Компьютерра - Журнал «Компьютерра» № 30 от 21 августа 2007 года

Вообще катализаторы (вещества, резко ускоряющие ход реакций) – это классическая область химии, которая тесно связана с наночастицами, потому что катализатор должен иметь большую площадь поверхности – хотя бы сотню квадратных метров на грамм! У нас на факультете наук о материалах студенты работают с изопористым диоксидом кремния – там площадь поверхности достигает двух тысяч квадратных метров на грамм.

Здесь, как и вообще в нанотехнологиях, очень важны не просто наночастицы, а наноструктурированные материалы: например, микростержень, на котором растут «нанолисточки». Когда-то Зелинский изобрел противогаз на основе диоксида марганца и оксида меди (гопкалит), в котором угарный газ превращался в СО2. Если эту идею немного додумать, то уже сейчас можно получить нечто полезное для ТЭ. Пусть ваш ТЭ использует метанол и кислород. Полупродуктом окисления метанола является СО. А это страшнейший яд для платины-катализатора. Но если бы удалось платину «посадить» на поверхность кристаллического уса (вискера), содержащего диоксид марганца, то носитель убивал бы яд, опасный для основного катализатора! Это – пример наноструктурированной системы, где есть уровень «нано» (катализатор), уровень «микро» (микронного размера усы, содержащие оксид марганца), а также уровень «макро», когда вы все делаете в виде бумаги, содержащей платину и гибкие вискеры, и каждый уровень по-своему важен и выполняет специфические функции. Все вместе дает материал для ТЭ – платинированную марганец-содержащую бумагу (мы сейчас работаем над таким проектом по Федеральной целевой программе).

В связи с водородной энергетикой тоже идет активный поиск катализаторов для фотодиализа воды – разложения ее на водород и кислород за счет солнечной энергии. Большие усилия направлены и на улучшение солнечных батарей с помощью наночастиц.

Исследуются разные вещества – в том числе сочетания фуллеренов с органическими веществами, диоксидом титана и другими. КПД таких установок растет, но пока они очень дороги.

Солнечные батареи, катализаторы для ТЭ – это все-таки улучшение того, что уже есть. А вот сверхпроводимость – это же новое качество в энергетике! Нанотех здесь применяется?

– Это, пожалуй, вопрос терминологии. Точный ответ таков – в этой задаче принципиально важна структура материала на наномасштабе. Высокотемпературные сверхпроводники – замечательная модель иерархических структур в твердом теле. Там есть уровень «макро» – левитаторы, большие шестигранные шайбы, которые можно уложить так, чтобы они образовали сплошную поверхность, поместить в жидкий азот, и над ними будет что-то «плавать» (например, поезд со сверхпроводящими элементами будет скользить над магнитным рельсом). Есть уровень «микро», который описывает организацию зерен-кристаллитов: несовершенства на границах зерен должны быть минимальны. Крайне важен и уровень «мезо» (субмикро). Потому что именно такой масштаб имеют несовершенства, ответственные за появление вихрей Абрикосова, которые работают как центры пиннинга – без них сверхпроводник второго рода не сможет выдержать сколь-либо значимых критических токов. Спрашивается, что же нового дает уровень нано?

А вот что. Вихри Абрикосова – очень небольшие по размеру. Желательно, чтобы центры пиннинга ("пришпиливания" вихря) были неподвижны. Поэтому порождающие их несовершенства структуры должны иметь как раз наноразмеры. И именно такие включения обнаружились в неодим-содержащих бариевых купратах. Берется твердый раствор (кристаллическая решетка, в которой часть атомов заменена на другие) – и он при определенной термообработке расслаивается, образуя «паркетную» наноструктуру. Она состоит из областей – нанофлуктуаций состава. Там, где больше неодима, возникают несверхпроводящие участки. Там, где меньше неодима, возникает сверхпроводимость. Получаются высокоэффективные центры пиннинга. Группа японских авторов «вморозила» с помощью такой системы сумасшедшее магнитное поле – 14 или 15 тесла! При этом крупнокристаллический высокотемпературный сверхпроводник был залит эпоксидной смолой и помещен в железную шайбу, чтобы магнитное поле не разорвало хрупкую керамику.

Спрашивается – это наноматериал? Нет! Напротив, это крупнокристаллическая керамика (размеры «зерен» до нескольких сантиметров!). Там нет наночастиц. Но там есть нанофлуктуации состава, встроенные в общую иерархию пространственной структуры. Эта замечательная работа, кстати, была сделана еще до бума нанотехнологий.