Отказ от токсичных элементов, прежде всего свинца, в составе практически всех интеллектуальных материалов микро- и наноэлектроники и разработка экологически чистых технологий — один из основных трендов современной экономики. В Научно-исследовательском институте физики Южного федерального университета это направление приоритетно, что подтверждается как публикациями в ведущих научных журналах, так и более чем сотней патентов.
Фото: Александр Казаков, Коммерсантъ
Фото: Александр Казаков, Коммерсантъ
Развитие науки и техники, да и человеческой цивилизации в целом, на протяжении всей истории было неразрывно связано с созданием новых материалов, технологий их получения и обработки. При этом хорошо известно, что это развитие происходит скачками, обусловленными как изменениями в организации труда, так и внедрением принципиально новых решений в технической сфере. Достаточно очевидно, что любое резкое изменение, скачок в развитии, будь то физическая среда или общество, является результатом накопления внутренней энергии изменений, прообраза комплекса изменений, своевременное предсказание которых и определяет лидерство на новом этапе технологического развития.
Понимание этого простого факта привело на рубеже XX и XXI веков к возникновению целой отрасли — форсайт-прогнозирования, основанной на кооперации усилий ученых совершенно разных направлений с целью создания образа желаемого будущего и выработки стратегии его достижения. Примером такого прогнозирования является «Стратегия научно-технологического развития Российской федерации до 2035 года», в которой обозначены наиболее ключевые проблемы — большие вызовы, решение которых может стать «пусковым механизмом» на пути к новой научно-технической революции.
В этом же документе обозначены и ключевые — сквозные технологии, определяющие возможности формирования прорывных решений в каждом из указанных направлений. Анализ как сквозных технологий, так и опыта предшествующих технологических рывков приводит к пониманию важности направленного создания новых материалов, отвечающих требованиям современной эпохи. При этом становится очевидным, что новые материалы должны сочетать в себе высокий уровень функциональности и самоконтроля функциональности, определяющего их принадлежность к особой группе — интеллектуальным материалам (ИМ), и экологическую безопасность, важность которой стремительно возрастает в последние годы и становится критическим фактором при оценке рентабельности промышленного применения тех или иных технологических решений.
Особенности современной техники: интенсификация процессов, связанных с ростом рабочих температур, давлений, частот, ускорением энергетических превращений, воздействием на объекты комбинированных факторов,— выдвинули более жесткие требования к разрабатываемым материалам, значительно расширяющие их технические регламенты и области применения.
Создание таких материалов в современных условиях сопряжено с выполнением ряда требований, обусловленных как технологическими особенностями их применения, так и социально-экономическими факторами, прежде всего экологической безопасностью для окружающей среды и человека. Так, сделанный в последнее время акцент на зеленые технологии и соответствующая законодательная база стимулируют исключение токсичных элементов из электротехнических отраслей и, как следствие, благоприятствуют экодизайну новых ИМ.
Среди последних лидирующие позиции занимают сегнетоэлектрики, основу подавляющего большинства которых, серийно освоенных мировой практикой и использующихся в твердотельной электронике, составляют свинецсодержащие оксиды. Наиболее распространенная технология таких ИМ включает твердофазный синтез и спекание при высоких температурах. Все операции технологического процесса неизбежно связаны с загрязнением окружающей среды и вредным воздействием на живые организмы: работы с пылящими порошковыми веществами при приготовлении шихт (подготовка сырьевых материалов, взвешивание, брикетирование порошков, термическая обработка шихт в процессе синтеза и спекания, сопровождающаяся испарением летучих (свинцовых) компонентов), механическая обработка спеченной керамики, сброс сливных вод от приготовления шихт и помола синтезированных продуктов.
Свинец относится к числу чрезвычайно токсичных элементов и возглавляет перечень приоритетных особо вредных веществ первого класса опасности. Его антропогенная эмиссия в наши дни превысила природную. Соединения свинца относятся к ядам с кумулятивным действием, накопление которых в организме оказывает отравляющее воздействие на человека, приводя к поражению практически всех жизненно важных органов: центральной и периферической нервной системы, крови, кожи и пр. В связи с этим актуальным является снижение экологического ущерба, в том числе экологической нагрузки на здоровье человека в процессе производства сегнетопьезокерамик. Задача, которую необходимо было решить,— это заменить не какой-то один вид сегнетопьезоэлектрических ИМ, а всех, представленных в действующем Государственном стандарте на пьезоматериалы. Альтернативой свинецсодержащим ИМ выступили композиции на базе ниобатов щелочных и щелочноземельных металлов.
Несмотря на огромную практическую потребность в вышеуказанных материалах, их использованию препятствует ряд негативных факторов: гидролиз исходных веществ в процессе синтеза; чрезвычайно узкий интервал оптимальных температур спекания; повышенная реакционная способность реагентов; высокая летучесть соединений щелочных металлов при относительно невысоких температурах; электролиз и электрический пробой при поляризации; саморазрушение керамик и др. Нивелировать их оказалось весьма сложной проблемой, граничащей с элементами искусства. Но тем не менее нам удалось разработать и создать целую серию бессвинцовых ИМ для различных групп применений, защищенных более 100 охранными документами (авторскими свидетельствами, отечественными и зарубежными патентами на изобретения).
Так, материалы первой группы предназначены для устройств, работающих в силовых режимах: пьезотрансформаторов, пьезодвигателей, ультразвуковых излучателей, генераторов высокого напряжения; второй группы — для использования в низкочастотных приемных устройствах: гидрофонах, микрофонах, сейсмоприемниках; третьей группы — для применений в акселерометрах, ультразвуковых дефектоскопах, устройствах для неразрушающего контроля материалов методом акустической эмиссии, приборах ультразвуковой медицинской диагностики; четвертой группы — для работы в среднечастотном диапазоне; пятой группы — для эксплуатации в ультразвуковой дефектоскопии, толщинометрии, акселерометрии; шестой группы — для применений в частотно-селективных устройствах в качестве фильтров с различной шириной полосы пропускания; седьмой группы — для использования в высокочастотных акустоэлектрических преобразователях на объемных и поверхностных волнах; восьмой группы — для применений в качестве рабочих элементов датчиков пироэлектрических приемников лучистой (тепловой) энергии; девятой группы — для использования в ультразвуковых дефектоскопах и толщиномерах, предназначенных для неразрушающего контроля нагретых тел, в датчиках контроля процессов, происходящих в различных промышленных энергетических установках (атомная энергетика, космическая техника, автомобиле-, авиа-, судостроение, металлургия, геология — акустический каротаж при разведке полезных ископаемых и эксплуатации сверхглубоких скважин).
Для реализации разработанных в НИИ физики ЮФУ экологически чистых ИМ созданы бизнес-структуры (инновационный пояс НИИ физики), осуществляющие их поставки не только заказчикам из России, но из-за рубежа.