«Сталь становится прочнее в 1,5 раза»

Директор Института новых материалов и нанотехнологий МИСиС о нанонауке в России

Директор Института новых материалов и нанотехнологий МИСиС Сергей Калошкин

Что такое нанотехнологии, как их развивают в МИСиСе и что нового принес в институт нынешний министр образования и науки Дмитрий Ливанов, рассказал «Газете.Ru» директор Института новых материалов и нанотехнологий вуза Сергей Калошкин. Он уверен, что исследовательская программа по нанотехнологиям в России катастрофически недофинансирована и нуждается в большем внимании государства и бизнеса

В интернете (в частности, в русской «Википедии») можно встретить следующее мнение: «На сегодняшний день в мире нет стандарта, описывающего, что такое нанотехнологии, что такое нанопродукция». Справедливо ли это утверждение? Если нет, то тогда дайте, пожалуйста, определение того, что такое нанотехнологии?

Очевидно, в интернет просочились отголоски того критического обсуждения в научном сообществе, что же такое нанотехнологии. Однако, несмотря на множество мнений, сегодня в целом сформировалось представление, с чем мы имеем дело. Есть два подхода. В широком смысле слова можно сказать, что если мы получаем каким-то способом наноматериал, то это нанотехнология. Второе определение более узкое.

Нанотехнологии – это когда мы работаем с материалами на наноразмерном уровне, можем инструментально воздействовать на элементы структуры на наноуровне с помощью специальных устройств и технологий.

Однако здесь возникает вопрос: что же, собственно, такое наноматериал? Под ним мы понимаем материалы, структурные элементы которых, обычно это менее 100 нанометров, существенно влияют на изменение свойств этих материалов при работе с ними. Возьмем, например обычную сталь с размером зерна 30 микрон.

Посредством определённых способов мы получаем эту сталь с размером структурного элемента в 0,1 микрона, или 100 нанометров. Свойства существеннейшим образом изменяются. Сталь, например, становится прочнее в 1,5 раза.

Это означает, что изменение размера структурного элемента привело к значительным изменениям свойств этого материала, и это позволяет нам отнести сталь к разряду наноматериалов. Нанотехнологический подход заключается в том, чтобы на наноуровне управлять свойствами материалов. Если мы создаём элементы с таким размером, и это влияет на потребительские свойства материалов, значит, фактически мы работаем с наноматериалами.

Сергей Дмитриевич Калошкин

• Директор Института новых материалов и нанотехнологий Национального исследовательского технологического университета «МИСиС». Доктор физ.-мат. наук по специальности физика твердого тела, автор более 150 научных публикаций по физике металлов и материаловедению.

Область научных интересов: аморфные и нанокристалличекие сплавы, механоактивация, механохимический синтез материалов, композиционные материалы, микрокалориметрия.

Окончил Московский институт стали и сплавов в 1981 году. В 1985 году защитил кандидатскую диссертацию «Термическая устойчивость аморфных сплавов на основе системы Fe-B и ее зависимость от химического состава», а в 1998 году – докторскую диссертацию «Термодинамика и кинетика превращений метастабильных металлических материалов с аморфной и нанокристаллической структурой» (специальность «Физика твердого тела»).

Где в России занимаются нанотехнологиями? Как давно нанотехнологии являются первым среди приоритетных направлений развития науки в НИТУ «МИСиС»?

Сегодня, после того, как в научное направление нанотехнологий и наноматериалов государством были направлены значительные средства, фактически все ведущие материаловедческие центры занимаются этим вопросом, в т.ч. МГУ, НИТУ «МИСиС», Химико-технологический университет, СПбГУ, Курчатовский, УГАТУ, и многие-многие другие, перечисление здесь бессмысленно, поскольку таких центров сотни. Активное развитие нанопрограмм началось в нашем университете около 6–7 лет назад. Сначала на базе факультетов полупроводниковых материалов и физико-химического был сформирован Физико-химический институт, а 3 года назад подразделение получило своё сегодняшнее имя – Институт новых материалов и нанотехнологий. Помимо института, в структуре НИТУ «МИСиС» появился Центр наноматериалов и нанотехнологий. Эта структура, с одной стороны, является курирующей, которая объединяет усилия разных институтов и кафедр в обсуждаемой области. С другой стороны, там проводятся собственные исследования.

Приведите, пожалуйста, примеры исследований в области технологий, которые проводятся в НИТУ «МИСиС», а также прикладные результаты этих исследований.

Как вы знаете, окна являются основной причиной потерь тепла в помещении. В нашем институте ведется проект «Умные стёкла». Его смысл заключается в том, что мы получаем специальное покрытие, которое интегрируется в состав стекла. Такую плёнку не смоёт дождь, её не отскоблят дети, ее даже нельзя увидеть. Фактически мы говорим о другом составе поверхности стекла. Такие покрытия способны пропускать тепло в одном направлении, задерживая его в помещении. Первые результаты показывают, что эффективность подобных нанопокрытий очень высока.

Сами представьте, какой колоссальный экономический эффект может дать в целом по стране уменьшение потребления тепла в доме хотя бы на 5–10%!

Задача у покрытия может быть и другая. Например, чтобы в помещении не было жарко.

Наноплащ, наношина и другие солдатские нанотехнологии

Американские ученые работают над созданием «обмундирования будущего» – сверхлегкого «комбинезона», не только обеспечивающего защиту от влаги, пуль и взрывов, но и контролирующего…

Другой пример из области металлургии. Его реализует кафедра функциональных наносистем и высокотемпературных материалов по заказу «Северстали». Без огнеупорной керамики не может функционировать ни одно производство, имеющее дело с жидким металлом. Такая керамика применяется для футеровки внутренней поверхности сталеплавильных агрегатов, ковшей, тиглей, изложниц. Однако внутренняя облицовка довольно недолговечна, что приводит время от времени к необходимости её перекладки, что, соответственно, означает остановку производства и бизнеса на несколько недель.

Если в огнеупорную керамику добавить специальный нанопорошок, то керамика становится плотнее и прочнее, что позволяет до 50% продлить срок её службы. Соответственно увеличивается эффективность бизнеса нашего заказчика, поскольку повышается срок работы агрегата до остановки на ремонт.

Мы также принимаем участие в довольно, на мой взгляд, любопытном проекте, связанном с так называемой универсальной системой навигации. Недавно на международной конференции Intermag я увидел японскую компанию, которая использует аморфные микропровода, имеющие ряд специальных магнитных свойств, для того, чтобы в мобильных устройствах, например, в навигаторе, использовать дополнительную систему навигации, чтобы, когда не будет связи со спутником (в тоннеле, метро), она продолжала работать, просто вычисляя координаты вашего перемещения с помощью специальных датчиков, которые измеряют ваши скорость и ускорение в трёх координатах. У себя на навигаторе/телефоне вы продолжаете видеть, где конкретно находитесь, даже если связи со спутником нет. Устройство самостоятельно вычисляет своё месторасположение. Мы исследуем один из ключевых элементов этой системы – упомянутые микропровода. Сейчас используются аморфные микропровода, мы хотим применить нанокристаллические. Свойства таких материалов выше, чем у аморфных, соответственно, эффективность всей системы универсальной навигации улучшится. Для того, чтобы использовать такую систему в навигаторе/мобильном, можно интегрировать датчик толщиной 10–20 микрон и длиной 3 мм. Естественно, должна быть электроника, микросхема, которая сумеет этот прибор сделать удобным для употребления, но вот саму «жилу» с такими свойствами нужно получить с заданной структурой и нужным уровнем магнитных свойств, чем мы и занимаемся в рамках фундаментальных исследований. Мы очень рассчитываем разработать такие материалы. В случае успеха нам нужна будет помощь тех, кто может работать с микросхемами, сделает из этого прибор, сможет довести его до производства.

Словом, нам нужны партнёры, приглашаем к сотрудничеству.

Нанотефлон от Гейма и Новоселова

Нобелевские лауреаты Андрей Гейм и Константин Новоселов создали фторографен – модификацию графена, подобную тефлону. Сверхтонкий диэлектрик фторографен имеет большое будущее в электронике…

Есть ли ещё какие-то сферы применения таких датчиков?

У таких датчиков может быть очень широкий спектр применения, не ограничивающийся пользователями мобильных гаджетов. Миниатюрные приборы могут быть интересны городским и муниципальным службам, эксплуатирующим компаниям, ТЭК, которые запускают в трубопроводы для контроля их состояния т.н. «кротов». Размер всего прибора может измеряться миллиметрами.

Ещё одна широкая область наших исследований связана с разработкой биосовместимых материалов, в частности, для протезирования. Допустим, человеку нужен новый искусственный сустав. В своём составе он имеет две трущиеся поверхности, обычно, шарообразные. Сегодня одна из частей обычно изготавливается из сверхвысокомолекулярного полиэтилена, другая делается, чаще всего, из металла или керамики. Однако с такими имплантантами, даже западного производства, есть проблемы: после определённого срока службы (5–7 лет) в присуставных областях накапливаются продукты трения. Удалять это, как вы понимаете, довольно проблематично. Существует задача повысить прочность, износостойкость, понизить коэффициент трения полимера, плюс к этому, чтобы ещё не было вреда организму, т.е. материал должен быть биосовместимым. Мы добавили в него специальные наночастицы, в результате чего износостойкость возросла более чем на 50%, был достигнут заметно меньший коэффициент трения. Срок службы сустава с таким материалом вырос, теперь возможное воспаление от накапливания продуктов износа начнётся позднее, например, не через 5, а через 7–8 лет.

Последние пять лет НИТУ «МИСиС» возглавлял Дмитрий Ливанов, который сейчас является главой Министерства образования и науки РФ. Какие изменения произошли в институте за эти пять лет? Как НИТУ «МИСиС» будет развиваться в дальнейшем?

• На мой взгляд, ректор любого вуза обязан задавать внутренний тон, не только общую стратегию развития. Дмитрий Викторович Ливанов внес большую позитивную динамику в развитие НИТУ «МИСиС» как вуза, как научного учреждения.

К достижениям Дмитрия Ливанова-ректора можно отнести заметное омоложение коллектива НИТУ, оснащение вуза новейшим исследовательским оборудованием, переход на новые учебные планы, включающие четырехкратное увеличение преподавания английского языка, (в НИТУ МИСИС запущена совместная с Кембриджским университетом программа модернизации обучения английскому языку), значительное расширение международного сотрудничества МИСиСа в целом; начало проектирования нового кампуса.

МИСиС получил престижный статус НИТУ. Это серьезные изменения

Каковы размеры заказов Институту? Кто является основным заказчиком поисковых работ?

Мы бы хотели, чтобы заказы на поисковые работы были не меньше, чем 200 тыс. руб. С другой стороны, мы стремимся брать даже небольшие заказы для того, чтобы в следующий раз получить больше. Заказчики всегда хотят постепенно присмотреться к исполнителю, понять, что он может, можно ли рассчитывать, что идея реализуется и т.д. Самый большой наш заказчик сегодня – это государство, от коммерческих структур заказы на работы по нанотехнологиям и наноматериалам могут составлять и 5, и 10 млн рублей.

Оправдано ли такое внимание (и объемы финансирования), которое уделяется в России нанотехнологиям? В научном сообществе ходит шутка, что если кто-то из ученых хочешь гарантированно получить грант, то в своей заявке ему нужно указать слова «нанотехнологии» и «инновации». Как вы относитесь к тому, что слово «нанотехнологии» для многих является нарицательным?

Слово нанотехнологии действительно стало нарицательным. Однако могу сказать, что в таких маленьких объёмах, как у нас, не финансируется ни одна в развитом мире исследовательская программа. Нанопрограмма должна быть одной из программ, которые требуют гармоничного развития: среди них также энергоэффективность, биоматериалы, программы ресурсосбережения.

Насколько глубоко сотрудники НИТУ «МИСиС» интегрированы в международное научное сообщество?

Интеграция в международное научное сообщество традиционно базировалась на связи профессор-профессор и стандартных схемах научных обменов, и эта форма пока является определяющей, но сейчас мы выходим на другой, институциональный, уровень интеграции. Речь идет 1) о формировании совместных исследовательских программ, объединяющих для реализации общей научной идеи коллективы исследователей. Например, у нас очень удачно развиваются партнерские отношения с Университетом Кембриджа, при этом научные школы МИСиС и Университета Кембриджа не конкурируют, но хорошо дополняют друг друга. 2) о приглашении ведущих ученых для проведения исследований в МИСиС для формирования новых научных школ и направлений, что обеспечивает тесные научные связи и согласованное развитие научных направлений в университетах. 3)

в этом году мы в МИСиС начинаем приглашать молодых исследователей на позиции PostDoc из ведущих зарубежных университетов.

На прошлой неделе в НИТУ «МИСиС» завершил работу симпозиум «ISMANAM 2012». Насколько важно, что это мероприятие прошло в России, в МИСиС? В каких странах и на базе каких учреждений этот симпозиум проходил в прежние годы? Кто из ведущих ученых мира посетил ISMANAM в МИСиС в этом году?

ISMANAM для России и для НИТУ «МИСиС» – одно из крупнейших международных мероприятий в области материалов, в т.ч. наноструктурированных. На сегодня в нашем университете не организовывалось такого масштаба событий с количеством иностранных участников более 250. Из России в работе ISMANAM приняли участие более 100 учёных. Впервые за почти 20-летнюю историю симпозиума площадкой для него стала Россия. ISMANAM проводится ежегодно в разных странах, впервые состоялся в 1994 году во Франции, в Гренобле, и с тех пор организовывался по всему миру: Канада, Великобритания, Южная Корея, Аргентина, Швейцария, Испания. Задача ISMANAM – объединение научного сообщества с целью широкого обсуждения вопросов, связанных с формированием в материалах неравновесного и наноструктурного состояний. Среди светил мировой науки, посетивших мероприятие в России: профессор Akihisa Inoue (Сендай, Япония), директор Института исследования материалов, Университет Tohoku; профессор Alain R. Yavari (Франция), председатель международного комитета Ismanam, директор по исследованиям Национального центра научных исследований (directeur de Recherche CNRS), профессор Национального политехнического института, Гренобльский университет; профессор Alan Lindsay Greer (Великобритания), директор Института материаловедения и металлургии, Кембриджский университет; профессор Юджерн Эккерт, руководитель лаборатории в Дрездене (Германия), Институт материаловедения; профессор Роберт Шульц (Канада); профессор Александр Мукасян, профессор Американского университета Нотр-Дам, руководитель научно-исследовательского центра «Конструкционные керамические наноматериалы» НИТУ «МИСиС»; профессор Алексей Устинов, заведующий кафедрой экспериментальной физики, директор Физического института Технологического университета Карлсруэ (Германия), руководитель лаборатории сверхпроводящих метаматериалов НИТУ «МИСиС».

http://www.gazeta.ru/…644001.shtml