Профессор Евгений Гордон из Института проблем химической физики РАН в Черноголовке рассказал об уникальной методике производства сверхчистых и сверхтонких нанопроводов в жидком гелии, созданной в его лаборатории, и объяснил, почему такие технологии не коммерциализируются в России.
Гелий является одним из самых необычных элементов в природе. В отличие от большинства других веществ, его фактически невозможно превратить в твердую материю, не прикладывая давления, а в жидком состоянии он образует две формы с совершенно разными свойствами – "обычный" жидкий гелий, который используют для охлаждения спутников в космосе, и сверхтекучий гелий-II.
Гелий-II, как рассказывает Гордон, представляет собой не обычную материю, а экзотическую квантовую жидкость – субстанцию, свойства которой определяются квантовыми эффектами, а не классическими законами физики, описывающими поведение жидкости.
К примеру, гелий-II нельзя "вскипятить", его почти невозможно взболтать, он обладает рекордно высокой теплопроводностью и при нахождении внутри сосуда он начнет подниматься по его стенкам из-за того, что данная форма гелия движется по любой поверхности без трения. Кроме того, гелий-II и его аналоги, присутствующие в ядрах нейтронных звезд, являются сверхпроводниками.
Гордон и его коллеги по институту уже много лет изучают физические свойства этой формы гелия, пытаясь понять, как они возникают и почему иногда предсказания теории, касающиеся движения гелия и его теплопроводности, не соответствуют результатам экспериментов с реальным материалом.
К примеру, ученых интересовало то, почему жидкий гелий не всегда остается на месте, когда сосуд с ним вращают, как то предсказывает теория.
Причиной этого, как считают сегодня физики, является то, что внутри сверхжидкого гелия возникают своеобразные квантовые вихри, заставляющие атомы гелия двигаться при вращении сосуда.
Толщина "ножки" этих вихрей, как показывают расчеты, проделанные еще Ричардом Фейманом, должна быть меньше, чем диаметр атома, и это утверждение давно является предметом жесточайших споров среди ученых. Пытаясь понять, как они устроены, российские ученые совершили неожиданноеоткрытие.
"Изучая эти вихри, мы случайно открыли способ изготовления сверхчистых и длинных нанопроводов из фактически любого материала, в котором всю работу за нас исполняет природа. Когда мы поместили в каплю жидкого гелия фрагмент металла и нагрели его при помощи лазера, мы обнаружили, что в этих вихрях начали формироваться нанонити из этого металла толщиной в несколько нанометров",
— рассказывает Гордон.
Подобное открытие было совершенной неожиданностью для физиков – расчеты показывали, что такой процесс должен был вести к формированию фрактальных наночастиц, но не одномерных и сверхтонких нитей. Однако результаты опытов говорили об обратном – при долгой работе лазера нанонитей в ванне с гелием стало так много, вспоминает ученый, что их можно было увидеть невооруженным глазом.
Продолжая эти эксперименты, физики из Черноголовки получили 30 типов нанопроводов из разных типов металлов, что является мировым рекордом, как утверждает Гордон. По его мнению, его лаборатория может легко стать лидером в производстве нанопроводов и изучении их свойств.
Диаметр этих нанонитей и их длина, как объясняет ученый, будут определяться двумя вещами – размерами атомов, из которых они сложены и свойствами этих "квантовых воронок", внутри которых они образуются. Воронки, как объясняет Гордон, будет играть роль своеобразного "катализатора" реакции, способствуя формированию нанопроводов.
Эти нити возникают благодаря крайне необычному свойству сверхжидкого гелия, о котором никто раньше не подозревал до опытов ученых из Черноголовки. Оказалось, что при нагреве достаточно крупных частиц металла "супер-гелий" превращается из самого теплопроводного вещества в почти идеальный изолятор, не пропускающий тепло наружу.
Благодаря этому, как отмечает физик, его команде удалось создать нанопровода из 30 разных видов металлов, в том числе вольфрама, самого тугоплавкого элемента Вселенной, который нагревается внутри жидкого гелия до температуры примерно в 6700 градусов Кельвина фактически мгновенно, если осветить его лазером.
По словам Гордона, изначально им никто не поверил — никто не ожидал, что тугоплавкие металлы будут плавиться внутри столь холодной среды и при этом не разрушать ее. Только когда российские физики представили очень точные замеры температуры внутри капли "супер-гелия", полученные при помощи "световых" термометров и показали, что метал действительно расширяется, как при их плавке, другие ученые убедились в том, что методика Гордона действительно работает.
Нанопровода такой толщины и чистоты, как отмечает физик, обладают целым рядом экзотических свойств – к примеру, они часто бывают нестабильными при комнатной температуре и разрушаются без внешнего вмешательства за достаточно быстрое время, от нескольких часов до нескольких месяцев.
Как полагают ученые, это происходит по той причине, что такие провода ведут себя, как жидкость, и постепенно распадаются на капли, если эти нити обладают достаточно небольшой толщиной. Кроме того, они обладают интересными электрическими свойствами, похожими на сверхпроводниковые, а также необычно сильно ускоряют химические реакции даже в самых небольших количествах.
Подобные катализаторы, как считает Гордон, могут осуществить революцию в химии, так как многие вещества – к примеру, золото – являются инертными в "обычном" виде и становятся крайне активными при превращении в нанонити и наночастицы.
Помимо "чистых" металлов, подобную же методику можно использовать для получения одномерных структур из сплавов и других материалов. К примеру, Гордон и его коллеги попытались изготовить "провода" из углерода, однако это не получилось сделать из-за того, что испарение углерода требует еще более высоких температур.
— Заинтересовались ли вашей разработкой в "Роснано" или других корпорациях, занимающихся нанотехнологиями?
— Пока нет, мы не было никаких идей по коммерциализации наших идей. Единственное, что меня спрашивают коллеги из других стран, и я с ними делюсь информацией.
— Зачастую получается, что российские разработки патентуются за рубежом и становятся чужими технологиями, думали ли вы о получении патентов на данную методику выращивания нанонитей?
— К сожалению, наша жизнь такая, что если я сделаю это, то я не смогу получать гранты. Сегодня я могу получить достаточно большие гранты от Российского научного фонда только в том случае, если я буду публиковать все, что мы открываем. Представьте себе ситуацию – как только я начинаю говорить о возможных патентах, кто-то начнет говорить о возможности спонсирования наших исследований и поможет нам коммерциалиализоваться, но такого, к сожалению, нет.
Это, скорее, проблема даже не в сфере законов, которые регулируют эту сферу, а в текущей практике. Не будет инновация, если за исследования не будут платить. Никто мне за красивые глаза и знание физики не платит, и все существующие гранты предусматривают публикацию четырех статей в год, и времени на коммерцию не остается. Выход здесь найти сложно. Мы с удовольствием выслушали бы идеи, которые пом огли бы нам решить эту проблему.
— Можно ли подобным образом изготовлять только структуры из атомов, или можно использовать данную методику для "склеивания" полимерных нитей и других сложных молекул?
— Почему, в принципе это возможно, и я хотел заниматься полимерами. Хитрость состоит в том, что полимеры гораздо сложнее увидеть, чем нанонити из металлов. Металлы легко увидеть в электронный микроскоп, а полимеры заметить гораздо сложнее. Вполне возможно, что такие нити будут обладать интересными свойствами, но их нужно сначала увидеть, чтобы начать изучать их свойства.
— Пригодится ли данная методика для изготовления поверхностных сверхпроводников?
— Мы пока этого не делали, но идея, безусловно, интересная.
— Существуют и иные методики изготовления нанонитей, чем они хуже, чем ваша методика?
— Почему наша технология важна? Существует три типа нанообъектов – безразмерные наночастицы-точки, одномерные нанонити и двумерные пленки. Наночастицы и нанопленки уже научились изготовлять универсальным способом, однако для нанонитей такой методики до нашего открытия не было известно.
Наша методика позволяет изготовлять их очень чисто, абсолютно свободными от любых примесей. К примеру, бактерии, способные формировать нанонити, могут делать их только из наночастиц золота, а серебро они отказываются "есть", причем такие нити нужно очищать от следов микробов. Придется подбирать бактерии под каждый тип металла.