Эпоха Российского научного фонда

В интервью газете "Поиск" сотрудник ИОХ РАН член-корреспондент РАН Валентин Анаников рассказывает о новом проекте по биопластикам и о том, как изменилась работа российских ученых после появления в стране Российского научного фонда (РНФ).

ИЗ ВОДЫ И ВОЗДУХА. НОВЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ 3D-ПЕЧАТИ ОБЛАДАЕТ НЕОСПОРИМЫМИ ПРЕИМУЩЕСТВАМИ

Сложнейшие геометрические фигуры из разноцветных пластиков, радующие глаз и вызывающие восторг, делают буквально на твоих глазах. Не нужны “умные” станки, навороченные автоматические линии, мощные заводы. Достаточно скромного агрегата ростом с обычную кофе-машину. Изюминка установки — экструдер. Это благодаря его усилиям из пластических материалов формируется готовый продукт. В экструдер вставлена бобина с намотанным на нее пластиковым прутком диаметром меньше двух миллиметров. Термопластичный материал расплавляют при нагревании и слой за слоем “переливают” в нужную форму. Действом руководит компьютер: согласно программе он определяет порядок тончайших операций и строго выдерживает заданные параметры трехмерной модели. Проходят считаные минуты — и экструдер выдает продукцию — замысловатую деталь химического реактора. Так работает 3D-принтер. 

Удивительно, но получившую огромное распространение в мире технологию трехмерной печати мы наблюдаем не в продвинутой фирме или на предприятии, а в академическом Институте органической химии им. Н.Д.Зелинского, в лаборатории, возглавляемой давним автором “Поиска” член-корреспондентом РАН Валентином АНАНИКОВЫМ (на снимке — крайний справа). И сразу вопрос: как так получилось, что ученый с многолетним опытом создания всевозможных катализаторов переключился на 3D-технологии?

- Действительно, на первый взгляд это кажется неожиданным. Более десяти лет лаборатория изучает различные аспекты органического синтеза и разрабатывает катализаторы. На счету нашего коллектива несколько перспективных каталитических систем, что немало, поскольку создание каждой из них заняло несколько лет. Это, кстати, соответствует современным мировым нормам. Правда, есть одно “но”. Мы добываем фундаментальное знание, случается, наши катализаторы применяют для синтеза новых веществ и материалов, скажем, прототипов лекарств, за что фармацевты нас благодарят. Но тем дело, как правило, и ограничивается: многие годы фундаментальные наработки не получают широкого практического применения. Чтобы оценить достоинства и возможности нового катализатора, подчас приходится ждать не одно десятилетие, ведь дистанция от разработки катализатора до полученного с его помощью продукта огромна. А мне всегда хотелось делать нечто полезное, востребованное обществом, чтобы видеть результаты своего труда. Но это так и оставалось желанием. 

Ситуация коренным образом изменилась с появлением аддитивных технологий, позволяющих изготавливать практически любые изделия послойно на основе компьютерных 3D-моделей. Напомню коротко суть этого замечательного метода. Даже студенты могут использовать компьютерную программу трехмерного моделирования, и она выдаст оцифрованное техническое решение. Это просто фантастика: стоит нарисовать компьютерную модель, указать ее размеры и конфигурацию, нажать кнопку — и получишь готовое действующее, подчеркну, изделие, и не абы какое, а пригодную к работе конструкцию. Сам видел сошедшие с простенького 3D-принтера настенные часы, и они ходили! (правда, мастер предварительно слегка прошелся по механизму напильником). На трехмерном принтере печатают автомобили, пусть и не роскошные, явно уступающие своим конвейерным родственникам, но ведь еще недавно это считалось невозможным. Один, в общем-то, недорогой трехмерный принтер заменяет целую цепочку заводов и КБ. А как вырастут их возможности, когда принтеры научатся печатать одновременно высококачественные материалы: скажем корпус, колеса и стекла автомашин! Сейчас в продаже можно найти массу простых 3D-принтеров. Есть и дешевые модели, использующие различные пластики, — нередко родители дарят их детям на праздники. 

В общем, происходит самая настоящая промышленная и техническая революция, и все продвинутые страны мира заняты совершенствованием этой динамично развивающейся области науки и техники. Сегодня много приходится слышать о переходе к цифровой экономике (недавно с таким же подъемом говорили об инновациях, выдвигая проекты, вызывавшие немало критики). Обсуждения идут свои чередом, но подкреплять планы надо конкретными разработками. Между тем аддитивные технологии и 3D-печать — едва ли не самый убедительный пример эффективного построения новых областей экономики. 

Что касается нашей лаборатории, то 3D-принтеры нужны нам для создания каталитических реакторов, с помощью которых мы смогли бы, например, синтезировать лекарства, получать полимеры, красители, вещества для молекулярной электроники — массу всего необходимого науке и промышленности. Но лаборатория академического института не в состоянии регулярно создавать химические реакторы — для этого нужно отдельное опытное производство. Потому так трудно и медленно идет освоение даже наиболее перспективных наших разработок. Выручить нас могут 3D-технологии. Стоит отправить на принтер трехмерную модель реактора — и через определенное время (для небольшого объекта достаточно часа, для более крупного потребуются сутки) он выдаст готовую к работе деталь. Такой же функциональный реактор, как и сделанный по традиционной схеме, но за вычетом нескольких лет, потраченных на согласования, утверждения, моделирование и производство.

Все замечательно, но чтобы на практике применить необыкновенные 3D-принтеры, сначала их нужно приобрести. И хотя техника для печати пластиком недорогая — она стоит от 200 до 500 тысяч рублей — быстро и своевременно купить подобные новинки для научных исследований еще недавно было очень трудно. Однако сейчас мы живем в эпоху Российского научного фонда, и ситуация кардинально поменялась. После создания РНФ отставание в лабораторном обеспечении научных исследований стремительно сокращается. К примеру, сегодня у нас работают три принтера разных моделей, использующие различные материалы. Подчеркну: благодаря этой современной технике мы встали в один ряд с развитыми странами и даже включились в соревнование с ними. Возможности для этого обнаружились практически сразу: сами 3D-принтеры сейчас доступны, а вот пластики для печати еще предстоит дорабатывать. В первую очередь нужны химически стойкие материалы из возобновляемого сырья. И нам их удалось успешно создать. Это PEF — poly (ethylene-2,5-furandicarboxylate). Мы получили его из целлюлозы, и при печати на 3D-принтерах он показал себя превосходно и даже превзошел обычные пластики. 

- И никто в мире вас не сумел опередить?

- Конкуренция в области развития аддитивных технологий действительно очень высока. Счет идет на недели: кто первым успеет сделать и опубликовать работу. Наша статья вышла около месяца назад (DOI: 10.1002/anie.201708528), но уже успела вызвать массу откликов и комментариев. Результаты, описанные в ней, освещали научно-популярные СМИ более чем 20 стран мира, в том числе РФ, и уже опубликованы несколько сотен популярных материалов.

- Чем всех так взволновала ваша работа? 

- Ученые и общественность обратили особое внимание на экологическую безопасность предложенного нами метода. Мы используем биомассу, которая получается под действием солнечного света из углекислого газа и воды. И все, что мы намерены печатать из этого экологически чистого материала, не будет наносить вред природной среде. Более того, наш материал регенерируемый — его не придется выкидывать на свалку, когда изделие отслужит свой срок. Его легко переплавить и использовать снова, а в конце жизненного цикла — сжечь, то есть вновь перевести в углекислый газ и воду. Растения их поглотят, превратят в целлюлозу, а мы на ее основе снова сделаем полноценный материал для печати на 3D-принтере. И он выдаст готовую, экологически безопасную продукцию. Получается полный замкнутый цикл, подчеркну, практически идеальный, поскольку не наносит вред окружающей среде. 

- Что можно делать из вашего материала?

- Сейчас мы активно занимаемся развитием приложений. Понятно, что легкий, стабильный и многофункциональный пластик будет востребован. Помимо химии и катализа другие сферы его применения предстоит исследовать вместе с коллегами: биологами, физиками, металловедами. Уверен, они скажут свое слово. Ископаемые углеводороды в конце концов закончатся или станут слишком дороги для массового применения (сейчас практически все полимерные материалы получают из продуктов переработки нефти и газа), а наш материал будет существовать, пока греет солнце. Одна из приоритетных целей науки сегодня — задействовать альтернативные источники энергии, создать возобновляемые дешевые материалы. Такова была и цель нашей работы. 

И еще одно важное обстоятельство. Нередко справедливо говорят о заметном отставании нашей страны в скорости реализации новых научно-технических разработок. Однако с помощью трехмерной печати у РФ есть шанс вырваться вперед. Для этой технологии не нужно строить производства, открывать традиционные КБ, набирать большие штаты сотрудников — в этом нет необходимости. Мы можем перепрыгнуть сразу через несколько ступеней и встать вровень с ведущими странами, заняв на рынке передовых технологий свою нишу. Даже если трехмерная печать быстро не заменит все отрасли традиционного производства, высокий практический потенциал аддитивных технологий очевиден.

- А как же катализаторы? Вы окончательно потеряли к ним интерес?

- Ни в коем случае! Это было и остается нашим основным направлением поисков. Создание катализаторов получает мощный стимул. Сегодня впервые у нас появляется возможность оперативно убедиться в их эффективности — достаточно напечатать химический реактор и посмотреть, на что годится наша очередная новинка. Теперь на письменном столе исследователя есть все: собственное КБ — программа трехмерного моделирования — и свой завод в виде 3D-принтера, то есть полный цикл — от фундаментальной разработки до работающего прототипа установки. Уверен, это кардинально изменит нашу жизнь.