На уровне атомов

Сегодня прорывы в энергетике, микроэлектронике и медицине определяются не столько новыми устройствами, сколько новыми материалами. Мы подошли к пределам возможностей «классических» решений.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Задача сегодняшнего дня — не найти подходящий материал, а сконструировать его под конкретную функцию, задав свойства заранее. Подробности того, как это происходит, «Ъ-Наука» выяснила у кандидата физико-математических наук Екатерины Гостевой, доцента кафедры материаловедения полупроводников и диэлектриков НИТУ МИСИС.

— Что значит «проектировать материал»? В чем заключается этот процесс?

— Современные технологии позволяют разрабатывать материалы с заданными свойствами, такими как температурная устойчивость, твердость, удельное сопротивление, хрупкость, пластичность и т. д. Это стало возможным благодаря получению новых знаний в области материаловедения и возможности конструирования (структурирования) материалов на атомном уровне. Современные микроскопы и специальные устройства позволяют буквально собирать материалы и компоненты устройств из отдельных атомов. Такой подход позволяет улучшать характеристики уже известных материалов благодаря отсутствию дефектов в структуре, примесей и включений. Благодаря развитию цифрового материаловедения появилась возможность исследовать новые структуры и составы материалов и тестировать их свойства в различных условиях, что важно, например, для развития космических технологий.

— Ваша область — нанотехнологии. Что принципиально меняется на наноуровне?

— При переходе от объемных к наноматериалам наибольший вклад для характеризации свойств вносит влияние поверхности на его свойства. При этом может происходить кардинальная смена свойств материалов, например, золото, известное нам своей устойчивостью к воздействию кислот и щелочей, при переходе к нано проявляет каталитическую активность и вступает в реакции даже с биологическими растворами. В результате чего при переходе к наноразмерным материалам необходимо проводить исследования всех свойств, как будто этот материал не исследовался ранее. Наноразмерные включения позволяют формировать свойства у материалов для конкретного применения, что позволяет находить известным материалам новые применения и создавать высокоэффективные, миниатюрные устройства с высокой производительностью и надежностью. Также развитие наноматериалов приводит к снижению объемов материалов, позволяет снижать экологический след, уменьшать стоимость готовой продукции, исключать использование токсичных материалов, заменяя их на более безопасные.

— Почему путь от лабораторного образца до промышленного применения такой долгий?

— После получения новых данных о свойствах какого-либо наноматериала нужно буквально с самого начала разрабатывать технологический процесс работы с ним и готовить нормативные акты, позволяющие сокращать время на интеграцию новых технологий. Также для работы с нанотехнологиями требуются высококвалифицированные кадры, которых всегда не хватает. Современное материаловедение требует специалистов, которые готовы постоянно учиться новому, при этом обладают компетенциями в области физической химии, физики твердого тела, методов исследования структуры и свойств материалов. Конечно же, сегодня необходимы умения в области моделирования и работы с инженерным ПО. Так как область развивается, будут полезны умения работать в научной команде, особенно в международной. Поэтому в нашем университете в рамках пилотного проекта по совершенствованию системы высшего образования в сентябре стартует англоязычная магистратура Advanced Materials («Перспективные материалы»). Студенты изучат такие направления, как фундаментальное материаловедение, металлические материалы, солнечная энергетика, нанотехнологии и фотовольтаика нового поколения.

— Есть ли предел у совершенствования материалов? Или это бесконечный процесс?

— В настоящий момент мы получаем новые знания в области структурирования наноматериалов и возможности управления их свойствами, сам процесс с точки зрения физики не может быть бесконечным, но где предел — пока сложно сказать. Получая новые данные о свойствах материалов, мы получаем возможность абсолютно нового использования данного материала и развитие той области, в которой он применим. Внедрение новых технологий не всегда может быть предсказуемым. Конечно, в книгах фантастов все давно описано, но тем не менее иногда ученые и технологии способны удивить и подтвердить даже самые смелые фантазии, а часто и превзойти их.

— Можно ли сегодня говорить о создании материалов под конкретные технологические требования?

— Да, конечно. При этом совсем недавно подход к производству устройств и приборов был обратным: были известны основные материалы, которые использовались в конкретной области, на них строилось производство. Сегодня же мы можем заранее смоделировать параметры эксплуатации, вычислить, в каких пределах должны быть свойства материала для получения наиболее оптимального устройства, а затем смоделировать сам материал, который станет оптимальным не только с точки зрения свойств, но также с точки зрения наиболее продуктивных технологических процессов и минимальной стоимости. Конечно, есть определенные ограничения, но это нормальное направление для совершенствования технологий и дальнейшего развития науки. Например, развитие полимерных и композитных материалов с включением наночастиц металлов позволяет в определенных сферах уменьшать количество используемых металлов, что снижает стоимость продукции и повышает ее эксплуатационные характеристики.

— Какие направления в материаловедении выглядят наиболее перспективными на горизонте 10–15 лет?

— Сложно однозначно ответить. Есть направления, в которых требуются новые решения и в ближайшее время ожидаем прорыв именно в них. Например, в энергетике, особенно в области сохранения и передачи электрической энергии, в системах хранения и обработки информации, в производстве солнечных перовскитных панелей, в системах умного управления, в биоинженерии и т. д. В целом сегодня все отрасли активно развиваются, и мы постоянно видим появление новых устройств и технологий, которые делают нашу жизнь более комфортной каждый день.

Пресс-служба МИСИС