luckyea77 (luckyea77) wrote,
luckyea77
luckyea77

Categories:

В них поверил Чубайс: как в России производят углеродные нанотрубки



В начале 2020 года новосибирская компания OCSiAl запустила на плановую мощность вторую установку, синтезирующую графеновые нанотрубки. Их добавляют в разные материалы. Раньше в мире графеновые нанотрубки получали в ограниченных количествах в лабораториях и стоили они порядка $150 000 за килограмм. Их пытались массово производить немецкая компания Bayer, французская Arkema, китайская CNano и некоторые другие компании в мире, но производство одностенных трубок удалось лишь OCSiAl. «Хайтек» побывал на производственной площадке компании в Академгородке и рассказывает, как появилась идея производить эти модификации углерода и в чем их уникальность.

OCSiAl — единственная компания, владеющая масштабируемой технологией промышленного синтеза графеновых нанотрубок, их крупнейший в мире производитель. Графеновые нанотрубки, или одностенные углеродные нанотрубки, представляют собой свернутые в цилиндр плоскости графена. Они обладают уникальными свойствами — высокой электро- и теплопроводностью, прочностью, соотношением длины к диаметру. При внесении в матрицу материала они создают трехмерную сеть, которая придает материалам проводящие и армирующие свойства. OCSiAl производит нанотрубки под брендом TUBALL™.

В Новосибирске находятся производственные мощности и научно-исследовательская база компании, а также центр прототипирования материалов и технологий на базе графеновых нанотрубок — TUBALL CENTER.

Сегодня OCSiAl — это глобальная компания, оперирующая на всех континентах. Региональные отделения открыты в Европе, США, Корее, Китае (Шэньчжэнь, Шанхай), Гонконге и России, представительства — в Мексике, Израиле, Японии, Индии, Австралии, Германии и Малайзии. Помимо собственных офисов и представительств, OCSiAl имеет партнеров и дистрибьюторов в 45 странах. В OCSiAl работают более 450 сотрудников из 16 стран мира. В R&D компании работают более 100 ученых.


Фото предоставлено OCSiAl

От 500 килограмм к 75 тоннам

Одностенные углеродные нанотрубки применяются при изготовлении литий-ионных батарей мобильных телефонов и других гаджетов, гибких сенсорных дисплеев, шин и других автомобильных деталей, наливных полов, спортивных снарядов, аккумуляторов для электромобилей и многого другого. Можно даже сказать: размер маленький, но присутствие широкое. Такие нанотрубки в пять раз легче меди, в 100 раз прочнее стали, выдерживают температуру до 1 000 °C и при добавлении даже в самых небольших пропорциях улучшают характеристики материала. Например, если добавить 0,001% одностенных нанотрубок в бетон, он сразу станет прочнее на 50%.

В 2013 году компания OCSiAl запустила свою первую установку для производства таких графеновых нанотрубок под названием Graphetron 1.0. Бренд получил название TUBALL. Спустя год установка синтезировала уже 500 кг нанотрубок, а к 2019 году производство достигло 25 тонн в год.

Строительство второй установки Graphetron 50 началось в 2016 году. В 2019 году она работала в тестовом режиме и только сейчас вышла на производственную мощность в 50 тонн. Теперь OCSiAl может производить 75 тонн одностенных нанотрубок из графена ежегодно. Объемы получаются колоссальные, особенно если сравнивать с зарубежными попытками производства графеновых нанотрубок. Но не всё так просто — есть свои подводные камни, объясняющие, почему у конкурентов ничего не вышло.

Графеновые нанотрубки — это аллотропная модификация углерода, представляющая собой свернутые в цилиндр листы графена толщиной в один атом, при этом трубки обладают особой прочностью и гибкостью. Их синтезируют в установках тремя способами:

-используя графитовые электроды;
-с помощью испарения лазером графитовой мишени;
-путем химической реакции газов — углеродсодержащего и вспомогательного.

Применяются в микроэлектронике, при изготовлении пластмасс, автомобильных деталей и во многих других материалах.

Применяются в микроэлектронике, при изготовлении пластмасс, автомобильных деталей и во многих других материалах.


Углеродные нанотрубки

Попытку создать массовое производство нанотрубок из графена одной из первых предприняла немецкая фармацевтическая фирма Bayer. Пилотная установка, производящая 60 тонн в год, заработала в 2007 году, а в 2010 году открылось полное производство, планировалось выпускать 500 тонн ежегодно. Трубки синтезировали путем катализа из углеродсодержащего газа при высоких температурах, но получались лишь многостенные — не графеновые, а графитовые трубки. Графит не был таким прочным и гибким, как графен, а разделять трубки на слои было сложно и дорого, поэтому продукция Bayer не пользовалась большим спросом, и в 2013 году фирма закрыла проект.

Французская компания Arkema планировала производить 400 тонн нанотрубок ежегодно, китайская CNano — 500 тонн. Около 40 организаций в мире пытались открыть массовое производство, но получать в каждом выпуске именно одностенные трубки им не удавалось.


В настоящее время их производит еще японская компания Zeon, но она выпускает около тонны трубок в год и продает по $10 за килограмм.

По словам Юрия Коропачинского, материал похож на липкую черную паутину. Он в 10 раз тяжелее воздуха и в 100 раз легче воды. Его нужно особым способом не только синтезировать, но и транспортировать. Установка не просто реактор, а завод-робот, самостоятельно выполняющий все операции. Готовый измельченный материал отправляется в отдельную емкость, она находится в конце цикла.

Страна идей, телефон счастья и $2 млн

В середине 2000-х Юрий Коропачинский решил отдохнуть от своих многочисленных бизнес-проектов, продал все свои активы и уехал жить в Австралию. Полученных средств хватало, чтобы не работать и безбедно жить, но в 2006 году он решил вернуться в бизнес, потому что подумал: неработающий отец — плохой пример для сына.

Юрий Коропачинский — соучредитель и президент OCSiAl. До начала своей бизнес-карьеры участвовал в научных исследованиях в области биофизики, работая в Сибирском отделении Академии наук СССР. Свою первую венчурную компанию создал в начале 1990-х годов. После успешного выхода одного из своих инвестиционных проектов в 2004 году (производитель сельскохозяйственной техники с 20 тыс. сотрудников и оборотом в $230 млн) сформировал компанию «СМ.Групп», которая инвестировала в перспективные высокотехнологичные стартапы, а с 2012 года сосредоточилась на углеродных наноматериалах, что привело к созданию компании OCSiAl.

Коропачинский собрал своих деловых партнеров по прежним проектам — Юрия Зельвенского и Олега Кириллова — и отправился в Новосибирск. Ему хотелось заняться инвестированием бизнеса, связанного с высокими технологиями. Участвуя в заседании РАН, Юрий объявил, что ищет оригинальные идеи.


Юрий Коропачинский

Однако к окончательной идее команда предпринимателей шла три года. Будущие создатели OCSiAl встречались с учеными из 23 НИИ Новосибирска, Томска, Красноярска и Иркутска. Обращаясь в каждый институт, команда просила руководство организовать встречу с учеными, у которых были самые оригинальные изобретения. На этих встречах бизнесмены спрашивали: что вы умеете делать лучше всех или что больше не может делать никто? Если на этот вопрос был конкретный ответ, тему обсуждали дальше.

Так искатели идей рассмотрели 1 500 вариантов, выделили 364 проекта по физике, химии и биологии, в которые вложили немного денег, чтобы изучить их реализуемость и потенциальный рынок. «Были среди них и довольно забавные проекты, — вспоминает Юрий Коропачинский. — Например, один ученый предложил телефон радости, у него даже было подтверждение от Министерства связи РФ. Я спросил, как это работает, а он ответил: “Так, как все сотовые телефоны, только когда по нему начинают говорить, все счастливы”». В итоге было потрачено $2 млн, в компании преобразовано 12 проектов, но всё же ни один из них Юрий не мог назвать по-настоящему уникальным.

Академик и нанотрубки

В 2009 году на очередную встречу с инвесторами в Новосибирске пришел директор Международного научного центра по теплофизике и энергетике Института теплофизики Сибирского отделения РАН Михаил Предтеченский. К тому времени он уже 20 лет создавал технологии для ИТ-компаний (HP, Samsung) и газовой промышленности (AirProducts). На тот же вопрос о том, что он умеет делать, Михаил ответил: «Всё», и предложил обсудить проблему иначе: «Скажите, что хотите получить, а я сделаю прорывную технологию».


Михаил Предтеченский и Анатолий Чубайс

В результате долгих разговоров ученый и предприниматели решили, что нужно работать с преобразованием материалов. В декабре 2009 года во время очередного разговора о проектах Михаил Предтеченский сказал, что знает, как создать нанотрубки. Он охотно рассказал, что они очень лёгкие, но прочные, и улучшают качество многих материалов. Был лишь один минус — одностенные углеродные нанотрубки в малом количестве получали только в лаборатории, поэтому стоили они очень дорого. Михаил предложил производить эти трубки в промышленном масштабе.

Так, в феврале 2010 года была открыта компания OCSiAl, создающая графеновые нанотрубки по методике Михаила Предтеченского.

Судьбоносные черные точки и Чубайс

Предтеченский начал делать трубки в плазменном генераторе, который также изобрел сам. У всех генераторов, с которыми он раньше работал, быстро сгорали электроды. Сама технология производства остается коммерческой тайной OCSiAl. Трудно их в этом упрекнуть — конкуренция на рынке высокая, а обладание уникальной продукцией приносит большие бенефиты.

Плазменный генератор — техническое устройство, в котором с помощью электрического тока образуется плазма, а она применяется для обработки материалов.

Михаилу пришла в голову мысль попробовать сделать жидкие электроды, потому что жидкость не подвергается коррозии. Он пустил дугу между ваннами, в которых был расплав, металл расплавился, получились лужицы, и дуга замкнулась. Теперь генератор с жидкими электродами мог работать любое время с любым материалом. Именно это устройство Михаил Предтеченский использовал, чтобы создать графеновые нанотрубки, официальное название которых SWCNT (от англ. Single Wall Carbon Nanotubes — «одностенные углеродные нанотрубки» — «Хайтек).


Лаборатория OCSiAl

Официально графен считается открытым в 2004 году. Первооткрыватели — физики Андрей Гейм и Константин Новосёлов, которые за это получили Нобелевскую премию. Но на самом деле об этом веществе писали еще в XX веке. В 1952 году физико-химик Леонид Радушкевич получил микроскопические снимки нанотрубок после синтеза. А в 1977 году ученые Института катализа Сибирского отделения АН СССР во время экспериментов с катализаторами дегидрирования обнаружили под микроскопом цилиндрики углерода. В 1991 году об открытии подобных нанотрубок писал японский физик Сумио Иидзима.

Как уже говорилось, полное описание технологии хранится в секрете, но общий принцип таков: на подложке в генераторе образуются наночастицы, летящие в разогретом до 1 000 °C и выше газе из углеводородов (метане и подобных газах). На каждой наночастице растет графеновая нанотрубка. Синтез происходит внутри установки.

Производство запатентовано. Основным принципом массового производства стало снижение цены продукции до $1-2.

Многостенные углеродные нанотрубки синтезируются быстрее и проще, но их проводимость, гибкость и прочность намного ниже, чем у одностенных, а значит, их нужно добавлять в материал в больших количествах: если для улучшения свойств материала хватает сотых долей процента одностенных нанотрубок, то многостенных требуется несколько десятков процентов. К тому же оказалось, что добавлять многослойные трубки в материалы сложно. Они представляют собой клубки из туго переплетенных трубок, распутывать которые сложно и дорого, а порошок из неразмотанных трубок не придает материалам нужную проводимость и прочность, и его закупали мало. Поэтому конкуренты OCSiAl, производящие многослойные трубки (Bayer, Arkema и другие), вынуждены были свернуть свое производство из-за его нерентабельности.

На синтез первой порции в установке Михаила Предтеченского ушел месяц. Их получилось совсем немного — несколько черных крапинок на белом фоне фильтра, но специальный микроскоп показал, что это и есть одностенные трубки. В последующие два года OCSiAl внесла $20 млн в разработку, но потребовались более объемные инвестиции, и в 2011 году Юрий с «пятнистым» фильтром отправился к главе Роснано Анатолию Чубайсу.

Чубайс сдался перед уверенностью представителя OCSiAl. Роснано инвестировала $20 млн — это были первые сторонние инвестиции. На эти вложения компания построила первую синтезирующую установку Graphetron 1.0 на родине основателей в Новосибирске.

Восхождение

Отдельной трудностью было найти покупателей. «На это уходит много усилий и денег, — жалуется основатель компании. — Но необходимо демонстрировать потенциальному покупателю эффект нанотрубок конкретно на его продукции. Как это делаем? Берем материал, добавляем одну десятитысячную долю нанотрубок и получаем совсем другой материал».

Нанотрубки равномерно распределяются в материале и создают армирующую и электропроводящую сеть. Например, если добавить одностенные нанотрубки в материал, из которого делают литий-ионные аккумуляторы, он начинает лучше проводить электрический ток, а значит, аккумуляторы дольше держат заряд.

Первым рекламным ходом была рассылка бесплатных образцов производителям разных материалов. Было разослано по одному грамму в несколько тысяч российских и зарубежных компаний, многие заинтересовались и откликнулись. Первой CNT купила одна корейская компания для увеличения прочности композитов и проводящих покрытий. Руководство OCSiAl поняло, что продвижение будет эффективным, только если показывать, какой результат дает добавление одностенных трубок в материалы. По соседству с Graphetron компания открыла Центр прототипирования, где начала производить различные материалы с включением графеновых нанотрубок.


Покрышка с использованием одностенных углеродных трубок

Например, ученые компании разработали технологию изготовления наливных полов с CNT и бесплатно передали ее компаниям-производителям, в результате по ней создается 80% таких полов в России. Наливные полы из материалов, в которые добавлены одностенные углеродные нанотрубки, обладают хорошей электропроводностью, к тому же, нанотрубки не меняют цвет материалов, их вязкость и растекаемость, поэтому расход материалов при изготовлении наливных полов не увеличивается.

Аналогично разработаны технологии создания стеклопластиковых труб и упрочненного асфальта. Добавление CNT в смолу, из которой производится стекловолокно для стеклопластиковых труб, придает материалу объемную и равномерную проводимость, что снижает риск аварий на взрывоопасных производствах (например, в угольной промышленности), и трубы становятся прочнее на 15%. Асфальтобетон из битума, содержащего углеродные нанотрубки, становится устойчивее к образованию колеи на 67%, а к образованию трещин — на 67,5%.

Первоначально нанотрубки выпускались в виде порошка, но лаборатории OCSiAl начали изготавливать концентраты и суспензии для более простого добавления в материалы. Теперь второй значимый продукт OCSiAl — концентраты и суспензии TUBALL MATRIX, содержащие диспергированные нанотрубки. Добавлять в материалы порошок с нанотрубками и равномерно распределять его по любому материалу достаточно сложно, а неравномерное распределение не даст эффекта от добавления CNT. Поэтому специалисты OCSiAl решили создавать концентраты и суспензии с уже распределенными нанотрубками. Для этого была разработана специальная ультразвуковая установка TUBBOX, которая по очереди применяет механический и ультразвуковой способы диспергации. Механическая диспергация производит гомогенные смеси, а ультразвуковая разделяет пучки нанотрубок на наноуровне на отдельные объекты.

0,01% TUBALL, добавленных в материал, равномерно распределяется по его матрице и создает трехмерную сеть с армирующими и электропроводящими свойствами.

OCSiAl в первую очередь ориентируется на рынок литий-ионных батарей, в кремниевые аноды которых добавляются нанотрубки, рынок шин, асфальтовых покрытий, композитов и покрытий. В 2019 году продукцию закупила российская компания «Эко Групп» и добавила в асфальт: с помощью адгезионных присадок 0,025% нанотрубок было введено в битум, а он добавлен в асфальтобетон. Новым материалом выложен участок федеральной трассы М4 «Дон», в дальнейшем проектируется укладка дорожной сети покрытием из нанотрубок.>

Среди тех, кто уже использует TUBALL, российское предприятие «Уником-Сервис», выпускающее полиуретановые валы для конвейерных лент (0,3% концентрата TUBALL MATRIX добавляет для антистатических характеристик), китайский производитель бурильных сверл для нефтяных вышек Orient Energy & Technology Ltd (1,7% концентрата добавляет в каучук для упругости статора в сверлах), российский производитель стеклотары «Экран» (добавляет нанотрубки в жидкость для напыления).

В России нашлось не больше 2% потенциальных клиентов, поэтому OCSiAl начала открывать подразделения в США, Европе и Азии. Сейчас у компании 600 постоянных клиентов по всему миру, более 2 000 компаний тестируют нанотрубки, более 90% продукции экспортируется.

Единорог и новая эра

В 2019 году инвестиционная группа A&NN купила 0,5% акций и оценила бизнес в миллиард. Благодаря этому OCSiAl вошла в список так называемых единорогов — новых компаний, которые еще не преодолели убытки, но уже получили рыночную оценку в $1 млрд.


Анатолий Чубайс и Юрий Коропачинский
Фото предоставлено OCSiAl

На открытии Graphetron 50 Анатолий Чубайс сказал: «Компанией OCSiAl создается новая эра материалов человечества. Это фантастические свойства одностенного углеродного аллотропа, который позволяет при добавках едва ли не к любым материалам увеличивать прочность и электрические свойства. Всё то, что сегодня сделано, — лишь начало пути, на котором стоит глобальное обновление материалов в реальном секторе на земном шаре. Когда ко мне подошел молодой предприниматель, нахальный и агрессивный, я посмотрел в эти честные глаза и решил, что он может этого добиться».

В настоящее время компания представлена в 45 странах Европы и Азии. При этом головной офис открыли в Люксембурге. К 2023 году OCSiAl намерена построить там реактор, выпускающий 100 тонн в год, а также строить реакторы во всех развитых странах.

«OCSiAl на самом деле люксембургская компания, — объясняет Юрий. — Чтобы защищать интеллектуальную собственность, необходимо понимать английское право, ориентироваться на потребителей и инвесторов во всем мире. США и Европа потребляют 25% нашей продукции, поэтому мы размещаем производство ближе к основному потребителю. Кроме того, крупные компании хотят получать поставки из разных стран. Поэтому нам необходимы разные локации».

Смотрите также:
Лидер индустрии наноматериалов OCSiAl — первый русский «единорог»
«Единорог» Чубайса: кто построил первый проект «Роснано» стоимостью $1 млрд


Tags: Россия, нанотехнологии
Subscribe

Posts from This Journal “нанотехнологии” Tag

promo luckyea77 june 19, 23:05 11
Buy for 10 tokens
Часть 1 Часть 2 Часть 3 Часть 4 Часть 5 Март 2018 года Индустриализация стала основным инструментом достижения экономического богатства стран, начиная с появления прядильных машин в конце XVIII века; при смене технологических укладов менялись местами мировые промышленные лидеры. Какой…
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 4 comments