При условии, что изготовят ее из углеродных нанотрубок. Нить, которая выдержит груз весом в 20 тонн. Фантастика? Вовсе нет. Правда, для начала нужно получить сами нанотрубки

«Выращиванием» нанотрубок - одним из перспективных направлений в физике - занимается кафедра «Нанотехнологии» физфака ЮФУ. Ученые получают их из обычного графита в дуговом разряде, где трубки «выпекаются» в виде цилиндров, размер которых измеряется в нанометрах. Толщина таких трубок – 0,7– 3,5 нанометра, это — 10 в минус девятой степени метра, одна миллиардная его часть, которую даже в микроскоп не рассмотреть. Но современные спектрометры позволяют исследователям зарегистрировать даже спектр одной-единственной нанотрубки, определить ее диаметр и понять, как она устроена.

Бывают совмещенные трубки, состоящие из вложенных один в другой цилиндров. Их стенки состоят из одного слоя атомов. Эксперименты, проводимые учеными кафедры, позволяют зарегистрировать «поведение» трубок и установить: как они вложены друг в друга, каково соотношение их диаметров и при каких диаметрах они начнут взаимодействовать. Что в итоге из этого может получиться?

- Провода будущего. Внутренняя трубка - по ней течет ток, а внешняя является изолятором, - объясняет руководитель кафедры «Нанотехнологии» доктор физико-математических наук Юрий Юзюк. - Внутри трубки электрон сможет распространяться, не сталкиваясь с так называемой кристаллической решеткой, как это происходит в полупроводниках.

Основная проблема современной полупроводниковой микроэлектроники - разогрев. Не случайно во всех компьютерах стоит несколько вентиляторов, охлаждающих микросхемы. Сгорел вентилятор, считайте, сгорел процессор. Как создать устройство микроэлектроники, чтобы оно не выделяло тепло?

- Если электрон будет двигаться внутри нанотрубки, он не будет сталкиваться с узлами кристаллической решетки, - говорит Юзюк. – Значит, не будет причин для выделения тепла. Таким образом, мы получим нанопровода, которые не нагреваются. С использованием углеродных наноматериалов вся электроника перейдет на иной уровень с точки зрения потребления электро­энергии, прочности и миниатюризации.


Уникальные свойства

В свое время Юрий Иванович привлек на кафедру талантливых студентов. Один из них — Дмитрий Левшов. Он - из первого выпуска кафедры. В рамках договора между ЮФУ и университетом Монпелье он в течение трех лет получал именную стипендию французского правительства на научные исследования и обучение в совместной аспирантуре, где затем защитил кандидатскую диссертацию на французском языке. Исследуя, как ведут себя нанотрубки в различных средах, Дмитрий обнаружил, что углеродные добавки не только корректируют в нужную сторону свойства этих сред, но и меняются сами. А при добавлении нанотрубок в композитные материалы они реагируют на малейшие изменения окружающей среды, меняют свои свойства.

По своим механическим свойствам нанотрубки уникальны. Поскольку они состоят из углеродов, их можно делать из самых разных органических соединений, которых в природе много. И в итоге создавать экологически чистые материалы, не содержащие тяжелых металлов. Такие материалы легкие и очень прочные. По расчетам ученых, нить из углеродных нанотрубок способна выдержать груз в 20 тонн. Если ими армировать, укреплять ткани, то можно получить композитные материалы с фантастическими свойствами. Например, корпуса автомобилей из этих материалов будут во много раз легче и прочнее металлических. К тому же они не будут подвергаться коррозии. Автомобили из наноматериалов уменьшат расход бензина или электроэнергии и смогут передвигаться на большие расстояния.

Углеродные нанотрубки можно использовать для укрепления любых покрытий (лаков, красок, бетона) для армирования. Если бетонные плиты заменить легкими и прочными углеродными композитами, они будут выдерживать как низкие, так и высокие температуры.


Растут спонтанно

Нанотрубка.jpgЮрий Иванович считает, что просто делать нанотрубки и что-то из них «печь» - не самое разумное. Нужно глубокое понимание того, что они из себя представляют, как устроены, и, что важно, как можно контролировать их синтез. На средства нового гранта Российского фонда фундаментальных исследований ученые делают установку для синтеза индивидуальных нанотрубок.

- То есть мы должны научиться, как сделать трубку нужного нам диаметра. Пока же нанотрубки растут спонтанно, как «природа захотела». Вот если мы научимся делать контролируемый синтез, тогда мы сможем создавать материалы с заданными свойствами.

Сегодня над этой проблемой бьются тысячи лабораторий во всем мире. У каждой - свои подходы, методы, задачи. Одни стремятся вырастить трубки горизонтально и таким образом получить провода, связывающие элементы микросхемы, другие - выращивают их вертикально для создания сенсоров, датчиков. А кому-то нужны отдельные трубки, которые можно будет поместить в композит и сделать потом консолидированный, единый материал. Тот, кто первым сможет добиться контролируемого синтеза, сделает в физике настоящий переворот.

- Если будет изобретен прибор, в котором мы нажмем кнопку и скажем, что нам нужна нанотрубка диаметром 1,2 или, предположим, 2,5 нанометра, и такая трубка вырастет, то авторы такого прибора, безусловно, будут удостоены Нобелевской премии.


Хватит вам и голоса...

Сегодня на кафедре трудятся около 30 человек. Восемь из них - доктора наук, десять - кандидаты наук. Обучаются более 100 студентов бакалавриата и магистратуры по направлению «Нанотехнологии и микросистемная техника» и 15 аспирантов, включая иностранцев.

Масштаб исследований наноструктур на кафедре - большой. Они не только выращивают нанотрубки, но еще изучают так называемые многослойные пленки оксидов. В перспективе из них можно будет создавать новую элементную базу для записи, хранения и передачи информации. Сейчас ячейка памяти компьютеров - это домен магнитного материала размером несколько микрометров, а необходим наноуровень. Нужны принципиально новые материалы, из которых можно сделать процессоры с той же емкостью, что сейчас, но размерами не в два, а в тысячу раз меньше.

- Что же станет с мышью, клавиатурой - постоянными атрибутами компьютерной техники? - спрашиваю Юрия Ивановича.

- Никаких текстов на клавиатуре набирать не придется, - говорит он. - Клавиши скоро вообще исчезнут. Вы станете передавать и получать информацию в голосовом режиме. Просто нужно будет «обучить» соответствующее устройство тембру вашего голоса.

Созданные на основе оксидов новые материалы позволят не только записывать и хранить информацию, но и многократно увеличат рабочие частоты, от которых зависит скорость передачи информации. И тогда ни ваш компьютер, ни Интернет никогда не будут «зависать».

Многие задачи ученые кафедры решают вместе с коллегами из научно-исследовательских институтов ЮФУ, Южного научного центра РАН, ведущих научных институтов РАН, научных лабораторий Германии, Франции, Португалии, Швеции и США.

Еще в 90-е Юрий Юзюк более пяти лет проработал за рубежом, в научных лабораториях ведущих университетов мира. С тех пор поддерживает связь с ними. Он уверен, что обмен идеями, мыслями, разработками очень важен в науке.

- Мы достаточно хорошо интегрированы в мировую науку, - подчеркивает Юрий Иванович. - Ибо, как говорил Чехов, науки не бывает национальной, как не бывает национальной таблицы умножения.

И все-таки очень хочется, чтобы грядущая Нобелевская премия за создание метода контролируемого синтеза нанотрубок досталась именно нашим, ростовским, ученым с кафедры «Нанотехнологии» ЮФУ.


В этом году ученые физического факультета Южного федерального университета отмечают две даты: 100 лет со дня основания вуза и 10 - с момента образования кафедры «Нанотехнологии». Она открылась в 2005-м, спустя год после принятия Минобрнауки РФ первых в России образовательных программ по нанотехнологиям. Возглавил кафедру кандидат физико-математических наук, доцент Юрий Юзюк. Тогда же на кафедру пришла первая группа из двенадцати студентов, которые стали заниматься новым для факультета, да и Ростова, направлением. А в 2010-м на кафедре состоялся первый выпуск. Из десяти ребят больше половины поступили в аспирантуру. Некоторые уже защитили кандидатские диссертации (в том числе и за рубежом), преподают на кафедре.


В 2012 году на базе кафедры «Нанотехнологии» был организован научно-образовательный центр «Физическое материаловедение микро- и наносистем» для фундаментальных и прикладных исследований в области новых перспективных функциональных материалов для микро- и наносистемной техники и ряда других направлений, связанных с нанотехнологиями. Своими научными статьями (30 работ в год), индексируемыми зарубежными изданиями, ученые кафедры вносят заметный вклад в рейтинг научных публикаций ЮФУ.