Мозг месяца. Евгений Гудилин: «Плоды нанотехнологий у каждого в кармане»

Мы добрались до специалиста по нанотехнологиям Евгения Гудилина, замдекана факультета наук о материалах МГУ, члена-корреспондента РАН, и обнаружили, что нанотехнологии — это совсем не то, что все о них думают!

Про нанотехнологии говорят давно, а результатов что-то не видно. Когда уже нанороботы будут бороздить просторы организма?

Ажиотаж вокруг нанотехнологий подняли те, кто не очень понимает, что это такое. В основном журналисты и правители. А для ученых «нано» — это всего лишь уровень структуры. Есть атомы, есть молекулы, есть надмолекулярный уровень. С ними работали всегда и будут работать всегда. Но в области СМИ родилось несколько страшилок и несколько прожектерских идей. Нанороботы относятся и к тому и к другому. Звучит это заманчиво: выпил стакан нанороботов, нажал на кнопку на сотовом телефоне — и они все вылечили. Это прожект. А страшилка — это та самая серая слизь, состоящая из одичавших неконтролируемых нанороботов, которые могут размножиться и всех пожрать. Таких нанороботов не будет, их существование нарушает законы природы. Нанотехнологии занимаются совсем другими вещами. Их плоды у каждого в кармане — это, например, сотовые телефоны и флешки.

Давайте тогда попонятнее сформулируем, что такое нанотехнологии.

Это умение эффективно работать на уровне наноструктурной организации вещества и контролируемо изменять целевые свойства какого-то материала или устройства. Поэтому нанотехнологи чаще всего занимаются именно новыми необычными материалами.

Мы можем что-то конструировать с помощью молекул?

Это второй расхожий штамп про нанотехнологии. Звучит опять же здорово: взяли молекулу, приделали к ней вторую, повторили миллион раз — получили вещество. Но если взять кусочек вещества размером со спичечную головку, то в ней окажется на самом деле столько молекул, что даже если каждую из них присоединять к другим всего за одну микросекунду, то это займет миллиарды лет. К счастью, есть две вещи, которые это все решают. Первая — сама матушка-природа, а второе — самосборка при определенных условиях, когда молекулы за счет неких закономерностей и сил сами собираются в объемный материал, пленку и так далее. И это вынужденно один из самых распространенных подходов нанотехнологий.

Меня всегда волновало, что при работе с такими мелкими объектами их легко потерять. Ковырялся ты с молекулой, ковырялся, а потом чихнул — и все.

Химики получают нанообъекты обычно в огромном количестве. Не одну наночастицу, а много — за счет химических превращений, например. Пробирку с большим количеством нанообъектов потерять сложно. Если речь идет об отдельных молекулах, которые иногда ученые зондом атомно-силового микроскопа долго и нудно красиво собирали в эмблемы и слова, то, к сожалению, они будут просто «разбегаться» под действием обычных тепловых колебаний. Поэтому все картинки, которые публикуют, — с атомами кислорода или другими молекулярными объектами — обычно делают на очень холодной подложке, где все молекулы «заморожены» на своем месте.

Давайте поговорим о реальном применении нанотехнологий сегодня. Где они?

Если не брать социальные науки, то все остальные — естественные — науки обслуживают глобально три жизненно важные потребности человека. Любопытство — это информация. Здоровье — это медицина. И энергетика, которая позволяет производить все на свете. Нанотехнологии занимаются тем же самым. Это обычные науки — химия, физика, биология, но нанотехнологи разработали свой понятийный аппарат, систему экспериментальных подходов и новые методики, что позволяет придумывать и делать новые материалы. В результате они уже сейчас есть в энергетике, информатике и медицине. В информатике все очень наглядно и понятно: все в руках держали флешки, телефоны. Очень многие их элементы, включая микросхемы, элементы памяти, покрытие экранов, — это все объекты и материалы, в которых искусственно созданные элементы структуры на уровне 10 в -9 метра, то есть нанометров, предопределяют практически важные свойства. Чем более емкая флешка, тем мельче в ней элементы памяти. Чем более современным и мощным является компьютер, тем больше в нем всяких транзисторов и микро­схем на одной плате, при этом они становятся все миниатюрнее и потребляют все меньше энергии. Чем лучше материалы для аккумуляторов, тем дольше работают такие компьютеры. В энергетике мы помимо нефти вынуждены также рассматривать как альтернативу солнечную энергетику и электрохимическую энергетику с ее современными аккумуляторами, и большая часть материалов, которая там используется, может иметь отношение к «нано». Сам рабочий катодный материал, проводящий материал — сажа, а может быть, и графен в будущем. В солнечной энергетике для новых поколений высокоэффективных материалов используют «сэндвичевые» слоистые структуры, которые содержат очень тонкие слои толщиной 100–200 нанометров и иногда меньше, — это тоже наноматериалы. В медицине пытаются делать новые носители лекарств, разрабатывают сорбенты, мембранами пытаются фильтровать кровь, плазму, вирусы, очищать воду — там можно найти много примеров уже состоявшегося практического применения наноматериалов разных типов.

А что с графеном? Столько шуму вокруг него было…

Как и около многих других наноматериалов, к слову. Обычно ведь как? Совершается открытие — журналисты трубят об этом по всему миру, все возбуждаются, социум достигает пика необоснованных ожиданий, ажиотажа. Хот­я ученые, как правило, даже в этой ситуации делают лишь очень осторожные прогнозы. Затем все, естественно, разочаровываются, награждают непричастных, наказывают невиновных. После этого научное сообщество спокойно дорабатывает тему, все выходит на «плато продуктивности», материалы улучшаются, вводятся в практическое использование, начинают производиться промышленно в составе понятных и коммерчески привлекательных устройств. Так и с графеном. В целом углеродные нано­материалы — это графен, фуллерен и нанотрубки. Их постепенно открывали и так же постепенно закрывали. Когда Харольд Крото открыл фуллерен (кстати, это молекула, а не наноматериал), все очень радовались, но так и не нашли ему применения. То же самое и с нанотрубками, которые вообще являются уже избитым символом нанотехнологий. Их изучают, с ними что-то пытаются делать и даже в лабораторных условиях делают. Но вот, например, известная история, когда компания «Байер» строила заводы по получению нанотрубок, а потом перестала: эти заводы себя не оправдали.

А как же космический лифт на тросе из нанотрубок?

Это еще один фантастический пример, который никогда не сработает. Не получится такого троса, все равно оборвется под собственным весом. Даже школьники у нас это на наноолимпиаде успешно высчитали.

Вот и встречайся с учеными… Но это все равно был бы самый прочный трос в мире.

Правильно. Именно поэтому сейчас отечественный самолет нового поколения МС-21 состоит из углеродных нанокомпозитов. Правда, это не нанотрубки — для получения легких и прочных крыльев используют полимерные нити, из которых в специальных условиях получают углеродные материалы с графеноподобной структурой. Поэтому, когда вы видите «Порше» или «БМВ» с характерным матовым верхом, есть очень большой шанс, что и для этого автомобиля использовали подобные материалы.

А сам графен, он жив?

Он вполне жив, с ним все еще ведутся перспективные эксперименты для получения новых материалов с уникальной проводимостью, для сенсорики с интересными оптическими свойствами, но в конечном итоге это все же не нанороботы или шапки-невидимки, а все та же миниатюризация компьютеров, уменьшение энергопотребления устройств и их удешевление. С помощью графена можно будет в ближайшем, надеемся, будущем сделать рывок в перспективной области гибкой микроэлектроники, то есть, например, производить дешевые гибкие экраны телевизоров, которые можно будет свернуть в трубочку; смартфоны, которые оборачиваются вокруг руки, растягиваются, сжимаются, и другое. Перспективы есть, в Европе, США и многих странах мира все еще с удовольствием вкладывают деньги в графеновые программы.

Нанотехнологии и медицина — что на этом фронте?

Я не слишком верю в блестящие перспективы наномедицины, но ряд успехов на этом поприще все же достигнут. Так, с помощью наночастиц пытаются делать и диагностические, и терапевтические системы, причем даже придумали красивое название «тераностика» — от слов «терапия» и «диагностика». Типичный пример — магнитные наночастицы оксида железа, которые, к слову, может получить любой школьник. Они биосовместимы, имеют в сто раз меньший размер, чем диаметр кровеносных капилляров в организме, поэтому могут проникнуть почти везде. Они настолько маленькие, что на них не реагируют клетки иммунной системы и они не «облепливаются» белками в плазме крови. Хорошо то, что эти частицы могут работать как эффективные контрасты для магнито-резонансной томографии (МРТ). А что касается терапии, то известно, что раковые клетки более чувствительны к внешним шокам. Они размножаются быстрее, и у них обычно быстрее метаболизм, поэтому, если их нагревать вместе с нормальными клетками выше болевого порога в 40–45 градусов, то они, извините, издохнут первыми. Так был придуман гипертермический способ лечения онкологических заболеваний. В ряде случаев его уже пытаются применять на практике. Например, препарат наночастиц вводят локально в очаг злокачественного образования у женщин в груди, что является сейчас распространенной проблемой, потом пациентка помещается в неопасное для ее здоровья переменное магнитное поле с тщательно подобранной мощностью и частотой, тогда наночастицы нагреваются, и объем опухоли после нескольких процедур сокращается. Это уже спасает жизни. Правда, в России этот способ пока не практикуется широко.

Хорошо, поговорим о «Роснано». Что это такое и каковы его успехи?

Этот инвестиционный фонд имеет пул своих портфельных компаний — тех, что прошли через процедуры конкурсного отбора, получили деньги на развитие производства с обязательством вернуть, если они стали успешными. «Роснано» — это не коллектив ученых, это институт развития, инвестиционная компания, которая научилась взаимодействовать с учеными и промышленниками и помогает им реально сотрудничать. Из успехов «Роснано» пропагандируется развитие микро- и гибкой электроники, солнечной и ветроэнергетики, ядерной медицины, нанобиофармацевтики…

Каково место России в этой области? Мы впереди или догоняем?

Вопрос сложный. Если рассматривать нанотехнологии как технологии получения конечных изделий, то, боюсь, во многих случаях мы были лишь успешными донорами мозгов и идей. А потом покупателями этих идей из-за рубежа. Это обычная проблема: у нас часто бывают хорошие идеи, а их реализация обычно не очень, скажем так, успешная.

Над какой задачей сейчас бьется нанонаука?

Это по-прежнему самосборка, моделирование, модификация поверхности, развитие миниатюрных и портативных устройств, самых разных, гибкая электроника, то есть все быстрее, дешевле, экономичнее, альтернативнее, точнее. Мы можем смоделировать молекулу и соответствующий будущий материал с нужными свойствами. Проблема всегда в том, чтобы система дешево и быстро собирала такие молекулы в нужный объект. Это одна из суперзадач.

Все время — дешевле, быстрее, эффективнее… Это звучит как-то скучновато.

Фантастические идеи приходят и уходят, а кушать хочется всегда. В науке вообще почти все «скучно». А в нанотехнологиях есть особая скука, потому что они чаще всего занимаются как раз повышением эффективности, затем постепенной разработкой новых принципов, эволюционным вытеснением старых идей и в итоге создают новые выгодные отрасли в производстве. Ну а потом постепенно наступает светлое будущее. Но не сразу и не вдруг.

Мы сейчас с вами сидим на химфаке МГУ. Как вы относитесь к появлению в МГУ кафедры теологии? Попы еще не ходят с кадилами?

Конечно, нанотехнологии — это от Бога, как же иначе. И до тех пор, пока меня насильно не заставляют заниматься богословием в ущерб научной работе, я к этому отношусь индифферентно. Но если говорить в целом, то давайте вначале сделаем у нас хорошее образование, а потом подумаем о других надстройках. Пока что с образованием проблемы есть реальные. В том числе потому, что школьникам резко сократили количество часов физики и химии — не знаю, за счет теологии или еще чего…

И напоследок: каких прорывов ждать в обозримом будущем?

Все в том же треугольнике: энергетика — медицина — информация… Мы ждем, когда у нас появится новое поколение солнечных элементов, которое сейчас разрабатывается. Тот кремний, что сейчас есть, достиг предела своей стоимости и производительности не только в компьютерах, но и в солнечных батареях. Сейчас все идет к тому, что мы сможем делать солнечные батареи более гибкими и прочными с использованием, например, гибридных перовскитов. На это потребуется несколько лет, основные проблемы — масштабируемость производства и операционная стабильность солнечных элементов. Сейчас солнечная батарея должна работать около десяти лет, чтобы полностью окупиться. Если мы сможем сделать их дешевле в разы, все старые батареи можно будет заменить и найти солнечной энергетике новые ниши применения. В медицине мы ждем новых препаратов на стыке «нано» и «био». Это, в частности, та самая тераностика, про которую мы говорили. В компьютерах ждем фотоники и спинтроники — новых принципов повышения быстродействия и миниатюрности. А вообще, ждем новых Нобелевских премий за «нано», которые были и еще, надеемся, будут, потому что это неисчерпаемая область человеческой деятельности в науке, технике и образовании.

Комментарии

0
под именем