На круглом столе XIII Международного форума технологического развития «Технопром-2026» говорили о веществе, которое невозможно разглядеть невооруженным глазом, но которое может заметно изменить свойства привычных вещей – от пластиковой канистры и силиконового уплотнителя до бетонной конструкции, и аккумулятора. Речь шла о многостенных углеродных нанотрубках – сверхтонких цилиндрических структурах из углерода, способных проводить электричество, передавать тепло и укреплять материалы при добавлении в очень малых количествах.
В Центре НТИ по новым функциональным материалам Новосибирского государственного университета совместно с Институтом катализа СО РАН развивают как технологии получения самих нанотрубок, так и способы внедрять их в полимеры, эластомеры, покрытия и электрохимические устройства.
Директор Центра НТИ по новым функциональным материалам НГУ Александр Квашнин начал с важного уточнения. В этот раз речь шла не обо всех углеродных наноматериалах, а об одной конкретной разновидности – многостенных углеродных нанотрубках, или МУНТ. Каждая такая трубка состоит из нескольких слоев графена – атомарно тонких углеродных листов, свернутых один в другой. По сути, это несколько вложенных друг в друга микроскопических трубочек. Их диаметр измеряется нанометрами – миллиардными долями метра, а длина может быть во много раз больше диаметра.
На первый взгляд это действительно узкая тема. Но область применения нанотрубок широка: полимерные композиты, покрытия, резинотехнические изделия, аккумуляторы, электроника, строительные материалы. Поэтому научный разговор быстро вышел за рамки лабораторной химии и коснулся промышленной безопасности, энергетики, логистики и экологических задач.
Углеродные нанотрубки ценят за редкое сочетание характеристик. Они состоят из одного из самых распространенных элементов на Земле, но благодаря особой структуре обладают высокой прочностью, теплопроводностью и электропроводностью. Важна и их геометрия: трубка чрезвычайно тонкая, но относительно длинная. Такое соотношение длины и диаметра называется аспектным отношением.
Именно оно позволяет нанотрубкам образовывать внутри другого материала длинную проводящую и укрепляющую сеть. Представить это можно как клубок очень тонких, но прочных нитей, который пронизывает полимер, резину или покрытие. Иногда достаточно долей процента такой добавки, чтобы материал начал отводить статический заряд, лучше сопротивлялся разрыву или приобрел нужные электрохимические свойства.
«Углеродные нанотрубки обладают удивительными свойствами: это высокая электропроводность, сопоставимая по весу с электропроводностью металлов, большая теплопроводность и высокая прочность», – отметил старший научный сотрудник Института катализа СО РАН Владимир Кузнецов.
По его словам, важное преимущество нанотрубок связано и с их способностью связывать материал по всему объему. «За счет большой длины этих очень тонких образований появляется очень много различных приложений», – пояснил он.
Однако путь от уникальных свойств отдельной нанотрубки до готового промышленного изделия непрост. Нанотрубки склонны собираться в плотные пучки и агломераты. Если они распределены в пластике, резине или жидкости неравномерно, материал может потерять часть полезных характеристик. Поэтому ключевая задача разработчиков – не только синтезировать нанотрубки, но и научиться правильно вводить их в конкретную основу, не разрушая структуру и не усложняя производство.
На круглом столе Квашнин обозначил три главных направления работ Центра НТИ: полимерные материалы, композиты и покрытия; эластомеры и резинотехнические изделия; электрохимия. Все они объединены общей логикой: нанотрубки не заменяют основной материал, а работают как функциональная добавка, которая позволяет целенаправленно изменить его свойства.
«Потребителей интересуют уже конкретные приложения. У нас в Центре новых функциональных материалов выделено три крупных направления – полимерные материалы, композиты и покрытия, эластомеры и резинотехнические изделия, а также электрохимия», – подчеркнул Квашнин.
Одной из разработок НГУ стал электропроводящий полимерный материал для хранения и транспортировки взрывоопасных веществ. Обычный полиэтилен удобен, дешев и устойчив к химическим воздействиям, поэтому из него делают канистры, контейнеры, трубы и другую промышленную тару. Но у него есть опасное свойство: полиэтилен не проводит электричество и может накапливать статический заряд.
В обычной жизни статическое электричество чаще всего напоминает о себе легким ударом при прикосновении к дверной ручке. Но на нефтехимическом предприятии, в угольной промышленности или на объекте, где присутствуют пары горючих жидкостей и взрывоопасная пыль, даже маленькая искра может стать источником возгорания.
Разработчики Центра НТИ НГУ предложили добавлять в полимер небольшое количество многостенных нанотрубок – от 0,05 до 0,5%. При равномерном распределении этого объема достаточно, чтобы материал начал эффективно рассеивать электрический заряд. При этом сам полиэтилен сохраняет свои базовые преимущества – прочность, технологичность и химическую стойкость.
Испытания показали, что полученные изделия соответствуют требованиям ГОСТов по электростатической безопасности. Важно, что речь идет не о полном отказе от полимерной тары, а о ее модернизации: знакомый материал получает новое свойство, которое делает его безопаснее в опасных производствах.
Такие разработки могут пригодиться и за пределами промышленности. Антистатические поверхности меньше притягивают пыль, что важно для бытовых приборов, мебели, оборудования и помещений с высокими требованиями к чистоте. Однако для широкого внедрения технологии необходимы не только технические результаты. Действующие стандарты для отдельных категорий опасных веществ по-прежнему ограничивают применение полиэтиленовой тары, а значит, разработчикам предстоит доказывать безопасность решения и проходить нормативные процедуры.
Другое направление связано с силиконовыми резинами. Силиконы используются в медицине, машиностроении, нефтегазовой отрасли и пищевой промышленности. Из них делают прокладки, уплотнители, трубки, конвейерные ленты, защитные покрытия и множество других изделий. Они эластичны, устойчивы к температурным перепадам и химически инертны. Но для ряда задач материалу не хватает электропроводности и стойкости к механическому повреждению.
Проблема в том, что просто смешать силикон с нанотрубками недостаточно. Если добавка распределится плохо, свойства резины могут не улучшиться, а наоборот – материал станет неоднородным и начнет быстрее разрушаться. В НГУ разработали концентрат, в котором нанотрубки предварительно диспергированы, то есть разделены и равномерно распределены в среде.
Такой концентрат можно вводить в обычный технологический процесс производства силиконовой резины без его кардинальной перестройки. Это важный фактор для предприятий: инновационный материал редко доходит до рынка, если для него нужно полностью менять оборудование или всю технологическую цепочку.
По данным разработчиков, добавление нанотрубок позволяет регулировать электропроводность силикона и одновременно улучшать его механические свойства. Модуль упругости и сопротивление раздиру в испытаниях выросли на 25–35%. Проще говоря, материал становится более устойчивым к растяжению и повреждениям, сохраняя способность к деформации.
Для медицины это может означать более чистые и долговечные изделия, меньше притягивающие пыль. Для нефтегазовой и горнодобывающей отраслей – антистатические уплотнения и покрытия, которые уменьшают риск возникновения искры. В будущем подобные концентраты могут превратиться в универсальный инструмент: заказчик будет выбирать, какой именно набор характеристик ему нужен, а производитель – регулировать состав материала.
Одно из самых сложных направлений, которое обсуждалось на круглом столе, связано не с конечным изделием, а с промежуточным продуктом – водной дисперсией нанотрубок. Такая дисперсия представляет собой жидкость, в которой нанотрубки максимально равномерно распределены и не слиплись в крупные комки. Ее используют при производстве литиевых батарей и аккумуляторов, а также антистатических и антикоррозионных покрытий.
Казалось бы, решение очевидно: чем больше нанотрубок удастся добавить в жидкость, тем выгоднее будет перевозка и тем меньше придется использовать разбавленного состава. Но здесь возникает физическое противоречие. Чтобы нанотрубки начали работать эффективно, нужно разрушить их агломераты – плотные скопления частиц. После этого резко растет площадь контакта между нанотрубками и жидкостью, а вместе с ней и вязкость суспензии.
В результате состав может превратиться почти в гель, который трудно перекачивать, смешивать и вводить в готовый материал. Традиционно для разделения агломератов применяют ультразвук. Но в густых средах ультразвуковые волны работают хуже, и задача становится еще сложнее.
Ученые НГУ предложили способ, позволяющий повысить концентрацию нанотрубок в воде, но при этом избежать чрезмерного роста вязкости. Для этого они подобрали комбинацию дисперсантов – химических агентов, которые помогают разделять агломераты и удерживать отдельные нанотрубки в жидкости. Важен не столько сам набор известных компонентов, сколько их совместное, синергетическое действие.
В итоге получается более концентрированная, но технологичная жидкая добавка. Для производителей аккумуляторов это означает возможность эффективнее вводить нанотрубки в электродные материалы. Для предприятий, создающих покрытия, – снижение затрат на перевозку и хранение. Концентрированный водный состав также удобнее и безопаснее с точки зрения логистики, чем большие объемы разбавленных или легковоспламеняющихся жидкостей.
Еще несколько лет назад обсуждать нанотрубки можно было главным образом в контексте фундаментальных исследований и небольших лабораторных партий. Но сегодня главный вопрос меняется: можно ли выпускать материал стабильно, в нужном качестве и в объемах, которые интересны промышленности?
Кузнецов подчеркнул, что для России особенно актуально создание собственного промышленного производства. «Углеродные нанотрубки становятся одним из самых быстро развивающихся видов нанодобавок для очень широкого круга веществ. Но для России актуально создание промышленного производства и разработка различных видов применений», – сказал он.
По оценке, которую привел ученый, мировой выпуск нанотрубок в прошлом году достиг 25 тысяч тонн. Российский рынок пока значительно скромнее, поэтому совместная работа НГУ и Института катализа СО РАН включает не только создание материалов, но и развитие технологии синтеза МУНТ. Институт катализа разрабатывает каталитический способ получения нанотрубок, в том числе пиролиз этилена на катализаторах с наноразмерными металлическими частицами. Такая технология ориентирована на получение чистого материала и последующее масштабирование производства.
Ранее партнеры сообщали о планах создать установку с производительностью десятки тонн нанотрубок в год. В 2026 году в Новосибирске также обсуждался запуск реактора для многостенных нанотрубок мощностью 10 тонн в год; пусконаладочные работы намечались на конец года.
Обсуждение на «Технопроме» показало, что углеродные нанотрубки постепенно перестают быть символом далекого технологического будущего. Они уже становятся частью вполне прикладной повестки: как сделать полимерную тару безопаснее, как продлить срок службы резинотехнических изделий, как улучшить аккумуляторы и покрытия, как сократить расходы на логистику и уменьшить потребление материалов.
Нанотрубки настолько малы, что их невозможно увидеть без специальной техники. Но эффект от них может быть вполне заметным: менее пыльная поверхность, более прочная резина, безопасная тара, долговечное покрытие или аккумулятор, способный эффективнее хранить энергию.
Сергей Исаев
Фото – пресс-служба Новосибирского государственного университета
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии