Материал будущего? Интервью с Ольгой Демичевой о применении углеродных нанотрубок

Нанотехнологии позволяют управлять процессами наномира и использовать его уникальные свойства. Это перспективное направление науки, которое становится основой для развития новых технологий. Например, с помощью углеродных нанотрубок ученые видоизменяют клетки и их свойства, используют нанотрубки как капсулы для транспортировки лекарств, создают компоненты для наноэлектроники и фотоники. А еще «щепотка» нанотрубок в составе бетона делает строительство дешевле, а сам материал прочнее. Об этом наш разговор с заведующей лабораторией углеродных наноматериалов Российского нового университета Ольгой Демичевой.

— Ольга Валентиновна, расскажите о лаборатории углеродных наноматериалов РосНОУ. Как вы начали заниматься исследованиями в области нанотехнологий?

— Наша лаборатория открылась в 2008 г. В это время углеродные нанотрубки и углеродные наноматериалы переживали бум. Интерес научного сообщества был сконцентрирован вокруг углеродных наноматериалов и проявлялся в виде большого числа научных публикаций.

Ректор РосНОУ Владимир Алексеевич Зернов выделил специальное помещение для лаборатории, в нем было установлено все необходимое оборудование — тяги, отдельные боксы и пр.

Перед приглашенными специалистами стояли сложные задачи, связанные с наиболее экономичным синтезом углеродных нанотрубок и технологиями их применения. Подобные задачи раньше решали отдельные научно-исследовательские институты и учреждения. Помимо этого, необходимо было наладить связь между промышленностью и конкретными лабораторными разработками.

Для этого в РосНОУ было организовано малое инновационное предприятие «Центр нанотехнологий», направленное на производство углеродных нанотрубок. Благодаря центру нам удалось наладить связь между производством и наукой. Предприятия, которым нужен нанопродукт, обращаются в Центр нанотехнологий. А мы, в свою очередь, выполняем конкретные задачи по созданию этого продукта. Кроме того, мы помогаем внедрить его в производство.

За годы работы мы создали множество разработок, в том числе используемых в генной инженерии. Например, мы в десятки раз повысили производительность генной модификации растений.

— За счет чего удалось этого достичь?

— Ранее в качестве носителей генов использовали микроскопические шарики золота. Проблема состояла в том, что шарики гладкие и круглые. Поэтому гены плохо держались на них, а производительность генной модификации была очень невысокой.

В нашей лаборатории мы использовали полые короткие нанотрубки с острыми концами. Как оказалось, раствор определенных генов очень хорошо входит внутрь нанотрубки.

— Какова сфера применения нанотрубок?

— Нанотрубки используют в самых разных областях. Их применяют при производстве строительных материалов, в том числе бетона, клеевых соединений и составов, в лакокрасочной промышленности, в медицине и сельском хозяйстве. В последнем направлении мы активно сотрудничали с Российским государственным аграрным университетом — МСХА им. К.А. Тимирязева.

Надо сказать, что нанотрубки — очень интересный объект, поскольку они имеют как наноразмер, так и микроразмер. Длина нанотрубки составляет несколько микрометров. Поэтому они могут преобразовать любой композиционный материал и на микроуровне. А небольшие добавки углеродного наноматериала изменяют физические свойства больших объектов, например, бетона. Если мы введем всего лишь 1 г нанотрубок и равномерно распределим по 1 м³ бетона, то получим состав, пригодный для строительства мостов, аэродромов, требующих повышенной прочности. Такой бетон устойчив к влаге и морозу. Увеличивается его трещиностойкость, поскольку нанотрубки «сшивают» кусочки материала на микроуровне, предотвращая появление трещин. И, конечно, такой бетон можно использовать при строительстве домов для укрепления фундамента на сейсмонеустойчивых территориях.

Углеродные нанотрубки уникальны еще и тем, что представляют собой некую единую молекулу. Кроме того, они обладают уникальной электро- и теплопроводностью, как и некоторые другие наноматериалы, например графен. По сути, нанотрубки — это свернутый в трубку графеновый лист. За счет этого они в отличие от графена обладают уникальной сорбцией. Сорбционные свойства позволяют применять нанотрубки в медицине.

Помимо этого, нанотрубки используют в качестве контейнеров — например, для безопасной переноски водорода. Благодаря высокой электропроводности нанотрубки могут кардинально изменить свойства того или иного материала — например, защитить от статического электричества. А еще нанотрубки эффективно поглощают свет. Поэтому их добавляют в прозрачные лакокрасочные материалы, чтобы предотвратить негативное воздействие ультрафиолета.

— Речь идет о наноразмерах. Как специалисты работают с нанотрубками?

— Безусловно, чтобы работать с нанообъектами, требуется очень много усилий. Представьте волокно наноразмеров в диаметре и микроразмеров по длине. Напоминает вату со спутанным волокном. В нашей лаборатории мы как раз и пытаемся облегчить процесс работы с нанотрубками для производителей, которые к нам обращаются.

На первой стадии необходимо разделить волокна. Затем — обработать их для создания прочной химической связи с материалом производителя. Либо, наоборот, подготовить дисперсию нанотрубок в растворе для применения в конкретном производстве.

В работе активно участвуют студенты-наноинженеры РосНОУ, проходящие практику в нашей лаборатории. Не так давно в вузе было организовано направление «Наноинженерия», первый выпуск студентов состоится в 2023 г. Они участвовали в разработке промышленных технологий, проходили в лаборатории преддипломную практику.

— Какие задачи они решали в рамках практики?

— Например, одна из интереснейших задач связана с разработкой методики нанесения углеродных нанотрубок в микронном слое прозрачного полимера на оптоволокно. Дело в том, что при работе с нанотрубками очень сложно равномерно распределить их по поверхности и пересчитать. Нанотрубки гидрофобны, то есть не любят воду, и инертны, как любой углерод. Они ни с чем не связываются. Поэтому нужны специальные методики и подбор поверхностно-активных веществ для разведения нанотрубок и удержания их во всем объеме раствора. Что и удалось реализовать нашим студентам.

— Вы упомянули, что бум исследований пришелся на 2008 г. Можно ли сказать, что сегодня о нанотрубках ученым известно все?

— Конечно, нет. Область применения нанотрубок постоянно расширяется. А вместе с этим появляется огромное количество научных публикаций.

Правда, сегодня о нанотрубках говорят гораздо меньше. Хотя и в настоящее время создаются прорывные работы, например те, которые сконцентрированы на сочетании нанообъектов. Сравнительно недавно благодаря сочетанию графена и углеродных нанотрубок удалось получить углеродный аэрогель — уникальный объект с легчайшей конструкцией, который при этом способен выдерживать большие нагрузки. Аэрогель отличается высокой эластичностью (может восстанавливать форму после многократных сжатий и растяжений) и обладает повышенной способностью абсорбировать органические жидкости. Благодаря последнему свойству аэрогель может использоваться, в частности, для ликвидации разливов нефти. Кроме этого, низкая теплопроводность аэрогеля на основе графена и нанотрубок позволяет применять его в качестве термоизолирующего и огнезащитного материала.

Перечисляя уникальные свойства нанотрубок, нельзя не рассказать об электропроводности. Проще говоря, они выдерживают очень большой заряд. Когда мы только начинали работать с нанотрубками, никто не знал, каким образом их разъединить. В нашей лаборатории мы попробовали поместить нанотрубки на медной подложке в специальный бокс, думая, что они разлетятся под воздействием импульса тока. Но когда после подачи тока мы открыли бокс, то увидели, что даже медь не повредилась. То есть нанотрубки выдерживают буквально удар молнии и используются в молниезащитных композитах. Но наиболее интересные, на мой взгляд, разработки посвящены созданию эффективных солнечных батарей. Нанотрубки применяют не только для сбора солнечной энергии, но и для ее накопления, хранения и мгновенной передачи.

— Какое направление применения нанотрубок вы считаете наиболее перспективным?

— Думаю, что создание аэрогелей. Сегодня аэрогель получен только в лаборатории. Поэтому это самый интересный объект для будущих исследований и промышленных разработок.

— А в вашей лаборатории работают с аэрогелем?

— Мы начали работать над разработкой технологии получения аэрогеля. Наши студенты однажды случайно его получили, сами того не ожидая. Дело в том, что аэрогель образуется в вакууме. Работая над композиционным материалом, они использовали вакуум и в итоге получили нечто пузырьковое и воздушное, прообраз аэрогеля.

— На какие направления работы с нанотрубками вы бы обратили внимание будущих наноинженеров РосНОУ?

— Сегодня наиболее интересные направления реализуются на стыке областей применения. Совсем недавно были сделаны попытки получения новых материалов на основе нанотрубок и наноцеллюлозы. Эта область практически не изучена. Она требует серьезных фундаментальных исследований. Пока удалось лишь создать на их основе высокопроводящую бумагу. Поэтому на это направление стоит обратить внимание тем, кто занимается исследованием углеродных нанотрубок.