Статья опубликована в № 4460 от 29.11.2017 под заголовком: Есть ли у России графеновое будущее

Зачем России графен

Физики Алексей Арсенин и Юрий Стебунов о том, почему все еще не поздно включиться в гонку технологий
Прослушать этот материал
Идет загрузка. Подождите, пожалуйста
Поставить на паузу
Продолжить прослушивание

На этой неделе исследовательское подразделение Samsung Electronics представило новый тип литийионных аккумуляторов, которые можно будет заряжать за рекордные 12 минут – секрет в особых наночастицах, покрытых слоем графена, двумерного углерода, за открытие уникальных свойств которого выпускники МФТИ, сотрудники Университета Манчестера Андрей Гейм и Константин Новоселов получили в 2010 г. Нобелевскую премию по физике. Это только один эпизод эпической битвы за патенты между гигантами технологической индустрии Samsung Electronics и Apple за лидерство на мировом рынке смартфонов – в том числе за патенты на технологии с использованием подобных графену двумерных материалов, новости о применении которых появляются фактически каждую неделю. Apple, например, недавно получила патент на акустические диафрагмы с графеном для использования в устройствах следующих поколений, а патентный портфель Samsung уже настолько широк, что можно говорить о целой линейке будущих продуктов с графеном.

Интерес крупных компаний к графену логичен: его уникальные физико-химические свойства позволяют создавать на его основе самые разные технологии. На наших глазах совершается новая технологическая революция – графеновая, однако Россия в нее пока не включилась.

Масштаб интереса ученых к графену описывается огромным количеством публикаций в мировых научных журналах: менее чем за 14 лет с момента его открытия вышло около 130 000 работ. Свойства этого материала открывают новые возможности для фундаментальных исследований, однако конкретно в случае графена особенно интересны их коммерческие перспективы. Значительный рост числа патентов, в которых предлагается использовать графен, говорит о том, что мир уже вступает в эру применения новых материалов. Согласно мультидисциплинарной базе данных Scopus, включающей записи пяти ведущих патентных ведомств, на сегодня в мире зарегистрировано более 50 000 заявок и патентов с упоминанием графена. Больше половины принадлежит Китаю – и его доля продолжает расти, следом в группе лидеров находятся Южная Корея, США, Япония и Тайвань. Любопытно, что в Китае по числу заявок лидируют национальные университеты, в Южной Корее – корейские коммерческие компании, а в США – частный бизнес, как американский, так и иностранный.

Лидерство Китая неудивительно. Развитие индустрии новых материалов там поддерживается на государственном уровне – в рамках планов тринадцатой китайской пятилетки (2016−2020 гг.). Ожидается, что двумерные материалы в целом и графен в частности будут играть решающую роль в модернизации традиционных и создании новых отраслей промышленности Китая. Для координации исследований и разработок и внедрения их в промышленность в далеком по меркам графена 2013 году был создан Инновационный альянс графеновой промышленности Китая, по оценкам которого на Китай в будущем будет приходиться до 80% мировой графеновой индустрии.

Китай не одинок: графен в качестве одного из самых перспективных материалов ближайшего будущего рассматривают практически все ведущие азиатские экономики. Миллиардные вложения в эту область делают и на Западе. В Евросоюзе координация исследований в области графена, взаимодействие научных организаций и индустриальных партнеров идут в рамках десятилетнего пилотного проекта Graphene Flagship стоимостью 1 млрд евро. В США в 2017 г. была создана Национальная графеновая ассоциация, объединившая предпринимателей, исследователей, разработчиков и производителей, инвесторов, венчурных капиталистов и государственные учреждения для стимулирования инноваций, продвижения и коммерциализации продуктов и технологий на основе графена. В консультативный совет ассоциации входят представители Apple, IBM, Cisco, а также два наших соотечественника – выпускника МФТИ: генеральный директор одного из ведущих производителей графена в мире Graphene 3D Lab Inc. (среди клиентов – Apple и NASA) Елена Полякова и профессор Свободного университета Берлина Кирилл Болотин.

Мир графена вообще славен российскими именами. Помимо Гейма и Новоселова графеном занимаются множество российских ученых с мировыми именами: Александр Баландин (Калифорнийский университет в Риверсайде), Дмитрий Басов (Колумбийский университет), Леонид Левитов (Массачусетский технологический институт), Виктор Рыжий (МФТИ), Владимир Фалько (директор Национального института графена, Университет Манчестера) и др. Но практически все заметные достижения россиян в области двумерных материалов получены за рубежом: в России выстроенная госполитика в отношении таких перспективных исследований отсутствует. За рубежом поддержка проводится не просто за счет создания научных лабораторий и профессорских позиций в ведущих университетах, а посредством открытия национальных исследовательских центров, которые совмещают научные исследования с практическими разработками, – такие центры есть в Китае, США, Великобритании, Японии, Южной Корее, Сингапуре, Малайзии, Бразилии и Южной Африке. Чтобы оценить, насколько такая модель поддержки оправдывает себя, достаточно сравнить показатели публикационной активности и востребованности научных публикаций России и Сингапура в целом и отдельно Сингапурского центра двумерных материалов: по части графеновых исследований один центр в небольшом городе-государстве оказывается в несколько раз эффективнее всей российской науки.

Россия, несмотря на отсутствие сколько-нибудь выраженного интереса к этой области со стороны государства, по общему числу публикаций о графене находится на 14-м месте мирового рейтинга – в сложившихся условиях весьма достойный результат. В нашей стране исследования с графеном сосредоточены по большей части в стенах Академии наук и в нескольких лабораториях ведущих вузов – участников Проекта 5-100. В МФТИ исследования и разработки в этой области ведутся в Центре фотоники и двумерных материалов.

В России пока не осознали масштаба влияния новых материалов на высокотехнологичную промышленность. Но есть ли у нас в принципе производство, которое было бы заинтересовано в таких исследованиях? Да, в области наноэлектроники, где использование графена открывает очень большие перспективы, наши шансы на лидерство уже минимальны. Но для сохранения позиций в авиационной, ракетно-космической и оборонной промышленности России необходимо обратить внимание на двумерные материалы. Американские гиганты Boeing и Lockheed Martin уже стали одними из ведущих разработчиков новых технологий на основе графена, а европейские Airbus и Thales называются в числе основных выгодоприобретателей общеевропейской программы Graphene Flagship. Манчестерский институт графена совместно с Институтом аэрокосмических технологий Великобритании разработали долгосрочную программу прикладных исследований графена в аэрокосмической сфере, которая будет запущена в конце 2017 г. Boeing 787 Dreamliner уже сейчас на 50% состоит из композитных материалов, что позволило снизить расход топлива на 30%. И вытеснение традиционных для авиастроения материалов теперь уже за счет использования двумерных материалов будет продолжаться.

Графен также может быть использован в ключевой для России области нефте- и газодобычи: ведущие нефтесервисные компании мира изучают и патентуют графенсодержащие жидкости, которые могут быть использованы в буровых растворах для управления толщиной и свойствами фильтрационной корки. Ряд компаний предлагают использовать графен для изготовления полимерных труб и функциональных покрытий для нефте- и газопроводов. Двумерные материалы открывают большие перспективы для развития возобновляемой энергетики за счет разработки прозрачных солнечных батарей и сверхъемких аккумуляторов. Это вынуждает нефтедобывающие компании (например, Repsol, Statoil и Petronas) диверсифицировать риски, инвестируя в графеновые технологии. В частности, испанская Repsol c 2013 г. является инвестором ведущего европейского производителя графена Graphenea. Арабские Эмираты на государственном уровне вложились в создание инновационного инжинирингового графенового центра в Манчестере. Центр будет носить имя национальной компании ОАЭ Masdar, инвестирующей в возобновляемые источники энергии и чистые технологии.

Также двумерные материалы имеют большой потенциал применения в автомобилестроении, робототехнике и легкой промышленности. Это строительный материал для различных устройств и датчиков, которые могут обеспечить работу интернета вещей. И просто фантастическим видится применение двумерных материалов в области биомедицинских приложений: возможности in vivo мониторинга состояния организма, направленной стимуляции и высокоточной регистрации активности нейронов головного мозга. Это позволит создать принципиально новые технологии нейропротезирования и нейроинтерфейсов, которые смогут напрямую передавать информацию из мозга человека в компьютер и наоборот.

В разные периоды развития цивилизации человек учился обрабатывать камень, работать с металлами и полупроводниками. Теперь пришло время работы с двумерными материалами вообще и с графеном в частности – и важно не растратить его попусту. В этом смысле у графена есть важное преимущество. Для работы с ним и, что гораздо важнее, для получения на его основе коммерчески перспективных технологий далеко не всегда требуется дорогостоящее научное оборудование. Экспериментальные образцы Гейм и Новоселов получили, отшелушивая одноатомные слои от кусочка графита при помощи обычного скотча. Этот метод они используют в своих лабораториях и по сей день: так удается получать и другие двумерные материалы самого высокого качества. Конечно, передовые лаборатории оснащены самыми современными приборами, а исследования проводятся в помещениях с минимальным числом пылинок в воздухе, но при этом значительная часть прикладных разработок может выполняться в условиях, доступных большинству исследователей во всем мире.

Сейчас, когда в России говорят о будущем, мы слышим в основном об искусственном интеллекте, блокчейне, криптовалютах и квантовых технологиях. Графен же у нас подобен Золушке, которая, как мы помним, была самой скромной и недооцененной, но при этом самой талантливой из своих сестер. Безусловно, роль информационных технологий в ближайшем будущем будет только расти, однако одни лишь они не могут решить всех задач, которые стоят перед человечеством. В новом дивном мире, где важную роль будет играть индустрия двумерных материалов, Россия тоже может занять достойное место. Главное – осознать этот факт сейчас, пока и у нас еще есть шансы на графеновое будущее.

Авторы – директор центра фотоники и двумерных материалов МФТИ; научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ

Читать ещё
Preloader more