Слой за слоем

Екатеринбург недавно подал заявку в Роснано на создание наноцентра - мегаполис упорно претендует на роль постоянной площадки для обсуждения проблем развития нанотехнологий. Например, в конце августа ведущие ученые из разных стран представили здесь свои новейшие достижения в сфере сегнетоэлектричества в рамках Объединенного международного симпозиума. Обратило на себя внимание то, что многие зарубежные исследователи - выходцы из России. Один из них - Владимир Шварцман, известный в сегнетоэлектрическом сообществе ученый. Закончил Московский инженерно-физический институт по специальности физика твердого тела, успешно защитил диссертацию по сегнетоэлектрикам и тут же был приглашен работать в Германию, в университет Дуйсбурга-Эссена, в Институт физики материалов, ведет ряд научных исследований, включая изучение композитных мультиферроиков, бессвинцовых пьезоэлектрических материалов. Он так оценил возможность общения на екатеринбургской научной площадке: «Важно выбираться из лабораторий, общаться с людьми, которые занимаются похожими проблемами и направлениями, обсуждать, почему у одних получилось так, а у нас по-другому. Ученым интересно слушать доклады и из других областей. Зачастую решение проблемы приходит синергетическим путем - когда вдруг понимаешь, что можно бы использовать иную идею».

Экскурс в дебри

- Владимир, над чем вы сейчас работаете?

- Композитные мультиферроики - это материалы, обладающие одновременно свойствами ферромагнетиков и сегнето­электриков. Поясню: ферромагнетики имеют магнитный порядок и магнитный момент. Магнитный момент можно переключить внешним магнитным полем, и на основании этого создавать элементы памяти - в большинстве современных компьютеров сейчас используется такая магнитная память. Мы работаем над ее совершенствованием.

- Заглянем в научные дебри: проблема кроется в чем?

- Мир желает, чтобы компьютеры были максимально компактны, соответственно носители информации нужны тоже маленькие, но на них надо обеспечить как можно более плотную запись. Чтобы записать новую информацию, нам нужно магнитное поле, которое обычно создается с помощью электрического тока. Но проблема в том, что при уменьшении размеров носителя плотность тока становится очень велика, что приводит к заметному нагреву. Поэтому во всех современных компьютерах важную роль играют различные охлаждающие элементы.

- И для чего используются мультиферроики?

- В них магнитный и электрический момент связаны, то есть в идеале мы можем переключить магнитный момент электрическим полем и наоборот - электрический момент магнитным полем. Переключение магнитного момента электрическим полем позволит существенно сократить издержки на охлаждение системы и создать новую архитектуру элементов памяти. Гипотетически (мы пока на стадии лабораторных разработок материалов) можно создать устройство, в котором вместо бинарной логики применима кватернарная логика. А использовать для обработки и хранения информации четырехзначные логические элементы - идея крайне интересная.

Кроме того, с помощью мультиферроиков можно измерять очень слабые магнитные поля. Сейчас для этого требуется довольно сложная аппаратура, которая работает при низких температурах: ее надо охлаждать жидким азотом или жидким гелием. А на основе мультиферроиков можно делать сенсоры магнитного поля небольшого размера, работающие при комнатной температуре.

- Что именно происходит в вашей лаборатории?

- Мы пытаемся делать мультиферроики композитным путем. То есть берем сегнетоэлектрический материал, смешиваем его с ферромагнитным. Любой ферромагнетик обладает еще и эффектом магнитострикции: прикладываем магнитное поле - объем материала изменяется. Также объем меняется, когда к сегнетоэлектрику прикладываем электрическое поле. Теперь представьте, что мы эти два материала соединили, приложили магнитное поле, и в итоге у нас деформировалась магнитная часть нашего композита, а на границе раздела возникло механическое напряжение. Это механическое напряжение благодаря пьезоэффекту приводит к изменению поляризации в сегнетоэлектрическом материале. Таким образом, прилагая магнитное поле, мы можем изменять поляризацию, прилагая электрическое - изменять магнитный момент. Подытожим: чтобы получить композитные мультиферроики, нужно взять, условно, слой магнитный, слой ферромагнетика, слой пьезоэлектрика и работать с таким слоистым материалом.

В принципе эта тема очень хорошо исследована, но основная проблема такой конфигурации - ее сложно уменьшить в размерах.

Наша идея - создать структуру «ядро - оболочка»: наночастицы магнитного материала, покрытые оболочкой из сегнетоэлектрика. Для этого мы получаем ферромагнитные наночастицы, потом с помощью разработанной в нашей лаборатории технологии покрываем их слоем сегнетоэлектрика, например титаната бария, синтезируем из этих порошковых материалов плотные керамические образцы. И исследуем на них магнитоэлектрический эффект (зависимость магнитного момента от электрического поля) и другие свойства.- Для чего эти исследования проводятся? На что хотите выйти?- Хотим получить материал с большим КПД, имеющий значительное изменение магнитного момента при приложении небольшого электрического поля и невысокую проводимость. При этом он должен легко уменьшаться до размеров микронного уровня, быть недорогим и относительно простым в производстве, не энерго- и не ресурсоемким.
Такие новые материалы применяют в качестве преобразователей энергии: электрической и магнитной в механическую, электрической - в магнитную и наоборот.

Между идеей и финансами

- Насколько уникально ваше исследование?

- В современном мире трудно заниматься уникальными вещами: вроде бы уникальная вещь никому больше не интересна, кроме вас. Но исследователей всегда интересуют именно такие новые направления. Созданием структур «ядро - оболочка», подобных нашим, в мире сегодня занимаются три группы исследователей в известных компаниях в Китае, Мексике и США. Поэтому нашу идею создания композитных материалов с такой структурой совсем уникальной нельзя назвать. Между учеными идет напряженное соревнование: кто первый сделает хороший материал.

- Почему вы занимаетесь именно нанотехнологиями?

- К ним приковано очень большое внимание экономики. В мире сейчас тенденция к миниатюризации - устройства будут становиться все меньше, тоньше за счет нанотехнологий. Конечно, чтобы создать их, во-первых, надо найти материал, который будет хорошо работать в таком размере, и, во-вторых, разработать технологию, которая позволит создавать это устройство. Естественно, поиск и исследование таких материалов стимулируются.

Без нано тут никак не обойтись. Есть аспект, который наиболее интересен с точки зрения ученого: многие материалы, когда их размер уменьшается до субмикронного, до наноуровня, начинают вести себя по-другому, иногда - совсем по-другому, чем в большом объеме. Поэтому понимание и прогнозирование изменения свойств материалов крайне важно и интересно. Причем для ученых слово «важно» стоит на втором месте, на первом месте - интерес. Но так как в современном мире научные проекты невозможны без внешнего финансирования, то естественно, что работа должна проводиться так, чтобы заинтересовать те фонды, инвесторов, которые смогут выделить деньги на это исследование, оборудование, зарплату.

- Как финансируется наука в Германии?

- Есть несколько больших источников. В первую очередь академическую науку, сосредоточенную в университетах, финансирует Фонд немецкого исследовательского общества, аналог нашего Российского фонда фундаментальных исследований. Это деньги федерального бюджета или бюджетов отдельных земель. Процедура проста: исследователь, который хочет получить финансирование, пишет заявку, проект, в котором обосновывает, почему он хочет заниматься этой проблемой и почему именно он может заниматься ею хорошо. Тут важен задел: почти невозможно получить деньги, если ты в тему пришел со стороны. Допустим, я исследовал планеты и вдруг прошу деньги на нанотехнологии - скорей всего, не получу. Эксперты дают заключение, насколько проект хорош, следует ли его поддержать. Окончательно судьбу заявки решает совет фонда, собирающийся несколько раз в год. Обычно на эти деньги можно приобрести оборудование средней стоимости и платить зарплату одному аспиранту.

Другой источник - фонд ВMBF: деньги выделяет государство совместно с промышленностью, их получить сложнее. Тут надо, чтобы проект был ориентирован больше на практическое применение, заинтересовал бы компании, корпорации, которые вкладывают часть денег в этот фонд.

Также в Германии большой пласт исследований ведется в крупных компаниях: там могут быть весьма значительные источники финансирования.

- Какие направления вы считаете наиболее перспективными?

- В нашем институте таких несколько. Одно из них - бессвинцовые пьезоэлектрики. Большинство пьезоэлектрических элементов, которые сейчас используются в автомобилях и обеспечивают впрыск топлива, содержат свинец. Но свинец опасен для человеческого организма. Поэтому в Европе принят ряд норм, в принципе исключающих свинец, по крайне мере из материалов, использующихся в бытовой или автомобильной промышленности. Во всем мире сейчас идет поиск альтернативы, наша исследовательская группа также в него вовлечена.

Другое перспективное направление исследований в Германии - фотовольтаика: получение электроэнергии путем преобразования световой. Основной элемент, который здесь используется, - кремний. Но проблема кремния в том, что только небольшой участок его работает. Более интересным представляется создание фотовольтаических элементов на основе органических композитных наноматериалов - их разработкой мы и занимаемся.

- Как рождаются новые направления исследований?

- Чаще ученые движутся от потребности, стимулируемые запросами промышленности на производство определенных материалов. Но бывает наоборот. Пример - известная история с графеном: это двухмерный слой углерода, за открытие и исследования которого в позапрошлом году два русских ученых, работающих за границей, получили Нобелевскую премию. А все началось с чисто академического интереса.

- Вы видите, где будут научные изыскания в наносфере завтра?

- Очень много исследований начато на границе биологии и материаловедения. Одно из направлений - создание носителей микро- и даже наноразмеров. Они позволят, например, не просто проглотить лекарство, а доставят его в определенное место в человеческом организме, и только там лекарство начнет действовать. Это интереснейшая задача, к сожалению, далекая от моего опыта.