Для наших читателей, которым интересно заглянуть в будущее и узнать о новых научных исследованиях и перспективных разработках, мы решили открыть новую экспериментальную рубрику — «Научный дайджест». В отличие от известных вам «IT-баек», в материалах «Научного дайджеста» будет лишь краткое изложение наиболее интересных событий мира науки и высоких технологий. Формат рубрики не предполагает глубокий детальный обзор каждой научной новинки и изобретений, но если что-то вас сильно заинтересует, пишите — что-нибудь придумаем.
⇡#Российская «нанонаука»: все сливки сняты
Начать первую публикацию хотелось бы с обзора событий в отечественной науке за несколько последних недель. В начале марта состоялся круглый стол и видеомост Москва — Томск на тему «Нанотехнологии: итоги первой пятилетки».
Пересказывать содержание конференции мы, конечно же, не будем, отметим лишь ключевые высказывания. Директор Федерального государственного бюджетного научного учреждения (ФГБНУ) «Дирекция научно-технических программ» Андрей Петров заявил, что за последние четыре года государство вложило в программу развития инфраструктуры около 27 млрд рублей. Объём реализованной программы по исследованиям и разработкам составил 57 млрд рублей, из них около 20 млрд — деньги, потраченные на развитие наноиндустрии.
Несмотря на огромные инвестиции в отрасль в целом, продуктивность российских учёных остаётся на довольно низком уровне. Согласно мнению исполнительного директора НП «Национальный электронно-информационный консорциум» Александра Кузнецова, в России и во всём мире каждый год увеличивается число публикаций по перспективным отраслям, в частности и по наноэлектронике. Но в процентном соотношении Россия явно сдаёт позиции — здесь её доля составляет менее 3%.
Это объясняется тем, что в мире, в особенности в Китае, количество публикаций растёт гораздо более высокими темпами, чем у нас на родине. Ещё одна особенность российских публикаций — очень малый индекс цитируемости. Подавляющая часть статей не цитируется вовсе. Также, к сожалению, стремительно в России снижается и патентная активность. Если в 2009 году она достигла максимума (160), то уже в 2010 году количество регистрируемых патентов снизилось до 40.
В интервью «Российской газете» председатель Научно-технического совета РОСНАНО Михаил Алфимов отметил, что новые заводы отвечают мировому уровню науки и техники, но созданы по проектам, которые уже прошли стадию опытно-конструкторских работ. Иными словами, экспертам РОСНАНО были представлены готовые опытные образцы изделий, им оставалось лишь решить, куда перспективнее и выгоднее вложить деньги.
На сегодняшний день, признаётся академик, ситуация в корне изменилась. Как выразился господин Алфимов, «сливки сняты», и РОСНАНО остаётся либо идти на огромный риск, вкладывая немалые средства в перспективные, но сырые проекты, либо искать зарубежных партнёров для импорта в Россию уже готовых разработок для дальнейшего их развития и расширения. Именно второй путь, видимо, и взят на вооружение.
Алфимов привёл пример, который, по его мнению, точно отражает нынешнюю ситуацию. Сейчас зарождается технология, которая в ближайшее время может смести все нынешние. Речь идёт о получении печатным методом электронных систем, гибких солнечных батарей, светоизлучающих плёнок и других элементов. На Западе эта тема развивается очень активно. И в России есть мощные научные группы, работающие в данном направлении, но, к сожалению, не для нас, а для зарубежных заказчиков. Объёмы инвестиций огромны, но и риск слишком высок. Поэтому РОСНАНО не готова на сегодняшний день к подобным проектам и выжидает, когда можно будет перекупить готовую технологию.
На днях также стало известно о том, что РОСНАНО решила закрыть 13 из 145 ранее одобренных проектов с совокупным бюджетом 17,9 млрд рублей. Среди них — создание производства тонеров, фоторецепторов и картриджей для лазерных принтеров, ксероксов с использованием функциональных наноразмерных добавок и фотопроводников в нанодисперсной форме, создание производства изделий микросистемотехники на принципах акустонаноэлектроники и хемосорбционной наноэлектроники, создание производства наноструктурированных сверхпроводников, создание производства фотоприемных устройств для оптико-электронной аппаратуры нового поколения.
Деньги в эти проекты ещё не вложены, хотя РОСНАНО всё равно понесла убытки, связанные с подготовкой проектов. Причинами прекращения поддержки проектов называют отказ или невыполнение соинвесторами/заявителями принятых на себя обязательств.
Реализованных проектов с развёрнутым производством пока менее двух десятков. Отметим наиболее интересные из них. Проектная компания ЗАО «Оптоган», сооснователем которой является РОСНАНО, создана для разработки и производства сверхъярких светодиодов на базе наногетероструктур, а также осветительной техники на их основе. В начале этого года «Оптоган» заявила о создании первой российской компании по разработке освещения на основе органических светодиодов (OLED) «Оптоган. Органические Световые Решения».
Суть новаторского подхода заключается в применении печати для производства осветительных систем на основе OLED. Эта технология позволяет упростить структуру рабочего слоя, тем самым существенно снижая себестоимость этих светодиодов. Кроме того, печать производится на гибкие подложки, что значительно расширяет возможности применения OLED-структур при нанесении их на изогнутые поверхности.
Другой пример: проектная компания ООО «НТИЦ «Нанотех-ДУБНА» занимается производством квантовых точек, получаемых при помощи так называемого коллоидного синтеза. Квантовые точки — это полупроводниковые кристаллы размером от единиц до десятков нанометров, которые из-за малой величины проявляют квантовые свойства, характерные для отдельных молекул и не присущие традиционным полупроводникам.
Эти структуры могут использоваться в светодиодах, медицинских приложениях, в перспективе — в солнечных батареях с повышенным КПД, «гибкой» электронике и оптоэлектронных устройствах. В декабре прошлого года «Нанотех-ДУБНА» заявила о вводе в эксплуатацию новых мощностей, что позволило увеличить объёмы производства до 10 кг квантовых точек в год.
Также можно отметить предприятие ООО «Коннектор Оптикс», занимающееся производством сверхскоростных энергоэффективных оптических компонентов для сетей передачи данных (до 40 Гбит/с) и компьютерных межсоединений. Среди достоинств продукции компания выделяет высокую термостойкость и энергоэффективность, а также «ноу-хау» в области эпитаксиального выращивания вертикально-излучающих лазеров, у которых скорость передачи данных на один канал в 4 раза выше, чем у основных конкурентов.
Фронтиры российской науки
В конце прошлого месяца Курчатовский институт заявил, что разработанные его учеными композиционные материалы использовала Лос-Аламосская лаборатория сильных магнитных полей для создания магнита с рекордным полем свыше 100 Тл.
Композит российского производства необходим для создания импульсных магнитных систем с экстремально высокими полями, предназначенными для исследований разных объектов — от живой клетки до сверхпроводящих свойств материалов. Этот материал при сечении 4x6 мм2 содержит в матрице из сверхчистой меди более 450 млн ниобиевых волокон диаметром менее 10 нм. О новом рекорде повествует следующий видеоролик.
В феврале ученые из Института физики полупроводников (ИФП) имени Ржанова Сибирского отделения РАН заявили о получении самых тонких в мире алмазных плёнок. Им удалось добиться толщины всего 30 нм, что на порядок тоньше, чем производят в Европе и США.
Заведующий лабораторией ИФП Владимир Попов пояснил, что чем меньше толщина материала микросхемы, тем меньше возникает паразитных эффектов и помех, ниже энергозатраты, поэтому плёнка наноразмерной толщины — идеальная основа для современных чипов. Использование квантовых оптических эффектов в алмазных микросхемах может на порядки повысить плотность размещения компонентов микросхемы.
В случае успеха, отметил господин Попов, алмаз может вытеснить с рынка кремниевую электронику. Для этого нужно вырастить кристалл с заданными свойствами, научиться отслаивать от него тончайшие плёнки и легировать.
Практическое значение имеет разработка заместителя директора Технопарка Иркутского государственного технического университета Сергея Захарова, который получил патент на устройство для спутникового мониторинга местоположения групп и отдельных людей. Прибор выполнен по типу GPS-навигатора, но с функцией обратной связи, которая позволяет находить заблудившихся туристов в труднодоступных местах.
К главным преимуществам своей новинки перед конкурентами изобретатель относит высокую прочность устройства. Корпус выдерживает прямые удары и давление каменно-лавинной среды. От продольных и поперечных ударов прибор предохраняют радиально закругленные края корпуса, а снаружи он защищен стеклотканью из параарамидного волокна. Устройство не боится влаги, антенна располагается внутри корпуса, что делает её менее уязвимой, а две аккумуляторные батареи обеспечивают до четырёх суток автономной работы. Прибор компактный — всего 50x37 мм, и оснащён комбинированным ГЛОНАСС-GPS-приёмником.
Начнём, пожалуй, с разработок, которые могут найти применение на практике в не очень далёком будущем. К таким можно отнести разработку Массачусетского технологического института. Группа исследователей работает над внедрением так называемых микрофлюидных устройств в массовое производство. Микрофлюиды, представляющие собой миниатюрную лабораторию на чипе размером с карту флеш-памяти, могут использоваться для мобильной медицинской диагностики.
В планах ученых — обеспечить большие объёмы выпуска и довести конечную стоимость устройств до нескольких центов. Себестоимость материалов, которые используются в микрофлюидах, мизерная. Проблемой остаётся слишком дорогое производство. В некоторых лабораториях уже получены опытные образцы микрофлюидов, но серийный выпуск не налажен.
До сих пор исследователи пытались приспособить для изготовления микрофлюидов существующее оборудование для производства кремниевых чипов. Ученые намерены разработать специальное оборудование, которое будет дешевле и даст возможность производить микрофлюиды с низкой себестоимостью. За основу взята технология так называемого «микроскопического тиснения», предполагающая нагревание полимера и последующее наложение нужного узора с помощью тонких каналов. Кроме того, исследователи работают над созданием автоматического контроля качества производимых микрофлюидов. Конкретные сроки завершения разработок не называются, но ученые обещают, что всё это дело обозримого будущего.
Тот же МТИ в марте представил ещё одну свою перспективную разработку — 3D-дизайн для монтажа солнечных ячеек, который, по утверждению ученых, способен увеличить количество полезной выходной мощности в расчёте на единицу занимаемой площади в несколько раз. Как отмечается, исследователи всего мира интенсивно работают над улучшением характеристик солнечных панелей и снижением их себестоимости. Но лишь немногие задумываются о том, какие выгоды может принести грамотный монтаж, — большинство разработок предусматривает размещение солнечных панелей на крыше в одной плоскости либо установку панелей на моторизированном механизме, который поворачивает рабочую поверхность соответственно перемещению солнца вдоль небосвода.
Ученые из МТИ предложили другой подход: солнечные ячейки располагаются в виде трёхмерных кубов или башен, как показано на изображении. Тестирования показали, что такой метод позволяет увеличить выходную мощность до 20 раз по сравнению с обычными плоскими панелями, занимающими такую же площадь. Наибольший выигрыш получается тогда, когда ощущается недостаток солнечного освещения, например вдали от экватора, в зимние месяцы или в регионах с частой облачностью. В статье, опубликованной в феврале в журнале Energy & Environmental Science, выложены итоги моделирования работы солнечных 3D-модулей, а также практические результаты.
Ещё десять лет назад идея МТИ была бы экономически невыгодной. Но сейчас, когда себестоимость солнечных ячеек существенно снизилась и основные расходы связаны с монтажом и получением всех необходимых разрешений, 3D-дизайн является актуальным решением. Главной проблемой, которую предстоит решить, является разработка эффективной технологии массового производства таких 3D-модулей.
Сейчас солнечная энергетика развивается быстрыми темпами, и в случае массового использования солнечных электростанций остро встанет вопрос о хранении накопленной энергии. Такие аккумуляторы должны быть относительно недорогими и экологически приемлемыми. Недавно в журнале Science появилась публикация Renewable Cathode Materials from Biopolymer/Conjugated Polymer Interpenetrating Networks («Взаимопроникающие полимерные сети из био- и сопряженных полимеров в качестве возобновляемых материалов для изготовления катодов»), в которой исследователи предложили использовать в качестве недорогого материала для электродов энергетического хранилища лигнин. Тот самый лигнин, который содержится в коричневой жидкости — побочном продукте бумажного производства.
Идеи для своей разработки исследователи почерпнули из процесса фотосинтеза, где электроны переносятся так называемыми хинонами, которые, в свою очередь, содержатся в лигнине. Для использования хинонов в качестве носителей заряда в батареях ученые создали тонкую плёнку толщиной всего 0,5 микрона, которая состоит из пиррола и лигнина. Именно эта плёнка и играет роль катода.
Своей целью исследователи ставят разработку такого метода хранения энергии, который позволит накапливать её в том же месте, где она производится, без необходимости строить огромные энергосистемы.
И в завершение — несколько слов о новых теоретических исследованиях, которые могут найти практическое применение лишь в далёком будущем. Ученые одного из немецких университетов опубликовали в журнале Physical Review Letters статью Focus: Graphyne May Be Better than Graphene («В фокусе: графин может оказаться лучше графена»), в которой выложены результаты компьютерного моделирования графина, аллотропной формы углерода. Как выяснилось, графин обладает уникальными электрическими свойствами и имеет перспективы использования в транзисторах не меньшие, чем известный всем графен.
Графин, как и графен, состоит из атомов углерода, которые соединены в кристаллическую решетку толщиной в один атом. Но в графине, помимо двойных связей между атомами, есть ещё и тройные, что и придаёт ему особые химические, физические и электрические свойства. Единственная проблема заключается в практическом получении исходного материала: графином ученые заинтересовались ещё в 80-х годах, но до сегодняшнего времени удалось получить его лишь в небольших, лабораторных количествах. Поэтому ещё не одно десятилетие может пройти, прежде чем графин сможет найти реальное коммерческое применение.