От самосборки наноструктур к нанодвигателю

Санкт-Петербург — не только северная столица России, но и один из крупнейших научных центров страны. Здесь существуют и развиваются научные центры, университетские и академические институты самых разных направлений. Сегодня, когда приставка «нано» проникает во все области науки, трудно пройти мимо крупнейших научных центров, занимающихся проблемами нанотехнологий. Одним из таких является Санкт-Петербургский Институт проблем машиноведения РАН, работа которого традиционно посвящена материаловедению, механике и другим направлениям, имеющим применения в технике.

Но и в эти области стремительно вторгаются новые научные подходы, связанные с переходом к наноразмерам. Корреспонденты «Российских нанотехнологий» встретились с доктором физико-математических наук Сергеем Арсеньевичем Кукушкиным, заведующим лабораторией структурных и фазовых превращений в конденсированных средах ИПМаш РАН. Он рассказал нам об основных направлениях нанотехнологических исследований в институте и о последнем открытии, сделанном в его лаборатории.

Сергей Арсеньевич, какие отделения в Институте проблем машиноведения РАН занимаются нанотехнологиями? Каким направлениям уделено особое внимание?

В нашем институте в основном занимаются работами в области механики, гидродинамики. Но в последнее время все больше и больше стали уклоняться в область нанотехнологий. Сейчас и у нас есть несколько лабораторий, которые ими занимаются. Одна из них — это лаборатория доктора наук Ильи Анатольевича Овидько, который занимается нанодефектами в твердых телах. Лаборатория физики разрушения под руководством Юрия Ивановича Мещерякова исследует пластические деформации, возникающие под действием ударных нагрузок. Оказалось, что под действием ударных импульсов в материалах, внутри возникают наноструктуры. По металлам, сталям разной марки стреляют из специальной пушки, и в них образуются сдвиги, полосы. Эти наноструктурированные объекты, как выяснилось, значительно упрочняют материалы. Сейчас ведутся разработки по улучшению качества трубопроводных сталей. В отличие от зарубежных труб, которые полностью разрушались при ударе, образцы, подготовленные в лаборатории, оказались очень стойкими. Это связано именно с наноструктурированной системой. Воздействие удара приводит к тому, что образуется наноструктура, а она в дальнейшем способствует торможению трещин.

В последнее время многие в нашем институте стали заниматься нанотехнологиями. Директор нашего института ИПМаш РАН Дмитрий Анатольевич Индейцев в настоящее время изучает процессы наноструктурирования, в частности — воздействие водорода на материалы и процессы водородного охрупчивания. Это очень интересная работа.

Нанотехнологиями экспериментально занимается Борис Моисеевич Гинзбург. Он изучает возможность применения фуллереновых наноструктур. Оказалось, что если фуллерены ввести в различные смазки, то коэффициенты трения, износостойкость значительно улучшаются, поэтому Борис Моисеевич проводит эксперименты по модификации различных масел фуллеренами.

Я и мой коллега, главный научный сотрудник Осипов Андрей Викторович, в нашей лаборатории исследовали наноструктуры, когда о них еще никто не говорил. Мы занимаемся фазовыми переходами, а раньше — распадами твердых растворов, в процессе которых образуются маленькие частицы. В нашем последнем докладе мы рассказали коллегам, что получили новый способ выращивания нанокарбида кремния.

Сейчас много говорят об организации в России массовых производств, использующих нанотехнологии. Одна из популярных идей — использование нанопорошков. Их производство легко организовать в промышленном масштабе. Вы уже упомянули, что добавление определенных наночастиц в смазки улучшает их свойства. Многие сейчас начинают добавлять нанопорошки в разную продукцию, даже в косметические кремы. Какие есть перспективы использования этих нанопорошков? Они действительно могут принципиально улучшить свойства красок, смазок, износостойкость металлов?

В ИПМаш РАН действительно занимались проблемой, связанной с порошками. Например, велись разработки самоочищающихся покрытий для стекол. Оказывается, если покрыть наночастицами автомобильные стекла, дождевая вода и грязь не прилипают. Получается аналог цветка лотоса: у него определенным образом направлены шипы, образуя подобие гребенки, которая и придает лепесткам гидрофобные (водоотталкивающие) свойства. В искусственном покрытии специальным образом размещаются наночастицы двуокиси кремния. Образуется бугристая структура наподобие расчески. Когда капелька попадает на эту расческу, она находится в неустойчивом положении и начинает скатываться. Если вы создадите покрытие из больших частиц, то ничего такого не будет. Нужны строго определенные размеры. Таким гидрофобным составом можно смазывать обувь и даже спецодежду. О других применениях нанопорошков не могу ничего сказать. Понятно, например, что чем однороднее структура краски, тем она лучше.

Главный научный сотрудник Санкт-Петербургского института проблем машиноведения РАН Осипов Андрей Викторович

А про невероятные эффекты от добавления нанопорошков во все, что угодно, я думаю, что это преувеличение. На мой взгляд, нужно добавлять частицы туда, где это кардинальным образом меняет природу материала. Если эти частицы имеют наноразмеры, но имеют обычные свойства, то я думаю, что их использование — это уже обман. Если же наночастицы обладают новыми, по сравнению с макрочастицами, свойствами, и они могут изменить параметры материалов, то их применение оправдано. Например, обычно в процессе роста пленок, на начальной стадии образуются «островки» — зародыши новой фазы. Они имеют наноразмеры. Но если их просто напылять, не применяя специальных условий, то такие островки не являются наночастицами в полном смысле слова. Эти «островки» содержат дислокации. И это не наночастицы, это обычные зародыши. Но если они были сформированы специальным образом, и дислокации в них не вошли, то эти объекты будут взаимодействовать с подложкой иным образом. В частности, электроны внутри них, образуют нечто подобное атомной структуре, т.е. появятся определенные уровни энергии. Такая структура обладает свойствами наночастицы, и эти свойства абсолютно иные.

Сейчас научное сообщество охватил ажиотаж, связанный с наноиндустрией. Как отделить людей, которые действительно занимаются нанотехнологиями, от тех, кто под это хочет получать деньги?

Это сложный вопрос. Надо смотреть работы. Когда просишь: «Покажи, что ты опубликовал и в каких журналах», а человек начинает теряться, становится понятно, что никаких работ у него нет, только докла- ды на конференциях — значит, за душой у него ничего нет. Единственный критерий в науке очень сложен – это публикации в хороших журналах. Если ученый представляет такие работы, и вы видите, что у него есть либо теоретическое, либо экспериментальное подтверждение, то можно быть уверенным в его компетентности.

Расскажите, пожалуйста, о Вашем последнем открытии? Какие отклики на него можно ожидать?

Думаю, что потихоньку реакция на наше открытие будет нарастать. Вначале нам вообще не верили: говорили, что такое невозможно и что мы идем ошибочным путем, обманываем. А ведь впервые в мире нами осуществлена наносборка. На основе кристаллической матрицы кремниевого тела мы собрали тело другой структуры. Часть атомов углерода присоединили к кремнию, а часть кремния вынули и получили карбид. Мы подобрали физические условия таким образом, что процесс пошел сам, началась самосборка — это качественный скачок. Во-первых, мы осуществили реальную наносборку. В биологии есть много процессов самоорганизации материи. Неорганическая природа не очень часто собирает вещество. Получилось, что в неорганической системе произошла сборка на основе матрицы кремния, и это позволило нам получить слои карбида очень высокого качества. Это нужный материал, и теперь, благодаря нашему открытию, очень дешевый. Думаю, что эта работа займет достойное место.

Для чего будет использоваться карбид кремния?

Карбид кремния — очень востребованный материал. Он обладает уникальными электрофизическими характеристиками, например, химической устойчивостью к высоким температурам. Имея дешевый карбид кремния, можно кремний заменить полностью. Например, подвижность электронов некоторых политипов карбида кремния выше, чем в кремнии. Это значит, что тепла в электроприборах, чипах будет выделяться меньше. В компьютере не нужны будут вентиляторы. Можно было бы делать микросхемы на карбиде кремния. Это новый скачок, новый этап в мировой электронике.

Д. ф.-м. н., профессор, зав. лабораторией С.А. Кукушкин на докладе о последнем открытии, сделанном в лаборатории структурных и фазовых превращений Спб ИПМаш РАН

Второе важное применение карбида кремния — изготовление различных светодиодов, светящихся систем. На него можно класть другие слои: нитрит галлия, нитрит алюминия, и тем самым получать светодиодные структуры не на сапфире, а на кремнии.

Мы дали возможность миру на кремнии сделать дешевый карбид кремния, и теперь можно получать широкозонные полупроводники.

И самое главное: об этом даже помыслить было нельзя — на карбид кремния можно осаждать сегнетоэлектрики, т. е. производить сегнетоэлектрические транзисторы, энергонезависимую память и многое другое. Ни у кого не хватило бы духа напылять дешевый сегнетоэлектрик на пластину стоимостью в 5-10 тыс. долл. Теперь она стоит столько же, сколько пластина из обычного кремния.

От одного из наших коллег даже такое предложение поступило: «А может быть, мы из вашего карбида напылим обмотку и сделаем специальные слои, получим микронанодвигатель?» И это возможно, потому что карбид кремния, в отличие от просто кремния, будет держать высокие токи. Столько перспектив открывается, что о многих мы даже не догадывались.

Обычная лампочка — очень горячая. 99.9 % энергии идет на нагрев, и только доля процента идет на свет. А если использовать элементы на основе карбида кремния и нитрита галлия, то можно получить высокую эффективность отдачи световой энергии. В десятки и сотни раз выше обычной! Получится холодная лампочка, которая в основном светит, а не греет.

Получается, что дальнейшее развитие техники идет таким образом, что физические и химические принципы остаются теми же, но их применение становится эффективнее, повышается КПД приборов и механизмов. То есть, что бы обеспечить городское освещение, можно будет строить в Москве не две электростанции, а одну?

Да, но есть еще один столь же интересный «обратный» эффект. Можно производить солнечные элементы на основе нанокарбида кремния на кремнии. КПД такого элемента примерно в 10 раз выше, чем подобного элемента на основе кремния. Последние в данный момент широко используются. Для космической промышленности это особенно важно: увеличение эффективности на 3 % дает экономию фантастических сумм, потому что доставлять лишний вес на космическую станцию очень дорого. А если поднять эффективность в 10 раз — трудно себе даже представить!

Сейчас существует много предложений по производству принципиально новых светоэлементов. В чем уникальность Вашего варианта на основе карбида?

Наши элементы будут в 10 раз эффективнее, чем, например, поликремниевые. Поликремний работает в области красного и инфракрасного света. Батареи на основе карбида кремния работают в области желтого света, а солнечный свет является именно желтым, и в области ультрафиолетового излучения, которое в изобилии в космосе. Сам карбид кремния всех нужных свойств не имеет, но именно нанокарбид кремния на кремнии обладает такими свойствами, потому что в нем есть нанопоры. Именно они и работают! Физика данного процесса пока нам еще до конца непонятна: предстоит серьезно разбираться, но эффект есть.

Насколько я понял, технология запатентована, и патент принадлежит Вам, что вы будете с ним делать?

Патенты можно продавать, но мы сейчас делаем свое собственное предприятие и надеемся, что сами будем выпускать готовую продукцию, если получим финансирование. Мы подали проект в РОСНАНО. Надеемся, что нам выделят средства, чтобы закупить хоть какое-то оборудование. Нас интересует не столько зарплата, сколько оборудование. Свои изобретения хочется реализовывать в России, это наше моральное право.

Записал Юрий Никифоров © Российский электронный наножурнал

Интервью с проф. С.А. Кукушкиным впервые опубликовано в журнале «Российские нанотехнологии» №11-12 за 2008 г.