в дисплеях нового поколения со сверхем опускается жесткая печать с микро- или
высоким разрешением. С помощью того же
наноразмерным рельефным рисунком. Образец
подхода были изготовлены и изолированные
1 mм
охлаждается ниже Тс полимера, после чего давление
запечатанные каналы из ПММА, которые находят
снимается. Подвергшаяся такому воздействию полиприменение в наножидкостных устройствах.
мерная пленка запечатлевает полную реплику печати. При другом подходе используются УФ-отверждающийся резист и проЗаписала Инесса Изделиева для STRF.ru
24
В М И Р Е Н А Н О | № 3 2 0 10 | W W W. N A N O R F. R U
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ
Компьютерная
визуализация
наноструктур
М.Н. Стриханов,
Н.Н. Дегтяренко,
В.В. Пилюгин,
Е.Е. Маликова,
Н.А. Матвеева,
В.Д. Аджиев*,
А.А. Пасько*
Национальный исследовательский ядерный университет
«МИФИ» (Россия);
*Британский национальный
центр компьютерной анимации
при университете Борнмута
(Великобритания)
На основе инструментальных программных средств (3ds Max,
Jmol и др.) российские и британские ученые разрабатывают прикладные программы визуализации наноструктур и нанообъектов
[1]
Графическое изображение изоповерхности поля параметра порядка (конфигураций вихрей Абрикосова)
в трехмерном сверхпроводнике 2-го рода
О
дин из современных эффективных
методов анализа научных данных −
компьютерная визуализация этих
данных, которую принято называть
научной визуализацией. Этот метод
состоит в том, что исходным анализируемым данным ставят в соответствие
то или иное их статическое или динамическое, пассивное или интерактивное графическое изображение. Его
визуально анализируют, а результаты
анализа интерпретируют по отношению к исходным данным. При этом
исходные данные могут быть различной природы. Различны могут быть и
сами задачи анализа исходных данных,
и используемые графические изображения [1, 2].
Научная визуализация, которая начиналась с простой визуализации функциональных зависимостей в виде графиков
и карт изолиний, сегодня использует
сложные методы объемной визуализации физических полей и компьютерной
анимации глобальных изменений во
Вселенной. Научную визуализацию применяют в различных разделах физики,
W W W. N A N O R F. R U | № 3 2 0 10 | В М И Р Е Н А Н О
[2]
Графическое изображение наноструктур витамина С
и фуллерена С60
медицинских исследованиях, геологии,
метеорологии и других областях [2, 3].
Научная визуализация, в частности,
находит применение при исследовании различных нанообъектов, которые
существенно отличны по свойствам от
более крупных объектов. Исследование
и моделирование наноструктур требует
визуализации атомов, пространственного распределения электронной плотности и молекулярных орбиталей в этих
структурах. Актуальна также визуализация различных скалярных и векторных
полей наноструктур [1].
В настоящее время работы в области
научной визуализации наноструктур
активно ведут как в России, так и за
рубежом. Примерами таких работ служит разработка учебно-методического
комплекса «Многомасштабное моделирование в нанотехнологиях» на базе
Центра фотохимии РАН [4], работы
по изучению и визуализации атомномолекулярных структур на базе НИВЦ
МГУ имени М.В. Ломоносова [5],
работы консорциума Interactive NanoVisualization in Science and Engineering
Education (IN-VSEE) [6], исследования на базе системы NanoManipulator,
проводимые в университете Северной
Каролины, США [7] и др.
Метод научной визуализации широко используют при проведении различных исследований в области компьютерного моделирования наноструктур
в Национальном исследовательском
ядерном университете МИФИ [3].
Работы по научной визуализации наноструктур ведут кафедра «Компьютерное
моделирование и физика наноструктур и сверхпроводников» совместно с
учебно-научной лабораторией «Научная визуализация» НИЯУ МИФИ.
В них также принимает участие Британский национальный центр компьютерной анимации.
Работы идут по четырем направлениям:
• разработка комплекса инструментальных программных средств научной визуализации;
• создание прикладных программ визуализации наноструктур с использованием этого комплекса;
25
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ
[3]
Графическое изображение
поля электронной плотности
нанообъекта Cl2O
• апробация прикладных программ
для визуализации результатов моделирования конфигурации наноструктур, полученных в процессе
оптимизации их геометрии в различных приближениях квантовомеханических расчетов;
• апробация прикладных программ
визуализации результатов моделирования наноструктурированных сверхпроводящих элементов.
КОМПЛЕКС ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ
ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ
НАУЧНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ
Комплекс включает в себя совокупность автономно и совместно используемых программных продуктов 3ds
Max, HyperFun, апплет Jmol, Cortona3D
Viewer и их функциональных расширений [3]. Инструментальные программные средства комплекса научной визуализации имеют широкие функциональные возможности, которые позволяют
создавать на их основе сложные прикладные программы для пассивной и
интерактивной визуализации.
ПРИКЛАДНЫЕ ПРОГРАММЫ
ВИЗУАЛИЗАЦИИ НАНОСТРУКТУР
Разработанные на базе инструментальных программных средств комплекса
прикладные программы визуализации
предназначены для решения различных
задач анализа исследуемых нанострук-
тур [3]. Среди них можно выделить три
типовые задачи анализа:
• взаимного расположения компонентов исследуемой наноструктуры;
• скалярных полей исследуемой наноструктуры;
• скалярных и векторных полей в наноструктурированных 2D и 3D сверхпроводниках.
Отметим, что ряд близких задач для
расчетов молекул и кластеров решают с
использованием программ Chemcraft [8].
Рассмотрим примеры прикладных
программ визуализации анализируемых
наноструктур.
АНИМАЦИОННАЯ ПРОГРАММА ВИЗУАЛИЗАЦИИ
ИЗОПОВЕРХНОСТИ ДЛЯ ПАРАМЕТРА ПОРЯДКА
ТРЕХМЕРНОГО СВЕРХПРОВОДНИКА 2-ГО РОДА
В качестве исходных данных в этой программе используют описание анализируемого поля параметра порядка сверхпроводника 2-го рода в формате TXTфайла (сверхпроводник моделируется с
помощью уравнений Гинзбурга-Ландау)
[3]. Результат работы программы визуализации – анимационное проекционное
графическое изображение изоповерхности поля (поверхность определяет положение и конфигурацию вихрей Абрикосова). Пример такого изображения
приведен на рис.1. При помощи этой
программы решают задачу анализа конфигураций вихрей Абрикосова в исследуемом трехмерном сверхпроводнике.
АНИМАЦИОННАЯ ПРОГРАММА
ОБЪЕМНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОННОЙ
ПЛОТНОСТИ НАНООБЪЕКТОВ CL2O
В качестве исходных данных в этой программе используют описание анализируемого поля электронной плотности
нанокластера Cl2O в формате TXT-файла
[3]. Результат работы программы визуализации − анимационное проекционное
графическое изображение совокупности
полупрозрачных изоповерхностей поля
(объемная визуализация). Пример такого изображения приведен на рис. 3. При
помощи этой программы решают задачу анализа поля электронной плотности
исследуемого нанокластера.
ПРОГРАММА ВИЗУАЛИЗАЦИИ
НАНООБЪЕКТОВ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ
В качестве исходных данных в этой
программе используют описание
исследуемого нанообъекта того или
иного типа, представленного в одном
из следующих форматов: XYZ, HIN,
OUT, MOL. Результат работы программы визуализации – интерактивное
проекционное графическое изображение визуализируемого нанообъекта [3].
Примеры таких изображений нанообъектов С60 и витамина С приведены на
рис. 2. Программа может также измерять расстояния между атомами, углы
между связями, строить гистограммы,
производить редактирование наноструктуры. При помощи этой программы можно решать задачу качественного
и количественного анализа взаимного
расположения атомов в исследуемой
наноструктуре.
Исходные данные в разработанных
прикладных программах визуализации
в виде XYZ, HIN, OUT, MOL, TXTфайлов − результат работы программ
компьютерного моделирования исследуемых наноструктур. В качестве примера таких программ можно упомянуть
широко известные HyperChem, Gamess
[9,10] и др., а также программы, написанные в НИЯУ МИФИ [3].
В настоящее время разработанные
прикладные программы визуализации
наноструктур объединены в библиотеку, доступ к которой можно получить, в
т.ч., через Интернет.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Мы планируем дальнейшее расширение комплекса инструментальных программных средств научной визуализации и библиотеки прикладных программ визуализации, использующих
этот комплекс. В отношении комплекса предполагаем функциональное расширение как существующих, так и создание новых его компонентов.
«Российские нанотехнологии»,
№ 5-6, 2010 г.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пасько А.А., Пилюгин В.В. Научная визуализация и ее применение в исследованиях наноструктур. // Rusnanotech. Международный форум
по нанотехнологиям. Сборник тезисов докладов научно-технических секций. 2008. М. С. 189−190.
2. Пилюгин В.В., Маликова Е.Е., Матвеева Н.А., Аджиев В.Д., Пасько А.А. Визуализация научных данных и ее применение в исследованиях
наноструктур. // Научная сессия МИФИ-2009. Сборник научных трудов. Т. I. НИЯУ МИФИ. М. С. 81−89.
3. Стриханов М.Н., Дегтяренко Н.Н., Пилюгин В.В., Маликова Е.Е., Матвеева Н.А.., Аджиев В.Д., Пасько А.А. Опыт визуализации наноструктур
в НИЯУ МИФИ. // Электронный журнал «Научная визуализация». V. 1. № 1. С. 1−18. http://sv-journal.com
4. Учебно-методический комплекс «Многомасштабное моделирование в нанотехнологиях» http://nanomodel.ru/
5. Жабин С.Н., Сулимов В.Б. Визуализация и редактирование молекул: программа Molred. // Электронный журнал «Научная визуализация».
V. 1. № 1. С. 108−114. http://sv-journal.com
6. Fourth Annual NSF Grant Progress Report, Center for Solid State Science, Arizona State University, 2000. http://invsee.asu.edu/invsee/invsee.htm
7. Nanomanipulator DP-100/20, http://www.3rdtech.com/NanoManipulator.htm
8. ChemCraft, http://www.chemcraftprog.com/about.html
9. Granovsky A.A., PC GAMESS version 7.0, http://classic.chem.msu.su/gran/gamess/index.html
10. Nemukhin A.V., Grigorenko B.L., Granovsky A.A.. Molecular modeling by using the PC GAMESS program: From diatomic molecules to enzymes,
Moscow University Chemistry Bulletin. 2004. Vol. 45. №2. P. 75.
26
В М И Р Е Н А Н О | № 3 2 0 10 | W W W. N A N O R F. R U
БОЛЬШАЯ НАУКА
XFEL:
DESY
стройка полным ходом
В
В конце 2009 года в Европе приступили к новому масштабному научному проекту – строительству рентгеновского лазера на свободных
электронах. Интересы России в проекте представляет «Роснано».
эпоху глобализации новый импульс для своего развития
получили научные исследования – благодаря появлению
масштабных наднациональных исследовательских проектов. Один из таких проектов – Большой адронный коллайдер (БАК) – приобрел благодаря СМИ поистине небывалую
известность. Газеты и журналы пестрели сообщениями о приближающемся конце света… о черных дырах, которые, якобы,
возникнут в ходе экспериментов на коллайдере и в которых
исчезнет весь окружающий нас мир.
А между тем в 2009 г. в окрестностях Гамбурга стартовал
новый международный проект: в знаменитом немецком
исследовательском центре DESY началось сооружение Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах,
или сокращенно XFEL. Это событие не удостоилось сенсационных заголовков в СМИ, несмотря на то что уровень этого
проекта вполне сопоставим с уровнем БАКа. Общая стоимость проекта (в ценах 2005 г.) составит 1.1 млрд евро. Протяженность туннеля, в котором будет располагаться ускоритель
электронов, которые и станут источниками рентгеновского
излучения, достигнет 3.4 километров; он будет проложен на
глубине от 6 до 38 метров. Строительство лазера предполагают завершить в 2014 г. и уже на 2016 г. запланированы первые эксперименты с пучками фотонов. В отличие от БАКа,
будущий лазер призван решать в первую очередь задачи материаловедения и биотехнологии; возможно, именно поэтому
журналисты и эксперты не связывают с началом его работы
каких-либо прогнозов апокалипсического характера. Проект
по сооружению рентгеновского лазера на свободных электронах уникален и с точки зрения российских национальных интересов – среди 13 стран − членов международного
консорциума Российская Федерация по своему финансовому
участию занимает в проекте второе место после Германии.
Более того, наша страна располагает блокирующим пакетом
в 23.6 % голосов (по соглашению участников консорциума,
решения по наиболее важным вопросам будет принимать
W W W. N A N O R F. R U | № 3 2 0 10 | В М И Р Е Н А Н О
квалифицированное большинство в 77 % голосов). Это означает, что российские физики смогут влиять на формирование
программы научных исследований, на распределение главного ресурса лазера – пучкового времени, на назначение и
отзыв директоров проекта и т.д. Организацией – участником
запуска проекта и обеспечения выполнения обязательств Российской Федерации определили ГК «Роснано».
Благодаря значительному вкладу в строительство лазера
наша страна получает также преимущественное право на размещение на отечественных предприятиях важнейших заказов,
связанных с реализацией проекта. Так, к настоящему времени
руководители проекта проявили заинтересованность в размещении на российских предприятиях заказов на изготовление фрагментов линейного ускорителя электронов, системы
охлаждения, систем диагностики пучка и т.д. Общая стоимость
заказов может достичь – в ценах 2005 г. – 100 млн евро.
Зачем же мировой науке понадобился рентгеновский лазер?
Чтобы ответить на это вопрос, обратимся к истории.
Как известно, «увидеть» детали небольшого по размерам
объекта можно только с помощью излучения малой длины
волны – она обязательно должна быть меньше размеров этого
самого объекта. Уже без малого столетие для этой цели используется рентгеновское излучение. Как самостоятельный раздел
физики рентгеновская кристаллография родилась в апреле
1912 г., когда в стенах Мюнхенского университета физик Макс
фон Лауэ (1879–1960) наблюдал дифракцию рентгеновских
лучей (открытых, напомним, в самом конце XIX столетия) на
кристаллах медного купороса. А в 1914 г. Лауэ за эту работу
была присуждена Нобелевская премия по физике.
Особое место в истории изучения строения вещества рентгеновскими лучами занимает сюжет, связанный с именем
английского ученого Розалин Франклин (1920–1958). В начале 1950-х Франклин удалось получить высококачественные
изображения молекулы ДНК в рентгеновских лучах. Морис
Уилкинс – руководитель лаборатории, в которой работала
27
DESY
DESY
БОЛЬШАЯ НАУКА
Исследовательский центр DESY в Гамбурге
На контрольно-измерительной станции DESY
идет эксперимент
Франклин, – не имея на то ее разрешения, открыл лабораторный сейф и показал полученные Франклин снимки Френсису Крику (1916–2004) и Джеймсу Уотсону (р. 1928). Как признавали Крик и Уотсон, именно изучение этих фотографий
стимулировало их построить трехмерную модель молекулы
ДНК – знаменитую двойную спираль.
Достаточно давно физикам стало ясно, что идеальным
инструментом исследования сверхмалых объектов мог бы
стать лазер, работающий в рентгеновском диапазоне. Рентгеновский лазер позволяет получить дифракционную картинку высокого разрешения при исследовании объектов
размером в нано- и микрометры — причем объектов, не
обладающих периодичностью кристаллической решетки.
Детальная дифракционная картинка позволит нам восстановить информацию о строении таких объектов, располагать же такой информацией крайне необходимо врачам,
биологам и материаловедам.
Отметим, что в 1980-е годы такие лазеры активно пытались
создать в разных странах. Эти усилия, однако, были связаны
не с рентгеновской кристаллографией, но с небезызвестной
программой звездных войн.
Особенность экспериментов с рентгеновским лазерным
излучением состоит в том, что с уменьшением длины волны автоматически растет энергия квантов этого излучения
и, соответственно, возрастает опасность «сжечь» изучаемый
объект в процессе самого исследования.
Еще в 2006 г. журнал Nature Physics online опубликовал результаты экспериментов, в ходе которых с помощью
импульсов длительностью в 25 фемтосекунд удалось получить изображение наноразмерного объекта. Это изображение
было восстановлено по дифракционной картинке, возникшей при рассеянии пучка фотонов рентгеновского диапазона
в течение первых 10 фемтосекунд с начала взаимодействия
излучения с объектом. За оставшиеся 15 фемтосекунд объект
превращался в плазму.
Недавно та же группа ученых опубликовала результаты еще
одного весьма многообещающего исследования. С помощью
фемтосекундного лазера физикам удалось получить голографическое изображение сверхкороткого процесса – взрыва субмикронного полистиролового шарика, длящегося всего несколько пикосекунд (10-12 с). Опыты проводились с лазером на длине волны 32 нм, но уже сейчас группа располагает лазерами с
длиной волны в 2 нм. Уменьшая при этом продолжительность
одного импульса до нескольких фемтосекунд (период колебаний отдельных атомов)¸ исследователи надеются увидеть в
недалеком будущем объемное изображение поведения отдель-
ных молекул. Это будущее они связывают с 2016 г., на который
запланированы первые эксперименты со строящимся прибором XFEL. Отметим также, что в 2008 г. группа американских и
японских исследователей получила рентгеновское изображение
вируса с рекордным разрешением 22 нм; их планы на будущее
связаны с получением более детальных снимков макромолекул,
и в том числе белковых комплексов. Они также с нетерпением
ждут начала экспериментов на новом лазере.
Конструктивно строящийся лазер будет состоять из нескольких основных блоков. В первом блоке электроны будут ускоряться до релятивистских скоростей, получая для этого энергию от микроволнового излучения. В «ускоряющем» блоке
будут использоваться сверхпроводящие контуры, охлаждаемые
до температур – 271 °С. Во втором блоке – так называемом
ондуляторе – поступившие из ускорительного блока электроны
попадут под воздействие магнитного поля особой конфигурации и, двигаясь по криволинейной траектории, станут источниками синхротронного излучения. Именно так будут формироваться «лучи» рентгеновского лазера на свободных электронах.
В третьем блоке будут размещены образцы для исследования.
Результаты взаимодействия рентгеновского излучения с этими
образцами будут фиксироваться специальными детекторами.
Как сообщается на официальном сайте проекта, лазер будет
уникален прежде всего «скоростью стрельбы» – 30 000 импульсов электромагнитного излучения в секунду не способен обеспечить ни один рентгеновский лазер в мире. Длительность
одного импульса не будет превышать 100 фемтосекунд, что
позволит детально исследовать процессы образования молекул,
при том что когерентность лазерного излучения будет достаточна для получения изображений объектов атомных размеров
в 3D-формате. Уникальной будет и светимость строящегося
лазера; ее пиковое значение будет в миллиард раз превышать
максимальную светимость обычных источников рентгеновского излучения. Светимость – одна из основных характеристик лазера, определяемая плотностью потока фотонов данной
энергии в единицу времени. Рабочим диапазоном лазера будет
интервал от 0.1 до 6 нм. Среднее значение светимости будет в
10 000 раз превышать светимость обычных источников.
Казалось бы, строящийся лазер предназначен исключительно для прикладных исследований. Однако его возможности
пригодятся и фундаментальной науке: исследуя процессы,
протекающие при экстремальных значениях внешних параметров, мы, к примеру, сможем лучше понимать физику процессов, протекающих в недрах планет Солнечной системы.
28
Борис Булюбаш
В М И Р Е Н А Н О | № 3 2 0 10 | W W W. N A N O R F. R U
ПРОЕКТ
Крепкий орешек
С
лово «алмаз» с древнегреческого
άδάμας переводится как «несокрушимый», и по-арабски оно же
означает «твердейший». Это самый
прочный в природе материал, который может сохраняться, не разрушаясь, сколько угодно долго. У него одни
из самых высоких среди минералов
показатель преломления и дисперсия,
поэтому при ярком освещении ограненный камень переливается всеми
цветами радуги.
Помимо прекрасных оптических
свойств, алмазы имеют рекордную среди
твердых тел теплопроводность, абсолютно устойчивы к агрессивной кислотной
и щелочной среде, рентгеновскому излучению и радиационному воздействию.
Ну и стоит упомянуть такую «мелочь»,
как самый низкий коэффициент трения с металлом, что делает алмазы идеальным режущим инструментом. Плюс
самый высокий среди всех имеющихся
на Земле материалов модуль упругости
и самый низкий коэффициент сжатия.
W W W. N A N O R F. R U | № 3 2 0 10 | В М И Р Е Н А Н О
Angela Ava
В ФГУ «Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов»
(ТИСНУМ), который
находится в Троицке,
нанотехнологиями
занимаются давно. Уже
около полутора десятков лет ученые выращивают здесь искусственные драгоценные
камни, которые охотно
раскупают исследовательские центры нанотехнологий по всему
миру. Наш корреспондент побывал на подмосковной «алмазной
ферме» и пообщался с
генеральным директором института Владимиром Бланком.
Уже сейчас алмазы используются практически во всех областях высоких технологий, и по всем прогнозам их роль
будет только возрастать.
МИНЕРАЛЫ ХХI ВЕКА
В России в области производства алмазов вне всякой конкуренции находится ФГУ ТИСНУМ. Только в прошлом
году, по словам генерального директора института, профессора, доктора
физико-математических наук Владимира Бланка, здесь вырастили алмазов
«порядка несколько тысяч карат». Если
говорить грубо, то по весу это получается около одного килограмма драгоценных камней высшей пробы − не у
всякого миллиардера найдется такая
большая «коллекция».
Владимир Давыдович, зачем нужны
искусственные алмазы? Разве ученым не
хватает природных? На планете ведь еще
немало месторождений, где их добывают
в большом количестве.
− В отличие от синтетических, ископаемые алмазы не представляют для
науки большой ценности. Во-первых,
в природе встречается весьма мало драгоценных камней с абсолютно идентичными физическими и прочими характеристиками. Например, у компании
«Де Бирс», которая была основана еще
в 1888 году в ЮАР и владеет половиной
мирового рынка добычи, обработки и
продажи этого минерала, существует классификация, по которой алмазы
делятся на 15 тысяч категорий. Можно
ли тут говорить о каком-то серийном
использовании этих камней для создания тех или иных приборов? Разумеется, нет. Каждый из них на выходе будет
выдавать разные данные.
Во-вторых, даже самый качественный
природный алмаз всегда имеет дефекты,
невидимые глазу. А это может сказаться
при экстремальных нагрузках, например,
если они используются в качестве основы
высокочувствительных датчиков температуры или ионизирующего излучения.
29
ПРОЕКТ
А в-третьих, ювелирные алмазы всегсоставе окружающей среды и темпеДля этого применяются камеры
да содержат различные примеси, которатуре около полутора тысяч градусов
высокого давления. Их сердцевину −
рые даже в малых количествах значипо Цельсию. Процесс это весьма длиреакционную ячейку наполняют катательно ухудшают их оптические свойтельный, но в лабораторных условиях
лизатором − особым сплавом металства. Обычно примешивается азот:
воспроизвести его (да еще и ускорить)
лов на основе железа. Среди добавок к
1 атом этого элемента на 1000−100 000
весьма сложно, но все-таки возможжелезу − металлы, которые поглощаатомов углерода. Мы же получаем
но. Еще в середине ХХ века ученые
ют примеси азота и кислорода. Сюда
монокристаллы, как миниже вводят высокочистый
мум в 10 раз более чистые.
графит и детонационный
Ученые Технологического института
Гордимся мы и тем, что
кристалл − затравку разсверхтвердых и новых углеродных
научились выращивать
мером 0.5—0.6 мм. Затравалмазы с определенной
ку, кстати, тоже делают в
материалов (ТИСНУМ) в Троицке уже
концентрацией примесей, в
ТИСНУМе.
зависимости от требований около полутора десятка лет выращиваВ камере поднимают давют искусственные драгоценные камни. ление до 5.5 ГПа и нагретой области промышленности, где они будут при- Подмосковные алмазы охотно раскупа- вают ее до 1300−1500 °С.
меняться.
Дальше начинается самое
ют ведущие исследовательские центры интересное: реакционная
Где же конкретно
ячейка устроена так, что
нанотехнологий по всему миру
они используются?
температура в ней не везде
− Это и их традиционное
одинакова. Графит нахоприменение в обрабатывающей проуже отлично справлялись с работой по
дится в самой горячей точке, а затравмышленности для шлифовки современсинтезу алмазов. Их получали в осока − в холодной. Первый начинает
ных сверхпрочных материалов, и радиобых камерах путем прямого фазового
растворяться в металле, и его атомы
оптика, и электроника. Из них изготавперехода из графита, используя энердиффундируют в зону с более прохладливают алмазные наковальни, позвогию взрывной волны, − чаще всего для
ной температурой, в итоге оседая на
ляющие вести исследования свойств
этого применяют тринитротолуол. Но
затравке. Все! Процесс контролирует
веществ и фазовых переходов в них при
такие монокристаллы алмаза (их еще
компьютер, а люди могут идти занисверхвысоких давлениях до 2.5 миллионазывают детонационными или взрывматься своими делами.
на атмосфер, оптические окна для мощными) получаются размером не более
Через 4−5 дней уже есть алмаз весом
ных лазеров, высокочувствительные
1 мм. И используют их до сих пор в
1 карат, а через три-четыре недели −
датчики температуры, ультрафиолетопромышленности лишь как порошок
5–6 карат.
вого, рентгеновского и радиационного
или абразивный материал. Заставить
Также в зависимости от предполагаизлучений, малоинерционные нагревакристаллы таким способом еще «подемого технического задания в металлтельные элементы, иглы для сканируюрасти» оказалось невозможно: увеликатализатор перед началом процесса
щих зондовых микроскопов.
чение в размерах резко сказывается на
вводят разные добавки, которые обеВесьма перспективно использование
их качестве. А сейчас промышленность
спечивают кристаллу нужные свойства.
алмазов для создания полупроводников
требует алмазы как минимум в 5−10
В институте − 26 установок, в котонового поколения. Кремниевый транраз крупнее.
рых ученые «взращивают» свою продукзистор даже при незначительном повыДля этого и был разработан «метод
цию. Пока возможный максимальный
шении температуры или радиационнотемпературного градиента», который
вес каждого камешка 5−6 карат.
го фона меняет свои характеристики и
сейчас с успехом используют в ТИСА недавно в институт впервые постутеряет способность качественно рабоНУМе.
пил заказ на кристаллы в 10 карат, так
тать. А мы создали алмазный датчик,
что некоторые из «инкубаторов» приизмеряющий с высокой точностью
дется переделывать. В год, как уже
температуру от –200 до +500 °С. Сто
упомянул Владимир Бланк, в ТИСХарактеристики алмазов,
очков вперед даст алмазный транзистор
НУМе можно вырастить алмазов на
производимых в ФГУ ТИСНУМ:
кремниевому при измерении радианесколько тысяч карат. По его словам,
ционного фона, что очень важно для
• размер до 8 мм;
пока лишь 15−20 процентов уходит на
датчиков, применяемых на атомных
• концентрация азота 0.5 –
внутренний рынок, остальное − эксэлектростанциях, реакторах подлодок
2.0 ppm;
порт. Основные покупатели − Япония,
и космических аппаратах. По разрабо• теплопроводность не менее
США, Западная Европа. Вся продуктанной в нашем институте технологии
2000 Вт/(м·К);
ция распределяется по институтам и
можно выращивать полупроводнико• диапазон оптической прозрачлабораториям, занимающимся исслевые монокристаллы p-типа с широким
ности от 225 нм до 25 мкм;
дованиями в области нанотехнологий,
диапазоном удельного электрическо• высокое совершенство критолько для использования ученыго сопротивления от 0.1 до 109 Ом·см.
сталлической структуры;
ми. Для модниц эти «драгоценности»
Область их применения с каждым
• низкая люминесценция (отнодороговаты, хотя и дешевле, чем пригодом расширяется.
шение интенсивности спектра
родные. Себестоимость производства
КРС второго порядка к люми5-каратового кристалла составляет
несцентному фону 15–30);
РАСТВОРЯЕМ ГРАФИТ В МЕТАЛЛЕ...
около $400 за карат, а его цена в розВ природе алмазы образуются в тол• удельное электрическое сопроницу − $4000–10 000 в зависимости от
ще земной коры на глубине в десятки
тивление выше 1012 Ом·см
заданных характеристик камня.
километров: при давлении в тысячи
атмосфер, определенном химическом
Андрей Моисеенко
30
В М И Р Е Н А Н О | № 3 2 0 10 | W W W. N A N O R F. R U
Angela Ava
Sony Electronics
Рынок
дисплеев
в ожидании
перемен
ОСИД
В
современном мире дисплеи и табло самого разного назначения окружают нас со всех сторон. Поэтому радикальные
изменения, назревающие в мире этих устройств, интересуют всех. Эти изменения связаны с появлением нового
поколения плоских дисплеев на базе органических светоизлучающих диодов (ОСИД или OLED – Organic Light Emitting
Diode), в основе которых лежит излучение света органическими электролюминесцентными материалами. Такие дисплеи представляют собой матрицу, состоящую из элементов,
которые светятся в различных участках видимого спектра при
прохождении через них электрического тока.
В настоящее время независимо развиваются два направления ОСИД-технологии, основанных на применении низкомолекулярных либо полимерных органических светоизлучающих материалов. Хотя последняя технология отстает в
своем развитии от технологии низкомолекулярных органических материалов на несколько лет, она в перспективе все же
является более простой и многообещающей. Обе технологии
относятся к сфере нанотехнологий, поскольку предполагают
использование нескольких слоев органических материалов
толщиной 1–50 нм различного функционального назначения.
На рис. 1 показан пример такой многослойной структуры.
Новые устройства обладают рядом потенциальных преимуществ по сравнению с жидкокристаллическими дисплеями.
Прежде всего, отпадает необходимость в подсветке экрана,
что сразу снижает вес и размеры изделий, а также энергозатраты – ведь фильтры жидкокристаллических дисплеев
поглощают до 70 % света. Гибкие полимерные ОСИД-экраны
могут производиться с помощью безвакуумной технологии
нанесения материалов на подложку методами струйной печати. Кроме того, новые экраны обладают высокой контрастностью и быстродействием, качественной цветопередачей, возможностью работы в широком температурном интервале.
Однако на практике все оказывается не так просто. Дело
в том, что схемы управления ОСИД-дисплеев токовые, в то
время как ЖК-дисплеи управляются потенциалом. Из-за
этого потери в схемах управления ОСИД-дисплеев значительно выше, особенно в случае экранов большого размера.
Правильная цветопередача тоже достается ОСИД-технологии
ценой больших усилий и затрат, поскольку подбор необходимых композитных материалов представляет собой достаточно
длительный и сложный процесс. Что касается температурного
интервала, то он может ограничиваться не только самими све-
W W W. N A N O R F. R U | № 3 2 0 10 | В М И Р Е Н А Н О
тодиодами, но и другими компонентами дисплейной системы.
Поэтому использование потенциальных преимуществ новых
технологий требует больших усилий. А ведь они обладают еще
и «врожденными» недостатками, главный из которых – деградация органических материалов, особенно быстрая в присутствии малейших примесей кислорода и паров воды.
По этим причинам, а также в связи с быстрым прогрессом
в области производства ЖК-экранов, ОСИД-технология при
сопоставимом качестве изделий оказывается пока дороже.
С этим связана некоторая задержка с массовым выходом
новой технологии на рынок. В последние годы даже наблюдалось некоторое снижение объемов продаж ОСИД-дисплеев,
а некоторые крупные фирмы-первопроходцы новой технологии ушли с рынка. Тем не менее большинство экспертов
склоняются к мнению, что радикальные изменения на рынке
дисплеев, связанные с ОСИД-технологиями, не отменяются,
а только задерживаются. И первый прорыв в области малоформатных дисплеев следует ожидать в ближайшие годы, ведь
уже в 2006 году 22 % МР3-плееров оснащались дисплеями,
произведенными с использованием этих технологий.
Научная мысль, как обычно, идет впереди технологии, и уже
разрабатываются ОСИД-экраны нового поколения. В первую
очередь здесь нужно упомянуть TOLED (Transparent OLED)
Рисунок 1. Типовая
многослойная
органическая
светоизлучающая
структура
31
ОСИД
Таблица 1 Характеристики полноцветного пассивно-матричного дисплея
1
Тип светоизлучающей матрицы
органическая
2
Рабочее поле дисплея, мм
28.78 х 23.024
3
Информационная емкость, (пиксель)
160 х 128
5
Размер пикселя, мкм
180 х 180
6
Яркость изображения фронтальная, кд/м2 *
не менее 100
7
Контраст внутренний
600 : 1
8
Угол обзора, град
160
9
Цветность
синий,
зеленый,
красный
10
Рабочее напряжение светодиодов, В
3–8
11
Диапазон рабочих температур, °С
−20 ... +55
технологию, позволяющую создавать прозрачные гибкие дисплеи с повышенным уровнем контрастности. В выключенном состоянии современные образцы таких дисплеев пропускают примерно 70 % света и поэтому со временем могут
использоваться для вывода информации на автомобильные и
оконные стекла, прозрачные щитки шлемов и даже обычные
очки. Кроме того, уже разработана так называемая «электронная бумага» – черно-белый дисплей толщиной менее 0.3 мм.
Она представляет собой тонкую стальную фольгу, на которую
нанесен слой, содержащий капсулы с красителем. Они выделяют белый или черный краситель в зависимости от полярности поданного на них управляющего напряжения.
Особенно впечатляют перспективы использования квантовых
точек в качестве структурных элементов дисплеев. Квантовые
точки – это наноразмерные островки одного полупроводника
на подложке из другого, которые представляют собой подобие
атома с дискретным спектром энергии электронов. Управлять
спектром их излучения можно просто изменяя их размер. Так,
например, излучение квантовых точек CdSe изменяет цвет от
красного к фиолетовому при уменьшении их размера от 5 до
1.5 нм. Такие мониторы позволят в полной мере использовать
преимущества люминесцентных экранов, в частности, на порядок повысить их яркость. Естественно, их серийное производство должно опираться на высокоразвитые нанотехнологии.
Возникает естественный вопрос: а как развиваются ОСИДтехнологии в нашей стране? Об этом шла речь на итоговой
конференции по результатам выполнения мероприятий ФЦП
«Исследования и разработки по приоритетным направлениям
развития научно-технологического комплекса России на 2007–
2012 годы», недавно прошедшей в РНЦ «Курчатовский Институт». Органическим светоизлучающим диодам был посвящен
доклад, представленный Главным конструктором ОАО ЦНИИ
«Циклон» Николаем Усовым. В нем продемонстрированы
результаты исследований различных органических электролю-
Фотография дисплея
на измерительной плате
минесцентных материалов, на основании которых были созданы светоизлучающие структуры синего, зеленого и красного
цвета свечения. В разработке и исследовании этих материалов
участвовали сотрудники целого ряда институтов: ОАО ЦНИИ
«Циклон», ИФХЭ им. Фрумкина РАН, ИПХФ РАН, ИВМС
РАН, Центра фотохимии РАН, ЗАО «Пола+». Формирование
органических слоев ОСИД-структур осуществляли методом
вакуумного термического напыления при давлениях менее 10-6
мм рт.ст. Нанесение всех слоев и герметизация ОСИД-структур
проводились в едином технологическом цикле в герметичных
боксах при содержании паров воды и кислорода не более 1 ррм.
Главным итогом работы явилось создание первого в России полноцветного ОСИД-дисплея, параметры которого
представлены в табл. 1. Учитывая, что для всех групп ОСИДустройств важна стойкость к внешним воздействующим факторам, дисплеи были подвергнуты механическим, климатическим и температурным испытаниям. Они показали, что приборы устойчиво работают в диапазоне температур от –20 до
+55 °С, при одиночных ударах до 150 g, вибрации в диапазоне
частот 10–55 Гц с многократными ударами до 10 g.
Задумываясь о перспективах этой разработки, можно предположить, что основные проблемы ее применения лежат не в области технологии, хотя она, конечно, тоже нуждается в усовершенствовании. Главное – это найти нишу на рынке новой продукции. Ведь в мире этой проблемой занимаются уже более 20 лет,
и многие ведущие фирмы – производители электроники вложили в разработку OLED-дисплеев миллиарды долларов. Поэтому
возникает естественное опасение – не утопит ли отечественную
разработку вал импортной продукции? Очевидно, она нуждается в государственной поддержке. Одним из возможных выходов
представляется использование разработки в приборах системы
ГЛОНАСС, основанной на отечественных технологиях.
К. ф-м. н. Александр Данилов
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
1. Усов Н.Н., Кондрацкий Б.А., Грачёв О.А., Стахарный С.А., Четверов Ю.С. // Разработка нового поколения систем визуального отображения
информации на основе органических электролюминесцентных материалов. Сборник тезисов Итоговой конференции по результатам выполнения мероприятий ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса
России на 2007–2012 годы». 2010. С. 50.
2. Самарин А.В. OLED-дисплеи: от мифов к реальности. // Современная электроника. 2006. № 1. С. 28.
32
В М И Р Е Н А Н О | № 3 2 0 10 | W W W. N A N O R F. R U
ПРОИЗВОДСТВО
Уральская кузница
высокопрочных металлов
С незапамятных времен
металлурги решают проблему
упрочнения металлов.
Все используемые ими
ранее методы приводили
к изменению структуры
металла в целом, но именно
сейчас активно заговорили
о наноструктурном упрочнении.
Можно подумать, что это дань
моде на нанотехнологии.
Однако принципиальное
отличие все же есть – сегодня
ученые могут конструировать
и контролировать структуру
металла на атомном уровне.
И главное – это неоспоримое
улучшение свойств металла.
С
реди основных направлений развития нанотехнологий в металлургии
можно отметить компактирование
нанопорошков, интенсивную пластическую деформацию металла, нанесение
упрочняющих металлических покрытий
и внесение наночастиц модификатора в исходный расплав. Поиск способов
упрочнения металлов идет в двух направлениях: технологии и материалы.
Суть наноструктурирования, о котором
идет речь в статье, можно представить как
плотное упаковывание. В результате количество объемных атомов, обладающих
повышенным запасом энергии, значительно возрастает над поверхностными. У таких
материалов увеличивается прочность, ударная вязкость, твердость, износостойкость.
ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ
Пластическая деформация нашла наибольшее применение в металлургии.
Суть ее в том, что слои материала под
давлением смещаются относительно
друг друга. Название «пластическая»
означает, что после снятия нагрузки тело
не восстанавливает первоначальную геометрическую форму и размеры.
Активную работу в области упрочнения металлов при пластической деформации ведет Институт физики металлов
УрО РАН. Здесь в лабораториях мехаW W W. N A N O R F. R U | № 3 2 0 10 | В М И Р Е Н А Н О
нических свойств и физики высоких
давлений впервые изучили механизм
деформации нанокристаллических сплавов и узнали, как получать материалы
максимальной прочности. Сотрудники
лабораторий изучали сплавы на основе
алюминия, меди, титана и железа, полученные способом интенсивной пластической деформации. Наномасштабной
структуры зерен удалось добиться только
после добавления в сплав небольших доз
(0.1 % вес.) примесей редкоземельных и
переходных металлов. При этом размер
зерен достигал менее 10 нм. «С уменьшением среднего размера зерна высокопрочного сплава меняется форма вершины микротрещины – из острой она
становится затупленной. Соответственно, трещине с закругленным концом
труднее развиваться. Для задержания
развития микротрещин следует создать
оптимальный размер зерен. Мы установили, что высокопрочное состояние реализуется при размерах зерен 40–60 нм.
Измерения показали, что в исходном
состоянии микротвердость сплавов не
ниже 7 ГПа, а в наноструктурном она
достигает уровня 16 ГПа», – сообщает
Нина Носкова (Чарикова), д. ф.-м. н.,
главный научный сотрудник лаборатории механических свойств Института
физики металлов УрО РАН.
В Институте машиноведения УрО
РАН также изучают интенсивную
поверхностную пластическую деформацию, а именно фрикционное упрочнение металлических поверхностей.
Фрикционную обработку (ФО) ведут
трением скольжения инденторов (твердых наконечников, вдавливаемых
в поверхность) из твердых сплавов,
Al2O3, инструментальной стали (рис. 1),
а также абразивных частиц. На образец одновременно действуют внешние
сжимающие и сдвиговые напряжения.
В результате слои с размером кристаллитов 5–100 нм образуются на поверхности практически любых металлов
и сплавов, включая высокопрочные
углеродистые (рис. 2), быстрорежущие
Рис. 1. Схема фрикционной обработки
полусферическим индентором
33
ПРОИЗВОДСТВО
Рисунок 2. Структура поверхностного
слоя закаленной высокоуглеродистой
стали У8 при фрикционной обработке
индентором из инструментальной стали
и цементированные стали. Специалисты лаборатории уже получили патент
на метод поверхностного фрикционного упрочнения стальных изделий.
В результате ФО стали в поверхностных
слоях образуется деформационно состаренный нанокристаллический мартенсит (структура, наблюдаемая в закаленных металлических сплавах). Таким
образом повышают твердость, теплостойкость и износостойкость металла.
«Данный метод – перспективный
способ наноструктурирования поверхностных слоев металлических материалов. Возможность применения к труднодеформируемым сплавам отличает
ФО от большинства других способов,
область применения которых ограничена пластичными материалами. Важно,
что метод применим к изделиям любых
размеров», – считает Алексей Макаров, к.т.н., заведующий лабораторией
конструкционного материаловедения
Института машиноведения УрО РАН.
НАНОПОРОШКИ ПОД ПРЕССОМ
Значительную роль в области обработки металлов играет порошковая металлургия. Она включает широкий набор
различных способов компактирования порошков, среди которых еще с
1960-х годов известен метод магнитоимпульсного прессования (МИП).
В 70-е и 80-е годы МИП успешно применяли для формования порошков с
размером частиц микронного диапазона. Применительно к наноразмерным порошкам данный метод начали
использовать с середины 90-х в Институте электрофизики УрО РАН. Оптимизацию технологии и оборудования там
выполняют под руководством чл.-корр.
РАН В.В. Иванова в лаборатории прикладной электродинамики. На сегодня
сотрудники лаборатории сумели получить высокоплотные цельные прессовки не только из металлических нанопорошков, но и из твердых оксидных.
34
Импульсное магнитное поле порождает силы, выталкивающие концентратор, который в свою очередь импульсно (от десятков микросекунд до десятков миллисекунд) прессует порошок в
пресс-форме. Интенсивное механическое воздействие приводит к плотному
упаковыванию частиц и их спеканию.
При ударно-волновом воздействии на
стадии сжатия могут появляться агломераты (неравномерное спекание порошка), а при разгрузке – микротрещины.
При «мягком», т.е. безударно-волновом
сжатии порошка, в частности МИП,
происходит плавное нарастание и спад
импульсного давления. При этом реализуется локальное механическиравновесное нагружение на масштабах,
много больших размеров частиц, что
обеспечивает однородность укладки и
исключает трещины.
В процессе импульсного уплотнения
порошков одновременно сжимаемый
и разогреваемый при этом воздух не
успевает выходить из объема прессформы и создает большие давления,
способствующие в итоге разрушению
прессовки. Адсорбированные вещества, количество которых в нанопорошках может достигать 3–5 % массы, аналогично создают разрушающее
давление. Поэтому желательно удалять
воздух при любых импульсных способах прессования. Для прессования
обычных микронных порошков применяли холодную (при комнатной температуре) вакуумную откачку. Технологическим нововведением лаборатории
прикладной электродинамики стала
процедура дегазации порошка перед
прессованием – удаление воздуха и
адсорбированных веществ с поверхности наночастиц, а также следующее за
прессованием проведение термического отпуска прессовки.
В результате прессования в объеме
компакта возникают внутренние механические напряжения, стремящиеся
его разрушить после разгрузки компакта – снятия прессующего давления или извлечения из геометрически
фиксированного объема. Величина
этих напряжений тем выше, чем выше
было значение приложенного давления. Существующий термин «перепрессовка» означает появление в компакте
трещин в результате действия внутренних напряжений. Эти трещины часто
образуются лишь на стадии спекания.
То есть существует некоторый уровень
плотности, выше которого невозможно
получить цельный компакт. Этот уровень определяют как свойства порошка (форма и размер частиц и агломератов, их пластичность, упругость и
Рисунок 3. Медаль из композита
на основе алюминия, полученная
магнито-импульсным прессованием, по
прочности сравнима со сталью
т.д.), так и форма прессуемого изделия. Но если оставить компакт после
снятия прессующего давления в фиксированном объеме, не давая возможности прессовке свободно расширяться, то последующий нагрев прессовки
в таком состоянии ведет к снижению
внутренних напряжений. Такую операцию проводят после закалки сталей и
называют ее отпуском. За счет отпуска
можно повысить уровень достигаемой
при прессовании плотности, конечно,
если позволяют прочностные характеристики пресс-инструмента.
«Две введенные нами операции, дегазация и отпуск, наряду с преимуществами МИП – «мягким», но быстрым
режимом уплотнения, адиабатическим
разогревом и интенсивной активацией,
позволяют получать высокоплотные
цельные прессовки из нанопорошков,
обеспечивающие при последующем
спекании синтез наноматериалов», –
подводит итог Сергей Паранин, к. ф.-м.
н., старший научный сотрудник лаборатории прикладной электродинамики.
Лабораторные исследования проводились с композитами на основе алюминия и железа. Плотность полученных металломатричных нанокомпозитов на основе алюминия, упрочненных
частицами Al2O3 (до 15 % массы) и SiC
(5 % массы), при характерном масштабе структуры порядка 50 нм достигала теоретического предела 2.73 г/см 3,
микротвердость составляла 3 ГПа, прочность на разрыв – 400 МПа, термостабильность – вплоть до 350 оС. Данные
показатели существенно превышают
характеристики традиционных промышленных алюминиевых сплавов при
повышенных температурах. На рис. 3
представлено фото медали из данного
материала, изготовленной при проведении совместных научных работ между
ИЭФ УрО РАН и Корейским исследовательским институтом атомной энергии
(Республика Корея). Получены образВ М И Р Е Н А Н О | № 3 2 0 10 | W W W. N A N O R F. R U
ПРОИЗВОДСТВО
цы керамики Al2O3 + MgAl2O4 и Al2O3 +
ZrO2 со средним размером кристаллитов 100–300 нм и относительной плотностью выше 0.97. Испытания на износостойкость в качестве защитных пластин шнеков центрифуг показали десятикратное превосходство над лучшей
микронной керамикой аналогичного
состава отечественного производства.
«В совместных работах с Физикотехническим институтом УрО РАН
(г. Ижевск) мы получили металломатричные нанокомпозиты на основе железа с добавками упрочняющих
частиц SiO 2, Al 2O 3, FeO, TiC и Fe 3C.
Например, компакты Fe-SiO2 при низкой плотности (2.3−3.8) г/cм 3 имеют
достаточно высокую микротвердость
(2.3−3.2 ГПа), хорошую пластичность
и абсолютную коррозионную устойчивостью за счет капсуляции частиц
железа в оболочку из силикатов. Компакты Fe−Fe3C при плотности 7.4 г/cм3
обладают высокой микротвердостью
(11 ГПа) и термостабильностью за
счет формирования регулярной сетки
цементита, стойкостью к локальным
видам коррозии и высокой электрокаталитической активностью», – рассказывает Сергей Паранин.
Пока установки для магнитноимпульсного прессования нанопорошков изготавливают только под заказ.
В частности, они уже поставлены в
Forschungszentrum Karlsruhe (Исследовательский центр, Карлсруэ, Германия),
KAERI (Корейский исследовательский
институт атомной энергии, Республика
Корея), а также в российскую компанию
ООО «ГринКоул Холдинг», Москва.
«Для внедрения в массовое производство нашего оборудования уже сделано
несколько шагов. Мы оптимизируем
генератор импульсного тока, что позволит уменьшить габаритные размеры
установки с сохранением технологических параметров. Уже отработали технологию изготовления «сердца» пресса –
индуктора – для увеличения ресурса до
нескольких тысяч импульсов», – рассказывает Александр Липилин, к.т.н.,
ведущий научный сотрудник лаборатории прикладной электродинамики.
нее воздействие изменением фазового состава. Адаптироваться к внешней
нагрузке сплаву позволяет метастабильная структура, которая получается в
результате необходимого соотношения
металла и добавок. «Добавляем такую
комбинацию обычных легирующих
элементов (в первую очередь марганца,
а также хрома и других), которые придают обычной стали новое свойство метастабильности. Такой материал реагирует на внешнюю нагрузку образованием
новой фазы – мартенсита, твердость
которой увеличивается в несколько раз.
Таким образом, при нагружении происходит самозакалка, образуется более
прочный панцирь, который изнашивается медленнее. Затем образуется новый
слой и так далее», – поясняет Михаил
Филиппов, д.т.н., с кафедры металловедения УГТУ-УПИ. В производстве
износостойкого оборудования, например на заводе «Уралмаш», этот эффект
применяют около двух десятков лет,
хотя основу этого современного и по сей
день направления заложил еще в 60-е
годы прошлого века профессор УГТУУПИ Иван Богачев, заведовавший в
1944−1970 гг. кафедрой металловедения
и термообработки.
«ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ» МАТЕРИАЛЫ
Для упрочнения металлов важна не
только технология, но и состав материала. Чаще применяют поверхностное
упрочнение, ведь любой инструмент
или деталь работает только поверхностью. На кафедре металловедения
Уральского государственного технического университета разрабатывают так
называемые «интеллектуальные» материалы, которые реагируют на внеш-
СЛОИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ
В Институте физики металлов УрО РАН
также ищут способы создать новые
высокопрочные материалы. В лабораториях механических свойств и физики
высоких давлений разрабатывают основы технологии создания высокопрочных
нанокристаллических слоистых композитных покрытий: алюминий-кремний,
сплав алюминия-кремний, железокремний, титан-кремний. Прочность
W W W. N A N O R F. R U | № 3 2 0 10 | В М И Р Е Н А Н О
Диагр. 1. Диаграмма изменения
микротвердости нанокристаллических
композитов (в интервале по оси абцисс:
<0–1> – Al-Si, <1–2> –Al(1Hf + 0,2Nb + 0,2Sn)-Si;
<2–3> – Al(0.5Ce + 0.5Re + 0.1Zr)-Si, (вес.%);
<3–4> – Ti-Si)
материала зависит от металлической
основы и количества чередующихся слоев, что видно из диаграммы (диагр. 1).
Как сказано выше, интенсивная пластическая деформация – наиболее распространенный метод доведения структуры металлов до наноразмерной. Однако для работы со слоистыми композитами такая технология непригодна, в связи с чем в Институте металлургии УрО
РАН начали работу по получению таких
материалов методом прокатки. Прокатка заключается в обжатии металла между
несколькими, как правило двумя, вращающимися в разные стороны валками.
«Нам удалось получить положительный
результат на примере слоистого композита системы железо-алюминий. Однако
используемый нами метод традиционной
прокатки, по нашему мнению, весьма
трудоемок и недостаточно эффективен.
В этой связи мы пришли к выводу, что
следует использовать прокатку с асимметричным очагом деформации (АОД).
Такие исследования в нашей стране не
проводят. Европейские же исследователи
показали, что прокатка с АОД для фрагментации структуры на 40–45 % эффективней традиционной», – сообщает Юрий
Концевой, старший научный сотрудник
лаборатории физической химии металлургических расплавов, к.т.н.
Со слоистыми высокопрочными материалами работает и предприятие ООО
«Турбомет», основанное на базе радиотехнического факультета УГТУ-УПИ. Инновационная технология зародилась в умах
сотрудников вуза, а когда она нашла свое
применение, то появилась и коммерческая организация. Суть технологии в том,
что на готовую деталь по всей поверхности циркуляционным газовым методом
наносят поочередно слои металлоксидной композиции и многофазного металла. Поверх такого защитного покрытия
наносят керамику Zr2О3. «Ресурс изделия, покрытого нашей защитой, увеличивается по крайней мере в 3 раза. И у
этого покрытия за весь ресурс нет дефектов, есть только определенный диффузионный обмен в этих слоях», – утверждает Владимир Лесников, д.т.н., директор
ООО «Турбомет». Жаростойкость таких
многослойных покрытий более 1000 °С,
что позволяет применять их в авиации
и энергетике. Они внедрены в серийное
производство авиационных и стационарных газотурбинных двигателей. Например, их использовали для двигателей
самолетов серии Sukhoi Superjet 100. «Уже
третий президент летает на этих покрытиях, и все в порядке», – шутит Владимир
Лесников.
Ирина Рахмеева
35
Нанотехнологии
способны значительно
повлиять на
развитие сельского
хозяйства и пищевой
промышленности,
считают
в палате лордов
Великобритании. Свое
видение ситуации
и рекомендации
правительству они
изложили в отчете
Nanotechnologies and
Food, опубликованном
в январе 2010 года.
Syngenta
ПРОБЛЕМА
Осторожно – еда!
Н
аселение нашей планеты составляет в настоящее время более шести миллиардов человек, причем половина проживает в Азии. Со временем в этом регионе остро встанет проблема обеспечить людей питанием. В
развивающихся странах, где не менее 60 % жителей работает в сельскохозяйственном секторе, проблема может
усугубляться неразвитой инфраструктурой и техникой, а
также политической нестабильностью. Развитые страны
пока не испытывают дефицита пищи, однако и там изменение приоритетов питания (потребление свежих овощей
и фруктов, внимание к экологичности продукции и их
влиянию на здоровье организма) приводит к значительному повышению нагрузки на сельское хозяйство. Например, перед кризисом 2008–2009 года пищевая промышленность Великобритании росла в среднем на 5.2 % в год,
существенно больше среднего роста ВВП в стране. Угрозы
голода и некачественной пищи заставляют внимательно
следить за инновациями в сельском хозяйстве и пищевой
промышленности.
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
В обозримом будущем основные направления инноваций в
сельском хозяйстве будут связаны с:
• созданием сетей наносенсоров в сельском хозяйстве с контролируемым состоянием окружающей среды;
• системами точечной доставки лекарственных препаратов,
схожих с разработанными для лечения человека;
• наноструктурированными катализаторами для лучшего
усвоения удобрений, а также повышения эффективности
пестицидов и гербицидов.
36
Использование альтернативных источников энергии,
применение фильтров и катализаторов, способствующих
очистке загрязнений различных типов, также улучшат экологическое состояние планеты и, соответственно, увеличат
ее биопродуктивность.
Необходимо отметить, что исследовательские программы, посвященные применению нанотехнологий в сельском хозяйстве, есть не только в развитых странах. Многие
развивающиеся государства, например Иран и Таиланд,
хоть и не ведут масштабных исследований, думают над
тем, как применить нанотехнологии для решения проблем
питания населения.
Идеология ведения сельского хозяйства в США, Европе и
Японии заключается в том, что окружающую среду, где выращивают урожай, можно контролировать. Среда эта создается
искусственно и изменяется с помощью компьютерной техники. Сенсоры, значительно меньшие по сравнению с современными образцами и, в перспективе, недорогие, могут значительно расширить возможности системы контроля, определяя локальные условия для роста растения. Использование
данных о развитии растений, влажности, состоянии почвы в
той или иной точке поля позволит осуществлять прецизионное ведение сельского хозяйства. Кроме того, такой подход
позволит свести к минимуму отходы производства и понизить
его себестоимость за счет более эффективного использования
гидроресурсов, удобрений, пестицидов. Фактически, речь
идет о мониторинге состояния каждого растения в режиме
реального времени с привязкой к системам GPS-навигации.
Система прецизионного ведения хозяйства уже нашла
свое применение на некоторых виноградниках США, наприВ М И Р Е Н А Н О | № 3 2 0 10 | W W W. N A N O R F. R U
ПРОБЛЕМА
www.sonomauncorked.com
На виноградниках Пикберри
в Калифорнии установлена система
прецизионного ведения хозяйства
мер в Пикберри в Калифорнии (Pickberry, Sonoma County)
и Австралии. Стоимость оборудования достаточно быстро
окупается значительным повышением качества винограда и
полученного из него вина.
Идеология использования систем точечной доставки химических препаратов в сельском хозяйстве схожа во многом с
медицинскими разработками при лечении различных заболеваний человека, в том числе рака. Применение различных
пестицидов может существенно повысить продуктивность
той или иной культуры, однако сами по себе такие вещества
весьма токсичны. Многие из них, например, широко используемый во второй половине XX века препарат ДДТ, запрещены к применению в большинстве стран.
Разработка систем инкапсуляции и контролируемого
высвобождения молекул полезного препарата способна произвести революцию в применении пестицидов и гербицидов
в сельском хозяйстве. Идея заключается в создании систем,
способных к контролируемому (медленному или быстрому)
высвобождению препарата при изменении внешних условий (температуры, влажности, химического состава) или под
действием внешнего стимула (магнитного поля, ультразвука
и т.п.). Уже сегодня многие компании выпускают суспензии
наночастиц на водной или масляной основе, содержащие
частицы пестицида или гербицида размером 200–400 нм.
Суспензии легко совместимы с различными типами несущих сред (гелями, кремами, жидкостями), их применяют для
решения широкого спектра профилактических и лечебных
задач, а также для сохранения урожая.
Яркий пример такой продукции выпускает одна из крупнейших агрохимических корпораций Syngenta: регулятор роста
Primo MAXX®, пестицид нового поколения Karate® ZEON,
применяемый для уничтожения личинок насекомых на рисовых, соевых, хлопковых, арахисовых полях, и представляющий собой микроинкапсулированный препарат λ-цихалотрин,
высвобождаемый только при контакте с щелочной средой
желудка насекомого. Подобные системы разрабатываются и
W W W. N A N O R F. R U | № 3 2 0 10 | В М И Р Е Н А Н О
другими корпорациями, среди которых такие гиганты, как
LG, BASF, Honeywell, Bayer, Mitsubishi, DuPont.
В частности, американская компания Argonide использует нановолокна оксида алюминия диаметром 2 нм (продукт
NanoCeram) в качестве рабочего элемента в системах ультратонкой очистки грунтовой воды, уничтожающих вирусные и
бактериальные загрязнители. Подобные продукты разработаны также в Индии, Южной Африке, России. Существенная
часть бюджета исследований компании BASF, выделенная на
нанотехнологии, также посвящена разработке систем очистки воды. Французская компания Generale des Eaux совместно
с Filmtec, дочерним предприятием корпорации Dow Chemical, создала собственную систему фильтрации. Надо упомянуть и продукт Nanocheck компании Altairnano, содержащий
наночастицы лантана, способные абсорбировать фосфаты
из водной среды. Его применение в прудах рыбных хозяйств
приводит к замедлению роста водорослей.
ПИЩЕВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
Применение нанотехнологий в пищевой промышленности
связано в первую очередь с:
• дизайном «интерактивных» пищевых продуктов;
• созданием «умных» упаковочных материалов;
• разработкой консервантов нового поколения.
Уже в самом ближайшем будущем потребители смогут
изменять вкус купленной пищи в зависимости от личных
предпочтений. Концепция изготовления таких интерактивных продуктов включает в себя их наполнение нанокапсулами, содержащими различные вкусовые и/или витаминные
добавки, высвобождаемые только по желанию потребителя.
Гиганты пищевой промышленности, такие как Nestle, Kraft,
Heinz, Unilever, развивают свои исследовательские программы с целью создать интерактивные продукты.
Другое направление работы с готовым пищевым продуктом – введение в него наночастиц, чтобы улучшить усвояемость. Ряд ведущих пекарен Западной Австралии добавляет
37
ПРОБЛЕМА
Syngenta
Компьютерные системы
контролируют состояние почвы
и окружающей среды, где
выращивают растения
Год назад комитет по науке и технике палаты лордов Великобритании поручил своим
членам изучить тему влияния нанотехнологий на нашу еду. Отчет комитета под названием
Nanotechnologies and Food увидел свет 8 января
2010 года. Ознакомиться с ним можно по ссылке
http://www.parliament.uk/parliamentary_committees/
lords_s_t_select/nanotechfood.cfm
Авторы отчета раскритиковали пищевую промышленность за скрытность и непрозрачность своих
данных в области нанотехнологий. Они также дали
правительству несколько рекомендаций, а именно:
• увеличить финансирование исследований по
безопасности еды и возможным рискам, связанным с применением нанотехнологий и наноматериалов;
• тщательно изучить, как влияют наноматериалы на
наше тело, особенно на пищеварительный тракт;
• агентство пищевых стандартов должно открыть
потребителям данные о наноматериалах в пище.
Для этого надо вести онлайн регистр такой еды
и упаковочных материалов. Авторы считают, что
такой регистр будет отражать реальную ситуацию
на рынке лучше, чем обязательная маркировка
еды словом «нано»;
• нужно дать четкие определения наноматериалов
и их свойств;
• пища с наноматериалами, не прошедшими проверку, может быть импортирована в страну,
например, через интернет-магазины. В связи с
этим соответствующие органы надо обеспечить
оборудованием для тестирования.
в хлебобулочные изделия крошечные капсулы, содержащие
тунцовый рыбий жир, богатый жирными кислотами омега-3.
Капсулы раскрываются только в желудке человека, что позволяет избежать неприятного вкуса при пережевывании пищи.
Израильская компания Nutralease использует метод самоорганизации жидкокристаллических структур для доставки питательных веществ. Специалисты компании получили мицеллярные частицы – сферические объекты, содержащие внутреннюю полость диаметром порядка 30 нм. Ликопен, бетакаротин, фитостеролы и подобные питательные вещества
сосредоточены во внутренней полости мицеллы и доставляются непосредственно к клеткам. Разработанная методика
позволяет повысить усвояемость питательных веществ. Она
уже принята в производство компанией Shemen Industries,
использующей доставку препарата Canola Activa.
Другое направление – умные упаковочные материалы,
способные самозалечивать небольшие трещины и потертости, изменяться в зависимости от температуры и влажности,
оповещать потребителей, если содержимое упаковки подверглось загрязнению или испорчено. В настоящее время только в США рынок упаковочных материалов составляет более
3 млрд долларов.
Компания Altairnano уже выпускает на основе наночастиц антимикробные и антигрибковые покрытия, играющие
роль сенсоров и сигнальных препаратов. Корпорация Kraft
совместно с учеными из Университета Рутгерса разрабатывает
«электронный язык», внедряемый в упаковочный материал. Он представляет собой набор наносенсоров, чрезвычайно
чувствительных к различным газам, выделяемым при гниении
пищи. В результате «язык» меняет цвет, давая сигнал о состоянии содержимого упаковки. В компании Bayer Polymers готовы производить гибридную систему Durethan KU 2-2601 на
основе большого количества силикатных наночастиц, отличающуюся высокой механической и тепловой устойчивостью,
а также чрезвычайными защитными свойствами к ряду газов.
Она предотвращает высыхание и окисление пищи.
Пивоваренные заводы с удовольствием перешли бы на
пластиковую упаковку взамен стекла и жести. Но этиловый спирт взаимодействует с пластмассой, что существенно
укорачивает срок хранения продукта. Это дает новую жизнь
пластиковым бутылкам для упаковки скоропортящихся
жидкостей, например пива. Компании Voridan и Nanocor
создали композит Imperm, содержащий частички глины. Он
легче и прочнее стекла, а трехмерная структура, образованная глиной, минимизирует поток кислорода внутрь бутылки.
Такая технология уже принята на вооружение корпорацией
Miller Brewing Co.
В заключение отметим, что пищевая промышленность
и сельское хозяйство – отрасли, в которых чрезвычайное
внимание следует уделять здоровью человека. Группа европейских ученых из ряда пищевых корпораций (Arla Foods,
Danisco A/S, Aarhus United A/S, Danish Crown amba, Systematic Software Engineering A/S, Interdisciplinary Nanoscience
Centre iNANO) образовала консорциум Nanofood, главной
задачей которого стало создание культуры ответственности
при применении нанотехнологий в пищевой промышленности. Научные приоритеты консорциума лежат в области
дизайна сенсоров, способных в режиме реального времени
распознавать токсичные газы и вредные микроорганизмы;
разработки антибактериальных покрытий для различных
машин, используемых в пищевом производстве; выпуска
более качественной и питательной пищи при сравнительно
низкой ее себестоимости.
Максим Щербина
38
В М И Р Е Н А Н О | № 3 2 0 10 | W W W. N A N O R F. R U
ЭКСПЕРТИЗА
Нужны вам кабели,
господа?
Российский лидер кабельной промышленности
готов к производству сверхпроводящих высоковольтных линий. Но заказчиков нет. В ожидании
пробуждения рынка ВНИИКП строит обмотку катушек для международного проекта ITER
К
Олег Волков
орреспондент STRF.ru побывал в
поколение сверхпроводников (ВТСП-2)
подольском филиале ОАО «Всепредставляет собой тонкое сверхпророссийского научно-иссле доваводящее покрытие на ленте-подложке.
тельского института кабельной проВТСП-2 имеют наименьшие потери,
мышленности» (ВНИИКП) и выяснил
но пока дороги в производстве. В обоих
современное состояние и перспективы
случаях хладагентом может быть жидпроизводства российских сверхпровокий азот, криогенные системы на нем
дящих кабелей.
намного дешевле, чем на жидком гелии,
Важность сверхпроводящих технолода и сам азот дешев и доступен.
гий для страны отмечена на самом высоОдин из лидеров работ в области сверхком уровне. В прошлом году в послании
проводимости в России – ОАО «Всеная линия (ВТСПК-20-1500) с номиФедеральному собранию президент Росроссийский научно-исследовательский
нальным напряжением 20 кВ и передасии напомнил, что страна теряет гигантинститут кабельной промышленности»
ваемой мощностью 50 МВА, прошедшая
ские объемы энергии при ее передаче.
(ВНИИКП). Созданный в 1947 году, он
в декабре 2009 года приемочные испытаИ сверхпроводящие технологии в будустал головной организацией по разрания. В 2011–2012 годах эта линия будет
щем призваны сократить эти потери и
ботке и созданию кабелей и проводов
установлена на московской подстанции
кардинально преобразовать сферу пров СССР. Отделение сверхпроводящих
«Динамо» для опытной эксплуатации.
изводства, передачи и использования
проводов и кабелей ВНИИКП было
Второй проект связан с созданием
электроэнергии. Так, сверхпроводящие
организовано в 1967 году. Оно остается
НТСП-кабелей для обмоток тороидальвысоковольтные кабели могут передаведущим исследовательским центром
ных и полоидальных магнитов проекта
вать значительно большие мощности
любых видов сверхпроводящих проводов
ITER. Сверхпроводящие жилы для них
при том же объеме, что и обычные.
и кабелей в России. С января 2010 года
из сплава NbTi и интерметаллида Nb3Sn
Сегодня в мире и, в частности, в России
отделение возглавляет доктор техничепроизводят теперь на Чепецком механиразвивают различные технологии сверхских наук Виталий Высоцкий, однако
ческом заводе (ЧМЗ) в Глазове (Удмурпроводящих кабелей. Их используют как
своим современным состоянием отделетия), а затем отправляют во ВНИИКП.
в сверхпроводящей электроэнергетике,
ние обязано и доктору технических наук
Там их покрывают хромом или никетак и в самых разных других устройствах
Виктору Сытникову. «Все, что есть помилем, скручивают, кабель помещают в
с такими же свойствами.
мо голого сверхпроводящего исходного
нержавеющую трубу и обжимают. ЧМЗ
Во-первых, созданы низкотемпедо 2013 года планирует произвести
Мы берем эти 20 киловольт
ратурные сверхпроводящие кабели
170 тонн сверхпроводящих матери(НТСП) различного назначения, с
алов для ITER – Россия поставляет
и ту же самую мощность
рабочей температурой в единицы K.
обмотку двух из шести полоидальпередаем на 20 киловольтах ных катушек и 20 процентов обмотки
В качестве хладагента к ним используют жидкий гелий. НТСП-кабели
тороидальных катушек ITER. Соотнапрямую, убирая
применяют в сверхпроводящих
ветственно, без работы в ближайшие
и подстанции, и воздушные
магнитах, в том числе в магнитах
годы ВНИИКП не останется.
линии. Это колоссальная
ускорителей элементарных частиц.
«Основная наша задача, наш корСложнейшие «НТСП-кабели-вмилец
и поилец – проект междуфинансовая выгода
оболочке» используют для создания
народного термоядерного реактора
огромных сильных магнитов. В частнопровода (как низкотемпературного, так и
ITER, – признается Виталий Высоцсти, для магнитов международного тервысокотемпературного), делалось здесь,
кий. – Там используются очень сложные
моядерного реактора ITER.
в этом отделении, еще во времена СССР
огромные низкотемпературные сверхВо-вторых, разработаны силовые
и делается сейчас», – говорит Виталий
проводящие кабели. Работа эта финансверхпроводящие линии на основе
Высоцкий.
сируется отдельной строкой в госбюдвысокотемпературных сверхпроводниСейчас среди проектов отделения
жете. Деньги мы получаем через «Росаков (ВТСП). Сейчас выпускают ВТСП
сверхпроводящих кабелей и проводов
том», Курчатовский институт и домашдвух поколений. К первому относят
ВНИИКП выделяют два. Во-первых,
нее агентство ITER. В 2009 году речь
сверхпроводящие ленты в матрице из
разработанная и изготовленная крупшла о 75 процентах нашего бюджета, в
серебра или сплава на его основе. Второе
нейшая в Европе 200-метровая кабель2010-м – это 95 процентов. Потому что
W W W. N A N O R F. R U | № 3 2 0 10 | В М И Р Е Н А Н О
39
ЭКСПЕРТИЗА
в прошлом году у нас был ВТСП-кабель,
вативных вещей в мире. Никто не хочет,
с критическим током около 300 А на 1 см
а в этом году у нас пауза, ведутся перегочтобы прерывалась подача энергии.
ширины. Российские производители тут
воры, ждем окончательных решений.
Самая мощная сверхпроводящая кабепока не могут чем-либо похвастаться.
Трехфазная кабельная линия длиной
льная линия в мире – проект Long Island
Недавно созданная дочерняя «Росатому»
200 метров, прошедшая в декабре приPower Authority (LIPA) – проложена в
корпорация «Русский проводник» планиемку, была создана командой под рукоСША, в штате Нью-Йорк, по просеке
рует получить образцы ВТСП-2 длиной
водством коллектива Энергетического
поперек острова Лонг-Айленд, в райодо 10 метров в 2010 году. Таким образом,
научно-исследовательского института
не типичной плотной американской
ВНИИКП работает сейчас с зарубежныим. Г.М. Кржижановского и непосредзагородной застройки, в условиях, когми образцами ВТСП-2.
ственно изготовлена в ОАО «ВНИИКП».
да негде проложить ни дополнительную
Преимущества ВТСП-2 просты. ЛенТоковые вводы разработаны в МАИ им.
воздушную линию, ни обычные кабели.
ту ВТСП-1 непременно нужно помещать
С. Орджоникидзе совместно с ВНИПроект там еще не вышел на свою полв матрицу из серебра или сплава на его
ИКП, также в МАИ придумана оригиную рекордную мощность (574 МВА),
основе. По оценке заведующего лаборатональная криогенная система. Каждая
ведутся испытания, выявляются и устрарией физических исследований и разрабоиз фаз кабеля изготовлена из двух слоев
няются проблемы – например, из-за
ток отделения сверхпроводящих кабелей
ВТСП-провода первого поколения марки
шума от криогенных систем пришлось
и проводов ВНИИКП Сергея Фетисова,
DI-BSCCO производства японской фирвдоль линии высаживать ряды деревьев.
серебро уже сейчас составляет до двух
мы Sumitomo. Экран ВТСП-кабеля —
Что же мешает распространению менее
третей стоимости кабеля – сам сверхсверхпроводящий из одного слоя того же
мощных и уже освоенных в производпроводник дешев. А вот кабель ВТСП-2
сверхпроводника. Фазы кабеля разсеребряной матрицы не требует, его
«Сверхпроводящие кабели – удорожает только сложная техноломещены в гибких криостатах компании Nexans (Германия).
гия производства, но она постепенвещь абсолютно новая.
На вопрос, какое место такая
но дешевеет. Кроме того, ВТСП-2
Нам еще нужно доказать,
сверхпроводящая линия занимает в
имеет иные потери энергии — по
что она надежная, полезная. оценке Сергея Фетисова, меньшие
системе энергоснабжения, Высоцкий отвечает: «Как сейчас работает
в 2–10 раз. Через несколько лет, по
Именно этим мы сейчас
энергосистема? Есть генератор. Он
мере «взросления» и удешевления
занимаемся»
производит напряжение порядка 20
технологии, можно ожидать широкиловольт. Это напряжение подстанция
стве сверхпроводящих кабелей, которые
кого распространения кабелей ВТСП-2.
повышает с 20 до 110. Потом воздушная
выпускает ОАО «ВНИИКП»? Кажется,
Их опытная эксплуатация уже идет – так,
линия, самая дешевая (по дешевизне с
в районах с плотной инфраструктурой
в 350-метровом кабеле ВТСП-1 в Олбани
ней сравниться никто не может), перенедостатка нет и в России. В том числе и в
(штат Нью-Йорк, США) была проверена в
дает их в город. Вы видели, Москва
строящихся, если уж обратиться к модной
действии 30-метровая вставка ВТСП-2.
окружена подстанциями и опутана возтеме инновационного центра в СколкоВ России перспективность ВТСП-2
душными линиями. Дальше 110 килово. По словам Виталия Высоцкого, ВНИотмечена на уровне Министерства эковольт понижают до 20, а потом передают
ИКП готов к производству, и речь может
номического развития. Как заявила в
потребителю. Это огромные затраты –
идти даже о кабелях длиной в 1–1.5 км.
марте его глава Эльвира Набиуллина,
на передачу и на площадь. Воздушные
Мешает только одно: отсутствие заказчик 2012 году будет развернуто опытнолинии тоже занимают довольно больков. ВТСП-кабель – вещь недешевая.
промышленное производство сверхшую территорию. И в городе их никто
Дороговизна ВТСП-кабелей склапроводящих продуктов. Этим займется
видеть не хочет. Что мы можем сделать ?
дывается из стоимости охлаждающей
Центр прикладной сверхпроводимости,
Но пока сверхпроводящие кабели – это
системы и самого кабеля. Высокотемформируемый на базе РНЦ «Курчатовне массовое производство. Это вещь, внепературный сверхпроводник пока что
ский институт». Соглашение о стратегидрение которой нужно прорабатывать для
довольно дорог, хотя и требует сравническом партнерстве в области прикладконкретного места и потребителя». В качетельно дешевого охлаждения жидким
ной сверхпроводимости, предполагаюстве примера он приводит строящийся
азотом. А низкотемпературный – достащее создание такого центра, подписали
деловой район «Москва-сити», который
точно дешев (дешевле меди), но ему
«Курчатник», ОАО «ТВЭЛ», Всероссийбудет потреблять огромную мощность,
нужно дорогое гелиевое охлаждение.
ский научно-исследовательский институт
при этом провести там воздушные линии
По словам Высоцкого, экономинеорганических материалов им. А.А. Бочне представляется возможным. Понадока «складывается» пока еще не в нашу
вара, Научно-исследовательский инстибится вооружиться множеством обычных
пользу, хотя идет тенденция к удешевлетут электрофизической аппаратуры
наземных кабелей, охлаждать их – пронию. Проблем с международными криоим. Д.В. Ефремова и Всероссийский
кладывать в каналах, которые еще пригенными системами нет, а те, что были с
научно-исследовательский институт
дется вырыть. А сверхпроводящий кабель
отечественными, уже решены. «А далькабельной промышленности.
производства ВНИИКП может передать
ше — только одно: нужны вам кабеНовый центр будет также вести рабопри тех же габаритах мощность в 3–9 раз
ли, господа? Пожалуйста — они стоят
ты по фундаментальным и прикладным
большую, чем обычный.
столько-то!» — восклицает он.
проблемам технического использоваВиталий Высоцкий уверен: при опредеТенденция к удешевлению напрямую
ния сверхпроводимости. Во ВНИИКП
ленных условиях (особенно при больших
связана с ВТСП второго поколения —
уже сейчас занимаются собственными
передаваемых мощностях) экономическая
сверхпроводящими покрытиями микронпроектами по прикладным проблемам
выгода от сверхпроводящих кабелей есть.
ной толщины на буферном слое поверх
сверхпроводимости (помимо кабелей с
Также он уточняет: «Пока мы ведем речь
ленты-подложки. Мировые лидеры в их
такими свойствами) — в частности, по
не об экономике, а о наработке опыта,
производстве — американские компании
сверхпроводящим токоограничителям.
применении и внедрении кабелей. ЭнерSuper Power и American Superconductor,
госистема – это одна из самых консеруже создавшие ленты длиной более 1 км
Константин Ветлугин
40
В М И Р Е Н А Н О | № 3 2 0 10 | W W W. N A N O R F. R U
БЕЗОПАСНОСТЬ
Диоксид титана
может быть
токсичен
Наноматериалы уже давно показали свой технологический потенциал во многих отраслях экономики. Производство наночастиц
во всем мире растет год от года. Растет и число исследований
их свойств – биологических, физических, химических. Изучение
взаимодействия наночастиц с ДНК, протеинами и клетками живых
организмов необходимо. Далеко не всегда понятно, насколько
наноматериалы опасны для людей и окружающей среды. Их нельзя оценивать по аналогии с другими материалами. От размера
частиц зависит их внутренняя структура, термодинамическая
энергия и электронная структура их поверхностей.
С
егодня в промышленности широко применяют нанопорошки диоксида титана (TiO 2 ). Их используют в производстве лакокрасочных
покрытий, в косметике, в качестве
поглотителя ультрафиолетовых лучей,
очищающих и антимикробных агентов. Долгое время считалось, что они
абсолютно безопасны и не несут вреда
здоровью и экологии. Некоторые ученые утверждают, что при определенных условиях наноразмерные частицы
TiO 2 можно использовать в лечении
сибирской язвы и даже рака. Однако
недавние исследования указывают на
то, что нанопорошки TiO2 могут быть
токсичны. Профессор Роберт Данфорд
из Оксфордского университета сообщает, что диоксид титана может способствовать образованию свободных
радикалов, обладающих высокой окислительной способностью [1]. Данфорд
также утверждает, что под воздействием солнца частицы TiO2 катализируют
разрушение цепей ДНК как in vitro, так
и в человеческих клетках. А ученые из
университетов Айовы и Калифорнии
[2−4, 5] показали, что токсичность
наночастиц критически зависит от их
размеров и химической активности в
водной среде [2−7].
Нанопорошки могут свободно путешествовать внутри человеческого тела
[8]. Некоторые исследования указывают на факт проникновения наночастиц
W W W. N A N O R F. R U | № 3 2 0 10 | В М И Р Е Н А Н О
в кожу [9, 10]. Было установлено, что
TiO2 способен накапливаться в эндотелиальных клетках, что, в свою очередь,
приводит к образованию активного
кислорода (O2-), кислородному голоданию (так называемому окислительному стрессу) и заполнению сосудистой
системы и легких окисью водорода (OH), перекисью водорода (O2H2) и пероксинитритом (ONO 2-). Все это может
вызвать гибель клетки за счет окисления цепей ДНК и заполнения клетки окисью азота [8, 11]. Исследование
механизма токсического эффекта диоксида титана велось на фибропластных
клетках мышей путем введения гомологов и слабо агрегированных наночастиц
TiО2 в водном растворе. С повышением концентрации частиц форма клеток
становилась более сферической, и увеличивался уровень активного кислорода и фермента лактатадегидрогеназы.
Анализ дальнейшего изменения баланса и свойств клетки показал, что введение наноразмерного диоксида титана
привело к увеличению числа лизосом
и частичному повреждению цитоплазменных органелл [12, 13].
Исследования, проведенные на
нескольких видах бактерий, показали,
что высокая концентрация диоксида титана в растворе на 72 % замедляет рост клеток [14]. А опыт на зеленых
водорослях Desmodesmus subspicatus с
использованием частиц диоксида тита-
на размером 25 и 100 нм выявил, что
мелкие частицы токсичны, а крупные –
практически нет. В то же время частицы, образующие агрегационные комплексы, более токсичны, чем находящиеся в свободном состоянии в растворе [15]. Аналогичные результаты были
получены и при исследовании влияния
нанопорошков диоксида титана на беспозвоночных.
Что же влияет на образование токсичных агрегационных комплексов
диоксида титана? Свободные частицы в растворе стремятся образовывать
агломераты. Это снижает их мобильность и усиливает взаимодействие с
окружением − частицы накапливаются в живых тканях. Ученые установили, что на образование агломератов
сильно влияет кислотность (pH) среды. Исследования группы профессора
Джил Бенфилд из университета Беркли
показали, что размер агломератов максимален при нейтральнозаряженном
pH (общий поверхностный заряд на
частицах равен нулю) [16, 17]. Исследования проводились в широком pH
интервале от pH = 1 до pH = 12 методом динамического рассеяния света
(фотонной корреляционной спектроскопией). Схожие тенденции наблюдались при оседании частиц. Были
сделаны выводы о том, что электростатическое отталкивание − основополагающий фактор в образовании агло41
БЕЗОПАСНОСТЬ
мератов. Т.е. достижение нейтральнозаряженного pH явилось ключевым
моментом для образования ассоциатов наночастиц. Исследования показали, что более чем 80 % взвешенных
в растворе частиц и агрегатов довольно подвижны в растворе в интервале
от рН = 1 до pH = 12, за исключением случаев, близких к pH, при которых поверхностный заряд становился
нейтральным. Кроме того, наименьшее значение pH (pH = 4.8) c нулевым
поверхностным зарядом показывали
частицы меньшего (3.6 нм) размера,
тогда как для крупных (8.1 нм) частиц
pH достигал значения 6.2. Исследователи предположили, что подвижность
наночастиц в естественных условиях
может быть ограничена образованием
крупных агломератов и их оседанием в
живых тканях.
Кроме кислотности среды, особое
влияние на характер образования агломератов имеют параметры значений
ионной силы и свойств водных электролитов. Так, было установлено, что при
рН ~ 4.5 и концентрации раствора хлорида натрия 0.0045 M частицы диоксида
титана размером 4–5 нм легко объединяются в агломераты со средним размером
50–60 нм в диаметре [18]. При увеличении концентрации раствора до 0.0165 М
формирование агрегатов происходило
еще быстрее – в течение 15 мин. Увеличение же рН до 5.8–8.2 приводило к
образованию агрегатных состояний уже
в течение 5 мин даже при невысоких значениях концентраций хлорида натрия.
Замена раствора хлорида натрия на раствор хлорида кальция также способствовала росту образования агломератов,
указывая на еще один важный аспект в
ассоциации наночастиц – присутствие
катионов в растворе.
Однако все вышеприведенные
ис сле дования не учитывали присутствия природной органики, такой как
микроорганизмы или человеческое
тело. А она может существенно менять
поверхностные свойства наночастиц –
например, электрический заряд, размер, химическую природу на открытых участках поверхности частиц, –
существенно влияя на транспортные
свойства природных коллоидов за счет
увеличения размера и электростатического отталкивания частиц. Ученые
из университета МакГилл, Канада,
попытались воспроизвести естественные условия за счет введения в раствор фульвокислот [19]. Измерение
коэффициентов диффузии и размеров
образованных ассоциатов наночастиц
диоксида титана методом флуоресцентной корреляционной спектроскопии в широком диапазоне значений pH и с учетом различной ионной
силы раствора в целом подтвердили
проведенные ранее исследования подвижности и способности к образованию агломератов наночастицами TiO2.
Однако было сделано замечание, что
в естественных условиях дисперсия
и мобильность исследуемых частиц
может быть значительно выше, чем в
лабораторных условиях.
В целом, существующие на сегодняшний день результаты исследований показали, что свойства наночастиц диоксида
титана отличаются от свойств макроразмерного вещества TiO2. Притом токсическое воздействие диоксида титана
на биологические объекты напрямую
зависит от потенциального размера
агломератов частиц, ионного состава,
pH системы и способности агломератов
накапливаться в живых тканях. Несмотря на достигнутый прогресс в области
исследования токсичности частиц диоксида титана, до сих пор остается мало что
известно о влиянии присутствия природных органических веществ на структуру частиц и их свойства. Кроме того,
ничего не известно о влиянии ароматичности, различных структурных конформаций реагентов и полярности нанопорошков на взаимодействие их с живыми
системами. Очевидно, что дальнейшие
исследования должны быть направлены
на понимание роли таких свойств, как
размер, форма, степень агломерации,
химическая и каталитическая способность наночастиц диоксида титана, и
их влияние на взаимодействие частиц с
биологическими объектами: бактериями, водорослями, беспозвоночными и
позвоночными.
Дмитрий Сахаров
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Dunford R., Salinaro A., Cai L., Serpone N., Horikoshi S., Hidaka H., Knowland J. // Chemical oxidation and DNA damage catalyzed by inorganic sunscreen ingredients. Toxicol. Lett. 1995. 80 (1–3). P. 61–67.
Grassian V.H., Adamcakova-Dodd A., Pettibone J.M., O’Shaughnessy P.T., Thorne. P.S. // Inflammatory response of mice to manufactured titanium
dioxide nanoparticles: comparison of size effects through different exposure routes. Nanotoxicology. 2007. 1(3). P. 211–226.
Grassian V.H., O’Shaughnessy P.T., Adamcakova-Dodd A., Pettibone J.M., Thorne P.S. // Inhalation exposure study of nanoparticulate titanium dioxide
with a primary particle size of 2 to 5 nm. Environ. Health Perspect. 2007. 115. P. 397–402.
Grassian V.H. // When size really matters: Size-dependent properties and surface chemistry of metal and metal oxide nanoparticles in gas and liquid
phase environments. J. Phys. Chem. 2008. C. 112. P. 18308–18313.
Gao J., Youn S., Hovsepyan A., Llaneza V.L., Wang Y., Bitton G., Bonzongo J-C.J. // Dispersion and toxicity of selected manufactured nanomaterials in
natural river water samples: Effects of water chemical composition. Environ. Sci. Technol. 2009. 43(9). P. 3322–3328.
Balbus J.M., Maynard A.D., Colvin V.L., Castranova V., Daston G.P., Denison R.A. // Meeting Report: Hazard assessment for nanoparticles—report from
an interdisciplinary workshop. Environ. Health Perspect. 2007. 115. P. 1654–1659.
Powers K.W., Brown S.C., Krishna V.B., Wasdo S.C., Moudgil B.M., Roberts S.M. // Research strategies for safety evaluation of nanomaterials. Part VI.
Characterization of nanoscale particles for toxicological evaluation. Toxicol. Sci. 2006. P. 90. 296–303.
Pulskamp K., Diabate S., Krug H.F. // Carbon nanotubes show no sign of acute toxicity but induce intracellular reactive oxygen species on dependence
on contaminants. Toxicol. Lett. 2007. 168. 58–74.
Tinkle S.S., Antonini J.M., Rich B.A., Roberts J.R., Salmen R., DePree K., Akkins E.J. // Skin: as a route of exposure and sensitization of chronic beryllium
disease. Environ. Health Perspec. 2003. 111, P. 1202–1208.
Bennat C., Muller-Goymann C.C. // Skin penetration and stabilization of formulations containing microfine titanium dioxide as physical UV filter. Int. J.
Cosmet. Sci. 2000. 22. P. 271–283.
Long T.C., Saleh N., Tilton R.D., Lowry G.V., Veronesi B. // Titanium dioxide (P25) produces reactive oxygen species in immortalized brainmicroglia (BV2):
Implications for nanoparticle neurotoxicity. Environ. Sci. Technol. 2006. 40. P. 4346–4352.
Jin C.-Y., Zhu B.-S., Wang X.-F., Lu Q.-H. // Cytotoxicity of titanium dioxide nanoparticles in mouse fibroblast cells. Chem. Res. Toxicol. 2008. 21.
P. 1871–1877.
Wamer W.G., Yin J.J., Wei R.R. // Oxidative damage to nucleic acids photosensitized by titanium dioxide. Free Radical. Biol. Med. 1997. 23. P. 851–858.
Heinlaan M., Ivask A., Blinova I., Dubourguier H-C., Kahru A. // Toxicity of nanosized and bulk ZnO, CuO, and TiO2 to bacteria Vibrio fischeri and
crustaceans Daphnia magna and Thamnocephalus platyurus. Chemosphere. 2008. 71. P. 1308–1316.
Hund-Rinke K., Simon M. // Ecotoxic effect of photocatalytic active nanoparticles (TiO2) on algae and daphinds. Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2006. 13.
P. 225–232.
Guzman K.A.D., Finnegan M.P., Banfield J.F. // Influence of surface potential on aggregation and transport of titania particles. Environ. Sci. Technol.
2006. 40. P. 7688–7693.
Kosmulski M. // The significance of the difference in the point of zero charge between rutile and anatase. Adv. Coll. Interface Sci. 2002. 99. P. 255–264.
French R.A., Jacobson A.R., Kim B., Isley S.L., Penn R.L., Baveye P.C. // Influence of ionic strength, pH, and cation valence on aggregation kinetics of
titanium dioxide nanoparticles. Environ. Sci. Technol. 2009. 43. P. 1354–1359.
Domingos R.F., Tufenki N., Wilkinson K.J. // Aggregation of titanium dioxide nanparticles: Role of fulvic acid. Environ. Sci. Technol. 2009. 43.
P. 1282–1286.
42
В М И Р Е Н А Н О | № 3 2 0 10 | W W W. N A N O R F. R U
ИНТЕРВЬЮ
Место,
Михаил Ходорковский:
«Наш Центр уникален:
он создавался с нуля
и по самым передовым
технологиям»
Дмитрий Европин
где творческие
амбиции ученых
могут реализоваться
на «теплой ладони»
государства
Расскажите, пожалуйста, какого рода исследования будут проводиться в вашем Центре?
— В последние два года в Политехническом университете
успешно реализуется инновационный проект, на который
были выделены большие бюджетные средства. Заметная
часть их была использована для создания нового для Политеха направления — нанобиотехнологического.
Базовое оборудование, без которого работа в этом направлении невозможна, стоит весьма недешево. Стоимость приобретенного в рамках этого проекта исследовательского комплекса более 135 миллионов рублей, из которых 110 миллионов составляют бюджетные средства и около 25 миллионов
привлечены из внебюджетных источников.
В режиме пуско-наладки уже находятся два дорогостоящих прибора — спектрометр ЯМР 700 и масс-спектрометр
ионно-циклотронного резонанса c Фурье-преобразованием.
Параметры того и другого прибора соответствуют мировому уровню. Наш масс-спектрометр по сегодняшним меркам
имеет предельное разрешение, поэтому знания о составе
исследуемого комплекса могут быть получены с его помощью с феноменальной точностью. В то же время с помощью
этого прибора довольно сложно определить структуру соединения, особенно если речь идет о больших молекулярных
комплексах, с которыми сейчас активно работают в биотехнологии, медицине, фармацевтике и т.д. Для решения такой
задачи практически незаменимым является метод ядерного магнитного резонанса. Нам представляется оптимальной
взаимодополняемость этих двух установок. Основываясь на
полученной с их помощью информации, можно прогнозировать свойства наноразмерных биологических комплексов.
W W W. N A N O R F. R U | № 3 2 0 10 | В М И Р Е Н А Н О
Существует мнение, что огромные средства, брошенные государством на нанотехнологии, поднимут
активность всей российской науки. Но если результаты исследований окажутся не столь масштабными,
последствия этих инвестиций будут губительны и
для науки, и для страны в целом, считает директор
создаваемого в СПбГУ Центра «Нанобиотехнология»
Михаил Ходорковский и рассказывает об исследованиях, которые предполагается проводить на его
базе. Причем на таком уровне, чтобы руководство
страны не сочло трату «наноденег» бессмысленной.
Исследование свойств биокомплексов в нашем Центре
планируется проводить и традиционными методами in vitro,
а также в условиях in vivo — с помощью самого современного
способа диагностики, сочетающего в себе возможности пассивного наблюдения за поведением объектов в исследуемой
среде и активного контролируемого воздействия на них.
Эти возможности предоставляет комплекс, известный
под названием лазерный пинцет. Он позволяет манипулировать объектом в жидкой среде (в биологии все процессы происходят в жидкости) на наноразмерном уровне от
100 нанометров до одного микрометра. Зная состав, структуру и частично свойства того, чем мы манипулируем, можно
будет управлять объектами, которые находятся внутри клетки, определяют ее жизнь и функционирование, и пытаться детально изучить их свойства. Подобное оборудование
массово не производят, но в мире есть отдельные группы,
которые создают такие машины и работают на них. Один
из таких лазерных пинцетов сконструировал за рубежом
наш соотечественник член Американского биофизического
общества Фазоил Атауллаханов. Он будет руководить сборкой прибора и в нашем Центре.
Машина, которую он построил в Америке, фиксирует
перемещения объектов с точностью один–два нанометра.
Наша даст разрешение 0.1–0.2 нанометра, и с ее помощью
можно будет следить за движениями белков, других биологических молекул и мерить силу, с которой они взаимодействуют. Но к этой машине необходимо много дополнительного оборудования, а также технологии для создания мишени. Прежде чем начать работу с лазерным пинцетом, необходимо получить предварительные знания о
43
НОЦ
Дмитрий Европин
С помощью массспектрометра можно
получить данные о составе
биологического комплекса
с феноменальной
точностью
тех объектах, которые мы собираемся исследовать с помощью двух других наших установок. После этого получится
законченный цикл.
Есть очень сильные группы, которые работают в области нано
и получают блестящие научные результаты как в России, так и
на Западе (больше всего их в Америке, в Европе – поменьше).
Но с точки зрения внедрения в промышленность результативных разработок пока нет — как у нас, так и за океаном.
Чтобы эти технологии работали, нужно иметь идеальные условия проведения экспериментов, предполагающих
измерение наноразмерных перемещений нанообъектов и
сил взаимодействия между ними на уровне долей нанометра. Поэтому в корпусе, где расположен наш Центр,
проводились сложные строительные работы по созданию
развязанного массивного фундамента, установленного на
специальный «черный» песок, создавалась особая бесшумная система кондиционирования и т.д. Политехнический
университет потратил много сил и средств, чтобы все это
было возможно.
В каких направлениях биотехнологии вы будете проводить
исследования?
— Основным будут живые системы, или life science (этот
оригинальный термин мне кажется более удачным), включающие биологию, медицину, фармакологию, экологию и др.
Но вообще сложно представить все направления, в которых
можно развиться с таким оборудованием.
Существуют ли подобные исследовательские центры в СанктПетербурге или других городах?
— Наш Центр уникален. Он создавался с нуля и по самым
передовым технологиям. Здесь все, что ни сделаешь, про44
сто обязано соответствовать уровню публикаций в журнале
Nature или Science.
Этот масс-спектрометр по сегодняшним меркам имеет
предельное разрешение. Данные о составе биологического
комплекса могут быть получены с его помощью с феноменальной точностью.
Например, в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе, который, по сути, мой родной дом, есть замечательные
традиции, направления исследований, но там не было возможности взять и сделать все с чистого листа. У нас с Физтехом очень близкие отношения (одновременно я еще и
заместитель директора Центра коллективного пользования
«Материаловедение и диагностика в передовых технологиях» на его базе) и все, что касается, например, электронной
микроскопии высокого разрешения, мы будем делать на его
оборудовании. Директор ЦКП член-корреспондент РАН
Семен Конников рассматривает деятельность нашего Центра в Политехе как часть нашей общей большой работы. Нет
сомнений, что все ресурсы ЦКП, включая его материальную
базу, методики и т.д., будут дополнять наши усилия в режиме
самой глубокой кооперации.
Сотрудничество с ведущими, с моей точки зрения, научными организациями, которые есть в Санкт-Петербурге и в
Москве, очень важно для нас.
Есть ли уже конкретные заказчики и другие партнеры, кроме
Физтеха?
— Мы ведем переговоры с самыми разными группами, которые занимаются актуальными проблемами. Исследования
должны соответствовать уровню, который уже достигнут на
Западе. Нам удалось предварительно пообщаться с университетскими лабораториями во Франции (Университет Тулузы),
в Португалии (Университет Лиссабона), США (Университеты штата Колорадо и города Сан-Франциско) и некоторыми
другими. Они не будут заказчиками, а хотят работать в коллаборации, получая финансирование либо в рамках европейской программы FP7, либо американского Национального
института здоровья.
Главным заказчиком будет Минобрнаука. Мы ожидаем, что
через год на нас обратит внимание и ГК «Роснано».
А наш Минздрав будет вас финансировать?
— Программа наших исследований должна быть, на мой
взгляд, под совместным патронатом Минобрнауки, Минздрава и РАН. Но эти планы пока в зачаточном состоянии,
прямого сообщения с Минздравом пока нет.
Планируете привлекать частные инвестиции?
— С частными инвестициями мы будем предельно аккуратными: только на условиях, которые нас устроят. Если
в результате финансируемых частным капиталом исследований получается что-то позитивное, некий продукт, возникает сложный вопрос: как разделить интеллектуальную
собственность. Частники, как правило, считают: «За что
мы заплатили — все наше». Нас это не устраивает. Поэтому
каждый раз предложения частных инвесторов будут тщательно обсуждаться, и стереотипа в подходе мы постараемся избежать.
Когда публично делаются заявления, к примеру, о готовом
производстве ДНК-компьютеров, обычно это — пиар. Все, что
делается реально, засекречено до той поры, пока не превратится в конечный продукт. Доступа к таким открытиям нет.
Будет ли Центр иметь отношение к образованию?
— В Политехе читаются классические курсы по многим
направлениям, комплементарным к тем технологиям, которые будут развиваться у нас в Центре, но ряд новых курсов
необходимо создать. Это касается и масс-спектрометрии, и
ЯМР-спектроскопии, и спецкурса по технологиям с испольВ М И Р Е Н А Н О | № 3 2 0 10 | W W W. N A N O R F. R U
ЯМР-спектрометр используется для определения
структуры биологических
соединений
Дмитрий Европин
ИНТЕРВЬЮ
зованием в биологии методов оптической ловушки (лазерный
пинцет), и, возможно, некоторых других. Овладевать методами работы с биологическими объектами с помощью ЯМРспектроскопии наши студенты и аспиранты будут на базе
Института биооpганической химии РАН в отделе ведущего
специалиста в нашей стране профессора Александра Арсеньева, который в соответствии с предварительной договоренностью возглавит это направление исследований в нашем Центре. По лазерным пинцетам профессор Фазоил Атауллаханов
читает курс в МГУ, и мы будем читать его в Политехе.
В Политехническом университете есть кафедра биофизики,
на которой идет ежегодный набор студентов: было 12 человек,
теперь будет 25. Мы согласовали с биофизиками план совместной работы, курсы, которые будут дополнительно читаться
на кафедре. Будем вести работу также с кафедрой экологии,
может быть, напишем отдельный курс, или студенты-экологи
будут ходить на совместные спецкурсы с биофизиками. Будет
коллаборация с кафедрой механики, потому что все, что связано с движением внутри клетки, можно описать законами
механики, и специалисты этой кафедры проявили глубокую
заинтересованность в совместной работе.
ЯМР-спектрометр используется для определения структуры биологических соединений, в том числе больших молекулярных комплексов, с которыми сейчас активно работают в
биотехнологии, медицине, фармацевтике.
Реализовать все это предполагается в виде спецкурсов по
биотехнологиям, поэтому в нашем Центре будут работать
ребята, начиная с уровня бакалавриата и магистратуры. Для
учащихся младших курсов пока планируются лишь ознакомительные программы.
W W W. N A N O R F. R U | № 3 2 0 10 | В М И Р Е Н А Н О
То есть не ставится цель готовить выпускников по
специальностям «нанотехнолог», «нанобиотехнолог»?
— Слова про нанотехнологии — общие. Пока этих технологий нет в законченном виде, поэтому готовить специалистов
по узкой специализации мы не будем.
Как Вы относитесь к сообщениям из Соединенных
Штатов и других стран о многочисленных открытиях,
которые там делаются в сфере нанотехнологий? Из них
следует, что уже фактически готово производство
ДНК-компьютеров и огромного количества других
фантастических вещей.
— Сложно судить обо всем, потому что когда такие заявления делаются публично, это, обычно, пиар. Моя лаборатория имела семилетний контракт с исследовательским
центром General Electric, поэтому я в Америке бывал часто,
общался с зарубежными коллегами и продолжаю поддерживать с ними контакты. Мне кажется, то, что широко и
публично анонсируется, интересно для обывательской среды, но вряд ли интересно для специалиста. Все, что делается реально, засекречено до той поры, пока не превратится в
конечный продукт. Доступа к таким открытиям нет. С моей
точки зрения, ДНК-компьютер — это несерьезно, хотя сама
идея крайне привлекательна.
Так же, как и в России, на Западе есть очень сильные группы, которые получают блестящие научные результаты. Больше всего их в Америке, в Европе — поменьше. Но с точки
зрения внедрения в промышленность пока нет результатов
и за океаном.
Насколько мы сегодня вписываемся в мировую научную
среду, можем ли конкурировать с Западом?
— У нас очень многое упущено, и сейчас мы неконкурентоспособны. Думаю, те средства, которые брошены на науку
через канал «нано», поднимут активность российских ученых.
Но если все закончится негативно (что очень вероятно), то
руководство страны может счесть трату денег бессмысленной, и последствия этого будут губительны и для науки, и для
страны в целом.
За годы перестройки-перестрелки слишком много действующих ученых либо уехали за границу, либо ушли из
профессии. По уровню разрушения научной сферы это
точно можно сравнить с тем, что произошло в Германии в
сороковых годах. Чтобы возродить ее, нужна долгая кропотливая и последовательная работа без кавалерийских наскоков и компанейщины.
У меня есть знакомый — замечательный немецкий ученый Вольфганг Кретчмер. Он был реальным претендентом на получение Нобелевской премии за открытие новой
формы углерода — молекулы фуллерена. Но как это иногда
бывает, премия ушла к американцам. Он как-то сказал в
частной беседе, что в результате прихода Гитлера к власти
и последовавшей войны научная среда в Германии понесла невосполнимые утраты и до сих пор уровень их науки
не может восстановиться. Заметьте, это говорил немецкий
ученый высочайшего класса, работы которого цитируются
практически во всех публикациях, имеющих отношение к
исследованиям наноуглеродных соединений.
Кому как не ему оценивать ситуацию в науке в своей стране. Разрушение научной среды происходит быстро, а восстановление, как видно на примере Германии, требует огромного, в масштабах человеческой жизни, времени.
Если говорить про наш Центр, то я надеюсь, что он может
стать одним из тех мест, где будут реализовываться творческие амбиции ученых на «теплой ладони» государства.
Записал Юрий Никифоров, для STRF.ru
45
ФОТОСЮЖЕТ
Увидеть
невидимое
Каждая эпоха рождает новое течение в искусстве. Наш век – век быстрого прогресса науки –
дал жизнь многим художественным направлениям, одно из которых получило название
наноарт. Предметом творческого вдохновения стал для художников недоступный, скрытый
от непосредственного зрительного восприятия, невидимый мир, проникнуть в который
можно благодаря развитию нанотехнологий. Удалось показать красоту этого мира в живописи,
скульптуре. Наноарт знакомит нас с удивительными по своей красоте и необычайности
молекулярными и атомными пейзажами, которые являются естественными структурами
материи, а также наноскульптурами, созданными художниками путем манипуляций с материей
на молекулярном и атомном уровнях с использованием физических и химических процессов.
Н
ачало этому направлению в искусстве положил румынский ученый
и художник, живущий в США, –
Крис Орфеску, который уже более
двадцати лет трудится на стыке науки
и творчества. Используя электронный
микроскоп, Орфеску сделал фотографии срезов твердых тел. Полученное
черно-белое изображение обработал на
компьютере, добавив цвет к сложной
структуре материала. Орфеску добился
особой глубины и трехмерности изображений, используя в своих работах
технику Digital Faux – особые фильтры и эффект полупрозрачных слоев. Экспериментатор получил столь
яркие картины, что зрители расценили
их как произведения искусства. Картины Орфеску напоминают работы
художников-абстракционистов, однако
не являются таковыми. Их нельзя отнести к абстрактному искусству, поскольку они представляют собой физическое
отображение реального мира.
Какую же роль в этом творческом
процессе играют нанотехнологии?
Объект художественного отображения
в наноарте имеет микро- и наноразмеры. Увидеть его можно, лишь воспользовавшись мощными приборами, такими как электронные и атомно-силовые
микроскопы. Один из таких приборов,
помогающих проникнуть в загадочный
мир, – растровый электронный микроскоп (РЭМ). Он позволяет получить
46
Художник, основатель наноарта Крис
Орфеску (США, Калифорния). Удостоен
приза американского журнала World
of Art как самый креативный художник
нового направления (2005).
Крис Орфеску, художник, учредитель
и куратор Международного
онлайн-фестиваля наноарта.
Тел: (310) 397-2592
E-mail: criorf@verizon.net
www.crisorfescu.com,
www.absolutearts.com/nanoart
изображения поверхности образца с
большим разрешением (менее микрометра). РЭМ использует электроны для
отображения, так же как оптический
микроскоп (ОМ) использует видимый
свет. Изображение, полученное без
световых волн, оказывается чернобелого цвета. Преимущество РЭМ над
ОМ заключается в гораздо большем
увеличении (до 300 тыс. Х) и большей
глубине проникновения в материал.
Полученные изображения затем обрабатываются с помощью различных
художественных технологий, в результате чего они превращаются в произведения искусства, которые можно увидеть и на выставках нанотехнологий
как одно из достижений современной
науки, и в экспозициях музеев современного изобразительного искусства.
Кто-то может сказать, что наноарт –
та же фотография. Это не так. Фотографические изображения созданы
фотонами (частицами света), а изображения наноарта – электронами, которые проникают глубже в структуры
материала. Это придает наноизображениям большую глубину по сравнению с фотографией и создает иллюзию
трехмерности.
У Орфеску появились последователи, среди которых наиболее известны
Алессандро Скали и Робин Гуд (Италия), Грит Рухланд (Германия). Развивается это течение и в России. В этом
В М И Р Е Н А Н О | № 3 2 0 10 | W W W. N A N O R F. R U
Алексей Державин
Алексей Державин
НАНОАРТ
Рисунок 1 | Фото, сделанное с резанного лазером
железа (1000-кратное увеличение). Использовано
художником Алексеем Державиным для создания картины «Забавы Леонардо»
Cris Orfescu
Cris Orfescu
Рисунок 2 | «Забавы Леонардо»
Рисунок 3 | «Гусеница тутового шелкопряда». Наноскульптура получена путем гидролиза частицы кремнийорганического соединения
направлении работает московский
художник Алексей Державин. Получив
с помощью электронного микроскопа
черно-белое фото какого-либо материала, он обрабатывает фото в графическом редакторе и затем увеличивает.
Алексей Державин считает, что искусство наноарта «нашему взору открывает удивительный мир микроструктур,
мы как будто попадаем в другое измерение. При том что оно было всегда,
вечно, люди никогда его не видели,
как не видели, скажем, глубин космоса. Но вот то, что окружает нас везде,
то, из чего мы и состоим, вдруг вырастает в целый мир. Мы чувствуем себя
маленькими, а этот микромир стал
огромным, бесконечным.
W W W. N A N O R F. R U | № 3 2 0 10 | В М И Р Е Н А Н О
Рисунок 4 | «Осколки». Изображение коллоидной
частицы графита, погруженной в жидкий азот при температуре 196 °С.
Странное ощущение: мы можем вылететь не только в бесконечную Вселенную
и мысленно лететь фантастически далеко,
но мы можем и углубляться в микрокосмос, в самих себя. На базе этого противоречия частично зародился философский
интерес художника к направлению наноарт». По мнению Державина, абстрактные формы в наноструктурах дают бесконечную фантазию зрителям. При этом
на память приходят слова Леонардо да
Винчи, обращенные к ученикам. Великий художник советовал внимательно
вглядываться в поверхности старых стен,
на которых время оставило свои отпечатки: «…ты можешь там увидеть подобия
различных пейзажей, украшенных горами, реками, скалами, деревьями, обшир-
ными равнинами, долинами, холмами и
домами самым различным образом…»
Начиная с 2006 г., среди художников,
работающих в разных странах мира,
ежегодно проводится Международный
онлайн-фестиваль наноарта, учрежденный Крисом Орфеску. Так, в 2006 г.
22 художника представили 72 произведения. В 2008 г. число участников
выросло до 37, а работ – до 121. Работы этих художников поражают своей
новизной и заставляют задуматься о
тайнах Вселенной, о гармонии и величии мира, который нас окружает.
Мария Морозова,
«Российские нанотехнологии»,
№ 7-8, 2009 г.
47
РУБРИКА
48
В М И Р Е Н А Н О | № 3 2 0 10 | W W W. N A N O R F. R U
В МИРЕ
№ 3 2010
Чему учат нанотехнологов?