Поиск - новости науки и техники

Топай – свет появится. Скоро и в нашей стране люди начнут освещать себе дорогу собственными шагами.

Очень скоро электричество можно будет добывать буквально “из воздуха”, а точнее, из природных или техногенных механических вибраций и магнитных полей, уверен декан факультета электроники Московского государственного технического университета радиотехники, электроники и автоматики (МГТУ МИРЭА), профессор, доктор физико-математических наук Юрий Фетисов, возглавляющий НОЦ “Магнитоэлектрические материалы и устройства” (“Магнитоэлектрик”). В прошлом году коллектив его НОЦ стал одним из победителей в борьбе за право реализовывать в рамках ФЦП “Научные и научно-педагогические кадры инновационной России” на 2009-2013 годы, госзаказчиком которой является Минобрнауки, собственный проект – “Резонансные взаимодействия в мультиферроидных композитных структурах с управляемыми электрическими и магнитными параметрами”.
НОЦ “Магнитоэлектрик” представляет собой удачный пример альянса науки, образования и промышленности: в его состав входят не только преподаватели и научные сотрудники МГТУ МИРЭА, но и группа ученых из Института радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова (ИРЭ РАН), возглавляемая профессором, доктором физико-математических наук Георгием Мансфельдом, а также разработчики инновационного предприятия ОАО “НИИ ЭЛПА”. Реализацией проекта-победителя сегодня заняты четыре доктора наук, несколько кандидатов наук, трое молодых ученых и большое количество студентов. Вовлечение молодежи в серьезную исследовательскую деятельность – одна из стратегических задач НОЦ “Магнитоэлектрик”.
– Наиболее активные и талантливые студенты МИРЭА уже с третьего курса имеют возможность присоединиться к научным изысканиям. Сначала они приходят к нам в научные лаборатории раз в неделю, потом чаще, – комментирует ситуацию Юрий Фетисов. – Самое главное, на базе НОЦ студенты имеют возможность выполнить свои дипломные работы. Как правило, у наших дипломников при выходе на защиту в запасе есть уже не только опыт выступлений на научных конференциях, но и две-три статьи в ведущих журналах, таких как, например, “Нано- и микросистемная техника”, “Журнал технической физики”, “Письма в журнал технической физики” или их американские аналоги – “Journal of Applied Physics”, “Applied Physics Letters”. Мы не проводим лекции и семинары в традиционном понимании, но обеспечиваем молодым людям полноценное погружение в серьезную научную работу.
Основная задача участников проекта “Резонансные взаимодействия в мультиферроидных композитных структурах с управляемыми электрическими и магнитными параметрами” – разработка технологии изготовления высококачественных пленочных мультиферроидных структур, детальное исследование их характеристик и различных видов магнитоэлектрических взаимодействий в подобных структурах. Впоследствии предполагается создание опытных образцов высокочувствительных датчиков магнитных полей и автономных источников энергии, выпуск которых будет налажен на производственных мощностях “НИИ ЭЛПА”.
По словам Юрия Фетисова, МГТУ ­МИРЭА – один из первых в стране университетов, где подобной тематикой начали заниматься более 10 лет назад. С 2000 года МИРЭА проводит совместные исследования магнитоэлектрических материалов и явлений с целым рядом ведущих в этой области зарубежных ученых. Среди них – профессор Г.Сринивазан (G.Srinivasan) из Оклэндского университета (США), профессор Д.Скотт (J.Scott) из Кембриджа (Великобритания), профессор Ф.Перно (P.Pernod) из Университета Лилля (Франция), профессор А.Сташкевич (A.Stashkevitch) из университета Париж-13 (Франция), профессор А.Холкин (A.Kholkin) из Университета Авейро (Португалия), профессор М.Шамонин (M.Chamоnine) из Университета прикладных наук Регенсбурга (Германия) и целый ряд других. Результаты исследований представлены в десятках совместных статей в ведущих отечественных и международных журналах, а также в недавно выпущенной издательством Lambert Academic Publishing монографии “Магнитоэлектрический эффект в многослойных пленочных структурах”.
– Следует отметить, что мультиферроидные материалы, обладающие одновременно магнитным и электрическим упорядочением (например, оксид хрома), изучают уже более полувека. Однако магнитоэлектрический эффект (взаимное преобразование магнитных и электрических полей) практически во всех природных мультиферроидных кристаллах мал по величине и наблюдается при очень низких температурах. Это делало бесперспективным использование таких материалов в электронике. В начале века в данной области был совершен прорыв: Г.Сринивазан с сотрудниками экспериментально показали, что в искусственно созданных композитных мультиферроиках эффект может быть в тысячу и более раз выше, причем при комнатной температуре. Композитный мультиферроик представляет собой керамику из ферромагнитных и ферроэлектрических микро- или наночастиц либо слоистую структуру, состоящую из чередующихся ферромагнитных и ферроэлектрических пленок, механически связанных друг с другом. Преобразование магнитных и электрических полей в композитном мультиферроике происходит за счет комбинации магнитострикции в магнитном материале и пьезоэффекта в ферроэлектрическом материале. Характеристиками магнитоэлектрических взаимодействий в композитных мультиферроиках можно управлять с помощью внешних электрических и магнитных полей.
На базе мультиферроиков могут быть созданы принципиально новые устройства электроники и информатики, среди которых – датчики магнитных полей нового типа с чувствительностью выше миллиардной доли поля Земли; быстродействующие устройства обработки радиосигналов; миниатюрные автономные источники электрической энергии, преобразующие природные и техногенные механические вибрации и электромагнитные поля в электрическое напряжение и имеющие практически неограниченный срок службы, быстродействующие элементы магнитной памяти нового типа, переключаемые электрическим полем.
Когда три года назад зашла речь о создании НОЦ “Магнитоэлектрик”, выяснилось, что для проведения полноценных исследовательских работ по данной тематике нужны высококачественные магнитострикционные и пьезоэлектрические материалы. Так мы вышли на ОАО “НИИ ЭЛПА” в Зеленограде, специализирующееся на разработке и производстве пьезокерамических материалов, элементов и устройств на их основе. В рамках организованного нами научного семинара рассказали зеленоградцам о наших целях и потребностях, после чего и было решено дальше работать вместе. Вторая организация, с которой мы сотрудничаем по данному проекту, – ИРЭ РАН – наш давний научный партнер и ведущий в стране исследовательский центр в области акусто- и магнитоэлектроники.
Объединив усилия и все имевшиеся заделы, нам удалось получить грант в рамках ФЦП “Кадры”: 6,7 млн рублей сроком на три года. Уникального оборудования на такие средства не купишь, однако для обеспечения приемлемой зарплаты штатных сотрудников НОЦ и покрытия текущих расходов на проведение исследований этих средств вполне достаточно. Кстати, подчеркну, что нового дорогостоящего оборудования нам закупать не потребовалось: мы постарались гармонично “распределить нагрузку”, использовать то, что уже было в наличии: некоторое собственное измерительное оборудование, установленное в МИРЭА и в ИРЭ РАН, и возможности технологической базы “НИИ ЭЛПА”.
До недавнего времени НОЦ “Магнитоэлектрик” существовал лишь на уровне трехстороннего соглашения о сотрудничестве, но в прошлом году он первым среди всех НОЦ университета получил статус отдельного структурного подразделения МГТУ МИРЭА. Стоит отметить, что на исследования по данной тематике за последние 10 лет в МГТУ ­МИРЭА было потрачено более 10 миллионов рублей. Работы финансировались в основном за счет Минобрнауки, РФФИ и международных грантов. Результатами широкомасштабных изысканий и первого года работ в рамках ФЦП “Кадры” стали ряд статей, опубликованных в ведущих научных профильных журналах, а также два патента на полезные модели: датчик магнитного поля и датчик постоянных магнитных полей.
В той области наук, которой заняты сотрудники нашего НОЦ, сегодня наблюдается настоящий бум во всем мире: буквально на каждой конференции по магнитным и сегнетоэлектрическим материалам организуется секция по магнитоэлектрическим материалам и явлениям, число научных публикаций уже несколько лет возрастает в геометрической прогрессии. Такая популярность вызвана тем, что у данной технологии существуют вполне реальные применения.
Во-первых, это датчики магнитных полей нового типа – достаточно простые по конструкции, дешевые и очень чувствительные. Сегодня за рубежом уже созданы экспериментальные макеты магнито­электрических датчиков магнитных полей, работающие при комнатной температуре и имеющие чувствительность, сравнимую с чувствительностью сверхпроводящих квантовых интерферометров, которые необходимо охлаждать жидким гелием. Подобные устройства, несомненно, найдут применение в физических исследованиях, геофизике, в биологии и медицине для измерения магнитных полей мозга.
Еще одно перспективное применение связано с возможностью создания эффективных преобразователей природных и техногенных механических вибраций в электрическую энергию. Поясню. Представьте себе обычный газопровод: на нем должны стоять датчики, контролирующие скорость потока газа, его температуру, давление и т.д. Такой датчик – электронное устройство, которое ведет измерения и записывает данные. Здесь возникают две проблемы: как собрать потом накопленную информацию и как обеспечить датчик постоянным питанием? Еще лет десять назад специалисты вертолетами добирались до веток газопровода, собирали информацию, меняли батарейки в приборах. Позже на каждый датчик поставили радиопередатчик данных, но это, увы, не решило банальной проблемы замены элемента питания. Сегодня существует острая необходимость в создании источника энергии, который работал бы бесперебойно и постоянно. И магнитоэлектрические эффекты, которые мы с коллегами изу­чаем, могут помочь в решении этой задачи: они позволяют преобразовать акустические колебания поверхности, на которой закреплен датчик, в электрическую энергию. Как известно, когда газ течет по трубе, она достаточно активно вибрирует. Эти колебания можно превратить в электрическую энергию, которая и будет питать радиопередатчик.
Другой пример: для контроля технического состояния любого крупного здания на разных этажах необходимо разместить датчики деформации, температуры, влажности. Но опять же для каждого из них потребуется отдельный источник питания. В данном случае практичнее использовать скорее не акустические, а переменные магнитные поля, создаваемые проводами, в большом количестве вмонтированными в стены современных домов. На основе наших наработок можно создать маломощный, но практически вечный источник бесплатной энергии.
Схожие технологии сейчас активно реализуют израильские ученые. В дорожное полотно они помещают пьезоэлектрические элементы. Под давлением колес проезжающих автомобилей вырабатывается электричество, которого вполне хватает, чтобы освещать все шоссе. С одного километра дороги таким образом можно получить десяток киловатт энергии. В Японии на одной из станций метро пьезоэлектрические элементы вмонтированы в пол: станция освещается за счет перемещения пассажиров.
Наконец, одно из наиболее перспективных направлений исследований – создание на базе мультиферроидных материалов и структур магнитной памяти нового типа, элементы которой переключаются не магнитным, как все существующие в настоящее время магнитные элементы памяти, а электрическим полем, приложенным к пьезоэлектрическому полю структуры. Использование “электрического” переключения позволит на порядок уменьшить размеры элементов и существенно снизить потребляемую энергию, что крайне важно для создания быстродействующей памяти для компьютеров следующего поколения.
Еще раз отмечу, что подобные технологии сегодня находятся на пике во всем мире. В США, Европе и Китае на проведение таких работ ежегодно выделяются значительные средства. Приятно, что и в нашей стране произошли подвижки в этом направлении. Например, в рамках последнего конкурса ориентированных фундаментальных исследований по актуальным междисциплинарным темам (конкурс “офи-м” 2011 года) РФФИ специально организована отдельная программа “Композитные мультиферроидные материалы как платформа для создания нового поколения устройств обработки информации”, где выделены деньги на поддержку примерно 15 научных коллективов, участники которых – представители вузов и академических институтов, занимающиеся исследованиями магнитоэлектрических материалов, новых физических эффектов в таких материалах и созданием различных устройств на их основе.

ПОЛНОСТЬЮ МАТЕРИАЛ СПЕЦВЫПУСКА ДОСТУПЕН В ФОРМАТЕ PDF.

Спецвыпуск подготовили: Анна ШАТАЛОВА, Наталия БУЛГАКОВА

Нет комментариев