«Керамические материалы играют в нашей жизни центральную роль». Интервью с профессором РАН Елизаветой Симоненко

Что представляют собой современные керамические материалы? Какое отношение они имеют к покорению космического пространства? Что такое микроплоттерная печать и что можно получить с ее помощью? Чем дышит «умный нос» и почему химия — это жизнь? Об этом рассуждает Елизавета Петровна Симоненко, доктор химических наук, профессор РАН, заведующая лабораторией физикохимии керамических материалов ИОНХ РАН.

— В сознании обывателя керамика — это глиняные горшочки, которые находят археологи при раскопках. Это и есть керамические материалы?

— Разумеется, мы не будем открещиваться от глиняных горшочков. Да, они относятся к керамике. Но если говорить о наукоемких областях деятельности человека, то керамические материалы можно трактовать очень широко. Именно поэтому наша лаборатория проводит исследования в совершенно различных областях науки и техники. Это связано именно с тем, что керамические материалы — расширенное понятие. Одной из наиболее для нас важных и актуальных тематик, развивающихся в нашей лаборатории, стало создание высокотемпературных керамических композитов, которые предназначены для работы в экстремальных условиях эксплуатации.

— Что это за условия?

— Допустим, в присутствии сильных окислителей, например атомарного кислорода, под очень жестким механическим воздействием. Поскольку они высокотемпературные, понятно, что предполагается использовать их при повышенных температурах вплоть до 2 тыс. градусов Цельсия, а в некоторых областях применения требуется и превышение таких температур. В целом эти материалы могут использоваться и в составе высокотемпературных теплообменников. В последние годы такие материалы, как ни странно, активно применяются в энергетике, причем даже в альтернативной, например в солнечных коллекторах. Их часто используют как твердые материалы, поскольку у них достаточно неплохие механические свойства, а высокая огнестойкость позволяет использовать такие материалы, расширяя температуру эксплуатации. Однако наиболее важной областью их применения, позволяющей максимально раскрыться их положительным характеристикам, стала авиакосмическая отрасль. Некоторые детали в результате аэродинамического нагрева могут достигать температур, превышающих 2 тыс. °C.

— О какой именно технике идет речь?

— Когда говорят «авиакосмическая техника», в первую очередь приходит в голову освоение околоземного космического пространства. Однако в последние годы мы с коллегами из Института проблем механики предложили оценить возможность применения таких материалов и для освоения других планет Солнечной системы. Для этого инициировали совместное исследование — испытание поведения подобных материалов под воздействием не только воздушных газовых сред, но и более экзотических газовых потоков, например под воздействием и до-, и сверхзвуковых потоков углекислого газа. Мы знаем, что именно из углекислого газа на 95–98% состоит атмосфера таких планет, как Марс и Венера, к которым в последние годы возродился интерес. Сейчас мы с нашими коллегами проводим исследования, смотрим, как при различных воздействиях деградирует материал, насколько он стойкий, какие воздействия может выдержать.

— Вы говорите о прямом химическом воздействии, а ведь в космосе есть еще жесткое космическое излучение…

 — Вы правы. Когда мы думаем об освоении космоса, мы не очень сильно принимаем его во внимание, поскольку нас как биологические объекты защищают от этого крайне опасного явления магнитное поле и атмосфера нашей планеты. А в случае, если мы будем выходить за их пределы, на все материалы начинает воздействовать это жесткое и высокоэнергетическое ионизирующее излучение, которое разрушающе действует, например, на элементы микроэлектроники. Поэтому для освоения дальнего космоса микроэлектронику требуется дополнительно защищать. Но пока исследований воздействия космического излучения на высоко- и ультравысокотемпературную конструкционную керамику не проводилось. Мы включились в сообщество ARIADNA, организованное сотрудниками Объединенного института ядерных исследований в Дубне, чтобы наши материалы были исследованы на недавно запущенной мегаустановке NICA. Первые эксперименты мы уже проводим.

— Что за эксперименты?

— Воздействие высокоэнергетических ионов, которые генерирует эта установка, в некотором приближении может имитировать эффект космического излучения. Мы пытаемся исследовать, как может вести себя керамика в космических применениях — с одной стороны, при преодолении атмосферы различных небесных тел, которая приведет к аэродинамическому нагреву и деградации, а с другой стороны, до атмосферы Марса и Венеры материалы надо еще доставить. И на них должно оказываться довольно агрессивное воздействие, приводящее к разрушению структуры, а иногда и протеканию ядерных реакций и соответствующих химических преобразований, хотя вокруг вакуум.

— Но известно, что наши советские аппараты летали к Венере еще в 1990-е гг., и очень успешно. Там керамика не использовалась?

— Там были различные материалы, в том числе и керамические элементы. Вопрос в том, что сейчас предлагаются к использованию совершенно другие конструкции этих аппаратов. Советские летательные аппараты имели существенно бóльшие радиусы кривизны, а чем меньше этот радиус, тем больше аэродинамический нагрев, но и выше скорость, управляемость и маневренность спускаемых аппаратов. Сейчас требования к использованию космической техники ужесточаются, соответственно, потребовались поиски новых материалов.

— Правильно ли я понимаю, что если аппарат, сделанный из вашей керамики, сядет на поверхность Венеры, то с ним будет все хорошо?

— Начнем с того, что вряд ли сделают космический аппарат полностью из наших керамических материалов, поскольку у них высокая плотность, они тяжелые. В космической технике плотность имеет значение. Поэтому создаваемые нами керамические композиты предполагается использовать именно для самых термонагруженных участков этих спускаемых аппаратов — острые кромки, острые носки, которые при высоких скоростях движения будут нагреваться сильнее всего. Конечно, мы провели еще не все исследования. Все вопросы снимет исключительно натурный эксперимент. Но эксперименты, проведенные нами в лаборатории взаимодействия плазмы с веществом Института проблем механики, показали, что наши материалы успешно выдерживают некоторые агрессивные режимы — например, воздействие СО_2. Мы наблюдаем механизмы деградации, в чем-то схожие с таковыми в воздушных потоках. Но какие-то процессы существенно различаются, и сейчас мы запланировали серию экспериментов, которая позволила бы нам найти эту разницу, чтобы можно было прогнозировать поведение таких материалов. В реальных космических аппаратах наши материалы пока еще не используются, но мы делаем все, чтобы они принесли пользу нашей стране в освоении космоса.

— В вашей лаборатории ведутся исследования не только высокотемпературных керамических материалов. Это так?

— Да. Керамика очень разнообразна по составу, свойствам, поэтому возможны разные области применения. Мы говорили о конструкционной высокотемпературной керамике. Некоторым антиподом этой области применения керамики стали планарные функциональные материалы. Они могут быть использованы в различных областях науки и техники. В нашей лаборатории очень интенсивно развиваются несколько направлений. Прежде всего, для создания любых планарных материалов очень важна разработка методик воспроизводимого их нанесения. Чтобы создать эту планарную структуру, важны технологии их воспроизводимого, автоматизированного локального и точного нанесения. Именно для таких целей в нашей лаборатории развиваются методы высокоточной печати, ставшие одним из подразделов аддитивных технологий. Именно автоматизация процесса формирования слоев вкупе с автоматизацией некоторых методов получения самих веществ, которые мы наносим на керамические материалы, позволяют добиваться некоторых впечатляющих результатов.

— Например?

— Например, применение методик программируемого химического осаждения неорганических соединений в композиции с микроэкструзионной печатью позволило нашим коллегам продвинуться в создании электродов для различных устройств генерации и хранения энергии. В частности, сейчас наши коллеги активно разрабатывают покрытия, направленные на создание суперконденсаторов с повышенной емкостью, с возможностью увеличенного накопления энергии. Это становится возможным благодаря тому, что при синтезе самих действующих веществ используются методы, позволяющие создать иерархически организованные частицы с высокой удельной площадью поверхности и большим количеством электрохимически активных центров. В сочетании с высокоточной печатью это дает нам возможность получать очень хорошие результаты. Другая вариация высокоточной печатной электроники  — микроплоттерная печать. С помощью этого метода нашим коллегам удается наносить электрохромные покрытия, причем благодаря особенностям метода можно получать не только сплошные покрытия, но и микропиксели размером до 50–100 мкм. Их сочетание позволяет направленно изменять свойства слоев. Например, основная область применения электрохромных покрытий — умные окна, которые регулируют свою прозрачность (затемнение и просветление) с помощью электрического напряжения. На этих окнах даже возможна визуализация какой-то информации.

— Это как?

— Можно коллективом пикселей нанести слои информации, чтобы проявить их в определенный момент. Подать некоторое конкретное напряжение, и у вас на прозрачном фоне появится что-то, написанное другим цветом. Какая-то надпись.

Далее необходимо определить, как более надежно и экономично получать эти умные окна. Цель — достичь комфорта для людей без всевозможных жалюзи и ставен и обеспечить энергоэффективность зданий за счет поступления и отражения лучистой энергии, что минимизирует кондиционирование помещений. И, наконец, мы серьезно занимаемся химической газовой сенсорикой — формированием рецепторного слоя, который в зависимости от состава газовой среды может изменять свою электропроводность. Такое устройство может сигнализировать, что в атмосфере появился какой-то токсичный газовый компонент, какой-то выброс на предприятии. Или, например, показывать, что достигнута опасная концентрация взрывоопасного вещества, допустим, метана в шахтах или пропан-бутановой смеси в нашей обычной жизни. Газовая сенсорика очень активно используется в промышленности, а еще по составу выдоха человека, по появлению или превышению концентрации определенных молекул-маркеров возможно быстрое определение социально значимых заболеваний: астмы, диабета, проблем с ЖКТ и даже некоторых видов рака.

— Но такие работы уже много где ведутся.

— Совершенно верно. Однако есть проблема: когда мы используем газовую сенсорику в этих целях, мы не можем избежать очень высокой влажности. Мы с вами в основном состоим из воды, и выдох у нас всегда влажный. Традиционные материалы, применяемые для газовой сенсорики, уже давно найдены — это полупроводниковые оксиды металлов, прежде всего цинка и олова. Но они при изменении влажности газовой среды очень сильно изменяют свою электропроводность и сигнал на газообразный аналит. Результат может быть кардинальным образом искажен, мы можем его вообще не наблюдать, если не подобраны специальные рецепторные материалы, которые не очень сильно реагируют на изменения влажности. А иногда рецепторные материалы могут быть просто откалиброваны под конкретную влажность, потому что влажность выдоха воздуха у человека близка к константе.

— И вы стараетесь решить эту проблему?

— В том числе. Самое главное — мы проводим разработку методов получения различных рецепторных материалов, которые пытаемся улучшить путем изменения их состава, микроструктуры, а также повысить их чувствительность к конкретным компонентам газовой среды, селективность отклика на конкретный аналит. В реальных условиях жизни смесь кислорода, азота и этого аналита не может существовать, всегда есть побочные молекулы, которые могут вмешаться в детектирование. Одним из путей решения этой проблемы считается модифицирование состава этих традиционных полупроводниковых оксидов металлов другими компонентами: наночастицами благородных металлов, оксидами других металлов. Сейчас очень перспективным считается модифицирование 2D-материалами, начиная с уже тривиального графена до халькогенидов молибдена, олова. Очень модная сейчас тематика допирования максенами — двумерными карбидами или нитрида металлов.

В настоящее время у нас проводится довольно массированное исследование влияния введения в состав таких рецепторных материалов оксидов редкоземельных металлов. Термин «редкоземельные металлы» наверняка уже выучили все, даже те, кто не имеет никакого отношения к химии и вообще к науке. То, что промышленность испытывает большую потребность в этих металлах, уже вышло на высокий политический уровень. Сейчас слышен термин «редкоземы», и очень жалко, что люди не всегда понимают, что это такое.

 — Давайте объясним.

— К редкоземельным металлам, или элементам (РЗМ, РЗЭ) относятся некоторые элементы IIIB-группы периодической системы Д.И. Менделеева: скандий, иттрий и лантаноиды. Литий — редкий металл, но не редкоземельный, как часто думают. Специалисты, разумеется, понимают, что такое и чем важны и сами РЗМ, и их оксиды. Мы проводим синтезы нанокомпозитов, пытаемся получить эффективные добавки к традиционным рецепторным материалам, которые бы позволили повлиять на свойства оксидов олова, цинка, других полупроводниковых оксидов металлов. Наш большой опыт в этой области и то, что мы достаточно давно пытаемся сотрудничать с промышленностью в плане создания газовых сенсоров, привели к тому, что в рамках действующего на базе нашего института научного центра мирового уровня по рациональному использованию редкометального сырья мы выполняем большой проект, связанный с разработкой высокочувствительных газовых сенсоров, модифицированных оксидами редкоземельных металлов. В рамках этого проекта у нас большие планы. Одна из самых первых задач — выбор наиболее эффективных чувствительных материалов, обеспечивающих жизнь этого датчика в целом. Вторая задача — подбор совместно с нашим индустриальным партнером наиболее эффективной структуры, морфологии сенсорных подложек, поскольку в настоящее время существуют тенденции к миниатюризации этих приборов, к тому, чтобы в наибольшей степени снизить их энергопотребление. Это связано с тем, что ставится задача встраивания датчиков в носимую электронику, чтобы можно было максимально оперативно реагировать на изменение газовой среды. Мы с нашим индустриальным партнером занимаемся разработкой и тестированием энергоэффективных подложек газовых сенсоров. Далее требуется воспроизводимое нанесение слоев рецепторных материалов, и здесь опять же задействуются наши исследования в области печатных технологий. Последняя стадия — разработка обвязки вокруг сенсорного элемента, которая включает в себя подложку с нанесенным рецепторным слоем. Такая обвязка позволяет нам перевести с языка функционального слоя полупроводников (изменения электрического сопротивления покрытия при изменении газовой среды) на язык, который понятен людям, — язык цифр и сигналов.

— Есть ли уже какие-то результаты?

— Да, и эти результаты позволяют нам надеяться на то, что проект будет завершен успешно. Речь идет о разработке прототипа реального сенсорного устройства. Это очень важно не только потому, что я люблю свою тематику и считаю, что она самая что ни на есть важная, но и потому, что в последние годы обострилась проблема разработки российских приборов. В основном в Россию такие устройства ранее поставлялись из-за рубежа, а сейчас с этим большие проблемы. Поэтому, если уж у нас ориентация на развитие микроэлектроники в нашей стране, а сенсоры — это тоже микроэлектроника, то было бы очень странно, если бы мы не попробовали решить эту проблему своими силами. Тем более что в России достаточно сильная школа газовых сенсорщиков.

— Где в обычной жизни можно применить эти устройства?

— Создание перспективных устройств хранения энергии — очень важная и практически ориентированная задача. Они требуются, чтобы увеличить, например, расстояния, на которые могут перемещаться электрические транспортные средства, или для максимально рационального использования гибридного транспорта, способного к рекуперации энергии. Они могут быть использованы для демпфирования резких перепадов в электросетях, для сглаживания цикличности функционирования электростанций, работающих на энергии ветра или Солнца. Находят они свое применение и в электронике, например для длительной работы без подзарядки носимых устройств, в частности таких, как газовые сенсоры, о которых мы поговорим чуть позже. В медицине подобные устройства также могут быть полезны для обеспечения работы нательных датчиков, приборов постоянного ношения.

— Достаточно ли разрабатываемых вами сенсоров для решения реальных задач? Я слышала, что в некоторых ситуациях предлагается использовать так называемый умный нос…

— «Умный нос», или мультисенсор — это более прогрессивное устройство, в котором на очень небольшой подложке площадью около 1 см² одновременно работают, анализируют сложную газовую среду сразу несколько газовых датчиков. За счет того, что в них рецепторные слои имеют разный состав, микроструктуру и, соответственно, свойства, они по-разному реагируют на присутствие одних и тех же газов в атмосфере, дают разные сигналы. Этот большой массив одновременно поступающих данных можно обработать с помощью современных математических инструментов и детектировать отдельно содержание даже очень похожих химически веществ. Создание мультисенсоров — непростая и междисциплинарная задача, которой мы также активно занимаемся. Помогает то, что при разработке индивидуальных газовых сенсоров под конкретные аналиты мы накапливаем своеобразную библиотеку рецепторных материалов, собрание знаний о том, как изменение метода синтеза и состава сказывается на газовой чувствительности, которую далее можно будет использовать в таком комплексном устройстве.

— Есть ли у вас научная мечта?

— С одной стороны, хочется, чтобы и высокотемпературные керамические материалы полетели в дальний космос, хотя бы к Марсу. С другой стороны, хочется подержать в руках, а еще лучше — увидеть, как кто-то покупает наш газовый сенсор или суперконденсатор. Понятно, что в научном учреждении мы не можем организовать производство, это не наша специфика, но было бы прекрасно, чтобы это устройство было разработано с нашим участием. Невозможно работать впустую, хочется практической реализации, чтобы окна за нашими спинами были не просто окнами, завешенными шторами, а стали умными, чтобы можно было пультом изменить пропускание ими света.

— А куда же деть шторы и жалюзи?

— Думаю, мы найдем, где их использовать. Полимерные материалы, на основе которых они делаются, наверняка можно переработать и использовать на пользу людям. Очень широко разнообразие всевозможных материалов, и керамические материалы, с моей точки зрения, в этом ряду занимают самое важное место. Но и полимерные, и металлические материалы тоже очень востребованы. Они используются не только для того, чтобы делать тяжелые станки, но и чтобы производить стенты, которые продлевают жизнь людям. Ведь химия — это жизнь.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ