Нанотехнологии - УрФО

Перейти на основной сайт
ИА ИНВУР Логотип Инновационного портала УрФО

Рейтинг@Mail.ru
Рейтинг ресурсов "УралWeb"

Rambler's Top100

Вы здесь: Главная // Аналитика

УрО РАН: научные исследования и сферы применения нанотехнологий

Добавлено: 2007-06-13, просмотров: 4324



ЕКАТЕРИНБУРГ. В региональном информационном центре «ТАСС-Урал» прошла пресс-конференция на тему: «УрО РАН: научные исследования и сферы применения нанотехнологий».

За последние годы во всем мире возрос интерес к научным и прикладным разработкам в сфере нанотехнологий. Об этом свидетельствует и динамика роста финансовых вложений в эту отрасль. Так, за последние 15-20 лет XX века в мире на создание нанотехнологий и наноматериалов израсходовано около 1 млрд. долларов. В России в 2007 году объем инвестиций на исследования в сфере нанотехнологий составит более 5 млрд. рублей, что почти в два раза превышает уровень 2006 года (2,8 млрд. рублей).

Среди институтов УрО РАН работы по нанотехнологиям и наноматериалам ведутся с 1994 года в нескольких лабораториях Института химии твердого тела. В последние годы такие исследования идут в большинстве институтов с материаловедческим уклоном.

Участники пресс-конференции:
Александр ГУСЕВ, заведующий лабораторией тугоплавких соединений Института химии твердого тела УрО РАН
Анатолий ЕРМАКОВ, заведующий лабораторией прикладного магнетизма Института физики металлов УрО РАН, доктор физико-математических наук
Виктор ИВАНОВ, заведующий лабораторией прикладной электродинамики Института электрофизики УрО РАН, доктор физико-математических наук
Юрий КОТОВ, заведующий лабораторией импульсных процессов Института электрофизики УрО РАН, член-корреспондент РАН
Валерий ЧАРУШИН, академик РАН, член Совета при Президенте РФ по науке, технологиям и образованию
Валерий ЧЕРЕШНЕВ, Председатель УрО РАН, академик

Валерий Черешнев:
Программа развития нанотехнологий является одной из ведущих в мире, ее сравнивают с программой ядерного и космического проекта. Специалисты по всему миру работают в сфере нанотехнологий уже около 15 лет. Сейчас готовится мощный проект с обязательным внедрением в производство.

Ученые несколько раз выходили с предложениями выделить нанотехнологии в отдельную межотраслевую программу, в которой были бы задействованы отраслевые и академические институты, и производство. Уже существуют наработки применения нанотехнологий при изготовлении лекарств, применения наработок в области химии, материаловедения, медицины и др. Например, робот, запущенный в сосудистое русло, способен чистить сосуды при образовании тромбов, бляшек. Программа рассчитана на то, что прибор внутри сосуда может препятствовать развитию атеросклероза. В клинику это пока не поступило, но разработки такие уже есть. Другой пример - чистые лекарства, не отягощенные дополнительными молекулами белков, полисахаридов. Выделяется действующее начало, к нему присоединяется еще одна молекула активного вещества, и служит проводником в клетку. Сейчас изучают условия для проникновения через мембрану клетки, чтобы лекарство целенаправленно проникало в опухолевую клетку, не попадая в другие. Такие лекарства поступают в производство, но пока в очень ограниченном количестве.

С 19 по 21 июня будет отмечаться 75-летие академической науки, и 25-летие УрО РАН. В рамках празднования пройдет большой Круглый стол, посвященный нанотехнологиям.

Валерий Чарушин:
Сейчас наблюдается тенденция к слиянию всех дисциплин. Нанотехнологии являются общей основой для развития науки и техники XXI века. Это платформа междисциплинарных исследований. Нанотехнологии - это принципиально иной подход к формированию физических и химических устройств, материалов. Речь идет об очень широком спектре исследований, которые касаются создания нанокерамик, как материалов, обладающих уникальными свойствами, нанометаллов, и наноразмерных оксидов металлов.

На платформе нанотехнологий стирается грань между органической и неорганической химией. Появилась возможность создания принципиально новых молекулярных устройств - маленький кристаллик при низкой температуре проявляет магнитные свойства в полтора раза выше, чем классические магнитные материалы, изготовленные из металла. Это создает новую основу для записи и хранения информации, для использования в устройствах ближайшего будущего.

Наш Институт работает над применением наноразмерных катализаторов в органическом синтезе. Речь идет о создании более совершенных лекарств, направленно и избирательно действующих на определенный фрагмент фермента или белка в организме. Сейчас необходимо использовать т.н. постгеномные технологии, когда эффект планируется на уровне молекул.

Виктор Иванов:
Институт электрофизики УрО РАН занимается порошковыми технологиями и порошковыми нанотехнологиями для создания наноразмерных объектов, применимых в качестве конструкционных материалов, материалов и изделий для водородной топливной энергетики.

Особенность конструкционных керамик в том, что в отличие от традиционных керамических материалов они имеют тонкую структуру. Благодаря тонкой структуре и повышенной твердости такие материалы имеют высокие потребительские свойства, в частности, высокую износостойкость (к воздействию трений, эрозий, химической коррозии, радиационному воздействию). Мы проводили испытания конструкционных керамик, и было показано, что износостойкость наноструктурной керамики на основе оксида алюминия превышена в 5-10 раз. Это означает, что устройства с использованием таких керамик могут работать в 5-10 раз дольше, машины могут иметь более высокий ресурс и не требовать ремонта в течение длительного времени.

Еще одно направление - применение порошковых нанотехнологий для создания топливных элементов нового поколения. Топливный элемент - это устройство нового типа, которое является энергосберегающим и имеет высокий КПД, может генерировать из любого типа органического топлива электрическую энергию с КПД, приближающимся к 60-70%. Это практически вдвое выше, чем существующие системы. Однако для этого должно быть создано некое керамическое устройство, в которое необходимо подавать на высокой температуре органическое топливо (природный газ, например) и использовать в качестве окислителя воздух или кислород. На выходе получается электрическая энергия. Принцип таких устройств давно создан, но было сложно создать соответствующий материал для устройств. Нанотехнологии позволяют применить кардинально новые подходы к решению задачи перспективной топливной энергетики.

Юрий Котов:
В России первые работы по нанотехнологиям появились в 1934 году, до 1990-х годов почти ежегодно собирались конференции по ультрадисперсным материалам (по сути, - нанотехнологии). Я занимаюсь получением порошков физическими методами с 1974 года. Эти порошки специальным электродинамическим методом компактируются, что позволяет получать формы заготовок, очень близких по геометрии к конечным изделиям.

В Институте электрофизики УрО РАН есть также лаборатория, занимающаяся покрытием изделий и имплантацией, т.е. это покрытие пришивается ионами к основному материалу. Восемь лет назад была разработана установка, которая позволила покрывать лопасти турбин вертолетов и увеличить, таким образом, срок износа лопаток турбин в пять раз.

Для быстрого внедрения этих новых технологий не хватает финансовых средств.

Анатолий Ермаков:
Решение большинства задач, особенно касающихся охраны окружающей среды и здоровья человека, требует комплексного подхода. Речь идет о том, что благодаря усилиям ученых были предложены новые подходы для лечения раковых заболеваний с помощью нанообъектов.

Особенность наноматериалов в том, что они принципиально неустойчивы из-за малого размера. При неаккуратном обращении они могут окисляться либо взрываться, или происходит довольно быстрая деградация при взаимодействии с окружающей средой. Если не принимать специальных мер по обеспечению стабильности нанообъектов, трудно рассчитывать на то, что эти материалы смогут иметь какое-либо применение.

В Институте физики металлов УрО РАН разработаны методы, позволяющие стабилизировать нанообъекты. В качестве стабильных покрытий могут быть использованы доступные материалы - углерод. Частицы, покрытые наноуглеродом, толерантны, биосовместимы и не являются токсичными при использовании их в медицинских целях. Особенность наночастиц состоит в том, что, будучи покрытыми специальными полимерами, они адресно поступают в раковую клетку, а затем, используя импульсный лазер, либо электромагнитные внешние поля, частицы в этой опухоли перегреваются и разрушают ее.

Александр Гусев:
Нано - это мельчайшая частица, нанотехнология - это техника манипуляции на атомарном уровне, т. е. технология, оперирующая с объектами величиной порядка нанометра, сопоставимыми с размерами атомов. Поэтому переход от "микро" к "нано" - это качественный переход от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами.

В развитии нанотехнологий можно выделить два основных направления: нанотехнологии, предназначенные для материалов и объектов, работающих в электронной технике и создание новых или обновленных конструкционных материалов. Различные методы нанотехнологии получили наибольшее развитие и применение в электронной технике и в катализе.

Нанотехнология объединяет наноразмерные структуры и создает материалы и системы, которые можно использовать в большинстве отраслей промышленности, в здравоохранении и охране окружающей среды.

Отличие свойств малых частиц от свойств массивного материала известно и используется в разных областях техники. Примерами могут служить широко применяемые аэрозоли, красящие пигменты, получение цветных стекол.
Малые частицы и наноразмерные элементы используются для производства различных авиационных материалов. Например, в авиации применяются радиопоглощающие керамические материалы, в матрице которых беспорядочно распределены тонкодисперсные металлические частицы (технология самолетов-невидимок).
Очень важная и широкая область давнего и успешного применения малых частиц металлов, сплавов и полупроводников - катализ химических реакций. Катализируемые реакции обычно протекают при более низкой температуре, чем некатализируемые, и являются более селективными. Чаще всего в качестве катализаторов применяют изолированные малые частицы металлов или сплавов, осажденные на носитель с развитой поверхностью.
Как правило, наночастицы проявляют каталитическую активность в очень узком диапазоне размеров. Например, родиевые катализаторы катализируют гидрирование бензола только при размере частиц 1.5-1.8 нм, т.е. по отношению к этой реакции каталитически активны лишь частицы из 12 атомов родия. Высокая селективность каталитической активности характерна для наночастиц таких распространенных катализаторов как палладий и платина. Высокая чувствительность каталитической активности к размеру частиц подчеркивает важность развития селективных методов получения наночастиц с точностью до 1-2 атомов. Очень узкое распределение наночастиц по размерам нужно не только для катализа, но и для микроэлектроники.
Снижение размера частиц твердофазных реагентов на сотни градусов снижает температуру протекания реакции между ними.
Многослойные наноструктуры применяют в микроэлектронике. Примером являются слоисто-неоднородные наноструктуры (наногетероструктуры) - сверхрешетки, в которых чередуются твердые сверхтонкие слои (толщиной от нескольких нанометров до ~10-30 нм) двух разных веществ. Благодаря тому, что толщина нанослоя сравнима с длиной волны электрона, в сверхрешетках на электронных свойствах реализуется квантовый размерный эффект. Это позволяет создавать электронные устройства с повышенными быстродействием и информационной емкостью. Простейшим электронным устройством такого типа является двухбарьерный диод AlAs/GaAs/AlAs, состоящий из слоя арсенида галлия толщиной 4-6 нм, расположенного между двумя слоями арсенида алюминия AlAs толщиной 1.5-2.5 нм.

Располагает ли УрО РАН атомарными электронными микроскопами?

Валерий Черешнев:
МГУ великолепно оснащен различными микроскопами, но наномерного микроскопа нет. В прошлом году для Института физики и металлов мы приобрели микроскоп за 2 млн. евро, и он имеет довольно близкие разрешающие возможности. Если будет серьезная необходимость, наномерные микроскопы будут приобретены. Например, мы можем объединиться с Сибирским отделением РАН, где подходит к завершению пятилетняя программа по замене оборудования на 100 млн. долларов.

Что мешает развитию нанотехнологий в России?

Валерий Черешнев:
Сейчас создается программа по развитию исследований в сфере нанотехнологий. Есть определенные проблемы с оборудованием, но они решаемы, поскольку государство планирует выделить на эту сферу около 300-400 млрд. рублей в течение пяти лет. Часть оборудования приобретается уже сейчас. С научными кадрами проблем не возникнет.

Когда будут практические результаты от разработок в сфере нанотехнологий?

Валерий Чарушин:
Уже сейчас нас окружают продукты нанотехнологий. Например, - жидкокристаллические экраны, светодиоды. Замена ламп накаливания на светодиоды даст экономию в энергетике 10% по самым скромным оценкам.

В каком направлении будут вестись научные разработки в УрО РАН в ближайшее время?

Валерий Черешнев:
Мы представляем свои предложения в министерство образования и науки РФ. По итогам конкурса будут отбираться лучшие исполнители.

Например, наши молодые исследователи предложили оригинальный метод искусственного выращивания сосудов. Как известно, для аортокоронарного шунтирования необходимы сосуды, обычно берут у человека его собственные вены. Предлагается взять пластиковую трубку до 5-6 см, и вводится на месяц под кожу животному. Через месяц эта трубка обрастает соединительной тканью, и она вживляется вместо сосуда. Еще через месяц эта трубка превращается в сосуд.

Какой будет стоимость изделий, созданных при помощи нанотехнологий, для потребителя?

Валерий Чарушин:
При широком распространении стоимость наноизделий не будет высокой. Цена зависит только от степени распространения.