Станет ли Графеновой Кремниевая долина?

Корреспондент пресс-службы Нефтяного побывал в Научно-исследовательском центре коллективного пользования (НИЦКП) «Нанотехнологии и наноматериалы» ГГНТУ.

Когда я пришел в лабораторию НИЦКП, здесь кипела работа, несмотря на то что был уже конец рабочего дня. Директор исследовательского Центра с интересом разглядывает что-то под микроскопом, молодой человек то и дело подбегает к нему с тетрадью, показывая результаты и консультируясь по каким-то технологическим вопросам. В соседнем помещении еще трое сотрудников разглядывают изображения на мониторе и о чем-то оживленно спорят. «В этом нет ничего странного, - отвечает мне директор центра Вахид Хумаидович Межидов, когда я намекнул на конец рабочего дня, - наши сотрудники работают и допоздна, и по выходным. Работа ведь увлекательная».

Вахид Хумаидович не обманул. За тот час с небольшим, что я провел в лаборатории, я узнал столько нового и интересного, что порой не смел прерывать рассказ директора НИЦКП. Некоторые вещи казались просто невероятными. Но в них пришлось поверить, так как доказательства были перед глазами.

- В 2009 году ректором ГГНТУ был издан указ о создании Научно-исследовательского центра коллективного пользования (НИЦКП) «Нанотехнологии и наноматериалы», - начал рассказ Вихид Хумаидович. – А уже в сентябре 2010 года начался ремонт помещения, подготовка к покупке оборудования. Этой лаборатории нет и года.

- Эта лаборатория – ваше детище?

- Не совсем. В 1993 году я уехал из республики, когда уже были все предпосылки к тому, что начнутся военные действия. Работал в г. Муроме завкафедрой физики, а затем переехал в Москву и стал работать в институте нефтехимического синтеза РАН, занимался там вопросами наночастиц. Но Грозный для меня - родной город, ведь жил я здесь с 1957 года, и все это время работал в Нефтяном. Я всегда говорил, что если будут дома созданы все условия для плодотворной работы, то я вернусь назад. И условия такие были созданы.

РЭМ «Quanta 3D»

- А что это за микроскоп такой?

- Это растровый электронный микроскоп (РЭМ) «Quanta 3D» американского производства, который позволяет увидеть частицы размером в три и более нанометра (1 нанометр – 1 миллионная доля миллиметра – прим. авт.). Если частица имеет размер больший, чем три миллионные доли миллиметра, то он позволяет сфотографировать ее и представить объемное изображение этой частицы.

Прибор также позволяет снять верхние слои частицы (так называемое травление частицы) и заглянуть внутрь. Толщина снимаемого слоя – доли 1 нанометра. Таким образом, можно углубиться внутрь частицы, рассмотреть ее изнутри, узнать, нет ли в ней каких-то включений, других элементов. Каждый раз, снимая слой толщиной в несколько атомов, микроскоп позволяет изучить частицу по слоям.

Помимо представления объемного изображения частицы и ее травления с помощью прибора можно определить химический состав частицы. Это очень важный момент, поскольку для исследователей металлических сплавов, или, к примеру, твердых растворов, очень важно знать химический состав вещества. Вот такие три задачи удается решить с помощью данного микроскопа.

Микроскоп также очень полезен при создании новых материалов, поскольку он видит мельчайшие поры и трещины, включения, естественно, нанопорядка.

- Микроскоп, видимо, очень дорогой.

- Да, стоимость микроскопа около 40 млн. рублей со всеми его приставками. Его обслуживание тоже обходится недешево. Плюс в помещении должны быть соблюдены режимы температуры, влажности, вибрации, шума и т.д. Но, уверяю вас, он того стоит. К тому же такое оборудование единственное на Северном Кавказе…

- …и, конечно же, работать на нем должен хорошо обученный специалист.

- Такие специалисты у нас есть. Сейчас на этом приборе работает доцент кафедры «Общая химия» Аманта Даудова и выпускник нашего университета Мурат Эльмурзаев. Они изучали соответствующую литературу и получали консультации у специалистов. Пойдемте, сами все увидите, - приглашает Вахид Хумаидович в соседнюю комнату.

НАНОЦЕМЕНТ

Если бы мне не объяснили заранее, я бы ни за что не догадался, что стоящий на железной подставке громоздкий предмет с массой проводов и трубок – микроскоп. Мои представления об этом увеличительном приборе были несколько иными.

Сотрудники НИЦКП за работой

- Осторожно! Там высокое напряжение, - предупреждает меня Вахид Хумаидович, когда я попытался рассмотреть и сфотографировать чудо-микроскоп со всех сторон.

Тем временем директор НИЦКП с коллегами рассматривают изображения на мониторе и разговаривают о не совсем понятных мне вещах. Доцент кафедры «Общей химии» Фатима Мачигова подходит к другому компьютеру и записывает какие-то данные.

- Я работаю на анализаторе частиц, - поясняет Фатима и указывает на прибор, который я вначале принял за принтер, - он определяет размеры и количество частиц в среде, чего не может сделать РЭМ. Этот японский прибор дополняет микроскоп.

- Приходилось прежде работать на таком оборудовании? – улучив момент, спрашиваю у Мурата Эльмурзаева.

- Нет, и мало у кого есть такая возможность. У этого микроскопа очень большой потенциал. Можно добавлять все новые и новые приставки, и он будет приобретать новые функции. При помощи микроскопа можно не только наблюдать, но еще и конструировать. Я очень рад тому, что мы, можно сказать, пионеры в этом направлении. Мне и Салману Висханову предложили работать здесь еще будучи студентами. Сам я строитель по образованию, и мне интересно на наноуровне изучать различные строительные материалы. Например, цемент. Его мы как раз и изучаем в данный момент, - кивает в сторону монитора Мурат. - Нанодобавки значительно улучшают характеристики при производстве бетона.

Цементная пыль, увеличенная в миллионы раз

- Достигнуты ли какие-то результаты? Или за такое короткое время это невозможно?

- Достигнуты, да еще какие! – подключается к разговору Вахид Хумаидович. - Мы нашли способ на десятки процентов увеличить прочность бетонных изделий. Сейчас мы проверяем данные, чтобы не ошибиться где-то, и оформляем патент. Мы занимаемся физикой и химией строительных материалов. А что такое бетон? Это смесь цементной пыли и воды. Ученые 200 лет спорят о том, как именно появляется такая прочность при смешивании двух ингредиентов. Скажем так, что мы пошли своим путем в решении этой проблемы и пришли к совершенно неожиданным результатам. Я сейчас не хочу раскрывать секретов. Скажу лишь - мы обнаружили то, что доселе никем не было описано.

- Как скоро нанотехнологии будут активно применяться?

- Сказать сложно, - отвечает Мурат Эльмурзаев. - Но однозначно можно сказать, что от этого нам никуда не деться. Все от нас зависит.

- Да-да, именно от молодежи зависит продвижение науки вперед, - согласен Вахид Межидов. – Мне очень хотелось бы, чтобы талантливые ребята, рассчитывающие на собственные силы, которые хотят создать свою судьбу, пришли в нашу лабораторию. Пусть попробуют себя на этом поприще. Таких студентов мало, но они у нас есть – Мурат Эльмурзаев и Салман Висханов тому подтверждение. У нас в университете сейчас созданы все условия, чтобы успешно заниматься наукой. Руководство ГГНТУ и лично ректор Хасан Таймасханов очень серьезно отнеслось к новым исследованиям и уделяют огромное внимание нашей лаборатории, у сотрудников повышенная зарплата. Руководство понимает, что здесь должны работать люди знающие, увлеченные, и поэтому университет, как может, стимулирует наших работников.

ОДЕЖДА С ТЕРМОРЕГУЛЯТОРОМ

После небольшой экскурсии по лаборатории мы продолжили разговор с Вахидом Хумаидовичем о наночастицах.

- Не все наши читатели, в их числе и я, не совсем понимают, что такое нанотехнологии. Не могли бы вы объяснить?

- Многие вещества образуют кристаллические решетки, как металлы, так и неметаллы. Эти решетки можно сравнить с ДНК, которая несет в себе всю информацию об организме, определяет его свойства. Так и кристаллическая решетка веществ определяет их свойства. От того, какая структура кристаллической решетки, зависят свойства вещества. У разных веществ могут быть одинаковые решетки, допустим кубические. Но важно здесь также и расстояние между частицами, их величина и прочее. Изменить эту решетку очень трудно. Даже когда делают сплавы, смешивая тем самым несколько металлов и придавая им другие свойства, структура решетки мало меняется. Здесь решетки просто перемешиваются. Редко когда удается заменить один атом другим, но не более того.

Анализатор частиц

А вот наночастицы такие маленькие, что атомы в них не могут организовать родную кристаллическую решетку. Для того, чтобы решетка образовалась, необходимо определенное количество атомов. И если их не хватает, то они образуют то, что удается. И получается совершенно новая кристаллическая решетка, доселе небывалая. И свойства у этого вещества меняются, причем кардинально! Частицы изолятора начинают проводить электрический ток, вещество не было полупроводником – оно им становится. Вещества могут приобрести другую теплопроводность, другую прочность, другую упругость. Каждый добавленный или убранный атом из кристаллической решетки может сыграть главную роль. Возьмем, к примеру, золото. В зависимости от размера частиц, оно может иметь разный цвет: желтый, красный, фиолетовый – какой хотите! Просто в этих частицах разное количество атомов. Наномир – это мир таких частиц.

- И как же можно изменить количество атомов в частицах?

- С помощью прибора под названием атомно-силовой микроскоп. У него есть острая игла – на конце располагается всего несколько рядов атомов. И если на пути этой иглы появляется атом, то проходит электрический ток через иглу, атом и ту поверхность, на которой он расположен. Ток позволяет перетащить атом в то место, куда вам нужно. А наночастица, в которую вставляют новый атом, «с радостью» принимает «гостя», так как для классической решетки атомов ей не хватает. И структура решетки тут же меняется.

- Как было обнаружено, что свойства веществ могут меняться?

- Сначала были обнаружены так называемые углеродные трубки. Графит, то вещество, из которого делают стержни для карандашей, состоит из углерода. Но и алмаз так же состоит из углерода. Вся разница в количестве связей: в графите их у углерода три, а в алмазе – четыре. Отсюда и разные кристаллические решетки. Графит испаряли лазерным лучом, а потом в этом сосуде обнаружили странные стержни. Начали их изучать, оказалось, что это трубки. Выяснилось, что мельчайшие листы графита, так называемый графен, сами по себе сворачиваются в трубки. И у этих трубок обнаружились разные свойства в зависимости от их диаметра и длины. Таким образом и было обнаружено, что свойства веществ меняются в зависимости от количества атомов в наночастице.

Графен является исключительным материалом для создания источников энергии. Он трансформирует свет в энергию самым оптимальным образом. Слой графена можно добавить при производстве стекол (а один слой атомов углерода прозрачен). Но ученые пошли еще дальше в своих теориях: можно будет зашить слой графена в одежде! То есть, одежда будет с терморегулятором. И не нужно будет покупать кучу ненужных вещей. Вещи надоедают, скажете вы. Есть решение и этой проблемы: некоторые наночастицы меняют свой цвет под воздействием температуры. Поэтому можно задать и менять по желанию цвет брюк или рубашек.

САЛФЕТКА-МОНИТОР

- Это кажется нереальным. А возможно ли с помощью нанотехнологий графит превратить, скажем, в алмаз?

- Можно сделать еще лучше. Сейчас уже создано вещество тверже алмаза в полтора раза. Создано оно на основе фуллеренов. Идеальный графен состоит исключительно из шестиугольных ячеек, то есть ячейку образуют шесть атомов углерода. Присутствие пяти- и семиугольных ячеек будет приводить к различного рода дефектам. Наличие пятиугольных ячеек приводит к сворачиванию атомной плоскости в конус. Структура с 12 такими дефектами одновременно известна под названием фуллерен, представляющий собой выпуклый замкнутый многогранник, похожий на шар. Если этих шаров много, то они начинают сами по себе выстраиваться в новую структуру, доселе неизвестную. И это новое вещество на 50% тверже алмаза. Теперь исчезнет проблема обработки алмазов, а, значит, бриллианты станут дешевле.

- Сложно ли получить графен, нанотрубки или же фуллерены?

- Вся сложность заключается не в получении самого графена или фуллерена, а в получении их размеров. Нам бы конечно хотелось получить большие плоскости. Но пока получают только микронные и миллиметровые размеры. Трубки получают сантиметровые. Но это не так страшно, ведь изучение графена начато совсем недавно. Фуллерены сперва получали только состоящие из 60 атомов, а потом 70, 80, а сейчас и 500.

- И в какой же сфере можно применить тот же графен?

- Да в какой угодно. Самое близкое по времени применение – в электронике. Скоро Кремниевую долину придется переименовывать в Графеновую. Вспомните, как совсем недавно выглядели мониторы: большие, громоздкие. А сейчас тонкие. А совсем скоро монитор будет представлять собой салфетку, которую можно свернуть и положить в карман. Создан радиоприемник размером 9 микрометров. А некоторые человеческие клетки раза в два больше. Это говорит о том, что нанотехнологии можно будет применить в медицине при лечении, скажем, раковых опухолей. Самое первое, что можно будет достигнуть с помощью нанотехнологий, – это продлить жизнь человеку. Ведь многие болезни сложно выявить на ранних стадиях. Уже сейчас «научили» наночатицу садиться только на пораженную клетку. Осталось только придумать, как «посадить» туда лекарство, которое бы убило раковую клетку.

- С какими проблемами может столкнуться человечество при применении нанотехнологий?

- Всякое новое открытие, к сожалению, приводит к созданию оружия, как это было с открытием радиоактивности. Это инструмент. В руках хорошего человека – это хороший инструмент. В руках плохого – плохой. Но человечество гуманизируется, использование научных достижений на благо человечества выходит на первый план.