Российские ученые создают материалы будущего

Открытия в области создания инновационных материалов кардинально меняют привычные представления об их свойствах. Благодаря разработкам российских ученых медицина, нефтехимия, энергетика, строительство и другие активно развивающиеся во всем мире отрасли экономики получают новые современные технологии. При этом Россия не только укрепляет позиции в высокотехнологичных секторах, но и вносит вклад в решение таких насущных проблем человечества, как загрязнение окружающей среды.

Инвестирование в научные разработки зависит от уровня готовности технологии, рассказал директор Физтех-школы биологической и медицинской физики Московского физико-технического института (МФТИ) Денис Кузьмин. На ранних, поисковых этапах финансирование обычно обеспечивает государство через такие структуры, как Российский научный фонд (РНФ) и другие специализированные фонды, поддерживающие технологии на разных стадиях зрелости. «По мере развития проекта к финансированию подключаются компании. Возможно совместное участие государства и бизнеса через паритетные гранты, где обе стороны демонстрируют заинтересованность в технологии, – пояснил эксперт. – Финальные стадии – масштабирование и внедрение – полностью ложатся на бизнес».

В РНФ выделено отдельное тематическое направление – «Химия и науки о материалах», в рамках которого ежегодно поддерживается несколько сотен научных проектов разного масштаба. Это и индивидуальные фундаментальные исследования молодых ученых, и исследования лабораторий мирового уровня и прикладных научных проектов организаций. В отличие от фундаментальных исследований, за прикладными всегда должен быть тот, кому эти разработки нужны, кто будет их внедрять и использовать в дальнейшем, считает заместитель генерального директора РНФ Андрей Блинов. «В РНФ отработан процесс взаимодействия с квалифицированными заказчиками, – сообщил он. – При проведении технологических конкурсов фонд сначала осуществляет их отбор, а потом под конкретные задания отбирает научные коллективы, способные решить поставленные научно-технические задачи».

Бизнес играет ключевую роль в развитии современных материалов в России. Так, разработка и внедрение инноваций у «Сибура» происходит в два этапа, рассказал директор по развитию и инжинирингу новых технологий компании Владимир Бушков. Создание полимера происходит в научно-исследовательском центре «Сибур-Инновации». Когда образец прошел необходимые лабораторные испытания, а технологию протестировали на пилотных установках, к проекту подключаются прикладные центры «Сибур ПолиЛаб». Там проводится адаптация материала под требования конкретной отрасли или необходимые характеристики готового изделия. Для этого «ПолиЛабы» оснащены линиями по выпуску образцов готовой продукции и работают в тесном контакте с компаниями ‒ потребителями полимерной продукции.

В целях ускорения внедрения инноваций «Сибур» планирует в 2026 г. открыть новый Центр научных исследований и масштабирования технологий в Казани. Как рассказали в компании, его запуск должен усилить и ускорить разработки в области новых материалов, в том числе суперконструкционных пластиков и специальных полимеров, востребованных для медицины, строительства, автомобилестроения и других секторов, формирующих спрос на инновации.

Медицинские потребности

В современной медицине новые материалы применяются в самых разных областях: от косметологии и ортопедии до лечения диабета и онкологии. Рынок медицинских имплантов оценивается в $500 млрд, а количество операций по замене суставов, сосудов и сердечных клапанов исчисляется миллионами в год, что делает эту сферу крайне востребованной, особенно для людей старше 50 лет, сообщил Кузьмин. При этом за последние 80 лет медицинские материалы прошли огромный путь развития: от простых металлических имплантов, выполняющих лишь структурную функцию, до сложных гидрогелей, способных доставлять клетки иммунной системы непосредственно к опухолям.

Разработка новых материалов, отметил Кузьмин, требует совместной работы физиков, химиков, биологов, математиков, инженеров и медиков. Но подготовка таких специалистов остается сложной задачей, хотя некоторые вузы, такие как МФТИ, МГТУ им. Баумана и Новосибирский государственный университет (НГУ), работают в этом направлении. Будущее медицинских материалов связано с созданием «умных» адаптивных систем, но для этого необходимо готовить специалистов широкого профиля, укреплять инженерные школы, налаживать диалог между медиками и технологами, а также оптимизировать регуляторные процедуры с помощью цифровых технологий, считает эксперт.

По мнению Кузьмина, сегодня актуальны материалы, способные менять свои характеристики под внешним воздействием, а в будущем появятся системы, адаптирующиеся к биологической среде пациента. Одна из недавних разработок российских ученых – термочувствительный биосовместимый гидрогель, который можно использовать для заполнения полостей в мозге после удаления опухолей, а также для доставки лекарств. Эта коллоидная система является жидкой в условиях инъекции при комнатной температуре и превращается в гель при температуре тела человека. Разработка ученых из Московского государственного технического университета (МГТУ) имени Н. Э. Баумана была поддержана грантом президентской программы РНФ. Результаты исследования опубликованы в журнале Carbohydrate Polymers в декабре 2024 г. До этого в мире существовала только одна система для доставки противоопухолевого лекарства в послеоперационные полости – созданная в Японии пластина из биоразлагаемого полимера.

Электроды для батарей

Говоря о высокоэффективной и ресурсосберегающей энергетике, нельзя обойти технологии, связанные с портативными источниками энергии, считает Блинов. «Профессор МГУ имени М. В. Ломоносова Евгений Антипов совместно с коллегами из «Сколтеха» заложили фундаментальные и практические основы разработки и производства электродных материалов для металл-ионных аккумуляторов нового поколения», – рассказал он. Литий-ионные аккумуляторы имеют широкий спектр применений ‒ от портативных электронных приборов до тяговых батарей электротранспорта и стационарных накопителей электроэнергии. Работа смартфонов, ноутбуков, электромобилей, электробусов, электрических беспилотных летательных аппаратов без них невозможна.

По словам директора Центра энергетических технологий «Сколтеха» Артема Абакумова, катодные материалы, которые используются в производстве электродов литий-ионных аккумуляторов, представляют особый интерес, они являются самым дорогим компонентом. «В катодных материалах сосредоточены основные инновации – они служат ключевым звеном технологической цепи, соединяя между собой добычу и переработку литиевого минерального сырья и производство аккумуляторных ячеек», – пояснил он. Для достижения высоких эксплуатационных характеристик при изготовлении катодных материалов применяется набор технологических приемов, позволяющих получать порошки сложных составов, рассказал эксперт. «Они состоят из частиц заданного размера и формы с покрытиями, градиентным изменением концентрации компонентов, – отметил Абакумов. – Таким образом, катодные материалы литий-ионных аккумуляторов являются весьма высокотехнологичной продукцией».

Сегодня в России литий-ионные аккумуляторы выпускаются на нескольких предприятиях, по мировым меркам – в небольших количествах. Как считает Абакумов, для изменения этой ситуации необходим запуск отечественных производств товаров, использующих аккумуляторы, – прежде всего электромобилей. Для коммерциализации разработанных катодных материалов сотрудники «Сколтеха» и МГУ создали стартап-компанию «Рустор», в которой разрабатываются промышленные методы синтеза катодных материалов.

Умные материалы

Группа ученых из Института физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина Российской академии наук (ИФХЭ РАН) разрабатывает «умные» гибридные материалы для фотокатализа. Они способны выполнять разные задачи в зависимости от внешних условий. Например, в отсутствие света гибрид может работать эффективным катализатором для синтеза ценных химических продуктов, а при воздействии освещения очищать реакционную смесь от побочных продуктов, которые образовались на предыдущем этапе, пояснили в институте.

Хотя фотокатализ – лишь один из видов каталитических процессов, роль катализаторов в целом трудно переоценить, отметили опрошенные эксперты. Около 90% объема химического производства в настоящее время основано на каталитических реакциях, рассказал Блинов. Катализаторы ускоряют процессы получения новых материалов и широко используются при переработке нефти, производстве полимеров и превращении низкосортного сырья в высокоценные продукты. Кроме того, они помогают развивать методы зеленой химии, то есть подходы, направленные на снижение вреда для окружающей среды. Это, например, проведение атом-экономных реакций, которые не приводят к образованию отходов, нахождение способов улавливания парниковых газов и т. д.

С каждым годом растет потребность в более совершенных синтетических материалах, прочных, легких, устойчивых к внешним воздействиям. За их появлением стоит не только инженерная мысль, но и тонкая химическая настройка процессов, во многом определяемая выбором катализаторов, рассказали в «Сибуре». От качества и доступности этих веществ напрямую зависит успех в создании полимеров нового поколения. Поэтому логичным шагом становится переход к собственному производству катализаторов, пояснили в компании.

Полимеры нового поколения

По мнению генерального директора «Сибур-Инновации» Ильназа Зарипова, суперконструкционные пластики станут революцией на рынке современных синтетических материалов нового поколения. «Они способны создать конкуренцию металлам за счет уникальных свойств», – сказал он, отметив, что эти пластики вдвое легче титана и на 40% – алюминия. Кроме того, они прочные, износостойкие и долговечные, обладают хорошей стойкостью к коррозии и потому могут использоваться при повышенных температурах и в агрессивных средах, уточнил представитель компании.

Один из таких полимеров – полиэфиркетонкетон (ПЭКК), технологию получения которого разработали в «Сибуре». По словам Зарипова, детали из этого материала отличаются прекрасным соотношением прочности к удельному весу. Поэтому из ПЭКК создают изделия, например, для транспортной и аэрокосмической отраслей, в том числе методом 3D-печати. Это также актуально для электромобилей, где все чаще применяются исключительно электрические приводы: высокотемпературные нагрузки на кабели и разъемы требуют для их производства материалов высокой механической прочности.

У ПЭКК также широкий потенциал использования в медицине, в частности в стоматологии, за счет отличной стерилизуемости, биосовместимости и остеоинтеграции. «Применение этого материала снижает риск аллергических реакций и отторжения со стороны организма и делает ПЭКК востребованным при изготовлении имплантов и протезов, в том числе для долгосрочного применения, а также медицинского оборудования и инструментов», – отметил глава «Сибур-Инновации». Кроме того, полимеры нового поколения обеспечивают рентгенопрозрачность, тогда как металлы могут вызывать помехи или заслонять части изображения при рентгенографии, магнитно-резонансной томографии (МРТ), компьютерной томографии (КТ), добавил он.

Сегодня в России крупных производств суперконструкционных пластиков нет, а ПЭКК вообще не производится в стране. Но уже запущена пилотная установка мощностью 1,5 т в научно-исследовательском центре «Сибур ‒ Инновации» в Томске, сообщил Зарипов.

Ученые «Сибура» разработали собственную технологию производства термореактивного полимера полидициклопентадиена, который применяется в производстве кузовов и облицовочных панелей для автомобилей. Его использование позволяет снизить вес конструкции кузова, при этом материал обладает высокой прочностью, которая сохраняется при низких температурах, пояснили в компании. Промышленных производств этого материала на сегодняшний день нет, основные производители находятся в Китае, Японии и США.

Экологические разработки

Инновации в полимерах требуют кооперации химиков, инженеров и регуляторов, а также экологов, уверен профессор Высшей школы бизнеса НИУ ВШЭ Михаил Аким. В мире производится более 400 млн т пластика в год, а к 2040 г. объем может удвоиться. При этом на сегодняшний день переработано менее 9% пластиковых отходов, отметил он. В поисках выхода из кризиса внимание смещается к биопластикам – материалам на основе возобновляемого сырья, таких как кукурузный крахмал или растительные масла. Однако их доля в мировом производстве пока не превышает 1%, рассказал профессор.

Российские ученые из Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна и Института высокомолекулярных соединений РАН разработали экологичную упаковку из картона и биоразлагаемого пластика на основе арабиногалактана – полисахарида из древесины лиственницы. В отличие от традиционных аналогов, новая технология позволяет почвенным микробам разлагать материал без вреда для окружающей среды, пояснил Аким. Тем самым полисахарид «открывает двери» микроорганизмам, запуская процесс естественной утилизации упаковки.

«Но, что действительно важно, лиственница – наиболее распространенная порода древесины в Сибири, объемы ее переработки измеряются миллионами кубометров в год. Соответственно, арабиногалактан может стать доступным российским биополимером, способным решать мировые задачи», – отметил Аким.

Впрочем, несмотря на научные достижения, широкое внедрение биоразлагаемых материалов по-прежнему сопровождается рядом технологических и инфраструктурных ограничений, считают эксперты. Ставка на такие решения не всегда оказывается оправданной как с точки зрения экологии, так и устойчивого развития в целом. Эколог, член экспертного совета комитета Государственной Думы по природным ресурсам и экологии Георгий Каваносян отметил, что биоразлагаемые материалы нередко остаются в рамках линейной модели потребления, поскольку предполагают создание продукции с коротким жизненным циклом. «С каждым биоразлагаемым товаром мы снова и снова запускаем ресурсозатратный цикл: добыча сырья, производство, доставка, последующий сбор и утилизация – зачастую в специально созданных условиях», – пояснил он. Если объективно оценивать углеродный и экологический след таких процессов, может оказаться, что конечный эффект для окружающей среды не так уж и положителен, добавил эксперт.

При этом, подчеркнул Каваносян, в России отсутствует необходимая инфраструктура для отбора и переработки биополимеров, и создавать ее нецелесообразно. По словам эксперта, это «устаревшая, вредная и дорогая технология». Вместо разработки одноразовых решений эколог предлагает сосредоточить усилия науки на создании долговечных материалов, пригодных к многократной переработке: «Устойчивые, пригодные к повторному использованию полимеры уже сегодня могут перерабатываться в пределах одной агломерации на существующих мощностях. Это более логичный путь для построения по-настоящему цикличной экономики», – уверен Каваносян.

Развитие вторичной переработки и материалов с вовлечением вторсырья остается одним из приоритетных подходов, считают в «Сибуре». Еще одним перспективным решением, как рассказали в компании, может стать химический рециклинг полимеров, в частности метод термолиза. При его применении происходит воздействие на отходы разных факторов – температуры, давления, реагентов и т. д. Это разрушает химические связи в молекулах полимеров, в результате чего получаются мономеры, которые можно использовать для производства новых видов пластика или других продуктов нефтехимии, например топлива. Такой подход позволяет сделать количество циклов переработки практически неограниченным, пояснили специалисты.