Зачем России графен

Физики Алексей Арсенин и Юрий Стебунов о том, почему все еще не поздно включиться в гонку технологий
Это только один эпизод эпической битвы за патенты между гигантами технологической индустрии Samsung Electronics и Apple за лидерство на мировом рынке смартфонов /Андрей Гордеев

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