Научные открытия

Гонка на плоскости

В мире началась гонка за лидерство в производстве графена и материалов с его добавками. Ежегодный рост продаж графеновых компонентов и продуктов на их основе на сегодня составляет около 37% в год.

Впрочем, мировой рынок графена пока очень невелик и оценивается в 150 млн долларов. Но уже к 2030 году объем реализации продуктов на основе графена может достигнуть 800 млрд долларов — мир на старте графеновой волны.

Разработки на основе графена пользуются господдержкой во многих развитых странах. В Евросоюзе, например, запущен проект Graphene Flagship: вложения в 2014–2020 годах оцениваются в миллиард евро. Вряд ли в истории поддержки науки ЕС можно найти другой столь же крупный проект, направленный на внедрение в практику относительно недавнего научного открытия.

Среди стран-лидеров, активно работающих с графеновой тематикой, помимо США ЕС — Австралия, Бразилия, Израиль, Индия, ЮАР, Япония.

А безусловным лидером в исследованиях графена является Китай, которому принадлежит более половины мировых публикаций и заявок на патенты. В 2013 году в Китае создали Инновационный альянс графеновой промышленности, кроме того, руководство страны сделало индустрию новых материалов на основе графена одним из приоритетов своей 13-й пятилетки (2016–2020).

FERRARI /ZUMA\TASS
Источник: FERRARI /ZUMA\TASS
Русское поле
К сожалению, как это уже не раз случалось в истории развития перспективных направлений науки и техники, открытия, сделанные российскими учеными, были активно подхвачены зарубежными специалистами, а нашей стране приходилось выступать в роли догоняющих.

По числу исследований графена Россия сегодня находимся на 14-м месте в мире. Причем процент российских научных публикаций по теме графена падает: в 2000-е годах он составлял 5,6%, сейчас только 2,3%. По числу высокоцитируемых статей вся Россия уступает одному только Центру двумерных материалов Сингапура.

В экономике еще хуже. Сегодня на долю России приходится лишь 0,003% продаж графеновых компонентов и продуктов (на два порядка ниже, чем в Индии и Израиле). Хотя, по некоторым оптимистическим прогнозам, потребность в графеновых компонентах на российском рынке оценивается примерно в 165 млн долларов (к 2025 году) и 1,5–2 млрд долларов к 2030-му, и, если ничего не изменится, этот рынок будет занят иностранными компаниями. Впрочем, следует признать, что сегодня, когда графеновый рынок только складывается, наметить темпы его роста и даже очертить его границы весьма сложно.

В России сегодня графеновой тематикой занимаются от силы несколько десятков научных лабораторий. Еще меньшее число научных центров производят собственный графен, причем в очень ограниченных количествах (граммы, десятки граммов) и далеко не всегда достаточно высокого качества. В подавляющем большинстве отечественных научных разработок используется довольно низкосортный, однако достаточно дешевый графен из Китая.

Это объясняется, с одной стороны, малой информированностью наших специалистов о преимуществах графеновых технологий, с другой —дороговизной научных исследований, требующих наличия дорогого и в основном импортного оборудования.

География научных лабораторий, занимающихся графеновыми технологиями в России, пока не широка, но сильные лаборатории есть.

Так, в Якутске, в лаборатории «Графеновые технологии» Северо-Восточного федерального университет им. М. К. Амосова, изучаются тонкопленочные структуры и нанокомпозиты на основе графена. Ученые университета разработали ряд продуктов на основе графена, в частности сенсоры влажности на основе графеновой пленки и на основе оксида графена. Лаборатория оснащена современным оборудованием, которое позволяет синтезировать графен, измерять его параметры и создавать электронные приборы на основе графена.

Оптические свойства графеновых пленок исследуются в Государственном университете аэрокосмического приборостроения в Санкт-Петербурге. Там же, в Институте аналитического приборостроения РАН, изучают прозрачность графеновых пленок.

Использование графена в качестве катализаторов в различных приложениях исследуется в Институте катализа им. Г. К. Борескова СО РАН в Новосибирске.

В Институте неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН, тоже расположенном в Новосибирске, разработаны методики перевода графена в устойчивые дисперсии в жидких средах. Практическая значимость исследований состоит в целенаправленном получении новых материалов на основе графена, включая тонкие проводящие прозрачные пленки, прочную и гибкую «графеновую бумагу», композиты с высокой прочностью, катализаторы.

Институт графена
Графеновые технологии открывают новую экологичную эру в энергетике
JU HUANZONG /ZUMA\TASS Графеновые технологии открывают новую экологичную эру в энергетике
Источник: JU HUANZONG /ZUMA\TASS
Отдельно хотелось бы рассказать об исследованиях, проводимых в научных лабораториях Института графена в Москве.

Именно здесь проводятся, например, упомянутые выше исследования по использованию высокопрочного бетона с графеновыми добавками, упрочненного графеном асфальта. Разрабатываются электропроводящие краски и клеи с графеновым наполнителем, позволяющие создавать высокоэффективные энергосберегающие нагревательные настенные панели, «теплые полы», а также эмульсии, дающие возможность значительно интенсифицировать теплоотвод в различных электронных устройствах.

Институт графена создал на основе собственной технологии первую в России установку полупромышленного типа для производства чистого (99,6–99,8%) графена. Производительность этой установки (несколько сотен килограммов графена в месяц) должна обеспечить потребность как российских исследователей, так и отечественных потребителей, использующих графеновые добавки в своих технологиях, а качество значительно выше китайского.

Институт планирует расширить графеновую тематику своих работ в интересах российской энергетики. В частности, есть наработки

в производстве опытных установок для солнечной теплоэнергетики (установки с солнечной генерацией пара; автономные энергетические источники).

Перспективны разработка и производство опытных установок по эффективному опреснению морской воды с помощью графеновых пленок за счет солнечного излучения; разработка и создание графеновых анодных материалов для литий-ионных, калий-ионных и марганец-ионных энергетических источников питания; разработка и создание энергоэффективных (с эффективностью не менее чем на 40-60% выше, чем у существующих) графеновых нагревателей для промышленных и бытовых целей; разработка, создание и производство специальных графеновых добавок в различные марки бетона (увеличение прочности до 40%, снижение времени созревания вдвое, возможность создания слоистого бетона с электропроводящими слоями для локального нагрева помещения и т. п.); исследование и использование наножидкостей в различных областях жизнедеятельности человека, например в системах отопления, где возможна как минимум 50-процентная экономия газа или электричества (добавление графена в жидкость увеличивает эффективность парогенерации).

Все эти направления слишком масштабны, чтобы осуществляться в рамках какой-либо одной компании или лаборатории, поэтому критически важен общий рост интереса и научных коллективов, и частных инвесторов, и государства к графеновой тематике в целом. И дело не только в возможности технологических прорывов в среднесрочной перспективе, но и в наличии быстрого поиска решений для практических хозяйственных задач уже сейчас.

Как известно, ситуация с пресной водой во всем мире напряженная. Особенно остро этот вопрос стоит сегодня в Крыму и в других засушливых регионах, а также там, где, тем не менее, есть запасы соленой или засоленной воды. Специалисты Института графена разработали технологию по эффективному опреснению морской воды (или воды из источников с повышенным содержанием солевых примесей). Для опреснения используются графеновые пленки, поглощающие энергию солнечного излучения. Технология практически не требует энергетических затрат и отличается высокой экологичностью. Институт графена публично заявляет, что приглашает партнеров для участия в совместных работах по созданию опреснительных установок различной производительности.

Что дальше
Можно смело утверждать, что графен — одна из наиболее перспективных технологий нашего времени.

Общеизвестно, что мы на десятилетия отстали от мирового прогресса во многих областях науки, техники и технологий. Но графеновый бум только на старте. И у России еще есть шанс успеть вскочить на подножку этого стремительно уходящего поезда и, возможно, даже пробиться в лидеры этого принципиально нового направления в науке. Лаборатории и талантливые ученые, способные раскрутить это направление в России, у нас в стране пока еще есть.

В подготовке статьи принимал участие Виталий Лейбин
Графен меняет всё
Евгений Аметистов
профессор, член-корреспондент РАН, научный руководитель Корпоративного энергетического университета (Москва)
Эксперт 17 мая 2021, 00:00 №21