Лауреаты Государственной премии Российской Федерации в области науки и технологий «за создание основ мировой индустрии одностенных углеродных нанотрубок и научное обоснование новых методов диагностики неравновесных систем и управления ими» рассказали про свои перспективные разработки.
Комплексная работа коллективов, возглавляемых академиками Михаилом Рудольфовичем Предтеченским, Дмитрием Марковичем Марковичем и профессором Владимиром Генриевичем Мелединым в стенах Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН и инновационных компаний, — наглядная иллюстрация возможности преобразования результатов фундаментальных исследований в современные технологии.
«Процессы, происходящие в реакторах, в том числе со сложными потоками в неравновесных средах, описываются законами науки, которая в самом широком понимании называется теплофизикой. В ней существует так называемая теория подобия, позволяющая классифицировать процессы, на первый взгляд не очень близкие, и поэтапно переносить знания о них в практическую плоскость. Изучение турбулентности, тепломассообмена, фазовых превращений — необходимая основа для диагностики изменений в сложных неравновесных системах и дальнейшего управления ими, в том числе с целью создания устойчивых повторяющихся наноструктур, — говорит директор ИТ СО РАН академик Д. М. Маркович. — Если говорить более конкретно, то ключевым аспектом методов управления процессами переноса в реакторах и аппаратах различного назначения является анализ гидродинамической устойчивости нестационарных неравновесных потоков и нахождение оптимальных параметров воздействия на них в прогнозируемых диапазонах».
Созданные в ИТ СО РАН методы диагностики и управления неравновесными системами, реализованные в технологиях и прикладных комплексах, оказались чрезвычайно эффективными во многих областях науки и производства. Разработанные и воплощенные идеи успешно работают в науке и промышленности, на железнодорожном транспорте, в авиационной и космической отраслях, в крупнотоннажной химии и металлургии, являются базой фундаментальной метрологии — первичного государственного эталона. Почти стократно, к примеру, возросла точность диагностических и управляющих комплексов на металлургических предприятиях.
«Эта премия дана за совокупность работ. Мой вклад связан с созданием основ и развитием технологии синтеза одностенных углеродных нанотрубок (ею занимается компания OCSiAl)», — рассказывает заведующий лабораторией физико-химических процессов в энергетике ИТ СО РАН, сооснователь компании OCSiAl академик М. Р. Предтеченский.
Одностенная углеродная нанотрубка (ОУНТ) представляет собой лист графена, свернутый в цилиндр диаметром 1,2—2 нанометра и длиной более пяти микрон. Нанотрубки в 100 раз прочнее стали, имеют такую же электропроводность, как у меди, высокую теплопроводность, рекордную площадь поверхности, химическую инертность и термическую стабильность (выдерживают температуры свыше 1 000 °C в инертной атмосфере). Добавленные в сотых долях процента к другим материалам, нанотрубки существенно улучшают свойства последних.
Построенные на основе новых знаний и методов умные реакторы позволили российской компании OCSiAl, снизившей цену относительно мировых также почти в 100 раз, практически полностью занять глобальный рынок одностенных нанотрубок.
На основе ОУНТ созданы резины, дорожные покрытия, композиты, термопласты и реактопласты с электропроводящими свойствами. Благодаря им ученым удалось увеличить срок службы и емкость литий-ионных аккумуляторов и одновременно в несколько раз сократить время их зарядки. Сейчас с помощью этих модификаций углерода разрабатываются транзисторы нового поколения. В перспективе ОУНТ смогут повлиять даже на сокращение выбросов углекислого газа, 30 %которых приходится на производство, транспортировку и использование материалов. Углеродные нанотрубки позволяют улучшить большую часть материалов, а значит, уменьшить их необходимое количество. Расчеты показывают, что положительный эффект от полномасштабного применения этих технологий сопоставим с результатами от внедрения альтернативной энергетики.
Этот важный для всего человечества эффект подчеркнул Владимир Владимирович Путин на Климатическом конгрессе в Париже в 2015 году. Президент России отметил тогда, что по оценкам экспертов применение такой технологии только в нашей стране снизит эмиссию углекислого газа к 2030 году на 160–180 миллионов тонн.
На основе разработанной сибирскими учеными технологии компания OCSiAl построила уже две установки Graphetron, которые на сегодняшний день синтезируют более 90 % всех одностенных углеродных нанотрубок, производимых в мире. «Мы развили эту технологию, довели ее до рынка, сотрудничаем с множеством партнеров из различных стран. Сейчас по одностенным углеродным нанотрубками в базе Scopus есть уже порядка миллиона публикаций, зарегистрировано более пятидесяти тысяч патентов, однако наше преимущество только растет. За все эти годы никому не удалось создать такую технологию — почти весь рынок одностенных углеродных нанотрубок обеспечивается нами», — говорит Михаил Предтеченский.
«Наука в Сибири»
Фото Юлии Поздняковой (1, 2), предоставлено пресс-службой компании OCSiAl (анонс)
