Эксперт Эксперт - Эксперт № 11 (2013)
— А разве не пришлось бы для воплощения такого футуристического замысла проводить многомиллиардные R&D в поисках упрочняющих добавок, причем по каждой группе основных материалов? Одним проектом тут явно не обойтись.
— Существует универсальная добавка, или, по-другому, аддитив, которая меняет и расширяет функциональные свойства основных конструкционных материалов, то есть металлов, пластиков и бетонов — того, из чего состоит практически все, что нас повсеместно окружает. Этот аддитив — CNT (Carbon Nano Tubes), углеродные нанотрубки.
— Кажется, их открыли около двадцати лет назад, а уже больше десяти лет назад « Эксперт» писал, что в материаловедении произошла революция, связанная с разработкой методики поточного производства углеродных нанотрубок ( « В космос — по трубам» , № 19 за 2001 год), результатов которой больше ждали в микроэлектронике. Правильно ли я понимаю, что сейчас CNT входят в сферу ваших научных интересов, причем в связи с решением материаловедческих проблем?
— И не только научных, но давайте по порядку о том, как мы пришли к своему наноуглеродному проекту. В действительности открытие уникальных свойств CNT подсказало разработчикам в разных областях путь для создания широкого спектра новых материалов. Так, электро- и теплопроводность CNT в несколько раз выше, чем у меди. Именно на эти свойства трубок с учетом наличия их полупроводниковых модификаций обратили внимание в электронике. Нанотрубки обладают высокой химической стойкостью и стойкостью к температурам более 1000 градусов. Другое важнейшее свойство углеродных нанотрубок — их экстремально высокая прочность, превышающая, к примеру, прочность стали в сто раз. Это, по сути дела, единственный материал, годный для создания троса для космического лифта. Такой лифт пока, конечно, весьма отдаленная перспектива, но эту сверхпрочность в сочетании с протяженной нитеподобной структурой уже сейчас используют в качестве армирующей добавки в широком спектре материалов, где они выполняют роль, сходную с той, что играет стальная арматура в бетоне. Добавка одного процента CNT в алюминий позволяет получать материал со свойствами, близкими к стали. Некоторые детали в автомобилях уже делают из такого материала. Мы вводим CNT в сотых долях процента от общего объема материала в различные пластики, и это не только обеспечивает их электропроводность, но и улучшает механические свойства, которые приближаются к свойствам металлов. Уже сейчас на рынке продаются спортивные товары из таких композитов: велосипеды, горнолыжный инвентарь, клюшки, яхты — то есть те товары, где сочетание прочности и веса имеет принципиальное значение. Опыты с добавками долей процента углеродных нанотрубок в бетон показывают, что они увеличивают его прочность в полтора раза, а пенобетона — вдвое. Благодаря такому разнообразию уникальных свойств нанотрубок ученые и инженеры уже предложили тысячи самых различных вариантов приложений этого материала в электронике, биотехнологии, материаловедении и других областях. Мы насчитали 16 тысяч патентов на применение CNT, зарегистрированных всего за последние несколько лет, причем количество патентов стремительно нарастает. Это говорит о высокой готовности производителей материалов использовать CNT.
— Но само использование CNT кроме каких- то специфических и эксклюзивных областей вроде экстремального спорта ведь не носит пока массового характера? Раз углеродные трубки так хороши и все готовы их использовать, что препятствует их промышленному внедрению?
— Дороговизна и отсутствие промышленных масштабов производства качественных CNT. Как раз эти проблемы мы решаем в своем проекте. Дело в том, что за термином «углеродные нанотрубки» стоит множество их разновидностей, которые отличаются микроструктурными и, соответственно, физико-химическими свойствами. Самые совершенные нанотрубки — одностенные, их стенки имеют толщину в один атом. В зависимости от качества их можно купить на рынке по цене от тысячи долларов до сотен тысяч долларов за килограмм. Как раз они и демонстрируют рекордную прочность и электропроводность. Эти же показатели примерно близки к характеристикам многостенных CNT того же диаметра, но получается, что их удельные характеристики в расчете на единицу массы хуже, чем у более легких одностенных, на порядок. Теперь о том, как трубки получают. В одной из первых технологий получения CNT углерод возгоняется в газовую фазу большими удельными потоками энергии с помощью электродугового разряда или лазерной абляции (испарение вещества лазерным импульсом в виде атомов или молекул. — « Эксперт» ), затем при определенных условиях атомы углерода конденсируются, формируя одностенные нанотрубки хорошего качества. Но энергозатратность всего процесса определяет и их крайне высокую стоимость. Существенно дешевле выращивать углеродные нанотрубки, используя метод каталитического осаждения из газовой фазы. Сначала создается наночастица катализатора, например железа, и если такую частицу поместить в газовую среду, содержащую углеводород с температурой около тысячи градусов, то углеводород будет каталитически разлагаться на поверхности наночастицы с выделением атомов углерода. Наибольшая производительность была достигнута с применением так называемых методов взвешенного слоя. При их использовании наночастицы катализатора создают на поверхности подложки керамического инертного материала размером порядка десяти микрометров, то есть на порядки больше размеров наночастиц катализатора, чтобы ее не унесло газовым потоком. Этот метод позволяет выращивать сегодня самые дешевые многостенные CNT, цена которых приближается к ста долларам за килограмм, а теоретический предел составляет 50 долларов.
— С учетом достаточности использования небольших долей аддитива от общего объема армируемого им материала это не кажется чрезмерной ценой.
— Так же полагали в крупных химических концернах, таких как Bayer, Arkema, Showa Denko. Они, возбужденные перспективами применения CNT, построили промышленные реакторы на базе такого подхода. Сейчас именно такие реакторы обеспечивают большую часть мирового производства нанотрубок, а это сотни тонн в год. Казалось бы, их цена приемлема для ряда применений. Но материаловеды столкнулись с серьезной проблемой практического применения многостенных нанотрубок, полученных таким методом. Дело в том, что материал, выращенный на керамической подложке, представляет собой агломераты из тугопереплетенных CNT размером около миллиметра. Такие клубки распутывать очень сложно и дорого. Промышленных методов для качественной дизагломерации, или, другими словами, распутывания таких клубков, пока не создано. Использование же такого порошка без этого не приносит нужного эффекта. И это основная проблема, ограничивающая в настоящее время рост рынка CNT. Как результат, химические концерны остановили планируемое расширение производства CNT и уже начинают считать такой подход тупиковым. Анализ ситуации на этом рынке привел нас к тем задачам, которые нужно решить, и, я уверен, их решит наш проект: найти коммерчески приемлемый метод получения CNT, причем не агломерированных, а раздельных углеродных нанотрубок, и, конечно, по приемлемой цене. Стоимость экономически будет оправданна в том случае, если затраты на улучшение свойства материала за счет нашего аддитива не будут превышать цену сэкономленного материала, то есть, если мы будем добавлять нанотрубки в алюминий, их разумная цена — сотни долларов за килограмм. Стоимость же трубок, добавляемых в стройматериалы, должна быть на два порядка ниже.
