Уральский наноуровень

7 декабря в актовом зале Института физики металлов состоялась научная сессия Общего собрания УрО РАН, посвященная теме «Современные проблемы нанотехнологий: от фундаментальных исследований к инновациям». В начале заседания председатель Отделения вручил ежегодные награды имени выдающихся уральских ученых (полный список лауреатов читайте в предыдущем номере «НУ», на фото — награду получает академик М.П. Рощевский).

Кроме того, было объявлено о присуждении премии РАН имени академика И.П. Бардина сотрудникам Института металлургии академику Н.А. Ватолину, кандидату технических наук Б.Д. Халезову и кандидату технических наук Т.П. Сириной (ОАО «Научно-исследовательский институт металлургии», г. Челябинск).


 

   Вначале слово было предоставлено почетному гостю — председателю Правительства Свердловской области В.А. Кокшарову (на фото), который в свое время работал в международном отделе президиума УрО, то есть в определенном смысле вышел из академических рядов. Говоря о приоритетных направлениях развития нанотехнологий в регионе, Виктор Анатольевич привел впечатляющие данные о научном потенциале области, росте финансирования науки из областного бюджета. Так, с 2002 по 2006 г. оно увеличилось в 2,1 раза, а с 2007 по 2011 возрастет в 4,1. Среди приоритетных проектов, поддерживаемых областным правительством, названы совместные региональные конкурсы «РФФИ-Урал» и «РГНФ-Урал», создание Большого Евразийского университетского комплекса, технопарка высоких технологий при Институте математики и механики УрО РАН. Что касается собственно нанотехнологий, то ориентиры их развития на Среднем Урале ясно определил губернатор Э.Э. Россель: «У нас есть очень хороший потенциал в этом вопросе. Мы как минимум станем участниками федеральной программы. А как максимум — лидерами в данной отрасли». Уже определены ее приоритеты. Это конструкционные наноматериалы (керамики, сплавы), топливные элементы, водородная энергетика, медицина, диагностика и лечение рака, катализаторы, очистка воды, газов, защитные и износостойкие покрытия, оптические элементы, экономичные источники света (всего 42 проекта). Их планируемое поэтапное финансирование из бюджета области составит 370 млн рублей (2008 г. — 80 млн, 2009 — 140 млн, 2010 — 150 млн). Финансовая поддержка будет осуществляться по трем основным направлениям: ориентированные фундаментальные исследования в рамках конкурса «РФФИ-Урал», прикладные разработки, предназначенные для внедрения на предприятиях Свердловской области, привлечение на условиях частно-государственного партнерства ведущих ФПГ к реализации крупнейших промышленных проектов. В приведенном председателем Правительства списке организаций области, работающих в сфере нанотехнологий, больше всего институтов УрО РАН. После выступления Виктора Анатольевича академик В.А. Черешнев передал ему проект пятилетней «нанотехнологической» программы Отделения, а также подарил уральский фотоальбом серии «Портрет интеллекта».
 

Затем прозвучало десять, а по существу, одиннадцать (включая незапланированный) собственно научных докладов. Забегая вперед, скажем, что уровень каждого в отдельности и всей сессии в целом признан весьма высоким, а «нано-тема» — объединяющей представителей самых разных отраслей знаний, даже тех, кто, казалось бы, от нее далек. Предлагаем обзор выступлений.
 

«Карлики» и металлы

Доклад «Металлические наноматериалы» директор Института физики металлов УрО РАН член-корреспондент Академии В.В. Устинов начал с вещей общих, определяющих саму сферу проблематики. Вот приведенные им цитаты: «Нано — приставка для наименований дольных единиц, по размеру равных одной миллиардной доле исходной. 1 нм (нанометр) = 10^-9 м.» («Большая Российская энциклопедия»); «Nanos (греч.) — карлик». И еще одна — из скандинавской мифологии: «Карлики — искуснейшие кузнецы, которые способны ковать самую гибкую и твердую сталь либо выделывать из золота и серебра такие мелкие вещи, которые едва сможет различить человеческий глаз».
 

Наномир, простирающийся в масштабах от 1 до 100 нм — это мир над-атомный, суб-микронный. Соответственно, наноматериалы — материалы с размером характерных фрагментов структуры в диапазоне 1–100 нм, а нанотехнологии — технологии получения и использования наноматериалов, отдельных нанообъектов и наноустройств, основанные на регулировании структуры, состава и свойств их нанофрагментов. Нанофрагментами могут быть атомы, кластеры атомов, молекулы, наночастицы, нанокристаллиты. По видам наноструктурные материалы можно разделить на объемные, нанопорошки и нанокомпакты, наноструктурные покрытия, самоорганизующиеся наноструктуры и наногетероструктуры.
 

Для объемных наноматериалов характерны уникальные прочность и пластичность. Необычное сочетание этих свойств в наноструктурных металлах — то, чем, в частности, занимаются в ИФМ, — принципиально отличает их от металлов обычных. Так, в институте созданы высокопрочные и пластичные сплавы с эффектом памяти формы на основе никелида титана с рекордными характеристиками. Сплавы эти обладают свариваемостью, коррозионной стойкостью, биологической совместимостью, механотермической, механо- и термоциклической долговечностью. Они уже используются в оригинальных медицинских приборах, применяемых в урологии, проктологии, гастроэнтерологии, а также в устройствах для остеосинтеза. Кроме того, в ИФМ УрО РАН разработан и запатентован новый класс высокопрочных аустенитных сталей с эффектом памяти формы, которой можно управлять. Материал отличает простота изготовления и высокая технологичность производства. Совместно с фирмой «Транс-Евразия» из такой стали изготовлен листовой прокат шириной 1000 мм и самораспрямляющиеся цилиндрические герметизаторы коррозионно-механических повреждений обсадных труб нефтяных скважин.
 

Еще одно ноу-хау ИФМ — технология газофазного синтеза нанопорошков металлов, сплавов, оксидов и композитных наночастиц с узким рапределением частиц по размеру. Эта технология может иметь очень широкую сферу внедрения, в том числе в медицине. Сотрудники института вместе с екатеринбургскими и московскими коллегами работают над ее практическим применением.
 

Известны в мире созданные в ИФМ алмазоподобные нанопокрытия с высокой твердостью, низким коэффициентом трения, коррозионно-стойкие и биосовместимые. Кроме отечественных приборостроителей (также медицинского направления), их уже используют компания Самсунг Электроникс, Корея (для производства видеоголовок), компания ИТАК Лтд., Япония (режущий и штамповый инструмент), Институт физики, Китай (режущий инструмент, детали трения), компания ДИАВАТ Лтд., Израиль (режущий инструмент).
 

В Институте физики металлов разработана также технология получения нанокристаллических магнитомягких лент с наилучшими по отношению к мировому уровню магнитными свойствами с использованием быстрой закалки из расплава и системы специальных обработок. Материалы уже применяются в геофизической аппаратуре для поисков железной руды, при фундаментальных исследованиях земной коры в сверхглубоких скважинах. Весьма перспективны они в качестве сверхчувствительных элементов устройств самого разного назначения.
 

   Наконец, одно из самых современных достижений Института физики металлов — разработка сверхвысоковакуумной нанотехнологии молекулярно-лучевой эпитаксии магнитных металлических многослойных наноструктур, обладающих гигантским магнитосопротивлением (ГМС). Технология может быть использована и уже используется в создании сенсоров для высокоэффективных датчиков напряженности и направления магнитного поля широкого назначения, многопозиционных спиновых клапанов — управляемых магнитным полем устройств для обработки информации на основе многозначной логики, решения других задач. Владимир Васильевич подчеркнул, что ключевые слова среди этих сугубо профессиональных терминов — гигантское магнитосопротивление. С первооткрывателем наноструктур, обладающих ГМС, Петером Грюнбергом (Германия), удостоенным за свое открытие Нобелевской премии, уральских физиков связывают добрые отношения (см. фото внизу). Докладчик процитировал недавнее письмо Грюнберга в ИФМ, в котором сказано: «Дорогие коллеги! Спасибо за результаты ваших впечатляющих исследований, которыми вы делились со мной последние два десятка лет». Такая оценка работы Института впечатляет сама по себе.
 

Керамики для экстремальных условий

Член-корреспондент Ю.А. Котов (Институт электрофизики УрО РАН) посвятил свой доклад возможностям создания технологии и оборудования для производства деталей машин из наноструктурных оксидных керамик, работающих в экстремальных условиях.
 

Анализ данных эксплуатации различных машин и устройств показывает, что их ресурс определяется износом деталей, работающих в наиболее тяжелых условиях, где требуется сочетание высокой твердости, прочности, трещиностойкости, износостойкости в широком температурном диапазоне, а также химическая или радиационная стойкость. Самым подходящим материалом для таких деталей являются керамики. Из них, в частности, можно изготовлять подшипники скольжения и торцевые уплотнения валов насосов для перекачки агрессивных жидкостей (нефть, химические продукты), забойных двигателей для проходки глубоких скважин, струеформирующие сопла различного назначения, злементы брони для защиты от ударного пробивания, режущий инструмент для обработки твердых материалов, многое другое.
 

Однако в России практически отсутствует производство керамических изделий подобного назначения. Около 5% спроса закрывается микрокерамиками на основе WC, а остальное — или изделиями из спецсплавов, не обеспечивающих требуемых характеристик и ресурса, или импортной керамикой, также не имеющей требуемых характеристик. Следовательно, создание производства керамики, характеристики которой удовлетворяют требованиям, позволило бы не только заместить импорт, но и создавать технику с более высоким ресурсом и надежностью.
 

В Институте электрофизики есть предпосылки для успешного решения этой задачи. Здесь создан нанотехнологический комплекс, включающий: получение нанопорошков металлов, сплавов и их химических соединений методом электрического взрыва проволоки; получение нанопорошков сложных химических соединений испарением мишени излучением импульсного СО₂ лазера; получение нанопорошков сложных химических соединений испарением мишени пучком электронов; магнитоимпульсное компактирование нанопорошков с плотностью 0,75 от теоретической в плоской и цилиндрической геометрии; приготовление суспензий и шликеров; шликерное литье и электрофоретическое получение пленок из нанопорошков; синтез объемных и пленочных изделий с плотностью, близкой к теоретической, и формой, близкой к заданной; плазменно-дуговое нанесение покрытий, сопровождаемое ионной имплантацией; модификация структуры поверхностных слоев ионной имплантацией; современное приборно-аналитическое сопровождение для исследования свойств получаемых наноматериалов.
 

Далее Юрий Александрович рассказал об особенностях предлагаемых технологий, их достоинствах и требующих решения проблемах. В целом же тестирование изготовленных с их помощью различных изделий показало: они имеют характеристики лучше требуемых, что повышает надежность и ресурс механизмов с использованием таких деталей. Причем результаты разработок имеют конкретных потребителей, среди которых — машиностроительные предприятия, нефтепромысловые, газопромысловые и горнодобывающие компании, предприятия по производству проволоки, труб, текстиля, оптического волокна, производители мельничного оборудования и другие.
 

Таким образом, созданы основы технологии и образцы оборудования, демонстрирующие возможность создания в России производства технической керамики с характеристиками, позволяющими существенно увеличить рабочие параметры, а также надежность и ресурс устройств, работающих в экстремальных условиях эксплуатации. Для реализации этой задачи создан консорциум, включающий ИЭФ УрО РАН, ОАО «УралНИТИ», ОАО «СвердНИИХиммаш», ООО «Спецкерамика», способный решить эту задачу при поддержке правительства области по программе наноиндустрии. Что касается организации опытного и серийного производства на базе ООО «Спецкерамика», в институте надеются на привлечение инвестиций от Союза промышленников.
 

Наноматериалы для ТОТЭ

Доклад заместителя директора ИЭФ УрО РАН доктора физико-математических наук В.В. Иванова был посвящен перспективам разработки твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) для электрохимических генераторов на основе наноструктурных материалов. Актуальность развития электрохимической энергетики, к преимуществам которой относятся экологичность, гибкость в использовании разных типов органического топлива и высокая эффективность, сегодня не вызывает сомнений. Однако для широкой коммерциализации разработок ТОТЭ необходимы технологии, обеспечивающие их высокую надежность, большой срок службы (не менее 5–10 лет) и значительное снижение себестоимости.
 

Докладчик напомнил историю создания российских ТОТЭ, которая началась в 1960-е гг. в Институте высокотемпературной электрохимии. Пиком этих работ стало изготовление в ИВТЭ в 1989 г. высокотемпературного электрохимического генератора мощностью 1 кВт с КПД 43% и коэффициентом использования топлива при максимальной мощности около 90%. С конца 1980-х гг. энергосистемы на основе ТОТЭ разрабатываются в РФЯЦ-ВНИИТФ им. академика Е.И. Забабахина (г. Снежинск). В последние годы там прошли успешные испытания энергосистем мощностью 1–2,5 кВт с трубчатой конструкцией ТОТЭ.
 

В Институте электрофизики УрО РАН исследования в области ТОТЭ начались с 1997 г. и основаны на использовании слабо агрегирующих нанопорошков, технологиях их консолидации и формирования тонкослойных структур. Первоначально был разработан метод получения слабо агрегированных нанопорошков циркониевого электролита, основанный на лазерном испарении крупнокристаллической мишени, благодаря чему удалось снизить температуру спекания керамики электролита до 1200° С и менее (в сравнении с 1500° С для крупнокристаллических порошков).
 

В ИЭФ созданы основы технологий и образцы уникального оборудования для получения методом электрического взрыва проводников нанопорошков оксидов CuO и NiO, использующихся для формирования активных электродов ТОТЭ. Для формования заготовок изделий из нанопорошков разработан метод магнитно-импульсного прессования (МИП) и соответствующее оборудование. Устройства компактны, экономичны и позволяют автоматизировать получение изделий цилиндрических (трубчатых) и плоских форм.
 

С 2004 г. благодаря активному участию ИЭФ в инвестиционной программе «Водородная энергетика и топливные элементы» работы в области ТОТЭ были значительно расширены, началась отработка технологий формирования всех компонентов ТОТЭ, включая токопроход, сборку и испытание устройств.
 

Была развита технология литья полимер-керамических пленок из нанопорошков компонентов ТОТЭ. Комбинирование методов литья пленок и радиального магнитно-импульсного прессования позволило формировать тонкослойные заготовки компонентов трубчатого ТОТЭ и создавать двух и многослойные структуры ТОТЭ за один технологический цикл формования и спекания.
 

В ИЭФ выполнен цикл исследований по созданию токопрохода для ТОТЭ из нержавеющих высокохромистых ферритных сталей, защищенных стойким интерфейсным коммутирующим покрытием на поверхности, контактирующей с катодом.
 

На основе созданных методов в Институте электрофизики впервые в РФ были изготовлены и испытаны трубчатые ТОТЭ с несущим электролитом толщиной около 150 мкм.
 

Таким образом, применение наноматериалов и нанотехнологий позволяет повышать удельные характеристики ТОТЭ, совмещать технологические операции и снижать производственные энергозатраты. Однако на этом пути еще предстоит решить ряд поисковых технологических задач.
 

Создание отечественных технологий ТОТЭ и коммерциализации энергоустановок на ТОТЭ станет реальностью, если удастся объединить работающие в этом направлении разрозненные научные коллективы. Частной инициативы НИК «Новые энергетические проекты», дочерней компании «Норильского никеля», и дробного финансирования Роснаукой явно недостаточно. России нужна национальная программа по водородной энергетике. Такая программа могла бы стать одной из стратегических задач ГК «Роснанотех», к которой присоединились бы НИК НЭП и другие частные инвесторы. Значительная часть научно-технического потенциала РФ по данной проблеме сосредоточена в учреждениях Уральского региона: РФЯЦ-ВНИИТФ, ИЭФ, ИВТЭ, ИХТТ УрО РАН, на химфаке УрГУ. Сейчас было бы актуально официальное обращение Уральского отделения РАН и Правительства Свердловской области к руководству ГК «Роснанотех» с предложением сформировать российскую национальную программу по водородной энергетике.
 

Для оргсинтеза нанотехнологии органичны

   Директор Института органического синтеза академик В.Н. Чарушин (на фото слева) дал обзор современных направлений органического синтеза на основе нанотехнологий и достижений в этой области ученых УрО РАН.

   Сегодня нанотехнологии — это и новая парадигма развития науки, предполагающая конструирование новых материалов с заданными свойствами от молекулярного уровня, и единый фундамент для многих отраслей естествознания. Что касается специалистов в области органического синтеза, то они работали на наноуровне всегда. Неслучайно книга известной писательницы Беллы Дижур, посвященная уральским химикам-органикам, называлась «Конструкторы молекул» (1978).

   В течение последних десятилетий в органической химии произошли важные, можно сказать революционные, изменения. Важнейшими вехами в развитии органического синтеза стали достижения в области супрамолекулярной химии, которые показали новые возможности в самоорганизации органических и неорганических молекул и их вклад в формирование оригинальных наноструктур, открытие фуллеренов и их химическая модификация, создание новых композиционных углеродных материалов. Открытие электропроводящих органических полимеров, получение новых типов светочувствительных материалов, органических люминофоров, селективных экстрагентов и биосенсоров, применение наноразмерных частиц в катализе и медицинской диагностике, создание молекулярных переключателей, наноразмерных проводов и других элементов молекулярной электроники — вот перечень лишь некоторых новых направлений органического синтеза. В ближайшие десятилетия они реализуются в таких перспективных технологиях и продуктах, как биосенсоры и биомиметики, новые энантиомерно чистые лекарства, электронные устройства на основе органических материалов с нелинейными оптическими свойствами, сверхпроводящие и магнитные материалы.
 

Многие из названных направлений успешно развиваются в институтах УрО РАН. Так, созданная академиком О.Н. Чупахиным и развитая его коллегами и учениками методология нуклеофильного ароматического замещения водорода (SNH реакции) лежит в основе направленного синтеза люминофоров, биометок и оптически активных металлокомплексов — потенциальных эмиттеров поляризованного излучения, успешно применяется для создания молекулярных магнетиков, реагентов для разделения лантанидов и актинидов. В рамках программы Президиума РАН «Молекулярные магнетики» Институт органического синтеза УрО РАН активно сотрудничает с Институтом общей и неорганической химии РАН (Москва) и Международным томографическим центром Сибирского отделения РАН.
 

В Институте технической химии Пермского НЦ успешно развивается синтез электропроводящих олигомеров и полимеров.
 

Одна из совместных разработок ученых ИОС и ИФМ — нанокомпозиты для диагностики онкологических заболеваний. Этой же цели подчинены выполняемые в Институте химии Коми НЦ работы по созданию новых производных гемина для диагностики, фотодинамической и нейтронзахватной терапии злокачественных образований.
 

Важнейшее направление химической науки — создание новых каталитических систем на основе наноразмерных металлов. Нанокатализ очень перспективен для получения энантиомерно чистых лекарств, и такие системы создают сегодня специалисты ИФМ и ИОС. А в ИТХ Пермского НЦ УрО РАН разрабатываются гибридные нанодисперсные каталитически активные системы для баллиститных порохов и смесевых твердых ракетных топлив, имеющих улучшенные энергетические характеристики.
 

Неорганические наноматериалы: фундаментальные результаты и практический выход              

Доклад директора Института химии твердого тела члена-корреспондента РАН В.Л. Кожевникова был посвящен синтезу, свойствам и применению наноструктурированных неорганических материалов. Докладчик представил разработки Института химии твердого тела УрО РАН, причем каждый фундаментальный результат сопровождался описанием конкретных перспектив его практического применения.
 

Впервые в мире сотрудниками ИХТТ получены нанотрубки ряда оксидов переходных металлов. Эти материалы и интеркалаты на их основе представляют значительный интерес для создания широкого спектра новых катализаторов окисления органических соединений, химических сенсоров, источников тока и др. Наностержни оксидов переходных металлов, например титана, проявляют совершенно необычное сочетание сорбционных, каталитических и оптических свойств, что позволяет приступить к разработке уникальных систем фотокаталитической очистки питьевой воды и воздуха от вредных примесей. Нанокомпозиты на основе соосажденных оксигидратов и углерода имеют рекордную сорбционную емкость и применяются для удаления радионуклидов из природных растворов. Разработаны относительно простые химические методы синтеза ультрадисперсных и субмикронных порошков некоторых металлов (алюминий, медь, серебро, никель и др.). Масштабирование этих лабораторных методик до крупнотоннажных производств позволило бы гораздо шире использовать нанометрические металлопорошки для модификации моторных масел, резинотехнических изделий, лакокрасочных покрытий и т.п. Ряд неорганических материалов в наноразмерной форме позволяет решить некоторые проблемы охраны здоровья и диагностики заболеваний. Так, благодаря высокой интенсивности и резкой зависимости спектра люминесценции халькогенидов от размера кристаллов можно использовать квантовые точки на основе этих соединений для диагностики патологических процессов. Коллоидные растворы и гели танталатов редкоземельных металлов открывают совершенно новые возможности для рентгеновского обследования внутренних полостей и дактилей организма.
 

Интересные в научном отношении и перспективные в прикладном плане результаты получены при использовании плазмохимических методов синтеза материалов и покрытий. Например, нанопорошки на основе сплавов алюминия с щелочно-земельными и редкоземельными металлами существенно повышают характеристики ракетных топлив и других высокоэнергетических материалов. Высокая каталитическая активность нанодисперсных частиц металлов позволяет приступить к разработке принципиально новых металл-катализаторов дожигания выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания. Субмикронные ионно-плазменные покрытия карбидов, нитридов и других тугоплавких, химически стойких веществ на органические трековые мембраны дают возможность управлять их функциональными свойствами и одновременно резко повысить эксплуатационный ресурс фильтрующих элементов на их основе. Прорывные результаты мирового класса получены при разработке наноструктурированных мембранных материалов со смешанным типом проводимости для использования в переработке природного газа и водородной энергетике. Особое место занимают методы компьютерного дизайна, которые позволяют в некоторой степени предсказывать свойства наноструктур и выбирать подходы к их конструированию.
 

Ближайшие перспективы применения наноразмерных порошков и наноструктурированых материалов, вероятно, будут в первую очередь связаны с решением задач повышения эффективности процессов катализа, созданием сверхминиатюрных, быстродействующих химических сенсоров, «интеллектуальных» сред и покрытий, конструкционных и функциональных керамик и сплавов нового поколения.
 

Нанобиология и наномедицина: междисциплинарные подходы

Директор Института иммунологии и физиологии УрО РАН академик В.А. Черешнев представил разработки уральских ученых в области нанотехнологий в биологии и медицине. Из биологических объектов в нанодиапазон укладываются вирус, углеродная нанотрубка (от 100 до 10 нм), белковые молекулы, диаметр спирали ДНК (от 10 до 1 нм). По сути вся молекулярная биология — это нанобиология, а молекулярно-биологические исследования в Уральском отделении активно развиваются.
 

В Институте экологии растений и животных УрО РАН разработана технология восстановления питьевых водоемов путем ускорения деструкции иловых отложений за счет коагуляции и бактериального разложения. Использование в технологии тонких оксидных пленок позволяет получать высококачественные слои заданной толщины на различных подложках, не уступающие по уровню совершенства «идеальным» монокристаллам.
 

Специалисты Ботанического сада УрО РАН обосновали применение липосомальных технологий для введения в организм человека биологически активных и лекарственных веществ. Липосомы (характерные размеры от менее 100 нм до 100–1000 нм) не распознаются антигенами и не разрушаются защитной системой организма. Преимущество липосомальных лекарственных препаратов заключается в возможности их направленного транспорта в отдельные органы, ткани и клетки организма.
 

В Институте иммунологии и физиологии УрО РАН совместно с московскими и пермскими коллегами разработана нанотехнология избирательной доставки к опухоли цитостатиков (лекарств, уничтожающих раковые клетки) с помощью альфа-фетопротеина. В развивающейся опухолевой ткани появляется множество рецепторов, которые «просят» альфа-фетопротеин. Если к нему присоединить цитостатик, он будет доставлен непосредственно в патологическую ткань и целенаправленно уничтожит опухоль. Альфа-фетопротеин — хороший стимулятор и собственных иммунных клеток организма — мононуклеарных лейкоцитов.
 

Углеродсодержащие нанокомпозиты, получаемые в Институте физики металлов УрО РАН методом газофазного синтеза, нашли применение в лазерной фототермической терапии раковых опухолей, разработанной сотрудниками ИИФ совместно с коллегами из Института общей физики РАН (Москва). Наночастицы вводятся в организм посредством инъекций и в основном аккумулируются в опухоли. Затем через кожу по наночастицам в опухоли наносится адресный тепловой удар лазерным импульсом. В результате перегрева наночастиц опухоль разрушается.
 

На основе углеродсодержащих композитов создаются также нанокатализаторы для синтеза кардиотропных лекарственных препаратов и уничтожения стойких органических загрязнителей, содержащих хлор. Это совместная разработка ученых ИИФ, ИОС УрО РАН и МГУ.
 

Исследования на наноуровне позволяют получить более точное, чем сегодняшние методы, представление о состоянии организма в целом. В качестве такого показателя выступают в частности цитокины — физиологически активные вещества, регулирующие функциональное состояние клеток. В результате совместных исследований специалистов Института иммунологии и физиологии, Института экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН и Института вычислительной математики РАН (Москва) были выделены качественные уровни изменения содержания цитокинов, характеризующие системную воспалительную реакцию организма (нормальный, маргинальный, некритический , условно критический, критический и абсолютно критический). Определение уровня цитокинемии у больного позволяет прогнозировать вероятность развития тяжелых осложнений, септического шока и в целом исход болезни.
 

Вообще почти все разработки в области нанотехнологий носят междисциплинарный характер. Совместно с математиками из ИВМ РАН уральские иммунологи исследовали механизмы хронизации вирусных инфекций на примере экспериментальной инфекции вирусами лимфоцитарного хориоменингита у мышей. Интересно, что математическая модель зависимости силы иммунного ответа от скорости размножения вирусов совпала с данными, полученными в реальном эксперименте.
 

Наноструктурированные материалы: новые перспективы

В докладе заместителя директора Института машиноведения УрО РАН доктора технических наук С.В. Смирнова были представлены перспективные технологии получения наноструктурированных материалов, разработанные в Институте машиноведения и Институте механики сплошных сред Пермского НЦ УрО РАН.
 

Полимерные нанокомпозиты. В ИМСС разработана математическая модель нанокомпозита, которая объясняет увеличение прочности при введении в каучук активного наполнителя тем, что при растяжении материала полимерные цепи из нанослоев скользят в зазоры между частицами наполнителя и формируют высокопрочные волокна. Прочность таких нитей в тысячу раз выше прочности каучука и сравнима с прочностью нитей паука или созданного человеком полимерного волокна «Кевлар», которое применяют для изготовления бронежилетов. Построенные математические модели позволяют целенаправленно создавать новые композиции с повышенными механическими свойствами.
 

Исследования в области магнитных жидкостей (ИМСС УрО РАН). В ближайшие годы следует ожидать настоящего бума в производстве недорогих и компактных навигационных систем, ключевым элементом которых является трехкоординатный магнитожидкостный датчик положения. Основной недостаток таких датчиков состоит в нестабильности их показаний со временем, что связано с образованием кластеров из-за дефектов защитных оболочек коллоидных частиц. В Институте механики сплошных сред разрабатывается технология получения магнитных жидкостей, не содержащих многочастичных кластеров и обладающих повышенной устойчивостью к действию градиентных полей. Первые образцы планируется получить в конце 2008 г.
 

Наноструктурирование материалов при ударно-волновом воздействии (ИМСС УрО РАН). Исследования показали, что ряд уникальных эффектов субмикро- и нанокристаллического состояний обусловлены резким изменением корреляционных свойств в ансамбле зернограничных дефектов и качественной сменой типов коллективных мод в ансамблях мезодефектов, характерных для квази-хрупкого, вязкого и объемного наноструктурного состояний. Развитый подход позволил рассмотреть возможные механизмы повышения прочности, качественного изменения пластических свойств, структуры ударно-волновых фронтов, локализации разрушения.
 

Абразивный нанопорошковый материал для финишного полирования (ИМАШ УрО РАН). Установлено, что качество поверхности стальных изделий существенно зависит от трибохимической активности абразивного материала, а сам процесс полирования является механохимическим, происходящем в нанослое. Был разработан новый экологически чистый абразивный нанопорошковый материал на основе смешанного оксида алюминия и железа, который превосходит по полирующей способности отечественные и многие зарубежные микроалмазные порошки и пасты для полирования.
 

Наноструктурирование металлических материалов методами объемной пластической деформации (ИМАШ УрО РАН). В последние годы активно изучается влияние процессов интенсивной пластической деформации на структуру и физико-механические свойства ряда сталей и сплавов. Исследуются возможности наноструктурирования металлических материалов при накопительной пакетной прокатке с соединением слоев. Этот способ интенсивной пластической деформации представляется весьма перспективным для получения нанострукутрированных материалов в виде листов с размерами, представляющими практический интерес.
 

Наноструктурирование поверхности металлических материалов методами фрикционной обработки (ИМАШ УрО РАН). Важным преимуществом предложенного способа нанокристаллизации является его применимость к стальным изделиям практически любых размеров, подвергнутых как объемной, так и поверхностной термической (например, лазерной) или химико-термической обработкам. Формирование при фрикционной обработке деформационно состаренного нанокристаллического мартенсита обеспечивает значительный рост твердости и сопротивления закаленных сталей термическому разупрочнению при длительном нагреве до 350–550°С.
 

Модели для наносистем

Заведующий отделом механики и физико-химии гетерогенных сред Института прикладной механики УрО РАН (г. Ижевск) доктор физико-математических наук А.В. Вахрушев выступил с докладом «Математическое моделирование в наносистемах», подготовленным совместно с директором института академиком А.М. Липановым.
 

Он рассказал о проводимых в институте исследованиях, в которых методами математического моделирования решаются такие задачи, как построение атомной структуры и формы наноэлементов, оценка их физических (механических) свойств, описание их движения и взаимодействия и организации наноэлементов в нано-, микро- и макроструктуры. Эти задачи решаются на разных структурных уровнях, и проблема состоит в невозможности при помощи одного математического метода пройти все эти уровни. Процессы на разных структурных уровнях протекают в соответствующих пространственных и временных масштабах. Для исследования эволюции во времени элементов низшего уровня необходимо рассматривать задачу с очень малым шагом по времени и пространству. Это не позволяет исследовать поведение наносистемы в ее реальных временных и пространственных масштабах. Кроме того, группы независимых элементов низшего уровня, объединяясь, проявляют определенное коллективное поведение в пространстве и времени. Поэтому из них формируются новые структурные элементы, которые далее эволюционируют, взаимодействуя друг с другом, что приводит и к изменению количества неизвестных задачи.
 

Авторы смогли согласовать различные математические методы — такие, как квантовая механика, квантовая химия, молекулярная динамика, мезодинамика и механика сплошной среды, — при переходе с одного структурного уровня на другой путем изменения группы переменных, описывающих задачу. В результате стало возможным моделирование физических процессов в наносистемах различного типа с целью установления фундаментальных закономерностей формирования и эволюции наносистем и решения практических задач нанотехнологии. Так, новый метод мезодинамики, значительно ускоряющий решение задач, помог смоделировать свойства порошкового нанокатализатора, в частности, определить предел прочности материала. Докладчик привел и другие примеры применения расчетов. Математическое моделирование помогло установить, как аккумулируется и сохраняется водород в фуллеренах и нанотрубках при переменных термодинамических параметрах и электрическом поле. По итогам этой работы уже получен патент, и в настоящее время в Москве идет подготовка эксперимента на специальной установке. Изучалось также течение воды в нанотрубках — рассчитывались параметры движения на отдельных участках, в результате чего было установлено, что стабильные макрохарактеристики этого процесса можно получить для больших промежутков времени и в определенных пространственных рамках. Исследовались также изменения вязкости и структура течения воды в нанотрубках разного сечения: при увеличении диметра трубки наблюдается образование водородных связей, кластеров — вода приобретает структуру. Кроме того, обнаружилось возрастание вязкости при падении давления в нанотрубках.
 

В области нанобиотехнологий математическое моделирование использовалось при исследовании образования, состава и принципов движения наночастиц, применяющихся для выращивания растений с высоким содержанием биологически активных веществ — в зависимости от термодинамических условий среды. Выполнен расчет структур и форм наночастиц, проведен анализ стабильности наночастиц и их систем в процессе их статического или динамического взаимодействия, исследовано влияние состава, формы и размеров наночастиц на процессы их движения в газовой среде, проведен анализ процессов пространственного осаждения наночастиц на растения.
 

Таким образом, математическое моделирование позволяет получать все новую информацию о нанообъектах. По результатам проведенных исследований за 3 года было получено 6 патентов.
 

Мир наноминералогии

Доклад академика Н.П. Юшкина и члена-корреспондента РАН А.М. Асхабова (Институт геологии Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар) «Ультрадисперсное состояние минерального вещества: теория и практика наноминералогии» представил А.М. Асхабов.
 

Он отметил, что сегодня удивительным образом повторяется история начала ХХ столетия, когда В. Оствальд назвал «миром обойденных величин» область частиц вещества, размеры которых находятся между размерами отдельных атомов и молекул с одной стороны, и макроскопических тел — с другой. Начавшиеся тогда исследования в этой области привели к формированию ряда новых дисциплин — коллоидной химии, физики и химии дисперсных систем, коллоидно-дисперсной минералогии.
 

Одним из лидеров проникновения в наномир стала минералогия, в исследовательское поле которой наноразмерные объекты вошли еще в конце XIX — начале XX вв. с применением микроскопических и рентгеновских методов для изучения структуры минералов и разработки первых теоретических моделей зарождения и роста кристаллов.
 

Изучение ультрадисперсного состояния минерального вещества, минералов на микро- и наноуровне — одно из приоритетных исследовательских направлений ИГ Коми НЦ УрО РАН, развивающееся уже несколько десятилетий. Так, прямое отношение к изучению ультра- и микродисперсного состояния вещества имели исследования в области микроблочного роста кристаллов, коллоидных систем в зоне гипергенеза, ультрадисперсных руд, глин, природных стекол, акцессорных минералов, ультрамикрогетерогенного строения кристаллообразующих сред и т.д. Благодаря оснащению лабораторий современной электронно-микроскопической техникой, атомно-силовыми и туннельными микроскопами, разработке новых методов рентгеновских исследований, в результате тесного взаимодействия минералогии с другими материаловедческими дисциплинами разработана принципиально новая концепция нанодисперсного состояния минерального вещества, созданы научные основы наноминералогии и определены ее практические следствия.
 

Наиболее важные результаты проведенных в институте исследований в области теории и практики наноминералогии сводятся к следующему: сформирована общая теоретическая концепция наноминералогии и издана фундаментальная коллективная монография «Наноминералогия. Ультра- и микродисперсное состояние минерального вещества» (СПб: «Наука», 2005. 581с. Отв. ред.: академик Н.П. Юшкин, член-корр. А.М. Асхабов, докт.геол.-мин.наук В.И. Ракин). Установлена конституционная специфика и структурно-морфологические особенности минеральных наноструктур и наноиндивидов. На основе исследования биоминеральных гомологий, структурно-химической и морфологической организации наноминеральных объектов (кристаллов керитов) развита концепция минерального организмобиоза. Предложена новая кватаронная концепция кластерной самоорганизации вещества на наноуровне, в рамках которой созданы новые модели генезиса протоминеральных наноструктур, зарождения и роста кристаллов, минералогенеза, формирования наноструктурированных аморфных материалов. Разработаны приемы и методы управляемого синтеза монодисперсных наноразмерных частиц кремнезема и получения на их основе надмолекулярных структур, фотонных кристаллов и композитных наноструктурированных материалов. Заложены основы ряда новых технологий извлечения минералов и наноминералов из ультрадисперсных руд и природных композитов (золота, платиноидов, оксидов марганца, полиметаллов и др.), рационального использования тонкодисперсного минерального сырья, модифицирования свойств поверхности минералов и наночастиц. Эти исследования проводятся в нескольких лабораториях института и в Центре микроминералогических исследований, который работает и по заказам других организаций.
 

В дальнейшем планируется широкомасштабное и углубленное изучение самого ультрадисперсного вещества Земли, познание закономерностей и механизмов индивидуализации, агрегации, видообразования, их специфики, отличий от макроуровня, выяснение конституционных особенностей и свойств микро- и наноиндивидов, устойчивости и изменчивости минеральных систем, процессов минералообразования и минералоразрушения. Необходимо изучение самых мелких индивидов и относительно автономных кластерных образований, структурная роль которых в минеральном мире сравнима с ролью одноклеточных организмов в бионаномире. Предстоит выяснить особенности микроминеральных парагенезисов, ответить на вопрос, существуют ли особые микроминеральные виды, типичные только для микро- и наномира.
 

Что касается наноминералогических технологий, то они подразумевают, в основном, извлечение ультрадисперсных минералов из некоторых типов руд, в основном благороднометалльных, модифицирование свойств минералов, получение новых материалов, разработку поисковых и оценочных геотехнологий. Весьма важны в прикладном отношении и проблемы, связанные с синтезом наночастиц, изучением кристаллизации в наносистемах и получением нанокристаллических материалов, в том числе на минеральной основе.
 

Исследования по наноминералогии в ИГ Коми НЦ УрО РАН были поддержаны различными грантами Российского фонда фундаментальных исследований, Министерства образования и науки, Фонда содействия отечественной науке. Как составная часть они входили в программы фундаментальных исследований президиума РАН, Отделения наук о Земле РАН, междисциплинарных интеграционных проектов Сибирского, Дальневосточного и Уральского отделений РАН, федеральной целевой научно-технической программы «Наноминералогические исследования для создания теоретических основ рудообразования».
 

Сейчас уже ясно — познание минерального наномира имеет огромное эвристическое значение не только для минералогии, но и для всего естествознания и уже в ближайшее время обогатит науку новыми фундаментальными открытиями.
 

Динамика наноиндустрии

Доктор экономических наук, ведущий научный сотрудник Института экономики УрО РАН А.В. Гребенкин рассказал об организационно-экономических условиях и факторах возникновения и развития структур наноиндустрии.
 

Отечественные наноиндустрии составляют интегрированный комплекс решений и результатов, самостоятельный кластер в экономической системе, структурными элементами которого являются научно-исследовательские и учебные центры, технопарки, бизнес-инкубаторы, рынки продуктов наноиндустрии, «инновационные мосты», бизнес-структуры, инновационные фонды и исследования по организационной инноватике. Каждый из этих элементов имеет свои проблемы и «болевые точки». Достаточно сказать, что в целом за последние годы сократилась доля России в мировых наноразработках, по-прежнему существует разрыв между наукой и производством. Необходима специальная политика, направленная на постройку инновационных «мостов» через эту «долину смерти». В этом отношении Россия пока отстает, например, от Финляндии, имеющей несравненно более высокую плотность университетов, технопарков и других инновационных структур на душу населения. Соответственно, та же Финляндия занимает второе место в мире по индексу глобальной конкурентоспособности, а Россия — всего лишь шестьдесят второе.
 

В настоящее время разработана и опубликована программа развития наноиндустрии в стране и до 2015 г: предполагается довести долю отечественной продукции наноиндустрии до 3–5%, объем ее реализации до 200–205 млрд. руб., уровень обеспеченности российской экономики этой продукцией — до 17–20%.
 

Организационно-экономические условия развития наноиндустрии — это создание и адаптация ее институтов, формирование инфраструктуры (нанотехнопарков и т.д.), подготовка кадров, разработка методики организационной инноватики. По этим направлениям в Институте экономики УрО РАН уже ведутся практические разработки — готовятся методические рекомендации для различных организаций и структур, обоснована инициатива создания нанотехнопарка как «инновационного моста» для связи науки и бизнеса, в настоящее время обсуждается стоимость и реализация этого проекта. Изучаются и возможные экологические последствия нанотехнологий, их рентабельность в масштабах экономики страны, хотя в целом курс на их развитие оспорить уже трудно.
 

Университетские инновации

Выступивший в прениях профессор Уральского госуниверситета В.Я. Шур (лаборатория сегнетоэлектриков НИИ ФПМ УрГУ, Уральский центр коллективного пользования «Сканирующая зондовая микроскопия») по существу представил содержание отдельного доклада на тему «Нанотехнологии в инновационном университете». Ведущим уральским вузам есть что показать в этой сфере. В нынешнем году УрГУ и УГТУ-УПИ включены в Федеральную целевую программу «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2010 годы». Повышение качества обучения и исследований в области нанотехнологий — ключевой момент в инновационной образовательной программе УрГУ на 2007–2008 гг. В университете вот уже два года проводится набор на бюджетные места по направлению бакалавриата «Нанотехнологии», причем нынче конкурс составил больше 11 человек на место. При подготовке учебных планов учитываются кадровые запросы предприятий и институтов УрО РАН, планируется открытие кафедры нанотехнологий, соответствующего направления магистратуры. В рамках инновационной образовательной программы в нынешнем декабре в УрГУ на базе существующего
 

ЦКП «Сканирующая зондовая микроскопия» (СЗМ) открывается Центр коллективного пользования «Современные нанотехнологии», состоящий из 11 подразделений. Докладчик вкратце рассказал об истории ЦКП СЗМ, ведущей отсчет с 2001 года, оборудовании Центра, среди которого есть приборы мирового класса, основных направлениях ведущихся здесь исследований, их результатах. О качестве этих результатов и интересе к ним свидетельствует тот факт, что состоявшийся в УрГУ в минувшем августе второй международный симпозиум «Микро- и нано-доменная структура сегнетоэлектриков» — ISDS’07 — собрал 135 участников из 15 стран, которых не вмещали университетские коридоры.
 

* * *
 

Завершило собрание выступление члена-корреспондента Академии В.Л. Яковлева (Институт горного дела УрО РАН). Во-первых, Виктор Леонтьевич очень высоко оценил профессиональное качество прошедшей сессии. Во-вторых, от лица уставной комиссии он поздравил коллег с утверждением нового устава РАН, назвав победой то обстоятельство, что через правительство прошел его академический, а не чиновничий вариант, сохраняющий финансовую самостоятельность Академии. Однако предаваться эйфории по этому поводу не стоит. Предстоит большая работа по приведению в соответствие с общим отделенческого устава, и особое внимание надо уделить статусу региональных научных центров. Это должно быть сделано к весне будущего года.
 

Кроме того, на собрании состоялись выборы трех директоров институтов. По итогам голосования директором Института геологии Коми НЦ (Сыктывкар) избран член-корреспондент РАН А.М. Асхабов, директором Института степи (Оренбург) член-корреспондент А.А. Чибилев, директором Института философии и права (Екатеринбург) — доктор юридических наук В.Н. Руденко.
 

Материалы сессии подготовили
Е. ПОНИЗОВКИНА,
А. ПОНИЗОВКИН,
Е. ИЗВАРИНА
Фото Т. ПЛОТНИКОВОЙ
и С. НОВИКОВА