Считается, что разнообразные сенсоры — один из столпов современного производства. Без них сегодня не могут развиваться ни наука, ни техника, и конкуренция в этой области в мире жесточайшая. Пройдет сколько-то лет, точно сказать пока нельзя, и едва ли не во всех отраслях промышленности, как и во множестве лабораторий, появятся совершенные, уникальные отечественные сенсоры. Приборы размером не больше спичечного коробка, а до чего же полезные!
Без преувеличения, сейчас в технике и производстве композитные и полимерные материалы, как и продукты 3D-печати, применяются чуть ли не чаще, чем традиционные металлы и сплавы, потеснив их при изготовлении двигателей автомобилей и самолетов, всевозможных емкостей для проведения самых разных химических реакций…
Однако вопрос, как эти замечательные материалы взаимодействуют, скажем, с автомобильным маслом и бензином, как поведут себя при высоких температурах и давлениях во время химических реакций? Если раньше при эксплуатации автомобильного движка специалисты твердо знали, как частицы металла влияют на качество масла, то сегодня, когда на смену алюминию пришли более эффективные материалы, такой информации, увы, нет, и поди знай, когда лучше менять масло.
А ведь есть еще всевозможные лаки и лакокрасочные изделия, а также желатин и агар-агар, используемые в пищевой промышленности. Известно, что с течением времени их свойства меняются, поэтому так важен контроль, чтобы и механизмы для нанесения подобных разнообразных покрытий не выходили из строя раньше времени и поверхность бы не испортили, и продукты питания не снизили качества. И это далеко не все опасности.
В результате реакций композитных полимерных материалов с жидкостями возникают всевозможные суспензии, скажем, масло с микрочастицами этих самых полимеров или нефть с частицами микропластика. Но известно ли, как подобные суспензии поведут себя, соприкоснувшись с водой или с почвой, где обитает всяческая живность? Не нанесут ли они непоправимый вред?
И еще задача: как проконтролировать изменяющиеся свойства подобных искусственных жидкостей?
Поэтому так важны разработка и совершенствование одних из самых распространенных типов измерительных приборов — акустических сенсоров, способных регистрировать в том числе и изменения свойств природной среды из-за появления в ней нано- и микрочастиц современных материалов.
Их разрабатывает лаборатория акустоэлектронных процессов в твердотельных структурах Института радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН, ее возглавляет профессор РАН, доктор физико-математических наук Ирен КУЗНЕЦОВА. Отметим, что эти исследования уже несколько лет поддерживает Российский научный фонд.
— Ирен Евгеньевна, какова сфера применения и особенности этих сенсоров?
— Для начала, скажу, что они отличаются большим разнообразием. Это могут быть и химические датчики, предназначенные для контроля характеристик газообразных или жидких сред, и биологические — для регистрации изменения свойств, например, жидкостей в результате иммунологических реакций, и физические — для контроля электрических или магнитных полей, температуры или освещенности.
В последние десятилетия человечество сталкивается с изменением климата, загрязнением окружающей среды. И чтобы эффективно реагировать на подобные вызовы, нужны все новые и более чувствительные приборы, которые позволят быстро регистрировать происходящие изменения. Неудивительно, что это направление в мире — одно из самых востребованных и конкуренция в этой области чрезвычайно высокая.
Совместно с лабораторией Саратовского филиала ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН под руководством профессора Б.Зайцева мы разрабатываем различные биологические, химические и физические датчики, основанные на акустоэлектронном принципе. У них огромное преимущество.
Если сенсоры в основном используют электромагнитные колебания в различных частотных диапазонах, то наши датчики базируются на применении акустических волн. Они универсальны, ведь звук распространяется в любой среде, в любом материальном теле.
Мы слышим друг друга благодаря объемным акустическим волнам, распространяющимся в воздухе со скоростью около 300 метров в секунду, что не так уж и много. Поэтому при грозе мы сначала видим сверкание молнии (скорость света — 300 000 километров в секунду), а потом уже слышим раскат грома. Акустические волны проходят везде: и в жидкости (на этом основаны все гидроакустические технологии), и в твердом теле, и даже в суспензиях — там тоже происходят колебания частиц среды. Единственное исключение, где невозможно проникновение акустических волн, — это вакуум.
— У ваших датчиков есть аналоги?
— Акустические сенсоры известны уже лет 30. Один из основоположников этого направления в России — главный научный сотрудник нашей лаборатории, доктор физико-математических наук В.Анисимкин. Но, как правило, они действуют на основе объемных акустических волн и определяют лишь механические свойства среды.
А наши твердотельные датчики позволяют одновременно измерять и механические, и электрические свойства как жидкой, так и твердой сред. И хотя конкуренция в мире в этой области огромная, таких универсальных сенсоров, как наш, за рубежом нет.
Традиционные приборы в основном регистрируют лишь упругость и вязкость исследуемой среды, а наш датчик, используя разные типы и широкий частотный диапазон акустических волн в пластинах, способен подстраиваться под различные состояния вещества и получать самые разнообразные данные. Очень ценное качество!
Неудивительно, что мы считаемся одними из ведущих специалистов в мире в этой сфере. И нас знают: сейчас, например, вместе с Институтом космических исследований РАН мы разрабатываем метод, который поможет ответить на вопрос: есть ли жизнь в атмосфере
Венеры?
— Как выглядят ваши сенсоры?
— Это приборы размером примерно со спичечный коробок. Они состоят из рабочей полости, куда помещают 5-10 миллиграмм исследуемой жидкости или суспензии, блока электроники для обработки получаемой информации и определения многочисленных физических параметров. Их сравнивают с уже известными данными об эталонных веществах либо со сведениями о свойствах исследуемого вещества до воздействия. Так мы получаем картину произошедших изменений.
— На эти исследования Российский научный фонд выделил вам международный российско-китайский грант. Почему, как вы думаете, ведь создание сенсора — проект, скорее, прикладной?
— Для разработки подобного устройства вначале нужно было провести глубокие, фундаментальные исследования. Установить, например, как акустические волны взаимодействуют с самыми разными материалами и распространяются в различных структурах, содержащих твердые, вязкие и жидкие слои, включая новые материалы, о которых мы говорили выше. А этого никто никогда не делал. Именно это отличает нашу работу от всех известных в мире.
Едва ли не впервые мы показали возможность использования акустических волн в пьезоэлектрических пластинах для изучения фазовых переходов из воды в лед и обратно. Узнали, что происходит с акустической волной, как она реагирует, когда температура окружающей среды падает или поднимается. Все это необходимо знать, чтобы четко представлять, насколько стабильно наш сенсор сможет работать в различных климатических условиях и в Арктике, и в Африке.
Отмечу, что нам очень помогло сотрудничество с китайскими коллегами из Нанкинского университета аэронавтики и астронавтики. Трехгодичный международный проект (РНФ-NSFC), грант 21-49-00062 совместно с китайскими коллегами мы получили в 2021 году и сейчас успешно его завершили.
Столь необходимое нам дополнительное финансирование пошло на приобретение безмасочного фотолитографа для создания электродных структур наших датчиков и расходных материалов. А как дÓроги и те, и другие, вряд ли нужно объяснять. Фонд принял у нас отчет о проделанной работе.
Отмечу, что в рамках проекта за 2022-2023 годы мы опубликовали шесть статей в ведущих мировых изданиях из первого квартиля. Статьи привлекли внимание коллег (на настоящий момент 19 цитирований). Только что вместе с китайскими партнерами мы подали новую заявку, поскольку расширяем сферу наших исследований.
В этом проекте российская группа занималась больше экспериментальными исследованиями, а китайские коллеги показали себя как превосходные теоретики. Они провели расчет и предложили использовать для контроля характеристик суспензий датчика на основе объемных акустических волн в многослойной структуре.
Однако проведенное сравнение показало, что предложенный нами датчик на акустических волнах в пластинах универсален, поскольку позволяет определять не только механические, но и электрические свойства исследуемой суспензии. В рамках данного проекта китайские коллеги исследовали взаимодействие объемных акустических волн с суспензиями, содержащими частицы различных типов и размеров. Эти данные использовались нами при разработке прототипа датчика по определению механических и электрических свойств отработанного машинного масла.
У нас есть немалый опыт исследований и экспериментов, но нет навыка продвижения и коммерциализации разработок. По моему мнению, одним из преимуществ совместных российско-китайских проектов является возможность использования китайской инфраструктуры для вывода новинок на международный рынок.
Юрий Дризе
Фото предоставлены И.Кузнецовой
Нет комментариев