Экономика в двух измерениях

Экономика в двух измерениях

Где и как применяются двумерные материалы

После открытия графена (двухмерной формы углерода) обнаружены более десяти веществ со схожей структурой. Их физико-химические свойства имеют огромный практический потенциал и частично уже используются в композиционных материалах, защитных покрытиях, биомедицинских датчиках, фармацевтике и еще примерно в сорока отраслях.

Графен — двумерная аллотропная модификация углерода, первый среди все шире применяемых 2D-веществ

Фото: Stefano Guidi / Getty Images

Изучение двумерных (2D) веществ позволило открыть много важных и неожиданных явлений, а всеобщий интерес к таким системам подтверждается присуждением двух Нобелевских премий за последнее десятилетие: в 2010 году Гейму и Новоселову за открытие графена и в 2016 году Костерлицу и Таулесу за теорию топологических фазовых переходов в двумерных веществах (теория Березинского-Костерлица-Таулеса).

Кто пришел за графеном

Среди 2D-веществ вторым по популярности после графена является борофен — двумерный кристалл, состоящий только из атомов бора. Атомная структура борофенов состоит из треугольных и шестиугольных ячеек. В некоторых конфигурациях борофен прочнее графена.

Третья группа двухмерных веществ — дихалькогениды переходных металлов, например MoS2 и WS2.

Кроме того, монохалькогениды металлов группы IIIА (группы 13 по современной классификации), такие как GaSe, GaTe и InSe, привлекают внимание в качестве исходных материалов для двумерных структур, которые демонстрируют уникальные оптические и электронные свойства, перспективные для применений в наноэлектронике (полевые транзисторы), фотовольтаике, сенсорике и нелинейной оптике.

В-пятых, слоистые полупроводники II–VI групп (например Ga2O3) исследуются из-за возможности их получения в виде 2D-структур, обладающих высокой анизотропией в сочетании с превосходными электрическими, оптическими и механическими свойствами.

Известно также семейство двумерных материалов, состоящих из чередующихся квазиатомных слоев сульфидов переходных металлов (железа-меди, железа и других), и гидроксидов на основе гидроксида магния, связанных за счет электрических зарядов разных знаков, а не ван-дер-ваальсовых сил. Природным аналогом являются минералы группы валлериита (Cu,Fe)S2 n(Mg,Fe)(OH)2 и точилинита FeS n(Mg,Fe)(OH)2.

Наконец, появились, помимо неорганических, еще и органические двумерные кристаллические материалы, двумерные металлорганические структуры, двумерные полимеры/супрамолекулярные вещества.

Двумерные гранты

Портал даёт возможность оценить стоимость НИОКР в области графена и подобных материалов. За пять лет было проведено около 100 открытых торгов. Характерные случаи представлены в таблице.

Характерные открытые закупки НИОКР по 2D-веществам в 2018–2022 годах

| Год | Заказчик | Исполнитель | Тема | Сумма (руб.) |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| 2018 | АО «Концерн «Созвездие» | МГУ | Исследование технических путей создания фотоприемного устройства на основе использования эффекта увлечения носителей фотонами и материалов на основе графена, осуществляющих прием оптического излучения в диапазоне длин волн от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного | 9700000 |
| 2018 | МВТУ им. Н. Э. Баумана | ООО «Антерикс» | Разработка регенерируемого биологического сенсора на основе восстановленного оксида графена для регистрации белковых маркеров социально значимых заболеваний во фракциях крови | 8200000 |
| 2018 | МИФИ | Университет ИТМО | Моделирование оптической генерации носителей заряда в гибридной 2D-структуре «графен-КТ» | 5000000 |
| 2019 | Минпромторг РФ | МГУ | Мониторинг развития и внедрения технологий получения графена, его производных, других 2D-кристаллов и производства изделий на основе 2D-кристаллов | 2000000 |
| 2018 | МГУ | СПбГУ | Исследование кристаллической и электронной структуры чистого и легированного графена | 900000 |
| 2020 | СГТУ им. Гагарина Ю. А. | ФТИ им А. Ф. Иоффе | Проведение исследования структурных параметров структур на основе оксида графена и функционализированных графенов, в том числе модифицированных наночастицами оксидов металлов | 570000 |
| 2022 | Тамбовский ГТУ | ООО «НаноТехЦентр» в лице и. о. гендиректора Рогулиной Оксаны Григорьевны | Разработка методик получения различных форм оксида графена для применения в качестве компонента адсорбентов тяжёлых/редкоземельных металлов и органических веществ, содержащихся в региональных водных объектах сельскохозяйственного назначения | 550000 |
| 2022 | Институт физики молекул и кристаллов УФИЦ РАН | Савин Александр Васильевич | Изучение динамики плоских наночастиц (графеновых чешуек, молекул ацетанилида и их аналогов, содержащих пептидные группы) на плоских подложках, образованных поверхностями кристаллов графита и борнитрида (BN) методами молекулярной динамики | 450000 |
| 2018 | Бурятский госуниверситет | Байкальский институт природопользования СО РАН | Исследование биосовместимости и цитотоксичности по отношению к первичным клеточным культурам 50 композиционных материалов на основе графена и (со)полимеров молочной кислоты | 400000 |
| 2022 | СГТУ им. Гагарина Ю. А. | Рябчинский Максим Константинович | Методы выращивания массивов наночастиц CoOH, NiOH, Co3O4 и Ni3O4 на поверхности аминированного графена, анализу нано- и микроструктуры синтезированных нанокомпозитов | 295043 |
| 2020 | Пермский ФИЦ УрО РАН | Балтийский федеральный университет им. И. Канта | Морфофункциональные характеристики нормальных и патологически измененных иммунокомпетентных клеток в условиях их сокультивирования с наночастицами оксида графена в системе прижизненной визуализации Cell-IQ | 200000 |
| 2019 | ФМБА России | Высотин Максим Александрович | Разработка метода расчета плазмонных резонансов в системах, состоящих из 2D-систем на основе графена и лежащих на его поверхности металлических наночастиц | 140000 |
| 2020 | Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН | Ширинкина Ирина Геннадьевна | Изучение тонкой структуры алюмоматричных композитов с графеном методом высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии | 112580 |

Источник: выборка автора по zakupki.gov.ru за 2018-2022.

Видно, что стоимость НИОКР варьировалась от 0,1 млн до 10 млн руб. Заказчиками часто были физические институты РАН и вузы. Отдельные работы закупали Минпромторг РФ, компании с госучастием и федеральное агентство. Исполнителями выступали вузы и физические институты, а в трети случаев частные лица — специалисты в узких областях, например, Рябчинский Максим Константинович (Москва), гендиректор ООО «Графсенсорс», Терещенко Олег Евгеньевич, доктор физико-математических наук ИФП СО РАН (Новосибирск).

За последнюю пятилетку порядка ста НИОКР выполнено по грантам от Минобрнауки РФ, Российского научного фонда, Российского фонда фундаментальных исследований, Фонда перспективных исследований, Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере и др. Характерные случаи представлены в таблице.

Характерные гранты на НИОКР по 2D-веществам в 2018–2022 годах

| Год | Тема | Донатор | Получатель | Тыс. руб. |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| 2020 | Фундаментальные основы формирования низкоразмерных кристаллов и создание на их основе электронных, опто- и акустоэлектронных наноприборов на новых физических принципах | Минобрнауки | ИПТМ РАН | 100000 |
| 2022 | Графеновый наноуглерод как признак специфичности шунгитовых пород, его гибридных и композиционных материалов | Минобрнауки | ИГ КарНЦ РАН | 27000 |
| 2022 | Разработка биосенсора на пленках графена для детектирования вирусов (в том числе коронавируса, COVID-19) в режиме экспресс-анализа | ФСИ | ООО «НК - Алюминий-Н» | 26000 |
| 2022 | Массивы наноразмерных структур с 2D-, 3D-архитектурой из композитных частиц на основе графена и фторированного графена для гибкой наноэлектроники | РНФ | ИФП СО РАН | 20100 |
| 2022 | Новые многофункциональные двумерные материалы, образованные монослоями сульфидов и гидроксидов металлов: синтез, свойства, перспективы применения | РНФ | КНЦ СО РАН | 20000 |
| 2022 | Новые двумерные материалы на основе неорганических кристаллов с ковалентным типом связи | РНФ | СФУ | 17904 |
| 2022 | Двумерные материалы для устройств микроэлектроники | Минобрнауки | ФТИ им. А. Ф. Иоффе | 17260 |
| 2022 | Применение метода атомно-слоевого осаждения для получения полупроводниковых 2D MoS2 и WS2 слоев на больших площадях | РНФ | МФТИ | 14000 |
| 2022 | Роль межчастичного взаимодействия в сценариях фазовых переходов в двумерных кристаллах: теория и эксперимент | РНФ | ИФВД РАН | 14000 |
| 2018 | Слоистые структуры на основе оксида графена и 2D-карбидов титана: экспериментальное исследование, моделирование и синтез гибридных органо-неорганических структур для оптоэлектроники и сенсорики | РФФИ | МГУ | 12700 |
| 2022 | Разработка научных и технологических основ синтеза функциональных наноструктурированных полупроводниковых материалов на основе халькогенидов галлия для применений в электронике, оптоэлектронике, спинтронике и катализе | РНФ | Нижегородский университет | 10500 |
| 2018 | Разработка генераторов и усилителей поверхностных плазмон-поляритонных волн на основе углеродных наноструктур с токовой накачкой | РФФИ | НПК «Технологический центр» | 10250 |
| 2022 | Оптические свойства III–VI монохалькогенидов переходной толщины и ван-дер-ваальсовых гетероструктур на их основе | РНФ | ФТИ им. А. Ф. Иоффе | 3000 |
| 2022 | Тонкопленочные покрытия со структурой сверхрешетки и ультранизким коэффициентом трения на основе 2D- и квази-2D-материалов | РНФ | МИФИ | 3000 |
| 2016 | Экспериментальное и теоретическое исследование электрохимических и сенсорных свойств модифицированного графена | РФФИ | ИНХ СО РАН | 2520 |
| 2021 | Исследование структуры порошков нанокомпозитов, изготовление опытных образцов наноструктурированных композитов на основе халькогенидов висмута-сурьмы и графена для повышения эффективности работы термоэлектрических модулей | ФСИ | ООО «НН «Технолоджи» | 1500 |
| 2018 | Мембраны и полоски графена и других 2D-материалов: модификация свойств и применения в НЭМС и наносенсорике | РФФИ | ИСАН | 1400 |
| 2019 | Моделирование фазовых переходов и аномальной диффузии в наноструктурированных электродах электрохимических источников тока | РНФ | Ульяновский госуниверситет | 1200 |
| 2020 | Разработка новых сорбционных материалов на основе графена для сорбционного концентрирования и определения летучих органических веществ | РФФИ | МГУ | 1200 |
| 2019 | Использование компьютерного моделирования для анализа физико-механических процессов около нанообъектов в эластомерных материалах и связи этих процессов с макроскопическими свойствами | РФФИ | Пермский ФИЦ УрО РАН | 1000 |
| 2018 | Оптические свойства тонкопленочных волноведущих структур, содержащих слои графена | РФФИ | Ульяновский госуниверситет | 500 |

Примечание: РФФИ — Российский фонд фундаментальных исследований, РНФ — Российский научный фонд, ФСИ — Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (Фонд содействия инновациям).

Источник: выборка автора по rosrid.ru за 2018–2022 годы.

Наибольший грант составил 100 млн руб. Однако надо понимать, что в данном случае получатель привлекал других субподрядчиков: соисполнителем ИПТМ РАН выступил консорциум в составе АО «Научно-исследовательский институт молекулярной электроники» и Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН.

Наименьший грант составил 500 тыс. руб. Средневзвешенный грант «тянул» на 20 млн руб. С учетом того, что заказные НИР стоили в среднем 1,5 млн руб., видятся коммерческие резоны привлекать двух-трех научных субподрядчиков в случае получения научного гранта, особенно от Минобрнауки.

Двумерные широкие и двумерные узкие

Концептуально НИР можно разделить на широкоплановые и узкоспециальные. Примером первого типа является комплекс программ для визуализации потенциального рельефа бислоя графена с повернутыми слоями, разработанный НИЦ «Курчатовский институт» в 2019–2022 годах. На 2022–2024 годы профинансирована работа «Массивы наноразмерных структур с 2D-3D архитектурой из композитных частиц на основе графена и фторированного графена для гибкой наноэлектроники» в Институте физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН (Новосибирск).

Специальные НИР касаются биосенсоров и инфракрасных детекторов, полупроводниковых структур для электроники, мембран и защитных покрытий, композитов с металлическими и керамическими матрицами, специальных сорбентов, электродных материалов для химических источников тока, накопителей энергии и термоэлектрических модулей, особых смазок и др.

Так, Сергей Баскаков, кандидат химических наук, старший научный сотрудник Лаборатории спектроскопии наноматериалов ФИЦ ПХФ и МХ РАН (Черноголовка) рассказал «Ъ-Науке», что при поддержке ЦК НТИ «Цифровое материаловедение» МГТУ им. Н. Э. Баумана сейчас ведутся работы над графеновым аэрогелем, содержащим наночастицы серебра. Его основное потенциальное применение — это очистка питьевой воды от бактериального заражения, в том числе от биопленок, конгломерата бактерий, соединенных между собой внеклеточным матриксом.

В ФТИ им. А. Ф. Иоффе в 2022 году открыта лаборатория «Двумерные материалы для устройств микроэлектроники». Ее работа направлена на масштабируемый синтез производных графена, исследование влияния функционализации на физические свойства материала. Лаборатория должна также определить технологические принципы создания мультисенсорных газоаналитических чипов и хеморезистивных биосенсоров на основе 2D-материалов для диагностики социально значимых вирусных заболеваний.

В Институте металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН группа растворных методов синтеза керамических систем занимается разработкой наноструктурированных композитов на основе графена и оксидов металлов. Речь идет о композитах нового вида, обладающих улучшенными физико-химическими характеристиками, которые необходимы для химической и электронной промышленности, машиностроения, двойных технологий и другого (об этом проинформировала «Ъ-Науку» руководитель темы, кандидат химических наук Елена Трусова).

Небольшую часть НИР составляют, так сказать, резонёрские, антиграфеновые работы, где исследуются сравнительные недостатки 2D-материалов. Например, Национальный медицинский исследовательский центр фтизиопульмонологии и инфекционных заболеваний Министерства здравоохранения РФ за 6 млн руб. выполнил исследование универсальной биологической платформы для упаковки и целевой доставки систем CRISPR/Cas9. Одним из главных препятствий, ограничивающих практическое использование систем генетического редактирования, является отсутствие эффективных методов доставки комплексов Cas-прРНК in vivo. Белки Cas имеют большую молекулярную массу и высокий положительный заряд, что не позволяет упаковывать их с помощью стандартных методов нанотехнологии. Оказалось, что даже наиболее успешные методы доставки с помощью наночастиц графена обеспечивают доставку лишь в 20–30% клеток in vivo, не защищают белки Cas от внешних воздействий и вызывают токсические эффекты in vivo. Альтернативой представляются генетически модифицированные мезенхимальные стромальные клетки человека, продуцирующие экзосомы.

Так выглядит графен — моноатомный слой углерода

Фото: Bloomberg / Getty Images

Расходы — это еще не результат

По оценкам экспертов «Ъ-Науки», в 2010–2022 годах на НИОКР в области двухмерных веществ затрачено в России 5–7 млрд руб., в основном из федерального бюджета. Результаты аккумулированы в форме отчетов, статей, диссертаций, патентов и ноу-хау, а также в виде лабораторного, пилотного, опытно-промышленного и полупромышленного оборудования. Центрами являются Москва и область, Санкт-Петербург, Новосибирск, Тамбов, Екатеринбург и Якутск. Примерно 200 интеллектуальных научных работников являются носителями «двухмерных» компетенций мирового уровня.

Что касается коммерциализации результатов в этой области, то отчасти мы осветили ее в предыдущей статье. Удручает, что мониторинг в январе 2023 года вакансий по графену и вообще двухмерным материалам выявил ноль запросов. Для сравнения: в 3D-печати в модных аддитивных технологиях можно увидеть около 100 вакансий.

Один из экспертов, доктор химических наук, еще в начале года поделилась с нами саркастичной репликой: «Надо обсуждать не потраченные суммы, а именно достигнутые результаты. Задайтесь вопросом, а где все эти выдающиеся устройства — сенсоры, полевые транзисторы, где замечательные адсорбенты? Кто их производит и как они применяются в народном хозяйстве? Каковы вообще перспективы их широкого использования?» И позднее поправилась: «Это не сарказм, это большая боль исследователя, что нет понимания на глобальном уровне, каковы необходимые направления развития и как надо тратить выделяемые средства». Профессор химфака МГУ Георгий Лисичкин подхватил скептическую тему так: «Из многочисленных упомянутых в статье потенциальных направлений применения графеновых материалов надо бы выделить наиболее важные — и уже реализованные в промышленном масштабе. Или мы имеем дело с очередным модным, но не слишком перспективным направлением?»

Действительно, специализированные внедренческие предприятия в этой области, например ООО «Нанотехцентр», ООО «Русграфен», ООО «Графенокс», ООО «Актив-нано», ООО «Граф-СК», ООО «Графсенсорс», ООО «НПО "Графеника"» и другие, показывали в 2018–2022 годах очень скромные финансовые результаты (основную выручку давали эпизодические заказы от исполнителей НИОКР).

Многих потенциальных клиентов, в частности в энергетике (графеновые компоненты литий-ионных аккумуляторов и накопителей энергии; специальные бетоны с графеновыми добавками), отпугивает высокая цена. Цены на дисперсный графен зависят от геометрических размеров чешуек, количества графеновых слоев в наночастицах, химического состава (в частности, содержания кислорода, серы, хлора), физических свойств и составляют 300–500 руб./грамм. Цены на графеновые пленки зависят от их качества и состава подложки. Ориентировочно, руб./кв. см: 250 на медной подложке, 500 на никелевой фольге, 1000 на кварце, 2000 на кремнии.

«Ъ-Наука» будет следить за научными аспектами графеновой индустрии РФ.