Взорвать алмазную жилу
Взорвать алмазную жилу
Поразительно, но факт: до 60% пылевой взвеси, образующейся после взрыва обычной армейской взрывчатки, — это искусственные алмазы размером 4–7 нанометров. Они образуются в эпицентре взрыва при высоких температурах и давлениях из обычного углерода, который, как известно, присутствует как в тротиле, так и в гексогене.
Первое в Советском Союзе опытно-промышленное производство по наработке синтетических алмазов детонационным методом было запущено в начале 1980-х в НПО «Алтай» в Бийске. Однако толку от него было мало. Технологическая линия, реализующая управляемый взрыв, позволяла получать не алмазы в чистом виде, а алмазосодержащую шихту, в которой помимо собственно алмазов присутствовали продукты взрыва и несгораемые примеси — окислы металлов, попадающие в шихту со стенок технологического оборудования. Нужно было найти способ выделять из всего этого мусора наноразмерные кристаллы алмазов. С этой задачей руководство НПО «Алтай» обратилось в ленинградское Специальное конструкторско-технологическое бюро (СКТБ) «Технолог».
Добыть алмазы из тротила
СКТБ «Технолог» было создано в 1963 году по инициативе Льва Багала, заведующего кафедрой химии и технологии органических соединений азота Ленинградского технологического института (знаменитой на всю страну Техноложки), как испытательная база для проверки и реализации лучших идей сотрудников вуза.
С самого своего образования СКТБ «Технолог» не вписывалось в тогдашнюю организационную структуру научных исследований. Формально относясь к вузовской науке, оно действовало как серьезное отраслевое НПО — разрабатывало и доводило технологии сразу до промышленной стадии и, минуя промежуточные звенья, передавало их в готовом виде на серийные заводы.
Уровень созданных здесь технологий был очень высок, поскольку СКТБ имело приоритетное право забирать к себе самых талантливых выпускников Техноложки. «И академические, и отраслевые институты страшно завидовали нашему СКТБ, потому что у нас каждый год было “право первой ночи” — мы отбирали себе лучших специалистов, а им доставалось то, что осталось», — вспоминает Валерий Долматов, руководитель Центра интенсивных технологий СКТБ «Технолог». На собранном в «Технологе» самом современном оборудовании ежегодно проходили практику сотни студентов, которые затем шли работать на производственные предприятия и становились проводниками новых технологий в промышленность. «Такую идеологию заложил в свое детище профессор Багал, и она особенно успешно работала в области новых прорывных технологий, — подчеркивает Валерий Марчуков, заместитель руководителя Центра интенсивных технологий СКТБ “Технолог”. — Выпускники Техноложки, прошедшие через СКТБ, были самыми востребованными кадрами в СССР, ведь они хорошо разбирались в том, о чем заводские инженеры зачастую даже не имели представления».
Отличное оборудование и высокий уровень квалификации инженеров и технологов позволяли СКТБ вести серьезные материаловедческие работы в интересах ВПК. Только один пример: именно «Технолог» разрабатывал, а сейчас поставляет военным катализаторы для отверждения композитных материалов, использующихся в отечественной стелс-технологии.
Коньком СКТБ изначально являлся химический синтез веществ и материалов в жестких условиях. «С 1976 года мы владели такими методами воздействия на среды и физические тела высоких давлений, больших температур и агрессивных окислителей, которые были недоступны другим организациям, — поясняет Валерий Марчуков. — А с увеличением давления и температуры скорость химических реакций, как правило, увеличивается, и это делает возможным то, что невозможно в обычных условиях». Один из этих методов, созданный в свое время Евгением Вишневским и Вадимом Сущевым для очистки веществ, применяемых в оборонке, был основан на использовании азотной кислоты под высоким давлением. Именно этот метод, модифицированный в 1984 году под алмазосодержащую шихту, позволил отделить детонационные алмазы от всех примесей. Степень чистоты материала получилась очень высокой. А вскоре выяснилось, что мировая индустрия, уже тогда активно использовавшая детонационные алмазы, не обладает сравнимой по эффективности технологией их очистки.
К концу 1980-х, когда заказы от оборонки практически прекратились, сотрудники подразделения СКТБ, которое с самого начала занималось разработкой этого уникального метода, а затем проектировало технологическую линию непрерывного действия для его реализации, решили сделать производство детонационных алмазов одной из своих ключевых компетенций. Сейчас это подразделение носит название Центр интенсивных технологий (ЦИТ).
Алмазы широкого профиля
Детонационные алмазы — материал нетривиальный. Главная его изюминка — особое строение поверхности кристаллов. Она покрыта множеством функциональных кислородсодержащих групп, которые придают этой разновидности синтетических алмазов гидрофильность — родство с водой и с любыми растворами и средами на водной основе (традиционные синтетические алмазы гидрофобны). Именно эта особенность обеспечивает данной разновидности синтетических алмазов широкий спектр применения.
В отличие от классических искусственных алмазов, получаемых методом статического синтеза и годных только на абразивную крошку для предварительной (грубой) обработки твердых и сверхтвердых материалов, детонационным алмазам уже найдено применение в десятках различных областей — от упрочнения полимеров до противораковой терапии. В ближайшем будущем, утверждают специалисты, будет открыто еще как минимум столько же.
Промышленное освоение детонационных наноалмазов ведется по четырем направлениям. Самая большая по объемам потребления ниша рынка — полировальные композиции для финишной и суперфинишной обработки поверхностей. Вторая область, где рынок уже распробовал этот наноматериал, — гальванические металлоалмазные покрытия. Если ввести в традиционное покрытие наноалмазы, его износостойкость увеличится в четыре-пять раз, заметно усилятся и его антикоррозионные свойства. Третья ниша — присадки для машинных масел и смазок. При добавлении нанокристаллов их антифрикционные свойства улучшаются на порядок. Наконец, четвертое набирающее популярность направление — алмазные добавки к резинам. «На рынке уже есть технологии, позволяющие добавлять в резину наноалмазы. В итоге получаются дорогие автомобильные шины с длительным сроком ходимости и отличным сцеплением с полотном дороги», — говорит Валерий Долматов. Технологию эту освоила, в частности, компания Michelin.
Еще несколько перспективных областей работы с наноалмазами находится пока на опытно-экспериментальной стадии. В наибольшей степени проработана тема алмазных и металлоалмазных спеков — композитных материалов, из которых предполагается изготавливать особо ответственные детали машин и механизмов. Весьма многообещающи результаты экспериментов с детонационными наноалмазами в медицине и биотехе. «Поскольку наш алмаз обладает родством к воде, это позволяет применять его в том числе в живых системах — например, для борьбы с разными видами плесени, для защиты памятников от разрушения в агрессивной городской среде, для более глубокого проникновения активных составляющих косметических средств, в роли антиоксидантов, в качестве транспорта лекарственных компонентов, которые можно “привить” к его поверхности, и даже для разрушения раковых клеток», — перечисляет Валерий Долматов.
Особняком стоит самая маржинальная и, пожалуй, самая престижная область потенциального применения наноалмазов — твердотельная электроника. «Мы занимаемся в том числе созданием алмазных полупроводников. Для этого в кристаллической решетке алмаза нужно заместить атом углерода атомом бора, фосфора, германия или серы, — рассказывает Валерий Долматов. — Подобные алмазные полупроводники должны прийти на смену кремнию в электронике. Наше преимущество в том, что детонационный синтез дает алмазы с самой устойчивой кристаллической структурой».
Одна из ключевых проблем на этом направлении — как обеспечить высочайшую степень чистоты алмазного полупроводника после всех манипуляций с его кристаллической решеткой (количество примесей не должно превышать 0,1%). И здесь вполне может «выстрелить» уникальная азотнокислая технология очистки, которой владеет ЦИТ.
С алмазами, но без продюсера
Стадия очистки — ключевой этап технологической цепочки производства детонационных алмазов. В себестоимости конечного материала она составляет три четверти.
Во всем мире образовавшуюся в результате взрыва алмазосодержащую шихту чистят посредством кипячения в концентрированной серной кислоте с добавлением соединений хрома. Эта технология, во-первых, очень грязная. Во-вторых, она не обеспечивает должной степени очистки: неалмазные формы углерода уходят, а значительная часть несгораемых примесей окислов металлов, крайне вредных для дальнейшего применения алмазов, остаются. В-третьих, во время очистки вносятся дополнительные загрязнения в конечный продукт — в алмазах остается много шестивалентного хрома, являющегося сильнейшим ядом.
Метод очистки, разработанный в «Технологе», лишен всех вышеперечисленных недостатков. Он позволяет получать наноалмазы высокой степени чистоты — количество несгораемых примесей не превышает 0,3–0,6% (при сернокислом методе — от 2% и выше). Сырье для этой технологии (алмазосодержащую шихту) можно либо наработать самим, либо купить на стороне (метод ее изготовления достаточно прост), и, выходит, питерские инноваторы обладают лидирующей в масштабах мира технологией производства очень перспективного и востребованного наноматериала.
- Валерий Марчуков, заместитель руководителя Центра интенсивных технологий СКТБ «Технолог»: «Мы владеем такими методами воздействия на среды и физические тела высоких давлений, больших температур и агрессивных окислителей, которые другим организациям недоступны»
Помимо собственно технологии у специалистов ЦИТ есть и серьезные научные компетенции для ее развития: Валерий Долматов входит в первую пятерку мировых исследователей детонационных наноалмазов. «Наша технология — гордость России, — утверждает Долматов. — Несмотря на развал прикладной науки и все сегодняшние сложности, на этом направлении углеродных материалов у нашей команды стопроцентный приоритет в мире».
Опытно-промышленная база соответствует научному уровню. Она была создана в 2008–2009 годах в рамках одной из ФЦП. Тогда «Технолог» получил от Минобра грант в 120 млн рублей, а также вложил самостоятельно заработанные 40 млн рублей. «Мы разработали и заказали совершенно новое оборудование для очистки алмазов — особые коррозионно стойкие реакторы-автоклавы, выдерживающие давление до 150 атмосфер и температуру до 300 градусов Цельсия. Мы также разработали современную полностью компьютеризованную систему управления техпроцессами и сами написали для нее программное обеспечение», — описывает достижения своей команды Валерий Марчуков.
В итоге был создан аппаратный комплекс по азотнокислой очистке алмазосодержащей шихты мощностью 1,5 тонны в год. «Другой инструментальной и опытно-исследовательской базы такого уровня с возможностью работать с высокими давлениями, температурами и агрессивными средами в России на сегодня нет», — утверждает Валерий Долматов. А если учесть, что объем мирового рынка детонационных наноалмазов в натуральном выражении составляет порядка 10 тонн, мощности, которыми располагает ЦИТ, следует считать полноценным производством.
Лидирующая технология, наука мирового уровня и современное производство — на первый взгляд у наших героев есть все, чтобы стать заметным рыночным игроком на одном из самых горячих направлений мирового НТП — создание новых материалов с прорывными свойствами.
К сожалению, серьезного бизнеса питерцы за все эти годы так и не выстроили — ЦИТ не наладил производство конечных продуктов на основе наноалмазов и сам не занял ни одной «алмазной» рыночной ниши.
Увы, мы давно перестали удивляться подобным историям. Ведь эта команда — одна из многих сохранившихся в России сильных научно-инженерных школ, которым, чтобы реализовать их вполне конкурентоспособные разработки, не хватает предпринимательской составляющей. Ученые, инженеры и технологи Центра интенсивных технологий не хотят тратить время, деньги и силы на выстраивание каналов продаж и наработку клиентской базы. У них к этому душа не лежит. В ЦИТ вообще никто серьезно не занимается продвижением своих продуктов и услуг: нет ни отдела маркетинга, ни полноценной системы продаж.
Распродажа технологии
Сейчас ЦИТ работает на рынке в двух ипостасях: продает модификации своей технологии очистки алмазосодержащей шихты сторонним компаниям и поставляет сами очищенные наноалмазы (как сырье) тем, кто делает на их основе конечные продукты.
Одним из первых покупателей азотнокислой технологии ЦИТ стал «Электрохимприбор» — уральское предприятие, работающее в системе гособоронзаказа. На его складах скопилось огромное количество взрывчатых материалов особого назначения, забракованных в свое время военной приемкой. Главный инженер «Электрохимприбора» Евгений Никитин обратился в ЦИТ с просьбой придумать «хоть что-нибудь», чтобы пустить эти запасы в дело. Специалисты ЦИТ предложили использовать взрывчатку для производства наноалмазов детонационным методом. Они разработали и продали уральцам пакет технологий, позволяющих получать на выходе алмазо-масляную композицию. В итоге завод с успехом наладил выпуск инновационных моторных и трансмиссионных масел с алмазными присадками. Впрочем, этот побочный для «Электрохимприбора» бизнес так и не вышел за рамки регионального.
Другие модификации своей технологии очистки детонационных алмазов ЦИТ в разное время продал в Белоруссию, Южную Корею и Китай. «Китайцы очень серьезно готовились к покупке — в течение полутора лет они изучали и сравнивали разные технологии очистки, применяемые и в России, и в мире, и в конечном итоге выбрали нашу — как самую совершенную», — Валерий Долматов считает, что сделка с Китаем — своего рода признание первенства ЦИТ мировым рынком.
Но сделать бизнес на признании все равно не удается: отношения с приобретателями технологии заканчиваются единичным актом купли-продажи — они забирают технологическую документацию и уходят от питерцев навсегда. Заказов на авторское сопровождение технологии, сервисное обслуживание оборудования или НИОКР для совершенствования технологии в ЦИТ от подобных клиентов не поступает.
Лицензионные платежи тоже не являются источником дохода ЦИТ, поскольку ни в одном случае передача уникального метода не сопровождалась продажей лицензии. Заказчики расплачиваются за технологическую документацию как за партию комплектующих, что не налагает на них никаких ограничений в плане дальнейшего использования технологии.
Распродавая направо и налево свою уникальную технологию, питерцы не опасаются, что наплодят конкурентов. Во-первых, они продают устаревшую версию, а сами работают с новой, более эффективной, которую к тому же продолжают совершенствовать. Во-вторых, они надеются на патенты. «У нас уже есть порядка 30 патентов в России и США. Причем они защищают не только технологию очистки, но и сами продукты — алмазосодержащую шихту и собственно алмазы, а такие патенты очень трудно обойти, — подчеркивает Валерий Долматов. — В ближайшее время мы намерены защитить наш приоритет в Германии, Японии и Южной Корее».
Однако в эпоху повсеместного копирования и изматывающих патентных войн всерьез полагаться на патентную защиту не стоит. Особенно когда дело касается Китая. Покупателем технологии ЦИТ с китайской стороны, к счастью, была не производственная компания, а Пекинский технологический институт, который не является сколько-нибудь значимым игроком мирового рынка детонационных наноалмазов. Но в Китае, как известно, новые технологии масштабируются, копируются и распространяются со скоростью эпидемий. Кроме того, Китай стал едва ли не крупнейшим в мире производителем детонационных наноалмазов, так что вероятность утечки российской технологии очень высока. «По нашим подсчетам, детонационные алмазы в Китае производят не менее восьми фирм, — говорит Валерий Долматов. — Основные потребители алмазов — США, Япония и Южная Корея — покупают этот продукт именно у них».
Еще питерские или уже финские?
Второе рыночное амплуа ЦИТ — поставщик сырья (очищенных алмазов) производителям конечных продуктов. К примеру, подмосковной компании РАМ из города Юбилейный и южнокорейской фирме Sun Hung питерцы продают свои алмазы для хром-алмазного гальванического покрытия, которое в свое время было разработано специалистами ЦИТ совместно с кафедрой электрохимических производств Техноложки. РАМ покрывает им коронки — самый быстро изнашиваемый элемент буровых установок — и клапаны нефтяных погружных насосов, которые без подобной защиты мгновенно съедает коррозия. А один израильский производитель косметики добавляет купленные у ЦИТ алмазы в свои средства.
Однако все эти поставки либо разовые, либо слишком мелкие, чтобы вести речь о сколько-нибудь серьезном бизнесе. Кроме того, как поставщики сырья питерцы отрезаны от конечного потребителя: в большинстве случаев они не знают никаких деталей о том, где именно используются их алмазы, каким образом их встраивают в те или иные материалы (например, металлические покрытия или резины), и, главное, какие новые свойства они придают конечному продукту.
Единственный покупатель наноалмазов, с которым у ЦИТ сложилось долгосрочное партнерство, — финская наукоемкая компания Carbodeon, специализирующаяся на наработке и продаже нитрида углерода, высокотехнологичного материала с высокой добавленной стоимостью.
Для ЦИТ Carbodeon — идеальный проводник на рынок хайтека. Финны обладают и собственным R&D-подразделением, которое может доводить полученные из Петербурга наноалмазы до нужного заказчикам состояния, и разветвленной сетью потребителей по всему миру.
Объем сегмента детонационных наноалмазов сейчас оценивается в 100–150 млн евро, ежегодно он подрастает на 5–10%. Финская компания, судя по всему, сделала ставку на питерские алмазы — полупродукт с явным конкурентным преимуществом (такой высокой, как у ЦИТ, чистоты этого материала по-прежнему не может достичь никто). С ними финны вполне могут стать лидерами в этом сегменте мирового рынка высокотехнологичных материалов.
Чтобы уже сейчас отмежеваться от огромного количества наноалмазов сомнительного происхождения и чистоты, выбрасываемых на рынок китайскими компаниями, Carbodeon позиционирует свои, то есть питерские, алмазы в премиум-сегменте. «Все больше заказчиков требуют, чтобы в алмазах не было примеси хрома, — говорит Валерий Долматов. — И тогда появляются финны с нашими алмазами и гарантируют заказчику отсутствие хрома, да и других примесей тоже».
Финны, единственные из числа клиентов ЦИТ, приобрели лицензию на технологию очистки детонационных алмазов и собираются приобрести вторую — на метод получения алмазосодержащей шихты. При этом все шесть лет они исправно заказывают Центру интенсивных технологий по 200–250 кг наноалмазов в год (это примерно 80% алмазов, которые петербургская команда нарабатывает для всех своих покупателей). «Финны очень ценят, что мы можем модифицировать поверхностные группы нашего нанопродукта и поставлять им большое разнообразие товарных форм алмазов — водные суспензии, сухие порошки и так далее, предназначенные для разных областей применения», — Валерий Долматов объясняет, в чем сильные стороны ЦИТ как поставщика сырья. Стоимость одного грамма этого наноматериала в зависимости от модификации составляет от 2 до 20 евро. Таким образом, поставки финнам ежегодно приносят в бюджет ЦИТ около 500 тыс. евро.
Однако у Carbodeon есть планы построить собственное производство полного цикла, которое будет синтезировать детонационные наноалмазы и очищать их с помощью лицензионной азотнокислой технологии. Сейчас идет поиск инвестора и площадки для размещения предприятия.
Нет сомнений: если финны возьмутся-таки развивать хайтек на российских наноалмазах, у них обязательно получится. Финляндия стала одной из самых конкурентоспособных экономик мира именно за счет создания с нуля сильных наукоемких бизнесов. Автор этих строк имела возможность лично убедиться, что высокотехнологичные компании в Финляндии выращивают системно и целенаправленно и поддерживают их с такой заботой, что завидно до слез (см. «Страна победившего хайтека», «Эксперт» № 20 за 2004 год). Вот и питерская технология наверняка приживется в финском оазисе и увеличит долю Финляндии на мировом рынке хайтека.
Алмазы из взрыва
Первый метод получения искусственных алмазов, названный впоследствии статическим синтезом, был разработан и запатентован компанией General Electric в первой половине 1950-х. Для синтеза по данному методу требовалось создать высокое давление и температуру, под воздействием которых кристаллическая решетка графита трансформируется в кристаллическую решетку другой модификации углерода — алмаза.
«После открытия статического синтеза многие исследователи пытались использовать для создания высоких давлений и температур энергию взрыва. Удача улыбнулась американским ученым — они первыми обнаружили алмазы в образце ударно-сжатого графита, — рассказывает Константин Королев, начальник исследовательского комплекса СКТБ “Технолог”. — О новом методе — динамическом синтезе алмазов — было объявлено в 1961 году».
Советские ученые быстро догнали коллег из США: в СССР взрывной метод получения искусственных алмазов освоили в 1962 году, а затем существенно его усовершенствовали. Среди советских первооткрывателей динамического синтеза — группа Вячеслава Даниленко, работавшая в закрытом городе Снежинске. Свои алмазы Даниленко получил из взрывчатки во многом случайно. В 1963 году, после проведения холостого взрыва без введения в заряд графита, во взрывной гари были обнаружены алмазные кристаллы малых размеров. Источником углерода для их образования могли быть только молекулы использованных взрывчатых веществ.
Разработка промышленной технологии получения этого типа синтетических алмазов в нашей стране велась в конце 1970-х — начале 1980-х годов параллельно в Новосибирске, Киеве и Бийске. Первое опытно-промышленное производство было организовано в 1984 году в НПО «Алтай» (Бийск). До начала 2000-х эту разновидность искусственных алмазов, имеющую характерный размер 4–7 нанометров, называли ультрадисперсными алмазами детонационного синтеза. На волне бурного роста популярности нанотехнологий их переименовали в детонационные наноалмазы.
Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.
17.07.1221:01:01