С давних пор человек ценит красоту драгоценных камней. Но, несмотря на разнообразную расцветку, их объединяет общая физическая сущность. Алмаз, топаз, кварц и множество других минералов – всё это кристаллы. Если же выразиться более точно, это монокристаллы. Не так давно люди научились сами производить, а точнее, выращивать монокристаллы с полезными свойствами, многие из которых для развития науки не менее ценны, чем какой-нибудь бриллиант. Притом что средний возраст алмаза начинается от полумиллиарда лет, монокристалл можно вырастить за 10 дней.
Ультразвук разделяет свет
Для начала вернемся к азам. Кристаллы – твердые тела, имеющие правильную геометрическую форму. Структура, внутри которой расположены упорядоченные частицы, называется кристаллической решеткой. Монокристаллы – это одиночные кристаллы, у которых кристаллическая решетка имеет четкий порядок. Большинство минералов на нашей планете являются монокристаллами. Чем медленнее растет кристалл, тем совершеннее его состав. А существуют и поликристаллы, которые состоят из множества монокристаллов, «спрессованных» в одно целое. Классический пример – это сахар (к слову, ученые наконец-то назвали его предельное безвредное количество для человека в сутки – шесть ложечек).
Монокристаллы, обладающие свойствами полупроводников и диэлектриков, имеют особое значение в электронике. Сплавы монокристаллов отличаются повышенной твердостью. Перечислять все области их применения не хватило бы газетной страницы, поэтому остановимся на монокристаллах парателлурита, положивших начало целой научной школе в сфере кристаллофизики, зародившейся в стенах физико-технического факультета Тверского госуниверситета.
Теллур – хрупкое серебристо-белое вещество с металлическим блеском. Его относят как к полуметаллам, так и к неметаллам, среди которых он самый редкий в земной коре. На интересные свойства диоксида теллура, известного также как парателлурит, ученые вышли в шестидесятых годах ХХ века. А в Тверском, тогда Калининском, университете идею выращивания кристаллов парателлурита впервые выдвинул в 1976 году профессор Юрий Смирнов.
Парателлурит обладает редким сочетанием свойств, сделавших этот материал одним из самых перспективных в акустооптике – дисциплине, изучающей взаимодействие электромагнитных волн со звуковыми и разрабатывающей основы применения этих явлений в технике.
Показатель преломления парателлурита такой же высокий, как у алмаза, при этом звук распространяется в нем гораздо медленнее, чем в других кристаллах. Обточенный под заданными углами между гранями кристалл парателлурита сегодня незаменим в устройстве под названием дефлектор, призванном отклонять оптический луч в определенном направлении. Здесь используется явление акустооптического взаимодействия. Через кристалл в одном направлении пропускается свет, а в перпендикулярном – ультразвук высокой частоты, примерно 100 мегагерц. Бегущая ультразвуковая волна разделит пропускаемый свет на несколько пучков. Меняя частоту звуковой волны, можно добиться изменения световой картинки.
Чтобы пояснить, какое отношение вся эта научная терминология имеет к реальной жизни, упомянем, что лазер-шоу, проецирующее изображение на стену здания, основано именно на этих физических принципах. Но сфер применения кристаллов гораздо больше.
С видом на Сатурн
Как растят кристаллы, довелось наблюдать своими глазами. Были времена, когда лаборатория располагалась в неприметном старом здании в Затверечье, где регулярно вышибало пробки, притом что перебои с электричеством фатальны для непрерывного цикла выращивания кристалла. Ведь растет он со скоростью 0,3 мм в час, а минимальной товарной зрелости достигает при длине 7 сантиметров. Процесс длится круглые сутки, и для дежурящего ночью сотрудника был даже приготовлен топчан, очень напоминавший диван-транслятор в музее соловецкой старины «Изнакурнож» из бессмертного произведения братьев Стругацких.
При мне из муфельной электропечи достали свежеполученный образец готовой продукции – искусственный монокристалл парателлурита, похожий на огромную стеклянную каплю. Оксид теллура при 733°C начинает плавиться, а при понижении температуры и определенной скорости вращения «зародыша» в этом расплаве начинается формирование кристалла. Через 10 дней непрерывного нагрева и вращения в строго заданном режиме специальную установку выключают. Затем свежевыращенный кристалл еще раз хорошенько прогревают в муфельной печи, чтобы снять его внутренние механические напряжения. Но и теперь это всего лишь заготовка, которая выглядит, словно брак стеклозавода, хотя каждый ее грамм и стоит примерно семь долларов. Окончательную форму и предназначение кристалл получает лишь после резки и шлифовки. Как рассказывал тогда «главный добытчик кристаллов» кандидат наук Александр Колесников, если выбросить эту доставшуюся трудами и бессонными ночами «стекляшку» за окно, никто и с земли не поднимет, потому что не поймет, что это такое. А если поймет, все равно не сможет выручить за находку ни копейки – уж больно специфичен мировой рынок парателлурита, и каждый его участник хорошо известен.
Сегодня замечательного ученого уже нет с нами, а его дело продолжает тоже кандидат физико-математических наук и тоже доцент кафедры прикладной физики ТвГУ Сергей Третьяков.
Если изменять частоту пропускаемого через кристалл звука, то кристалл будет пропускать свет только с определенной длиной волны. Зная, что какое-то вещество поглощает именно эту волну, можно оценить, сколько данного вещества содержится в образце. Это называется акустооптическим спектральным анализом. Наши ученые первыми в мире попробовали применить его в астрономии. Побывав в Крымской обсерватории МГУ, они оснастили один из телескопов спектрометром с кристаллом парателлурита. Наверное, результаты эксперимента можно назвать революцией в астрономии, потому что появилась возможность всего за несколько секунд проводить полный анализ спектра излучения небесного тела, получая, таким образом, представление о составе, типе, возрасте, эволюции, удалении звезды. Мы знаем, что Сатурн окружен кольцами, состоящими из обломков камней. Так он видится в обычном свете. Но если настроить телескоп на длину волны поглощения метана (атмосфера и Сатурна, и Юпитера на 99% состоит из этого газа), то гигантская планета исчезнет, видимыми останутся одни кольца.
Впрочем, близкое знакомство с космосом у тверских кристаллов состоялось еще раньше, в качестве составной части бортовых спектрометров космических аппаратов «Марс-Экспресс» и «Венера-Экспресс».
Акустооптический спектральный анализ находит свое применение и в производстве… водки. На конвейерах ликероводочных заводов России установлены приборы «Иконэт» (измеритель концентрации этилового спирта). В 80% этих приборов используются кристаллы, полученные именно в Твери. Упрощенно говоря, «Иконэт» фиксирует, сколько спирта протекло через данный завод, а также с одного взгляда отличает хорошую водку от фальсификата, проверяя, не использовались ли при разливе водки посторонние, опасные для человека спирты (изобутил, изопропил, метанол).
По словам Сергея Третьякова, университетская научная школа жива, надо лишь поддерживать ее непрерывное развитие, что означает приток молодых специалистов, а кроме того, обновление парка используемых для исследований приборов. Если этого не будет, то результатом может стать стагнация и постепенное затухание перспективных исследований.
В Китае ценят «Инженеров года»
В 2022 году за совокупность достижений, включая научную работу и развитие технологий выращивания монокристаллов, а также по итогам предыдущего года доцент Сергей Третьяков удостоился в России высокого профессионального звания «Инженер года». Почетный титул внезапно послужил и пропуском в Поднебесную, дав право на премию посла КНР. Эта премия представляла собой турне по предприятиям и учебным заведениям Китая. Подобным образом из числа лауреатов премии «Инженер года» отбираются 12 лучших, которых и приглашают в соседнюю страну.
Поездка российских ученых проходила с 5 по 12 ноября 2023 года. За неделю делегация посетила три города: Хайань, Сучжоу и Ухань. В первых двух гостям показали инновационные технопарки и предприятия электроники, приборостроения, зеленой химии, медицины. Кроме того, были организованы круглые столы с целью знакомства и обмена презентациями между специалистами российской и китайской сторон для налаживаний контактов и рассмотрения вариантов дальнейшего сотрудничества.
Эти города активно застраиваются, и принимающую сторону интересовали вопросы технологий строительства, разработки строительных и технологических материалов, а также инвестиций – как финансовых, так и в виде объектов интеллектуальной собственности. Со стороны хозяев на встречах присутствовали представители административных отделов, занимающиеся привлечением иностранных специалистов, а также сотрудники Харбинского политехнического и Нанкинского университетов.
В городе Ухань провинции Хубэй россиянам предоставили возможность посетить ряд предприятий в соответствии с профессиональными интересами гостей. Сергей Третьяков посетил заводы по производству ЧПУ-стоек для различных типов станков, по модернизации станков и изготовлению электронных компонентов на заказ. На другом предприятии производилось оборудование для лазерной резки, сварки, чистки, включая электронные компоненты, лазеры и акустооптические устройства для управления лазерным излучением.
Ученый из Твери также побывал в Хуачжунском университете науки и технологий, в лабораториях и на факультетах, где занимаются разработкой различных электронных компонентов приборов и устройств, а также обучают студентов работе с ними. На круглом столе обсуждались вопросы возможного сотрудничества.
В завершение рабочей поездки китайцы организовали масштабное мероприятие, где хозяева и гости выступали с докладами и презентациями о своих достижениях в работе. От принимающей стороны присутствовали порядка 60 человек из различных организаций и учебных заведений: Хуачжунского университета науки и технологий, Уханского университета, Уханского университета науки и технологий, Института прецизионных измерений и технологических инноваций Китайской Академии наук, Института материаловедения и инженерии и многих других. Предложения дальнейшего научного сотрудничества обсуждались и в личных беседах, как и приглашение посетить лаборатории материаловедения и оптоэлектроники, а также принять участие в конференциях, проводимых в университетах Китая.
По наблюдениям российского физика в КНР накоплен огромный, по сравнению с РФ, кадровый потенциал в области технологических производств и строительства. Это связанно как с численностью населения, так и с популярностью данных направлений в сознании молодого поколения, чего не наблюдается среди молодежи в нашей стране. А ведь именно подготовленные кадры позволяют создавать высокотехнологичные производства и большими темпами развивать промышленность.
- Нельзя сказать, что кто-то впереди или кто-то позади, - поделился Сергей Третьяков мыслями о развитии науки у нас и у них. – Современная наука базируется на взаимодействии между коллективами, как занимающимися одной темой, так и разными направлениями, так называемое междисциплинарное взаимодействие. Конференции, публикации и совместные работы, в том числе международные гранты, позволяют выравнивать общий уровень знаний и достижений. Но, так же как и в производстве, высокий кадровый потенциал позволяет проводить большее количество работы практического характера, в то время как в российских вузах ставка сделана больше на фундаментальную и теоретическую науку.
Как бы в доказательство этих слов научные планы ученых-кристаллофизиков ТвГУ на ближайшую перспективу будут заключаться в дальнейших исследованиях свойств материалов, разработке новых методик и поиске новых технологических решений, направленных на улучшение структурного качества продукции, применяемой в приборостроении.
ЦИТАТА "МК"
«Мы должны сделать всё, чтобы отдача и от фундаментальной, и от прикладной науки была кратно выше для нашего развития, и мы сделаем это », – заявил Владимир Путин 5 февраля в преддверии заседания Госсовета по науке и образованию.
