Углеродный суверенитет
Российские ученые упорно осваивают технологии производства углеродных нанотрубок. Однако между лабораторным заделом и промышленным бизнесом остается немало препятствий: от развития технологических компетенций до подтвержденного спроса на конкурентном рынке
В октябре в Новосибирске запущено опытное производство многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ). Проект Центра компетенций Национальной технологической инициативы (НТИ) и Института катализа Сибирского отделения РАН потребовал 680 млн рублей инвестиций за три года. Теперь перед разработчиками стоит новая задача: отшлифовать и масштабировать технологию, освоить выпуск МУНТ в промышленных объемах, вытеснив с внутреннего рынка зарубежных поставщиков, прежде всего китайских. Еще одна задача, стоящая перед новосибирской командой, — освоить более сложную технологию производства родственного наноматериала с еще более продвинутыми свойствами — одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ).
В прошлом десятилетии технология производства ОУНТ, доведенная до промышленного выпуска, с господдержкой от «Роснано» была освоена российской командой ученых и предпринимателей из компании OCSiAl. Однако после начала СВО господа релоцировали себя, производственные установки и бизнес за рубеж, тщательно скрывая свои российские корни. Генпрокуратура через Суд по интеллектуальным правам (СИП) добилась признания за нашей страной прав на три ключевых патента, ранее выданных люксембургской MCD Technologies S.A.R.L, ядра международного бизнеса команды OCSiAl, связанных с технологией промышленного синтеза ОУНТ. Однако юрисдикция решения ограничена Россией и, что не менее важно, обладание патентами не дает возможности автоматического воспроизводства технологии. Этот способ производства трубок придется осваивать заново (подробности см. в статье «Заблудиться в трех патентах», «Монокль» № 50 за 2025 год). Впрочем, в стране есть команды ученых с другими подходами к синтезу ОУНТ.
Пока разрыв между возможностями новосибирского предприятия и потребностями потенциальных заказчиков остается значительным. По данным представителей проекта, российский выпуск составляет несколько десятков килограммов МУНТ в год, тогда как промышленные партнеры оценивают свою потребность в продукции на основе нанотрубок в одну-две тонны в месяц. Основную часть поставок обеспечивают зарубежные производители, в основном китайские. Но даже такой разрыв не гарантирует новому проекту быстрого роста: заявленный интерес еще предстоит превратить в регулярные закупки, а продукцию — адаптировать под требования конкретных предприятий.
Амбиции проекта значительно превышают нынешний масштаб внутреннего рынка. По сообщениям разработчиков, к 2027 году в Новосибирске планируется запустить промышленный реактор с проектной мощностью до 10 тыс. тонн в год.
Сможет ли новый проект пройти путь от разработки до конкурентоспособного производства — и найдется ли в России рынок, достаточный для развития собственной отрасли нанотрубок?
Материал будущего
Углеродная нанотрубка представляет собой лист графена (сетку из атомов углерода толщиной в один атом), свернутый в бесшовный полый цилиндр. В зависимости от числа таких слоев различают одностенные и многостенные трубки: первые образованы одним цилиндром, вторые — несколькими, вложенными друг в друга. Диаметр этих структур измеряется нанометрами, тогда как длина может быть значительно больше поперечного размера.
«Такая структура дает редкое сочетание свойств: высокую механическую прочность при малом весе, отличную тепло- и электропроводность, а также уникальные оптические характеристики», — объясняет Александр Чернов, заведующий лабораторией физики магнитных гетероструктур и спинтроники МФТИ. По отдельности эти характеристики встречаются и у других материалов, но сочетать их в одной структуре удается нечасто. При этом электрические свойства нанотрубок зависят не только от состава, но и от геометрии: одни могут вести себя как проводники, другие — как полупроводники.
Для промышленности важно не столько использовать нанотрубки как самостоятельный материал, сколько добавлять их к уже существующим. Благодаря большой длине относительно диаметра они способны формировать внутри полимера или другого вещества разветвленную сеть. Такая сеть может проводить электрический ток, отводить тепло и влиять на механические характеристики материала. Поэтому даже небольшое количество нанотрубок иногда заметно меняет свойства всей композиции. Впрочем, эффект зависит от того, насколько равномерно они распределены и насколько хорошо взаимодействуют с основным материалом: если трубки собираются в комки, их преимущества реализуются хуже.
«Можно добавить часть нанотрубок в полимер, резину или краску, чтобы материал стал прочнее и начал проводить электрический ток», — говорит Чернов. Так получают антистатические покрытия, функциональные пластики и композиты для автомобильной промышленности и энергетики. В подобных материалах нанотрубки помогают отводить статический заряд, повышать электропроводность и, в зависимости от состава, повышать прочность или теплопередачу. Это не означает, что любая добавка автоматически делает пластик прочнее или покрытие — огнестойким: результат зависит от рецептуры и технологии производства. В данных областях широко применяются МУНТ: их производство, как правило, проще и дешевле, чем ОУНТ. Последние же интересны там, где нужный эффект можно получить при меньшей концентрации добавки или где важны специфические электрические свойства. По оценке Михаила Маслова, профессора НИЯУ МИФИ, одностенные нанотрубки могут обходиться на один-два порядка дороже многостенных — разница особенно существенна для материалов с высокими требованиями к чистоте и заданным характеристикам.
Проводники перемен
Одно из перспективных направлений применения нанотрубок — литий-ионные аккумуляторы. Здесь их используют в качестве токопроводящей добавки в электродах. Задача нанотрубок — создать сеть, по которой электроны могут перемещаться между частицами активного материала. Чем эффективнее такая сеть, тем ниже электрическое сопротивление электрода и тем меньше ограничений для работы батареи при высоких токах. Исследователи рассматривают нанотрубки как один из способов улучшить характеристики аккумуляторов, в том числе при использовании новых активных материалов. Однако итоговый эффект зависит от конструкции электрода и сочетания всех его компонентов: сами по себе нанотрубки не гарантируют ни более быстрой зарядки, ни увеличения срока службы батареи.
Область применения не ограничивается аккумуляторами и полимерами. Нанотрубки используют при разработке проводящих пленок и покрытий, в том числе для гибкой электроники. В отличие от традиционных прозрачных проводящих материалов, которые могут быть хрупкими, пленки на основе нанотрубок способны сохранять проводимость при изгибе. В научных обзорах также рассматривается их применение в сенсорах, экранирующих материалах и различных композитах.