Полимерная реальность: в России создают свои материалы нового поколения

В Кабардино-Балкарии разрабатывают многофункциональные полимеры, аналогов которым, как заверяют ученые, в России нет. Грант на исследования в 200 миллионов рублей они получили от Министерства образования и науки России. Проект рассчитан до 2020 года — предполагается, что к этому сроку новые полимеры, способные заменить металл, выйдут в промышленное производство.

Корреспондент «Это Кавказ» отправилась в лабораторию прогрессивных полимеров на кафедре органической химии и высокомолекулярных соединений в Кабардино-Балкарском госуниверситете, где идут исследования.

Как сделать Россию «полимерной»

При слове «полимеры» в голове далёкого от химии человека наверняка возникают смутные образы пластиковых пакетов и контейнеров или всплывают новости о 3D-принтерах и материалах, на которых они работают. Эти представления вовсе не ошибочны, но только этим сфера применения полимеров не ограничивается. Полимеры есть почти во всем, что нас окружает — от степлеров и оправы очков до купленного после работы в кондитерской торта и даже нас самих: ведь белки и крахмал тоже полимеры, только природные.

Синтетические, то есть созданные руками человека, полимеры могут использоваться в самых разных областях, в том числе в авиастроении, космических технологиях и медицине. Именно такие многофункциональные высококлассные полимеры разрабатывают в Кабардино-Балкарии. Аналогов им в стране нет. Ситуация с производством полимеров в России вообще оставляет желать лучшего, отмечает руководитель научного проекта по созданию новых полимеров в КБГУ Светлана Хаширова — доктор химических наук и заведующая кафедрой.

— У нас не только суперконструкционные термопласты, но даже и обычные полимеры производят очень мало, а некоторые не производят вовсе, — говорит она. — Естественно, полимеры не делаются из воздуха. Их получают из реактивов, которые называются мономеры. Большинство мономеров в нашей стране также не делают. В производстве полимеров мы в значительной степени зависим от Запада. То есть проблемы есть и их надо решать. Реализация нашего проекта — это попытка внести вклад в решение этих проблем.

Искусственное сердце и курс на космос

«Нальчикские» полимеры, уверяют в университете, будут отличаться особой прочностью, термостойкостью и устойчивостью к воздействию радиации — поэтому смогут не терять своих свойств даже в космосе. Их можно будет использовать и в Арктике — при температурах до минус 100 градусов.

В мире подобных материалов разработано всего несколько.

— Полимеров такого класса очень мало, технология их получения очень сложная и недоступная. Из-за сложности процесса производства технологии трудно масштабировать. К тому же страны, где есть подобные промышленные технологии, засекречивают их и не продают лицензии на производство. Эти материалы считаются стратегически важными, они применяются в ответственных отраслях: авиация, космос, оборонная промышленность, — рассказывает Хаширова.

Новые полимеры обладают свойствами, благодаря которым могут заменить металлы, и даже имеют перед последними ряд преимуществ. Во-первых, они не подвергаются коррозии. Во-вторых, легче алюминия на 50% и стали на 70% — что важно, учитывая мировую тенденцию на уменьшение массы изделий: самолетов, космических кораблей, автомобилей. А еще эти полимеры не горят при обычных условиях, даже если в них не добавлять специальные огнегасящие компоненты.

— Их можно назвать элитными. Если расположить все придуманные человечеством полимеры в одну пирамиду, так называемую пирамиду термопластов, то наши полимеры будут находиться на самой ее верхушке, поскольку превосходят по свойствам все существующие пластики, — поясняет Хаширова. — Их преимущество еще и в биосовместимости, то есть они пригодны для использования в медицине.

Например, из новых полимеров можно будет изготавливать импланты — они не будут отторгаться и смогут находиться в организме человека длительное время, не выделяя никаких токсичных веществ и почти не изнашиваясь или не изнашиваясь вовсе. За рубежом из подобных полимеров уже делают клапаны для сердца, заменяют полимерными «деталями» части позвоночника.

— Если импланты в позвоночнике сделаны из металла, то зимой они будут сильно охлаждаться, что может вызвать воспалительные процессы. Полимерные импланты охлаждаться не будут, а их вес гораздо меньше, — объясняет Хаширова.

Одно из приоритетных направлений работы ученых — переход к новым цифровым технологиям.

— Отличие наших материалов еще и в том, что их можно будет использовать для 3D-печати. Они могут использоваться в технологиях шестого технологического уклада, хотя мы еще и в пятый особо не перешагнули. 3D-технология активно внедряется в нашу жизнь. В нашей стране этот рынок только начинает формироваться, но мы уже, можно сказать, впереди планеты всей разрабатываем новые материалы для 3D-печати, — говорит Хаширова.

По ее словам, пока в мире существует только две марки высокотемпературных полимерных материалов для 3D-печати. В лаборатории КБГУ уже есть научно-технический задел на целый ряд.

— Получается, что мы опережаем заграничных ученых, но производства, к сожалению, пока нет, — говорит ученая.

На полученный грант химики и надеются довести технологии до внедрения в промышленность — открыть путь к изготовлению отечественных материалов.

Через три года — на завод

Соглашение с Министерством образования и науки России ученые подписали в конце сентября. Сейчас они проводят предварительные исследования и создают лабораторные образцы. В проекте задействуют около 50 человек — они будут подключаться на разных этапах в зависимости от сложности задач. К 2020 году тут обещают разработать технологии, готовые к внедрению в производство. Не только для получения полимеров, но и композиционных материалов на их основе — то есть полимеров с различными добавками для улучшения характеристик.

— Представьте себе одежду на основе хлопка. Она может быть чисто хлопковой, может быть с какими-то добавками и в зависимости от этого обладает определенными характеристиками. Тут то же самое. На основе полимеров с использованием различных добавок будет разработан ряд композиционных материалов, которые обладают разными эксплуатационными свойствами. Одна рецептура может хорошо печататься, другая — хорошо отливаться, третья — прессоваться и так далее, — рассказывает Хаширова.

Но это не конечная цель проекта. Ученые хотят добиться рецептуры полимеров с оптимальными характеристиками, перерабатывать которые можно будет каким угодно способом. Технологию получения хотят сделать гибкой — на одной и той же технологической линии производить весь класс суперконструкционных полимеров. Если результат будет положительный, технология получения таких полимеров значительно упростится. Они станут более доступными — и люди, наконец, смогут пользоваться всеми их преимуществами.

— Ну и, конечно, мы активно занимаемся поисками инвесторов для организации самого производства. Нам очень хочется, чтобы эти технологии не остались только в стенах лабораторий. Востребованность есть: различные предприятия просят у нас по 10, 20, 30, 100 килограммов, но мы лаборатория, а не производство и, к сожалению, пока не имеем возможности нарабатывать материал в таких объемах. Поэтому в идеале разработка технологии и создание производства должны идти параллельно, — объясняет руководитель проекта.

Грантовые деньги, говорит Хаширова, в основном идут на приобретение реактивов, недостающего для исследований оборудования, оставшаяся часть — на зарплаты ученых. Но, судя по всему, ученые всем довольны, осваивают новое оборудование, модернизируют старое, шутят, что на одном из усовершенствованных приборов скоро можно будет не то что изучать высококлассные полимеры для космических кораблей, но и просто летать в космос.

Как полимерная химия пришла на Кавказ

Подготовить достойную заявку на конкурс Минобрнауки и выдержать конкуренцию столичных вузов и институтов было непросто, признается Хаширова, но самое сложное только начинается.

— Нам надо решить ряд серьезных научных задач, которые мы сами себе поставили, и мы, признаюсь, пока не знаем пути решения некоторых из них. Но мы обязательно найдем самые эффективные. Мы выбрали себе нелегкий, но интересный путь. У нас ненормированный рабочий день, бывает, что уходим в час ночи, а иногда и ночуем здесь. Хорошо, что муж меня понимает и поддерживает. А что делать? По-другому такие сложные задачи за короткое время просто не решить, — говорит химик.

Она объясняет, в том, что над передовыми разработками сегодня трудятся на Кавказе, нет ничего удивительного, — это результат таких же тяжелых многолетних усилий большого числа ученых, работавших и работающих в КБГУ. В университете сложилась сильная полимерная научная школа после того, как в 1960-е, защитив докторскую диссертацию в Московском химико-технологическом институте имени Менделеева, в республику вернулся Абдулах Микитаев, ведущий ученый в области полимерной химии.

— Мы его преемники, продолжатели его дела. Абдулах Касбулатович вложил много энергии, сил, финансов, чтобы поднять здесь школу. Сейчас я могу с гордостью сказать, что у нас ведущая научная полимерная школа в Российской Федерации. Такого количества ученых, специализирующихся на этой теме, нет ни в одном вузе или в научном центре России. А на юге страны других научных центров в области полимеров нет вовсе, — говорит Светлана.

Почти все ученые, которые сейчас работают над проектом по созданию новых полимеров, — выпускники Кабардино-Балкарского университета.

— У меня в штате лаборатории сейчас работает более 30 молодых ученых, 70% из которых с учеными степенями. Поэтому особенно хорошо, что российское Минобрнауки поддержало наш проект. Благодаря этому мы смогли сохранить такой молодой научный коллектив и обеспечить его интересной и нужной государству работой.