Наносвод: авторский подкаст Анатолия Чубайса

Последние события и самая актуальная информация о деятельности РОСНАНО

Камень, который можно растянуть. Часть 1(20)

«Наносвод» — подкаст, созданный, чтобы давать простые ответы на сложные вопросы об инновационных технологиях и людях, которые их делают.
20 августа 2020

Древний мир подарил нам технологии, которые мы используем и сегодня. А сколько еще можно рассчитывать на бетон, металл и пластик? Пришло время апгрейда знакомых всем материалов, которые окружают нас много столетий, и перехода на новый уровень технологий. Как это сделать, в новом выпуске «Наносвода» обсуждают Анатолий Чубайс и Советник Председателя Правления РОСНАНО по науке Сергей Калюжный.

Елена Тофанюк: Всем добрый день, это «Наносвод». Я — Елена Тофанюк, как обычно, у нас Председатель Правления РОСНАНО Анатолий Борисович Чубайс. Анатолий Борисович, здравствуйте.

Анатолий Чубайс: Здравствуйте. Добрый день.

Елена Тофанюк: А также с нами Сергей Владимирович Калюжный, Советник Председателя Правления по науке, главный ученый РОСНАНО. Сергей Владимирович, здравствуйте.

Сергей Калюжный: Здравствуйте.

Елена Тофанюк: Сегодня мы будем обсуждать очень интересную тему, которая называется «Из чего все состоит». Мы будем говорить о новых материалах. Анатолий Борисович, а что скрывается под этим термином?

Анатолий Чубайс: Я начну не с новых, а со старых, это ответ на вопрос, из чего все состоит. Давайте говорить не вообще о Вселенной, а той ее части, которую создал человек. Она состоит всего из трех материалов, если посмотреть на современную техносферу: бетон с цементом, это раз, металл — два, и пластик — три. Это, конечно не сто процентов. Вот есть очень хорошая книжка Вацлава Смила. Если я правильно помню, у него цифра около 90%, пусть поправит меня Сергей Владимирович. Но порядок цифр примерно такой: большая часть из того, что создано человеком, состоит всего лишь из этих трех материалов.

Елена Тофанюк: Причем один из них изобрели римляне, по-моему.

Анатолий Чубайс: Это который?

Сергей Калюжный: Если посмотреть на то, что человечество использует каждый год, то самый используемый материал — это гравий, щебень (примерно 20 млрд тонн), второй по используемости — песок (15 млрд тонн), а дальше идет уже цемент (4 млрд тонн) Базовые вещи, такие, как песок и щебень, до сих пор используются, и в очень больших количествах.

Анатолий Чубайс: Это правда, Сергей Владимирович. Но это же инертные материалы, которые человек не производит. Он их взял из природы и в природу вернул.

Сергей Калюжный: А из природных материалов, тех, которые производят, самый распространенный цемент — 4 млрд тонн.

Анатолий Чубайс: За ним идут металлы. Черные, цветные, вместе взятые.

Сергей Калюжный: За ним — чугун, сталь, это примерно два с чем-то млрд тонн, а потом уже другие материалы. Пластика производится примерно 0,5 млрд тонн. Стоит упомянуть еще один природный материал, который все еще используется довольно широко, это древесина.

Елена Тофанюк: Мы будем говорить про произведенные человеком материалы. И из тех, Анатолий Борисович, материалов, которые Вы перечислили, один вообще был изобретен римлянами, это бетон. А какие новые материалы появляются сейчас? Что стоит за этим термином?

Анатолий Чубайс: Мне кажется, что интересно говорить не о каких-то супер-пупер материалах, которые в год производят в количестве сто килограмм. Нужно с уважением отнестись к ученым, которые занимаются специальным покрытием спускаемого аппарата космического корабля, обеспечивающим тепловую защиту при торможении, при вхождении в плотные слои атмосферы. Это, конечно, прорыв. Но сколько его нужно? Очевидно, единицы тонн. Не сотни килограммов. А нам интересны те самые массовые материалы. Самый главный вопрос для нас в РОСНАНО: чем будут заменяться цемент, металл и пластик и как они могут быть апгрейдены, улучшены? Это самое главное. Интересно, что Сергей Владимирович скажет. Мне кажется, что по-настоящему сопоставимый с тремя базовыми по массовости материал, который был бы новым, это, пожалуй, только композитный. Я не вижу другого сопоставимого по массовости материала из новых. Сергей Владимирович, согласны, не согласны, скажите?

Сергей Калюжный: Композиты — это фактически продукты синтеза других базовых материалов. И это материалы тоже древние. Первый композитный материал, как мы знаем, саман, появился в Древнем Египте еще 4–5 тысяч лет до нашей эры. Что такое композитный материал? Он состоит из двух сильно отличающихся фаз или компонентов. В самане это глина как связующая и солома как армирующая. Вы, Елена, упоминали о бетоне, да, он был изобретен в Древнем Риме, и там тоже в качестве армирующего выступал щебень, в качестве связующего — их цемент, прародитель современного цемента. Более того, римляне изобрели еще более продвинутую модификацию, это железобетон. Они добавляли прутки железные в бетон, и таким образом получался уже трехфазный композитный материал. Почему человечество изобретало такие материалы? Потому что хотело получать более совершенные, более прочные, менее подверженные коррозии, истираемости и так далее. Накопление знаний шло довольно долго и выливалось в конечном итоге в композитные материалы. Я согласен с этой точкой зрения.

Анатолий Чубайс: Хорошо.

Елена Тофанюк: То есть это очень древние материалы? Да, Анатолий Борисович.

Анатолий Чубайс: Как известно из сопромата, существуют десятки сложных видов нагрузок, кручение, изгиб и так далее. В итоге они все сводятся в конечном счете, я чуть упрощаю, всего лишь к двум: сжатие и разрыв. Что человечество хотело, начиная с самана, о чем остроумно сейчас Вы дополнили, и кончая железобетоном — самым массовым композитным материалом? Оно хотело получить материал композитный, из двух состояний, который две нагрузки (сжатие и разрыв) держит в максимальной степени. Что такое железобетон? Бетон он не сжимается, как мы понимаем. А арматура там металлическая, попробуйте разорвать стальной пруток, соответственно, это на разрыв нагрузка. Плюс у них еще, как известно, коэффициент теплового расширения одинаковый. Это означает, что у вас не будет трещин зимой и летом. Весь фокус композитного материала в том, чтобы он держал эти два вида нагрузки. Один материал держит нагрузку на сжатие, это наполнитель. А второй — на разрыв. Масштабы последствия этого открытия были совершенно тектоническими. Все небоскребы, вся архитектура XX века, весь Оскар Нимейер, все родилось благодаря этому изобретению. Что такое дом с окнами? Это дом, у которого стена является несущей. И вы не можете сделать окно больше. Потому что вы дырку в несущей стене проковыряете, она держать не сможет. А когда появляется железобетон, то можно делать колонны внутри дома. Откуда берутся эти стеклянные фасады, бетон, стекло, то, к чему мы привыкли? Они берутся от материала железобетон. Внутри у вас железобетонные колонны, которые держат нагрузку на сжатие, на растяжение, на разрыв. А фасад вы можете делать хоть стеклянным, хоть из фанеры. Из чего хотите. Он несущим перестает быть. Появление нового прорывного композитного материала, массового железобетона, изменило целые сферы человеческой деятельности, такие как архитектура и строительство, полностью. В том, что я сейчас сказал, Сергей Владимирович, есть нарушения научной логики?

Сергей Калюжный: Все правильно. Две основных нагрузки в строительстве, это на сжатие и на разрыв. У первых мостов тоже проблема была в том, чтобы они выдерживали нагрузку на разрыв и сжатие. Чтобы по ним проезжали телеги, проходили люди и так далее. Человечество все время улучшало строительные изобретения, как раз изменяя свойства материалов.

Елена Тофанюк: Мы продолжаем сейчас работать над прочностью новых материалов?

Анатолий Чубайс: Конечно. Теперь можно перейти к ответу на Ваш вопрос, а то мы немножко углубились с Сергеем Владимировичем, извините, в интересующие нас темы. Если мы согласились, что единственной значимой сегодня является тема под названием композитные материалы, то что в ней происходит? Происходит следующее. Композитный материал номер один — стеклопластик. Как это ни странно, но стекловолокно вопреки здравому смыслу является материалом гибким. Но важно даже не это. А важно то, что у него сверхвысокая прочность на разрыв. Если стеклянное волокно сплести в ткань и добавить наполнитель в виде смолы, то вы получаете первый наиболее массовый сегодня композитный материал под названием стеклопластик. Второй такой же материал, только с гораздо более высокими прочностными свойствами — углепластик, там вместо стеклянного волокна угольное. Ну и третий, который, как ни странно, в мире мало пока развит, а мы как раз много им занимались в РОСНАНО, и я его считаю фантастически перспективным, это базальтопластик, базальтовое волокно. Базальт — это камень.

Анатолий Чубайс: Камень, как, в принципе, все твердые материалы, как это ни удивительно для бытового сознания, может изменять фазовое состояние, при нагреве переходить в жидкое. Если вы жидкий, расплавленный базальт пропускаете через специальные фильеры, переводите его в нить, то эта нить может быть основой для базальтопластика. Любопытно, что мир в целом активнейшим образом занимается стеклопластиком и углепластиком, и почти не занимается базальтопластиком. Наша проектная компания, выращенная почти из ничего, очень бурно растет. Речь идет и об экспорте, в том числе и в европейские страны, и в Соединенные Штаты, мы видим очень большие перспективы именно у базальтопластика. Но в принципе короткий ответ на Ваш вопрос: три современных композитных материала — стеклопластик, углепластик и базальтопластик.

Елена Тофанюк: Про базальтопластик, мне кажется, какая-то фантастика. Просто я никогда про это не слышала, чтобы камень растянуть в волокно. А где это применяется?

Анатолий Чубайс: Прежде всего, это, конечно, строительство. Дело в том, что базальтопластик обладает несколькими фундаментальными свойствами. Во-первых, он не ржавеет. И отсутствие коррозии — это очень важное требование к любым серьезным строительным сооружениям. Во-вторых, представьте, что вы нагреваете базальт с одной стороны, ясно, что у него теплопроводность очень низкая. Нагреваете металл — он мгновенно нагревается весь. А базальт не нагревается весь. Это что означает? Это означает, что у него хорошие теплоизоляционные свойства. Потому что в традиционном железобетоне одна из проблем это так называемые тепловые проводки, когда через арматуру холод, тепло передается. А через базальт — нет. Использование базальтопластика в качестве строительного материала, с учетом того, что он существенно дешевле, чем углепластик, это очень интересная технология, у которой отличные перспективы. Сейчас Саудовская Аравия проявляет большой интерес к тому, чтобы наш завод построить. Потому что для них задача теплоизоляции, задача предотвращения проникновения тепла извне — очень важное технологическое требование к строительному материалу.

Сергей Калюжный: Я бы добавил, что интерес Саудовской Аравии и Арабских Эмиратов еще и в том, что них много строительства на искусственных островах, где очень высокая влажность. Например, Арабский Лувр в Эмиратах как раз построен с использованием нашей базальтовой арматуры и базальтовых материалов. Потому что они не корродируют в таких условиях, когда у вас высокая температура и высокая влажность. Ну и второе соображение о теплопроводности, если о нашем климате говорить: с помощью базальтового волокна, базальтовой арматуры мы убираем так называемые мостики холода. И таким образом улучшаем теплоизоляцию здания.

Елена Тофанюк: Очень интересно. А кроме теплопроводности, какие еще есть критические точки в материалах, над которыми необходимо работать, какие свойства необходимо улучшать?

Анатолий Чубайс: Прежде всего, это базовые вещи, прочностные параметры, как было сказано, на разрыв и на сжатие. А из физических ключевые вещи — это, конечно же, коррозионная стойкость и теплопроводность. Что-то еще, Сергей Владимирович?

Сергей Калюжный: Да, еще я бы добавил электропроводность. Очень многие диэлектрические материалы, например, ремни в приводах, рукава на зернохранилищах, накапливают статическое электричество. Это очень опасно. Особенно при хранении зерна или работе станков в помещениях, потому что это может быть удар тока либо пожар. И желательно, чтобы такого рода диэлектрики были слегка проводниками. Не суперпроводниками, а слегка проводниками, чтобы статическое электричество стекало на землю в безопасное русло. Поэтому делают композитные материалы, когда в диэлектрики добавляют проводники. Например, углеродные нанотрубки.

Анатолий Чубайс: А это уже композитные материалы не просто современные, а суперсовременные. Самое главное — это высокие технологии. Это добавка, тоже композит. Вот мы встречались с Коропачинским и Предтеченским, обсуждали, что делает OCSiAl, их трубки — это тоже универсальный аддитив. То есть добавляется что-то. Как Вы, Елена, сказали, как солью посолить. Хороший был образ, кстати. Так вот, строго говоря, в научном смысле это тоже аддитив. Вы берете базовый материал, пластик, например, и в него добавляете две сотых процента нанотрубку. Получаете материал композитный. Только это уже не железобетон, а наноразмерные добавки. Но физическая природа примерно та же. Нанотрубки в этой ситуации обеспечивают существенное усиление прочности, на разрыв прежде всего. И это фундаментально важно. Возьмите не только механические конструкции, возьмите аккумулятор, например, катодный материал. Как это ни странно, но там прочностные параметры очень важны. Почему? Потому что любой аккумулятор в процессе работы заряжается и разряжается. Значит, у него температура повышается и понижается, это означает, что происходит тепловое расширение и сжатие. Оно микроскопическое. Глазу не очень размерное, но для материала это очень чувствительные вещи. Расширение и сжатие — это трещинообразование. А трещинообразование — это разрушение аккумулятора. Как предотвратить эту проблему? Нанотрубками. Нанотрубки обеспечивают упрочнение катодного, а теперь уже, в последних наших заходах, и анодного материала. Это сверхважно, помимо того, что есть эффекты, о которых сказал Сергей Владимирович. Они электропроводность радикально увеличивают. А это уже электрические свойства. Таким образом, вот этот суперсовременный композит, то есть композит, состоящий из классического материала с добавкой одностенных углеродных нанотрубок — это уже самая-самая перспективная история, которая позволяет решить и прочностные проблемы, и заодно проблемы электропроводности или электростатики.

Сергей Калюжный: Такого рода материалы и называются нанокомпозиты. Приставка «нано» говорит, что там присутствует нанокомпонент. Обычно в нанокомпозитах присутствие нанокомпонента очень небольшое, до пяти процентов. Иногда даже менее процента, как говорил Анатолий Борисович. Но такая добавка довольно существенно меняет как прочностные, как электрические, так иногда и теплопроводные свойства.

Анатолий Чубайс: Причем вокруг этой проблемы ходили со всеми тремя базовыми наноматериалами. Их три — фуллерен, то есть шарик, состоящий из одного слоя атомов углерода, графен — плоский лист, состоящий из одного слоя атомов углерода, и нанотрубки — это трубка из одного слоя. Все три материала в разных видах ученые пытались использовать для того, чтобы добиться тех эффектов, о которых мы говорим. Но, мне кажется, Сергей Владимирович, что сегодня углеродные нанотрубки прорываются, это мы с вами видим ясно. Я не вижу прорывов ни по графену, ни по фуллерену с точки зрения именно массового конструкционного материала. Когда речь идет о электронно-компонентной базе, там интересные могут быть эффекты. Но это объемы совсем другие. А когда речь идет о массовом конструкционном материале, мне кажется, что из трех наноматериалов только трубки прорвались на серийное производство. Правильно, неправильно?

Сергей Калюжный: В их пользу говорит чисто геометрический фактор. Это все-таки трубка. Она занимает ограниченное пространство. Она длинная, но небольшого диаметра. Что касается графена — да, трубка состоит из листа графена. Графен — это плоскость, которая и в длину, и в ширину большая. Поэтому, естественно, чисто геометрический, сферический фактор добавки в материалы работает в пользу трубки. Ну а что касается фуллеренов, это молекула, мячик, истинный продукт нанотехнологии. Но применения их для изменения свойств материалов практически нет. В первую очередь фуллерены применяются для того, чтобы загнать какую-нибудь оригинальную молекулу внутрь этого шарика и на основе фуллерена сделать сенсоры, датчики, что-то такое весьма тонкое и дорогое. Но исследования ведутся в этом плане.