«Они говорили: «У тебя ничего не получится»: есть ли будущее у углеродных нанотрубок

«Татар-информ» продолжает знакомить читателей с молодыми татарстанскими учеными. О том, когда наши зимние дороги получат подогрев, бетон – упрочнение, а углеродные нанотрубки будут стоить как сажа, в интервью нашему изданию рассказал младший научный сотрудник Казанского физико-технического института КазНЦ РАН Ранис Гарипов.

– Ранис, прежде всего интересно узнать, как применение углеродных нанотрубок может улучшить нашу повседневную жизнь.

– Если речь о повседневности, то прежде всего их можно использовать в создании греющих материалов и покрытий. Самый простой пример здесь, хотя он и из разряда фантастики, – асфальт с нанотрубками. В зимнее время на такой асфальт подается потенциал, он нагревается, и снег и лед тают.

– Почему из разряда фантастики? Потому что дорого?

– Во-первых, это пока довольно сложно сделать. А во-вторых, да, дорого. Но тоже пока. С каждым годом стоимость нанотрубок меняется, появляются новые производители с более дешевым предложением, и в итоге мы можем прийти к тому, что они будут стоить как углеродная сажа.

Просто тут есть еще такой момент, что цена на них очень сильно зависит от спроса. Производства пока не совсем готовы переходить на новые технологии.

– В России или в мире в целом?

– В мире. Постепенно переходят, оценивают, как это работает, но так, чтобы запускать в производство... Например, немецкая компания «Байер» в свое время построила завод по производству углеродных нанотрубок, но потом закрыла его. Не смогла обеспечить объем продаж.

– А почему их не покупают?

– Потому что у потенциального покупателя уже есть готовое производство, работающие технологии. Потратить даже час времени, чтобы провести эксперимент, означает для него крупные убытки. То есть к нему надо приходить не с материалом, а с уже с готовым технологическим решением, актами промышленных испытаний: вот, все проверено, все работает, достигается положительный экономический эффект.

В нашем институте был подобный пример. Один кирпичный завод захотел улучшить качество производимого кирпича и обратился к нам. Мы придумали, как вводить нанотрубки в глину во время самого производства, не нарушая принятый у них технологический процесс, и получили пробную партию кирпича. Эффект оказался немного ниже, чем ожидали мы и производители. Для увеличения эффекта требовалось проведение дополнительных исследований. Но, обсудив стоимость таких модификаторов с нанотрубками и оценив, насколько подорожает кирпич, пришли к выводу, что это невыгодно. Кроме того, мы работаем в условиях лаборатории и не занимаемся производством, поэтому не смогли бы обеспечить нужный объем модификатора по той стоимости, которая устроила бы заказчика.

– А сами углеродные нанотрубки ваш институт не изготавливает?

– В лаборатории есть установки для синтеза нанотрубок в небольших количествах для научных целей, но этого количества редко хватает на проведение полноценных экспериментов.

В основном мы только изучаем свойства углеродных нанотрубок и их возможное применение. Например, вводим в полимеры и, меняя их концентрацию, получаем композиционные материалы с заданной величиной электрического сопротивления.

– То есть вы сами их покупаете?

– Да. Правда, уже давно не покупали, но, когда делали это последний раз, на российский рынок как раз пыталась зайти одна южнокорейская компания с многостенными нанотрубками. Такие нанотрубки по сравнению с одностенными менее прочные и менее электропроводящие. Тогда нам удалось купить нанотрубки с очень большой скидкой, кажется, по шесть рублей за грамм.

– А в России нанотрубки производят?

– Да, в Тамбове есть компания, выпускающая целую линейку многостенных нанотрубок. С ними мы тоже экспериментировали.

А одностенные стоят уже на порядок дороже. Самые дешевые, по 500–600 рублей за грамм, мы нашли в то время у компании из Новосибирска. Насколько мне известно, она уже не работает в России. У остальных производителей еще дороже, причем намного.

– Если в двух словах, то в чем преимущества нанотрубок перед той же сажей, то есть техническим углеродом?

– Нанотрубки более прочные и более электропроводящие. То есть можно взять любой полимер-диэлектрик, добавить туда углеродные нанотрубки или сажу и получить токопроводящий композиционный материал. Но в отличие от сажи нанотрубок потребуется значительно меньшее количество.

Самый элементарный пример применения – антистатические полы. Как они обычно делаются? Протягивается заземляющая медная сетка, которая заливается или покрывается токопроводящим материалом из полимерных смол, в основном с углеродной сажей или графитом, и далее финишный слой. Если в полимерную смолу вместо сажи или графита добавить углеродные нанотрубки, то можно добиться уменьшения расхода смолы за счет сохранения изначальной вязкости.

Кроме того, мы, например, изготавливаем токопроводящий филамент – пластиковую нить – для 3D-принтера. В основном их делают из полимеров-диэлектриков, но есть и проводящие филаменты – с сажей или металлическими частицами. В случае с сажей электрическое сопротивление оказывается очень высоким. А филаменты с металлическими порошками очень быстро стачивают сопло принтера, ту часть, откуда выходит пластик. В случае же применения углеродных нанотрубок получается нечто среднее: и сопло стачивается не так сильно, и электропроводность намного выше, чем при применении углеродной сажи.

– Какие еще области применения могут быть у УНТ?

– Их достаточно много, и чем дальше, тем становится больше. Но сначала закончу с греющими материалами. Более реально, чем в асфальте, применять нанотрубки при изготовлении водопроводных труб с проводящей наружной частью либо использовать токопроводящее покрытие для водопроводных труб и путем подачи напряжения нагревать трубы, чтобы вода в них не замерзала. Это актуально для частных домов как замена греющих кабелей.

Ну и, конечно, упрочнение конструкционных материалов. Наша лаборатория еще до моего прихода в физтех проводила совместные эксперименты с КГАСУ. В бетон вводились специальным образом обработанные нанотрубки и исследовались прочностные свойства такого материала. Так вот, прочность этого бетона после первого дня отверждения была такой же, как у бетона без нанотрубок на седьмой день.

– Бетон не заливают, кажется, при температуре минус пять и ниже, иначе возникают проблемы со схватыванием. Может быть, и в этом помогут нанотрубки?

– Теоретически могут и помочь. Нанотрубки после обработки же не просто «плавают» в бетоне. Путем обработки создаются активные химические центры на поверхности нанотрубок, которые служат центрами кристаллизации в бетонной смеси.

– Допустим, скорость отверждения увеличивается. Но ведь такой бетон, наверное, нужно испытывать годами? Может, быстрее он не только твердеет, но и разрушается?

– Да, и тут мы опять возвращаемся к вопросу о промышленном применении. На сегодня у нас недостаточно испытаний, все пока делается в лабораториях в виде экспериментов. Но ожидается, что такие конструкции будут более долговечными.

Еще углеродные нанотрубки можно использовать для экранирования. Например, из них можно печатать на 3D-принтере корпуса устройств, на которые критично влияют помехи. Или добавить нанотрубки в краску и покрыть ей стены, что тоже должно обеспечить экранирование электромагнитного излучения в помещении.

Нанотрубки можно использовать в мемристорах – ячейках энергонезависимой памяти с высоким быстродействием и плотностью записи информации. Уже проводятся соответствующие эксперименты. Это дело будущего, но, скорее всего, не такого уж отдаленного.

Была еще одна интересная идея – использовать нанотрубки для эффективной доставки лекарств в человеческом организме. Но данное направление еще тоже плохо исследовано, и некоторые опасаются, что нанотрубки могут повредить клетки организма.

– Это к вопросу о минусах, которые, как известно, есть у любой технологии. Я читал, что нанотрубки могут попадать в дыхательные пути вместе с воздухом, и если одностенные безвредны, так как выходят через поры в грудной стенке, то длинные многостенные не выходят, становятся токсичными и могут вызывать патологии.

– Да, все это еще исследуется. В каких-то работах утверждается, что нанотрубки нетоксичны. Все они имеют сертификаты соответствия, и каждый производитель это упоминает.

С другой стороны, чтобы ввести углеродные нанотрубки в материал так, чтобы они распределились равномерно, их надо как-то обработать. И когда мы их обрабатываем, нейтральные нанотрубки становятся условно активными, то есть способными образовывать химические связи. И неизвестно, как такие нанотрубки будут воздействовать на организм. Какие будут вредны, а какие нейтральны или безвредны.

– Резюмируя, направление УНТ перспективное, но…

– Но при этом есть еще много вопросов, которые надо продумать, и проблем, которые нужно решить.

– Скажем, через десять лет нанотрубки будут иметь массовое применение?

– Это возможно. А в некоторых специфичных областях, где это востребованно, внедрение может произойти намного быстрее.

– Сколько лет вы занимаетесь этим направлением?

– Семь лет. В 2016 году я окончил Казанский государственный энергетический университет и с июля уже был младшим научным сотрудником в КФТИ. Тогда наша лаборатория занималась исследованием возможности применения углеродных нанотрубок в литий-ионных аккумуляторах и в водородной энергетике, даже выигрывала крупные гранты. А новым направлением стали как раз электропроводящие композиционные материалы.

У меня было инженерное образование, то есть с точки зрения фундаментального образования нужно было еще хорошенько подтянуть уровень знаний. Пришлось изучать много литературы и, так как направление было новым, много экспериментировать. Например, те методики, которые применялись для упрочнения бетона, не работали в случае полимеров, где совершенно другие концентрации, другие методы, которые мы постепенно развивали. В общем, совершенствовали методику, изучали литературу, добавляли свои идеи и подходы.

– Вы сказали, у вас инженерное образование. Какое именно?

– Электроника и наноэлектроника. Электронные приборы и устройства, светодиоды и так далее.

– А как именно вы попали в КФТИ?

– В 2015 году я задумался о поступлении в аспирантуру. В это время я уже занимался экспериментами на кафедре, писал статьи и участвовал в конференциях. Но в КГЭУ не было бюджетных мест, и я стал искать альтернативу. В этом мне помог профессор, на тот момент заведующий кафедрой физики Вадим Матухин . Он рассказал о физтехе и о перспективном направлении, которое развивают Наиль Сулейманов и Сергей Хантимеров .

Недолго думая, решил познакомиться с Наилем Муратовичем, заведующим лабораторией физики углеродных наноструктур и композитных систем КФТИ. На встречу подготовил краткую информацию о себе, о своих публикациях и достижениях. После этого начал приходить сюда в свободное время и проводить эксперименты совместно с Сергеем Мансуровичем, до поступления в аспирантуру КФТИ успел выступить с новыми результатами на семинаре института и на международной научной конференции. Как-то так я и оказался здесь.

– Это обычный, нормальный путь для человека, который хочет заниматься наукой?

– Я считаю, что это один из правильных путей. Я загодя сознательно определился, куда и к кому хочу пойти и чем хочу заниматься. Также один из правильных путей – это когда студент занимается научной деятельностью в институте и после защиты диплома продолжает развивать свою тематику в аспирантуре, в идеале под руководством того же научного руководителя.

– А когда вы в принципе решили стать ученым?

– В детстве я хотел быть археологом, но ближе к пятому классу начал понимать, что археология, наверное, не совсем мое. Хотелось заниматься такой наукой, где можно создавать что-то новое.

В принципе, я был довольно целеустремленным. Когда учился на втором курсе энергоуниверситета, как-то встретился с друзьями в Азнакаеве – я оттуда родом. Они младше меня на два-три года и еще не успели поступить в вуз. Мы заговорили о повышенной стипендии, и я сказал, что планирую заняться научными исследованиями, выступать на конференциях и публиковать статьи. И первая моя цель – это повышенная стипендия. Друзья мне сказали: «У тебя не получится». Проходит полгода, я получаю повышенную стипендию.

Через несколько лет встречаемся опять, гуляем, обсуждаем, и речь заходит о стипендии Президента России по приоритетным направлениям экономики. Я говорю, что планирую подать на нее документы. Неподалеку стоял мужчина, который это услышал и сказал: «Парень, у тебя ничего не получится». В итоге институт оканчивал с этой стипендией.

– А какая там сумма?

– Кажется, около 16 тысяч рублей. Это с учетом того, что добавлял институт.

Проходит еще какое-то время, и мы с теми же друзьями обсуждаем планы на будущее. Я говорю, что подумываю начать искать руководителя и идти в аспирантуру. Друзья мне: «Да что там делать?!» Объясняю, что мне интересно. И опять-таки недалеко стоял мужчина, уже другой, который сказал: «Парень, у тебя ничего не получится». Я, соответственно, поступил.

Через некоторое время мы снова встретились в Азнакаеве, я начал говорить, что моя следующая цель – стать кандидатом наук. Ну и снова рядом стоял мужчина, который сказал все ту же фразу. И вот в этом году я готовлюсь к защите диссертации.

– Сколько вам лет?

– 31 год.

– Нормально для кандидатской?

– На самом деле, могло быть и быстрее. Но я пришел в новую тематику, в которой почти ничего не знал. Кроме того, в физтехе высокие требования к научной активности. Публикации должны быть в международных журналах, которые входят в WoS и Scopus, и чем высококачественнее журнал, тем лучше. Кроме того, для некоторых моих экспериментов требуются чуть ли не тысячи образцов, каждый из которых тщательно исследуется. В итоге получается один график, который анализируется. И даже этого графика недостаточно для хорошей статьи, поэтому исследования образцов проводятся дополнительно.

Например, мы провели очень интересный эксперимент. Взяли одностенные углеродные нанотрубки, обработали их разными способами, прежде чем ввести в полимер, исследовали, как обработка повлияла на структуру и фазовый состав нанотрубок и как это влияет на электропроводность композиционного материала. Оказалось, что в зависимости от того, как мы обрабатываем нанотрубки, электропроводность по сравнению с необработанными может как улучшаться, так и ухудшаться. Это был интересный результат, и, конечно же, он имеет практическую значимость.

– Какое время занимает сбор тысячи образцов для эксперимента?

– Два года назад я все лето только этим и занимался. Пока шел эксперимент, обрабатывал и анализировал данные предыдущих экспериментов. Параллельно умудрился исследовать данные образцы и другими методами.

– Вы общаетесь с другими молодыми учеными?

– Общаюсь в советах молодых ученых и специалистов нашего физтеха и Федерального исследовательского центра КазНЦ РАН, в который входят несколько институтов. В первом я заместитель председателя, а в ФИЦ – член совета. Кроме того, в самом физтехе мы всегда помогаем друг другу по мере возможностей. Очень часто можно договориться о помощи в проведении эксперимента. Также всегда есть возможность познакомиться с другими молодыми учеными на научных конференциях, форумах, семинарах.

– То есть это работающие, полезные структуры?

– Да. Когда аспиранты приходят в институт, для них это новое место, они не знают, чем лучше заняться. Я считаю, что совет молодых ученых должен стимулировать их развитие, в том числе через проведение разных мероприятий. У нас в институте есть именные премии, и, чтобы за них побороться, молодые ученые и аспиранты выступают, представляют свои работы. К аспирантам могут приравниваться студенты из других институтов, которые у нас работают. Это некий финансовый стимул для молодых людей.

Есть еще гранты физтеха. Здесь молодые ученые и аспиранты опять-таки могут представить свои работы, рассказать, какими исследованиями будут заниматься на следующий год. И тоже получить небольшое финансирование.

Какие от этого плюсы? Более взрослое поколение узнает о новых сотрудниках, которые у нас появились. А новые сотрудники, получая вопросы из зала, начинают определяться, в каком направлении двигаться. Организацией этих мероприятий занимается как раз совет молодых ученых. В любой научной конференции, которую проводит ФИЦ или физтех, задействованы молодые сотрудники и совет молодых ученых. В моем случае это организация технической части конференций, выступлений академиков из другого города или иностранных ученых.

– Ваша отрасль науки может развиваться полноценно без международных связей?

– Я считаю, что нет. Как и любая другая отрасль. Во-первых, есть эксперименты, которые невозможно провести в России из-за отсутствия технических возможностей. Тогда нужно договариваться с зарубежными коллегами о совместной работе, которая принесет пользу и России, и их стране. Но тут следует учитывать тематику исследований.

Во-вторых, развитие науки предполагает получение новых знаний. А если ваше знание не новое, а уже известный в международном научном сообществе факт? Поэтому и нужно знать, что там происходит. Иначе вы будете изобретать велосипед второй раз, а то и пятый, десятый. Казалось бы, можно поискать статьи по тематике, но то, что нужно, находится не всегда, и даже если найдешь, можно остаться с еще большим количеством вопросов в голове. Чтобы решить их, нужно связаться с автором зарубежной статьи. В этом плане очень важны международные научные конференции, на которых можно услышать совершенно новые результаты и оценить тенденции развития тех или иных направлений исследований.

В общем, я считаю, что любая научная отрасль не может развиваться без международного сотрудничества. Государство это тоже понимает, и поэтому существуют мегагранты, в рамках которых для исследований и разработок привлекаются ведущие зарубежные ученые. Кроме того, в Российском научном фонде есть гранты на осуществление исследований совместно с зарубежными научными группами.