«Фантастически интересные свойства»: российский учёный о новых материалах и технологиях

— Какими перспективными и востребованными исследованиями сейчас занимаются материаловеды?

— Очень большую актуальность по-прежнему имеет наноматериаловедение. Даже немного обидно, что этому направлению стало уделяться меньше внимания. Наноматериалы — это потрясающая вещь, это фантастически интересные свойства. 

Конечно, правильнее говорить не о нанотехнологиях как таковых, а о прикладных исследованиях наноматериалов. Ведь прежде чем говорить про какую-то технологию, необходимо завершить базовые исследования. Переход от фундаментальных и даже прикладных исследований к технологии — длительный, болезненный и тяжёлый.

Поэтому в случае с тем же «Роснано» можно сказать, что во время его создания произошёл фальстарт. Основной бум нанотехнологий нас только ожидает — это дело скорого будущего. Все те идеи, все те перспективы, которые были десять и более лет назад, по-прежнему актуальны. Но они ещё не имплементированы в «железе» именно из-за огромной сложности перехода от фундаментальных исследований к технологиям. 

— Какие наноматериалы входят в нашу жизнь уже сейчас?

— В настоящее время некоторые отдельные элементы нанотехнологий появляются в нашей жизни. Например, удивительный графен, за открытие которого в 2010 году Андрей Гейм и Константин Новосёлов были удостоены Нобелевской премии.

• Андрей Гейм и Константин Новосёлов объявлены лауреатами Нобелевской премии по физике за 2010 год 
• AFP 
• © MAJA SUSLIN / SCANPIX SWEDEN

Сейчас выполняется десятилетняя программа Graphene Flagship, финансируемая Евросоюзом и посвящённая прикладным исследованиям и применениям графена. На её выполнение выделен €1 млрд, что подтверждает серьёзную заинтересованность в этом наноматериале.

— Можете привести недавние примеры прикладных исследований графена?

— Буквально несколько месяцев назад была анонсирована графеновая батарея повышенной ёмкости, где в качестве электрода используется графен, а не графит. Многие крупные производители электроники идут ноздря в ноздрю в разработке этой технологии.

— Какими важными характеристиками обладает графен?

— Это материал гибкий, прозрачный, способный проводить ток. Такое сочетание встречается крайне редко. Например, экраны наших смартфонов основаны на оксиде индия-олова (ITO). Это прозрачный, полупроводящий, но не гибкий материал, кристалл. Поэтому наши телефоны, если мы их изогнём, сломаются. А мы хотим гибкой электроники. Сразу же появится широкая область применения: гибкие телефоны и элементы питания, нательные устройства, умная одежда и так далее.

— В вашей лаборатории ведутся исследования в этом направлении?

— Да, эта работа касается самых тонких алмазных плёнок. Это очень, с моей точки зрения, перспективный объект, который опять же основан на графене. Шесть лет назад мы предположили, что два слоя графена можно соединить друг с другом и образовать самый тонкий алмаз. Почему это интересно? Алмаз — рекордсмен в огромном числе свойств. Это самый механически жёсткий, прозрачный материал, имеющий полупроводниковые свойства. При этом алмазные плёнки будут ещё и гибкие. То есть будут, с одной стороны, иметь те же самые замечательные свойства кристалла, алмаза. С другой стороны, приобретут дополнительные интересные свойства. Графен был бы прекрасной основой для формирования алмазных плёнок, но пока имеется ряд препятствий для его использования, которые мы пытаемся обойти.

• Смартфон с гибким экраном 
• РИА Новости 
• © Алексей Куденко

При этом отмечу, что уже сейчас в мире появились первые телефоны с гибкими экранами, и это тоже результат развития нанотехнологий. Но, насколько я знаю, они основаны не на графене, а на использовании тончайших серебряных проводов либо проводящих полимеров. 

— То есть у разработчиков много серьёзных технологических проблем при создании наноматериалов? Так стоит ли игра свеч?

— Несомненно. Надо запастись терпением и ресурсами даже не на десять, а на 20—30 лет и активно работать в этой области. Это не краткосрочный прыжок, а длинная дистанция, но результат будет того стоить. И тогда действительно получим новые технологии. В любом случае, нам деваться некуда. Современные технологии производства полупроводниковых элементов, входящих в состав процессоров, уже позволяют реализовать размеры в несколько нанометров, то есть несколько элементарных ячеек кристалла, и дальнейшее уменьшение скоро будет просто невозможным. И это значит, что необходимо переходить к новым технологиям, к новым материалам. Это единственный выход.

— Как вы думаете, какие устройства, материалы, технологии войдут в нашу жизнь в ближайшее время?

— Новые технологии хранения и записи информации на основе наноматериалов. Оперативная память на магниторезистивном эффекте, которым занимается раздел спинтроники (раздел квантовой электроники, изучающий спиновый токоперенос, т.е. информация и энергия переносятся не привычным электрическим током, а током спинов. — RT). Сейчас данная технология позволяет получать материалы с относительно низкой ёмкостью памяти, однако её развитие позволит существенным образом, на порядки улучшить характеристики запоминающих устройств по сравнением с устройствами, которыми мы пользуемся сейчас: флеш-карты, жёсткие диски, SSD и прочие.

Тот же графен или другие двумерные материалы могут быть использованы для создания специальных «сэндвичей», в которых и наблюдаются особые эффекты. Я думаю, в наступающем десятилетии эти технологии достигнут определённого прогресса и постепенно начнут входить в повседневную жизнь. 

У нас в лаборатории сейчас идёт активное исследование в области спинтроники. С коллегами из Японии мы смогли изучить новые соединения на основе графена и сплава Гейслера (химическое соединение трёх металлов с особой формулой. — RT). Мы впервые в мире показали, что такое соединение возможно, а также доказали его перспективные свойства. В дальнейшем данная структура и подобные ей могут стать основой для ячеек памяти нового поколения. При этом работа ведётся сразу по двум фронтам: передовые экспериментальные исследования и теоретическое моделирование.

— Давайте немного отвлечёмся от электроники и поговорим о медицине и медицинской диагностике. Какие там есть сейчас разработки, материалы?

— Материаловедение в медицинской диагностике играет серьёзную роль. Наночастицы используют, например, в качестве систем доставки лекарственных препаратов, когда препараты инкапсулируют в наночастицы, чтобы доставить до нужной области человеческого организма. При разработке имплантатов особое значение имеет биосовместимость и биоактивность материалов в медицине. Такие материалы могут не только выполнять механическую функцию и предотвращать заражение в случае модификации поверхности антибиотиками, но и стать частью органов, которым необходима замена.

• Производство мембранных фильтров для плазмы крови на базе нанотехнологий в научно-производственном комплексе «Альфа» 
• РИА Новости 
• © Илья Питалев

— В какой области материаловедения наша страна может составить серьёзную конкуренцию научным державам?

— Это, естественно, композиционные материалы. Объясню на самом простом примере. Условно говоря, у нас есть металл, тот же самый алюминий. Чистый алюминий тоже хорош, в первую очередь благодаря своему весу — он очень лёгкий, но не прочный, а мы хотим его упрочнить. Для этого в промышленности в алюминий добавляют другие элементы, например железо, которое улучшает его прочность, но и увеличивает вес. Однако здесь опять нам на помощь приходят наноматериалы, с помощью которых получают лёгкие и прочные нанокомпозиты.

Есть хороший пример успешного производства наноматериалов в нашей стране — в Новосибирске есть компания, которая синтезирует углеродные нанотрубки в промышленных масштабах. Было показано, что даже небольшое их количество существенно улучшает свойства композитов — теплопроводность, электропроводность, механические характеристики.

• Одностенные углеродные нанотрубки в лаборатории Центра прототипирования новых материалов 
• РИА Новости 
• © Александр Кряжев

— Науке о полимерах исполнилось 100 лет, и всё это время на их основе создавались новые материалы. Мы стали жить в окружении различных полимерных соединений, они появились в самых различных областях и принесли с собой в том числе и проблемы. Обладают новые технологии похожим революционным потенциалом?

— Однозначно. Наше будущее — это контролируемый синтез материалов. Это контроль над структурой, над свойством материалов на атомном уровне. Это задачи, стоящие перед человечеством на следующие годы. Новый технологический уклад, к которому мы обязательно перейдём.

Другая важная вещь, которая действительно входит в нашу жизнь уже сейчас, — это нейросети. Нейросеть, машинное обучение применяются во многих областях науки. Нейросеть позволяет нам анализировать большие данные, получать новые сведения.

— Технологии искусственного интеллекта влияют на разработку материалов?

— Самым прямым образом. Нейросеть в качестве робота-учёного позволяет планировать эксперименты, планировать условия синтеза новых материалов, исходя из имеющихся данных. Анализ данных позволяет предсказывать возможные результаты — новые структуры, новые материалы с новым свойством. И всё это — без привлечения огромных вычислительных мощностей. Можно сказать, что нейросеть действительно заставляет компьютер думать. И в этом отношении она становится в некотором смысле конкурентом человеку.

• Сотрудник Центра организации дорожного движения во время запуска нейросети для фиксации нарушений правил дорожного движения 
• РИА Новости 
• © Илья Питалев

— Могут ли возникнуть риски и проблемы с развитием такой технологии?

— Лично я считаю, что эти риски есть и их не стоит недооценивать. Раньше монополией на творчество обладал исключительно человек. Нейросети, конечно, пока не творят, как люди, но они только начали развиваться. Базовые задачи нейросеть уже решает лучше. Например, она смогла победить человека в различных интеллектуальных играх — го, шахматы. Это сейчас может казаться незначительным результатом, но скорость развития нейросетей действительно поражает. В будущем, скорее всего, большинство действий, выполняемых человеком сегодня, будут проводиться нейросетями, но принимать ключевые решения всегда должен только человек. Это особенно важно.