Открытие научно-технологического комплекса по разработке конструкционных наноматериалов в ФГУП ЦНИИ км «Прометей»

ИННОВАЦИИ № 6 (116), 2008

Открытие научно-технологического комплекса по разработке конструкционных наноматериалов в ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей»

16 апреля 2008 года в ФГУП Центральном научно-исследовательском институте конструкционных материалов «Прометей» состоялось открытие научно-технологического комплекса по разработке конструкционных наноматериалов. В открытии комплекса участвовали министр образования и науки

A. А. Фурсенко, председатель Президиума СПбНЦ РАН Ж. И. Алферов, вице-губернатор Санкт-Петербурга М. Э. Осеевский, председатель Комитета по науке и высшей школе Правительства Санкт-Петербурга А. Д. Викторов, руководитель НПО «Энергия»

B. А. Лопота, первый заместитель директора РНЦ «Курчатовский институт» О. С. Нарайкин, директора научно-исследовательских институтов, ректоры вузов, представители промышленных компаний и организаций инновационной инфраструктуры.

Это событие было приурочено к совместному заседанию Научно-технического совета при Правительстве Санкт-Петербурга, Президиума Санкт-Петербургского научного центра РАН и научно-технического совета ЦНИИ КМ «Прометей». Заседание отрыл директор ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей», академик РАН Игорь Васильевич Горынин, который рассказал об опыте реализации инновационных проектов в области нанотехнологий и наноматериалов, в частности, в области создания конструкционных материалов.

За 70 лет работы института был создан целый ряд конструкционных материалов, как для гражданской, так и для оборонной техники. В последние годы проводятся работы по наноструктурированным матери-

алам, создаются специальные лаборатории и центры. Уже сегодня институт имеет лаборатории с современным оборудованием, что дает возможность квалифицированно диагностировать наностостояние, оценивать варианты получения наноструктурированных материалов.

Выступавший в своем докладе рассказал о работе трех лабораторий, которые созданы при институте, а также о результатах реализации проекта «Металл», который выполнялся в сотрудничестве с Череповецким металлургическим комбинатом ОАО «Северсталь». Были созданы хладостойкие стали, которые оказались востребованы промышленностью благодаря весьма привлекательному для потребителя комплексу свойств: высокой прочности, пластичности, высокой вязкости и технологичности.

Также Игорь Васильевич рассказал о реализации инновационного проекта государственного значения «Магистраль», в результате которого была разработана технология производства труб с повышенными характеристиками для экстремальных условий эксплуатации. Неуклонно растут объемы реализации промышленной продукции, созданной в рамках реализации двух инновационных проектов государственного значения. На сегодняшний день компания «Северсталь» продала металлопродукции новых марок, созданных в результате реализации этих проектов на 6 млрд руб., после 2007 года этот объем достигнет 8 млрд, а затем и 10 млрд руб.

ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» имеет все предпосылки для внедрения и реализации технологии

получения наноструктурированных материалов, что обеспечит прорыв в повышении потребительских свойств материалов и конструкций, заключил выступавший.

Президент Санкт-Петербургского научного центра РАН, академик Жорес Иванович Алферов (на фото) в своем выступлении коснулся программы фундаментальных исследований, которая была представлена на общем собрании Российской академии наук 19 декабря 2007 года. Одним из важнейших в программе, по мнению докладчика, является раздел «Физические основы технологии квантовых наноструктур». В области физики твердого тела, физики конденсированного состояния, исследования наноструктур и квантоворазмерных эффектов вышли, прежде всего, из исследований полупроводниковых гетероструктур. Очень многие исследования в данной области начинались в Физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе.

Сегодня одна из важнейших задач, по мнению докладчика, — это разработка новейших физических основ технологии наноструктур. Развитие микроэлектроники во второй половине XX века привело не только к огромному изменению в науке, технологии, в научно-техническом прогрессе, развитии микроэлектроники, но и привело к огромному изменению социальной структуры общества, к совершенно другому уровню цивилизации. Все это произошло благодаря нескольким очень крупным открытиям. Это, прежде всего, открытие транзистора, это открытие кремниевых интегральных схем и полупроводниковых гетероструктур. Сегодня развитие микроэлектроники в целом основано на двух столпах: гетероструктурах и кремниевых интегральных схемах. Те страны, которые занимают передовые позиции в этой области, будут определять в будущем не только научно-технический и научно-технологический, но и социальный прогресс.

Применение наногетероструктур в лазерной технике уже привело к кардинальному изменению ситуации в целом. И в будущем, по прогнозу очень многих компаний, именно полупроводниковые лазеры на гетероструктурах станут практически основным типом лазера для самых разнообразных применений. Гетероструктуры перспективны для создания принципиально новых детекторов инфракрасного излуче-

ния в относительно далекой инфракрасной области. Возможно их применение в СВЧ-технике, что принципиально меняет систему радиолокации, а также авиацию и многие военные применения.

С использованием современных нанотехнологий связано и создание солнечных фотоприемников, КПД которых может составить до 50% (теоретически КПД таких многокомпонентных гетероструктур составляет 87%). Существуют оценки, что развитие фотоволь-таической технологии на основе наноструктур приведет к 2050 году к производству 69% энергии США за счет фотовольтаики. А к 2100 год планируется практически полностью покрыть энергетические потребности страны. Эти технологии могут полностью изменить ситуацию в энергетики.

По мнению Ж. И. Алферова, наноматериалы — это та область, где используются все современные достижения современной физики и современной химии. Ее основой являются различные типы наноматериалов: объемные трехмерные, двумерные наноматериалы, одномерные, нульмерные, нанопорошки, нанокристаллы.

Жорес Иванович подчеркнул, что вложение средств в развитие нанотехнологий — это самое выгодное экономическое вложение средств в развитие фундаментальных исследований. Очень важным он считает создание крупных междисциплинарных федеральных научно-образовательных центров и поддержку научно-образовательных центров, ведущих вузов в области нанотехнологий и их совместной работы с промышленными и академическими исследовательскими организациями.

По мнению докладчика, сегодня очень важная компонента образования в области нанотехнологии — это принципиально другая постановка аспирантского образования, переход на четырехгодичную аспирантуру. Во всех областях науки, а особенно в нанотехнологиях, учеба в аспирантуре должна заключаться не только в исследовательской работе в чистом виде, но и в обучении.

Именно для этой цели был создан уникальный Физико-технологический научно-образовательный центр в Санкт-Петербурге. Сегодня это комплекс, который включает и центр, и академический университет, и физико-технический факультет Политехнического института.

ИННОВАЦИИ № 6 (116), 2008

ИННОВАЦИИ № 6 (116), 2008

Есть надежда, что этот центр станет одним из федеральных научно-образовательных центров в области нанотехнологии. Санкт-Петербургский научный центр РАН, Санкт-Петербургский политехнический университет и Научно-образовательный технологический центр подписали соглашение о создании консорциума для реализации этой программы.

Доклад директора НИИ кардиологии Евгения Владимировича Шляхто был посвящен разработкам в наномедицине. Наномедицина — это область медицинской науки, которая, в основном, использует достижения, имеющиеся в нанотехнологиях. Современные биологические микрочипы — это одна из наиболее интересных и широко используемых областей наномедицины, которая тесно связана с медициной и с техникой. С момента своего создания в 1993 г. биологические чипы приобрели огромное значение в области диагностики, медицины и биологии. В наши дни биологические микрочипы применяются для скрининга биологически активных образцов, для диагностики заболеваний, для исследования патологических состояний, для того, чтобы сформировать группы риска, наблюдать и прогнозировать течение тех или иных заболеваний. В основном, это диагностика. Сегодня появляется возможность применения наночастиц, которые позволяют усилить сигнал с микрочипа и без предварительных процедур быстрее ставить диагноз.

Евгений Владимирович отметил, что институтом в этом направлении сегодня реализуется проект разработки тест-системы на основе биологических микрочипов для молекулярно-генетической диагностики сердечно-сосудистых, эндокринных и гематологических заболеваний и определения факторов кризиса их развития. Соисполнителями выступают Санкт-Петербургский медицинский университет им. академика И. П. Павлова и Институт акушерства и гинекологии им. Д. О. Отта РАМН.

Следующее направление, о котором рассказал докладчик, — это доставка лекарственных веществ. Одна из важнейших проблем современной медицины — это трансплантация органов и тканей, в частности, трансплантация костного мозга у пациентов с онкогематологическими заболеваниями. Большая проблема — это проведение такого режима трансплантации, когда в трансплантате отсутствуют опухолевые клетки. В последние годы для того, чтобы убрать опухолевые клетки трансплантата, используется новый подход, когда на основе нанотехнологий создаются золотые наночастицы, которые соединяются вместе с антителами и фиксируются на клеточной поверхности в опухолевых клетках. Данная золотая частица проникает внутрь опухолевой клетки, образуются кластеры и дальше их возможно модифицировать внешним излучением. Облучение крови лазером приводит к тому, что в золотых частицах образуются микропузырьки, золотые частицы разрушаются, что приводит к гибели опухолевых клеток.

Еще одно направление — трансплантация органов и тканей. Это важнейшее направление, которое сейчас развивается во всем мире. Здесь также имеется определенный задел. Нет необходимости говорить

о важности решения этой проблемы для пациентов, у которых есть повреждения сосудов сердца и нижних конечностей, особенно пациентов с сахарным диабетом, когда многие из них подвергаются ампутации нижних конечностей. Проблема эта и экономически и социально очень значима. Решение в том, чтобы попытаться стимулировать антиогенез, вызывать образование новых сосудов. Уже есть ряд экспериментальных результатов. В этом направлении реализуется проект «Усиление ангиогенеза нижних конечностей путем направленной доставки генетического материала в ишемизированные зоны при облитери-рующем заболевании сосудов нижних конечностей». Это совместный международный проект ряда центров Петербурга и Хьюстона (США). Сегодня имеется ряд экспериментальных данных в этом направлении, и по окончании экспериментальных исследований предполагается создать пилотный проект лечения больных с критической ишемией нижних конечностей, где геометрическая конструкция в наночастице будет доставляться в ишемизированную нижнюю конечность.

Следующее направление — создание лекарственных веществ. Сегодня с СПбГУ ведутся исследования по созданию полимерных наноматериалов с ан-тиоксидантной активностью, где синтезируется антиоксидант, который соединен с высокомолекулярными полимерами. Данная конструкция сегодня используется в эксперименте для предотвращения последствий ишемии и геморрагического кровотечения. Просто возмещение кровопотери не приводит к повышению артериального давления, а замещение кро-вопотери с плазмозаменителем — полимерными антиоксидантами приводит к восстановлению уровня артериального давления. Более того, это приводит к тому, что предварительное введение полимерных антиоксидантов на основе нанотехнологий, увеличивает выживаемость с 8 до 52%.

Далее выступающий рассмотрел вопрос, касающийся наноматериалов. Это очень важные для экономики страны материалы. В связи с реализацией национального проекта «Образование», увеличением числа пациентов, нуждающихся в высокотехнологичной медицинской помощи, увеличивается количество имплантируемых устройств и стентов. Проблема, которая связана со стентированием, — это тромбоз как металлизированных, без лекарственных покрытий, стентов, так и стентов с лекарственным покрытием.

Поэтому сегодня вместе с Институтом робототехники и технической кибернетики предлагается модификация технологии изготовления коронарных стентов с целью обеспечения направленной доставки лекарственных препаратов. Поверхность металлического ребра стента специальным образом модифицируется, образуются микрорезурвуары, в которые помещаются наночастицы — углероды с депорином и другими лекарственными препаратами, которые позволяют уменьшить вероятность тромбоза.

В заключение своего выступления Е. В. Шляхто обратил внимание на проблему контактов с техниками, химиками, физиками, математиками. Для созда-

ния опережающего развития наномедицины нужна организация взаимодействия всех специалистов. Он выразил пожелание, чтобы на примере нашего города было показано тесное взаимодействие медиков, биологов и техников, и чтобы, действительно, наномедицина была достойно представлена в тех проектах, которые реализуются сегодня государством. Есть оборудование, прекрасные кадры, поэтому можно реализовать все, что задумано.

Проректор по научной работе СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Владимир Петрович Афанасьев в своем докладе проанализировал ситуацию в вузах Санкт-Петербурга в области нанотехнологических исследований. Оказалось, что в Санкт-Петербурге 21 вуз проводит работы в области нанотехнологий в той или иной степени. Вуз имеет определенные конкурентные преимущества по сравнению с другими организациями. Это связано с тем, что нанотехнологии междисциплинарны, то же относится и к большинству вузов. К преимуществам относятся и достаточно высокий научный потенциал вузов, а также то, что в вузах есть молодежь, которая сегодня является основным фактором будущего развития в области нанотехнологий.

Далее докладчик выделил основные функции вузов. К ним относятся: интеграция научно-образовательной деятельности, проведение фундаментальных и прикладных исследований, обеспечение взаимодействия с академическим сектором науки и разработка программ обучения.

Существенное изменение ситуации с точки зрения положения технологической базы в отрасли связано с тем, что ряд ведущих вузов Санкт-Петербурга оказались победителями конкурса образования, получили соответствующие средства в рамках инновационного образовательного проекта, что позволило уже в прошлом и позапрошлом годах вложить определенные средства в создание базы нанотехнологий. Сегодня можно говорить о том, что федеральная целевая программа развития инфраструктуры наноиндустрии в РФ тоже позволяет рассчитывать на существенное улучшение ситуации по этому направлению. Пять вузов Санкт-Петербурга получили финансирование в рамках этой программы, причем СПбГУ получил финансирование еще в прошлом году, и сегодня создание научно-образовательного центра по направлению «Нанотехнологии» в данном университете находится на стадии завершения. Эта ситуация оказалась благоприятной для университета еще по той причине, что в нем представлено несколько направлений развития нанотехнологий.

Докладчик обратил внимание на то, что специализации, по которым проводятся работы, в разных университетах существенно отличаются. Получается так, что сегодня в петербургских вузах складывается достаточно удачная ситуация, когда можно закрыть широкий спектр направлений по нанотехнологиям, если обеспечить соответствующую интеграцию и взаимосвязь действий между различными вузами. Из этого вытекает требование координации работ в научно-образовательных центрах по выполнению исследований в области наноматериалов и нанотех-

нологий. Что чрезвычайно важно, поскольку научнообразовательные центры — это центры, призванные обеспечить подготовку кадров. Необходимо формирование на базе пяти инновационных университетов недорогой, унифицированной, экспериментальной базы, создание оперативно обновляемых информационных фондов и, соответственно, координация работы секторов образовательных технологий научнообразовательных центров. Это те направления, которые сегодня реально можно реализовать, если активно пойти по пути кооперации.

Еще один принципиально-важный аспект, на который обратил внимание В. П. Афанасьев — это подготовка и переподготовка кадров по направлению «Нанотехнологии». В настоящее время в Санкт-Петербурге проводится подготовка специалистов для наноиндустрии в каждом вузе по разным программам. На сегодняшний день в Санкт-Петербурге в области нанотехнологий и наноматериалов проводится лицензированная подготовка по 14 направлениям и более чем по 30 магистерским специальностям. Сегодня 7 вузов успешно развивают партнерские связи с научными центрами за рубежом в области нанотехнологий. Соответственно, потенциал вузов позволяет реализовать подготовку кадров для региона в области наноматериалов и нанотехнологий и наноиндустрии в целом.

В завершение своего выступления В. П. Афанасьев предложил создать гармонизированную сеть научных центров, обеспечивающих подготовку кадров в области нанотехнологий, в первую очередь, базируясь на базе пяти научно-образовательных центрах и создать информационно-аналитический центр для их информационно-методического обеспечения, а также включить в программу подготовки и переподготовки кадров предприятий и организаций Санкт-Петербурга позицию, связанную с подготовкой кадров в области нанотехнологий и наноматериалов.

В своем выступлении технический директор и главный инженер Череповецкого металлургического комбината ОАО «Северсталь» А. Н. Луценко затронул практические аспекты внедрения нанострук-турированных материалов в промышленное производство. ОАО «Северсталь» осознает важность этого направления, занимает активную позицию во вза-

ИННОВАЦИИ № 6 (116), 2008

ИННОВАЦИИ № 6 (116), 2008

имодействии с головными отраслевыми институтами.

Размер зерен электротехнических динамных сталей составляет от 60 до 125 микрон, автомобильных — от 20 до 44 микрон, размер зерен трубных сталей составляет уже от 1 до 10 микрон. Есть предпосылки для создания стали с субмикронной структурой и некоторых сталей, где размер зерна уже составляет менее 0,5 микрон и наностали с размером зерна менее 100 нанометров.

Основными типами конструкционных материалов, обеспечивающих оптимальное сочетание, продолжают оставаться металлические материалы и сплавы. В общем объеме конструкционных материалов они составляют порядка 90 процентов.

Ключевыми продуктами для Череповецкого металлургического комбината являются метизы, трубные стали, конструкционные легированные стали и ряд других. Выявлены новые потребительские предпочтения по коррозионной стойкости, конструкционной надежности. В качестве перспективы рассматривается разработка технологии производства стали с матричной структурой в субмикро- и нанодиапазоне.

Структурными параметрами материалов, требующих изменения для создания наноструктур, являются размеры и формы зерен, кулонов решетчатой дислокации, дефекты на границе зерен, кристаллографическая структура, неоднородность инфраструктуры, изменения фазового состава. Основными методами для регулирования параметров являются легирование химического состава интенсивной пластической деформацией (ИПД), изменение химического состава и термомеханическая обработка стали. ИПД сталей приводит к измельчению зерен вплоть до наноуровня, изменению фазового состава.

Другим инструментом для создания нанострук-турированного материала является вариации химического состава стали и термомеханическая обработка. Выступавший рассказал о практических результатах, когда варьирование химсостава и термомеханическая обработка позволяют получать различные структуры. Марка Х-80 на сегодняшний день освоена. В апреле 2008 года прошли испытания трубы из стали марки Х-80 на Урале. Результаты испытаний показали ее хорошие характеристики.

Новая технология производства метизов с применением наноструктурирования, позволяет сократить количество технологических операций и при этом перейти на простые, более дешевые марки стали, сохраняя и улучшая комплексно-механические характеристики метизов.

Обобщая информацию по программе «Основные направления работ по нанотехнологиям», докладчик отметил, что в настоящий момент «Северсталью» рассматривается 35 предложений по разработке и освоению нанотехнологий, общая сумма финансировании предложений составляет несколько миллиардов рублей. Практически все головные отраслевые структуры представили на рассмотрение свои предложения по реализации этой тематики.

В настоящее время планируется провести аналитический анализ по перспективам использования нанотехнологий в металлургии в России и за рубежом, ознакомиться с опытом работы по нанотехнологиям в России и в мире, сформировать концепцию работ по нанотехнологии, проработать требования к технологическому оборудованию, в том числе с использованием оборудования существующих центров коллективного пользования. Далее планируется приступить к практической реализации отобранных предложений. Выступавший отметил, что опыт совместной работы с научно-исследовательскими организациями по реализации инновационных проектов государственного значения придают уверенность в успешной работе в области разработки наноматериалов и нанотехнологий в металлургии.

Первый заместитель директора РНЦ «Курчатовский институт» Олег Степанович Нарайкин (на фото) в своем докладе коснулся организационных проблем. Он отметил, что организационная управленческая структура в РФ на сегодняшний день в области нанотехнологий в значительной степени сформирована и находится на достаточно высоком уровне, примерно соответствующем уровню США.

Президентская стратегия развития наноиндустрии определяет национальные цели в этой области. Сформирован правительственный совет по нанотехнологиям, основной функцией которого, является мониторинг программы работ, а в необходимых случаях и коррекция путей достижения стратегических целей, определенных президентской инициативой.

Для того чтобы эффективно осуществлять эти функции, при Правительстве РФ созданы три рабочие группы, одна из них — по стратегии развития наноиндустрии, другая — по законодательному регулированию, и третья — по новой продукции, по связям с бизнес-сообществом и с промышленностью. Еще одним важнейшим элементом является, госкорпорация «Роснанотех» как специализированный финансовый инструмент, который призван обеспечить необходимые условия для достижения стратегических целей.

По уровню бюджетного финансирования нанотехнологий Российская Федерация осуществляет финансирование в объемах, сопоставимых с объемами финансирования, которое осуществляет правительство США на аналогичные задачи.

Уже сейчас на рынке существует достаточно широкий спектр продукции нанотехнологий, которая реализуется. Таким образом, нанопроекты в некоторой своей части, являются самоокупаемыми. Второй сегмент программы — сегмент продукции, которая сейчас находится на выходе или которая будет на рынке через 3-5 лет. Это сфера действия федеральных целевых программ, т. е. уже научно-техническая сфера, сфера, где сейчас все планируется на среднесрочную перспективу.

Третий сегмент — сегмент перспективных исследований. Это та часть разработок, которые определяют новую технологическую базу экономики основанной на знаниях. Это, прежде всего, фундаментальные исследования или фундаментально-ориентированные исследования.

Выступавший констатировал, что Российская Федерация на сегодняшний день не утратила возможности и потенциала по производству сложной высокотехнологичной техники для нанодиагностики, нового технологического оборудования, являющегося в некоторой степени прообразом средств производства по нанотехнологиям.

Проблема, по мнению докладчика, состоит в критически устаревшей инфраструктуре и системе организации работы. Сложившаяся на сегодняшний день система управления и существующая законодательная база едва ли способствуют решению этой проблемы.

Деятельность в сфере нанотехнологий в силу ее многоаспектности, многофункциональности, междисциплинарности требует очень высокой координации работ и формирование такой структуры, которая бы обеспечила синергический эффект. Поэтому оптимальным является формирование в стране сетевой структуры. Такая структура национальной нанотехнологической сети уже формируется. Те организации, которые сейчас фигурируют в программе создания инфраструктуры наноиндустрии, уже являются узлами сети. Национальная нанотехнологическая сеть вновь введена и детализирована в программе координации работ и президентской инициативе по

стратегии развития наноиндустрии. По результатам конкурса, проведенного Министерством образования и науки, определены главные научные организации нанотехнологической сети. Это Российский научный центр «Курчатовский институт», на который возлагается научно-методическая координация исследований и разработок, комплексная научно-технологическая экспертиза, научно-методическое сопровождение проектов международного научно-технического сотрудничества и вопросы подготовки кадров.

По данным национальной нантехнологической инициативы, в США на 2008 год, $1400 млн выделено бюджетом, столько же, даже немного больше, выделяет бизнес. У нас же на сегодняшний день такого бизнеса нет. Государство должно взять на себя эту функцию, заменить отсутствующий сегмент. ГК «Роснанотех» — это, прежде всего, финансовый инструмент такого рода. Основная его функция — финансировать проекты, имеющие серьезное коммерческое значение. Но это не значит, что другие проекты не могут финансироваться. Например могут финансироваться проекты по прорывным направлениям.

Докладчик отметил, что начато формирование координационного научно-технического совета национальной нанотехнологической сети, в которую войдут представители всех участников сети, т. е. и региональных, и отраслевых организаций, научнообразовательных центров. К осени уже будут известны и состав координационного научно-технического совета, и рабочие группы, которые будут осуществлять всю практическую деятельность по координации исследований и разработок по коммерциализации.

Законодательная база, существующая в данной области, не только не помогает, а препятствует реализации полного инновационного цикла, от идеи до конечного продукта. В этой связи очень важным представляется участие координационного совета и национальной нанотехнологической сети в целом в подготовке предложений для внесения изменений в действующее законодательство.

В заключение своего выступления докладчик отметил, что при формировании национальной нанотехнологической сети надо постараться избежать традиционных ошибок, которые обычно сводятся к тому, что создается дорогостоящая мощная исследовательская, технологическая инфраструктура, и забывается обо всем остальном. Забывается о социальной инфраструктуре, организационно-экономической, юридической и т. д.

Уже сейчас проходит согласование проект концепции по формированию национальной нанотехнологической сети где предполагается, что сеть будет сформирована на 6 платформах. Это действительно системный подход, данные платформы будут охватывать все сферы деятельности в области нанотехнологий.

ИННОВАЦИИ № 6 (116), 2008