Основные тенденции развития нанотехнологий и новых материалов (Авдеев В. В., генеральный директор НПО «УНИХИМТЕК»)
Авдеев. Я хочу представиться, для того чтобы рассказать, какой опыт я и моя команда имеем. Я готов тогда поделиться тем, что мы накопили.
Кроме того, что я заведую кафедрой в МГУ, я член научно-технического совета РОСНАНО. Многие проекты проходят через научно-технический совет, сейчас в месяц до двадцати проектов. Поэтому, если кого интересует, я могу дать общую картину, что происходит в области нанотехнологий или нанотехнологической активности в России. Обстановка боевая — здорово.
Я вообще человек университетский. В 1990 году у нас произошла интересная история: отраслевую лабораторию, которая занималась материалами для аэрокосмической техники или промышленности, перестали финансировать, и мы создали УНИХИМТЕК — Университетские химические технологии.
И в 1990 году при открытии в фирме было десять человек, а сейчас 650 человек, довольно много патентов и довольно большой объем продаж так называемой высокотехнологичной продукции.
Я буду говорить о материалах в основном, об углеродных материалах. Постараюсь на примере углеродных материалов рассказать, как развивается бизнес, как его можно строить, какие возможности дают умения для построения, для создания новых веществ, для создания и построения технологий и для построения бизнеса на основе этих самых нанотехнологий.
Умея создавать или, скажем так, управлять структурой чисто углеродных материалов, или углерод-углеродных материалов, совмещая в одном веществе несколько типов углеродных материалов, можно получать диэлектрики и металлы. Алмаз — диэлектрик. А, например, интеркалированные соединения графита имеют электропроводность выше, чем у меди и серебра. А теплопроводность некоторых углеродных материалов, например, выше, чем теплопроводность меди и серебра, но мы знаем — это ярко выраженные металлы, у них высокая электропроводность, теплопроводность. Так вот, если теплопроводность у серебра, например, где-то 450 Вт/(м*К), то, например, у пекового углеродного волокна это 1000. Представляете, такое гибкое волокно — вы можете отводить тепло с гораздо большей эффективностью. А у алмаза, например, это 2500 Вт/(м*К). Поэтому физики, наверно, знают, почему применяются алмазы как подложки для полупроводниковых систем, да? Потому что они отводят тепло.
Прозрачное и черное — тоже понятно. Снова алмаз и снова графит, сажа — известное. И так далее.
Из фуллерена создали материал, твердость которого выше, чем у алмаза. Это наш соотечественник, профессор Бланк, из Троицка (это подмосковный город), создал такие материалы, которыми можно алмаз царапать — представляете, да? Это все тот же самый углерод.
Итак, я несколько слов хотел сказать, что такое «нанотехнологии». Хочу обозначить свои подходы. Это умение контролировать in situ создание тех или иных структур, создание тех или иных материалов. Вы понимаете? Часто бывает так, что в начале одна структура, потом другая, третья.
Я немножко позже расскажу, как мы там создавали углерод, углеродные материалы. Комбинируя разные структуры, можно менять на порядки свойства, скажем, одного и того же материала.
Чем отличается современная возможность нанотехнологии? Тем, что появились приборы: туннельные микроскопы, атомно-силовые микроскопы. Вы реально можете на воздухе измерить состав. На воздухе все можно измерить, особенно на свежем.
Но я так понимаю, что аудитория здесь в основном активная, и я просто хочу сказать, что УНИХИМТЕК, бизнес, институт и даже тот проект, который называется «Препрег», который в РОСНАНО — все это начиналось с небольшой группы в МГУ. И было сделано такое открытие, когда мы через реакцию интеркалирования — я позже чуть-чуть расскажу — научились получать так называемые пенографиты, а именно: берешь миллиметровую таблетку графита и проводишь манипуляции. То есть вначале это химическая реакция внедрения. Внедрение, или интеркалирование — это когда вы можете в каждый слой внедрить самые разные химические вещества. Например, щелочные металлы, кислоты, хлориды, гидроколлоиды, оксиды. Можно смесь: в один слой внедрить, например, хлорид, а в другой — щелочной металл и так далее.
И мы нашли такое явление, что при внедрении некоторых комбинаций веществ, например, хлорида алюминия и хлора, получается вещество, которое при нагревании — например, на ладошку вы его себе положили, и оно у вас увеличивается в 50 раз, вспенивается. То есть таблетка была миллиметровая, а стала 5 сантиметров, то есть 50 миллиметров. А при температуре 200—300 градусов вы из миллиметровой таблетки получили такую метровую «змейку».
Этот эксперимент очень наглядный, то есть вы взяли таблетку, получили такую змейку, положили на столе, взяли метр и измерили. Был миллиметр — стал метр. В тысячу раз вспенилась.
И фактически встала проблема — эффект научный, его применить можно было только через создание технологии. И вот технология — это все уже гораздо более скучно, занудно. Представляете, да? Как мы всем рассказывали — вот, какой эффект! А дальше, чтобы из этого эффекта что-то получить, все это надо было в железо. Как только начали железо, в реакторы, в печку, то выяснилось, что хлор и хлориды нетехнологичны, с ними работать неудобно и прочее.
Но мы уже потом начали искать другие интеркалаты, с которыми удобно работать, и фактически научились загонять в пространство между графитовыми сетками воду и кислород. И при нагревании вода закипала, С-О связи отщеплялись, и внутри создавалось давление. Давление в сотни атмосфер. Фактически получался межмолекулярный взрыв.
Перепад давления — где-то 0,6 атмосферы. Если еще повысится температура, то еще можно увеличить в 5 раз. Даже в 3 раза. То есть это перепад давления всего в одну атмосферу. И у вас происходит разрушение домов и т. д., двери, стены у вас ломаются. А здесь, при межмолекулярном взрыве, можно организовывать давление в сотни атмосфер, которое расщепляет до монослоя.
И фактически мы научились через это специальное интеркалирование получать такие порошки материалов. Этот графитовый «червячок» — это и есть то, что вспенивается в сотни и сотни раз. И один кубометр такого порошка весит где-то 1—2 кг. Представляете?
Я студентам обычно для сравнения напоминаю, что кубометр воздуха весит 1,4 кг кубометр воздуха. А такой порошок — от полукилограмма до нескольких килограмм. То есть это означает, что такое расщепить на молекулярном уровне эти сеточки графитовые.
И вот у такого материала вообще совершенно новые свойства появляются по сравнению с тем исходным графитом, о которых я рассказывал. Например, он может прокатываться в графитовую фольгу, то есть получаете монокристалл. Сейчас из порошка мы производим графитовую фольгу длиной полтора метра.
Такой порошок — очень хороший теплоизолятор при высоких температурах, то есть до трех тысяч градусов. Выше полутора тысяч градусов фактически теплоизоляция только за счет углеродных материалов или углерод-углеродных.
Это очень хороший адсорбент. Килограмм такого рыхлого порошка адсорбирует до 80 кг нефтепродуктов. Это помогает при очистке воды, при сборе каких-нибудь аварий и т. д. То есть материал интересный.
Фактически, занимаясь этой реакцией, мы создали целую гамму материалов, для того чтобы внедрили их, создали бизнесы. Тот бизнес, о котором я говорю, то это фактически, если говорить о науке, о научном базисе, реакции интеркалирования, реакции вспенивания и так далее.
И что еще любопытно? Что мы этот же эффект использовали для других слоистых матриц, поскольку это фундаментальный эффект. Например, вермикулит — это природная слюда, которая внутри содержит молекулы кристаллической воды, и при нагревании вспенивается, то есть внутри тоже образуется давление, и получается порошок пеновермикулита.
Мы добавили в матрицу, интеркалируя, еще немного воды и где-то в 5—7 раз увеличили степень вспенивания. И вот сейчас в «Москва-Сити» эти материалы применяются. Для огнезащитных материалов это дает, например, эффект такой, что вместо 500 кг на кубометр, эти плиты используются где-то 200—250 кг, при этом эффективность резко повышается. То есть материала надо в два раза меньше и качество лучше.
И я хочу как раз сказать — это тот самый случай, когда этот эффект позволяет в итоге сэкономить, то есть в итоге это еще дешевле.
И научились не просто получать эти пенографиты, а за счет совмещения, или интеркалирования, вначале атомов металла, например, палладий, платина в виде каких-то соединений, или кобальт, никель — ну, практически почти все элементы периодической таблицы. А в другие слои внедряются, например, те самые, которые хорошо вспенивают. Таким образом можно получать пенографиты, внутри которых распределены атомы металлов или металлические сплавы, и это позволяет создавать специальные каталитические системы, объемный катализ, в общем-то, на углеродных матрицах.
Если взять углеродную матрицу с нужной структурой, и в эту матрицу внедрить, скажем, хлорид палладия, к примеру, или соединение платины, то создается на первом этапе интеркалирование — то, что я говорил, соединение внедрения, а потом, подвергая такие соединения специальной обработке на воздухе, получается такая система, когда углерод выгорает (ну, графит, углерод, 500—600 градусов — он окисляется с той или иной скоростью), а те атомы металла или соединения металла образуют матрицу. То есть я создаю структуру углеродную, и потом, как штамп, получаю структуру металлическую.
Для чего это сделано? Для катализа. То есть это рыхлые, но металлические структуры с заданной макро- и микроструктурой. Это типичная наносистема.
У нас есть такие работы в университете, когда некоторые берут золото, например, так можно золото делать, есть у нас такие работы. Наночастицы золота. К ним очень легко «пришивается» серосодержащая органика. Золото и сера сразу цепляются. А потом вы на эту органику можете уже нацепить практически любое лекарство или биологически активные элементы. Это я прямо о работе, которая развивается сейчас активно.
И вы фактически по золоту можете судить, по концентрации, где у вас в организме лекарство движется, с какой скоростью, где у вас тромбы есть.
Если вам нужно к вашему ферменту или к вашему лекарству прицепить металл, то вы можете вначале создать нужную структуру металла, например, шарики металла или какие-то очень короткие, наноразмерные волоконца нужной длины, а потом вы можете к ним пристроить органику, а на нее уже настроить биоактивные вещества.
Утверждают, что если взять углеродные нанотрубки и на них высадить белки, то эти нанотрубки в связующих распределяются равномерно — как коллоидный эффект, отталкиваются друг от друга.
Итак, я резюмирую. С левой стороны — это те фундаментальные исследования, которые велись и продолжаются, а справа — это то, что материалы можно получать, то есть для уплотнения, для огнезащиты, адсорбенты, теплоизоляционные материалы.
В каждом случае нужна своя структура. Эти расщепленные графитовые сетки — их нужно менять, их упаковывать нужно, добавлять к ним что-то и так далее, и в итоге в основе того бизнеса, о котором мы говорим, лежат просто знания и умение применять эти знания.
Я просто хочу сказать еще раз, что это очень тяжелая работа — применять знания. Это нужно создавать технологии. Это тяжелый труд. И обычно химикам нужны вначале физики и математики, потом — инженеры самые разные, система управления, экономисты, которые могут посчитать и т. д. Бизнес высоких технологий — это бизнес довольно больших команд. И даже не знаю, что важнее.
Такая есть проблема — господа ученые часто неадекватно оценивают свои открытия. В мировой практике 10% от стоимости бизнеса — это суперблестящее открытие. Какой-нибудь Билл Гейтс, который что-то открыл, — 20%, может быть. Билл Гейтс как ученый. А он еще оказался блестящим менеджером.
Но проблема заключается в следующем: чтобы сделать бизнес успешным, нужно пригласить еще целый ряд людей, обладающих компетенциями, которые умнее тебя.
С чего началось мое вхождение в бизнес? Открыли алмаз-графитовое месторождение в Казахстане — 16 миллиардов карат алмазов. Что это такое? Это Советскому Союзу, тому могучему, с учетом прогнозируемого роста потребления алмазов, на 50 лет. Представляете себе, что такое алмазы?
Специфика в том, что месторождение было уникальное — там алмазы и графиты в одном месторождении, и при обогащении получался такой концентрат. В тонне концентрата — порядка 10 тысяч карат алмазов. Карат — это 0,2 грамма. То есть представляете, 10 тысяч — это означает 2 кг в тонне. Если, например, в тонне 10 карат до обогащения — это уже блестящее месторождение, Якутское и так далее. А тут, представляете, концентрат — аж 10 тысяч карат. Но при этом 60% графита.
И, собственно, первая технология, которую мы придумали и пошли в жизнь: просто пропитывали нитратом свинца, сжигали графит при температуре 500 с лишним градусов и так вот удаляли его. А мы придумали технологию — через интеркалирование графит перевести в пенографит, и у нас выход по пенографиту был 95%.
Вот так мы научились тогда разделять, но технология по разным причинам дошла только до опытно-промышленного производства — Советский Союз развалился. Но пенографит — это то, чем начали заниматься в промышленности.
В аэрокосмической промышленности: если этот порошок графита, специально обработанного и обладающего способностью вспениваться, поместить в такую форму, в матрицу, и потом эту газопроницаемую матрицу поместить в печь, то графит вспенивался, как я уже говорил, заполнял эту матрицу, мы вынимали ее из печи и получали изделие любой заданной формы.
И, научившись получать эти изделия, мы начали создавать целый ряд материалов для аэрокосмической техники. Это были очень хорошие материалы, но не хватало прочности. Мы начали их модифицировать, и получали углерод, углерод, углерод, углеродные материалы, то есть внося туда углеродные волокна — это композитные изделия. Пироуглерод. Кто-нибудь слышал, что такое пироуглерод? Фактически сегодня это уже выращивание нанотрубок.
А вот это открытие еще не дошло промышленного применения, но мы над этим работаем — созданы графиты, так называемые интеркалированно окисленные, где уже химическая обработка прошла, но мы, грубо говоря, заложили взрывчатку в пространство между графитовыми сетками, но еще не нагрели, не взорвали.
И если брать еще специальную подвижную установку, то можно приехать на то месторождение, где у вас пролилась нефть и т. д., и посыпать — я образно говорю — таким порошком разливы и т. д. И вот то, что я вам говорил, что килограмм переводит в «сухое» состояние до 80 г нефтепродуктов. Понятно — адсорбирует. Дальше вы можете собрать с воды ложкой или какой-то сеточкой и т. д.
Я обычно так говорю, что это все равно, что лужу воды посыпать опилками и потом веником смести. Когда вы посыпаете, то у вас все это адсорбируется внутрь, и вы можете этот порошок брать руками и т. д., сметать, собирать и потом уже утилизировать эти нефтепродукты.
Это технология, которая технически решена. Знаете, в чем проблема, почему мы не идем? Потому что вопросы экологии у нас в стране, к сожалению, не очень волнуют бизнес-сообщество и тех, кто готовы заплатить деньги. А это дорогая штука. Это надо иметь соответствующие автомобили, оборудование и подвижное, то есть фактически МЧС надо вооружить вот таким комплектом оборудования. Нет спроса.
Но надеемся, что мы же хотим жить в чистой стране, и с годами спрос появится, и технологии — мы над ними работаем.
Я уже вам сказал, что доля ученых в любом высокотехнологическом бизнесе — это от 10 до 20%. Вы понимаете, вот вклад. А что такое другое, я тоже уже говорил — инженеры. Очень важны люди, которые умеют продвигать. Я хотел сказать «продавать», но правильное слово — «продвигать». Потому что высокие технологии очень трудно продавать. Потому что чем выше технология — тем меньше людей, которые смогут продавать. Вы придумали новое вещество, о нем никто не знает. Значит, вы должны подготовить аудиторию.
В УНИХИМТЕКе, для того чтобы продавать материалы энергетикам, что мы сделали? Мы пришли на курсы повышения квалификации, которые есть при энергетиках, при нефтяниках и т. д. и сказали: «Ребята, хотите увидеть интересное? Давайте экскурсии, привозите нам этих всех людей, которых вы переподготавливаете». Обычно это начальники цехов, замы главных инженеров, главные инженеры. И вот они приезжают в университет, и мы им рассказываем: «Какие есть хорошие материалы, ребята, и как вы будете счастливы, если вы эти материалы будете применять!»
И вы знаете, лет десять мы этим занимались активно: обучали, выдавали им сертификаты и прочее, прочее. Но теперь уже все знают, что такое «ГРАФЛЕКС». Более того, все материалы этого типа, которые в мире даже другие придумывают, все равно называют у нас в России «ГРАФЛЕКС».
К чему я это рассказываю? Что если хочешь быть успешным — нужно быть готовым заниматься продвижением своей продукции, подготовкой рынка, изменением нормативно-технической документации. Потому что это все ставится, материалы, на атомные станции, первый контур, нефтеперерабатывающие заводы. Вы знаете, что такое авария.
Я вам могу один только пример привести. Больше половины аварий в атомной энергетике — это разгерметизация. Гораздо больше половины аварий на нефтеперерабатывающих заводах — разгерметизация. И поэтому, конечно, чтобы разрешили поставить самый выдающийся материал, нужно пройти испытания, нужно подписать кучу актов, нужно изменить нормативы и т. д. И это только небольшая часть той работы, которую каждый новатор, который что-то придумал, должен быть готов исполнить.
Мы сейчас выбрали место для лабораторно-технологического корпуса. Опять же хочу сказать: чтобы быть конкурентоспособным, нужно самое важное — усиливать исследовательскую часть. И к 17 тысяч квадратных метров, которые сейчас заняты научно-производственными подразделениями, мы запланировали в течение ближайшего года построить еще 4 тысячи. Это все будет называться «лабораторно-технологический корпус».
Я вообще хочу сказать, что технология — это когда полученный эффект используется для создания материала, этот материал производится, продается, у него есть рынок, покупатели и т. д. Вот тогда это технология.
И вот фактически — я просто привожу некоторые примеры тех участков, которые называются «внедренная технология».
Вы задавали вопрос. Окисление. Нам пришлось научиться работать, для того чтобы расширить области применения графитовых уплотнений с 500 градусов выше, нам пришлось научиться оборачивать эти углеродные материалы в нержавейку толщиной 30 микрон, 50 микрон. А вы знаете, это сложнейшее машиностроение. И пришлось научиться, потому что мы хотим, чтобы наши материалы применялись при более высоких температурах. Поэтому материаловеды обычно вынуждены еще многими другими технологиями заниматься.
Хочу просто сказать, что именно в тяжелые 90-е годы все это и было создано, что ни один из этих материалов и технологий в советские времена не существовал, и что сейчас мы на рынок вывели порядка 25 тысяч продуктов для разных областей, с разными свойствами, с разными характеристиками и т. д.
Фактически мы создали в 90-е годы рынок безасбестовых уплотнений на основе графита. Что это такое? Обычно, если проводится ремонтная кампания, то это насосы всякие. А что такое насосы? В мире каждый шестой киловатт электроэнергии — это насосы.
Поскольку у нас экономика — труба, то, возможно, каждый пятый или даже четвертый киловатт идет на перекачку всего, чем мы богаты. И при перекачке именно те самые аварии случаются, о которых я говорил. Поэтому надежность, безопасность, эффективность — это очень важно.
И обычно, если взять какой-то ремонт насоса, то материалы — это один процент расходов, а остальное — остановка блока, отсоединение насоса, разборка и т. д. — ремонтная кампания.
Межремонтные сроки у этих материалов в 5—8 раз выше. Вы, потратив один процент, то есть рубль, сэкономили еще четыре или семь раз по 100 рублей. Вам понятно, что такое «энергоэффективность», да? Не говоря уже о побочных эффектах — у нас нет проливов, разливов и т. д.
Я уже говорил, что основная проблема в хайтековском бизнесе — это знания и люди, которые этими знаниями обладают. Нам знаний не хватало в Московском университете, и мы начинали с лаборатории, о которой я уже упомянул. Семь лет назад создали институт. Условно говоря, это то, что называется сейчас «частно-государственный институт», потому что его создал УНИХИМТЕК и Московский университет. И институт довольно успешно сейчас развивается.
И я хочу сказать, что сейчас уже мы не имеем ресурса, чтобы все технологии, которые мы разрабатываем в университете и в институте, реализовывать. Поэтому сейчас для нас большой интерес представляют всякие венчурные фонды, когда можно технологию, условно говоря, продать. Продать тем, кто готов за нее заплатить деньги и двигать ее уже на рынки. Потому что это, как я уже говорил, очень важная и трудная задача.
Вот проект «Препрег». Если коротко сказать, то это когда из волокон и связующих полимеров, то есть, грубо говоря, из тряпки и полимера или смолы делаются самолеты. Самолеты типа «Боинга-700», «Дримлайнера» или «Эйрбаса» и так далее.
Я хочу просто сказать о том, что часто прочность материала и вес, которые нужны для решения одной и той же проблемы, у вас прямо пропорциональны. Я вам уже сказал, что будет, если прочность волокна в 5 раз, в 3 раза, в 2 раза удастся увеличить. Один и тот же самолет у вас будет где-то в два раза легче.
Проекты авиационных композитов поддерживаются РОСНАНО. Объем инвестиций только в эти проекты — порядка миллиарда евро. Объемы производства приблизительно такие же. И фактически речь идет о создании новой подотрасли с числом работающих где-то от 7 до 10 тысяч человек. И фактически самый большой дефицит — это специалисты, которых надо подготовить. Их просто нет в стране.
Что мы делаем, для того чтобы готовить специалистов? Может быть, кого-то из вас это тоже заинтересует.
Итак, сморите: классические университеты. Я всю жизнь работал. Обычно материаловеды работают в таких координатах: состав, структура, свойства. Я уже вам просто показывал, что если мы берем только углерод, то есть состав один и тот же — углерод, для любого химика — можно, меняя структуру, менять свойства на пять-шесть-семь порядков. А если мы модифицируем еще и состав, то появляются новые возможности.
И фактически важнейшим элементом являются — вот то самое слово — технологии. В том числе нанотехнологии, о которых мы сегодня говорим на лекции. То есть умение наиболее эффективно, контролируемо и точно строить, управлять структурами, а значит — управлять свойствами. Университеты должны заниматься не только наукой и образованием — они должны заниматься инновациями. Я имею в виду, профессура, ученые университета. И самое главное — эту культуру прививать своим выпускникам.
И, к великому сожалению, только полтора года назад в устав Московского государственного университета имени Михаила Васильевича Ломоносова включили эту самую ипостась. Западные университеты это сделали где-то на 15—20 лет раньше. Самые умные, американские — в начале 80-х годов.
И к чему это привело? У них бюджетные деньги составляют в лучшем случае треть. Все остальное они зарабатывают. А у нас картина сильно другая. Кому интересно — я могу просто привести некоторую статистику.
Поэтому нашим начальникам, министрам и другим я часто говорю о том, что хорошо бы это законодательно ввести для начала. И к счастью, в Московском университете как раз ведется такая работа с помощью нанотехнологий. Проектируется корпус, примерно тысяч на сорок квадратных метров. Но это Московский университет.
А вот еще наша инициатива совместно с РОСНАНО. На территории бывшего АЗЛК порядка 150 тысяч квадратных метров планируется как раз использовать, и мы сейчас все это уже в виде проектов делаем.
Мы сейчас финишируем по проекту «Эксклюзивная магистратура». Это подготовка материаловедов, химиков, физиков и математиков для решения той самой проблемы — композиционные материалы для авиации, атомной промышленности и других отраслей промышленности. И фактически мы планируем набрать в этом году 50 выпускников, которые уже закончили второе образование, поработали в хайтеке и планируют специализироваться именно в области наноматериалов, нанотехнологий и композиционных материалов.
Запускаем проект, где планируется набор специалистов — 300 человек. Из них 150 рабочих, техников, для того чтобы учиться работать с оборудованием, которого в России нет, только тогда мы можем говорить, действительно, о бизнесе, об успехах, о конкурентоспособности и т. д. Спасибо.
