Кандидат наук и победитель всероссийского конкурса «Инженер года-2020» Екатерина Барабанова родилась и всю жизнь живёт в Твери. Здесь окончила 14-ю школу, затем с первой попытки (что для золотой медалистки и неудивительно) поступила на физико-технический факультет ТвГУ. «Потому что было интересно заниматься физикой», - объясняет она свой выбор.
Эта увлекательная физика
- Казалось бы, точные науки никогда не были особенно популярны среди прекрасного пола…
- Посмотрите на список сотрудников нашего факультета, и вы убедитесь, что это не такой уж уникальный случай, - с улыбкой парирует кандидат наук. – Мне было интересно. Кроме того, учитель в школе был хороший, так что любовь к предмету привита с самого начала. А в университете моими наставниками стали Алексей Алексеевич Богомолов, Ольга Витальевна Малышкина, Иван Александрович Каплунов.
- А всё-таки, чем приманила вас к себе физика?
- Ясностью и логичностью, которые позволяют получить ответы на интересующие вопросы и объяснить окружающие явления. Когда понимаешь, как действуют физические законы вокруг нас, это как-то приятнее. И когда углубляешься в серьёзную физику, то видишь, что там всё намного интереснее и сказочнее, чем в самых смелых фантазиях, и что горизонты науки не имеют границ.
- На каком курсе начинается специализация по научным интересам студентов?
- Если по интересам, то с первого. Студент сам подбирает себе научного руководителя, часто с помощью студенческого «сарафанного радио», подходит к нему, договаривается и начинает втягиваться понемногу в науку. Или преподаватель видит талантливого студента на занятиях и предлагает ему тематику для научной работы. Но таких немного, для всех специализация происходит на третьем курсе. Именно тогда студенты выбирают себе те предметы, которые хотели бы изучать углублённо. В моём случае выбор тоже произошёл на третьем курсе. Нас водили на экскурсии по кафедрам, рассказывали о них, и так сложилось, что я остановилась на кафедре сегнето- и пьезоэлектриков и заканчивала обучение на ней.
Самый древний материал
- Пьезоэлектрики – это…
- Функциональные материалы, обладающие определёнными полезными свойствами. У них есть определенная взаимосвязь между воздействием и тем откликом, который они дают. В данном случае мы говорим о прямом и обратном пьезоэффекте: когда материал деформируют, на его поверхности появляются электрические заряды, и наоборот, когда к телу прикладывается электрическое поле, оно меняет размеры.
- Пьезоэлемент знаком обывателю по зажигалке: нажмёшь кнопку, элемент деформируется, и возникает электрический заряд. А сегнетоэлектрик?
- Это более узкое понятие. Любой сегнетоэлектрик будет обладать пьезоэффектом, но не любой пьезоэлектрик будет являться сегнетоэлектриком. Сегнетоэлектрики обладают таким параметром, как спонтанная поляризация, то есть у них в объёме имеются упорядоченно расположенные системы зарядов – диполи, которые возникают самопроизвольно без внешних воздействий. Примерный аналог явления – намагниченность. Кроме того, поляризацией сегнетоэлектрика можно управлять внешним электрически полем.
- Это природные материалы или искусственные? И где они находят себе применение?
- Они встречаются и в природе, но сейчас в большинстве своём это искусственно созданные материалы. Их используют в самых разных сферах: авиапромышленности, ракетостроении, автопроме. Даже в бытовой технике можно встретить элементы, содержащие сегнетокерамику и пьезокерамику. Если говорить о пьезоэлектрических свойства, то самое наглядное применение – это различные датчики и актюаторы. Возникает деформация пьезоэлемента – поступает сигнал в цепь. К примеру, так работает датчик удара в автомобиле. Актюаторы – это приводы, которые используются для точного позиционирования и перемещения на микро- и нано-расстояния. Сегнетоэлектрическая керамика находит широкое применение в гидроакустике: электромагнитные волны под водой распространяются плохо, а механические колебания среды, то есть звуковые волны, – хорошо. Поэтому для приема звукового сигнала и преобразования его в электрический применяются гидроакустические преобразователи на основе сегнетоматериалов. На обратном преобразовании электрического сигнала в механический (звуковой) работают гидроакустические антенны с теми же материалами. Если говорить об использовании возможности управлять спонтанной поляризацией сегнетоэлектрика внешним полем, то тут стоит упомянуть о сегнетоэлектрических ячейках памяти. Одна из особенностей и в то же время проблем современности – это гигантский объем информации, который все время растет. И ее надо где-то хранить. Одно из направлений развития в данной области – это создание энергонезависимой ячейки памяти, работающей на основе сегнетоэлектрических материалов, - FeRAM.
- Человечество знакомо с керамикой уже около 30 тысяч лет, это первый искусственный материал. При этом исследование структуры и свойств керамических материалов – область вашего научного интереса. Что нового можно открыть в таком древнем предмете?
- Когда я спрашиваю своих студентов, с чем для них ассоциируется слово «керамика», они дружно отвечают: горшки! В бытовом смысле всё так и есть, и глиняная игрушка, и кафельная плитка – это тоже керамика. Но мы на кафедре занимаемся функциональной керамикой, которая применяется в радиоэлектронике, радиотехнике. Всё дело в том, что структура и технология производства у разных видов керамики схожи, но исходные компоненты (из которых она синтезируется) и ее свойства - разные. Глины там, естественно, нет.
- То есть вы сами разрабатываете составы керамики?
- Мы сами её синтезируем. Как первооснову берём оксиды и карбонаты для получения нового материала.
- А что добавить, определяете «методом научного тыка»?
- Нет, почему же. Эта область развивается достаточно давно, в прошлом году отмечалось столетие сегнетоэлектричества. Так что наработан большой теоретический и практический материал. Например, темой моей кандидатской диссертации были исследования феррониобата свинца. Эти материалы обладают релаксорными свойствами (их свойства зависят от частоты, на которой проводятся измерения). Всем, кто занимается сегнетоэлектрической керамикой, хорошо известны свойства составов на основе двух соединений: цирконата свинца и титаната свинца. Если их смешать в определённых пропорциях, получается керамика с очень хорошими практическими свойствами. Сегодня это самая популярная база, в которую лишь добавляют модификаторы – химические соединения, меняющие свойства керамики. Однако это длинный экспериментальный путь. В поисках оптимального результата исследователи могут менять концентрацию добавки, саму добавку, технологию и т.д.
Переход количества в качество
- Екатерина Владимировна, а что сегодня актуально в исследованиях керамики?
- Сейчас актуальным направлением в мире является защита природы, а в нашей сфере это означает получение сегнетокерамики, в производстве которой не используется свинец. Поисками замещающего керамику на основе свинца состава, не ухудшающего свойства конечного продукта, мы и занимаемся, так же как и другие центры, в которых исследуется сегнетокерамика. Над этой проблемой работают и в Европе, и в Китае. На данный момент есть некоторые удачные составы, но в этом соревновании кто первый угадает, каким соединением заместить свинецсодержащую керамику, тот и получит преимущество. Кто-то делает ставку на щелочные металлы, кто-то вспомнил про старый добрый титанат бария и пытается подобрать добавки к нему и т.д.
- Вы – автор ноу-хау, направленного на создание новых композиционных функциональных материалов.
- Композит – это микс из различных материалов, обладающий уникальными свойствами, отличающимися от свойств его отдельных составных элементов. Мы попробовали смешать сегнетокерамику с полимерами с целью уменьшить размеры конечных изделий и придать им пластичность. Это пример, как в Тверском университете формируется научная школа по керамическим функциональным материалам.
- Вы участвовали более чем в 20 конференциях, опубликовали 36 научных работ. Где их можно увидеть, в интернете или в печатном виде?
- Я публикуюсь и в российских, и в международных журналах – больше, конечно, в наших. Имеют вес статьи в высокорейтинговых специализированных изданиях, таких, как классический журнал по материаловедению «Физика твёрдого тела». Он выпускается у нас плюс переводной вариант за рубежом. Очень много исследований сегнетоэлектриков было сделано ещё советскими учёными. До сих пор и у наших, и у зарубежных специалистов можно видеть ссылки на старые журналы времён СССР.
- Не так давно из уст руководителя российского государства прозвучали слова, что нашей стране «необходим прорыв», и он поставил такую задачу перед правительством. А в вашей сфере деятельности существует понятие прорыва или же участь учёного – кропотливо и не торопясь делать по шажочку в день?
- Задачи научного сообщества во многом определяются уровнем развития промышленности. Бывают и прорывные результаты, но идёт и накопление знаний. А без суммы знаний прорыв совершить тяжело. История физики знает и «случайные» открытия, например, радиоактивность, однако без массы предыдущих накопленных сведений этого открытия бы не было. Так что всё взаимосвязано.
- Прямо диалектический материализм получается – переход количества в качество.
- Физика тем и интересна, что в ней сочетается всё. В этой науке вы встретитесь и с математикой, и с литературой – потому что приходится писать статьи, причём хорошим языком. Здесь же и лингвистика, потому что статьи нужно переводить. Ну а поскольку физика работает с окружающим нас бытием, то и без философии здесь тоже никак. Когда вы исследуете материалы, есть классическая цепочка: химический состав – структура – свойства – применение. Причём далеко не просто отследить, как каждый из этапов влияет на следующий. А сейчас зачастую сначала ставится задача, где материал будет применяться, а мы, работая «от обратного», должны искать, какой материал нужно синтезировать.
Инженер 2020 года
- Вы вошли в число победителей всероссийского конкурса «Инженер года-2020». А давно в нём участвуете?
- Лично я – первый раз. Хотя многие наши сотрудники уже принимали в нём участие и становились лауреатами. Сначала был региональный этап, организованный Домом науки и техники, затем отобранные работы были направлены в Москву, где комиссия из авторитетных учёных оценивала качество представления и качество содержания. Я составила для конкурса «выжимку» из наиболее значимых своих работ: какие исследования проведены, где это опубликовано, какие ноу-хау получены и т.д. В октябре 2020-го работы участников были отправлены, в январе 2021 года стали известны результаты. Сначала было какое-то напряжённое ожидание, но через пару месяцев я успокоилась и просто продолжала работать. А потом пришло это приятное известие, хотя, честно говоря, я не очень рассчитывала на победу. И весь наш дружный коллектив порадовался вместе со мной.
- А какую-то премию вместе с почётным званием «Инженера года» дают?
- Нет. Это звание само по себе почётно как свидетельство признания научных заслуг. Любое достижение – плюс в резюме, свидетельство научного и личностного роста учёного. Хотя лично я о перемене работы не думаю.
- Традиционный вопрос: над чем сейчас вы с коллегами работаете?
- Мы продолжаем совершенствование технологии поиска связи состава, структуры и свойств вещества. Всегда интересно проследить зависимость, как изменение структуры влияет на свойства, какой новый элемент в составе и как будет влиять на структуру и на свойства. Разработка и поиск сегнетоэлектрических керамических материалов на основе щелочноземельных металлов – вот то, чем мы сегодня занимаемся. Вообще, когда идёт поиск новых материалов, то они исследуются на всём имеющемся оборудовании, чтобы иметь представление, в какой области их можно применять.
- Как вы относитесь к шутке, что наука – это удовлетворение личного любопытства за государственный счёт?
- Для того, чтобы хорошо работать и приносить пользу государству, должна быть заинтересованность, и не только материальная. В науке ли, в бизнесе – если вам это чуждо и неинтересно, то и работать вы будете чисто формально. Не будете сидеть ночами и кропотливо что-то выискивать, анализировать. А если есть личный интерес, то результатов от вашей работы будет гораздо больше.
- По вашим ощущениям, наука сегодня возвращает себе то уважение, с которым к ней относились в советском обществе?
- Сейчас создаются весомые предпосылки к возвращению этого статуса. Организуются различные научные центры, на поддержку учёных и ВУЗов работает грантовая система. Но, конечно, ещё есть над чем работать.
- Наука сегодня – понятие интернациональное, или есть открытия, которыми с зарубежными коллегами делиться не стоит?
- Это сложный вопрос. Есть принцип: в споре рождается истина. А если вы замыкаетесь в себе, это негативно влияет на результат. Должны быть единомышленники, должна быть беседа, дискуссия, конкуренты и оппоненты, потому что это расширяет горизонты и угол зрения.
- Если бы не наука физика, где бы вы нашли себе применение?
- Честно говоря, не знаю. Точно не музыка и не спорт. Возможно, что-то творческое.
- Какие книги предпочитаете?
- Сейчас читаю в основном литературу по специальности. А из беллетристики нравится фантастика, приключения. Марк Твен, серия «Метро» Дмитрия Глуховского, плюс классика.
- А кино?
- Лучше посмотреть что-нибудь семейное, доброе.
- Любимое место в Твери?
- У нас красивый центр, а когда пригревает солнце, особенно приятно прогуляться по набережным. И, конечно, Волга – без неё город представить невозможно.
Досье «МК»
Екатерина Барабанова - доцент кафедры прикладной физики ТвГУ, кандидат физико-математических наук. Занимается исследованием структуры и свойств функциональных керамических материалов, вопросами создания сегнетоэлектрической керамики. В 2012 году защитила кандидатскую диссертацию «Механизмы поляризации и диэлектрический отклик керамики феррониобата свинца». Получено ноу-хау по созданию новых композиционных функциональных материалов. Автор 36 опубликованных научных работ, соавтор двух учебных пособий.
