Еженедельник
Объединенного института ядерных исследований
(Электронная версия с 1997 года)
Архив Содержание номера О газете На главную Фотогалерея KOI8

№ 16(3955) от 17 апреля 2009:

Версия № 16 в формате pdf (~3.6 Mb)

Комментарий к событию

Маленькое чудо из Дубны

Коллектив из девяти человек получил премию Правительства Российской Федерации 2008 года в области науки и техники за разработку и создание технологии плазмафереза и внедрение ее в медицинскую практику. Троих из этих девяти - Павла Юрьевича Апеля, Юрия Николаевича Денисова и Дмитрия Владиславовича Щеголева - каждый из нас может встретить в Дубне.

Заместитель директора Центра прикладной физики Лаборатории ядерных реакций имени Г.Н.Флерова Объединенного института ядерных исследований, доктор химических наук Павел Апель, советник дирекции ОИЯИ, доктор технических наук, профессор Юрий Денисов - те, кто трудился над созданием трековых мембран - маленького чуда, с которого началась вся огромная работа создания технологического комплекса для плазмафереза крови. Представитель династии дубненских физиков заместитель генерального директора ЗАО "Трекпортехнолоджи" Дмитрий Щеголев обеспечил надежное соединение звеньев технологической цепочки предприятия "Альфа-Трекпортехнолоджи".

О "маленьком чуде" корреспонденту еженедельника удалось побеседовать с одним из лауреатов премии Правительства РФ в области науки и техники Павлом Апелем.

Павел Юрьевич, правда ли, что трековые мембраны были получены в Дубне еще в 70-е годы?

Чем больше я живу, наблюдая, как развивается наука, тем больше убеждаюсь в том, как велика роль личности в истории. В создании мембранных технологий огромной была роль Георгия Николаевича Флерова. Идея треково-мембранных плазмаферезаторов действительно родилась еще в 70-е годы. Энергия Георгия Николаевича и его воля в том, чтобы добиться результата, которого он ожидал, сыграли решающую роль. У него было тогда много оппонентов, считавших, что не дело фундаментальной науки заниматься приложениями. Но он сказал: "Если не сделаем мы, то в СССР этого не сделает никто".

В 70-е годы в Лаборатории ядерных реакций были сделаны установки для облучения полимерных пленок пучками ускорителя У-300 и первые пилотные установки для химической обработки облученной пленки. В начале 80-х в ЛЯР началось полупромышленное производство трековых мембран в интересах примерно двух сотен предприятий Советского Союза. Десятки тысяч квадратных метров в год трековых мембран нужны были для фильтрации особо чистых сред в производстве микроэлектроники.

В 90-е годы производство микроэлектроники в нашей стране было подорвано конкуренцией с заполнившей рынок России импортной техникой. К счастью, в те лихие годы, несмотря на финансовые трудности, дирекции Лаборатории ядерных реакций удалось сохранить накопленный интеллектуальный и технологический багаж в области производства трековых мембран. Если бы не эта стойкость, то об "Альфе" сегодня нельзя было бы даже мечтать.

А потом нашлись энтузиасты в лице руководства "Трекпортехнолоджи", поддержавшие наши технологии инвестициями, вложенными в создание мембранных фильтров для плазмафереза крови. Их смелость заключалась в том, что они поверили в возможность доделать все до конца на уровне современного промышленного производства. Для этого потребовалась сертификация всех этапов производства, сертификация производства в целом. Они поверили в то, что сбыт продукции в России и за рубежом будет окупать производственные затраты.

Проще говоря, различие между учеными и бизнесменами можно описать таким примером. Если ученого спросить, можно ли сделать то-то, он ответит, что, имея 95 процентов достоверной информации, ему не хватает еще пяти, чтобы сделать заключение. Бизнесмен же должен, руководствуясь интуицией, смело принять решение на основании 50 процентов информации, иначе конкуренты обойдут.

Мембраны получают при бомбардировке полимера тяжелыми ионами, которые оставляют в полимере свои следы - треки. Для чего нужна потом химическая обработка пленки - чтобы получить нужный размер пор?

Сразу после бомбардировки пленки ионами пор в ней нет. Есть треки - каналы радиационного повреждения без сквозного отверстия в пленке. Молекулы полимера равномерно заполняют его объем. Ион, попадая в толщу полимера, рвет на своем пути его молекулы на кусочки. Некоторые кусочки оказываются газообразными. Улетучиваясь, они образуют не связанные друг с другом нанопустоты в виде отдельных маленьких пещерок по ходу иона.

Вообще, нанопустоты изначально есть в любом полимере. Это количество нанопустот как свойство каждого полимера характеризует понятие "свободный объем". Треки ионов увеличивают свободный объем полимера. А последующее химическое травление, убирая кусочки разорванных молекул и объединяя нанопустоты, формирует из них сквозные поры заданного размера. Обычно выбирают возможно более плотный полимер, чтобы поры сильнее отличались от структуры основного вещества. Чем сильнее трек отличается от состава материала, тем лучше. Поры распределяются по площади полимера, как ионы в пучке, вероятностным образом.

Технологически выглядит все так. Рулон пленки, автоматически перематываясь с одного вала на другой, облучается в ускорителе ионами. Здесь задается плотность пор на квадратном сантиметре. Затем пленка проходит стадию фотосенсибилизации - обрабатывается ультрафиолетом. Воздействие ультрафиолетового излучения на остатки разорванных молекул в треках ускоряет последующее химическое травление. Меняя режим химической обработки - температуру, концентрацию или время обработки химическим веществом - в процессе травления, можно задавать необходимый размер пор в мембране. На одной и той же установке мы делаем мембраны с порами 30 или 50 нанометров, 4 или 7 микрометров. То есть на стадии химической обработки можно варьировать диаметр пор в диапазоне нескольких порядков.

Производительность ускорителя зависит от диаметра и плотности пор мембран. Одним из типичных значений ускорителей ЛЯР является производство 100 кв. м пленки в час. Для проектируемого специализированного циклотрона проекта "Бета" производительность будет чуть ли не в пять раз выше, потому что этот ускоритель изначально ориентирован на заданное отношение A/Z (атомного веса элемента к заряду иона) без вариаций магнитного поля и других параметров. В год этот ускоритель должен производить до миллиона квадратных метров трековых мембран.

Почему для "стрельбы" по пленке выбирают ионы инертного газа?

Мы берем ионы инертных газов по многим причинам. Эти частицы удобны тем, что, грубо говоря, в силу химической инертности ничего не портят в ионном источнике и мишени. В ЛЯР мы обычно используем ионы криптона, а циклотрон предприятия "Альфа-Трекпортехнолоджи" работает с аргоном. Чем тяжелее ионы, тем проще получить поры нанометрового диапазона. Для фильтров, производимых "Альфой", размер пор менее 0,4 микрометра просто не нужен. Поэтому циклотрон предприятия адаптирован под эти конкретные задачи и работает только с ионами аргона. Это дешевле и производительнее.

Ионы какого элемента выбрать для бомбардировки полимера, зависит от многих факторов. Например, от типа ускорителя. Ионы одного и того же газа могут для одного ускорителя подойти, а для другого - нет. Например, для ускорителей типа "тандем", где на первой стадии ускоряются отрицательно заряженные ионы, а на второй они перезаряжаются и ускоряются уже с положительным зарядом, не применяются те химические элементы, которые не могут образовывать отрицательных ионов.

Чем определяется размер ускорителя для производства мембран?

Для того чтобы производство было экономичным, желательно найти оптимальный баланс между затратами на производство и качеством получаемого продукта. Поэтому при создании "технологического" ускорителя нужно, с одной стороны, минимизировать его габариты и энергопотребление, а с другой стороны, энергия пучка ускорителя должна быть достаточной, чтобы пробить пленку нужной толщины. И атомный номер ионов должен быть настолько высок, чтобы пробить трек с достаточным радиационным нарушением. Кроме того, интенсивность пучка должна быть экономически оправданной. Из этих соображений и выбирают ускорители.

Ускоритель У-400 в ЛЯР, на котором проводится большая часть работ по облучению полимерных пленок, имеет диаметр полюсов магнита 4 метра, а энергии потребляет 1,5 МВт. Для промышленного производства это многовато. Поэтому несколько лет назад в ЛЯР был построен маленький циклотрон ИЦ-100 с диаметром полюсов всего в 1 метр и с потреблением энергии около 150 кВт. Правда, вся установка занимает комнату размером примерно шесть на девять метров. Энергия и интенсивность пучка ИЦ-100 меньше, чем на У-400, но для практических задач этого достаточно. Энергия пучка ионов ксенона или криптона здесь 1,2 МэВ/нуклон. Он пробивает полимерные пленки толщиной 20 мкм. Значит на этом ускорителе можно делать трековые мембраны толщиной 1-20 мкм. Такая машина для производства мембран уже экономически целесообразна - она окупается и достаточно производительна. Правда, именно эта машина слишком уникальна. Наши ускорительщики, строя ее, исходили из идеи совместить с маленьким размером ускорителя максимальные возможности. В такой машине многие элементы работают почти на предельных режимах, поэтому для регулярной круглогодичной эксплуатации она не оптимальна. Это скорее уникальный стенд для отработки технологических задач.

На "Альфе" принцип другой. Там ускоритель очень простой, рассчитанный на использование ионов только одного сорта. Для нового комплекса "Бета" (который будет сооружен на правобережной площадке ОЭЗ - Н.Т.) предприятие "Трекпортехнолоджи" должно будет построить другой ускоритель гораздо большей производительности. У этого ускорителя диаметр полюсов будет около двух метров. За два года он должен быть и спроектирован, и изготовлен.

Ускоритель - сердцевина проекта "Бета", все остальное требует меньших усилий?

Не преуменьшайте значение всего остального. Премия Правительства РФ была дана за огромный комплекс работ. А трековые мембраны - необходимый, но далеко не достаточный отрезок целой цепочки звеньев. Ведь после трековых мембран идет технология изготовления из них плазмаферезаторов, которая включает очень много "ноу-хау", разработанных специалистами "Альфы". Потом идет модуль аппарата для плазмафереза "Гемофеникс". Потом идет методика его применения в медицине, потом - сопровождение методики необходимыми расходными материалами и так далее.

Технология трековых мембран существует только в России?

Производство плазмаферезаторов на трековых мембранах есть только в России, хотя идея получения пористых пленок при помощи облучения их заряженными частицами с последующим травлением - американская. Американцы начали производить эти мембраны с помощью осколков деления на атомных реакторах. Осколки деления ядер в большинстве своем - радиоактивные изотопы. Некоторые из них пробивают пленку, а остальные застревают внутри. И поэтому несколько месяцев после облучения с пленкой нельзя работать - ее нужно выдерживать, пока не спадет до приемлемого уровень радиоактивности. Чем больше плотность пор, тем больше проблем с радиоактивностью мембран. Возникает и попутная проблема утилизации радиоактивных отходов травления пленки.

Георгий Николаевич Флеров предложил использовать для получения трековых мембран ускорители тяжелых ионов. Никаких проблем с радиоактивностью здесь не возникает. Пленка абсолютно безопасна сразу после изготовления. В Советском Союзе такой способ получения трековых мембран был осуществлен впервые в мире. Постепенно в 90-е годы вслед за ЛЯР ОИЯИ и другие перешли на изготовление трековых мембран с помощью ускорителей. И сегодня те несколько фирм в мире, что выпускают трековые мембраны, делают их с помощью ускорителей.

Беседовала Наталия ТЕРЯЕВА


 Редакция Веб-мастер