Як роблять нанорешето
Троє з дев'яти лауреатів живуть і працюють в Дубні. Це Павло Апель, заступник начальника Центру прикладної фізики ляр ОІЯД (ляр - Лабораторія ядерних реакцій ім. Г.Н.Флёрова; ОІЯД - Об'єднаний інститут ядерних досліджень), доктор хімічних наук; професор Юрій Денисов, радник дирекції ОІЯД, доктор технічних наук; Дмитро Щоголєв, заступник генерального директора ЗАТ «Трекпор технолоджі». Саме тут з ідеї отримання трекових мембран на прискорювачах починався довгий шлях до випуску апаратів для плазмаферезу в промислових масштабах. Саму ж унікальну технологію трекових мембран - нанорешета, крізь яке просівають кров при плазмаферезе - розробили в ляр ОІЯД ще в 70-і рр. минулого століття.
Плазмаферез - видалення з організму частини плазми крові з містяться в ній шкідливими речовинами. В основі методу мембранного плазмаферезу лежить поділ крові на фракції за допомогою Плазмофільтри. Плазмофільтр - це одноразове стерильне пристрій, що складається з безлічі пористих трекових мембран. Пори мембрани фільтрують кров, відокремлюючи плазму від інших компонентів крові. Таким чином, під час проходження крові через плазмофільтр плазма, яка містить шкідливі і баластні речовини, з крові видаляється, а інші елементи крові повертаються в вену разом зі спеціальним плазмозамінних розчином. Плазмаферез широко використовується в клінічній практиці. Він рекомендований при лікуванні понад 200 захворювань. Як ефективний метод детоксикації, плазмаферез широко використовується в кардіології, токсикології, дерматології, косметології, при лікуванні інфекційних хвороб, хвороб внутрішніх органів і органів дихання.
Трек - це наскрізна діра?
Ті, хто не забув шкільну фізику, знають, що трек - це слід елементарної частинки. Але не треба думати, що трекові мембрани виходять в той самий момент, коли пучок важких іонів, вироблених прискорювачем, стикається з полімерною плівкою. Так, частки залишають в ній треки або, як інакше кажуть фізики, канали радіаційного пошкодження. Але ці канали не наскрізні. Тобто треки - це ще не пори.
- Справа в тому, - розповідає Павло Апель, - що іон, потрапляючи в товщу полімеру, на своєму шляху рве його молекули на шматочки. Деякі шматочки виявляються газоподібними. Улетучиваясь, вони утворюють не пов'язані один з одним нанопустоти у вигляді окремих маленьких пещерок по ходу іона. Треба ще врахувати, що в будь-якому полімері внаслідок неідеальної укладання його макромолекул спочатку є нанопустоти; їх кількість як властивість кожного полімеру характеризується поняттям «вільний обсяг». Треки іонів істотно збільшують вільний обсяг полімеру. Щоб прибрати шматочки розірваних молекул і об'єднати нанопустоти, формуючи з них наскрізні пори заданого розміру, необхідно після опромінення плівки провести її хімічне травлення.
Крім вільного об'єму, є ще кілька факторів, що обумовлюють виборче хімічне травлення треку, і ми цілеспрямовано використовуємо їх в технології. Однак фактор вільного об'єму все ж визначає ». Зазвичай для трекової мембрани вибирають максимально щільний полімер, щоб отримувані пори сильніше відрізнялися від структури основного речовини: чим сильніше трек відрізняється від складу матеріалу, тим краще якість мембрани.
Технологічно все виглядає так. Рулон плівки, автоматично перемотуючи з одного вала на інший, в спеціальній камері (рис. 1) опромінюється іонами, які надходять від прискорювача. Тут задається щільність пір на квадратному сантиметрі. Пори розподіляються по площі полімеру, як іони в пучку - імовірнісним чином.
Потім плівка проходить стадію фотосенсибилизации - обробляється ультрафіолетовим випромінюванням. Його вплив на залишки розірваних молекул в треках прискорює подальше хімічне травлення. Змінюючи в процесі травлення режим хімічної обробки - температуру, концентрацію або час обробки хімічною речовиною, можна задавати необхідний розмір пір в мембрані. На одній і тій же установці ми робимо мембрани з порами 30 або 50 нм, 4 або 7 мкм. Тобто на стадії хімічної обробки можна варіювати діаметр пір в діапазоні декількох порядків.
Продуктивність прискорювача, «перерахована» в кількість кінцевого продукту, залежить від діаметру і щільності пір мембран. Одним з типових значень для прискорювачів ляр є виробництво 100 кв. м плівки на годину. Для проектованого прискорювача проекту «Бета» продуктивність буде в кілька разів вище, тому що він буде оптимізований під задане відношення A / Z (атомного ваги хімічного елемента до заряду іона), і в ньому не буде зайвих для даного застосування «опцій»: можливості варіювання магнітного поля та інших параметрів. У рік прискорювач повинен бути здатний зробити до мільйона квадратних метрів трекових мембран.
Стрілянина інертним газом
За плівці б'ють залпами іонів інертних газів. Чому саме ними? «Ми беремо іони інертних газів з багатьох причин, - пояснює Павло Апель. - Ці частинки зручні тим, що в силу хімічної інертності нічого не псують в іонному джерелі і мішені ». Іони якого елемента вибрати для бомбардування полімеру, залежить від багатьох чинників. Наприклад, від прискорювача. Іони одного і того ж газу можуть для якогось прискорювача підійти, а для іншого - ні. Скажімо, для прискорювача типу тандем, де в першій частині прискорюються негативно заряджені іони, потім вони перезаряджаються і прискорюються вже з позитивним зарядом, не застосовуються ті хімічні елементи, які не можуть давати негативних іонів. Ще один критерій для вибору газу - його атомна вага. Чим важче іони, тим кращою «переслідувані» мають одержувані треки, і тим простіше отримати пори нанометрового діапазону.
Чим визначається розмір прискорювача
Для того щоб виробництво було економічним, необхідно оптимальне співвідношення вартості витрат на виробництво і якості продукту. Тому при створенні «технологічного» прискорювача потрібно, з одного боку, мінімізувати його габарити і енергоспоживання, а з іншого боку - енергія пучка прискорювача повинна бути достатньою для того, щоб пробити плівку потрібної товщини. І атомна вага іонів повинен бути досить високий, щоб пробити в плівці трек з відповідним радіаційним порушенням. Крім того, інтенсивність пучка повинна бути економічно виправданою. З цих міркувань і вибирають прискорювачі.
Прискорювач У-400 в ляр ОІЯД, на якому проводиться велика частина робіт по опроміненню полімерних плівок, має діаметр полюсів магніту 4 м, а енергії споживає 1,5 МВт. Для промислового виробництва це забагато. Тому кілька років тому в ляр був побудований маленький циклотрон ІЦ-100 з діаметром полюсів всього в 1 м і зі споживанням енергії близько 150 кВт. Енергія пучка іонів ксенону або криптону у ВЦ-100 дорівнює 1,2 МеВ / нуклон. Вона, як і інтенсивність пучка, менше, ніж у У-400, але для практичних завдань цього досить. Пучок ІЦ-100 пробиває полімерні плівки товщиною 20 мкм. Значить, на цьому прискорювачі можна робити трекові мембрани товщиною 1-20 мкм. Така машина для виробництва мембран вже економічно доцільна - вона окупається і досить продуктивна.
Правда, з утилітарною точки зору ІЦ-100 «занадто хороший». Ускорітельщікі Лабораторії ядерних реакцій ОІЯД, будуючи його, керувалися ідеєю вмістити в маленький розмір установки максимальну кількість можливостей. Як завжди в таких випадках, конструкція працює майже на граничних режимах. Тому для регулярної цілорічної експлуатації ця машина неоптимальна. Вона скоріше є універсальним стенд для відпрацювання технологічних задач.
Для нового комплексу «Бета» підприємство «Трекпор технолоджі» має буде побудувати інший прискорювач, набагато більшої продуктивності і дуже простий, розрахований на використання іонів тільки одного сорту. У цього прискорювача діаметр полюсів буде близько двох метрів. За два роки його і спроектують, і виготовлять.
Наша технологія - унікальна
Як виявилося, виробництво плазмаферезаторов на трекових мембранах є тільки в Росії, хоча сама ідея отримання пористих плівок за допомогою опромінення їх зарядженими частинками з наступним травленням - американська. Американці почали виробляти ці мембрани за допомогою уламків поділу палива атомних реакторів. Осколки поділу ядер в більшості своїй - радіоактивні ізотопи. Тому з плівкою не можна працювати протягом декількох місяців після опромінення: її потрібно витримувати, поки не спаде до прийнятного рівня радіоактивності. Чим вище щільність пір, тим більше проблем з радіоактивністю мембран. Виникає і попутна проблема утилізації радіоактивних відходів травлення плівки.
Наша перевага забезпечено пропозицією академіка Георгія Миколайовича Флерова: використовувати для отримання трекових мембран прискорювачі пучків важких іонів. Ніяких проблем з радіоактивністю тут не виникає. Плівка абсолютно безпечна відразу після виготовлення. У Радянському Союзі такий спосіб отримання трекових мембран був здійснений вперше в світі. Поступово в 90-і рр. слідом за ляр ОІЯД і інші перейшли на виготовлення трекових мембран за допомогою прискорювачів. І сьогодні все ті кілька фірм у світі, що випускають трекові мембрани, роблять їх, як ми - за допомогою прискорювачів. А технологією плазмаферезу за допомогою таких мембран володіє поки тільки Росія. Тільки Дубна.