Стекольные инновации. Интервью с В.Н. Сигаевым

В рамках Года науки и технологий июнь посвящен теме новых материалов и технологий. Портал "Научная Россия" вновь отправился в кузницу новейших химических технологий — Российский химико-технологический университет имени Дмитрия Ивановича Менделеева. Заведующий кафедрой стекла и ситаллов Владимир Николаевич Сигаев рассказал об истории кафедры, а также о том, как при помощи стекла можно лечить рак, хранить в стекле гигабайты данных, создавать прочные зубные пломбы и лазерные элементы. 

— Владимир Николаевич, расскажите, когда и как создавалась кафедра химической технологии стекла и ситаллов в РХТУ?

— Кафедра стекла — легендарная. Ее основал почти 90 лет назад, в 1932 году, известнейший советский ученый, технолог №1 в области стекла Исаак Ильич Китайгородский. Достаточно упомянуть, что на основе его разработок, связанных с процессами окрашивания стекла, были созданы рубиновые звезды Московского Кремля. Напомню, башни Кремля изначально украшали двуглавые орлы. До них строители коммунизма добрались только в 1937 году, и орлы были заменены на металлические звезды, которые, однако, не были видны ночью и вообще не создавали должного впечатления. Поэтому и было принято решение заменить их на стеклянные звезды рубинового цвета, которые потрясающе точно вписались в архитектурный облик Кремля. Эта очень красивая разработка вполне дополнила блестящую работу Аристотеля Фьораванти.

Вернемся к образованию кафедры. 1932 год был знаковым не только в контексте ее основания. В этом же году была опубликована знаменитая статья Уильяма Захариасена — крупнейшего ученого кристаллохимика, который заложил основы теории строения стеклообразного состояния. К слову, эта двухстраничная работа остается самой цитируемой статьей в науке о стекле.

Основатель кафедры Китайгородский до революции 1917 года работал главным инженером на стекольном заводе в Запрудне под Москвой. На этом, судя по сохранившимся фотографиям, вполне разрушенном сооружении, Китайгородский наладил производство лампочек. По сути, как говорят сегодня, он запустил процесс импортозамещения, и начиная с 1913-го года, Россия потребляла лампочки отечественного производства. После 1917 года, когда по плану ГОЭЛРО электрифицировалась вся страна, их стали называть «лампочками Ильича», имея в виду не Исаака Ильича, а Владимира Ильича, что я считаю крупнейшей исторической несправедливостью.

В дальнейшем деятельность кафедры охватывала все многообразие стекольных технологий, всех новых вызовов, исходящих из потребностей приборостроения, медицины, экологии. Главный вызов был связан с совершенствованием листового стекла и организации его многотоннажного производства (95 % всего стекольного производства ориентировано на создание оконного листового стекла, то есть стекла архитектурно-строительного назначения). Проблема производства листового стекла была решена окончательно с помощью так называемой флоат-технологии, позволяющей получать практически идеальное стеклянное полотно шириной до шести метров выработкой стекломассы на жидкое олово. В России эта проблема решена благодаря тому, что на российский рынок пришли зарубежные компании — «Эй Джи Си», «Гардиан», «Пилкингтон» и пр. Вклад Китайгородского и его учеников в развитие технологий листового, электровакуумного, медицинского стекла, пенастекла и ситаллов трудно переоценить.  

Следующим заведующим кафедрой стал профессор Николай Михеевич Павлушкин, под руководством которого были созданы учебники по стеклу и ситаллам, множество учебных пособий, по которым (разумеется, с дополнениями в рамках новых достижений) студенты учатся по сей день. Напомню, именно Китайгородский и Павлушкин стали родоначальниками ситаллов в России и были удостоены Ленинской премии СССР.

— Что собой представляют ситаллы?

— Ситалл — это новый класс материалов, который был открыт в конце 50-х годов практически одновременно в США знаменитым профессором Стуки и в России не менее знаменитым Китайгородским. Ситаллы представляют собой стеклокристаллические материалы, полученные объёмной кристаллизацией стёкол и состоящие из одной или нескольких кристаллических фаз, равномерно распределённых в стекловидной фазе. Суть в том, что стекольная технология позволяет получить изделий заданной формы, а если состав стекла позволяет закристаллизовать полученное изделие по законам ситаллообразования, то мы имеем шанс многократно улучшить его механические свойства, прочность, сохраняя при определенных условиях прозрачность. Как правило, изделие получается неизмеримо более прочным. Более того, ситалл обладает многими свойствами кристаллических тел, и его функциональные возможности существенно расширяются в сравнении со стеклом. Поэтому этот класс материалов имеет большое значение для развития самых разных промышленных технологий. А ситалловое направление стремительно развивается и считается одним из самых наукоемких в физикохимии стекла.

Один из самый ярких примеров уникальности ситаллов — ситаллы, обладающие практически нулевым коэффициентом термического расширения и сохраняющие прозрачность стекла.

— Что это значит?

— Это значит, что при изменениях температуры габариты ситаллового изделия не изменяются. Это очень важно для создания астрозеркал телескопов, гироскопов, широко используемых в самолетах и других системах локации. Кстати, специалисты нашей кафедры запатентовали новую модификацию ситалла, в котором значение нулевого коэффициента расширения сохраняется до 600 градусов Цельсия. А сейчас мы реализуем проект, который направлен на создание различных волноводных схем в ситалловой матрице, защищенной от каких-либо температурных влияний.

Сотрудники кафедры разрабатывают методы особо прочного соединения материалов с самыми разными коэффициентами расширения с помощью фемтосекундного лазерного излучения. Как правило, для соединения материалов (стекла, керамики, композитов, металлов и сплавов) используются припоечные стекла, которые при нагревании образовывают вакуум-плотное соединение с хорошими механическими свойствами. Но, как оказалось, при использовании лазерных технологий можно достигнуть значительно более высоких точечных результатов, даже если речь идет о материалах с околонулевым значением коэффициента расширения.

Вернемся к истории кафедры. Вслед за Павлушкиным кафедру возглавил Павел Джибраелович Саркисов, академик РАН и ректор Менделеевского университета на протяжении четверти века. Затем он стал президентом РХТУ. Он был культовой фигурой как в Университете, так и в Академии наук. Под его руководством были созданы многотоннажные производства нового тогда типа ситаллов — шлакоситаллов.

Последние 9 лет кафедру возглавляю я. Позволю себе немного пошутить и вспомнить первые буквы фамилий всех предыдущих заведующих кафедрой: Китайгородский — К, Павлушкин — П, Саркисов — С и Сигаев — С. Получается КПСС. На этом, я думаю, история кафедры либо прекратится, либо сменится ее парадигма.

— Неужели нет последователей?

— О, последователи есть! Сегодня на кафедре работают около двадцати продуктивнейших молодых ученых. Старшее поколение в полном составе (кроме меня) уже ушло на пенсию. Поэтому я, как могу, готовлю смену. Думаю, что мне это удается.

Существование любого коллектива требует финансирования. Технологии и материалы, которые разрабатываются на кафедре стекла и ситаллов в РХТУ, хорошо финансируются, поскольку имеют важное значение для страны. Новый этап развития кафедры связан не только с варкой стекол в лабораторных условиях, но и созданием опытно-промышленных технологий, реализуемых непосредственно на кафедре, в печном зале, в рамках программы развития малотоннажной химии.

Но этого недостаточно. Очень важно научиться модифицировать структуру стекла в микро- и даже в наномасштабе в заранее заданных местах или во всем объеме, чтобы получить возможность создавать в нем новые, не присущие обычному стеклу, свойства, т.е. функционализировать, как сейчас говорят, стекло.

Это направление, возможно, самое наукоемкое в науке о стекле, что подтверждается стремительным ростом публикаций. Кафедра стекла вот уже десять лет модифицирует структуру стекол на микро- и нано-масштабе и входит в число мировых лидеров по данному направлению. Достаточно упомянуть о созданных нами системах записи и считывания данных с стеклообразного носителя.  

Для выполнения такого рода исследований необходимы самые совершенные физические методы исследования. Перед материаловедами за последние два десятка лет открылись потрясающие возможности: изучать субмикроструктуру веществ и материалов, часто на атомном уровне. Когда я начинал работать, моя кандидатская диссертация в середине семидесятых годов была посвящена описанию возникновения и роста зародышей кристаллизации, приводящей к образованию структуры ситалла. В те годы это считалось пионерской работой, которая основывалась на методах нейтронной дифракции. Сегодня мы можем наблюдать значительно более тонкие нюансы структуры стекла, подвергнутого различным физико-химическим воздействиям.

В первую очередь это актуально для конструирования новых материалов для фотоники, для развития лазерных технологий, для миниатюризации оптического приборостроения и пр. С помощью фемтосекундного лазера можно модифицировать внутреннее строение стекла, не затрагивая поверхность. В этом наша кафедра преуспела особенно сильно. Будущие применения микромодифицирования структуры стекла — это создание сверхстабильной оптической памяти, монокристаллических волноводов в объеме стеклообразной матрицы и сложных архитектур на их основе.

Фемтосекундным лазерным пучком можно создавать в объеме стекла некие дефекты — основу новых информационных технологий. Эти дефекты — так называемые двулучепреломляющие периодические нанорешетки размером порядка 1 мкм.

— То есть речь идет о носителях информации на основе стекла?

— Да. Представьте себе диск из кварцевого стекла, в который можно записывать и бесконечно долго хранить информацию.  Прелесть этой идеи именно в том, что можно записывать данные буквально навечно. Этот носитель не требует перезаписи. Он радиационно-стойкий, а главное, он выдерживает перепад температуры в 1000 градусов. На таких дисках можно сохранить всю историю человечества, все культурные достижения, кино, театр, оперы (желательно в хорошем исполнении), сокровищницы всех музеев и так далее. А сами диски могут храниться вечно и даже пережить человечество.

Возможность записывать информацию в десятки слоев значительно увеличивает плотность записи и объем информации в носителе. По некоторым оценкам, это могут быть сотни терабайтов на одном диске.

Конечно, мы только в начале пути. Подобными разработками кроме нас занимаются ведущие мировые фирмы, такие как «Майкрософт», и все мы сталкиваемся со сложными проблемами. Процесс записи на носителе из кварцевого стекла пока что длится слишком долго. Наши поиски других стекол, для которых бы скорость записи могла бы быть повышена, долгое время были безуспешны, пока мы не обнаружили, что прекрасной альтернативой кварцевому стеклу могут служить нанопористые высококремнеземистые стекла, которые сохраняют пожароустойчивость, и для которых скорость записи может быть увеличена в сотни раз.

— Поговорим о медицинских применениях стекла. Насколько я знаю, разработки вашей кафедры применяются и в сфере медицины, в том числе при лечении онкологических заболеваний. Расскажите об этом поподробнее.

— Нам действительно удалось реализовать на практике, в содружестве с фирмой «Бебиг», технологию локальной лучевой терапии онкологических заболеваний с использованием изотопа иттрий-90. Нам удалось синтезировать стекла с очень высоким содержанием иттрия. После его измельчения в порошок и сфероидизации мы получаем микросферы диаметром строго в диапазоне 20-32 мкм. После облучения в активной зоне атомного реактора наводится бета-излучатель — изотоп иттрий-90.

— Для чего?

— Это и есть медицинский препарат, который по капиллярам вводится в печень больного. Это сложная медицинская процедура, о которой лучше рассказывать врачам. Радиоактивный изотоп иттрий-90 с периодом полураспада примерно два с половиной дня в специальной свинцовой упаковке доставляется в больницу. В НМИЦ онкологии им. Н.Н. Блохина подобные операции проводят серийно. Наше отличие от зарубежных препаратов заключается в более высоком содержании иттрия в стекле и в уменьшении тем самым терапевтической дозы.

Что касается медицины, то на кафедре начаты работы по созданию отечественной промышленности пломбировочных материалов для стоматологии. Сегодня по большей части они закупаются за рубежом — в Германии, Великобритании и так далее. Только что, буквально неделю назад, мы стали победителями большого конкурса по Постановлению 218 Правительства России и теперь под руководством ведущей российской фирмы-производителя медицинских изделий для стоматологии «ВладМиВа» будем решать эту проблему. Одна из главных наших задач — достижение мирового уровня качества материалов на основе стекла для стоматологии при многократном снижении цен на стоматологические услуги.

— Если говорить о фундаментальной науке, то стекло и технология его производства известны уже многие тысячелетия. Что исследуется сейчас?

— Я уже упоминал о том, сейчас исследуются тонкие изменения структуры стекла с целью его функционализации. Сегодня усилия многих ученых и технологов направлены на развитие миниатюризованных технологий для применений в информационных технологиях, оптике, фотонике, медицине. Во что это выльется в ближайшие 5-10 лет — посмотрим. Меня лично очень волнует вопрос, можно ли совершить великое технологическое чудо в микромасштабе — научиться устойчиво и воспроизводимым образом проникать внутрь стекла лазерным пучком и в заранее заданных областях выращивать монокристаллические структуры микронных и субмикронных размеров, создавать волноводные структуры из нелинейно-оптических кристаллов с низким затуханием света внутри стеклянной матрицы.

Наши недавние работы показали принципиальную возможность практической реализации «вечной памяти» в стекле. Теперь начинается этап создания промышленной технологии, на котором возникнут новые проблемы и новые решения.

Огромный потенциал для развития стекол исходит от запросов волоконной оптики и лазерной физики. Это тема требует отдельного рассмотрения.

Но это касается и большинства традиционных направлений, связанных со стеклом. Всегда будет желание улучшить качество листового стекла и придать ему за счет покрытий все новые и новые свойства, всегда технологи будут стремиться увеличить прочность остекления летательных аппаратов, снизить массу бутылок при сохранении их прочности.

Земная кора состоит в основном из кремнезема SiO2. Волоконно-оптические линии связи, волоконные усилители — тоже на основе SiO2. И вот намечается создание «вечной памяти» — также на основе SiO2. И практически все промышленные стекла производятся на основе SiO2. Поэтому класс материалов под названием «материалы на основе стекла» обречен на вечное будущее.