В наноимперии CATRIN новейшие технологии становятся реальностью
Когда речь заходит о разработке новейших технологий, обывателю сразу же представляются секретные лаборатории, где бригады ученых день и ночь корпят над секретными разработками. Чешский институт исследований и передовых технологий (Czech Advanced Technology and Research Institute – CATRIN) в Оломоуце, хотя и оснащен современными лабораториями, где проходят серьезные исследования, помимо ученых разработками в нем занимаются и студенты.
CATRIN, как сокращенно называют институт его сотрудники, это исследовательский институт Университета имени Палацкого в Оломоуце. Благодаря тому, что Университет Палацкого был одним из самых успешных претендентов на получение дотаций среди чешских университетов в рамках Европейского фонда регионального развития – Операционной программы исследований и разработок для инноваций, на территории города Оломоуц выросли научно-исследовательские центры, важность которых выходит за пределы региона. В 2020 году они были интегрированы в Чешский институт исследований и передовых технологий. Он был создан благодаря объединению научных групп Центра биотехнологий и сельскохозяйственных исследований региона Гана, Регионального центра передовых технологий и материалов и Института молекулярной и трансляционной медицины, чтобы связать научный потенциал в областях биомедицины, нанотехнологий, новейших материалов, исследования растений и биотехнологий. Все это, по идее центра, должно принести еще больше успехов в решении глобальных проблем современного мира, таких как последствия изменения климата, борьба с новыми видами патогенов, диагностика и лечение болезней цивилизации, предотвращение надвигающегося продовольственного кризиса, получение и хранение «зеленой» энергии, обеспечение достаточного количества питьевой воды, защита окружающей среды и многое другое.
Объединяющим элементом всех проходящих в центре исследований являются наноматериалы и нанотехнологии. Многие слышали эти слова, но далеко не все понимают, что под этими терминами подразумевается. Еще вчера это звучало как отрывок из sci-fi, но уже сегодня приставка нано- прочно утверждается в повседневности.
Приставка нано- изменяет привычные свойства материалов
«Наноматериалы и нанотехнологии мы способны применить в целом ряде процессов. Изготовить широкую шкалу этих материалов мы можем непосредственно в наших лабораториях. Среди них – наноматериалы, основанные на металлах, например, наночастицы железа с уникальными характеристиками. Все мы знаем железо в качестве элемента конструкций, который используется в форме стали, например, при конструировании мостов. Мы также знаем, что сталь – это относительно устойчивый материал. Но если мы уменьшим железо до наноразмеров и поместим его на воздух, оно немедленно сгорит и произведет огромное количество тепла. Это говорит о том, что материалы могут отличаться своими свойствами лишь на основании размеров даже при одинаковом химическом составе», - рассказывает Михал Отиепка, один из директоров центра CATRIN.
Благодаря уменьшению материалов до наноразмеров, в них происходит целый ряд физико-химических изменений. Например, элементы, которые в обычных условиях не реагируют, становятся сильно реактивными, изменяются цвета веществ, их оптические и магнетические свойства. Так, краситель «титановые белила», который используется для окраски в белый цвет, при уменьшении до наноразмеров изменяет свой цвет на оранжевый. У ряда веществ улучшаются свойства транспортировки, что активно используется в медицине, где они способны сыграть важнейшую роль при доставке лекарств к заданной цели.
Как рассказал Михал Отиепка, портфолио наноматериалов на основе металла, которые исследуются и производятся в лабораториях центра, чрезвычайно широко: это оксиды металлов, перовскитные наночастицы, используемые в производстве фотовольтаических элементов; это также наноматериалы, на основе углерода, например, графен, который интересен своими механическими свойствами. Графеновые модифицированные дериваты можно использовать для накопления электроэнергии. Давайте же отправимся в лабораторию, чтобы посмотреть, где на свет появляются наноматериалы.
Не фантастика, а реальность
«Сейчас мы находимся в первой лаборатории, где проходит характеристика материалов. Вот здесь у нас центрифуга, которую мы используем для отделения наших материалов от растворов, в которых они находятся. Также здесь находится лиофилизатор, который используется для вымораживания наших образцов и других техник. Это нужно для того, чтобы определить, обладают ли те материалы, которые мы изготовили, такими свойствами, как должны. Сейчас как раз коллега будет запускать центрифугу», – рассказывает сотрудница CATRIN Вероника Шедайова.
Однако стенами одной лаборатории процесс изготовления материалов не ограничивается и мы переходим в следующее помещение.
«Вторая лаборатория используется, главным образом, для синтеза материалов. Здесь находится множество вытяжек, в которых, как вы можете видеть, непрерывно проходит множество реакций, и именно здесь мы изготавливаем новые материалы. Этот специфический звук издает вакуумная печь, которую я, к примеру, использую для высушивания своего нового материала, который впоследствии буду использовать для накопления энергии», - рассказывает Вероника Шедайова.
«Кипящий котел мыслей, идей и подходов»
Для обывателя, однако, сложные научные формулировки могут оказаться весьма далекими от реальной жизни, несмотря на то, что наноматериалы во многих областях уже давно вошли в привычную жизнь.
«Одним из наноматериалов, который сегодня уже активно применяется, и с которым люди могут встретиться в реальной жизни, это как раз наножелезо, или же наночастицы железа, которые были разработаны в нашей лаборатории и готовы для передачи в серийное производство. Мы сотрудничаем с компанией, которая способна изготавливать эти материалы в больших объемах. Также мы сотрудничаем с компаниями, которые способны применять эти материалы для очистки подземных вод. Сегодня подземные воды часто несут последствия загрязнений минувших лет – от производственных предприятий до использования военной техники. Это случалось как в Чехии, так и по всей Европе довольно часто, поскольку охраной окружающей среды практически не занимались. Поэтому сегодня мы стремимся избавиться от этих последствий. Выкачивать воду на поверхность и очищать ее, а затем возвращать под землю – весьма дорогостоящая и малоэффективная процедура. Наши наночастицы вводятся в подземные воды, где вступают в реакции, скажем, с растворителями, и разлагают их на вещества, безвредные для окружающей среды. Сама наночастица при этом превращается в гидроксид железа, то есть ржавчину. Здесь как раз важную роль играет свойство прекрасной транспортировки наночастиц, и это помогает очистить воду весьма эффективным способом», - продолжает Михал Отиепка.
В центре CATRIN проводятся базовые исследования, в рамках которых ученые пытаются найти способ для изготовления какого-либо материала. За ними следуют прикладные исследования, когда при сотрудничестве с промышленными предприятиями ученые стремятся внедрить полученные материалы в практическое использование. CATRIN располагает патентами, а затем способен предоставить фирмам лицензию на производство своих продуктов.
Несмотря на то, что CATRIN выполняет функцию исследовательского института, на площадке учится множество студентов, которые там готовят свои дипломные и диссертационные исследования. Примерно 40% сотрудников центра – зарубежные исследователи преимущественно из европейских стран – Италии, Греции, Испании. Именно это, по мнению Михала Отиепки, делает процесс функционирования CATRIN подобным кипящему котлу мыслей, идей и подходов.
