. Дубна: 6 oC
Дата 01.11.2020

24 06 03Недавно во время одной выставки в Москве широкополосный принтер рисовал на воде картины светящимися чернилами.

Картину в виде пленки снимаешь с воды, и украшай ею, хочешь – стол, хочешь – стену или пол, хочешь – автомобиль, а хочешь – деревянный забор! Открылись новые творческие возможности для дизайнеров. Секрет этих волшебных чернил, не выгорающих 20 лет, кроется в их светящемся пигменте – коллоидных квантовых точках. Причем российских. Оказалось, они самые яркие и дешевые в мире.

МЫ С ВАМИ ГДЕ-ТО ВСТРЕЧАЛИСЬ

Квантовая точка – наша старая знакомая. Это полупроводниковый монокристалл в другом обличье. Изменить «лицо» и «фигуру» загадочной «незнакомке» пришлось для того, чтобы приобрести новые качества, которые ей мог дать только масштаб наномира. Размер квантовых точек – единицы нанометров (миллиардные доли метра). Поэтому одну квантовую точку нельзя увидеть невооруженным глазом. Она в миллион раз меньше точек в школьной тетради, которыми карандаш обозначает концы геометрического отрезка. Зато трудно не заметить россыпи квантовых точек в коллоидном растворе: жидкости разных цветов поражают яркостью своего свечения. При этом квантовые точки, растворенные во всех этих разноцветных жидкостях, сделаны из одного и того же материала. Отличаются они лишь своими размерами. Именно от размера квантовых точек зависит цвет их излучения, а значит и цвет, которым светится коллоидный раствор этих точек. 

ПОЧЕМУ КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ СВЕТЯТСЯ

Свечение – это поток фотонов (элементарных частиц нулевой массы, то есть невесомых). В зависимости от энергии летящего фотона наш глаз воспринимает его полет как свет определенного цвета. Например, красный цвет мы видим при энергии фотонов в диапазоне 1,68 – 1,98 электронвольт (эВ). Зеленый создают фотоны с энергией 2,19 – 2,48 эВ. 

Квантовые точки испускают фотоны и потому светятся. Квантовая точка устроена как многослойный шарик. Внутреннее ядро шарика представляет собой полупроводниковый монокристалл наноразмера и состоит из атомов нескольких (чаще – двух) элементов: серы и цинка (сульфид цинка ZnS) или селена и кадмия (селенид кадмия CdSe), или фосфора и индия (фосфид индия InP). 

От размера квантовых точек зависит цвет их излучения

На всякий случай напомню, полупроводники – это вещества, проводящие электрический ток хуже, чем проводники (металлы) и лучше, чем диэлектрики (дерево, пластмасса). Способность полупроводников проводить электрический ток сильно возрастает при повышении температуры окружающей среды и при облучении полупроводника, например, солнечным светом. 

Это происходит потому, что с ростом температуры электроны, летающие на орбитах атомов полупроводника, получают дополнительную энергию. Свет тоже добавляет энергии электронам. Получив импульс энергии, электроны становятся настолько сильными, что могут разорвать связь с той орбитой, где они летали, и выскочить за пределы атома. На орбите же останется пустое место – дырка. Эта дырка становится носителем положительного заряда, поскольку атом был нейтральным до того, как отпустил от себя электрон, а электрон заряжен отрицательно.

Если освободившийся от связи с атомом электрон израсходует свою энергию, он может вернуться обратно, на свою орбиту, заполнив дырку. Рекомбинация электрона и дырки производит фотон – квант света. Вот отчего квантовые точки светятся – флуоресцируют. Квантовые точки являются неорганическими люминофорами – переизлучателями упавшего на них света.

РОССИЯ И ТОЧКА

Промышленное производство в России квантовых точек начала молодая компания «НТИЦ Нанотех-Дубна» под брендом QDLight (Quantum Dots Light – свечение квантовых точек). Она появилась в 2008 году для целей коммерциализации научно-технической продукции, разрабатываемой в Научно-исследовательском институте прикладной акустики в подмосковной Дубне. Компанию возглавил вчерашний выпускник химфака МГУ Максим Вакштейн:

– Флуоресцирующие наночастицы, которые мы производим, находят применение, например, в полиграфии для защиты ценных бумаг и документов и для дизайнерских идей. Дизайнерское направление появилось благодаря сотрудничеству с компанией «Сан» из Новосибирска. Она производит принтеры для печати широкого формата и чернила для них. Наш совместный с новосибирцами продукт позволил соединить две вещи, которые ранее были трудно совместимы. Дело в том, что флуоресцентные добавки делятся на органические и неорганические. Неорганические имеют долгий срок службы – более 10 лет. Но крупный размер частиц этих пигментов (более 1 мкм) не дает возможности наносить их с помощью принтеров – сопла головок струйных принтеров не пропускают частицы такого большого размера. Органические пигменты уже используются в принтерных чернилах, но они выгорают за 3-5 лет. Флуоресцентные наночастицы имеют неорганическую природу и по размеру подходят для сопла головки принтера. Поэтому флуоресцентные наночернила сочетают преимущества и органических, и неорганических пигментов – долгий срок службы при маленьком размере частиц. При этом принтерные системы позволяют печатать изображения на любых поверхностях – на холстах, на полимерах, на стекле. Компания «Сан», которая производит эти принтеры, на выставках по всему миру часто демонстрирует даже печать на воде. Это необычное применение сделано не для шоу. Иногда нужно, чтобы рисунок не был привязан к подложке. При печати на воде получается пленка, которую можно наложить на любую поверхность.

ТЕПЛЫЙ КВАНТОВЫЙ СВЕТ

Квантовые точки QDLight, помимо полиграфии, имеют множество других применений. Например, для производства светодиодных ламп. Самые дешевые в производстве светодиоды излучают холодный синий свет. Для человека он непривычен и создает дискомфорт. Чтобы превратить синий свет в приятный для человеческого глаза белый, используют люминофоры. На полупроводниковый чип синего светодиода, кладут специальную пленочку – полимерную матрицу с добавлением квантовых точек, излучающих желтый и красный свет. Смесь синего с красным и желтым в итоге дает белый свет, близкий к солнечному. Удобство этой технологии в том, что она может подстроиться под любой вид светильника. Пленку можно сделать плоской или трехмерной – в виде колпачка. 

А еще квантовые точки повышают урожайность тепличных растений. Эти наночастицы добавляют в укрывные материалы для теплиц, чтобы скорректировать спектр солнечного света. Дело в том, что ультрафиолетовая компонента солнечного света разрушает полимеры, образующие крышу и стены теплиц. Квантовые точки «забирают» ультрафиолетовый свет и переизлучают его в красную область спектра. Красный свет растения любят, поэтому урожайность их под таким укрывным материалом повышается.

ЭКОНОМИКА КВАНТОВЫХ ТОЧЕК

Компания «Нанотех-Дубна» поддержана ОАО «Роснано», финансировавшей развитие этого уникального производства квантовых точек в России. Раз пришлось просить деньги у «Роснано», значит, молодым нанотехнологам из Дубны пришлось столкнуться с трудностями в развитии своего малого бизнеса. Об этом наш диалог с Максимом Вакштейном:

ОД: Вы сами изобрели технологию получения наночастиц или воспользовались чьей-то лицензией?

– У нас собственная запатентованная технология. Мы ее постоянно совершенствуем. Самые последние вещи не патентуем, а держим в режиме ноу-хау. Потому что они составляют серьезную коммерческую тайну.

ОД: В чем заключается ваше конкурентное преимущество перед зарубежными аналогами?

– Если говорить о технических характеристиках, то главное наше преимущество – максимальная на сегодняшний день эффективность частиц. Она измеряется яркостью флуоресценции – более 90%. То есть наши квантовые точки переизлучают более 90% падающего на них света. Это первое. Второе – феноменальный срок службы частиц. Мы подобрали специальные защитные оболочки частиц, которые позволяют им служить до 20 лет. Насколько мне известно, в мире аналогов с такими сроками службы нет. Если говорить об экономических показателях наших наночастиц, то у них и цена гораздо привлекательнее тех, что сейчас есть на рынке. Это связано с тем, что мы изначально, когда разрабатывали технологию, сделали ставку на минимизацию количества технологических стадий и использование простых и безопасных химических реактивов. Классические методы синтеза, использованные нами ранее, были связаны с опасными веществами, которые самовоспламеняются на воздухе. Мы долго и упорно работали над тем, чтобы заменить эти опасные вещества на безопасные аналоги. И сейчас мы можем производить квантовые точки в большом количестве.

ОД: Большое количество – это сколько?

– Для наночастиц – это килограммы. Текущая мощность производства у нас около 20 кг в год. В то же время технология масштабируема и позволяет в случае необходимости повысить производительность до сотен килограмм в год и выше.

ОД: А конкуренты сколько производят?

– Большинство – в пределах килограмма. Но есть одна из ведущих компаний в Великобритании, которая производит примерно вдвое больше нашей теперешней мощности. Дело не в том, что очень сложно производить в таких масштабах. Скорее, проблема в том, что наночастицы у конкурентов получаются очень дорогими, и все упирается в наличие спроса на них при такой цене. У некоторых производителей цены просто безумные. Я даже не понимаю, в каком бытовом устройстве их можно применить. Цена этого устройства будет в таком случае даже не золотой, а платиновой.

ОД: Есть ли у вас проблемы с реализацией ваших наночастиц?

– Конечно, есть. Нам постоянно приходится идти на снижение цены, хотя этого крайне не хочется делать. Но мы прекрасно понимаем: чтобы продукт стал массовым, его стоимость должна быть доступна любому потребителю. Поэтому мы постоянно работаем над снижением издержек производства. Участвуем в проектах с крупными производителями – например, с производителями светильников. Планомерно оттачиваем внедрение нашей новой технологии в их новый серийный продукт. Это дает выход на массовую реализацию. 

ОД: Массовый потребитель формирует спрос и дает вам возможность планировать объем производства? 

– Да. При том, что у нас компания маленькая, невыгодно отрывать сотрудников для небольших продаж, измеряемых в граммах. Это очень чувствительно сказывается на производстве. Так что маленькие заказы в нашей работе постепенно исчезнут.

ОД: Сколько сотрудников занято у вас в офисе и на производстве?

– Общая численность компании 15 человек. 8 человек занимаются производственными разработками. 7 человек занимаются маркетингом и менеджментом.

ОД: У нас много говорят о трудностях инновационного бизнеса…

– На мой взгляд, реальные проблемы в этой области связаны с законодательством. Яркий пример – работа нашей таможни. Это вопиющее издевательство над бизнесом. Мы купили за границей очень точное измерительное оборудование для контроля качества нашей продукции. Три месяца оно стояло на таможне. Как можно говорить о конкуренции, если в Европе эта проблема решается за неделю? Та же история на таможне происходит с сырьем, материалами для производства.

Мы используем очень много отечественных реактивов, в частности по этой причине – минимизируя потери времени при растаможивании.

Компании-партнеры, с которыми мы хотим организовать новые совместные проекты, присылают нам тестовые образцы для испытаний. С ними происходит та же история на таможне. Второй момент – в России к инноватике большинство предприятий просто не готовы. На словах – все за. На деле, когда начинаешь работать с конкретными предприятиями, они оказываются очень инертными, консервативными. Если речь идет о чем-то, что на Западе еще не реализовано, то у нас этим вообще никто заниматься не будет. Никто не хочет рисковать. Если на Западе это делают, то, МОЖЕТ БЫТЬ, попробуют. В целом, на коммуникацию в России уходит на порядок больше времени, чем на Западе, в Китае. Почему все делают в Китае? Потому что завод, который производит сырье, стоит рядом с его потребителем. Между ними все делается мгновенно. 

ОД: То есть если бы у вас был выбор, вы бы делали это не в России, а в Китае?

– Нет. Выбор у нас и так был. Но мы уже его сделали, и делаем свое дело в России. Пытаемся, стараемся. Надеемся, во что-то это выльется. Самое главное, чтобы технология и сопутствующая интеллектуальная собственность разрабатывались в России. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Н

едавно во время одной выставки в Москве широкополосный принтер рисовал на воде картины светящимися чернилами.


Картину в виде пленки снимаешь с воды, и украшай ею, хочешь – стол, хочешь – стену или пол, хочешь – автомобиль, а хочешь – деревянный забор! Открылись новые творческие возможности для дизайнеров. Секрет этих волшебных чернил, не выгорающих 20 лет, кроется в их светящемся пигменте – коллоидных квантовых точках. Причем российских. Оказалось, они самые яркие и дешевые в мире.

МЫ С ВАМИ ГДЕ-ТО ВСТРЕЧАЛИСЬ

Квантовая точка – наша старая знакомая. Это полупроводниковый монокристалл в другом обличье. Изменить «лицо» и «фигуру» загадочной «незнакомке» пришлось для того, чтобы приобрести новые качества, которые ей мог дать только масштаб наномира. Размер квантовых точек – единицы нанометров (миллиардные доли метра). Поэтому одну квантовую точку нельзя увидеть невооруженным глазом. Она в миллион раз меньше точек в школьной тетради, которыми карандаш обозначает концы геометрического отрезка. Зато трудно не заметить россыпи квантовых точек в коллоидном растворе: жидкости разных цветов поражают яркостью своего свечения. При этом квантовые точки, растворенные во всех этих разноцветных жидкостях, сделаны из одного и того же материала. Отличаются они лишь своими размерами. Именно от размера квантовых точек зависит цвет их излучения, а значит и цвет, которым светится коллоидный раствор этих точек. 

ПОЧЕМУ КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ СВЕТЯТСЯ

Свечение – это поток фотонов (элементарных частиц нулевой массы, то есть невесомых). В зависимости от энергии летящего фотона наш глаз воспринимает его полет как свет определенного цвета. Например, красный цвет мы видим при энергии фотонов в диапазоне 1,68 – 1,98 электронвольт (эВ). Зеленый создают фотоны с энергией 2,19 – 2,48 эВ. 

Квантовые точки испускают фотоны и потому светятся. Квантовая точка устроена как многослойный шарик. Внутреннее ядро шарика представляет собой полупроводниковый монокристалл наноразмера и состоит из атомов нескольких (чаще – двух) элементов: серы и цинка (сульфид цинка ZnS) или селена и кадмия (селенид кадмия CdSe), или фосфора и индия (фосфид индия InP). 

От размера квантовых точек зависит цвет их излучения

На всякий случай напомню, полупроводники – это вещества, проводящие электрический ток хуже, чем проводники (металлы) и лучше, чем диэлектрики (дерево, пластмасса). Способность полупроводников проводить электрический ток сильно возрастает при повышении температуры окружающей среды и при облучении полупроводника, например, солнечным светом. 

Это происходит потому, что с ростом температуры электроны, летающие на орбитах атомов полупроводника, получают дополнительную энергию. Свет тоже добавляет энергии электронам. Получив импульс энергии, электроны становятся настолько сильными, что могут разорвать связь с той орбитой, где они летали, и выскочить за пределы атома. На орбите же останется пустое место – дырка. Эта дырка становится носителем положительного заряда, поскольку атом был нейтральным до того, как отпустил от себя электрон, а электрон заряжен отрицательно.

 Если освободившийся от связи с атомом электрон израсходует свою энергию, он может вернуться обратно, на свою орбиту, заполнив дырку. Рекомбинация электрона и дырки производит фотон – квант света. Вот отчего квантовые точки светятся – флуоресцируют. Квантовые точки являются неорганическими люминофорами – переизлучателями упавшего на них света.

РОССИЯ И ТОЧКА

Промышленное производство в России квантовых точек начала молодая компания «НТИЦ Нанотех-Дубна» под брендом QDLight (Quantum Dots Light – свечение квантовых точек). Она появилась в 2008 году для целей коммерциализации научно-технической продукции, разрабатываемой в Научно-исследовательском институте прикладной акустики в подмосковной Дубне. Компанию возглавил вчерашний выпускник химфака МГУ Максим Вакштейн:

– Флуоресцирующие наночастицы, которые мы производим, находят применение, например, в полиграфии для защиты ценных бумаг и документов и для дизайнерских идей. Дизайнерское направление появилось благодаря сотрудничеству с компанией «Сан» из Новосибирска. Она производит принтеры для печати широкого формата и чернила для них. Наш совместный с новосибирцами продукт позволил соединить две вещи, которые ранее были трудно совместимы. Дело в том, что флуоресцентные добавки делятся на органические и неорганические. Неорганические имеют долгий срок службы – более 10 лет. Но крупный размер частиц этих пигментов (более 1 мкм) не дает возможности наносить их с помощью принтеров – сопла головок струйных принтеров не пропускают частицы такого большого размера. Органические пигменты уже используются в принтерных чернилах, но они выгорают за 3-5 лет. Флуоресцентные наночастицы имеют неорганическую природу и по размеру подходят для сопла головки принтера. Поэтому флуоресцентные наночернила сочетают преимущества и органических, и неорганических пигментов – долгий срок службы при маленьком размере частиц. При этом принтерные системы позволяют печатать изображения на любых поверхностях – на холстах, на полимерах, на стекле. Компания «Сан», которая производит эти принтеры, на выставках по всему миру часто демонстрирует даже печать на воде. Это необычное применение сделано не для шоу. Иногда нужно, чтобы рисунок не был привязан к подложке. При печати на воде получается пленка, которую можно наложить на любую поверхность.

ТЕПЛЫЙ КВАНТОВЫЙ СВЕТ

Квантовые точки QDLight, помимо полиграфии, имеют множество других применений. Например, для производства светодиодных ламп. Самые дешевые в производстве светодиоды излучают холодный синий свет. Для человека он непривычен и создает дискомфорт. Чтобы превратить синий свет в приятный для человеческого глаза белый, используют люминофоры. На полупроводниковый чип синего светодиода, кладут специальную пленочку – полимерную матрицу с добавлением квантовых точек, излучающих желтый и красный свет. Смесь синего с красным и желтым в итоге дает белый свет, близкий к солнечному. Удобство этой технологии в том, что она может подстроиться под любой вид светильника. Пленку можно сделать плоской или трехмерной – в виде колпачка. 

А еще квантовые точки повышают урожайность тепличных растений. Эти наночастицы добавляют в укрывные материалы для теплиц, чтобы скорректировать спектр солнечного света. Дело в том, что ультрафиолетовая компонента солнечного света разрушает полимеры, образующие крышу и стены теплиц. Квантовые точки «забирают» ультрафиолетовый свет и переизлучают его в красную область спектра. Красный свет растения любят, поэтому урожайность их под таким укрывным материалом повышается.

ЭКОНОМИКА КВАНТОВЫХ ТОЧЕК

Компания «Нанотех-Дубна» поддержана ОАО «Роснано», финансировавшей развитие этого уникального производства квантовых точек в России. Раз пришлось просить деньги у «Роснано», значит, молодым нанотехнологам из Дубны пришлось столкнуться с трудностями в развитии своего малого бизнеса. Об этом наш диалог с Максимом Вакштейном:

ОД: Вы сами изобрели технологию получения наночастиц или воспользовались чьей-то лицензией?

– У нас собственная запатентованная технология. Мы ее постоянно совершенствуем. Самые последние вещи не патентуем, а держим в режиме ноу-хау. Потому что они составляют серьезную коммерческую тайну.

ОД: В чем заключается ваше конкурентное преимущество перед зарубежными аналогами?

– Если говорить о технических характеристиках, то главное наше преимущество – максимальная на сегодняшний день эффективность частиц. Она измеряется яркостью флуоресценции – более 90%. То есть наши квантовые точки переизлучают более 90% падающего на них света. Это первое. Второе – феноменальный срок службы частиц. Мы подобрали специальные защитные оболочки частиц, которые позволяют им служить до 20 лет. Насколько мне известно, в мире аналогов с такими сроками службы нет. Если говорить об экономических показателях наших наночастиц, то у них и цена гораздо привлекательнее тех, что сейчас есть на рынке. Это связано с тем, что мы изначально, когда разрабатывали технологию, сделали ставку на минимизацию количества технологических стадий и использование простых и безопасных химических реактивов. Классические методы синтеза, использованные нами ранее, были связаны с опасными веществами, которые самовоспламеняются на воздухе. Мы долго и упорно работали над тем, чтобы заменить эти опасные вещества на безопасные аналоги. И сейчас мы можем производить квантовые точки в большом количестве.

ОД: Большое количество – это сколько?

– Для наночастиц – это килограммы. Текущая мощность производства у нас около 20 кг в год. В то же время технология масштабируема и позволяет в случае необходимости повысить производительность до сотен килограмм в год и выше.

ОД: А конкуренты сколько производят?

– Большинство – в пределах килограмма. Но есть одна из ведущих компаний в Великобритании, которая производит примерно вдвое больше нашей теперешней мощности. Дело не в том, что очень сложно производить в таких масштабах. Скорее, проблема в том, что наночастицы у конкурентов получаются очень дорогими, и все упирается в наличие спроса на них при такой цене. У некоторых производителей цены просто безумные. Я даже не понимаю, в каком бытовом устройстве их можно применить. Цена этого устройства будет в таком случае даже не золотой, а платиновой.

ОД: Есть ли у вас проблемы с реализацией ваших наночастиц?

– Конечно, есть. Нам постоянно приходится идти на снижение цены, хотя этого крайне не хочется делать. Но мы прекрасно понимаем: чтобы продукт стал массовым, его стоимость должна быть доступна любому потребителю. Поэтому мы постоянно работаем над снижением издержек производства. Участвуем в проектах с крупными производителями – например, с производителями светильников. Планомерно оттачиваем внедрение нашей новой технологии в их новый серийный продукт. Это дает выход на массовую реализацию. 

ОД: Массовый потребитель формирует спрос и дает вам возможность планировать объем производства? 

– Да. При том, что у нас компания маленькая, невыгодно отрывать сотрудников для небольших продаж, измеряемых в граммах. Это очень чувствительно сказывается на производстве. Так что маленькие заказы в нашей работе постепенно исчезнут.

ОД: Сколько сотрудников занято у вас в офисе и на производстве?

– Общая численность компании 15 человек. 8 человек занимаются производственными разработками. 7 человек занимаются маркетингом и менеджментом.

ОД: У нас много говорят о трудностях инновационного бизнеса…

– На мой взгляд, реальные проблемы в этой области связаны с законодательством. Яркий пример – работа нашей таможни. Это вопиющее издевательство над бизнесом. Мы купили за границей очень точное измерительное оборудование для контроля качества нашей продукции. Три месяца оно стояло на таможне. Как можно говорить о конкуренции, если в Европе эта проблема решается за неделю? Та же история на таможне происходит с сырьем, материалами для производства.

Мы используем очень много отечественных реактивов, в частности по этой причине – минимизируя потери времени при растаможивании.

Компании-партнеры, с которыми мы хотим организовать новые совместные проекты, присылают нам тестовые образцы для испытаний. С ними происходит та же история на таможне. Второй момент – в России к инноватике большинство предприятий просто не готовы. На словах – все за. На деле, когда начинаешь работать с конкретными предприятиями, они оказываются очень инертными, консервативными. Если речь идет о чем-то, что на Западе еще не реализовано, то у нас этим вообще никто заниматься не будет. Никто не хочет рисковать. Если на Западе это делают, то, МОЖЕТ БЫТЬ, попробуют. В целом, на коммуникацию в России уходит на порядок больше времени, чем на Западе, в Китае. Почему все делают в Китае? Потому что завод, который производит сырье, стоит рядом с его потребителем. Между ними все делается мгновенно. 

ОД: То есть если бы у вас был выбор, вы бы делали это не в России, а в Китае?

– Нет. Выбор у нас и так был. Но мы уже его сделали, и делаем свое дело в России. Пытаемся, стараемся. Надеемся, во что-то это выльется. Самое главное, чтобы технология и сопутствующая интеллектуальная собственность разрабатывались в России. 

Добавить комментарий

Комментарии не должны оскорблять автора текста и других комментаторов. Содержание комментария должно быть конкретным, написанным в вежливой форме и относящимся исключительно к комментируемому тексту.


Защитный код
Обновить