Несколько десятилетий тому назад советские ученые открыли способ промышленного получения ультрадисперсных алмазов путем подрыва взрывчатых веществ. С тех пор много усилий было приложено к тому, чтобы найти применение новому материалу. Международная премия RUSNANOPRIZE 2013 позволила увидеть ситуацию в целом. Как оказалось, наработки разных научных групп по всему миру могут быть объединены для новой цели – создания массовых производств под запросы отдельных отраслей промышленности.

Необычный факт состоит в том, что в этом году сразу три научных коллектива подали заявки для участия в премии RUSNANOPRIZE 2013. Удивительно это по двум причинам: во-первых, долгое время считалось, что изучение наноалмазов – это относительно узкое направление науки. Вторым необычным обстоятельством является прохождение жесткого барьера Премии – к участию допускаются научные разработки, имеющие значительный объем промышленного внедрения. Все три поданные заявки этому требованию удовлетворяют.

Разные уровни очистки – разные сферы применения.

Во всем многообразии возможных применений наноалмазов можно выделить два крайних полюса. На одном находятся процессы, для которых не требуется сложная очистка детонационной смеси, и, при этом наноалмазы расходуются в масштабе тонн. В качестве примера можно привести индустрию электрохимического нанесения металлических покрытий – никелирование, цинкование, хромирование и даже золочение. Наноалмазы могут существенно улучшить механические свойства таких покрытий, сделать их более устойчивыми к коррозии, а, в случае золочения или серебрения дают значительную экономию драгоценных металлов.

На другом полюсе находятся биомедицинские приложения. Здесь использование наноалмазов находится в фазе исследования, испытания новых препаратов. Объемы потребления в этой области измеряются граммами.

В промежутке лежит широкий спектр задач, для которых характерен расход в масштабе килограммов и особые требования к свойствам наноалмазов. Зачастую в этих задачах необходима серьезная теоретическая база для разработки адекватных стратегий очистки и модификации.

Выделять в промышленном масштабе.

Одно из главных преимуществ детонационного метода получения наноалмазов состоит в дешевизне. Старая взрывчатка имеет отрицательную цену, т.е. за ее утилизацию готовы доплачивать. Взрывные камеры – это не слишком сложные устройства, а содержание наноалмазов в шихте может доходить до 70%. Получается, что на этом этапе наноалмазы имеют очень привлекательную себестоимость.

Группа под научным руководством профессора В. Ю. Долматова во ФГУП «СКТБ «Технолог» (г. Санкт-Петербург, Россия) долгое время работала над задачей – как сделать следующий шаг? Очевидно, что наноалмазы из шихты необходимо извлекать с помощью химической очистки. Очевидно, что этот процесс извлечения должен быть недорогим и массовым (иначе пропадет главное экономическое преимущество нового материала). В результате научным коллективом В. Ю. Долматова было создано большое количество промышленных технологий для получения наноалмазов с чистотой 95% и 99%, а также для удовлетворения специфическим требованиям. Например, разработана технология очистки, позволяющая практически полностью избежать присутствия железа или хрома в конечном продукте. Другие технологии дают на выходе наноалмазы с уже модифицированной поверхностью (например, покрытые –COOH или –OH группами).

Но, что, возможно, даже важнее с точки зрения перспектив массовой коммерциализации, специалисты ФГУП «СКТБ «Технолог» разработали целую линейку промышленного оборудования для получения наноалмазов с заданными свойствами в масштабах тонн. Хорошо известно, что от логики технологического процесса, доказанной в лабораторных условиях, до собственно производства лежит большой путь. Профессор Долматов с коллегами этот путь значительно сократили – промышленное оборудование уже существует и может быть лицензировано вместе с технологиями.

Дойти до отдельного кристалла.

Всемирно известный японский ученый Эйджи Осава теоретически обосновал в 1970 году существование фуллеренов. Он был также одним из первых, кто осознал большой потенциал для использования детонационных наноалмазов. И он же одним из первых указал на серьезную проблему на этом пути – аггрегацию. В детонационной шихте единичные кристаллы «слипаются» в аггрегаты размером от 200 нм до микрона. Профессор Осава потратил несколько лет на разработку технологии, которая позволяет разделять «слипшиеся» наноалмазы до отдельных первичных кристаллов в стабильной взвеси.

Большую помощь в разработке этой технологии оказали работы по компьютерному моделированию кристалла наноалмаза в разных условиях, выполненные Амандой Барнар из исследовательского центра CSIRO, Австралия. Оказалось, что во многих случаях на поверхности кристалла локализованы зоны статического заряда, причем на одном и том же кристалле могут быть собраны одновременно заряды разного знака.

Профессор Дин Хо из Weintraub Center for Reconstructive Biotechnology (США) доказал безопасность полученных наноалмазов для внутреннего употребления. Собственно коммерческое направление, которое разрабатывает профессор Хо – использование наноалмазов для прицельной доставки лекарственных препаратов. Он обнаружил, что наноалмазы значительно снижают токсичность применяемых сегодня методов химиотерапии рака. В частности, для опухолей молочной железы и печени (которые обычно устойчивы к химиотерапии) было показано, что совместное воздействие наноалмазов и традиционных медикаментов снижало симптомы интоксикации у пациентов и приводило к рассасыванию опухолей.

Модификации для промышленного использования.

Кроме уже описанных, существует большое количество отраслей промышленности, в которых на уровне пилотных испытаний наноалмазы доказали свою эффективность. Вот несколько примеров: микроэлектроника – наноалмазы входят в состав композиций для финишной полировки поверхностей, кроме этого они могут выступать центрами роста алмазных пленок методом CVD; тяжелое машиностроение – в качестве присадки к смазочным маслам наноалмазы способны снижать более чем в 10 раз коэффициент трения и до 50% увеличивать ресурс трущихся частей и агрегатов; новые материалы – наноалмазы в составе полимеров позволяют создавать материалы с улучшенными характеристиками по теплопроводности, устойчивости к высоким температурам и радиации в широком диапазоне. Разные виды промышленных технологий требуют разных свойств наноалмазов, используемых в качестве полуфабриката.

Ольга Шендерова, президент компании Adámas Nanotecnologies, Inc (США) дальше других продвинулась в понимании реальных потребностей тех или иных отраслей промышленности и разработала большое количество коммерческих продуктов для этих целей. Прежде всего, они различаются по размерам частиц (от единичных кристаллов до агрегатов в 100 нм) и по функциональным группам, пришитым к поверхности – карбоксилы, гидроксилы, атомы водорода, атомы фтора, аминогруппы, силаны, ПЭГи и др.

Интересное направление модификации представил Хуан-Чен Чан из Institute of Atomic and Molecular Sciences, Тайвань. Он разработал технологию внедрения контролируемых дефектов в структуру кристалла (так называемые N-V центры). Полученные в результате флуоресцирующие наноалмазы обладают большей фотостабильностью, чем квантовые точки и, в отличие от последних, не токсичны для живых клеток. Такие флуоресцентные маркеры были с успехом применены для отслеживания судьбы стволовых клеток при их пересадке в живой организм.

Международная кооперация и энтузиазм ученых – основа настоящего успеха в развитии технологий.

История наноалмазов началась в Советском Союзе и сегодня российские ученые во многих направлениях сохраняют лидерство. Однако задача промышленного использования этого материала оказалась гораздо сложнее, чем представлялось вначале. Десятки научных коллективов работают над решением отдельных проблем, опубликованы сотни научных работ, по всему миру проводятся конференции. Сейчас уже понятно, что потенциал коммерческого использования наноалмазов не просто существует – он во многом уже реализуется. Даже из данного краткого обзора понятно, что инвестиции в этом направлении могут дать быстрый и понятный коммерческий результат. В заключении хотелось бы отметить два важных момента.

Первый касается самих ученых – именно их целеустремленность, энтузиазм и вера в успех были двигателем все то время, когда перспективы внедрения еще не были так очевидны. Важный фактор поддержки – это кооперация и сотрудничество научных коллективов из разных стран.

Второй момент, который нужно отметить – это современный тренд к стимулированию инновационных бизнесов. Премия RUSNANOPRIZE – один из инструментов такого стимулирования. Фактически именно благодаря номинированию на Премию нескольких групп в схожей тематике стало очевидно, что наноалмазы сегодня полностью готовы к промышленному прорыву. Номинационный цикл престижной международной премии покажет, насколько мировое экспертное сообщество заинтересовано в развитии сферы применения наноалмазов… Итоги конкурса будут подведены в рамках ММФИР Открытые инновации 1 ноября 2013 года.