Нанотема
В стенах СВФУ происходит масса научных таинств. Сегодня мы расскажем об еще одном направлении, в котором трудятся сотрудники университета. Это нанотехнологии. Причем разработка идет сразу в нескольких направлениях, и уже даже есть не только планы, но и рабочие образцы. Подробнее — Захар ЕВСЕЕВ, научный сотрудник, руководитель лаборатории дизайн-центра электроники «Север» ФТИ:
— Мы занимаемся наноматериалами, нанотехнологиями, наноэлектроникой. В основном занимаемся графеном. Это углеродный материал, который состоит из атомов графита, собранных в лист толщиной в один атом. Его можно представить как некую пленку наноразмеров. Материал достаточно известный. В 2010 году наши соотечественники получили Нобелевскую премию по физике за исследование этого материала.
— Когда университет начал заниматься изучением этого материала?
— С 2012 года. Первую лабораторию по данной тематике открыла Светлана Смагулова. Сейчас мы образовали новую лабораторию. Называется «Молодежная лаборатория дизайн-центра электроники «Север»», она располагается в IT-парке. По гранту Министерства образования и науки на создание молодежных лабораторий в рамках программы науки университета.
Сейчас работаем над разработкой различных прикладных применений графена.
— То есть этой пленки?
— Да. Во-первых, хочется отметить, что это массовое производство. Вторая тема — это собственно его применение в области электроники в качестве модификатора различных материалов.
— Как его производить массово? Для этого нужно какой-то цех открыть?
— Мы разработали новую установку быстрого джоулева нагрева. С помощью нее можно получать графен из пластиковых бытовых отходов.
— Получаете?
— Пока у нас лабораторная установка. Десятки-сотни граммов. Пока вот в небольшой банке из-под анализов. Там где-то 0,1 грамма.
— Оно не выглядит как пленка, комочки какие-то…
— На атомарном уровне это пленка, а в макро — такая хаотичная конфигурация.
— Где он применяется, для чего вы его создаете и исследуете?
— Графен можно использовать везде. Сейчас продуктов с ним очень много. К примеру, мы проводили исследование и добавляли его в бетон. Прочность бетона на сжатие увеличилась на 140%. Также у него выявились свойства, проводящие электричество. Он может чувствовать сжатие. К примеру, если сделать сваю из этого материала, она, во-первых, будет прочнее. Во-вторых, в зависимости от электрического сопротивления можно чувствовать нагрузку на эту сваю, то есть диагностировать состояние здания. Это важно в подземных выработках в добывающей промышленности. Делать графеновый бетон и через электрическое сопротивление смотреть, насколько он нагружен от пород.
— То есть можно использовать в шахтах?
— Не только. В зданиях тоже можно использовать. Грубо говоря, умный бетон. Таким образом, можно заранее предсказать разрушение определенного участка — в каких-то критичных областях, на сваях, дамбах, мостах и т. д.
— О, а эту технологию возможно применить при строительстве моста через Лену?
— Там скорей всего уже все согласовано и мы туда не войдем. В теории, конечно, можно применить. Но в строительной области эти материалы должны соответствовать ГОСТу. Чтобы этот стандарт получить, пройдет десять-двадцать лет, нужна масса испытаний.
— То есть это такая разработка будущего?
— Можно сказать и так. Эту разработку мы ведем совместно с Институтом физико-технических проблем Севера. Но это не основная наша тематика.
— Какая основная?
— Разработка графеновых суперконденсаторов. Это электронный компонент…
Показывает небольшой квадратик из материала типа фольги. Внутри что-то есть…
— Это как батарейка. В различных платах есть же такие баночки черные, используются в электронике.
— То есть эту баночку можно заменить на эту «батарейку»?
— Это исследовательский образец. Если его закрутить в спираль и загрузить в баночку, то будет готовый элемент микросхемы. Используется в микроэлектронике как элемент схемы. Он перспективен, но в отличие от батарейки хранит не так много заряда, но зато у него большое количество циклов заряда и разряда.
— Сколько и зачем?
— До миллиона. Допустим, литий-ионные батареи держат максимум 5–7 тысяч циклов заряда и потом перестают работать, либо качество ухудшается. Поэтому со временем телефон перестает держать заряд. Это из-за того, что у литий-ионных батарей есть фундаментальное ограничение, и он не может заряжаться большее количество раз. А наш суперконденсатор может заряжаться до миллиона, десяти миллионов раз без проблем.
— Где это может применяться?
— Это может применяться в электромобилях. Допустим, в электромобилях есть система рекуперации энергии, когда ты тормозишь, он передает часть энергии торможения на зарядку батареи. Если мы едем по городу и тормозим на светофоре, то за день может быть тысяча циклов заряда. Для литий-ионной батареи это не очень хорошо. А суперконденсатор спокойно все это выдерживает и еще и заряжается.
Еще одно применение — это то, что он может подавать большое количество тока сразу. К примеру, литий-ионные батареи не могут подавать сотни ампер. Сгорят. Их нужно либо запараллеливать на что-то, либо еще что-то делать. Суперконденсатор может подавать большое количество тока, поэтому его используют в стартерных системах, например, в больших судах, самолетах и т. д. Там, чтобы запустить двигатель, нужно большое количество тока на стартере. Обычные батареи и литий-ионные не могут это количество обеспечить, и как раз суперконденсатор находит там свое применение.
— У нас не так много электромобилей ездит по городу. Где они еще могут применяться?
— Сейчас это актуально в связи с развитием возобновляемых источников энергии, так как там высокая цикличность. День за днем заряжаются, разряжаются. Солнце выглянет — заряжаются, облака небо затянули — разрядился и т. д. Также применяется в энергетике, где проходит большое потребление и высокие токи. В таких энергетических установках требуется использовать либо огромное количество литий-ионных батарей, и в целом это будет не очень хорошо для здоровья. Суперконденсатор спокойно может выдержать и поставить большое количество энергии, плюс они не токсичные, не взрываются, более-менее безопасны для окружающей среды в отличие от литий-ионных батарей. Поэтому в этой области они могут найти свое широкое применение.
— Вы работаете с какими-то компаниями, которые могут это применить на практике уже сейчас, или это все только научные разработки?
— Сейчас мы делаем разработку для применения в электронике, то есть это микросхемы, печатные платы для московской компании, которая занимается производством в области электроники. Практически вся электроника в России находится под ними.
Насколько нам известно, сейчас в мире есть только одна компания, которая собирается или уже начала производить графеновые суперконденсаторы. Это эстонско-германский стартап. Они базируются в Мюнхене. Вроде запускают завод. У них есть своя технология производства графена. Будут их использовать для возобновляемых источников энергии в Европе — для ветряков, солнечных электростанций и т. д. То есть это устройство для хранения внепиковых мощностей, когда вырабатывается избыточная мощность в электросети и ее нужно загрузить в суперконденсатор. Когда пиковые нагрузки приходят, то есть потребителей становится много, вечером, например, суперконденсатор может отдавать накопленный заряд и разгружать электростанции.
— Почему москвичи обратились именно к вам? Поближе никого не нашлось?
— Графеном на самом деле в России занимается не так много научных групп. Есть в Новосибирске, Томске, Тамбове и Москве. Но каждая специализируется на разных областях. Мы специализируемся в основном на синтезе. То есть у нас свои уникальные методы получения графена, которых у других групп нет. У нас есть и электрохимический метод синтеза, есть флэшграфен. На основе данных наработок пришла идея попробовать сделать суперграфеновый суперконденсатор.
Вообще, в России есть только две компании, которые серьезно занимаются графеном. Насколько удачно, сказать не могу.
— Кроме суперкондесатора есть еще направления для изучения?
— Другое наше направление, которое мы начинаем изучать, — это модифицированные графеном полимеры для 3D-печати.
— Это так же для прочности, как с бетоном?
— Да, также можно делать электропроводящие полимеры, то есть напечатать на принтере какой-то элемент электрической схемы. И за счет проводимости у них появляется электромагнитное экранирование, защита от электромагнитного воздействия.
— Где это может применяться?
— Одно из основных направлений противодействия БПЛА — это микроволновое излучение. Насколько мы слышали, в Китае и США есть разработки в этой области с направленным микроволновым излучением, которое сжигает БПЛА. Вот в этом плане мы и работаем, то есть можно напечатать прочные БПЛА из графенового полимера. Быстро, дешево, и плюс он будет защищен от излучения.
— В наших реалиях актуально…
— И еще хотим совместно с лабораторией полимерных композитов начать тематику морозостойких полимеров для 3D-печати. Сейчас идет тренд на освоение Арктики и очень бурно обсуждается применение грузовых беспилотников. Если они будут работать у нас в -50, надо, чтобы эти полимеры были морозостойкими, чтобы можно было быстро распечатать дрон и направить его на Север работать для перевозок.
Виктория БУШУЕВА
Фото предоставлено героем материала