Laureátem mezinárodní ceny v oblasti nanotechnologií „Rusnanoprize“ v roce 2011 se stal akademik G.V. Sakovich, vědecký ředitel Ústavu pro problémy chemicko-energetických technologií SB RAS (Biysk). Cena byla udělena za vývoj technologie výroby diamantů o velikosti nano z výbušnin při jejich detonaci. Tato technologie vyvinutá téměř před 30 lety nemá ve světové praxi stále obdoby. Za zavedení do sériové výroby obdrželo Federální výzkumné a výrobní centrum „Altaj“ (Biysk) také pamětní diplom ceny „Rusnanoprize“ (generální ředitel, člen korespondence A. S. Žarkov)
Diamant je za normálních podmínek metastabilní forma uhlíku. Tvoří se pouze při velmi vysokých tlacích. Potřebné tlakové výše je možné dosáhnout například v rázové vlně, ke které dochází při detonaci výbušnin, což potvrdily experimenty provedené v předních laboratořích světa.
Na základě této metody realizovala americká společnost DuPont na počátku 1980. let průmyslovou výrobu diamantů. Podle technologie, kterou vyvinula, byla ampule s uhlíkovým materiálem (obvykle grafit) při odpálení výbušné nálože vystavena nárazovému stlačení na tlaky více než 100 tisíc atm, což bylo doprovázeno zahřátím na několik tisíc stupňů. Za takových podmínek uhlík rekrystalizoval na diamant, tedy podstatou metody bylo využít energii exploze k vytvoření podmínek, za kterých došlo k fázovému přechodu grafitu v diamant. Aby se diamant při poklesu tlaku nepřeměnil zpět na grafit, byl do ampule přidán 20násobný přebytek měděného nebo niklového prášku, aby se rychle odstranilo teplo. Výsledný produkt obsahoval částice diamantu o velikosti mikronů a byl používán pro technické účely, například jako účinné brusivo pro hrubé broušení dílů.
O syntetické diamanty se začal zajímat i NPO Altaj (Biysk). Ideovými inspirátory domácí výroby diamantů byli náměstek generálního ředitele tohoto obranného podniku G.V Sakovich a vedoucí oddělení Ústavu hydrodynamiky Sibiřské pobočky Akademie věd SSSR (Novosibirsk) A.M. Staver v této oblasti.
Bylo známo, že v procesu impaktní syntézy diamantů byla velmi důležitým faktorem detonační rychlost. Pokud byla příliš velká, pak byla ampule zničena, a pokud byla příliš malá, pak nebylo dostatek energie na vytvoření diamantů. Ale chemické složení výbušniny vyvinuté společností DuPont bylo „vojenským tajemstvím“, takže výzkum musel začít od nuly.
První pokus altajských specialistů NPO o reprodukci americké technologie byl neúspěšný – když explodovala, ampule se doslova rozpadla na prach. Výbušnina jiného složení zničila i ampuli, ale na dost velké kusy. Rentgenová analýza odhalila krystalickou strukturu diamantu v obsahu ampule.
Cíl byl splněn a před výzkumníky stál další úkol: jak zjednodušit technologický proces. K tomu jsme uvažovali metodu detonační syntézy diamantů, kterou popsal profesor A. N. Dremin z Ústavu problémů chemické fyziky Ruské akademie věd (Černogolovka). Tam byl grafitový prášek smíchán přímo s výbušninou (RDX). Ředění kovem nebylo v tomto případě nutné, protože k ochlazení vzniklé diamantové fáze docházelo v důsledku expanze produktů výbuchu v uzavřeném objemu výbušné komory.
Vzhledem k vysoké detonační rychlosti (nad 6 km/s) však účinek rázové vlny trval jen pár mikrosekund, takže diamanty byly velmi malé, s velikostí srovnatelnou s velikostí částic původního uhlíku. Obzvláště obtížné bylo oddělení diamantu od grafitu, protože obě látky jsou tepelně odolné a chemicky inertní materiály. Výsledkem výzkumu byly podmínky chemického zpracování, za kterých se grafit mění na rozpustnou oxidovanou formu a čištěný diamant na sraženinu.
Po prvních experimentech provedených v Novosibirsku byl objeven vzorec: hmotnost diamantů izolovaných z produktů výbuchu se ukázala být větší než hmotnost ukládaného grafitu. Při kontrole bylo zjištěno, že nedošlo k žádnému porušení zákona zachování hmoty – jen se do procesu přeměny podílí nejen uhlík grafitu, ale i uhlíkové atomy výbušniny (v molekule hexogenu je jich více než 15 % hmotnosti je uhlík). Výsledkem bylo, že první světová výroba diamantů přímo z výbušnin byla provedena v poloprovozním závodě vytvořeném v Biysku.
Mnoho lidí bylo skeptických ohledně vyhlídky na použití „diamantového nanoprášku“, ale protože výzkumný záměr byl již schválen ministerstvem, společnost začala studovat vlastnosti těchto umělých nanodiamantů (v té době se jim říkalo ultrajemné diamanty) v naděje na nalezení perspektivních oblastí jejich uplatnění. A na rozdíl od předpovědí pesimistů se tyto oblasti ukázaly jako neuvěřitelně rozmanité.
Za prvé, protože diamant je nejtvrdší látka, je nejpřirozenější používat jej k výrobě abrazivních materiálů. A leštící pasty byly vyrobeny na bázi „diamantového prachu“. Je známo, že čím jemnější pasta je, tím čistší je povrch, který leští. Pro běžný (světelný) mikroskop jsou vhodné čočky a zrcadla s drsností 3-4 mikrony, ale pro optiku rentgenového mikroskopu, u kterého je vlnová délka záření mnohem kratší, je potřeba zvláště hladký povrch. Lze jej získat pouze pomocí diamantových past. Ne nadarmo se konzumenty produktů výrobců diamantů Biysk staly japonské firmy vyrábějící mikroelektroniku, které používají optiku ze safírových materiálů vyžadujících nejvyšší stupeň čistoty.
Další oblastí použití ultrajemných diamantů je galvanické pokovování. Diamantové aditivum k niklovému povlaku ho tedy činí odolným jako chrom, což umožňuje zcela upustit od ekologicky škodlivé galvanické výroby na bázi chromu. U zlacení, které je široce používáno ve šperkařství, je tloušťka zlaté vrstvy pouze 5-8 mikronů, ale pokud plocha výrobků činí tisíce metrů čtverečních, spotřeba kovu je velmi významná. Přídavek diamantového prášku umožňuje zmenšit vrstvu zlacení na polovinu a současně zvýšit její odolnost proti opotřebení 2-4krát, což vede k přímým úsporám zlata nahrazením drahého materiálu levnějším.
Jednou z užitečných vlastností diamantového prášku je, že po přidání do motorových olejů výrazně snižuje koeficient tření mezi třecími plochami. Tento neočekávaný efekt je způsoben tím, že molekuly oleje jsou adsorbovány na povrchu diamantových nanočástic a výsledné nanometrové kuličky unikátního kompozitu vyplňují mikrometrové prohlubně drsného povrchu a vytvářejí na něm hladkou a kluzkou vrstvu. . Tato vrstva se ukazuje jako velmi odolná: pod zatížením se olej nevytlačí, protože se dobře drží na diamantech. Velký zájem o tento efekt projevilo Japonsko, kde byl spuštěn celý „program proti tření“, nazvaný nic menšího než ekonomická revoluce ve strojírenství nebo vytvoření „čtvrté generace“ mechanismů. Když jsou všechny třecí povrchy zdrsněny na submikronové úrovni, mechanismus funguje tiše, a proto téměř bez ztráty energie.
Příklady užitečných aplikací nanodiamantů zahrnují také zvýšení životnosti řezných a lisovacích nástrojů, pneumatik automobilů a dalších pryžových výrobků. Ale s pomocí výbušné technologie vyvinuté v Biysku je možné vyrábět nejen diamanty, ale i další produkty. Jedná se o velkou třídu materiálů s metastabilní krystalickou strukturou, která vzniká za extrémních podmínek – při ultravysokých tlacích. Takto unikátní látky nelze získat jiným způsobem. Mezi nimi je široká škála nanomateriálů z kovů, oxidů, nitridů a karbidů.
Premiér V. A. Ryžkov, který navštívil Bijsk v roce 1989 a viděl úspěchy neziskové organizace Altaj, o tři měsíce později vydal dekret, který stanoví vytvoření celého nanodiamantového průmyslu do roku 1995 o objemu 50 tun ročně (to je téměř 250 milionů karátů – více, než se v těchto letech v Jakutsku vytěžilo). A přestože v těžkých poperestrojkových letech státní finanční podpora slábla, práce v tomto směru nebyly přerušeny. V posledních letech, vzhledem k tomu, že nanotechnologie je uznávána jako prioritní směr ve vývoji civilizace, vyvolal vývoj obranných inženýrů Biysk sekundární vlnu pozornosti – v Rosnanotech.
Za třicet let výzkumu materiálů vyrobených detonační syntézou bylo zaměstnancům Altaje vydáno více než 50 autorských certifikátů ze SSSR, patenty z Ruska, Běloruska, Kanady, USA, Japonska a Evropské unie. Spolupráce dvou struktur – Akademie věd reprezentované Ústavem chemického inženýrství a elektroniky SB RAS a výroby reprezentované Spolkovým výzkumným a výrobním centrem “Altaj” – trvá dodnes. Nyní společnost nejen zlepšuje technologie v již známých oblastech aplikace nanoprášků, ale také aktivně zkoumá zásadně nové aplikace: polymerní a biofarmaceutické materiály, technologie čištění atd.
Navzdory svému „mladému věku“ – cena Rusnanoprize se uděluje teprve potřetí – již získala široké uznání v mezinárodní komunitě. A skutečnost, že se vítězem této prestižní ceny stal bijský vědec, je nejen potvrzením statutu Bijska jako vědeckého města, ale také důkazem nepochybného úspěchu celé sibiřské vědy.
Akademik G. V. Sakovich, vědecký ředitel Ústavu chemicko-energetických technologií SB RAS (Biysk)
Kozyrev N.V., Sysolyatin S.V., Sakovich G.V. Syntéza ultrajemných diamantů ze slitiny TNT s polycyklickými nitraminy // Fyzika spalování a exploze. 2006. T. 42, č. 4. S. 131-134.
Kozyrev N.V., Larionov B.V., Sakovich G.V. Vliv HMX disperze na syntézu nanodiamantů v detonačních vlnách // Fyzika spalování a výbuchu. 2008. T. 44, č. 2. S. 79-83.
V publikaci byly použity fotografie E. S. Akhmadeeva
: 29. prosince 2011, Sedm století ruských dějin, ročník 42, č. 6
