Координационный совет по делам молодежи в научной и образовательной сферах при Совете при Президенте Российской Федерации по науке и образованию

Председатель Совета молодых ученых и специалистов Челябинской области Денис Винник рассказал о выращенных искусственных кристаллах

30 марта 2017 года, 13:44

Как сделать связь бесперебойной, надежно работающей даже в условиях космоса? Решение этой проблемы, от которого во многом зависит покорение внеземного пространства, приближает открытие челябинских ученых.

Председатель Совета молодых ученых и специалистов Челябинской области Денис Винник рассказал о выращенных искусственных кристаллах

Выращенные ими искусственные кристаллы позволяют создать приборы нового поколения, поддерживающие связь на сверхвысоких частотах, что намного улучшает ее качество. О том, что дает прорывное ноу-хау, — наш разговор с одним из его авторов, кандидатом технических наук Денисом Винником, заведующим лабораторией роста кристаллов НОЦ «Нанотехнологии», председателем совета молодых ученых и специалистов Челябинской области.

Монокристаллы в тренде

— Что это за кристалл? Чем он так ценен для связи?

— Это гексаферрит бария — материал, впервые синтезированный в 50-х годах прошлого века в компании «Филипс». Он десятилетиями использовался для получения постоянных магнитов, а в последние годы переживает свое второе рождение. Уже известно, что гексаферрит бария обладает гораздо более полезными микроволновыми свойствами. Это положило начало современным исследованиям — созданию на его основе новых материалов для электроники XXI века. Их большой плюс — уникальные свойства, позволяющие в разы улучшить качество, надежность беспроводной связи. Такие материалы очень востребованы во всем мире.

— Что уже сделано челябинскими учеными для запуска «кристального» проекта? 

— Наш проект в конце 2016 года прошел конкурсный отбор, мы получили грант на исследования в рамках «Поддержки молодой науки» госпрограммы повышения конкурентоспособности вузов. И уже есть реальные результаты: выращены первые образцы таких кристаллов, изучается их влияние на связь. 

Эти исследования, так сказать, в тренде мировой науки, но аналогов нашего ноу-хау нет. Другие ученые создают поликристаллы в виде нано- и микропорошков. А особенность нашей технологии — в создании объемных монокристаллов макроразмера! Она намного экономичнее, причем у монокристаллов почти нет дефектов, а спектр применения самый широкий. Они могут стать незаменимыми в радиоэлектронной промышленности, многих других сферах.

Космос на связи


— Наш кристалл может получить орбитальную прописку на МКС. Это исходное сырье для создания устройств связи, в которых невозможно использовать традиционные материалы. Мы, применяя компьютерное моделирование фазовых диаграмм состояния, экономящее время на подбор элементов, прогнозируем условия создания этих уникальных свойств. Изменяя на атомном уровне структуру кристалла, можно кардинально изменить его характеристики. К примеру, если в нем частично заменить железо алюминием, такие модифицированные материалы научат электронику высоких частот работать в сверхвысоком диапазоне — более 100 ГГц. Эти исследования мы проводим совместно с известным ученым, доктором физико-математических наук Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» Алексеем Устиновым.

— Но это не наука для науки?

— Наши исследования носят и фундаментальный, и прикладной характер. К примеру, для космоса вполне реально создавать СВЧ-приборы с улучшенными свойствами: резонаторы, регуляторы мощности. В рамках совместного проекта, на который выделен грант Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ), в Санкт-Петербурге был разработан макет такого устройства на основе нашего кристалла. Их «выпекаем» в специальных емкостях в растворах при сверхвысоких температурах, шлифуем так, чтобы плоскости были сориентированы относительно кристаллической решетки. Сложнейший процесс может занимать от недели до нескольких месяцев. А, к примеру, для резонаторов требуется идеально круглая сфера диаметром от 0,1 миллиметра до нескольких сантиметров, и мы планируем эту технологию освоить. Сотрудничаем с лучшими разработчиками измерительного оборудования мирового уровня — компаниями «Планар» (Челябинск) и Rohde & Schwarz (Германия). 

«Стелс» по-русски? 

— Не пригодятся ли ваши исследования для армии?

— Думаю, Минобороны заинтересуют наши разработки по созданию радиопоглощающих покрытий, которые можно использовать в так называемых стелс-технологиях — при производстве самолетов-невидимок, которых не могут засечь радары. Замещая в кристалле гексаферрита бария часть атомов железа на титан, мы добились резкого снижения частот резонанса, что обеспечивает настройку рабочего диапазона частот.

Кроме того, мы проводим эксперименты и с внедрением в кристалл и других атомов, меняющих его способности, хотя кристаллическая решетка в целом остается прежней. Уже изучили влияние более 10 «чужеродных» элементов на свойства модифицированных материалов, которые могут найти применение в системах телекоммуникаций, в самых разных производственных сферах.

Зеленое электричество

— Видимо, легирование титаном, расширяющее диапазон частот, может найти применение и на гражданке? 

— Например, в науке — при создании безэховых камер для исследования высокочастотной радиоаппаратуры: наш материал поглощает посторонние электромагнитные шумы в широком диапазоне частот, что особенно важно и перспективно.

Другое наше направление — титанат свинца и материалы на его основе. Они обладают ценным пьезоэффектом — преобразования механической энергии в электрическую. При ударе током монокристалл расширяется, и это свойство можно применить в микромеханике, например, при выработке экологически чистого «зеленого электричества». Этот возобновляемый источник электроэнергии уже начинают применять на дорогах Японии: машины деформируют асфальт, а установленные под ним пьезоэлементы вырабатывают электричество, которое накапливается в аккумуляторах и освещает улицы. Думаю, и в Челябинске можно опробовать «зеленую энергетику».

— Но кристаллы — это и ценное сырье для высокоточных приборов...

— Да, это еще одно направление нашей работы. Мы создаем лейкосапфиры, которые могут применяться при изготовлении командирских часов, приборов учета воды, газа, тепла. В этом мы сотрудничаем с Кусинским заводом точных технических камней «Часкомплект», для которого будем выращивать монокристаллы. Для этого создаем малое инновационное предприятие с новейшим оборудованием. В Кусе наши рубины и сапфиры будут подвергаться механической обработке, а затем поставляться на заводы-изготовители. Возможно, они найдут применение и на Челябинском часовом заводе «Молния», выпускающем высокоточные хронометры для армии, на предприятии «Эмерсон-метран» по производству электронных приборов учета. 

Научная коллаборация

— Однако для этого придется выстроить сотрудничество не только с производством, но и с научными центрами…

— Это сегодня очень важно. Познание не имеет границ, и для эффективного развития любого направления или проекта нужно быть интегрированным в мировое научное сообщество. Наши ноу-хау должны знать в мире, только тогда можно привлекать новые ресурсы, получить доступ к оборудованию, приглашать к сотрудничеству. Но для этого нужно иметь высокий уровень разработок.

Еще когда я только начинал делать первые шаги в постижении тайн роста кристаллов, мой научный руководитель Геннадий Георгиевич Михайлов обращал внимание на выстраивание сотрудничества с учеными смежных профилей.

Именно это дало начало той коллаборации, которая сейчас создана с ведущими научными мировыми центрами — Санкт-Петербургским ЛЭТИ, МФТИ, МГУ, Институтом геологии и минералогии СО РАН, университетами Германии, Финляндии, Китая. Мы принимаем участие в международных форумах, где наши исследования вызывают огромный интерес. Полезные свойства монокристаллов обсуждались и на научных конференциях в немецком Штутгарте, финском Лаппеэнранте. На эту тему у нашей творческой команды опубликованы статьи в высокорейтинговых научных изданиях Российской академии наук, в зарубежных научных журналах: Alloys and compounds, Ceramics International, American ceramic society: Crystal growth and design, Journal of physical chemistry, Journal of inorganic chemistry.

— Вы выращивали и искусственные драгоценные камни, которые очень ценятся в ювелирной промышленности, лазерной технике...

— В свое время я под руководством старших коллег занимался и этой темой. Например, разработали инновационную технологию выращивания монокристаллов александрита, который может использоваться для изготовления рабочих элементов лазерных систем. Александритовые лазеры широко применяются в медицине и косметологии, для обработки твердых материалов. 

Но сегодня мы сосредоточились на исследовании монокристаллов гексаферрита бария, которые могут совершить переворот в мировой науке. Я уверен: у нашего проекта большое будущее, он призван усовершенствовать приборы связи, вывести их на совершенно новый уровень.

Источник: Южноуральская панорама Онлайн