Поиск - новости науки и техники

Кристалл воскреснет? Ученые верят в новую жизнь своей старой разработки.

Младший брат царственного фианита с виду невзрачен – матовые камешки белого, розового, коричневатого цветов. Да и имечко у этого соединения такое, что с ходу не выговоришь, – частично стабилизированный диоксид циркония (по-свойски сокращается до ЧСЦ). Однако ученые, которые в свое время синтезировали знаменитый фианит, уникальными “способностями” неброского ЧСЦ гордятся значительно больше, чем его признанным во всем мире драгоценным родственником.

Именно поэтому руководитель Научного центра лазерных материалов и технологий Института общей физики им. А.М.Прохорова (ИОФ РАН) академик Вячеслав Осико (на снимке), докладывая на заседании Президиума Российской академии наук о достижениях своего центра, особое внимание уделил возможностям применения ЧСЦ.
А началось все в Физическом институте им. П.Н.Лебедева АН СССР (ФИАН), где в 1960-х годах был создан Отдел монокристаллов. Задачей его коллектива стало получение и исследование кристаллических и стеклообразных материалов для лазеров. Под руководством Вячеслава Осико, тогда доктора наук, а сегодня академика, там была разработана новая технология высокочастотного плавления и кристаллизации тугоплавких диэлектриков. Названный в честь знаменитого института фианит, великолепный ювелирный кристалл, по блеску и твердости близкий к алмазу, стал первым широко известным продуктом этой технологии. Но она получила распространение и во многих других областях: с ее помощью остекловывают радиоактивные отходы, варят тугоплавкие стекла, получают поликристаллический кремний для солнечных элементов, изготавливают керамику.
Физической основой созданного В.Осико с коллегами метода послужило обнаруженное учеными резкое понижение электросопротивления тугоплавких диэлектриков при нагреве до температур, близких к плавлению. В таком состоянии диэлектрики фактически становятся проводниками, благодаря чему оказывается возможен их прямой нагрев с помощью высокочастотного поля. Процесс проходит в автотигле, состоящем из той же шихты, которая в нем плавится. Внешняя оболочка остается твердой за счет постоянного водного охлаждения. Благодаря этому остроумному методу абсолютно чистый материал можно получить без больших затрат: для процесса не нужен контейнер, инертный к расплаву, имеющему температуру почти три тысячи градусов. Синтез является практически безотходным: кристаллизация из расплава допускает повторное использование остатков ростовых процессов, а также обрезков, образующихся при механической обработке кристаллов.
Разработанная в Физическом институте Академии наук высокопроизводительная, рентабельная технология была немедленно запущена в производство. Ученые создали несколько типов установок для серийного выпуска фианита, который на ура приняла ювелирная и оптическая промышленность. Однако сами исследователи к фианиту быстро охладели: для лазеров большого интереса он не представлял. Внимание физиков привлек другой материал, получаемый по той же схеме и практически из тех же компонентов, – частично стабилизированный диоксид циркония. Он совсем немного отличается от фианита по составу – оба представляют собой двуокись циркония с добавлением окиси иттрия. Именно количество этой добавки волшебно меняет структуру соединений, так что “братья” становятся непохожими друг на друга по свойствам.
Вот уже несколько десятилетий в ФИАН, а впоследствии в выделившемся из него Институте общей физики РАН изу-чают ЧСЦ и находят для него все новые области применения. Об удивительных свойствах этого материала “Поиску” рассказали сотрудники Научного центра лазерных материалов и технологий ИОФ РАН доктор технических наук Елена Ломонова и кандидат технических наук Михаил Борик.
– Мы привыкли к тому, что в отличие от металлов оксидные монокристаллы очень хрупкие, – говорит Елена Евгеньевна. – Появляющиеся в них трещины начинают быстро распространяться, и при ударе материалы разлетаются на куски. А вот структурные особенности ЧСЦ позволяют затормозить развитие трещин, ведь он обладает повышенной вязкостью разрушения. По сути, кристаллы обладают свойствами конструкционного материала, такое бывает очень редко.
Сначала ученые обнаружили необычные свойства ЧСЦ на практике, а в последние годы, изучая его с помощью новых высокоточных приборов, поняли причины этого явления. Оказывается, в процессе кристаллизации частично стабилизированный диоксид циркония испытывает фазовые превращения, которые не ломают кристалл, как это обычно бывает, а формируют уникальную доменную структуру на нано-уровне. Под воздействием нагрузок механическая прочность соединения повышается: энергия возникающих напряжений идет не на разрушение, а на созидание. Такой механизм называют трансформационным упрочнением. Эта особенность строения ЧСЦ определяет его прочность, износостойкость, низкие коэффициенты трения. Другая присущая ему группа свойств – исключительная стойкость к воздействию агрессивных сред и высоких температур, биоинертность – характерна для всех материалов на основе диоксида циркония, благодаря которой они с давних пор используются для производства циркониевой керамики. Регулируя технологические условия синтеза, можно получать кристаллы ЧСЦ с заданными физико-химическими свойствами.
Однако поиск новых путей применения этого уникального вещества, да и заполнение уже нащупанных ниш, к сожалению, идет недостаточно интенсивно. Пока удалось вернуться разве что на рубежи, достигнутые в советские годы.
– Когда в конце 1980-х годов мы научились растить кристаллы ЧСЦ и исследовали его свойства, многие отраслевые институты и предприятия начали брать материал на испытания, – рассказал на заседании Президиума РАН Вячеслав Осико. – Результаты производственников просто потрясли. Подшипники из ЧСЦ, например, работали в программе “Буран”. Там нужны были изделия, выдерживающие огромные температуры. По условиям эксплуатации они должны были “простоять” на стенде 40 секунд, а выдержали 5 минут.
Изделия из ЧСЦ “пошли” в машиностроение, оптическую промышленность, медицину. Но грянули 1990-е годы, и спрос на наукоемкую продукцию иссяк. Когда постперестроечная жизнь начала налаживаться, первыми о новом материале вспомнили медики. Большие размеры кристаллов ЧСЦ позволяют изготавливать из них хирургический инструмент, который можно использовать для широкого круга операций, требующих высокой точности резания. “Когда платить было нечем, хирурги из федоровских МНТЦ брали у нас сохранившиеся с советских времен скальпели под честное слово, а расплачивались потом чем могли”, – вспоминают сотрудники ИОФ РАН.
Чем приглянулся офтальмологам этот материал? Дело в том, что традиционные металлические скальпели принципиально не могут быть заточены до остроты менее
1 микрона из-за зернистости их микроструктуры. Увеличение остроты режущей кромки приводит к ее пластической деформации даже при малых нагрузках. Кроме того, попадание железа в кровь меняет ее свертываемость, возникают микротромбы. Конечно, сегодня существуют и неметаллические скальпели – алмазные, сапфировые, базальтовые, имеющие большую остроту режущей кромки, химически и биологически инертные, износостойкие. Однако монокристаллические алмазные скальпели ограничены в размерах и очень дороги, а сапфировые и обсидиановые характеризуются повышенной хрупкостью, они нередко раскалываются в процессе операции. Инструменты из ЧСЦ лишены всех этих недостатков. Они имеют толщину лезвия 0,1 микрона, режут ткани без раздавливания, что обеспечивает быстрое заживление и тонкий малозаметный послеоперационный шов. Они вечные – не тупятся, не ломаются, разумеется, если обращаться с ними аккуратно, не швырять в стерилизатор со всего маху.
Институту общей физики РАН удалось найти партнера в лице фирмы “Грань”, которая наладила производство сертифицированных Минздравом скальпелей разных типоразмеров. Кроме того, в настоящее время совместно с ООО “Новые энергетические технологии” институт занимается разработкой и подготовкой к серийному выпуску электрохирургического инструмента. На заседании Президиума РАН был показан видеофрагмент операции на щитовидной железе, которую с использованием этого скальпеля проводил завкафедрой Московской медицинской академии им. И.М.Сеченова Александр Шулутко. Щитовидка – исключительно сложный орган, пронизанный кровеносными сосудами и нервными проводниками. Однако на картинке было прекрасно видно, что хирургу удается сохранить операционное поле практически сухим. Выступая перед участниками заседания, профессор Шулутко отметил, что сочетание двух уникальных факторов – инструментария из ЧСЦ и высокочастотного воздействия на ткани – позволяет бескровно и эффективно разделять и заваривать ткани.
Представители других партнерских организаций ИОФ РАН – заведующий лабораторией Института машиноведения им. А.А.Благонравова РАН Валерий Алисин и руководитель Лабораторией трибологии Института проблем механики им. А.Ю.Ишлинского РАН академик Ирина Горячева – рассказали о возможностях использования частично стабилизированного диоксида циркония в качестве композиционного материала, в частности, в узлах трения машин и механизмов. Было показано, что в изготовленном из ЧСЦ подшипнике узла поворота направляющего аппарата компрессора авиадвигателя коэффициент трения вдвое меньше и интенсивность износа – на порядок ниже, чем у аналогичной детали, сделанной по штатной технологии. При таких отличных показателях приложения уникального материала поистине неисчерпаемы.
Казалось бы, вот он, великолепный пример, когда яркие результаты фундаментальных исследований пробили дорогу в нашу сегодняшнюю жизнь и при этом не ушли за рубеж. Однако академик Осико не скрывал, что в отличие от бескровных операций с использованием ЧСЦ-скальпеля внедрение разработок идет как раз “с кровью”. Вместо поиска новых составов и совершенствования технологий ученые вынуждены, как купцы, сами расхваливать свой “товар”, налаживать его выпуск, просчитывать экономический эффект, искать инвесторов и потребителей.
К отсутствию спроса на инновации добавляются проблемы с реактивами. Собственный диоксид циркония Россия с советских времен не производит, хотя по запасам сырья занимает четвертое место в мире. А китайцы, насытив мировой рынок дешевыми реактивами и став монополистами, начали резко взвинчивать цены и уменьшать экспортные квоты.
Ученые, конечно, не падают духом и продолжают надеяться, что их разработки найдут применение на родине. Они развивают начатые направления и ведут поисковые исследования, рассчитанные на перспективу, например, по созданию на базе ЧСЦ сверхтонких мембран твердотельных электролитов для применения в водородной энергетике.

Надежда Волчкова
Фото Валерия ВОРОНОВА

Нет комментариев