Углерод по-украински: от гибких смартфонов до машин без бензина

Ученые из Харькова создали новый трехмерный материал на основе углерода, который может сотворить сенсацию в мире водородных автомобилей и электроники будущего.

Как сообщил один из самых престижных в мире журналов по физике Physical Review Letters, харьковские ученые Нина Крайнюкова из Физико-технического института низких температур НАН Украины и Евгений Зубарев с Физико-технического факультета ХПИ открыли и протестировали новую модификацию углеродного волокна. Они окрестили ее "углеродные соты".

Речь идет о еще одной форме углерода, такой как графит, алмаз, графен, объясняет заведующий лабораторией Института теоретической физики им. Боголюбова Сергей Шарапов. "Здорово, что ученые донесли свои результаты до всего мира. Дальше только время может показать, пойдет ли технология в индустрию", - предполагает он.

Как скоро новая технология пойдет в производство? "На данном этапе говорить о быстром коммерческом применении еще рано, мы сделали только первый шаг", - сообщила ЛІГА.net Нина Крайнюкова. Дальнейшая работа над новой водородной формой будет проходить в кооперации с зарубежными учеными. "Их техническая база для исследований намного лучше нашей", - отмечает она.

Как появились "соты"?

Углеродные соты способны хранить большое количество газа и жидкости в своей трехмерной структуре. Их можно использовать как легкое, энергоэффективное топливное хранилище, "топливный бак для водорода", объясняют в Physical Review Letters.

Евгений Зубарев из ХПИ рассказал ЛІГА.net, что работал над электронным микроскопом, который позволил Крайнюковой изучать структуру соединений углерода с очень высоким, практически атомарным разрешением. Коллега привлекла его к проекту десять лет назад. Долгое время о технологии никто не вспоминал.

"Крайнюкова изначально работала над свойствами абсорбции инертных газов (криптон, аргон) и увидела, что пленки волокна, которые синтезируются, имеют очень высокую емкость. Это было удивительно", - вспоминает Зубарев. 

Его оценка совпадает с предположением американского издания: эта технология может стать решением для хранения водорода. Проблема, над которой в мире давно ломают голову. Хранение водородного топлива обходится дорого, более того, в ряде случаев это еще и небезопасно.

Водород вместо бензина

Применение украинской технологии в сфере водородного транспорта может заинтересовать зарубежных инвесторов, считает директор департамента развития дорожного рынка и автоперевозок Мининфраструктуры Роман Хмиль. "Электродвигатели правительство Сингапура недавно признало экологически вредными, плюс они неэкономны. Эквивалент потребления - 10 л на 100 км, что хуже гибридов. А вот водородные двигатели очень перспективны", - отмечает он.

"Эффективное хранение и транспортировка водородного газа остаются ключевыми препятствиями для его использования как возобновляемого источника топлива", - пишут эксперты Physical Review Letters. Министерство энергетики США не первый год пытается подстегнуть ученых к разработкам, которые позволят снизить расходы на покупку и эксплуатацию автомобилей на базе водородного двигателя. 

Американское министерство даже запустило отдельную программу в рамках инициативы U.S. DRIVE Partnership (сообщество госструктур, отраслевых организаций в сфере энергетики и автомобилестроения). Оно представляет интересы таких гигантов, как Fiat Chrysler Automotive, Ford Motor, General Motors, Tesla Motors. Основная задача - к 2020 году автомобили, использующие водородное топливо, должны стать сравнимы по капитальным и операционным затратам с традиционными транспортными средствами. Намеченный американцами ориентир - 1 Кв/ч работы мотора с использованием гидрогена (водорода) как автомобильного топлива должен стоить $10.

 

Один из первых в мире серийных автомобилей на водороде в конце 2014 года выпустила японская Toyota. Это был седан Mirai ("будущее"). Правительство Страны восходящего солнца до 2020 года собирается увеличить количество таких автомобилей в 100 раз - до 40 000. Сейчас их количество на дорогах измеряется сотнями. Для их обслуживания в Японии уже запустили около 80 водородных заправок. 

Еще одна компания, которая верит в водород, - корейская Hyndai. Ее Tucson Fuel Cell начал продаваться в Штатах в 2014 году. Активных продаж производитель так и не дождался. В США (преимущественно в Калифорнии) всего около 20 водородных заправок. А максимальная емкость баллона позволяет проехать без дозаправки чуть более 400 км. Если появится возможность брать на борт больше водорода, пробег вырастет, что уменьшит количество дозаправок. 

Когда смартфон можно будет согнуть вдвое?

Существует еще одна широкая сфера применения для открытия украинских ученых. Это микроэлектроника. "Если заполнить "соты" разными металлами и неметаллами, спектр электрических и магнитных свойств будет очень широким", - рассказывает Нина Крайнюкова.

На Всемирном мобильном конгрессе-2016 в Барселоне под графеновые технологии отводился отдельный павильон. Производители представили прототипы устройств на основе углеродных соединений. Сейчас графен уже можно добавлять в композитные материалы (в пластик, резину) для усиления прочности изделий электроники или же для увеличения теплопроводности. 

Но это только начало. Мечта производителей электроники - получение равномерного устойчивого слоя графена и применение его в коммерческих масштабах. Графен наконец-то позволит изменить внешний вид современных смартфонов, планшетов, носимой электроники. Углеродный аккумулятор будет в сотни раз компактнее и тоньше, экраны станут гибкими и прочными.

Над технологиями применения графена в электронике вовсю работают команды ученых по всему миру. Украина - не исключение. Недавно стало известно, что американская компания American Graphite Technologies Inc. продлила контракт с командой ученых Харьковского физико-технического института еще минимум на полгода. Вот уже несколько лет они работают над технологией, которая позволит делать 3D-печать деталей с использованием графена. Финансируют проект американцы, результаты исследований не раскрывают. В случае успеха разработчиков все интеллектуальные права на инновацию остаются за американской компанией.

Читайте также Алчевские инноваторы. Как украинцы собрались опреснять моря 

"Сегодня наша задача - с точки зрения науки найти физические решения, которые позволяют создать технологию графеновой (или, шире, наноуглеродной) 3D-печати. Желательно на наноуглеродном материале, уже сегодня производимом и имеющемся в свободной продаже", - рассказывает ЛІГА.net об основной идее проекта его куратор - научный сотрудник института Дмитрий Виноградов. Проще говоря, ученые хотят, чтобы углеродный 3D-принтер работал так же просто, как и устройство, использующее в качестве материала пластик. По словам Виноградова, такая печать открывает неограниченные возможности для применения - гаджеты, мобильные телефоны, бытовая электроника.

Беспризорники 

Живущие в одном городе прогрессивные ученые Нина Крайнюкова и Дмитрий Виноградов, работающие над углеродными технологиями будущего, не знакомы друг с другом. Другие украинские физики, судя по оживленному обсуждению публикации в сети Facebook, узнали об открытии харьковчан из американского журнала. Роману Хмилю из Мининфраструктуры рассказал об углеродных сотах журналист ЛІГА.net.

Что это значит? В Украине фактически нет научного сообщества, в котором бы присутствовали разные представители государства. Правительство не развивает научный пиар, научные объединения. "Большая проблема нашей науки - она тотально оторвана от реальности и бизнеса, - считает управляющий партнер фонда Chernovetskyi Investment Group Андрей Криворчук. - Создать нечто массовое в подобном вакууме физически невозможно".

Читайте также На службе АТО. "Чудо-бинт" как бизнес-идея     

Ученый-физик в представлении многих украинцев - невзрачный пенсионер в потертом советском костюме. Никому не интересно содержимое его портфеля или рабочего стола. А там может быть все что угодно, в том числе разработки стратегической важности. Зато иностранцы знают цену украинской науке лучше нас. Как показывает практика, местным исследователям достаточно просто хорошего отношения и ощущения востребованности, чтобы делать проекты для иностранных спонсоров. Причем за очень скромные деньги.