Владимир Рыбалко, доцент факультета электроники и телекоммуникаций МИЭМ НИУ ВШЭ
Строго говоря, термин «нанотехнологическая революция» пока звучит слишком громко, отметил доцент. Число научных публикаций, посвященных развитию нанотехнологий, за последние годы не слишком росло. По данным российского Нанотехнологического общества, лидером здесь являются США, где в 2012 году таких статей было около 400 тыс. На втором месте страны ЕС — с 340 тыс. публикаций, следом идут Китай и Япония. Российские ученые, когда-то бывшие на одном уровне с европейскими, последние шесть лет выдавали лишь около 30 тыс. публикаций в год.
Исследования в области нано сегодня ведутся по нескольким направлениям. Во-первых, это тонкие пленки и пленочные структуры — им посвящена примерно четверть всех публикаций. Во-вторых, нанодисперсные порошки. Затем идут наноразмерные структуры, наноразмерные изделия и, наконец, наномодифицированные материалы. Чтобы понять, что такое наноразмер, надо знать, что нанометр — это одна миллиардная часть метра, или одна тысячная микрометра. «Хороший человеческий волос имеет диаметр 150–200 мкм, один нанометр в 200 тыс. раз меньше», — пояснил В.В. Рыбалко.
«Московские новости» выбрали несколько примеров того, как нанотехнологии могут быть использованы в обычной жизни сегодня и в будущем.
1. Графены для гаджетов
Примером наноразмерных изделий может служить графеновый лист — двумерный слой из атомов углерода толщиной в один атом. Один из способов получения графена — расщепление на отдельные слои обычного графита. Именно за получение и исследование свойств графена российские ученые Андрей Гейм и Константин Новоселов в 2010 году получили Нобелевскую премию. До них считалось, что наноструктуры такой толщины слишком неустойчивы и получить их невозможно. «Китайцы пытались растворять графит, чтобы он расслаивался, американцы — разбивать его потоком тяжелых частиц, а наши — как всегда: какая химия, какие ионные технологии — кусок графита и кусок скотча, и Нобелевская премия в результате», — пояснил В.В. Рыбалко. Образцы графена, по его словам, были добыты с помощью довольно остроумной технологии, которая в упрощенном виде сводится к следующему: «Они взяли кусочек качественного графита, приклеили к нему скотч — оторвали, затем к оторванному еще один — снова оторвали, и так до конца, пока не получили один слой». Сейчас ведутся активные разработки по созданию транзисторов на базе графенового листа, которые могут с успехом использоваться в электронной аппаратуре, например сотовых телефонах.
2. Грузите водород нанотрубками
Противники вредных автомобильных выхлопов давно лелеяли мечту о создании водородного двигателя. Сейчас водородомобили уже существуют: так, автомобиль Honda FCX, использующий в качестве топлива водород, в 2009 году завоевал звание World Green Car of the Year («Зеленый автомобиль года»). Водородный двигатель мог бы стать заменой недолговечным аккумуляторам, которые используются в современных электромобилях. Но способов безопасного хранения водорода пока не придумано. Чтобы его зарядить, автомобилисту пришлось бы возить гремучий газ с собой в специальных баллонах. «Положите такой баллон в багажник, начнет подтекать вентиль, малейшая искра — будет взрыв», — отметил Рыбалко. Выходом может стать использование тех же графеновых листов в виде нанотрубок (свернутых в трубку листов). Если засыпать их в баллон, они будут абсорбировать водород, и тот сможет выйти наружу лишь при стимулирующем нагреве. Таким образом, его транспортировка станет практически безопасной.
3. Когда можно будет мыть машину в мороз
Автомобилистам знакома еще одна проблема: мыть любимую машину зимой нежелательно. Лак, которым покрывают машину — твердый и хрупкий, а глянцевая поверхность на самом деле представляет собой горный рельеф, в микротрещинах которого вода замерзает. Превратившись в лед, она расширяет собой трещину, это вызывает разрушение лакового покрытия и в конечном счете коррозию металла. Чтобы этого не случилось, в лакокрасочные покрытия для автомобилей надо добавлять наномодификаторы — они придадут лаку упругость. Как только вода испарится, стенки микротрещинки снова сойдутся. Некоторые автоцентры уже используют такие лаки, помимо этого, наномодификаторы можно добавлять и в моторные масла и топливо.
4. Космический лифт
Наноматериалы можно использовать и для создания совершенно новых видов транспорта. Один из таких проектов — космический лифт. Его идею Константин Циолковский предложил еще в 1895 году, сейчас этот проект реализуют в Японии. Лифт будет представлять собой трос, один из концов которого закрепят у земной поверхности, а другой будет поддерживаться с помощью установленного в космосе противовеса за счет центробежной силы вращения Земли. От Земли до орбиты по тросу будет двигаться специальный подъемник.
По словам Рыбалко, раньше этот проект рассматривался лишь теоретически — «непонятно было, из чего делать канат, на котором этот лифт будет висеть. Из стали его делать нельзя, потому что длина каната должна быть огромна, и его общий вес сталь просто не выдержит». Здесь нужен более прочный и легкий материал — он может быть создан на основе нанотрубок. Их прочность в пять раз выше так называемых инструментальных сталей, а вес почти на порядок меньше. Японцы собираются запустить космический лифт к 2050 году.
5. Нанороботы против рака
Минимальный размер частицы, которую может рассмотреть человек — 100 мкм. Нанороботы в десять раз меньше, вместе с белковыми молекулами они будут вводиться в организм человека и позволят уничтожать больные клетки, не трогая при этом здоровые. Наносенсоры, прикрепленные к молекуле, будут отличать одни клетки от других по уровню кислотности — раковые клетки имеют другой pH. При этом клетки разных органов тела тоже отличаются между собой — благодаря этому можно было бы доставлять лекарство прямо в тот орган, который нужен. «Сейчас для того, чтобы один миллиграмм лекарства попал в печень, нужно выпить 10 мгм, 9 из них разойдутся по всему организму и непонятно как подействуют на другие органы», — пояснил Рыбалко. Исследования, как этого можно было бы избежать, проводились в Военно-медицинской академии в Санкт-Петербурге еще в 1968 году, но затем они были свернуты.
В 2012 году сообщалось, что первого ДНК-наноробота для борьбы с раком создали Шон Дуглас и его коллеги из института Wyss Гарвардского университета США. Спустя год появилась новость, что подобных роботов создали также в Корее и Израиле.
6. Не слышать соседей за стеной
Уже сейчас из наномодифицированных материалов серийно выпускаются звукоизоляционные блоки с высокой эффективностью. Это панели толщиной в 10–20 мм, которыми можно обшить стены даже в малогабаритной квартире. Одна из компаний, занимающаяся их производством, использует, например, материал на основе фибры и эпоксидной смолы, модифицированный фуллероидными частицами. Такие панели обладают очень высокой прочностью. «Отломить от листа толщиной в 10 мм хотя бы угол я не смог», — поделился опытом В.В. Рыбалко. Стоимость таких панелей при этом не слишком высока, по словам профессора, лист размером 120 см стоит около 230 рублей.
7. Нанобетоны и сейсмодатчики
Обычный бетон гигроскопичен — он пропитывается влагой, из-за колебаний температуры начинает разрушаться, это уменьшает срок службы зданий. В то же время если при его изготовлении использовать наноматериалы, это позволяет повысить срок эксплуатации здания в несколько раза. С помощью наноструктур и наномодифицированных материалов также разрабатываются сейсмодатчики, которые вмуровываются прямо в бетон. Они дают информацию не только о колебаниях здания, но и о напряжениях, возникающих в отдельных узлах конструкции. Если вы забьете в поиск в интернете «наномодифицированные бетоны» — вы найдете сотни компаний, которые занимаются их исследованиями и разработками, некоторые из них уже запущены в производство, отметил профессор.
Доживем ли до нано
Объем рынка нанопродукции в США к 2015 году достигнет $1 трлн, в других странах он будет меньше. По данным компании Nanotechnology Research, в 2011–2012 годах число наименований изделий, связанных с нанотехнологиями, которые продавались во всем мире, не превышало 1500. При этом, если отбросить США, государства ЕС, Корею и Китай, на оставшиеся страны, включая Россию, приходилось всего 70 наименований. Деньги на исследования тратятся достаточно серьезные, но промышленная реализация их результатов пока развивается «как-то вяло», поэтому конкретные сроки их внедрения в жизнь назвать трудно, считает В.В. Рыбалко.
В то же время уже сейчас можно сказать, что производство материалов с гораздо более высоким сроком службы должно привести к значительному сокращению рабочих мест в производстве. Для использования нанотехнологий будут требоваться люди с высоким уровнем инженерного образования, а не просто рабочие. Вероятно, люди будут переориентироваться в сторону творческих профессий, в первую очередь гуманитарных. «Стиль, образ жизни, может быть, даже место проживания будут меняться», — уверен профессор.