Фото: Arnero

Новосибирская компания оказалась лидером по производству невидимых глазу нанотрубок, способных изменять свойства материалов. О том, как создавалась единственная в мире технология промышленного синтеза углеродных нанотрубок, и как новосибирцы планируют изменить мир, Sibnet.ru рассказал научный руководитель OCSiAl, член-корреспондент РАН Михаил Предтеченский.

Одностенные углеродные нанотрубки представляют собой свернутый в цилиндр графеновый лист толщиной в один атом и обладают фантастической прочностью, упругостью и способностью проводить электрический ток. Они являются новым универсальным аддитивом (добавкой), способным менять материалы, увеличивая тепло- или электропроводимость, а также усиливая физико-механические свойства.

По прогнозам экспертов, рынок применения углеродных нанотрубок к 2025 году составит около 70 миллиардов долларов и превысит 145 тысяч тонн.

Революция началась

Группа операторов, отделенная стеклянной перегородкой, управляет плазмохимическим реактором. Несведущий человек не определит в огромном металлическом «котле» единственную в мире промышленную установку по синтезу нанотрубок, которой бы мечтали завладеть крупнейшие мировые корпорации. Именно поэтому здесь не разрешают фотографировать.

Внутри этой установки и синтезируются одностенные углеродные нанотрубки — невидимые глазу наноструктуры, способные изменять свойства материалов.

«Когда наука перестала финансироваться, я был молодым заведующим лаборатории с мировыми результатами. Я стал искать возможности для выживания, начал сотрудничать с международными корпорациями, делать заказные работы для НР и других компаний, а затем и для российских компаний, например, для угольной промышленности. Мне хотелось найти фундаментальный проект, чтобы можно было вложиться», — начал рассказ Предтеченский.

Задание от НР по созданию струйного принтера, который смог бы печатать оловом для распайки интегральных схем, ученый выполнил за три дня, а за неделю сделал со слесарем образец. «Я продал эту идею за полмиллиона долларов. После этого я понял, что просто надо ставить задачи и их решать, тогда все получится», — сказал собеседник.

О нанотрубках Предтеченский знал с момента их открытия 25 лет назад и наблюдал за этой сферой. Но когда увидел нанотрубки в материалах на выставке «Роснано», то для него стало очевидно — за этим открытием будущее промышленности.

на сегодняшний день в мире зарегистрировано порядка 40 тысяч патентов в области использования нанотрубок и опубликовано более 500 тысяч научных статей, но уникальный материал пока мир не заполнил. Дело в том, что их производили лаборатории в очень маленьких объемах и стоимость килограмма нанотрубок приемлемого качества начиналась от 150 тысяч долларов.

Предтеченский вместе с группой бизнесменов из Красноярска и Томска поставили задачу создать промышленную технологию синтеза нанотрубок и значительно снизить их стоимость.

Как поясняет ученый, технология синтеза предполагает, что углерод, образующийся при каталитическом разложении углеводорода, растворяется в наночастице металла. При достижении высокой концентрации из частицы-катализатора происходит «выделение» избыточного углерода в виде «зародыша» нанотрубки. В стандартных технологиях синтеза одностенные нанотрубки, как правило, высаживаются на поверхностях.

Новосибирец же предложил оригинальное решение, позволившее перевести весь процесс в газовую фазу, когда приготовление катализатора и синтез нанотрубок выполняются одновременно в одном технологическом цикле. 

«Главное отличие нашей технологий в том, что за счет неординарных технических решений она получилась масштабируемой, то есть в одной установке мы получаем на порядки больше нанотрубок, чем делают обычно», — сказал Предтеченский.

Он также подчеркнул: «Наш успех обусловлен тем, что мы находимся в Академгородке. Это изначальное конкурентное преимущество. Есть научные заделы, кадры, аналитическое оборудование, которое не так просто получить в другом месте. Очень важны связи с академическими научными институтами. Это пример роли науки в практическом применении».

От нано к макро

Добившись результата, OCSiAl снизила цену на нанотрубки почти в 100 раз — до 2 тысяч долларов за килограмм. Помимо продажи нанотрубок высокого качества по беспрецедентно низкой цене, компания начала также разрабатывать технологии для различных индустрий, упрощающие введение нанотрубок в материалы. Для этих целей в Технопарке был построен центр прототипирования материалов, оснащенный самым современным оборудованием.

«Сразу после синтеза трубки слипаются в пучки из десятков нанотрубок. Чтобы они эффективно работали, вы должны разбить пучки, и это непросто. Затем трубки надо правильно ввести в материал. Мы эти проблемы решили. Мы научились делать мастербатчи — растворы с высокой концентрацией трубок, в которых пучки разбиты», — рассказал Предтеченский.

По его словам, эти растворы можно вливать на этапе жидкой фазы производства пластика или эпоксидной смолы и на выходе получать абсолютно новый продукт. Например, возможно увеличить прочность полиэтилена в шесть раз. При этом не надо менять технологическую линию.

После получения этого результата компания открыла восемь офисов за границей: в Европе, США, Южной Корее, Китае, Индии, Гонконге. Оправдал себя и коммерческий ход с бесплатной рассылкой грамма нанотрубок по всему миру – несколько тысяч производителей получили возможность протестировать нанотрубки и убедиться в их уникальных свойствах.

«Мы производим 90% всего мирового рынка нанотрубок на одной технологической линии. Остальные 10% — десятки маленьких лабораторий. Все нанотрубки мы продаем. Примерно 30% покупателей российские, а 70% — зарубежные. Наша задача — забрать весь рынок, тогда бессмысленно будет с нами конкурировать», — заявил собеседник.

Композитные изделия, антистатические перчатки, шины, литий-ионные аккумуляторы, проводящие пленки, используемые при производстве LCD-дисплеев и Touch Screen — это лишь часть изделий, где нанотрубки позволяют сделать материалы прочнее, повысить их проводимость.

Сотрудники компании создали новый материал — бумагу из углеродных нанотрубок, которая имеет высокую проводимость. Ее можно использовать в кабелях вместо тяжелой медной оплетки, при этом вес кабеля снижается на 40%, что особенно важно для авиапромышленности. Введение нанотрубок в электроды позволяет увеличить в пять раз циклируемость стандартных свинцовых аккумуляторов.

«Сейчас по российским нормам все производственные полы должны быть антистатические. Есть производства, где это принципиально важно, например, в электронике, иначе микро схема выгорает, или при работе со взрывчатыми веществами. 90% таких полов теперь изготавливают в России с нашими нанотрубками. Этот рынок мы забрали. Раньше для этих целей добавляли углерод и медные проволочки», — рассказал собеседник.Тренировочная стыковка: как космонавтов избавляют от страха

Нанотрубками заинтересовался новосибирский завод «Экран». Чтобы конкурировать на рынке, копания стала делать бутылки из более тонкого стекла, но увеличился процент брака. В специальный раствор добавили нанотрубки и облили им бутылки. Процент брака сократился, «Экран» получил гигиенический сертификат на эту продукцию. Сейчас завод решает вопросы запуска серийного производства.

«Трубы для химических, горючих компонентов должны быть разного цвета , чтобы рабочие могли их различать. Красить пластик очень трудно. Трубы должны быть электростатические, поэтому в них добавляют сажу, они от этого теряют прочность и приобретают черный цвет. Наших одностенных трубок необходимо мало, таким образом сохраняется цвет и увеличивается прочность пластика. Проводящие пластики — большой сегмент рынка. Цветные пластики будут высоко востребованы среди потребителей», — также уверяет Предтеченский.

Одностенные нанотрубки — это еще и единственный в мире материал, из которого можно создать трос для космического лифта, который позволит без ракет доставлять груз в космос. «Если сделать трос, по которому будет подниматься космический груз из стали, то внизу он будет в диаметре десятки километров. Задачу можно решить с помощью нанотрубок и над этим работают ученые в разных странах мира», — добавил ученый.

В 2015 году OCSiAl синтезировала 1,2 тонны нанотрубок, в этом году произведёт 4,5 тонны, но это все равно не покроет потребности рынка.

«Полтонны надо, чтобы все сенсоры были из нанотрубок. Все литий-ионные батарейки потребуют 150 тонн. Углепластики поглотят 300 тонн нанотрубок в год. Производство резины заберет 25 тысяч тонн. Весь рынок не менее 145 тысяч тонн трубок», — отметил собеседник.

Древнее человека

Президент РФ Владимир Путин в Париже на Климатической конференции ООН в конце прошлого года представил новосибирскую технологию получения одностенных углеродных нанотрубок как средство сокращения эмиссии (выброса) углекислого газа к 2030 году на 160-180 миллионов тонн. Потопы и смерчи: что случилось с погодой в Сибири?

«Эмиссия углекислого газа отравляет атмосферу и океан, гибнут кораллы, а за ними и рыба. Треть эмиссии углекислого газа определяется добычей, транспортировкой и первичной переработкой материалов. Нанотрубки увеличивают прочность, а значит можно использовать меньше материала. Если мы сократим количество материалов, то станет меньше углекислого газа. Полноценная коммерциализация углеродных нанотрубок с точки зрения эффекта сокращения эмиссии сопоставима со всеми энергетическими технологиями. Мы мир спасаем», — сказал Предтеченский.

Вместе с развитием сферы нанотрубок появились вопросы и о том, опасно ли их производство, токсичны ли сами нанотрубки и есть ли отложенный эффект от их добавления в материалы.

«Нанотрубки в природе есть, они образуются при неполном горении углеводородов. Например, леса горят — появляются тысячи тонн нанотрубок, катализаторы содержатся в самих деревьях. Если взять соскоб сажи в камине и под микроскопом посмотреть, наверняка найдутся нанотрубки. Они даже обнаружены в древних клинках дамасской стали и китайской туши. Значит биологические объекты для нанотрубок не новые и они к ним адаптированы», — пояснил ученый.

Идея ученых о том, что нанотрубки могут протыкать мембраны клеток, привела к многочисленным исследованиям на эту тему. Одностенными нанотрубками кормили мышей и выяснили, что из-за гибкой структуры они не вредят живому организму.

Доказательств, что нанотрубки внутри материалов оказывают токсическое действие, тоже нет. Например, в США из пластиков с добавлением нанотрубок уже разрешено делать игрушки. И, как уже упоминалось, завод «Экран» получил гигиенический сертификат на бутылки.

Кроме того, компания OCSiAl осенью рассчитывает получить европейский сертификат о безопасности химической продукции REACH (без него нельзя экспортировать продукцию в Евросоюз), в рамках получения которого проводятся строжайшие токсикологические исследования ведущими специализированными институтами ЕС. «Нам уже известны результаты этих тестов – наш материал не токсичен по всем параметрам», — сообщил собеседник.

Возглавить будущее?

«Все данные говорят о том, что нет опасности. Но на производстве мы максимально стараемся обеспечить безопасность. У нас замкнутый цикл производства», — отметил Предтеченский. Сотрудники лаборатории эластомеров смешивают нанотрубки с разными веществами и тут же в одном помещении проверяют получившиеся образцы на прочность, вязкость, эластичность, электропроводность. Из этой комнаты выходят резины, перчатки и наливные полы. В соседних разрабатывают другие материалы будущего.

«Промышленное производство только в Новосибирске, ни у кого в мире нет доступа к нанотрубкам и компетенциям по их введению в материалы. У ученых сибирских институтов появляется окно возможностей, и оно скоро захлопнется. Есть несколько лет, за которые можно совершать технологические прорывы. Это нужно и стране, и нам. Но активность должна поступать от самих ученых», — сказал собеседник.

В конце года компания планирует запустить новый реактор, который будет синтезировать 50 тонн нанотрубок в год. Затем OCSiAl откроет производства нанотрубок в разных странах мира, чтобы, как планируют новосибирцы, возглавить мир новых материалов.

Чубайс верит, Асеев — нет

«Я убежден, что будет проявлен интерес к разработке по углеродистым тонкостенным наноматериалам. Я уверен, что представители отрасли и холдингов заинтересуются, и будет здесь обозначены дополнительные соглашения, потому что это революция в материаловедении… Я думаю, возможность применения этого материала спровоцирует интерес во многих отраслях», — говорил ранее губернатор региона Владимир Городецкий.

Проект производства углеродных нанотрубок он представлял председателю правительства Дмитрию Медведеву и президенту РФ Владимиру Путину. В августе представил и новому полпреду президента в СФО Сергею Меняйло. Тогда глава региона сказал, что в ближайшее время рабочая группа по сопровождению программы реиндустриализации экономики под председательством вице-премьера РФ Аркадия Дворковича решит — в какие федеральные целевые программы можно вписать новосибирский проект. Искусственное сердце и аэросани: новинки для Рогозина

Одним из основных инвесторов OCSiAl является «Роснано», ее руководитель неоднократно называл производство нанотрубок перспективным.

«Никто не верит. Но уже сегодня компания OCSiAl, которая начиналась с трех с половиной человек, с лабораторной установки, дошла до того, что первой в мире решила проблему изготовления углеродных нанотрубок в промышленном объеме. Для примера: при добавке менее 1% такого материала в алюминий тот становится прочнее, чем титан», — сказал в интервью РБК глава «Роснано» Анатолий Чубайс.

По его словам, на рынке углеродных нанотрубок нужно создавать продукт одновременно с потребителем: «Потому что потребитель еще не знает, какое счастье его ждет, — мы должны его в этом убедить. Мы работаем с десятками компаний по всему земному шару, от Samsung до крупнейших российских корпораций, и ждем прорыва глобального уровня».

А вот глава СО РАН Александр Асеев в августе в интервью газете «Континент Сибирь», после того как встал вопрос о выкупе компанией арендуемого у «Технопарка» здания, назвал проект OCSiAl «научно и экономически недостаточно обоснованным».

«Главный полученный результат состоит в том, что при участии и под научным руководством талантливого ученого, сотрудника Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН члена-корреспондента РАН М. Р. Предтеченского найдено оригинальное решение для высокопроизводительного плазменного реактора по производству нанотрубок. Но эту работу надо сначала завершить в части указанных проблем формирования композиционных материалов, а потом анонсировать производство рыночных продуктов – небьющейся стеклотары, «вечных» шин, полимерных композитов, «нанобетона»», — заявил Асеев.

Он также сказал, что не решена проблема биологической безопасности углеродных нанотрубок, так как благодаря наноразмерам и своей легкости они могу попасть в организм при вдохе.

Предтеченский в ответ на слова Асеева заметил, что глава СО РАН еще не был в OCSiAl. «Мы активно работаем различными с материалами и решаем связанные с этим проблемы. Сказать, что мы отстали, нельзя, потому что мы впереди. Александра Леонидовича я глубоко уважаю. Ему что-то не то сказали, не был он у нас. До недавнего момента мы не рассказывали широко о наших достижениях так как мы коммерческая компания и связаны соглашениями о конфиденциальности. И пока мы на рынок не вышли, мы все держали в секрете. Я думаю, он нас посетит и изменит свое мнение», — сказал Предтеченский.