От минералов к новым материалам. Приоритеты в производстве материалов в XXI веке

рья. Эти обстоятельства побудили нас к подготовке настоящей заметки, в которой тезисно характеризуется современное материаловедение и перспективы его развития в части производства новых материалов, в том числе на минеральной основе. Обсуждаемая тема находится в русле сформировавшейся в последние годы актуальной проблемы «от минералов к материалам» [1, 14], транслирующей путь от полезных ископаемых к новым материалам. Поэтому мы полагаем, что приведенные здесь соображения о современных трендах в производстве материалов будут интересны как специалистам, которые рассматривают минералы как перспективные материалы, так и тем, кого минеральное сырье интересует больше как источник или основа получения новых материалов.

Материалы и производство материалов в жизни человека и истории человечества

Материалы и производство материалов сыграли огромную роль в формировании человеческой культуры и цивилизации. Потребность в материалах возникла, как только человек стал действовать осознанно. С помощью материалов он был способен увеличивать свои ограниченные возможности. И первые материалы, которыми он воспользовался, были минералами, горными породами или материалами на минеральной основе. В последующем целые исторические эпохи получа- ли названия по преобладающему материалу — каменный век, бронзовый век и т. д. И такая связь человеческой цивилизации с материалами с веками только усиливалась. Материалы непосредственно влияли на жизнь человека. Перефразируя известное выражение, можно сказать: каковы были материалы — такова была и жизнь. Это побуждало его к поискам и производству все более ценных и разнообразных материалов.

В истории человечества материалы и производство материалов претерпели впечатляющую эволюцию, проходя через ряд последовательных ступеней и революций, в направлении от использования природных материалов до их целенаправленного создания (см. рисунок-коллаж, сделанный Н. Н. Пискуновой для этого сообщения).

Первая материаловедческая революция произошла, когда человек стал использовать одни материалы для производства других. В этих целях, естественно, использовались природные материалы. Технологии в большинстве своем воспроизводили природные. Новые материалы оставались минеральными или были получены на минеральной основе. Возможности природы долго были предметом подражания и зависти. Лишь в последние годы созданные человеком технологии получения новых материалов стали сопоставимы или даже стали превосходить природные. Это было вызвано тем, что резко возросли потребности науки, техники и новых производств в материалах со

Ступени удовлетворения нужд человека в материалах: от использования природных материалов до творения материалов по потребностям

Stages of satisfying human needs in materials: from use of natural materials to creation of materials according to the needs

специфическими свойствами. Произошла смена парадигмы в производстве материалов, что привело к новой революции в материаловедении. В результате характерное для прошлого производство материалов на основе опыта стало превращаться в целенаправленное создание материалов на основе знаний, в том числе и тех, которых не было в природе.

При этом минералы и другие полезные ископаемые остаются естественным ресурсом для получения новых материалов. Продолжают развиваться методы целевой переработки природного сырья и технологического модифицирования свойств минералов. До сих пор нередки примеры, когда тот или иной минерал из-за обнаружения новых свойств находит неожиданные применения и выступает как перспективный материал [14]. Даже хорошо известные нам минералы таят еще много неизвестных свойств, открытие которых резко повысит их материаловедческую ценность. В целом путь от полезных ископаемых к материалам человечеством еще до конца не отработан.

О новом этапе материаловедения и производства материалов

Происходящие в материаловедении, получении и использовании материалов изменения грандиозны. Достигнутые здесь успехи настолько велики, что мы переживаем очередную материаловедческую революцию, имеющую и важные культурные последствия, сравнимые с переходом от каменного века к бронзовому. Само материаловедение как наука изменилось, оно стало междисциплинарной областью, объединяющей химию, физику, а также биологию, связанную с живой природой (биомиметика). В разных странах появилось огромное количество материаловедческих центров, лабораторий. Издаются международные специализированные научные журналы (Advanced materials, APL materials, Journal of materials Science, Materials Today, Metamaterials, Progress in Materials Science и др.). Имеется обширная литература и на русском языке, в том числе монографические обобщения энциклопедического характера [6], учебные пособия [9], уже почти два десятилетия выходят книги серии «Мир материалов и технологий» [5, 8], в которых имеется огромное количество ссылок, необходимых для анализа современного состояния, обобщения и определения приоритетов науки о материалах. Мы ограничимся лишь ссылками приоритетного характера.

Возросли требования к материалам. Особенности современного этапа в получении новых материалов, в том числе и на минеральной основе, связаны с тем, что материалы перестают быть пассивными объектами. Мы постепенно переходим к поискам или созданию материалов для конкретных целей. На передний план выходят функциональные материалы [4], которые что-то «делают». Материалы приближаются к приборам, они все больше действуют как машины. В обиход вошли термины «умные материалы» и «природоподобные технологии». Материаловеды проектируют и обсуждают материалы, которые могут существовать, но ещё не открыты. Это вносит свои коррективы в разработку методов синтеза материалов (комбинаторные методы, матричная сборка и т. д.). «Умные» технологии должны решить проблему «догнать и обогнать природу».

Принципиальное значение в производстве материалов приобрёл фактор масштаба. Мы научились производить наноразмерные материальные объекты — нанокластеры и наноструктуры, реальностью становятся нанотехнологии, способные контролировать и управлять веществом и процессами в нанометровом масштабе [8, 12, 15]. В этом масштабе размеров стираются границы между материаловедческими и смежными науками. В процессах на наноуровне неразличимы те характеристики и свойства, которые на макроуровне изучаются физикой, химией, биологией и т. д., с чем связана уникальность наномира. Материаловедческое значение нанотехнологии заключается в том, что приемы и методы, которые там реализуются, формируют принципиально новую парадигму создания материалов. Возможности оперирования отдельными атомами и молекулами открывают неизведанные ещё пути конструирования материалов по методологии «снизу вверх». Перспективы нанотехнологий в производстве материалов, по общему признанию, представляются захватывающими. Однако реализация таких потенциально весьма эффективных подходов пока остается в области наших мечтаний. Это скорее разновидность инженерного творчества [8]. Мы и сегодня больше надеемся на прозорливость и удачу исследователя. Многие перспективные материалы, как и в старину, открываются случайно. Так, углеродные нанотрубки, которые сейчас рассматриваются как уникальный материал, не были предсказаны даже после открытия фуллеренов [11].

От века кристаллов к веку инновационных материалов

XX век вошёл в историю материаловедения как век кристаллов. Практически к середине века была решена грандиозная проблема обеспечения новых отраслей промышленности технически ценными кристаллами [2]. Созданы промышленные технологии получения кристаллов кварца, флюорита, сапфира, кремния, германия и т. д. Искусственно выращено также большинство драгоценных камней. Интересно, что соответствующие промышленные технологии кристал-лосинтеза не всегда копировали природные процессы, что свидетельствует о том, что возможно обойти природу.

Однако примеров, когда природа помогает решать задачи получения новых материалов, гораздо больше. Поэтому многие продолжают видеть в природе непревзойденного инженера и учителя. Более того, это усиливающийся тренд в производстве новых материалов. Важно еще раз отметить, что природные материалы часто служат превосходными по эффективности матрицами для производства широкого класса новых материалов, в том числе так называемых фотонных кристаллов, биоподобных структур, а также вдохновленных природой архитектурных элементов в создании материалов.

В этом плане конец XX — начало XXI века характеризуется целым рядом выдающихся достижений. Так, удивительными свойствами обладают так называемые метаматериалы [16]. Они отличаются от природных материалов тем, что имеют отрицательный показатель преломления, и используются для покры- тий, которые делают объекты невидимыми в лучах длинноволнового диапазона. На слуху опалы и опалоподобные матрицы, в которых путем заполнения другим веществом пространства между образующими их сферическими частицами создаются фотонные кристаллы и другие мезопористые материалы.

За последние годы синтезировано широкое семейство упорядоченных макро-, мезо- и нанопористых неорганических материалов на минеральной основе. В издательстве Springer подготовлена крупная монография по пористым материалам [13]. В зависимости от метода изготовления эти материалы имеют каналы или поры одинаковых размеров, которые расположены упорядоченно и формируют сотовую структуру. Они напоминают алюмосиликатные цеолиты, которые благодаря их пористому строению широко используются как катализаторы и молекулярные сита. Собственно, открытие нового класса мезопористых материалов произошло неожиданно, когда пытались создать новые типы цеолитов.

Нелишне напомнить здесь и об аэрогелях [10] — уникальных материалах с высокой пористостью и большой площадью поверхности. Их плотность практически близка к плотности воздуха. Первые образцы аэрогеля двуокиси кремния были получены 90 лет назад С. Кристлером, и в наши дни рассматриваются как перспективный инновационный материал. Аэрогели находят применение как высоко эффективные катализаторы, сорбенты, тепло- и звукоизоляторы и т. д. Для их получения чаще всего используются оксиды (SiO2, Al2O3, ZnO, TiO2 и др.) и другие неорганические соединения. Аэрогели сейчас признаны как наиболее интересные и перспективные высокопористые материалы.

В настоящее время индустрия новых материалов переживает стремительное развитие. Лидировавшие до настоящего времени технологии получения искусственных минералов, кристаллов и кристаллических пленок уступают место производству нанокомпозитов — композиционных материалов, состоящих из двух или большего числа фаз, в которых хотя бы одна из фаз состоит из частиц нанометровых размеров [4, 11]. Уникальные свойства демонстрируют нанокомпозиты на основе фуллеренов, нанокомпозитные материалы с нанотрубками, а также полимерные нанокомпозиты на основе слоистых силикатов, глинистых минералов. Ассортимент наполнителей нанокомпозитных материалов расширяется с каждым годом. Подбор таких модификаторов и наноразмерных добавок представляется перспективным направлением улучшения свойств композитных материалов.

Особое место обещают занять среди перспективных материалов будущего и сами недавно открытые формы углерода: фуллерены, нанотрубки, графены [11]. Например, углеродные нанотрубки, возможно, являются самыми прочными из всех созданных человеком материалов. А открытие графена в 2004 г. вообще стало сенсацией в научном мире. Это принципиально новый материал, представляющий собой единичный слой атомов углерода, самый плоский из всех возможных материалов.

Уникальные открытия ждут нас в связи с изучением и использованием отдельных минеральных моно- и полислоев атомов, двумерных кристаллов. На этой основе открываются пути построения новых типов гетероструктур, мультислойных материалов, обладающих необычными свойствами.

Очень интересное направление в создании новых материалов с необычайно полезными свойствами связано с использованием молекул, построенных из так называемых суператомов — кластеров из атомов [3]. Они ведут себя как одиночные атомы, но построенные из них молекулы и сложные структуры совершенно уникальны как строительные элементы для новых материалов (суперматериалов из суператомов). Речь идет об атомах, которых не существует в природе. Молекулы из суператомов авторы предлагают рассматривать как «путь достижения большего, чем дает природа» [3]. И это вполне реально.

Таким образом, характерные черты современного, инновационного этапа развития технологического материаловедения связаны с переходом производства материалов на основе опыта к производству и проектированию материалов на основе знаний и новых технологий. Нет сомнения, что в технологии получения новых материалов открываются новые горизонты. Наметились неизведанные пути для дальнейшего прогресса в изобретении и дизайне материалов. Дорожная карта современного материаловедения позволяет надеяться на успешное удовлетворение все возрастающих требований к материалам со стороны электронных и информационных технологий, энергетики и медицины, оборонной промышленности, космических технологий и т. д. Нас ожидают поразительные изменения в фундаментальных основах производства материалов с необычными и полезными свойствами, в том числе получаемых на основе минералов и минерального сырья. В целом современная повестка в области производства новых материалов ориентирована на серьезные изменения во многих сферах жизни человечества и в человеческой цивилизации.

Приоритеты производства материалов в XXI веке

Безусловно, среди приоритетов нового этапа технологического материаловедения на ближайшую перспективу будут следующие направления, в рамках которых сегодня сосредоточены наиболее интересные проблемы, переводящие науку о материалах и технологии их производства на качественно иной инновационный уровень.

• 1.    Использование фактора масштаба, новых нанотехнологических и наноинженерных идей, в том числе предполагающих прямое воздействие и операции над отдельными атомами, управление атомными процессами на поверхности.

• 2.    Создание «умных» материалов и материалов для конкретных целей, включая материалы-приборы и материалы-машины, а также инфинитезимальные машины по Р. Фейнману [12].

• 3.    Изобретение, прогнозирование и дизайн новых материалов, отсутствующих в природе. Создание наноструктурных материалов с наперед заданными свойствами. Производство функциональных материалов для экстремальных условий эксплуатации.

• 4.    Производство биоорганических материалов и материалов, воспроизводящих живое вещество (струк- 37

  
  

турную организацию живых организмов). Развитие так называемых природоподобных технологий, планомерный отход в создании материалов от упрощенных схем имитации природы в сторону использования готовых элементов, созданных природой, в том числе живыми организмами, в синтезе и дизайне материалов, включая биокопирование соответствующих структур.

Прогресс в этих направлениях, очевидно, потребует и более глубокого понимания процессов взаимодействия атомов и молекул в наномире на этапе образования ими самого конденсированного вещества (кристаллического или некристаллического, живого или неживого), функционирования и эволюции малых, формирующихся в этом мире объектов, приобретения или программирования ими тех или иных свойств. Это комплекс вопросов, сводящихся к фундаментальным проблемам — как произошло вещество (и не только минеральное) и как управлять этим процессом.

Работа выполнена при поддержке проекта РФФИ № 19-05-00460/19.