Экономика в двух измерениях

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.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

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.

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.

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.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

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.

Владимир Тесленко, кандидат химических наук