Нанотехнологии и полимеры

Очевидно, что перспективы применения нанотехнологий в полимерной отрасли огромные, как всегда бывает на стыке нескольких направлений науки и производства. Наноткань, наноброня, самозатягивающийся полимер – вот лишь несколько примеров совместного применения наноматериалов и полимеров.

Примеров можно было бы привести много больше. Только по первобытной привычке человечества первым делом приспосабливать все новое для проламывания черепа ближнего своего, многие разработки в области совместного использования нанотехнологий и полимерных технологий засекречены, потому как ведутся на деньги военных ведомств и корпораций.

Если на них взглянуть хотя бы краешком глаза, то сначала гордость душу перепонит (сколько же человек может всего понапридумывать), потом волосы дыбом встанут (сколько же человек может всего понапридумывать для того, чтобы уничтожить себе подобного), затем сожаление придет (сколько же человек может всего понапридумывать для того, чтобы уничтожить себе подобного, а если б все это, да в мирных целях – пешком бы уж по Луне ходили и на Марс отдыхать ездили).

Впрочем, не всегда военные оказываются на передовом краю науки. Если вспомнить про кевлар, то в 50-60-х годах прошлого века разработки по нему начала американская компания «Дюпон» для сугубо гражданских целей и сначала этот высокопрочный материал шел на изготовление спортивных товаров, рыболовной лески, шнуров, для армирования оптоволоконных кабелей и автомобильных шин. Это уж потом военные на него глаз положили. Так что много интересного и вполне мирного по части нанотехнологий и полимеров можно найти и в лабораториях невоенных корпораций.

По большому счету сфера мирного применения нанотехнологий в полимерной индустрии, намного многограннее и перспективнее, нежели в оборонке. Вот, положим, ученые из екатеринбургского Финансово-промышленного венчурного фонда ВПК, разработали жидкую броню на основе жидкого полимера, наполненного наночастицами. Сам состав «наноброни», как и имена разработчиков, не разглашается, поскольку все детали научного проекта спрятаны под грифом «секретно», но принцип ее действия широко известен: при резком механическом воздействии (например, ударе пули) наночастицы в жидком полимере практически мгновенно сближаются и за счет сил межмолекулярного взаимодействия слипаются в кластеры. Жидкая броня превращается в прочный твердый композит. Работали екатеринбуржцы над бронежилетами. Получилось. Но дальше предложения использовать технологию для производства танковой и вертолетной брони фантазии у ученых в погонах не хватает. А эту технологию черти где применить можно. И тогда она станет успешным коммерческим проектом, а не превратится в очередной секрет для отечественной промышленности, который, в конце концов, будет выдан иностранной разведке и озолотит тамошних бизнесменов.

Нанотехнологии могут сделать реальностью давнишнюю мечту полимерщиков: упорядочить расположение молекул композитов и получать сверхпрочные материалы, приближающиеся к теоретическому пределу прочности полимеров. Кроме того, нанодобавки позволяют создавать полимерные материалы с заранее заданными свойствами. И ряд успешных шагов в этом направлении уже сделан. Ученые из университета штата Пенсильвания и университета Райса (США) сделали важный шаг в создании сверхпрочных полимеров. Новый материал является композиционным, в нем использованы обычный нейлон и углеродные нанотрубки. Композит получают методом межфазной полимеризации, с помощью которого нанотрубки равномерно распределяются по длине макромолекулы. Кроме того, исследователи научились модифицировать свойства полимера путем введения алкильных сегментов, или углеродных спейсеров. Спейсеры играют роль связующих сегментов, обеспечивающих ковалентную связь между нанотрубками и макромолекулами. Эта связь определяет прочностные и упругие свойства композиционного материала. Попытки создать композицию нейлона с нанотрубками без спейсеров были неудачными – материалы оказались слишком хрупкими. Важным результатом исследования является возможность получать материалы с заданными свойствами – регулировать можно не только механические, но и электрические и термические свойства.

Мечтать не вредно. Только на пути нанотехнологий в полимерную промышленность подводные камни могут оказаться. Приду я, положим, к директору завода по производству пластиковых тазиков. «Вот тебе, дядя, нанополимер. Вечный! Сносу твоим тазикам не будет!», а он посмотрит на меня недобро, да и гаркнет: «Ты что, умник, разорить меня хочешь! Кому я эти вечные тазики через три года продавать буду, когда они уже у каждого моего покупателя будут! Иди отсюда по-добру, по-здорову, и чтоб ни тебя, ни твоего вечного полимера я больше не видел!». Пример может и простоватый, но суть проблемы проясняет: рынку нужны возобновляемые товары, которые со временем утрачивают свои потребительские качества, чтобы покупатель за новым товаром пришел, а не вечно, раз произведенным пользовался.

Не все так страшно с «вечностью». Повышение срока службы изделий из нанокомпозитов – лишь одна из сторон применения нанотехнологий в полимерной индустрии. И не самая основная. Главное, что привносят нанотехнологии в полимеры – расширение спектра их потребительских качеств. У полимерных материалов появляются новые свойства, на их основе можно производить новые товары, удовлетворять новые потребности потребителей. А потребности человека растут гораздо быстрее возможностей их удовлетворения. На том и построена нынешняя раскрутка нанотехнологий в мире – впечатляющее раскрытие перспектив удовлетворения все возрастающих потребностей человечества.

Несколько примеров раскрытия перспектив симбиоза нанотехнологий и полимеров.

Созданная американскими исследователям химического факультета Калифорнийского университета в Риверсайде жидкость, изменяющая свой цвет под воздействием магнитного поля, содержит крошечные частицы оксида железа диаметром примерно 100 нанометров с нанесенным на них полимерным покрытием. Пластик несет на себе электрический заряд, а оксид железа подвержен действию магнитных полей. В результате манипуляций этими двумя противостоящими силами из частиц можно создавать упорядоченные структуры, носящие наименование коллоидных «фотонных кристаллов». Аккуратно выстроенная решетка обладает способностью не пропускать свет с длиной волны, сравнимой с периодом структуры фотонного кристалла – таким образом можно менять цвет изображения на «жидких экранах». Подобная взвесь частиц чрезвычайно дешева и проста в изготовлении и помимо гигантских мониторов, не «слепнущих» под прямыми лучами солнца, с успехом может быть использована при создании гибкой перезаписываемой «электронной бумаги».

Учеными создан первый в мире нейроинтерфейс, связывающий нейроны с пленками, содержащими фотоэлементы. Как считают исследователи, это открытие позволит в будущем сконструировать искусственную сетчатку глаза. Профессору Николасу Котову из медицинского отделения Техасского университета и его коллегам из университета Мичигана удалось связать нервные клетки с воздействием фотонов на специальную фотосенсорную пленку, связанную с клетками. Это открытие не обошлось без использования нанотехнологий. Наночастицы, использованные в составе световоспринимающей пленки, помогли создать современный прототип будущей искусственной сетчатки. Основа искусственной сетчатки – тонкая пленка, созданная послойно. Она представляет собой «бутерброд» из двух слоев: слоя наночастиц теллурида ртути и положительно заряженного слоя полимера PDDA. Оба слоя ученые соединили с помощью специального клея и нанесли на поверхность «бутерброда» биосовместимое аминокислотное покрытие, чтобы нервные клетки могли без проблем взаимодействовать с пленкой. На пленке ученые разместили культуру нейронов. Как только фотоны начали попадать на ее поверхность, в пленке наночастицы абсорбировали фотоны, производя при этом электроны, проходящие через слой полимера PDDA, вырабатывающего слабый электрический ток. Как только ток доходил до клеточной мембраны нейронов, происходил процесс ее деполяризации, и начиналось распространение нервного сигнала, свидетельствующее о наличие в этой области пленки света. Искусственная сетчатка, созданная на базе открытия ученых, сможет даже воспроизводить цветовую насыщенность объектов, не говоря уже о высоком разрешении. Также сетчатка биологически совместима с тканями человека, благодаря использованию полимеров.

Освоена методика организации протяженных структур из нанотрубок и наностержней на разнообразных поверхностях со строго определенной, контролируемой и стабильно выдерживаемой по поверхности плотностью с полимерных пузырей. Ученым из Гарвардского и Гавайского университетов удалось продемонстрировать возможность использования метода экструзии посредством надувания пузырей для создания протяженных слоев из ориентированных в пространстве заданным образом нанотрубок. Аналогичные технологии были известны и использовались в промышленности и раньше, например, при производстве пластиковых пленок, однако для организации массивов из нанотрубок технология «мыльных пузырей» была применена впервые. В ходе проведенных экспериментов наноструктуры растворялись в жидкости на основе полимера, из которой выдувался пузырь. Малая толщина стенок пузыря (несколько сот нанометров) способствовала равномерному и упорядоченному расположению нанотрубок в стенках пузыря. По мере контролируемого роста пузырь соприкасался с экспериментальной подложкой - например, кремниевой пластиной. При этом стенка пузыря с содержащимися в ней наноструктурами «прилипала» к пластине, образуя сверхтонкую пленку со строго определенной и контролируемой удельной плотностью наноструктур. Предполагается, что новая технология позволит удешевить, в частности, массивы биологических сенсоров и экраны на основе наноструктур.

Большой развод эти самые нанотехнологии. Собрали в одну кучу все, что меньше меньшего, ни посмотреть, ни пощупать нельзя, обозвали новым направлением в науке и технике и деньги тянут с дураков-чиновников от науки на старые работы под новой вывеской. А те, не будь дураками, под эту новомодность руки по самые плечи в казну запустили. Здоровенный такой насос под нановывеской получился для прокачки бюджетных денег через себя любимых, потому как, кто знаком с технологией реализации идей, знает, что во всех документах тех, кто возьмется за реализацию, будет заранее прописано, что вероятность успешной реализации инновационного проекта – менее 10 % (согласно мировой практике). Ну, а 90% денег наши, не взыщите, не получилось. И растворится руководство проектных копаний нашего РОСНАНО в светлом для них будущем вместе с деньгами на проекты отпущенные. На последок сдав в утиль оборудование заводов от РОСНАНО. За копейки, но себе в карман.

Для справки.

Как разделен мировой рынок «нано»:
40-45 процентов его приходится на США.
15-20 процентов – на Евросоюз.
Япония оккупирует 25-30 процентов.
Еще 5-10 процентов - другие страны Азии.

Раскладка применения нанотехнологий в мире:
Биотехнологии - 9 %
Устройства хранения данных - 15 %
Полупроводники - 18 %
Новые материалы - 30 %
Оптика - 2 %
Электрохимия - 3 %
Полимеры - 8 %
Другое – 15 %

Для нас, как видите, пока в мировой статистике места не нашлось, а на полимеры всего 8% наноразработок приходится. Да это уже и не важно. Ноль на что не умножай, все равно ничего не получится.

Идеал недостижим, но к нему стремится надо. Игра на межмолекулярных взаимодействиях, затеянная нанотехнологами, на практике может довести свойства полимерных материалов до теоретических пределов, до которых им еще очень далеко, в отличие от традиционных материалов: металлов и древесины. Так что раскладка применений нанотехнологий будет смещаться в сторону полимеров.

То, что нам не нашлось нам места в мировой статистике – проблема мировой статистики. Работы у нас ведутся, и кое-какие результаты есть. Мы традиционно в первых рядах на стадии генерации научных идей и получении начальных результатов. Не являются исключением и нанотехнологии с полимерами. Так что не все так плохо, как чужая статистика пытается представить.

Факты – упрямая вещь. А они таковы, что сообщения о реальных результатах, полученных в сфере нанотехнологий, приходят от западных и восточных институтов и корпораций, а не из наших лабораторий.

Факты в нашем мире – штука гибкая, кто как их закажет, так они и фактически и проявятся. А многие сообщения о ряде успешных научных работ в западных и восточных СМИ – отголоски наших достижений, причем вчерашних. О сегодняшних наших разработках их СМИ затрубят завтра, когда с потрохами купят ныне корпеющих в лабораториях наших полунищих кандидатов наук. А может и не затрубят, потому как разработки закроются грифом «Совершенно секретно». Точнее «Top secret», потому что это будут уже не наши секреты.

А впрочем, где наше, где чужое - уже и не отличишь в этом мире. Наши бизнесмены идут на западные и восточные рынки, иностранные корпорации вкладываются в развитие производства у нас. Так что, покупая какой-то товар, не знаешь, к кому, в конце концов, попадут деньги. Чью экономику они запитают.

Еще несколько примеров возможностей слияния нано- и полимерных технологий.

Исследователи из Массачусетского технологического института создали новый класс материалов — нанополимеры. В длину они достигают 50 тысяч частиц, при этом могут образовывать тонкие полимерные пленки площадью 1 кв. см и толщиной 60 мкм. Полимеры были созданы благодаря нарушению симметрии сферических наночастиц. Ученые присоединили два различных типа лигандов, молекул тиола, к полюсам сфер. Затем лиганды одной наносферы соединялись с лигандами другой частицы, образуя наномасштабный эквивалент полимера. Цепная реакция, которая занимает несколько часов, очень похожа на реакцию полимеризации нейлона. С помощью новой технологии можно создавать нанополимеры, обладающие определенными полезными свойствами. Например, она дает возможность контролировать пористость материала на наноуровне. Кроме того, новые полимеры могут использоваться для исследования фундаментальных свойств материалов.

Упаковка из нанополимера, содержащего частицы оксида цинка, не восприимчива к УФ-излучению и продлевает срок хранения пищевых продуктов. Разработка представлена компанией Micronisers. Специальный материал с оксидом цинка Nanocryl обеспечивает наилучшую и наиболее длительную защиту от воздействия солнечного света и высоких температур. Компания также заверяет, что новые ПЭНД пленки на основе нового полимера не так быстро разлагаются в почве, как традиционные пластиковые материалы, и могут успешно применяться в сельском хозяйстве – как укрывная пленка для растений.

Полимерная резиновая смесь молекулярного уровня, рожденная нанотехнологиями, обеспечивает взаимодействие шины даже с самыми мельчайшими выступами дорожной поверхности, идущее на молекулярном уровне. Можно сказать, новая шина прямо-таки берет дорогу в свои объятия. Новая резиновая смесь также отличается выдающимися параметрами износостойкости. Объединение этих противоречивых параметров – отличное сцепление и низкий износ – относится к заслугам разработчиков шин. И все это за счет нанотехнологий.

Другой аспект применения технологий производства полимеров в нанотехнологиях. Полимеры, точнее сам процесс полимеризации некоторых полимеров, могут лечь в основу создания нанодвигателей для нанороботов. Реактивные двигатели, рабочим телом которых являются полимерные материалы, образующиеся в ходе быстрой полимеризации, могут стать эффективным средством передвижения нанороботов. По крайней мере, в природе такой принцип движения успешно используется некоторыми видами бактерий. К примеру, мощные выбросы через специальные сопла в мембране струй слизи, ключевой компонент которой – полисахариды, формирующиеся путем реакции полимеризации олигосахаридов, позволяют передвигаться миксобактериям. Если полимерная цепь образуется медленно, она так же медленно выделяется из сопла, и движения не возникает. А вот при более быстром образовании полисахарида, превышающем по скорости отток слизи, происходит сжатие этого рабочего тела, и слизь выстреливается из клетки, благодаря чему миксобактерии могут передвигаться со скоростью до 10 мкм/с. Этот принцип передвижения можно использовать для управляемого перемещения нанороботов.

Можно долго и высокопарно описывать радужные аспекты творческого содружества полимерщиков и нанотехнологов, но если опуститься на нашу грешную землю, то картинка-то не очень красивая получается.

Взять, к примеру, «Стратегию развития химической и нефтехимической промышленности на период до 2015 года», принятую нашим правительством несколько лет назад. 2015 год уже наступил, а рапортовать-то об успехах как бы и нет причин. По части промышленного производства современных полимерных материалов в России. Да оно и самого начала ясно было, что из этого роя не будет ничего, потому как в Стратегии разработчики новых полимеров попали в число пасынков бюджета – все только за свой счет.

То ж самое вышло и с Федеральной целевой программой «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008−2010 годы» – очередной вариацией незабвенного «хотели как лучше, а получилось, как всегда»: отпилили от бюджета здоровенный сук и воткнули в землю, убеждая всех, что скоро заплодоносит так, что все ахнут. Шибко сильно плодоносить такой саженец не стал. Одни дрова получились: распилили все, как положено, руки погрели и за новую Федеральную целевую программу принялись с еще большим усердием, но той же целью – пиление бюджета.

Чтоб плодоносило, снизу идти надо, а не сверху, семена орошать уже пророщенные: адресно финансировать тех, кто уже что-то сделал, в том числе и в сфере создания новых полимерных композитов на основе нанотехнологий и разработке отечественного оборудования для производства современных полимерных материалов с применением нанотехнологий.

Немного истории.
26 апреля 2007 года. Москва, Кремль. Восьмое послание Федеральному собранию Российской Федерации. Президент России Владимир Владимирович Путин собирает в Мраморном зале российский истеблишмент и по ходу дела произносит волшебное слово, которое большая часть собравшихся слышит первый раз в своей жизни. «Нанотехнологии», - звучит из уст президента, и как по волшебству, уже 4 июля того же года Государственная Дума России принимает закон «О Российской корпорации нанотехнологий», а 6 июля этот закон одобряет и Совет Федерации России. Деньги под это дело выделяются фантастические по всем меркам финансирования российской науки -180 млрд. рублей (7 млрд. долларов по тогдашнему курсу).

Волшебство, фантастика, умопомрачение? – Нет, все гораздо прозаичнее. В Японии термин нанотехнологии в обиход ввел простой профессор Токийского научного университета Норио Танигучи. У нас в России его идею подхватил простой российский физик, Михаил Ковальчук – директор Курчатовского института, сосед Владимира Путина по дачному кооперативу «Озеро», брат Юрия Ковальчука, совладельца питерского банка «Россия», тесно сотрудничавшего с будущим президентов России во времена его работы в Санкт-Петербурге.

Можно по разному относиться к Михаилу Валентиновичу, одного у него не отнять – напор при достижении поставленных целей. Многие из нас живут… продолжение следует немного опосля в отдельном комменте.

Многие из нас… На ошибках учатся, гласит народная мудрость. Умные – на чужих, все остальные – на своих. Но ошибка – пример, как не надо делать. Как не надо делать, знают все. А посему многие ничего и не делают. Чтобы ошибок не совершать. В результате ни ошибок, ни дел. По нулям. Чист перед Богом и людьми, аки лист пустой бумаги. Архангел Петр в недоумении: «Сыне, кой черт тебя в мир пускали? Что там после тебя с места сдвинулось? Иди-ка ты с Богом к чертям. Пусть они с тобой разбираются, пошто ты жизнь, Богом дарованную, попустому растратил». Черти тоже врата не открывают: «Нам такой не нужен. Никакого навара. Только дрова переводить. Проваливай, пока не наваляли». Так и слоняются души неприкаянные, покоя вечного не обретя за отсутствием состава преступления или благодеяния.

Про Михаила Валентиновича такого не скажешь. Где-то да его душу примут, потому, как человек, что-то да делает в этом мире, чтобы наш мир хоть как-то с места сдвинулся. А многие из нас просто тупо текут по течению, и им плевать, к какому берегу их прибьет.

Если вновь вернуться к истории… В конце 2008 года была создана Общероссийская общественная организация «Нанотехнологическое общество России» (НОР), Учредительная конференция которой прошла в Москве. Создание НОР поддержали ОНЭКСИМ-групп и госкорпорация «РОСНАНОТЕХ». Партнером Общества стала группа компаний «НТ-МДТ».

У истоков Нанотехнологического общества России стояли: ныне покойный Юрий Дмитриевич Третьяков, академик РАН, декан Факультета наук о материалах МГУ, первый президент Нанотехнологического общества России, почетный член Нанотехнологического общества России; Георгий Геннадиевич Малинецкий, в то время заместитель директора Института прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН, вице-президент Нанотехнологического общества России; Сергей Викторович Кушнарев, в то время исполнительный вице-президент Нанотехнологического общества, взваливший на себя всю ношу по созданию на пустом месте четко функционирующей организационной структуры.

Благодаря их усилиям в процесс были вовлечены многие видные деятели научной России. Главной целью НОР декларировалось развитие творческой активности членов общества, удовлетворение их научных, профессиональных интересов и информационного обеспечения, а также эффективное использование кооперации интеллектуальных и производственных сил, граждан и организаций для развития наноиндустрии в России, содействие в реализации научных разработок в коммерчески эффективных промышленных проектах. НОР ставило своей задачей содействовать активизации международных контактов и сотрудничества, взаимодействию специалистов с широкими кругами общественности для комплексного решения вопросов развития нанотехнологий.

Но, как сетует профессор Герман Кричевский, «НОР так и не стало широко известным в кругах научно-технической общественности, несмотря на высокий статус и известность многих его членов. НОР, как и другие организации, имеющие отношение к НАНО, не выработало общей концепции и дорожной карты развития отечественной нанонауки, нанотехнологии и наноиндустрии. Отсутствие такой стратегии означает, что мы не определились, куда надо плыть. В такой ситуации всякий ветер не будет попутным. И не надо ждать указаний сверху - не дождемся».

Общественные организации формируются сверху, как ответная реакция наиболее активной части общества на намечающиеся тенденция его развития, а выживают и во что-то путное эти структуры оформляются за счет шевеления внизу, как ответная реакция на устремление сверху.

Оно, конечно, можно было бы уповать на самоорганизацию в деятельности НОР, которая задает вектор направления процессов в наномире, да вот Россия еще до того уровня не доросла. У нас пока что, что в политике, что в экономике, что в производстве, что в науке и прочих сферах жизнедеятельности, все вершится на уровне макромеханики, где работает грубая внешняя сила. Потому и доминирует у нас сейчас в науке грантовая механика – подачки с руки вместо всеобъемлющих проектов, где бы каждый теоретик, исследователь, разработчик технологии нашел свое место. И не будет никаких глобальных проектов, в которые органично вписалась бы работа наших, еще работающих научных коллективов, пока эти самые коллективы или их отдельные члены не поймут, что никто за них эти проекты не впишет в госпрограммы, бюджет, стратегии развития и прочие чиновные механизмы движения науки и общества вперед, вверх. Так оно и будет все катиться по наклонной плоскости, коли всех все устраивает.

Вот для того и нужно и Нанотехнологическое общество России, и прочие единения наших научных работников России, чтобы рычаги воздействия на жизнь под рукой иметь и за себя постоять. Перед всеми угрозами.

Поодиночке… Оно, в общем-то, можно достичь отдельных результатов на отдельном направлении. Благодаря неимоверным усилиям и личным связям. Но уж больно все это шатко и зыбко на не утрамбованной почве. Создашь перспективную лабораторию – пропишут в нее своих бездарей под защиту диссеров, наладишь прибыльное производство – пришлют своих рейдеров для перехвата денежных потоков, уйдешь с головой в науку – там в ней и останешься, никем не замеченный, выдвинут в руководство – так по рукам и ногам свяжут чуждыми тебе интересами, что, мама не горюй. Се ля ви, пока что. И така се ля ви будет, покуда разумение не придет, что каждый сам за себя, один бог за всех – это удобная схема для использования челов в интересах возомнивших себя небожителями других челов. Наверху можно напринимать кучу распрекрасных программ, но все в песок уйдет, если внизу все, широко открывши рот, ждать будут, когда в него манна небесная повалится. Под лежачий камень вода не течет.

Для этого полимер должен состоять из твёрдых и мягких наночастиц с разными характеристиками, организованных особенным способом. Совершенно новый гибридный полимер такого типа был разработан исследователями Северо-западного университета. Его можно использовать для производства искусственных мышц и других жизнеподобных материалов; для доставки лекарств, биомолекул и химикатов; для создания самовосстанавливающихся материалов; в качестве заменяемого источника энергии.