2 авг. 2024 г.
Окружающее нас пространство пронизано электромагнитными волнами различного диапазона. Микроволновое излучение может мешать корректной работе систем связи, точного измерительного оборудования, систем жизнеобеспечения человека (например, кардиостимуляторов). Внимание большого количества научных коллективов обращено на разработку экранирующих материалов, позволяющих эффективно снизить негативный фактор электромагнитных помех.
Красноярские ученые разработали уникальную технологию создания сетчатых прозрачных проводящих ток пленок. Для производства пленок используются самоорганизованные шаблоны на основе природных материалов, в частности яичного белка. Используя такой шаблон, ученые методами вакуумного напыления получили микросетчатые прозрачные проводящие покрытия толщиной более 1 мкм. Такая толщина напыления недоступна для традиционных литографических шаблонов. Результаты исследований запатентованы, опубликованы в серии статей, последняя из них в журнале Surfaces and Interfaces.
Об этой разработке, а также о возможностях в научной карьере для молодых ученых и об образе жизни ученого в рубрике «Истории успеха красноярских ученых», подготовленной при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий», рассказывает на страницах издания Newslab.ru Антон Воронин, кандидат технических наук, научный сотрудник Отдела молекулярной электроники Федерального исследовательского центра «Красноярский научный центр СО РАН».
Расскажите, чем вы занимаетесь?
Тема работы нашей лаборатории, по классическому отечественному определению — это материаловедение, по международной классификации – material science. Мы разрабатываем новые материалы. В нашей команде больше 10 человек с различными областями интересов, вследствие чего направлений работы достаточно много. Мы исследуем широкий набор современных материалов: от полимерных композитов конструкционного назначения до материалов гибкой электроники.
В 2000-х годах в науке стал активно использоваться термин «нанотехнологии». Под этим термином подразумевается комплекс дисциплин по изучению вещества в виде частиц с малыми размерами. 1 нанометр это 1 миллиардная часть метра. При переходе в наномасштаб появляются абсолютно новые свойства вещества. В частности, в наномасштабе есть комплекс эффектов, которые можно использовать при производстве материалов. Это эффекты самоорганизации. Такие эффекты есть и в физике, и в химии, и в биологии. Химический пример самоорганизации — это знаменитая колебательная реакция Белоусова-Жаботинского в которой наблюдается периодическое изменение, например, цвета или температуры реакции. К самоорганизации можно отнести и процессы, происходящие в каплях биологических жидкостей, например крови или молока, при их высыхании. В процессе высыхания в такой жидкости формируется систем трещин за счёт усадки и упаковки коллоидных частиц. В повседневной жизни подобный эффект мы наблюдаем, когда смотрим на иссушенную растрескавшуюся почву. Как правило, растрескивание – это неупорядоченный процесс. Однако ученые придумали математическое описание даже для таких неупорядоченных структур, их описал русский математик Георгий Вороной. В своей работе мы посмотрели на растрескивание коллоидных жидкостей как материаловеды. Мы решили, что подобные образования можно использовать как шаблон. В принципе, на этой идее основана наша работа в течение последних 10 лет.
Можно поподробнее, как и зачем это можно исследовать?
Мы изучаем и разрабатываем методики создания прозрачных проводящих покрытий. Эти покрытия должны быть оптически прозрачными и при этом хорошо проводить электричество. С точки зрения физики, чтобы что-то проводило электричество, оно должно иметь достаточную концентрацию свободных носителей заряда – электронов. Достаточно высокую концентрацию электронов имеют, как правило, металлы. С другой стороны, как раз высокая концентрация электронов блокирует электромагнитные волны. Следовательно, плёнки металлов толщиной более 25 нанометров практически непрозрачны для видимого света, а использование меньшей толщины не позволяет получать достаточно низкое сопротивление.
Однако можно проявить хитрость и сделать из металла незаметные глазом микро и нанопроводники, которые будут чередоваться с прозрачными областями. Например, сетчатые структуры, прозрачные проводящие покрытия, которые не видны человеческому глазу, но замечательно проводят электричество можно делать при помощи фотолитографии.
Фотолитография — это огромное достижение человечества. Вся электроника, которая находится вокруг нас, сделана с использованием этого технологического процесса. Происходит это так: полимерный материал наносится на подложку из стекла или пластика. Потом над ней размещается фотомаска, которая затеняет нужные области. Рисунок на маске соответствует типу геометрии структуры, которую необходимо получить. Через маску подложка облучается светом нужной длины волны, под действием которого она испытывает определенные химические превращения. В результате засвеченные области растворяются в растворителе. Без такого процесса немыслимо производство современных интегральных микросхем с высокой плотностью электронных компонентов.
Но есть материалы, для которых использовать фотолитографию бессмысленно, потому что это очень дорогостоящий процесс. В большом количестве научной литературы предлагается при помощи фотолитографии изготавливать прозрачные проводящие сетки микро и наномасштаба. Мы считаем, что для сетчатых прозрачных проводящих покрытий целесообразно использовать более простые методы. Например, предложенный нашей группой самоорганизованный шаблон.
Где используются прозрачные проводящие покрытия?
Практически везде в оптоэлектронике: в смартфонах, телевизорах, солнечных элементах, фотодетекторах, светодиодах и тому подобном. Ключевой элемент прозрачного проводящего покрытия — это оксид индия-олова. Но у него есть определенные минусы. Он очень хорош на стеклянной подложке, которая позволяет термически обработать оксид индия-олова, но на гибкой пластиковой подложке этого уже не сделать, что сильно снижает его электропроводимость и прозрачность. Мы работаем над тем, чтобы структурировать металлы, то есть, делать их в виде различных сетчатых структур, которые совместимы с гибкой подложкой, имеют лучшие эксплуатационные параметры материала, а именно оптическая прозрачность выше, а поверхностное сопротивление ниже, чем у оксида индия-олова.
Как мы пришли к этому? Однажды мы натолкнулись на статью китайских исследователей, которые синтезировали тонкие нано волоски из серебра, затем случайным образом нанесли их на подложку и получили отличное прозрачное и проводящее покрытие. Мы с коллегами начали думать, как же сделать такое же покрытие, но с лучшими эксплуатационными параметрами. Нам помог наш же неудачный опыт. В своё время мы пытались получить коллоидные кристаллы, но постоянно сталкивались с тем, что пленка растрескивалась. Это растрескивание оказалось настолько управляемым и настолько по-своему правильным, что иногда было даже немного странно.
Мы решили, что это можно использовать для создания аналога проводящих нанопроволок на прозрачной подложке. Начали экспериментировать и первое готовое покрытие получили буквально в течение двух-трех дней. Сразу же написали патент. Наш руководитель старший научный сотрудник Станислав Хартов начал думать над коммерциализацией результатов. Но случился интересный казус, который немного выбил нас из колеи. В 2013 году, когда мы подали заявку на патент, в это же время в США и в Индии две группы занимались похожими исследованиями. Американцы где-то в течение полугода опубликовали статью в высокорейтинговом журнале Advanced Materials. А мы все не публиковали, сидели и «чахли над златом».
Да, сделали патент, но потом встал вопрос, что делать дальше с этой работой. К счастью о нашей разработке написали СМИ, к нам приехали журналисты и сделали о нас сюжет. Буквально через несколько дней нашему руководителю позвонили из новосибирского Академгородка и предложили сотрудничество. Так мы начали развивать совместный проект, целью которого было создание «умных» окон. В результате кооперации с коллегами из Новосибирска было привлечено серьезное финансирование, реализована промышленная площадка, получены образцы большой площади, целые рулоны сетчатого прозрачного проводящего покрытия, которое по своим экономическим характеристикам и эксплуатационным превосходит большинство существующих решений.
Стоимость покрытия, которое мы делаем простыми методами самоорганизации – десятки и сотни рублей за квадратный метр, в зависимости от типа металла из которого сделано микросетчатое покрытие. В случае фотолитографии — это сотни тысяч и миллионы рублей за квадратный метр. Масштабирование фотолитографии — это крайне трудозатратный процесс. Сейчас у нас в стране большинство производителей микроэлектроники, которые пользуются фотолитографией, работают с полезной площадью примерно равной 8 дюймовой пластине из кремния (круг диаметром 20 см). В нашем технологическом процессе с использованием самооорганизованного шаблона в одном эксперименте можно получить до 300 погонных метров материала с шириной 30 сантиметров. Из-за того, что в одном технологическом процессе производится такое большое количество материала, его себестоимость становится низкой.
Где это еще применяется?
Это прозрачные нагревательные элементы. Например, большие обогреваемые окна, которые будут пропускать много света, и при этом обогревать. Актуально для жилых домов и транспорта в Сибири. Или можно сделать большие теплицы и выращивать урожай круглый год. Соотношение высокой оптической прозрачности, низкого электрического сопротивления и малой себестоимости — это очень мощное преимущество, относительно отечественных и зарубежных решений. Технологический процесс получения микросетчатого прозрачного проводящего покрытия можно сделать экологически чистым и безотходным. При производстве микросетчатого материала получаются пленочное микросетчатое прозрачное проводящее покрытие и коллоидный раствор металлических нанопластинок. Второе – это наноматериал, который синтезировать химическими методами сложно. Передовые научные группы могут синтезировать такие материалы в количестве до одного грамма. Здесь же мы получаем в одном эксперименте до килограмма таких материалов. Например, нанопластинки из пермаллоя — уникальная вещь, которая, может найти применение в радиофизике, в СВЧ-материалах, для создания электропроводящих клеев, полимерных припоев, на которые сейчас большой спрос ввиду необходимости импортозамещения у предприятий.
Расскажите о куриных яйцах, которые вы использовали для создания своих пленок?
Мы начинали работу с различными оксидами материалов — оксид кремния, оксид титана. Эти материалы нам на самом деле не очень нравились. Как оказалось, лучший материал для самоорганизованного шаблона – это белок куриного яйца. Этот экологичный материал позволяет в широком диапазоне регулировать параметры растрескивания. Допустим, вы захотели, чтобы размер ячейки сетки был 100 микрометров, а ширина дорожки 2 микрометра. Пожалуйста! При помощи белка куриного яйца мы научились регулировать ширину трещин и, соответственно, средний размер ячеек микросетчатой структуры. Экологичность метода заключается, во-первых, в том, что используется безопасный белок куриного яйца, а во-вторых, при отмывке можно использовать воду, а не ацетон. Что получается на выходе? Мишень металла преобразуется в сетку и нанопластинки. Белок куриного яйца методом распылительной сушки опять сушится, растворяется и зацикливается в технологическом процессе получения самоорганизованного шаблона.
Материаловедение — что это вообще за сфера исследований, чем она отличается от других наук?
Материаловедение — это комплексная область науки на стыке физики, химии, математики, биологии. Использование химических, физических процессов для получения материалов необходимых для различных отраслей народного хозяйства. Наша лаборатория занимается материалами для гибкой электроники, прозрачными проводящими покрытиями. Коллеги в нашей лаборатории также занимаются переработкой отходов ГМК «Норильский никель» с целью получения новых строительных материалов — это прочный материал, на основе серного вяжущего, который в 3-4 раза прочнее строительного бетона. Также есть работы по переработке стеклобоя, с целью получения неавтоклавного стеклобетона.
Еще мы занимаемся полимерными композитами. У нашей команды есть уникальная разработка, организована частная компания «Наносинтез», которая производит уникальную добавку – нановолокна оксида алюминия. Нановолокна оксида алюминия являются уникальной добавкой в полимерные, керамические и металлические матрицы, способствуют повышению физико-механических свойств, что критически важно для многих отраслей промышленности. Например, мы разработали технологию производства модифицированной краски, в состав которой входят нановолокна оксида алюминия. Такая добавка делает покрытие в два раза прочнее, повышает эластичность и увеличивает коррозионную стойкость более чем на 40%.
В нашей лаборатории в основном собрано оборудование для синтеза новых материалов – это различные реакторы, печи, системы лазерной гравировки. Для описания свойств того, что мы получили, используются ресурсы Центра коллективного пользования ФИЦ КНЦ СО РАН. В ЦКП мы исследуем материалы методами электронной и атомно-силовой микроскопии, рентгеноструктурного анализа, рентгено-фотоэлектронной спектроскопии и другими современными аналитическими методами. Такой комплекс методов позволяет доводить идеи до готовой научной статьи или нового материала. Без широкого набора аналитических методов материаловедение не имеет смысла. Поэтому вне стен крупного научного центра, заниматься подобными проектами практически невозможно.
Вы занимаетесь экспериментами, обработкой полученной информации, написанием статей. В процентном соотношении, сколько времени занимают разные этапы работы?
Самое сложное, наверное, написать статью. Можно сделать отличную работу, но опубликовать ее в слабом журнале. Точно такую же работу, можно подать в хороший высокорейтинговый журнал. Тут важны навыки написания научных статей, правильно расставленные акценты, качество обзора современного состояния проблемы. Соответственно, и трудозатраты на написание статьи в слабый и крепкий журналы кардинально отличаются. В целом на статьи и отчёты по работе уходит более половины всего времени.
Чем вам нравится работа в Академгородке?
Здесь особая атмосфера. Есть старшие коллеги, к которым всегда можно обратиться, с любым вопросом. Красноярский научный центр СО РАН — это как дом. Тут достаточно комфортная атмосфера, для эффективного рабочего взаимодействия, ведь ты знаешь практически всех сотрудников. Это, наверное, главная особенность регионального научного центра.
А как лично вы начали заниматься наукой, и кто вас вдохновил на это?
Я окончил обычную деревенскую школу в селе Устьянск, Абанского района, недалеко от Канска. Конкретного вдохновения, которое «толкнуло» меня в науку, наверное, не было. Очень повезло в школе с преподавателями. Вообще, мне кажется, что любой ребенок в школе не понимает, чем он хочет заниматься. По факту за нас решают родители. И за меня в какой-то степени, наверное, родители решили. Я любил футбол, хотел идти на физическое воспитание. А мама сказала: «Какая физкультура, давай наукой занимайся». Поэтому после девятого класса я начал подтягивать физику. Учитель физики взялся готовить меня к поступлению в университет практически на благотворительной основе. У него была потрясающая библиотека, и готовился я не по классическим методичкам подготовки к ЕГЭ. У него были подписки журнала «Квант» с 1970 годов. И вот благодаря этому журналу я полюбил науку. Это просто уникальный журнал, который, к счастью, существует и сейчас, где самую передовую большую науку рассказывают детям простым языком. Мне кажется, гениальный проект, и я его воздействие на себе прочувствовал.
В начале изучения физики, а это был 10 класс, даже простейшие задачи на движение тела по наклонной плоскости мне давались очень тяжело. Но прошел год, и вот мы начали просматривать вступительные задачи в хорошие ВУЗы, над олимпиадными задачами думать. В итоге поступил в Сибирский государственный аэрокосмический университет.
Сейчас мне нравится наука тем, что я сам ставлю себе задачи. Мы с коллегами постоянно варимся в творческой атмосфере. Самое главное — я вижу результат своего труда: написал статью, сделал интересный проект, получил образец. Моя работа не позволяет впасть в депрессию. Современный человек часто сталкивается с экзистенциальными проблемами. Наука позволяет от работы получать удовлетворение. Здесь, наверное, не стоит вопрос успешный ты ученый или неуспешный. Здесь просто хорошо. Я, бывает, работаю по 60 часов в неделю. Но мне этот процесс доставляет удовольствие своей не цикличностью. Я постоянно ищу решение какой-то проблемы, и это решение часто нетривиальное. Иногда приходится применять методы, подходы, которые до тебя для конкретной задачи, возможно, никто не применял. Для кого-то творчество — это музыка, живопись, танец. Для людей с аналитическим мышлением творчество — это предложить какой-то инновационный технологический процесс, методику синтеза, альтернативное решение какого-то уравнения. Для людей, которые занимаются искусством, главный результат – это внешняя оценка творчества. У нас результат, от которого получаешь удовлетворение — это публикация, внедрение результатов. То есть у нас не общественная оценка, а скорее общественное признание и внедрение результата в практику.
Не бывает желания уехать в Москву, может быть в другой более крупный город?
Я, наверное, сторонник консервативной позиции: где родился, там и пригодился. Также я понимаю, что неизвестно, чем я буду в Москве или другом научном центре заниматься. Здесь у меня есть команда, в которой я уверен, и которой я нужен. Нет смысла уезжать на задачи, которые будут не моими. Я приеду на задачу какого-то профессора, потому что моя позиция в случае переезда — это постдок (прим.: молодой кандидат наук, стажирующийся у опытного ученого). Кандидату наук мало где дадут заниматься своим направлением. У каждого института или научного центра есть свои конкретные задачи и государственные задания по которым они в первую очередь работают.
Что касается финансов. Можно ли выжить на зарплату ученого?
В России, наверное, нет ни одного ученого, который ведет актуальные исследования мирового уровня и при этом мало зарабатывает. Нет человека, который делает публикации качественного уровня в качественных журналах и мало зарабатывает. Все ученые высокого уровня зарабатывают достойные деньги. Это существенно выше средней зарплаты по региону. Но стать исследователем высокого уровня задача, конечно, непростая.
В целом доход исследователя складывается из базовой зарплаты и выплат по проектам, частных инвестиций. В нашем случае – это проект по микросетчатым покрытиям на основе самоорганизованного шаблона. Сейчас в Санкт-Петербурге у нас запущена промышленная линия. Мы уже занимаемся отработкой промышленных режимов. Конечно, если говорить про финансовую успешность, есть определенный момент случайности. Важно, скажем так, ухватить нужную научно-техническую проблему. Важно попасть «в струю».
Что бы вы могли пожелать школьникам и студентам, которые тоже подумывают пойти в науку?
Тут, наверное, вопрос не только для тех, кто хочет пойти в науку. Мне кажется, для всех молодых людей важно найти дело жизни. Не обязательно этим станет наука. Это может быть, например, выпечка, скалолазание, что угодно. Родители должны быть, наверное, в этих вопросах помягче. Молодой, не сформировавшийся характер, иногда просто не способен противостоять родителям. В результате мы получаем человека, который к концу, например, обучения в университете, понимает, что не любит то, чем ему придётся всю жизнь заниматься.
Наука понравится тем, кто любит создавать, что-то новое, нетривиальное, готов сталкиваться со сложностями, терпеть неудачи, когда процент удачных и неудачных экспериментов или синтезов, например, 1 к 10 или даже 1 к 20. Если вы это способны выдержать, то, наверное, можно идти в науку. Самое главное — получать удовольствие от процесса, а не от результата. Если человек идёт получать удовольствие от результата, и рассчитывает стать знаменитым учёным, то спешу расстроить. Кто так думает, никогда им не станет. Только процесс. Самое важное — разобраться в себе, понять, что нравится, и выбрать то, что получается.
Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».
Источник фото: https://ksc.krasn.ru/news/anton_voronin_nashi/
Личный кабинет