Можно только догадываться, что испытывает исследователь, когда после долгих расчетов и синтеза, экспериментов и испытаний получает, наконец, новый материл с заданными им самим свойствами. Понятно, что далеко не всех ученых такой путь вдохновляет, ведь есть и другие. Можно путем проб и ошибок усовершенствовать уже существующее соединение, придавая ему недостающие характеристики за счет технических или технологических новаций. Есть привычный метод проб и ошибок, когда в порядке эксперимента приходится синтезировать различные вещества в надежде получить нечто, превосходящее все известное. Однако профессора Сколковского института науки и технологий, доктора физико-математических наук Александра КВАШНИНА эти методы не устраивают: пусть они эволюционные, но, по его мнению, устаревшие. Он предпочитает действовать радикально.
— Мое предложение простое: забыть про все известные материалы и постараться сделать новый, обладающий лучшими свойствами, да к тому же еще и более дешевый. Правда, не всегда этот путь самый простой, ведь нужно найти принципиально новое решение, подчас альтернативное традиционному.
Но искать его сначала надо, что называется, «на бумаге» — с помощью теорий и вычислений. Понятно, что выдуманный нами материал на деле может оказаться не совсем таким, каким мы хотели его видеть.
И либо мы снова беремся за «бумагу», либо пытаемся довести детище до ума с помощью экспериментов.
Пример, подтверждающий наш подход, — замена полупроводника на основе кремния (имеются в виду кремниевые чипы). Их постоянно модернизировали, стараясь уменьшить размер транзисторов и за счет этого увеличить их количество, тем самым повысив мощность компьютеров. И в конце концов зашли в тупик, поскольку качество полупроводников перестало удовлетворять разработчиков.
Нужно было найти новый материал, чтобы повысить их электрическую мощность. Возможно, этого удалось бы достичь с помощью алмазов. Может быть, альтернативой кремнию станут различные соединения нитридов таких металлов, как галлий, что и было опробовано в Китае. Благодаря полупроводникам нитрида галлия новые китайские смартфоны заряжаются всего за час вместо 4-6, как смартфоны прошлых поколений. Так техника становится более совершенной и эффективной, что дает огромный экономический выигрыш.
— Теперь, пожалуйста, пример из вашей практики…
— Расскажу о проекте, который, уверен, будет доведен до конца и удовлетворит заказчика. Несколько лет назад к нам в Сколково обратились за помощью специалисты из НТЦ «Газпром нефти».
При разведке месторождений углеводородов они используют мощное долото с крепчайшими резцами из победита — очень твердого сплава кобальта с карбидом вольфрама. Так мало этого, к ним сверху еще припекают алмазы.
Казалось бы, перед таким сверхнадежным резцом не устоит ни одна «непробиваемая» порода. А на деле иначе: долото выходит из строя, пробурив иногда значительно меньше породы, чем рассчитывали. Резцы ломаются при проходке даже песчаника, а его и пальцем расковырять можно.
В результате компания несет огромные убытки (из-за подъема долота, его замены или ремонта и повторного спуска). Специалисты не просили нас создать идеальный материал для резцов, а лишь заменить дорогостоящий алмаз, чтобы ремонт не влетал им в копеечку. То есть нужен материал почти такой же твердый, как алмаз, но подешевле, и чтобы выпускать его было не особенно сложно.
В теории мы нашли соединение, отвечающие требованиям бурильщиков. Выходило, что наилучший материал — это соединение бора с вольфрамом. Правда, по твердости он раза в два уступает алмазу, но все же превосходит все известные нам материалы.
Ученые Института физики высоких давлений РАН согласились сделать для нас лабораторный образец нового соединения. (Мы стремились получить резец из победита с припеченным вместо алмаза слоем борида вольфрама.) И примерно полтора года вместе его синтезировали.
Конечно, на деле исследование оказалось сложнее, чем представлялось в теории, поэтому потребовались уточнения и доводки. Мы разработали технологию изготовления резцов из придуманного нами материала и готовились передать буровикам для полевых испытаний. Но буквально в последний момент обнаружили, что, приобретая твердость, наш материал становится хрупким (как, впрочем, и алмаз). Стукнись он о что-то твердое — и, глядишь, развалится. У нас есть задумки, как проблему решить, но на это потребуется определенное время.
Я опубликовал ряд работ — теоретических и экспериментальных — вызвавших интерес у научного сообщества. В основном он касается перспектив использования нового соединения.
— Известно, что очень много материалов, необходимых нашей промышленности, крупные компании закупали за рубежом. Почему на этот раз газовики решили потратить время и средства на собственную разработку?
— История эта давняя, она началась еще в 2018 году, когда санкций практически не было. Но уже тогда перед промышленностью встал вопрос об импортозамещении. И решать его газовики предпочли вместе с нами. К тому времени у меня была опубликована работа по сверхтвердым боридам — с нее все и началось. Публикация вышла в нужное время, когда ее тема оказалась актуальной. Статью заметили и обратились ко мне как к первому автору исследования.
— Есть у вас уверенность, что материал удастся довести, и за какое время?
— План нового исследования уже есть, ресурсы для реализации тоже. Но не исключено появление «подводных камней». Пока они не обнаружены, но могут быть. Что же касается времени, то история создания техники хранит массу поучительных примеров. Известно, например, что от образца транзистора, собранного «на коленке», до массового его применения прошло аж 60 лет. Безусловно, в наши дни сроки освоения новинок сокращаются. И мы стремимся, чтобы испытание лабораторного образца в полевых условиях прошло не через 6-7 лет, как ожидалось, а года через три максимум, а то и раньше. Современные методы компьютерного моделирования сберегли нам уйму времени. Отпала необходимость проводить массу экспериментов, чтобы опытным путем подобрать нужный материал и его синтезировать. Теперь компьютер помогает найти оптимальное решение. Но его необходимо подтвердить экспериментально. И пусть не с первого раза, но со второго-третьего мы получаем искомое. Так и было в нашем случае.
— И все-таки. Обращаясь к здравому смыслу, когда выгоднее разрабатывать самим, а когда купить за рубежом у признанного лидера в этой области, что не зазорно, — такова мировая практика?
— Хороший вопрос. Я общаюсь с заказчиками и знаю их точку зрения. Иногда они готовы заплатить больше, лишь бы скорее приобрести технологию и ее использовать. Иногда будут ждать несколько лет, рассчитывая стать обладателями весьма привлекательной интеллектуальной собственности, которая принесет им прибыль в виде лицензий и патентов, с лихвой окупив все вложения.
Мы в данном случае гарантий дать не можем: у нас поисковое исследование. Но для заказчиков важно, на какой стадии находится проект. Если, скажем, он проработан процентов на 50, то это вселяет в них уверенность, значит, есть смысл вкладывать средства и дальше. Заказчик полагается на свой опыт и чутье: принесет ему выгоду разработка или лучше не рисковать, а купить у проверенного иностранного поставщика? А для исследователя так вопрос не стоит: он всегда готов пробовать, экспериментировать и искать новое, даже если успех не очевиден.
— Почему вы стали заниматься этой тематикой, чем она вас привлекает?
— Пять лет назад мы с моим аспирантом теоретически доказали возможность создания материла, которого еще не было. И через год едва ли не при первом же синтезе действительно его получили, испытав при этом необыкновенные чувства.
Высокотемпературный сверхпроводник — соединение водорода с торием — был стабильным при экстремальном давлении в 2 миллиона атмосфер. Не исключено, что он сам подтолкнет исследователей к его применению в сверхпроводящей электронике, поскольку обладает достаточно высокой температурой (-112°C). Хотя для широкого использования его характеристики должны быть на порядок лучше, в частности, меньше давление, выше температура и критический ток.
Сейчас одновременно с проектом газовиков мы синтезируем и испытываем опытные образцы катализаторов.
Химическая промышленность отчаянно в них нуждается: 80% катализаторов приходится покупать за границей. А те, что мы выпускаем сами, достаточно дороги. Наработки в этом направлении у нас уже есть. А всего за последние пять лет наша группа разработала около десятка новых материалов для самых разных отраслей промышленности.
— Александр Геннадьевич, что для вас означает получение нового материала?
— Это все равно что сделать открытие, занявшее многие месяцы, а иногда и годы работы. Ты испытываешь чувство удовлетворения и уверенности, ведь подобное соединение никто в мире не получал, а у тебя получились! Ты делаешь материалы, которые, как бы банально это ни звучало, могут сделать мир лучше.
Добавим, что о достижениях А.Квашнина редакция узнала из списков молодых ученых, отмеченных премией правительства Москвы. А.Квашнин удостоился ее за разработку нового сверхтвердого материала для НТЦ «Газпром нефти» (о нем мы и говорили). В Сети информации про А.Квашнина много: он участвовал в Конгрессе молодых ученых (2022), фотовыставке «Наука в лицах» и даже попал на московские билборды, посвященные науке. Про работы Александра был снят научно-популярный фильм, который демонстрировали на фестивале актуального научного кино в 2022 году. Есть у ученого и международная премия Европейской академии за цикл фундаментальных работ об исследовании новых материалов (2020).
В списках молодых ученых обнаружился еще один Квашнин — близнец Дмитрий, доктор физмат наук (Институт биохимической физики им. Н.М.Эмануэля РАН). Если Александр стал доктором наук в 31 год, то Дмитрий, как и положено старшему брату, — чуть раньше (разница в возрасте составляет примерно пять минут). Александр и Дмитрий — физики уже в третьем поколении. Их бабушка стала первой аспиранткой известного физика, академика Леонида Васильевича Киренского (Институт физики в Красноярске). А студенты Александр и Дмитрий были лауреатами стипендии им. Л.В.Киренского. Их родители тоже физики, кандидаты наук. Такова семейная традиция. Побольше бы таких.
Юрий ДРИЗЕ
Фото предоставил А.Квашнин
Нет комментариев