Что такое нанотехнологии, как их развивают в Московском институте стали и сплавов (МИСиС)и что нового принес в институт нынешний министр образования и науки Дмитрий Ливанов, рассказал директор Института новых материалов и нанотехнологий вуза Сергей Калошкин. Он уверен, что исследовательская программа по нанотехнологиям в России катастрофически недофинансирована и нуждается в большем внимании государства и бизнеса.
– В интернете (в частности, в русской «Википедии») можно встретить следующее мнение: «На сегодняшний день в мире нет стандарта, описывающего, что такое нанотехнологии, что такое нанопродукция». Справедливо ли это утверждение? Если нет, то тогда дайте, пожалуйста, определение того, что такое нанотехнологии?
-- Очевидно, в интернет просочились отголоски того критического обсуждения в научном сообществе, что же такое нанотехнологии. Однако, несмотря на множество мнений, сегодня в целом сформировалось представление, с чем мы имеем дело. Есть два подхода. В широком смысле слова можно сказать, что если мы получаем каким-то способом наноматериал, то это нанотехнология. Второе определение более узкое.
Нанотехнологии – это когда мы работаем с материалами на наноразмерном уровне, можем инструментально воздействовать на элементы структуры на наноуровне с помощью специальных устройств и технологий.
Однако здесь возникает вопрос: что же, собственно, такое наноматериал? Под ним мы понимаем материалы, структурные элементы которых, обычно это менее 100 нанометров, существенно влияют на изменение свойств этих материалов при работе с ними. Возьмем, например обычную сталь с размером зерна 30 микрон.
Посредством определенных способов мы получаем эту сталь с размером структурного элемента в 0,1 микрона, или 100 нанометров. Свойства существеннейшим образом изменяются. Сталь, например, становится прочнее в 1,5 раза.Это означает, что изменение размера структурного элемента привело к значительным изменениям свойств этого материала, и это позволяет нам отнести сталь к разряду наноматериалов.
Нанотехнологический подход заключается в том, чтобы на наноуровне управлять свойствами материалов. Если мы создаем элементы с таким размером, и это влияет на потребительские свойства материалов, значит, фактически мы работаем с наноматериалами.
– Где в России занимаются нанотехнологиями? Как давно нанотехнологии являются первым среди приоритетных направлений развития науки в НИТУ «МИСиС»?
-- Сегодня, после того, как в научное направление нанотехнологий и наноматериалов государством были направлены значительные средства, фактически все ведущие материаловедческие центры занимаются этим вопросом, в т.ч. МГУ, НИТУ «МИСиС», Химико-технологический университет, СПбГУ, Курчатовский, УГАТУ, и многие-многие другие, перечисление здесь бессмысленно, поскольку таких центров сотни.
Активное развитие нанопрограмм началось в нашем университете около 6–7 лет назад. Сначала на базе факультетов полупроводниковых материалов и физико-химического был сформирован Физико-химический институт, а 3 года назад подразделение получило свое сегодняшнее имя – Институт новых материалов и нанотехнологий. Помимо института, в структуре НИТУ «МИСиС» появился Центр наноматериалов и нанотехнологий. Эта структура, с одной стороны, является курирующей, которая объединяет усилия разных институтов и кафедр в обсуждаемой области. С другой стороны, там проводятся собственные исследования.
– Приведите, пожалуйста, примеры исследований в области технологий, которые проводятся в НИТУ «МИСиС», а также прикладные результаты этих исследований.
-- Как вы знаете, окна являются основной причиной потерь тепла в помещении. В нашем институте ведется проект «Умные стекла». Его смысл заключается в том, что мы получаем специальное покрытие, которое интегрируется в состав стекла. Такую пленку не смоет дождь, ее не отскоблят дети, ее даже нельзя увидеть. Фактически мы говорим о другом составе поверхности стекла. Такие покрытия способны пропускать тепло в одном направлении, задерживая его в помещении. Первые результаты показывают, что эффективность подобных нанопокрытий очень высока.
Сами представьте, какой колоссальный экономический эффект может дать в целом по стране уменьшение потребления тепла в доме хотя бы на 5–10%! Задача у покрытия может быть и другая.
Например, чтобы в помещении не было жарко.
Другой пример из области металлургии. Его реализует кафедра функциональных наносистем и высокотемпературных материалов по заказу «Северстали». Без огнеупорной керамики не может функционировать ни одно производство, имеющее дело с жидким металлом. Такая керамика применяется для футеровки внутренней поверхности сталеплавильных агрегатов, ковшей, тиглей, изложниц. Однако внутренняя облицовка довольно недолговечна, что приводит время от времени к необходимости ее перекладки, что, соответственно, означает остановку производства и бизнеса на несколько недель.
Если в огнеупорную керамику добавить специальный нанопорошок, то керамика становится плотнее и прочнее, что позволяет до 50% продлить срок ее службы. Соответственно увеличивается эффективность бизнеса нашего заказчика, поскольку повышается срок работы агрегата до остановки на ремонт.
Мы также принимаем участие в довольно, на мой взгляд, любопытном проекте, связанном с так называемой универсальной системой навигации. Недавно на международной конференции Intermag я увидел японскую компанию, которая использует аморфные микропровода, имеющие ряд специальных магнитных свойств, для того, чтобы в мобильных устройствах, например, в навигаторе, использовать дополнительную систему навигации, чтобы, когда не будет связи со спутником (в тоннеле, метро), она продолжала работать, просто вычисляя координаты вашего перемещения с помощью специальных датчиков, которые измеряют ваши скорость и ускорение в трех координатах.
У себя на навигаторе/телефоне вы продолжаете видеть, где конкретно находитесь, даже если связи со спутником нет. Устройство самостоятельно вычисляет свое месторасположение. Мы исследуем один из ключевых элементов этой системы – упомянутые микропровода. Сейчас используются аморфные микропровода, мы хотим применить нанокристаллические. Свойства таких материалов выше, чем у аморфных, соответственно, эффективность всей системы универсальной навигации улучшится.
Для того чтобы использовать такую систему в навигаторе/мобильном, можно интегрировать датчик толщиной 10–20 микрон и длиной 3 мм. Естественно, должна быть электроника, микросхема, которая сумеет этот прибор сделать удобным для употребления, но вот саму «жилу» с такими свойствами нужно получить с заданной структурой и нужным уровнем магнитных свойств, чем мы и занимаемся в рамках фундаментальных исследований. Мы очень рассчитываем разработать такие материалы. В случае успеха нам нужна будет помощь тех, кто может работать с микросхемами, сделает из этого прибор, сможет довести его до производства.
– Есть ли еще какие-то сферы применения таких датчиков?
-- У таких датчиков может быть очень широкий спектр применения, не ограничивающийся пользователями мобильных гаджетов. Миниатюрные приборы могут быть интересны городским и муниципальным службам, эксплуатирующим компаниям, ТЭК, которые запускают в трубопроводы для контроля их состояния т.н. «кротов». Размер всего прибора может измеряться миллиметрами.
Еще одна широкая область наших исследований связана с разработкой биосовместимых материалов, в частности, для протезирования. Допустим, человеку нужен новый искусственный сустав. В своем составе он имеет две трущиеся поверхности, обычно, шарообразные. Сегодня одна из частей обычно изготавливается из сверхвысокомолекулярного полиэтилена, другая делается, чаще всего, из металла или керамики.
Однако с такими имплантатами, даже западного производства, есть проблемы: после определенного срока службы (5–7 лет) в присуставных областях накапливаются продукты трения. Удалять это, как вы понимаете, довольно проблематично. Существует задача повысить прочность, износостойкость, понизить коэффициент трения полимера, плюс к этому, чтобы еще не было вреда организму, т.е. материал должен быть биосовместимым.
Мы добавили в него специальные наночастицы, в результате чего износостойкость возросла более чем на 50%, был достигнут заметно меньший коэффициент трения. Срок службы сустава с таким материалом вырос, теперь возможное воспаление от накапливания продуктов износа начнется позднее, например, не через 5, а через 7–8 лет.
– Последние пять лет НИТУ «МИСиС» возглавлял Дмитрий Ливанов, который сейчас является главой Министерства образования и науки РФ. Какие изменения произошли в институте за эти пять лет? Как НИТУ «МИСиС» будет развиваться в дальнейшем?
-- На мой взгляд, ректор любого вуза обязан задавать внутренний тон, не только общую стратегию развития. Дмитрий Викторович Ливанов внес большую позитивную динамику в развитие НИТУ «МИСиС» как вуза, как научного учреждения.
К достижениям Дмитрия Ливанова-ректора можно отнести заметное омоложение коллектива НИТУ, оснащение вуза новейшим исследовательским оборудованием, переход на новые учебные планы, включающие четырехкратное увеличение преподавания английского языка, (в НИТУ МИСИС запущена совместная с Кембриджским университетом программа модернизации обучения английскому языку), значительное расширение международного сотрудничества МИСиСа в целом; начало проектирования нового кампуса.МИСиС получил престижный статус НИТУ. Это серьезные изменения.
– Каковы размеры заказов Институту? Кто является основным заказчиком поисковых работ?
-- Мы бы хотели, чтобы заказы на поисковые работы были не меньше, чем 200 тыс. руб. С другой стороны, мы стремимся брать даже небольшие заказы для того, чтобы в следующий раз получить больше. Заказчики всегда хотят постепенно присмотреться к исполнителю, понять, что он может, можно ли рассчитывать, что идея реализуется и т.д. Самый большой наш заказчик сегодня – это государство, от коммерческих структур заказы на работы по нанотехнологиям и наноматериалам могут составлять и 5, и 10 млн рублей.
– Оправдано ли такое внимание (и объемы финансирования), которое уделяется в России нанотехнологиям? В научном сообществе ходит шутка, что если кто-то из ученых хочешь гарантированно получить грант, то в своей заявке ему нужно указать слова «нанотехнологии» и «инновации». Как вы относитесь к тому, что слово «нанотехнологии» для многих является нарицательным?
-- Слово нанотехнологии действительно стало нарицательным. Однако могу сказать, что в таких маленьких объемах, как у нас, не финансируется ни одна в развитом мире исследовательская программа.
Нанопрограмма должна быть одной из программ, которые требуют гармоничного развития: среди них также энергоэффективность, биоматериалы, программы ресурсосбережения.
– Насколько глубоко сотрудники НИТУ «МИСиС» интегрированы в международное научное сообщество?
-- Интеграция в международное научное сообщество традиционно базировалась на связи профессор-профессор и стандартных схемах научных обменов, и эта форма пока является определяющей, но сейчас мы выходим на другой, институциональный, уровень интеграции. Речь идет о:
1. формировании совместных исследовательских программ, объединяющих для реализации общей научной идеи коллективы исследователей. Например, у нас очень удачно развиваются партнерские отношения с Университетом Кембриджа, при этом научные школы МИСиС и Университета Кембриджа не конкурируют, но хорошо дополняют друг друга.
2. приглашении ведущих ученых для проведения исследований в МИСиС для формирования новых научных школ и направлений, что обеспечивает тесные научные связи и согласованное развитие научных направлений в университетах.
В этом году мы в МИСиС начинаем приглашать молодых исследователей на позиции PostDoc из ведущих зарубежных университетов.
– В НИТУ «МИСиС» прошел симпозиум «ISMANAM 2012». Насколько важно, что это мероприятие прошло в России, в МИСиС? В каких странах и на базе каких учреждений этот симпозиум проходил в прежние годы? Кто из ведущих ученых мира посетил ISMANAM в МИСиС в этом году?
-- ISMANAM для России и для НИТУ «МИСиС» – одно из крупнейших международных мероприятий в области материалов, в т.ч. наноструктурированных. На сегодня в нашем университете не организовывалось такого масштаба событий с количеством иностранных участников более 250. Из России в работе ISMANAM приняли участие более 100 ученых. Впервые за почти 20-летнюю историю симпозиума площадкой для него стала Россия.
ISMANAM проводится ежегодно в разных странах, впервые состоялся в 1994 году во Франции, в Гренобле, и с тех пор организовывался по всему миру: Канада, Великобритания, Южная Корея, Аргентина, Швейцария, Испания. Задача ISMANAM – объединение научного сообщества с целью широкого обсуждения вопросов, связанных с формированием в материалах неравновесного и наноструктурного состояний.
Среди светил мировой науки, посетивших мероприятие в России: профессор Akihisa Inoue (Сендай, Япония), директор Института исследования материалов, Университет Tohoku; профессор Alain R. Yavari (Франция), председатель международного комитета Ismanam, директор по исследованиям Национального центра научных исследований (directeur de Recherche CNRS), профессор Национального политехнического института, Гренобльский университет; профессор Alan Lindsay Greer (Великобритания), директор Института материаловедения и металлургии, Кембриджский университет; профессор Юджерн Эккерт, руководитель лаборатории в Дрездене (Германия), Институт материаловедения; профессор Роберт Шульц (Канада); профессор Александр Мукасян, профессор Американского университета Нотр-Дам, руководитель научно-исследовательского центра «Конструкционные керамические наноматериалы» НИТУ «МИСиС»; профессор Алексей Устинов, заведующий кафедрой экспериментальной физики, директор Физического института Технологического университета Карлсруэ (Германия), руководитель лаборатории сверхпроводящих метаматериалов НИТУ «МИСиС».
