Напечатать будущее: российские технологии 3D-печати
О трудностях и успехах рассказал заведующий лабораторией физики и технологии трехмерных наноструктурдоктор физико-математических наук, профессор Виктор Яковлевич Принц.
О печати в России
— В сфере 2D и 3D печати Россия сегодня отстает на 10 —15 лет, и в будущем это непременно скажется на состоянии экономики. Мы хорошо знаем как сильно изменила нашу жизнь полупроводниковая микро- и нанотехнология. 60 лет микроэлектроники дали компьютеры, телевизоры, мобильные телефоны, интернет, навигаторы, флэш-память, ноутбуки и так далее. Наноэлектроника позволяет формировать десятки миллиардов транзисторов на одном чипе. Уже в ближайшие десятилетия ожидается цифровая промышленная революция, смена технологического уклада. Цифровые микро- и нанотехнологии развиваются очень быстро. Известны уже прототипы новых материалов, с полезными свойствами, не встречающимися в природе, уникальные дифракционные и фокусирующие элементы микро-нанооптики, сформированные на срезе световодов, массивы различных 3D сенсоров на чипе, гибкая электроника, микро- нанороботы и многое другое. Нам необходимо интенсивно развивать наши возможности.
Что касается цифровой 3D-печати, называемой также аддитивной технологией, то она позволяет слой за слоем формировать любые сложные трехмерные формы, согласно компьютерной модели. Технологии 3D печати являются быстро развивающимися движущими составляющими цифровой промышленной революции. В настоящий момент эти технологии, находится в стадии развития, то есть их не всегда можно использовать для создания объектов в промышленных масштабах, хотя уже сегодня некоторые компании производят с их помощью, например, детали для самолетов. Ученым 3D-печать дает возможность быстрого прототипирования: до мелочей проработать нужный объект и посмотреть, как он будет выглядеть в реальности. Для этого можно использовать самые разные материалы, — металл, керамику, диэлектрики, полимеры, — притом производство будет безотходным.
Все это развивается столь быстрыми темпами, что, по прогнозам, влияние технологии 3D-печати на мировой ВВП может к 2025 году достичь $550 млрд. Россия планирует занять 2% этого рынка — очень небольшая цифра, но даже этот показатель, по‑видимому, недостижим. Сегодня у нашей лаборатории практически нет конкурентов в стране: мы взяли на себя задачу разработать новые методы, которые позволили бы с помощью технологии 2D и 3D-печати массово делать уникальные структуры, материалы, приборы для нанофотоники, микрооптики, микро-наноэлектроники, например, метаматериалы — искусственные материалы, свойства которых (акустические, электромагнитные, механические, сейсмические и другие) намеренно конструируются на микро- и наноуровне. Разработанные нами ранее технологии формирования трехмерных структур и приборов хорошо стыкуются с технологиями 3D печати — при этом создается синергетический эффект.
О Российском научном фонде
— Российский научный фонд сделал шаг в нужном направлении — он увидел, что технологии 2D и 3D печати, которые так популярны в мире, совершенно не развиты в России, и создал специальные гранты, по которым сегодня работает и наша лаборатория. Это два проекта, один из них посвящен 2D печати (печатные технологии получения материалов и электронных устройств на основе графена под руководством доктора физико-математических наук Ирины Вениаминовны Антоновой), а другой — 3D печати (разработка аддитивных технологий, то есть технологий послойного синтеза для создания элементной базы фотоники и микроэлектроники, которой руковожу я).
Мы взялись за эту работу два с половиной года назад. Как и другие проекты, финансируемые Фондом, наши были амбициозными, тяжелыми, но интересными — это вызов, требующий проявить творчество, чтобы не только догонять, но формировать свои собственные направления и технологии. Финансирование каждого проекта 5 милионов рублей в год на 10 участников проекта. По сравнению с другими грантами это большие деньги, позволяющие нам покупать оборудование, которого остро не хватает. В первый год мы купили 2D-принтер за 4 миллиона, а в прошлом — 3D-нанопринтера, который будем собирать сами. Значительные средства расходуются на приобретение материалов. Важно также то, что финансирование РНФ позволяет не заниматься постоянным поиском мелких грантов, а работать над основной задачей.
Другое преимущество поддержки РНФ заключается в том, что одно из условий — участие молодежи. Половина работников в обоих наших грантах — аспиранты и младшие научные сотрудники, и это очень важно, потому что для развития технологий мало поставить установку на стол и научить кого-то нажимать несколько кнопок: нужны высококвалифицированные думающие специалисты, люди, которые любят свое дело, способны разобраться в тонкостях технологических операций и предлагаться свои решения.
Третье преимущество грантов РНФ — это стимулирование публикаций в высокорейтинговых журналах, с импакт-фактором 5 и больше.
О разработках
— 3D-печать в микро- и нанообласти — это мировая проблема, и она требует новых методов, которые позволят массово создавать не отдельные трехмерные объекты, а их массивы на большой площади. Разработка технологий на стыке с 3D-и 2D-печатью усиливает их возможности — именно этим мы занимаемся у себя в лаборатории: предлагаем новые методы, разрабатываем новые материалы для принтеров.
Направления работы самые разные. Например, наша технология сворачивания, признанная в мире, позволяет формировать нанотрубки — основу наношприцов. Благодаря атомноострым стенкам и тонким краям шприц может проникать в клетку, не разрушая ее — это может быть полезно для разных медицинских и медикобиологических задач. 3D печать формирует дополнительные элементы для системы инъекций.
3D-принтеры позволяют печатать любыми веществами, от металла до стекла, и мы дополнительно создаем собственные материалы. Например, добавляем двуокись ванадия, неорганическое соединение, испытывающее фазовый переход: при комнатной температуре оно является полупроводником, но, нагреваясь до 68 С° градусов, становится металлом. Созданные на его основе композиты заимствуют эти свойства, и поэтому они интересны для практических применений. На базе частиц двуокиси ванадия мы придумали несколько новых устройств для управления электромагнитным излучением, они представляют собой массив искусственных элементов-резонаторовс размерами, малыми по сравнению с длиной волны излучения. Сегодня одним из самых востребованных направлений считаются разработки терагерцовых метаматериалов. ТГц-излучение излучение представляет интерес для медицинской диагностики и визуализации (например, раковых клеток), терагерцовые спектры несут информацию оструктуре сложных биологических комплексов, позволяют идентифицировать биоорганические вещества, взрывчатые вещества в системах безопасности и так далее. Проблема в том, что природные материалы, позволяющие управлять этим излучением, отсутствуют, поэтому мы сами разработали и напечатали их. Микрорезонаторы в них имеют сложную форму — их можно создать только с помощью 3D печати.+
Мы также занимаемся ростом графена — это направление чрезвычайно важно, хотя в России не развито. Графен и чернила на его основе используются для формирования с помощью 2D- и 3D печати элементов электроники и сенсоров.
Мы будем уделять больше внимания не только цифровым микро- и нанотехнологиям, но и гибридным технологиям — объединениям уже разработанных нами достижений. Уже сейчас мы видим сильный синергетический эффект от их использования, и будем работать в этом направлении дальше.
