В феврале в Информационном центре по атомной энергии прошла научно-популярная публичная беседа, которая транслировалась в эфире «Серебряного дождя». В качестве гостя была приглашена член-корреспондент Академии инженерных наук имени А.М. Прохорова, заведующая кафедрой радиотехники и электродинамики СГУ О.Е. Глухова.
Вместе с ведущей «Дождя над Волгой» Марией Кармановой Ольга Евгеньевна размышляла о возможностях современных наноматериалов. Ольга Евгеньевна рассказала об истории развития наноструктур, исследованиях в этой сфере и широком спектре применения нанотехнологий, которые активно внедряются в нашу жизнь. Только представьте: наноплёнки, «наклеенные на кожу», смогут передавать нам информацию о состоянии здоровья, нанобатарейки продлят жизнь смартфонам, а ещё новые материалы помогут создать альтернативные источники энергии.
– Поговорим о лазерном структурировании материалов. Здесь нам, слушателям, которые не причастны к этой сфере нужно объяснять всё по пунктам и раскладывать для чего это, зачем это и как большие серьёзные учёные пришли к такому направлению исследований. Конечно, здесь даже какая-то предыстория нужна.
– Давайте вспомним: лазер появился где-то в 1950-60-е годы прошлого столетия. Александр Михайлович Прохоров – один из открывателей и создателей лазерного направления. К понятию «лазер» мы привыкли, но есть ещё и понятие «мазер». К моему удивлению, его редко кто упоминает и редко кто о нём слышал. Лазер генерирует излучение в оптическом диапазоне: от ультрафиолетового до инфракрасного. А мазер – такой же генератор излучения, но в диапазоне микроволн.
Лазер мы уже давно применяем. Этим лучом можно разрезать даже крыло самолёта – такая у него мощность. Им можно разрезать какие-то прочные материалы, а можно – очень тонкие. Исследователи задумались: почему бы не применить лазер в нанотехнологиях, которые уже вошли в нашу жизнь?
Нанотехнологии – это новые технологии, работающие с наноструктурами. Оказывается, что листик, толщиной в один атом, например, из атомов углерода, известный как графен, выдерживает домашнюю кошку. У учёных возникла мысль: почему бы из этих уникальных материалов, таких прочных, лёгких, прозрачных не сделать что-то новое. То есть взять эти тончайшие нити, этот прочный листик толщиной в атом, и сделать что-то гибридное. Их так и называют «гибридные структуры». Здесь на помощь пришёл лазерный луч. Как? Мы с вами знаем «сварку», например, сварку металлов. Металлы свариваются за счёт того, что в данном локальном месте идёт перегрев. Атомы различных металлов как бы смешиваются друг с другом, потом эта локальная область остывает и образуется прочное соединение. Тот же самый принцип работает для получения гибридных новых структур из этих тончайших материалов, которые свариваются лазером. Так и называется процесс – наносварка.
Нужно было подобрать определённой частоты длину волны, найти соответствующую установку, чтобы лучик лазера двигался по материалу, чтобы можно было контролировать его мощность и направленность. Такой способ формирования углеродных наноструктур с помощью лазера изобрёл коллектив в составе учёных Саратовского университета и Московского института электронной техники. С нашей стороны – со стороны Саратовского университета, была проведена большая работа по моделированию процесса наносварки. Мы, не побоюсь этого слова, «перебирали» частоты лазера и нашли ту частоту, на которой углеродные наноструктуры поглощают максимум энергии. Для этого мы провели компьютерные расчёты, которыми гордится наша научная группа.
Мы первые в мире это сделали и показали, что надо использовать ультрафиолетовый лазер, а не инфракрасный, который использовался ранее. Мы нашли технологическое решение с помощью предсказательного моделирования и передали его технологам Московского института электронной техники. Они провели экспериментальные работы и показали, что тончайшие материалы действительно свариваются лазером на этой длине волны. Проверили материалы на прочность, электропроводность, подтвердили, что получены прочные, высокопроводящие материалы. Мы вместе с ними получили патент на это изобретение.
Расчёты были очень сложные, проводились с применением квантовых методов, высокопроизводительных вычислений и сложного технического оснащения. Это тонкая работа.
– Со многим мы разобрались. Честно говоря, на кошечках стало более понятно. Мы узнали, что это очень тонкие структуры, которые с помощью лазера свариваются между собой, и из них мы можем конструировать что-то большое, объёмное. А теперь главный вопрос, для чего это надо? Что это вообще даёт?
– Правильный вопрос. Мы далеко ходить не будем, посмотрим на телефоны и вспомним, что там присутствует батарея. Подобные материалы, наноструктурированные лазером, очень перспективны для создания нового поколения батарей, более гибких. Во-первых, они будут легче за счёт того, что это тончайшие наноструктуры. А во-вторых, они могут быть не только прочными, но и гибкими. Он смогут выдерживать растяжение, сжатие. Это удобно, это повышает срок службы наших телефонов, то есть удары и деформации будут для них не так страшны.
Другое направление – новая, «гибкая», электроника. Что же это такое? Мы с вами, например, хотим контролировать наше состояние. Многие из нас носят умные часы. Можно заменить часы на тонкую плёночку, которая будет наноситься на руку и выполнять те же функции. Как известно, максимальное растяжение нашей кожи составляет приблизительно 40%. Значит электронное устройство на наноструктурах должно будет выдерживать его и стабильно работать. Мы начинаем исследования в этом направлении совместно с Московским институтом электронной техники.
– Это какой-то фантастический дивный мир. Кажется, сколько-то десятков лет назад мы ещё не могли себе представить телефон, а ещё через несколько десятков лет мы уже будем просто в наклейках ходить?
– Возможно, это действительно наше ближайшее будущее. Потому что эти углеродные наноструктуры выгодны экономически. Их производят в больших масштабах, очень высокого качества, за сравнительно небольшие деньги.
– То есть, с одной стороны, как мы поняли, это применение наноструктур в технике, в мобильных телефонах, батареях. С другой стороны, это большие возможности в медицинском направлении?
– Медицинское направление – это как раз «гибкая электроника». Её ещё называют носимой или нательной. На базе этих тончайших наноструктур создаются биополимерные матриксы. А именно, наноструктуры помещают в колбу, где находится какой-то белок, например, альбумин, который есть у каждого человека в крови. В него помещается углеродная сваренная наноструктура. На этом каркасе из углерода располагаются белки, каркас прочный, гибкий, и белки теперь имеют опору, это называют «армирование».
Для чего это делается? Для того, чтобы создать подобие имплантов. То есть, новый биосовместимый материал, который не будет отторгаться организмом. Из него делается небольшая плёночка, которая, например, используется, как «заплатка» на сердце. Что мы видим: этот материал, эластичный, прочный, выдерживает удары сердца, к тому же он проводящий – это нужно для мышц миокарда. Такие интересные эксперименты уже неоднократно проводились на базе Сеченовского университета на крысах, и эти исследования показали отличные результаты.
– Наверняка ведь есть ещё сферы, даже в медицине, в которых могут применяться наноструктуры?
– Да, есть ещё направление, в котором применяются биополимерные каркасные матриксы. Это восстановление хрящевой ткани в наших суставах, тоже очень важное и перспективное направление. С возрастом или по каким-то другим причинам наша хрящевая ткань изнашивается, постепенно сустав становится недееспособным. Белковые матриксы помещаются в сустав, и на них начинает расти клетки хрящевой ткани. Ткань восстанавливается, а биоматериал постепенно растворяется в организме. Организм выращивает на нём клеточки, расплавляет его и выводит.
– За счёт чего это попадание происходит, можно ли его предугадать или это только методом проб можно осуществить?
– Первоначально проходят исследования в лабораторных условиях, не на суставах, а просто на хрящевой ткани. Учёные смотрят, как и чем можно стимулировать её рост. Оказывается, этим биоматериалом вполне можно. Насколько я знаю, это уже очень успешные исследования. В дальнейшем на протяжении нескольких лет проводятся доклинические испытания, пока применение технологии не будет разрешено. Прогнозировать этот процесс просто невозможно.
Какой здесь может быть минус? Здесь отрицательной стороны нет, но у многих в мире остаются сомнения: как же вводимые в организм углеродные структуры будут из него выводиться. Они тончайшие, по сравнению с ними любая клетка – это огромный слон. Исследования многих российских коллег уже показали, что они прекрасно выводятся.
– Каждый ли раз мы говорим об одном и том же составе этих новых материалов?
– Я говорила только про углерод, но на самом деле используется не только он. Пример – техническая электроника, «электронные пушки». Такие мощные источники тока очень нужны в современных приборах, они используются, например, при навигации, востребованы в астрофизике, космонавтике. Например, если мы отправляем ракету в космос, чем больший ток выдает «пушка», тем более точная траектория будет у нашего корабля. А точность «пушки» зависит от материала, из которого она сделана. Здесь опять используется углеродная структура, но уже модифицированная атомами других элементов. Например, щелочными: литий, натрий, калий. Этот функционализированный материал даёт больший ток, чем его аналоги. Мы в Саратовском государственном университете тоже проводим исследования, целью которых является поиск лучшей модификации.
– Как этот поиск сегодня происходит? Учёный сидит за компьютером и рассчитывает, рассчитывает, бесконечно рассчитывает?
– Да, это бесконечные длительные расчёты. Один расчёт может и неделю, имесяц длиться. Компьютерное и квантовое моделирование всегда очень сложное и длительное по времени.
– Если в медицине нам нужны клинические испытания, то в случае, например, с электронными пушками можно быстрее применять технологии?
– Да, это гораздо проще. Мы сотрудничаем с несколькими предприятиями, в том числе с научно-производственным предприятием «Алмаз».Ищем методы модификации углеродных структур. Здесь наши результаты быстро доходят до технологий, могут быстро проверяться и сразу уже внедряться. Быстрая работа, последовательная, чёткая.
– Очень приятно слышать, чем именно наши саратовские учёные занимаются и работают над тем как результаты этих исследований могут быть применены в будущем. Может, есть что-то ещё, какие-то другие сферы использования?
– Есть, конечно, ещё много возможностей. Например, все мы знаем, что требуется альтернативная, экологически чистая энергия. Здесь подобные углеродные материалы, полученные лазером, оказывается, тоже могут быть применимы. Это новое направление. Сейчас мы тоже занимаемся этими исследованиями. Есть у нас уже некоторые результаты по проведённым нами расчётам: мы проверяем материалы на поглощение энергии и протекание тока.
– Есть что-то, чего мы ещё не знаем, что ещё предстоит изучить, модернизировать?
– Мы не знаем следующее: если на эти структуры послойно, по атому, укладывать плёночку из другого материала, то что мы получим в результате, какой ток будет между этими слоями? А от этого зависит то, где мы будем применять эти структуры, в каких транзисторах. Мы не знаем, что будет в результате и какие будут свойства. Это не исследовано, это ещё предстоит изучить. Может, вообще появится другой материал, не чисто углеродный, а, например, композитный. Этот процесс будет проходить с помощью квантового моделирования высокопроизводительных вычислений, которое займёт годы. Весь мир сейчас нацелен на поиск новых материалов. По моему мнению, сейчас именно материаловедение является наиболее актуальным. Потому что каждый новый материал – это новые возможности.
– Мы много говорим о плюсах наноструктур: это и экономичность, и широта применения, простота в какой-то степени. Есть ликакие-то неизученные свойства или минусы у этой технологии?
– Явных минусов здесь нет. Может быть, небольшие недостатки в том, что подобные структуры, например, графен, «любят» на себя абсорбировать различные молекулы и атомные группы. То есть на них активно садится кислород и другие молекулярные структуры, что приводит к изменению свойств. Это контролировать довольно сложно. А преодолеть этот минус можно, изначально заложив возможные изменения свойств. У любого устройства есть допущение изменения технических характеристик, вызванного температурными перепадами и деформациями.
– Мы уже достаточно объёмно поговорили о лазерном структурировании материалов, о новых материалах, которые открывают нам принципиально иные возможности. И здесь, конечно, есть немаловажный вопрос технологии и первенства в том, чтобы что-то новое изобрести. С кем здесь российские учёные конкурируют, в чём наше преимущество?
– Наша научная группа – одна из мировых лидеров. Скромничать не буду, потому что это так и есть. Мы применяем не только стандартные программные пакеты, которые используются во всём мире. Мы разрабатываем и свой программный пакет. Точнее, это цифровая платформа, полностью отечественного производства, и даже, я бы сказала, производства нашего Саратовского университета. У нас есть уникальный вычислительный блок, который не реализован ни в одном программном продукте мира. Кстати, с помощью этого блока мы нашли ту длину волны лазера, которой надо сваривать углеродные наноструктуры. Эта платформа называется «Квазар». Более того, есть вариант «Квазара», к которому можно получить доступ, отправив заявку. Это современно, популярно.
Подготовили Лия Емельянова, Лариса Суворова
