Алмаз из спирта. Челябинские ученые придумали, как синтезировать его с помощью плазмотрона

Сегодня производство искусственных алмазов обходится очень дорого, ведь приходится создавать условия, близкие к внутрипланетным. Но недавно ученые разработали плазменно-химическую технологию синтеза наноалмазов (на нее уже получен патент), на порядок удешевляющую этот процесс.

 

Что это может дать для развития наукоемких производств завтрашнего дня? Об этом — наш разговор с одним из создателей ноу-хау, кандидатом технических наук Вячеславом Шестопаловым, советником Российской академии ракетно-артиллерийских наук, директором инновационного научно-производственного предприятия.

Энергия пузырьков
— Как вы пришли к этой идее?
— В 2008 году, когда я работал директором на оборонном заводе «Пластмасс», мы запустили производство детонационных алмазов. Они «синтезировались» из углерода по традиционной дорогостоящей технологии ученых снежинского ВНИИТФ методом взрыва. Причем выход наноалмазов был невысок — всего 20 %, и они требовали дополнительной очистки. Позже, когда я ушел с завода, создал инновационное малое предприятие, где мы продолжили эту работу. И разработали совершенно новую технологию «выращивания» наноалмазов путем плазмохимического синтеза. Их размеры в 10 раз меньше, чем у «пластмассовских», всего 10-20 нанометров, что намного улучшает полезные свойства созданных с их «вкраплениями» композиционных материалов. Учитывая данные рентгенографии, можно сказать, что наноалмазы такой структуры были синтезированы впервые.
— А в чем новизна этой технологии?

— Мы научились синтезировать наноалмазы из обычного этилового спирта (он содержит углеводородную группу) с помощью плазмотрона. Этанол в парообразном состоянии подается в дуговую зону, плазменная струя разгоняется до сверхзвуковой скорости и запускает процесс превращения спирта в наноалмазы.

Затем родилась идея убрать контакт с воздухом. И мы нашли решение, погрузили плазменную струю в воду! Без окислителя-кислорода процесс стал безопаснее, повысилась чистота и скорость реакций. Под воздействием сверхвысоких температур происходит так называемый эффект кавитации — схлопывания крошечных пузырьков с радикалами углерода и водорода. Они сжимаются до критического объема, а затем происходит мини-взрыв! При этом энергозатраты сокращаются в разы (не превышают 10 кВт), поскольку выделяется колоссальная энергия, преобразующая вещество.
— Как ее «приручить», чтобы работала на пользу делу?
 
— Первое время процесс был неуправляемым, но мы направили его «в нужное русло», поставив под водой конусный индуктор. Токи высокой частоты, накладываясь на эффект кавитации, расширили «зону метаморфоз», на порядок увеличили количество пузырьков и выход наноалмазов. В конечной стадии «алмазный гель» поступает в центрифугу, где происходит обогащение продукта.

За сутки работы реактора мы получили более 200 граммов наноалмазов (их выход вырос до 30 %) без каких-либо примесей и идеальной сферической формы! Их полезный эффект намного выше, чем у разнокалиберных прототипов. А сейчас с инновационным центром «Сколково» ведем переговоры о создании промышленной многореакторной установки, которая будет их производить за сутки до килограмма! Сотрудничаем и с НОЦ «Нанотехнологии» ЮУрГУ, чтобы доработать технологию и изучить свойства новых материалов в рамках научно-производственной коллаборации.

Наноалмазный композит

— Где ваше ноу-хау может найти практическое применение? 

— Это «ячейки памяти» микроэлектроники, радиаторы светодиодов, что намного повышает их мощность. Этот уникальный по структуре материал может служить катализатором химических реакций. А если его добавить в топливо ракет, то при тех же параметрах происходит скачок скорости сгорания и тяги.

Наноалмазы, как оказалось, также ускоряют вживление карбоновых протезов — и зубных, и участков кости: ткани их не отторгают и быстро растут. С ортопедами Санкт-Петербурга ведем переговоры по созданию наноалмазной защитной пленки на поверхности протезов и имплантатов, ускоряющей процесс вживления в организм человека. Кроме того, наноалмазы служат в качестве активаторов заданных свойств композиционных материалов — в разы повышают прочность, гибкость…
— Наноалмазы могут придать материалам заданные свойства?
 
— Это так. Примером тому — созданный нами композитный материал «РБ-Эндокомб» (он сейчас патентуется), выполненный в виде «пчелиных сот» с гексагональными ячейками. Армированные нановолокна карбида кремния снимают напряжение, а добавка в его структуру наноалмазов повышает надежность, нагрузки на сжатие и изгиб. Уникальный композит работает по принципу «химического холодильника» на эффекте эндотермических реакций химсоединений и отводит излишки тепла.
— Смогут ли наноалмазы произвести революцию в оборонном производстве?
— Мы создали наноалмазный термобарьерный композитный материал, который может стать незаменимым при разработке конструкций торпед. Пожар в торпедном отсеке подводных лодок чреват непредсказуемыми последствиями, а наш базальто-волокнистый композит, «утилизируя» тепло, предотвращает угрозу взрыва. Так работает наша эндотермическая керамическая матрица с наноалмазной начинкой! Неслучайно этот материал получил высокую оценку экспертов на Международном военно-техническом форуме «Армия-2017», проходившем в подмосковной Кубинке.
— Чем могут быть полезны наноалмазы на «гражданке»?

— Спектр их применения очень широк. К примеру, мы вместе с индустриальным партнером, челябинским НПО «Урал», разрабатываем нанозащиту их продукции — узлов и деталей автомобилей КамАЗ. Если в их полимерную структуру добавить наноалмазы, прочность, по расчетам, вырастет многократно! Наш сотовый наполнитель с наноалмазными компонентами может принести немало выгод и в кораблестроении. Для него вместе с ведущими конструкторскими бюро кораблестроения Санкт-Петербурга разрабатываем новые композиты с улучшенными свойствами. По расчетам, они, повысив прочность, уменьшат вес корабля, снизят расход материалов. А это особенно ценно, например, при строительстве круизных судов и контейнеровозов, там, где требуется экономия топлива за счет уменьшения массы судна.

И в недра, и в космос
 
— Наноалмазы могут вернуть вторую жизнь нефтяным скважинам?
— Вместе с МГУ, Институтом радиотехники и электроники РАН им. В.А. Котельникова мы запускаем проект «оживления» выработавших свой ресурс нефтяных скважин. Они забиты битумными «пробками», которые раньше пробивали по дорогостоящей канадской технологии парового прогрева. А мы разработали бинарный раствор, разжижающий пробки. Он отводит излишки тепла, снимая угрозу взрыва! В состав одной из жидкостей входят наноалмазы, намного ускоряющие процесс. По расчетам, расходы на нефтяную «реанимацию» снизятся в сотни раз! Опытный образец установки планируется изготовить на миасском заводе «Уралпромтехника».
— Сможет ли ваш чудо-материал заглянуть в морские глубины, дотянуться до космоса?

— Напомню, что в магнитогорском НПО «Андроидная техника» разработали антропоморфных роботов для освоения подводных нефтяных скважин, их собрата FEDORа для полета на Марс на корабле «Федерация». И стоит задача защитить их от давления воды, космических излучений и микрометеоритов. Думаю, при создании композитных материалов корпусов роботов и скафандров есть резон применять и наши наноалмазы. Уверен, они выдержат! Кроме того, на МКС много проводов, которые нагреваются в работе, и могут возникнуть проблемы с охлаждением. Наш «химический холодильник» с наноалмазной защитой способен не допускать перегрева даже в глубоком космосе при гигантских перепадах температур!
Читайте больше на сайте Южноуральской Панорамы

Алмаз из спирта. Челябинские ученые придумали, как синтезировать его с помощью плазмотрона