Информационно-аналитический soyuz.by совместно с Национальным пресс-центром Республики Беларусь провёл интернет-видеобрифинг с участием заместителя директора ГНУ «Институт тепло- и массообмена им. А.В.Лыкова» НАН Беларуси, доктора физико-математических наук, руководителя союзной программы «Нанотехнологии-СГ» Кирилла Викторовича Добрего.

Тема брифинга: «Развитие нанотехнологий в рамках научных программ Союзного государства».

Разговор о нанотехнологиях, вероятно, необходимо начать с определений. Что такое нанотехнологии? Где проходит граница между технологией и нанотехнологией?

Вопрос о терминологическом определении нанотехнологий стоит достаточно давно. В настоящее время оно уже достаточно определилось.

Определение европейской комиссии, которое использовалось в одном из технических комитетов еврокомиссии, звучало примерно так: «Нанотехнологии – это знание и управление процессами в масштабах порядка одного нанометра, вплоть до размеров в сто нанометров, которые позволяют ввиду масштабного фактора получать какие-либо новые процессы и результаты; также это использование свойств материалов и веществ, которые на данных масштабах отличаются от свойства отдельных молекул, но в то же время отличаются от свойств цельных материалов и веществ и дают в связи с этим новые свойства».

Совсем недавно, в июле 2011 года, правительство России приняло определение нанотехнологий через призму нанотехнологической продукции. Мне кажется, что это определение более удобное. Оно делит нанотехнологическую продукцию на несколько категорий. Из них первичная нанотехнологическая продукция (категория «а») – продукция с компонентами, которые определяют свойства собственно продукции, лежащие хотя бы в одном измерении в диапазоне от 1 до 100 нанометров. Для продукции биологических технологий этот размер может быть увеличен до размеров ДНК, белковых молекул, с которыми ведётся работа. Второй критерий – это продукция, которая была произведена путём манипулирования отдельными молекулами или атомами.

А нанотехнологии – это методы, приёмы, которые позволяют получать нанотехнологическую продукцию.

Более наглядно представить масштаб этих веществ, материалов, позволит такой пример. Если представить, что город Минск – это часы на руке великана, то обычные механические часы от самых маленьких наручных, до самых крупных – все относятся к масштабам нанотехнологий. Если человек с часами размером с Минск сможет сделать такие приборы, то это и будут наномасштабные операции. А если говорить о числах, то один нанометр – это одна миллионная часть миллиметра, что соизмеримо с десятью атомами.

Какова история нанотехнологических исследований в Беларуси. По каким направлениям ведётся сотрудничество с российскими учёных? Как эти исследования вписываются в мировую науку?

Зачастую историю нанотехнологий в западной литературе связывают с лекцией Р.Неймана «Там внизу много места» (1959 г.), законами Г.Мура об удвоении количества элементов на микросхеме каждые полтора-два года, затем открытием фуллеренов (Р.Смоли, Х.Крото, Р.Керл 1985 г.), дальше С.Ииджима (открытие нанотрубок 1991 г.) и т. д. Последнее – это А.Гейм и К.Новоселов, получение графенов, Нобелевская премия 2010 года.

Но это очень примитивный и упрощённый взгляд. На самом деле нанотехнологии имеют более давнюю историю. Она восходит и к физике, и к химии, и к биологии. Полимеризация, олигомеры, макромолекулы – фактически это нанотехнологиии и наноматериалы. Как мы знаем, русский ученый А.М.Бутлерова является одним из создателей теории полимеризации. В начале 20 века Дж.Дж.Томсон проводил опыты с разрядом и обнаружил депозитные плёнки, которые также соответствуют нашим представлениям о наноматериалах. Что касается нанотрубок, то структуры такого масштаба и таких характеристик получались и были описаны, их свойства предсказывались ещё до официального открытия нанотрубок Сумио Ииджимой в 1991 году. То есть, я хочу сказать, что это многогранный, обширный, общенаучный процесс.

В свою очередь Беларусь, ещё находясь в составе СССР, была в силу некоторых обстоятельств технологическим, сборочным центром. Успешно развивалась электроника. В своё время лидерами электронной промышленности были «Интеграл», завод вычислительной техники, который был одним из самых мощных заводов Советского Союза. И для нужд производств этой промышленности, естественно, развивались соответствующие технологии.

Прежде всего, наиболее близкими к нанотехнологическим процессам являлись планарные технологии микроэлектроники. По этому направлению учёные БГУ ещё в 60-ые годы вели большую работу. Можно выделить монографии Эдуарда Ивановича Тачицкого, посвящённые плёночным структурам планарным технологиям. Затем БГУиР (ранее РТИ) также подключился к этим работам. Здесь стоит упомянуть имя академика Владимира Архиповича Лабунова. Технологиями, связанными с анодным алюминием, который обладает своеобразными поверхностными структурными, по сути дела наноструктурными свойствами, занимался представитель БГУиРа Виталий Александрович Сокол.

Белорусские химики в 60-70-ых годах проводили работу по фотографическим плёнкам, по замене традиционных, содержащих серебро материалов и пленочных покрытий на иные, более экономичные.

Исследовалась ионная имплантация. Суть этой технологии в том, что разогнанные ионы внедряются в материал, например, полупроводниковый. Тем самым меняется свойство того или иного материала.

Эти технологии развивались белорусскими учёными и в сотрудничестве с Россией. Например, технологии ионной имплантации развивались в сотрудничестве с Физико-техническим институтом им. А.Ф.Иоффе в Санкт-Петербурге и развивались в БГУ на кафедре полупроводников.

В области электронной промышленности мы сотрудничали с Московским институтом электронной техники. В эти же годы в радиотехническом университете начал работу с новыми планарными технологиями академик В.А.Лабунов.

Беларусь ни в коём не отстаёт от других стран, от мировых процессов и тенденций. Если открытие нанотрубок относится к 1991 году, то уже 1992-1994 году в БГУ создавались установки по получению фуллеренов. Они, свою очередь были открыты в 1985 году. Это говорит о том, что белорусская наука вполне адекватно реагировала и удачно вписывалась в мировые тенденции.

В конце 90-ых годов у нас проводились исследования по получению фуллеренов. В начале «нулевых» годов стартовали государственные программы, связанные с нанотехнологиями. Это были программы по алмазоподобным материалам. Государственная программа научных исследований по наноматериалам и нанотехнологиям продолжается и сейчас. Нельзя не упомянуть имя академика Петра Александровича Витязя, руководителя нанотехнологических программ в нашей стране.

Кроме того, достаточно своевременное и хорошее развитие у нас получила атомносиловая техника и микроскопия. Её история в Беларуси исчисляется нескольким десятками лет. Атомносиловые исследования в отдельности занимают около 10 лет. Эти исследования современны, актуальны и находятся на передовых мировых позициях.

Программа, которую я возглавляю в настоящий момент – «Нанотехнология-СГ». Это логическое продолжение сделанной ранее работы.

Во времена СССР белорусский вклад в науку был весьма ощутим. После 1991 года многие научные связи с Россией, как центром бывшего Советского Союза оборвались. Как они восстанавливались?

Человеческие связи и связи между учёными не прерывались, в том числе и после распада СССР. Конечно, экономические и организационные реалии тех времен не способствовали бурному развитию науки. Но, к примеру, исследования фуллеренов в БГУ были инициированы украинскими и российскими учёными.

Очевидно, что новые идеи не рождаются из вакуума. Это результат контактов, взаимодействия учёных. Учёные знакомятся друг с другом, узнают о возможностях каждого, предлагают принять участие в работе с использованием экспериментальной базы друг друга.

Например, СВЧ-приборы некоторых типов не могут быть протестированы и испытаны в Беларуси. Однако мы всегда можем обратиться за помощью к российским коллегам, например, в Зеленограде. Таким образом, я бы всё же не драматизировал этот разрыв в науке, хотя с экономической точки зрения есть некоторые проблемы.

В 2009 году в рамках Союзного государства стартовала программа «Разработка нанотехнологий создания материалов, устройств и систем космической техники и их адаптация к другим отраслям техники и массовому производству» («Нанотехнологии-СГ»). Она выполняется уже четвертый год. Какие предварительные итоги программы можно подвести уже сегодня?

Это первая программа такой ориентации, она весьма специфическая. Иными словами – это использование нанотехнологий для ракетно-космической техники и отрасли, а также для других отраслей народного хозяйства. Беларусь в равной степени заинтересована развитием всех областей.

В программе задействовано около 17 организаций: это вузы, академические и минпромовские организации и другие. В настоящий момент выполняется 34 работы. Они сконцентрированы вокруг пяти направлений.

Первое направление – сенсоры, датчики, электронные устройства. Второе направление – материалы и покрытия. Следующее направление включает в себя устройства, аппараты, системы, приборы, предназначенные для работы в сфере нанотехнологий. Ещё одно направление касается двигателей для ракетно-космической техники. И, наконец, последнее, пятое направление - информационно-методическое обеспечение нанотехнологий и их применение в области ракетно-космической техники и некоторых других отраслях.

В каждом их перечисленных мною направлений проделана определённая работа. Все 34 задания я, безусловно, не перечислю. Назову лишь некоторые.

К примеру, приборы, сенсоры, электроника. В рамках этого задания планируется создание вакуумных триодов и диодов, эмитирующим элементом которых являются наноструктуры. Этим сейчас занимается БГУиР. Такие приборы отличны тем, что они очень устойчивы к радиационному воздействию. Это качество как раз то, что необходимо в условиях космоса. На них могут строиться как управляющая, так и силовая электроника, а также локационные системы.

Кроме того, у нас есть комплексная работа, которую выполняет БНТУ и БГУиР, как уже ранее упоминалось. Создаются датчики ускорения, акселерометры, которые имеют микронные размеры, но их элементы отвечают нанотехнологическим требованиям.

Не могу не упомянуть цикл работ по новым сенсорам. Это устройства для газов, органических молекул и специфических частиц. Все работы выполняются на мировом уровне и, прежде чем принять это в программу, мы проверяем их на уровне экспертизы и научно-технического совета. То, что не соответствует мировому уровню, просто не имеет шансов успешно пройти конкурс и перейти в стадию финансирования.

Что касается новых типов СВЧ-устройтсв, а это модуляторы, коммутаторы, волноводы, то могу сказать, что эта техника может использоваться как для наземных, так и космических радаров, систем связи.

Достаточно серьезна наша школа материаловедения. Есть несколько заданий, посвящённых созданию специальных материалов и покрытий. Одно из таких заданий связано с нанесением специальных покрытий на труднодоступные корпусные детали космических аппаратов. Это улучшает коррозионную стойкость, механические и трибологические свойства, уменьшает трение. Ведь к приборам и механизмам, работающим в космосе, эти требования очень высоки, поскольку в вакууме происходит «слипание» металлических поверхностей. Из-за этого может нарушиться работа всех систем: модулей, фотоэлементов и т.д. Это так называемая «холодная вакуумная сварка».

Есть также и работы по теплозащитным материалам. Одна из них ведётся в тандеме с НПО им. С.А.Лавочкина. Это одна из самых известных космических фирм России. В рамках этого сотрудничества мы создаём углеродные номатериалы. Это наноструктурированные материалы, которые потом добавляются в специальные теплозащитные композиции, а мы, в свою очередь, испытываем их на нашей технике. Наш институт обладает уникальной плазматронной техникой, которая позволяет испытывать такие материалы в условиях аналогичных тем, которые возникают при вхождении в атмосферу. Подчеркну, что испытания проходят в очень широком диапазоне температур, тепловых потоков, химического состава атмосферы. Фактически можно имитировать вхождение в атмосферу любой планеты Солнечной системы. Мы получаем определенный результат на некоторых видах этих теплозащитных материалов. Свойства увеличены примерно в 2 раза для некоторых типов теплозацитных материалов, которые квалифицируются по своей плотности. Результаты в этой области обнадёживают.

Скажу несколько слов о направлении, связанном с двигателями. Создаются опытные образцы специальных матричных двигателей для ориентации микроспутников. Этот двигатель размером примерно в спичечный коробок. В него вмонтировано от 50 до 100 отдельных сопел, которые реагируют на команды компьютера. Они управляются и контролируются интеллектуальной системой. Таким образом, получаются специальные импульсы, которые нужны для ориентации таких систем. Главное требование в этом случае – высокая повторяемость импульса. Все параметры должны быть выдержаны очень чётко. Для этого используются специальные микротехнологии, приближённые к радиоэлектронным технологиям.

Кроме того, создаётся так называемый импульсный, детонационный двигатель. Это специальная система, которая работает в режиме детонации, характеризуется максимально быстрым сжиганием топлива. Этот двигатель будет использоваться также и для ориентации или для определённых манёвров на орбите.

Далее, направление, связанное с аппаратами и приборами для нанотехнологий. В рамках нашей программы готовится уникальный на постсоветском пространстве прибор для микро- и наноманипулирования объектами. Точность манипулирования объектами составляет несколько нанометров. Эта универсальная установка может применяться для работы с биологическими, электронными объектами. С помощью атомносиловой микроскопии существует возможность одновременного контроля и управления процессами. В каком-то смысле мы реализуем программу, которую Р.Фейнман дал в своей программной лекции об уменьшенных роботах со способностью манипулирования вплоть до отдельных атомов.

Ещё один интересный прибор – это целый комплекс в составе атомносилового микроскопа, программно-аппаратного обеспечения к нему, который позволит предсказывать трибологические свойства любых пар металлов для использования в космических технологиях. Предсказав трибологические свойства, в том числе в вакууме, мы можем обоснованно выбирать какие-либо конструктивные элементы.

Станок для высокоточного полирования оптики – также устройство, созданием которого мы занимаемся. Это касается и космической оптики. Хотя такой аппарат может быть использован и для медицинских, гражданских целей. Он позволяет создавать такую оптику, в которой шероховатость поверхность составляет менее нанометра. Единичные группы атомов могут «сдуваться» с оптических поверхностей. При этом сохраняется очень высокая точность формы. В мире есть всего несколько фирм, которые работают примерно с такими же параметрами. Но на постсоветском пространстве мы уникальны.

В направлении информационно-аналитической поддержки могу выделить создание банка данных по нанотехнологиям. Особенности банка заключаются в следующем. Информация будет базироваться на белорусских разработках, на мировых литературных данных, данных интернет в меньшей степени. Будет присутствовать ряд интеллектуальных свойств, которые позволят наиболее эффективно работать с таким массивом данных. В этом контексте мы реализуем функции интеллектуальной обработки, поиска по массивам, реферирования материалов, поиска различных связей, результатов, авторов. То есть всё будет обладать элементами интеллекта.

Создаются стандарты и методики по атомносиловой растровой электронной микроскопии. Это очень важно, поскольку стандарты позволят более широкому кругу учёных, техников и потребителей принимать участие в этой работе. В частности, два стандарта по электронной растровой микроскопии мы планируем вывести в ранг стандарта Союзного государства. Мы и дальше будем работать над унификацией методик и стандартов.

В этом году программа будет завершена. Предвидятся ли новые нанотехнологические программы в рамках Союзных государства?

Повторюсь, что область нанотехнологий достаточно широка. Сейчас ведутся работы в рамках других программ по электронике, композиционным материалам. Но я всё-таки скажу о планах в своей компетенции относительно нанотехнологий в Союзном государстве.

Мы готовим концепцию продолжения программы, сейчас она находится на стадии согласования. Суть продолжения состоит в том, чтобы собрать опытные образцы, материалы, технологии, которые уже получены, в действующие аппараты и устройства. Это более высокий и комплексный подход. Собрав эти элементы в некий модуль для использования в ракетно-космической технике, мы фактически подготовим аппараты, которые могут быть реально использованы. Это даст выигрыш в массе, что важно для ракетно-космической техники. Тем самым, Союзное государство сможет получать какую-то финансовую выгоду.

С другой стороны, мы не забываем и про некосмические приложения. Как в рамках сегодняшней, так и в рамках будущее программы появятся хорошие результаты, которые потом будут применяться в других отраслях. Не обязательно космической.

Хочу перечислить несколько моментов, связанных с программой, о которой мы так много сегодня говорили. К примеру, в рамках одного из заданий у нас получались специальные алмазоподобные покрытия для оптических систем с целью сделать их практически чёрными. Это позволит избежать бликов, отражений. Эти же технологии после определённой доработки могут быть использованы, например, для нанесения декоративных покрытий. Как ещё один результат этого задания – техническое приложение по использованию технологий нанесения алмазоподобных покрытий в качестве декоративных для часовой промышленности. Это техническое приложение содержит технологические документы на этот процесс и образцы соответствующих часовых корпусов, которые предлагаются для использования нашим заводом «Луч». Думаю, что они найдут свою нишу на рынке.

В рамках другого задания мы создали магнитные экраны, которые важны для экранирования электронной аппаратуры в космосе. Воздействие электромагнитного излучения там может быть очень велико. Эти же материалы могут быть использованы для того, чтобы экранировать фотоэлектронные умножители и преобразователи, к примеру, в научно-физических приложениях. Кроме того, с их помощью можно создать высококачественные катушки индуктивности или трансформаторов. Одним из дополнительных результатов к заданию по получению этих материалов было создание специальных трансформаторов, которые используются для создания сварочных аппаратов. К слову, очень компактных и лёгких.

Представьте, сварочный аппарат, который имеет мощность в несколько киловатт, что вполне достаточно для любых технологических работ, он может иметь размер не более 15-20 см.