18+
18+
томский политехнический университет нано центр тпу нанотехнологии Лаборатории ТПУ, Образование и наука, Томская область. Нанотехнологии, ТПУ

Лаборатория. Как в Политехе получают наноматериалы с уникальными свойствами

В этой лаборатории создают необычные материалы. Мы-то к ним психологически уже привыкли, потому что встречаемся с ними каждый день, беря в руки смартфон или садясь в современный автомобиль. Да и приставка нано- затерта употреблением к месту и не к месту. Но если вдуматься, это очень странные и даже фантастические вещи.

Прозрачная бронекерамика для иллюминаторов и стекол машин, которую почти невозможно разбить. Материал, который излучает свет в нужном диапазоне — как в видимом спектре, так и вне его. Очень легкая защита от ионизирующего излучения для электроники космических аппаратов.

Фото: Владимир Дударев

Это лишь некоторые разработки научно-образовательного инновационного центра «Наноматериалы и нанотехнологии» ТПУ, — и они уже используются в реальной промышленности. Томские ученые не нацелены на один материал или отрасль. Они готовы решить любую производственную задачу, если это можно сделать с применением нанотехнологий.

Лаборатория
НИ ТПУ
В нашем спецпроекте рассказываем о том, чем занимаются и как устроены главные экспериментальные пространства томского Политеха

Твердый туман

Россиянин Тимофей Алишин и индонезиец Илела Альфа Эдисон — аспиранты НОИЦ «Наноматериалы и нанотехнологии». Они провели для нас экскурсию по Нано-Центру
Фото: Владимир Дударев

Естественных наночастиц в природе много: туман, дым костра, пыльца растений, пигмент на крыльях бабочки — все это состоит из невероятно мелких частиц, которые принято называть наноразмерными. Когда это же вещество становится твердым (например, водный туман превращается в лед), оно чаще всего получает кристаллическую структуру и меняет свои физические свойства.

А можно, хотя и сложно, спрессовать вещество таким образом, чтобы наночастицы в нем не объединялись в крупные зерна, а консолидировались в виде отдельных «кластеров» - нанозерен. Тогда оно приобретет особые, недостижимые другими способами, свойства. Примерно в этом и состоит суть нанотехнологий.

Строение вещества можно увидеть. Но только в электронный микроскоп
Фото: Владимир Дударев

Материал из нанозерен намного прочнее обычного крупнокристаллического, который состоит словно из больших валунов, скрепленных относительно слабым раствором. При ударе трещина пройдет вдоль границ этих «камней» и может расколоть материал. В наноструктурном материале «камешки» мелкие, и границ между ними так много, что трещина тормозится и теряет свою энергию, не успевая разрушить материал.

Второй фактор в том, что свойства поверхности вещества сильно отличаются от его же свойств в объеме. Это другая электрофизика, теплопроводность, оптика, химическая активность. Настолько другая, что их изучением занимается отдельная научная дисциплина — физика поверхности. Из-за того, что зерна в наноматериалах очень маленькие, до 30% атомов находятся на поверхности (в обычных материалах — до 5%). Это также определяет и объясняет особые свойства нановещества.

Русские были первыми

В наноцентре есть плакаты для студентов, в которых рассказано об исследованиях и открытиях в области нанотехнологий. На одном из них – портрет нобелевского лауреата академика Ж.И. Алферова, основоположника гетероструктур для наноэлектроники, сделанный в технике нанолитографии
Фото: Владимир Дударев

Изучением и созданием наноматериалов в ТПУ занимаются несколько десятилетий. В 1988 году, когда в обиходе материаловедов еще не было термина «нано», на физико-техническом факультете Томского политехнического института появилась лаборатория, где занимались созданием и изучением свойств порошков с размерами порядка 10 — 100 нанометров. Тогда их называли ультрадисперсными, сверхтонкими, субмикронными. Среди ученых лаборатории был и Олег Хасанов, ныне — профессор ТПУ, директор НОИЦ «Наноматериалы и нанотехнологии».

Олег
Хасанов
Профессор ТПУ, директор НОИЦ «Наноматериалы и нанотехнологии»

Американцы говорят, что Ричард Фейнман прочитал свою лекцию в 1959 году (речь о лекции «Там, внизу, полно места», в которой знаменитый физик предсказал развитие нанотехнологий, — прим.авт.), а в СССР нанотехнологии уже были реализованы на практике. В конце 50-х годов в Советском Союзе существовали промышленные технологии изготовления фильтров для разделения изотопов гексафторида урана, которые пропускали молекулы меньшего диаметра и затормаживали большие молекулы, Сейчас их называют нанофильтрами. Директор уральского завода, на котором придумали эту технологию, получил Государственную премию СССР.

Когда в Японии в конце 80-х годов стали переходить от микрочипов к чипам с наноразмерными структурными элементами, то задумались, как делать для новой электроники нанослои разной проводимости. Но еще с 50-х годов этим направлением занимался академик Жорес Иванович Алферов, и в 2000 году он получил Нобелевскую премию за развитие полупроводниковых гетероструктур для высокоскоростной оптоэлектроники.

Томские политехники тоже являются первопроходцами — здесь разработаны особые методы прессования порошков с сохранением наномасштабных размеров зерен. Методы защищены российскими и международными патентами и применяются в разных странах мира.

Заказы для политехников

Почти все разработки Нано-Центра ТПУ уже получили практическое использование
Фото: Владимир Дударев

Недавно по контракту Чунцинским университетом для завода в Китае, где изготавливают тачскрины, сотрудники Нано-Центра ТПУ Олег Толкачев и Тимофей Алишин поставили установку для прессования мишеней из полупроводниковых материалов. Мишень — это пластина из нанокерамики, с которой равномерно и контролируемо испаряются нужные молекулы и наносятся на экраны мониторов, чувствительные к прикосновениям. Чтобы сделать высококачественные тачскрины, особенно больших габаритов, нужны идеальные мишени.

— Мы научились делать пластины хорошего качества, нужной геометрии и с нужными свойствами, чтобы не было искривлений и искажений, — объясняет Олег Хасанов. — И вот эту установку для изготовления керамических мишеней мы поставили для наших китайских заказчиков. Вообще, мы выполнили уже достаточно много и российских контрактов на выполнение научно-исследовательских работ, и зарубежных контрактов с такими фирмами, как Nissan Motors, Bosch, Korea Electronics, CIJ Co.

Метод распылительной сушки — один из способов получения нанопорошков
Фото: Владимир Дударев

Среди выполненных заказов — крупный проект по постановлению Правительства РФ №218 - семь промышленных технологий для индустриального партнера из Новосибирска: три типа бронекерамики — из оксида алюминия, карбида бора и карбида кремния, вакуумно-плотные электроизоляторы сложной геометрии для электронной промышленности, керамические элементы запорной арматуры для трубопроводов и другие разработки. Политехники не просто создали требуемые материалы для этих изделий, но разработали и передали заказчику подробные производственные технологические регламенты.

Особенность подходов НОИЦ в том, что ученые могут из разных нано- и микропорошков разработать технологии изделий почти любого назначения: для электроники, космической и атомной промышленности, медицины, или вполне земного машиностроения и даже сельского хозяйства.

Всё это керамика

Керамический элемент после спекания
Фото: Владимир Дударев

Общее название удивительных материалов, над которыми работают политехники, — нанокерамика. Это не полимер, где органические, как правило, молекулы связаны в длинные цепочки. Наоборот, в спеченной нанокерамике неорганические наночастицы отделены друг от друга границами, образуя при этом плотный и прочный материал.

И это не крупнокристаллические металлы или керамики, для которых характерна протяженная атомная решетка, порой видимая на изломе невооруженным глазом. Задача материаловедов, работающих с наноструктурами, сделать эти зерна-кристаллы возможно более мелкими.

А с обычной керамикой нанокерамику роднит только способ изготовления: сырье должно быть спрессовано, а затем запечено при высокой температуре.

В основе нанокерамики -оксиды, карбиды, нитриды, бориды и другие неорганические соединения
Фото: Владимир Дударев

Правда, исходные порошки применяются другие, и процесс прессования технологически сложен. Наноматериал не может иметь неоднородностей структуры — это нарушит его уникальные полезные свойства. Поэтому физики-материаловеды и ломают головы над тем, как добиться равномерной плотности материала при его прессовании.

Томские политехники являются родоначальниками и держателями патентов на две технологии прессования сухих нанопорошков: с помощью ультразвука, или в формах специальной конструкции, где регулируется сила трения — коллекторных пресс-формах.

Идеальная прессовка

При изготовлении изделия важно всё: материал, пресс-форма, способ прессования, температура спекания
Фото: Владимир Дударев

Равномерная плотность в прессовке имеет особое значение, когда нужно изготовить изделие сложной формы. Для разных случаев в Нано-Центре ТПУ применяют два способа прессования: ультразвуковой и коллекторный.

Равномерному прессованию вдоль одной оси мешают силы трения между сухими частицами порошков и стенками пресс-формы; они приводят к дефектам в спеченных керамических материалах. Существенно уменьшить эти силы поможет мощный ультразвук и правильный расчет размеров пресс-формы, чтобы колебания были максимально интенсивными именно в зоне прессования. Это обеспечивает равномерную плотность во всем объеме прессовки даже сложной геометрии.

Фото: Владимир Дударев

В некоторых случаях лучше использовать коллекторное прессование. Здесь нет ультразвука, зато при прессовании давление распределяется по нескольким осям. Элементы пресс-формы двигаются таким образом, чтобы сжимать порошок с равномерной плотностью. Выбор методики каждый раз индивидуален, исходя из материала, геометрии изделия, требуемых свойств и других факторов.

Технология подбирается отдельно для каждого изделия
Фото: Владимир Дударев

После прессования ультразвуковым или коллекторным способом компакты (так называются спрессованные полуфабрикаты для нанокерамики) нужно спечь — в вакууме, в инертной среде или в атмосферном воздухе — в зависимости от материала и поставленных задач. Обычное спекание занимает многие часы или сутки, это очень длительный процесс. Но есть еще один способ делать керамику: спекать одновременно с прессованием с помощью искрового разряда.

Японская установка искрового плазменного спекания в Политехе с 2007 года. Она приобретена второй в России, но до сих пор не потеряла актуальность. В этой установке процессы совмещены: идет прессование порошкового материала с одновременным нагревом. Печь разогревается до 2000 градусов буквально за 10 минут — и керамику можно получить очень быстро, причем с размерами зерен, ненамного превышающими размеры исходных наночастиц. В прямом смысле твердый дым!

Установка спарк-плазменного спекания — давно в деле
Фото: Владимир Дударев

— Время спекания несколько минут, зерна просто не успевают вырасти, — объясняет профессор. — Но при этом порошок консолидируется, образуются прочные связи, керамика становится плотной. В этом, кстати, отличие от модных сейчас аддитивных технологий. В 3D-принтере, который у нас тоже есть, структуры и изделия выращиваются послойно, но для этого нужны часы, а то и сутки. И там все равно применяют некие связки-пластификаторы, которые потом нужно удалять. Мы считаем, что у искрового плазменного спекания и у других методов интенсивного спекания есть конкурентное преимущество, когда за короткий промежуток времени получается изделие со стопроцентной плотностью.

Методы можно комбинировать. Например, использовать ультразвуковое прессование совместно с коллекторным. Или компакты в коллекторной пресс-форме спекать электроимпульсным методом.

Вещества и композиты

Элементы, из которых состоит керамика, могут соединяться в разных комбинациях
Фото: Владимир Дударев

Нанокерамика, которую разрабатывают и создают в Нано-Центре ТПУ, очень разнообразна по составу: оксиды, бориды, нитриды, карбиды, силициды и другие неорганические соединения. В керамическую основу (матрицу) при необходимости можно включить металлы, полимеры или другие вещества — это будет керамо-матричный композит. Можно сделать композит наоборот, когда основной материал — металлический сплав, а в промежутках между зернами этой матрицы — вкрапления керамических порошков.

Такой композит мы тоже разработали и запатентовали, — говорит директор Нано-Центра ТПУ. — Матрица из легкого алюминиево-магниевого сплава, и в нем небольшие концентрации вкраплений карбида бора для защиты от нейтронов и наночастиц вольфрама для защиты от гамма-квантов. В целом конструкция защищает также от электронного излучения, и может использоваться для защиты бортовой электроники космических аппаратов, которые работают на орбитах в радиационных полях. Или в атомной промышленности, где надо защищать электронику от комплексных радиационных потоков. Или в физике высоких энергий, в ускорителях или где-то еще. Это замена тяжелым радиационным защитным барьерам, — например, из свинца.

Магистранты и бакалавры

Возможность участвовать в проектах Нано-Центра ТПУ есть у магистрантов программы. А у бакалавров — готовиться к поступлению в магистратуру
Фото: Владимир Дударев

На разработку технологии может уходить от нескольких месяцев до нескольких лет. Например, цель диссертационного проекта аспиранта Тимофея Алишина — разработать методику производства медицинских имплантатов индивидуальной формы из керамических материалов, которые после прессования и спекания не будут нуждаться в дополнительной механической обработке. Метод, над которым работает молодой ученый, гораздо проще и требует меньше затрат, чем традиционные технологии для керамических биоимплантов в стоматологии или ортопедии.

Тимофей Алишин пришел в в Нано-Центр ТПУ еще на 4-м курсе бакалавриата, окончил магистратуру, а теперь готовится стать кандидатом наук
Фото: Владимир Дударев

— Мне очень нравится, что здесь к каждой задаче нужен творческий подход, — отвечает он на вопрос о выборе места учебы. — Все задачи абсолютно разные, для их решения необходим каждый раз новый подход, то есть творчество. Во-вторых, коллектив мне нравится, люди очень умные, я бы еще мог получить много полезных знаний, развить свои компетенции в этой области.

Программа бакалавриата по нанотехнологиям и наноматериалам пока реализуется только для китайских студентов. Создание программы для российских бакалавров идет не так быстро, как хотелось бы, из-за бюрократических препон. Получить основы бакалавры ТПУ могут в рамках направления «Материаловедение». Реализуется программа двойного бакалаврского диплома с Чунцинским университетом – это крупнейший город-агломерат Китая с населением 30 млн человек.

Илела Альфа Эдисон поступил в магистратуру Нано-Центра ТПУ из Индонезии несколько лет назад. С тех пор он успел получить специальный приз в конкурсе бизнес-кейсов действующих предприятий наноиндустрии за свою разработку в области применения углеродного волокна, закончить магистратуру, опубликовать несколько научных работ в соавторстве с коллегами и стать ассистентом в Нано-Центре ТПУ.
Фото: Владимир Дударев

Магистерская программа называется «Производство изделий из наноструктурных материалов и аддитивные технологии». Учась на ней, магистранты получают возможность участвовать в решении производственных задач и получить двойной диплом в партнерском университете Франции (Университет Гренобль-Альпы).

Альфа за работой
Фото: Владимир Дударев

Студенты не только данной магистратуры, но и других направлений, могут пользоваться уникальным оборудованием Нано-Центра ТПУ.

В защищенных лабораториях

Нано-Центр занимает несколько помещений в двух корпусах ТПУ, где находятся сложные и безумно дорогие приборы. Например, микроскопы разного назначения: электронный сканирующий, электронный просвечивающий, зондовый, атомно-силовой.

Как раз так выглядит сканирующий зондовый микроскоп:

Лаборатории, где находятся электронные микроскопы, должны отвечать особым требованиям: виброзащитный фундамент; латунная сетка, защищающая от электромагнитных наводок — здесь не ловит мобильный телефон; работают кондиционеры, поддерживающие температуру в пределах 18°С.

Только в таких условиях можно обеспечить разрешение 1 нанометр на сканирующем электронном микроскопе и 0,4 нанометра (4 ангстрема) на просвечивающем микроскопе.

Электронный просвечивающий микроскоп - самый большой и дорогой прибор Нано-Центра ТПУ
Фото: Владимир Дударев

Электронный просвечивающий микроскоп дает информацию о структуре материала на уровне молекул, визуализируя для исследователя его кристаллическую решетку.

Но для него нужны специально подготовленные образцы толщиной 100 нанометров. Из керамики вырезают тончайшую пластинку, которую затем шлифуют и полируют, а затем бомбардируют ионами аргона. Ионное травление с высокой энергией ионов счищает материал слой за слоем, пока он не станет неразличимым невооруженным глазом. Только тогда образец «увидит» просвечивающий микроскоп.

Исследователь за электронным просвечивающим микроскопом
Фото: Владимир Дударев

Нанотвердомер помогает определить свойства каждого конкретного нанозернышка: его нанотвердость (этот показатель так и называется), упруго-пластические свойства, ползучесть — то есть как откликается материал на вдавливание и так далее. Острие алмазной пирамидки, которой укалывают нанозерна — 10 нанометров. Это в тысячи раз меньше, чем острие самой тонкой иглы.

Сканирующий зондовый микроскоп исследует морфологию поверхности материала. Он не проникает в глубины вещества, но показывает любые впадины, выступы, щербинки, трещинки на поверхности с разрешением 1 нанометр.

В лаборатории востребованы не только тонкие инструменты
Фото: Владимир Дударев

Что еще умеет нанокерамика из Нано-Центра ТПУ?

Принимается организмом, как родная. Биосовместимые имплантаты на основе оксида циркония — совместно с «Мойе Керамик-Имплантате имплантаты», резидентом Томской ОЭЗ. По технологии ТПУ можно изготавливать имплантаты индивидуальной формы в стоматологии или ортопедии для каждого конкретного пациента.

Люминесцирует в нужном диапазоне. Прозрачная люминесцентная керамика на основе оксида магния и алюминия — собственная научно-исследовательская разработка лаборатории. Вещества-активаторы из редкоземельных элементов дают люминесценцию в нужном световом диапазоне: от инфракрасного до ультрафиолетового, включая видимый свет. Такую керамику можно использовать в разных отраслях: в автомобильных и железнодорожных фарах, всевозможных датчиках, тепловизорах, пультах дистанционного управления и даже в сельском хозяйстве.

В Инженерной школе новых производственных технологий томского Политеха разработана умная теплица, в которой люминесцентные лампы генерируют излучение нужного спектрального диапазона. Для одних растений это один диапазон, для других — другой. Более того, на разных стадиях развития растениям полезны разные типы излучения. В природе солнечный спектр меняется как в течение сезона, так и в течение суток, а в умной теплице он может регулироваться электроникой.

Пропускает свет, но не удар. Еще одно поле исследований — повышение бронезащитных свойств прозрачных керамик. Сделать толстую прозрачную керамику — тоже своего рода искусство, потому что чем больше толщина, тем больше риск образования пор. А чтобы сделать бронезащитное стекло (например, для инкассаторских автомобилей), надо повысить толщину без существенного увеличения массы. Наноструктура такой керамики будет препятствовать образованию трещин даже от попадания пули.

Фото: Владимир Дударев

Текст: Катерина Кайгородова

Фото: Владимир Дударев

Томские новости

Как выглядит изнутри старейшая школа Томска — Мариинская СОШ №3: фото интерьеров

2 сентября 2026
Томские новости

«Только небывалое достойно воплощения»: первокурсники ТПУ построили башни из шпажек и выиграли поездку на Останкинскую

10 сентября 2026
Томские новости

Единый день знаний прошел в Томске

31 августа 2026
Томские новости

Бесплатные экскурсии по историческим корпусам политеха ждут томичей в сентябре

15 сентября 2026
Томские новости

Новую волейбольную площадку и пешеходные дорожки обустроили на томском стадионе «Политехник»

25 августа 2026
Томские новости

В Томске после двухлетнего ремонта открылась историческая Мариинская школа №3

1 сентября 2026
Томские новости

Томские ученые создали термостойкий датчик-«сэндвич» для анализа выхлопных газов

25 августа 2026
Томские новости

Томские ученые помогли найти метод получения дешевых материалов для очистки воды из отходов пластика

18 сентября 2026
Томские новости

Томские ученые предложили «ловить» углекислый газ из дымовых газов в газогидратах

22 августа 2026