Сверхпроводники: от металлов к керамике
1. Охарактеризуйте, пожалуйста, состояние области науки, в которой вы работаете, каким оно было примерно 20 лет назад? Какие тогда проводились исследования, какие научные результаты явились самыми значительными? Какие из них не потеряли актуальности на сегодняшний день (что осталось в фундаменте здания современной науки)?
2. Охарактеризуйте сегодняшнее состояние той области науки и техники, в которой вы трудитесь. Какие работы последних лет вы считаете самыми главными, имеющими принципиальное значение?
3. На какие рубежи выйдет ваша область науки через 20 лет? Какие кардинальные проблемы, по-вашему, могут быть решены, какие задачи будут волновать исследователей в конце первой четверти XXI века?
Область своих научных интересов я бы обозначил так: развитие неорганической химии как фундаментальной основы создания новых поколений функциональных материалов. Именно этим занимаются сегодня мои сотрудники, аспиранты, студенты. За свою научную жизнь я успел поработать в нескольких направлениях и сменил три кафедры - общей химии, химической технологии и неорганической химии.
Двадцать лет назад я как раз проводил исследования на кафедре химической технологии, где почерпнул много полезного. Ее тогда возглавлял академик Валерий Алексеевич Легасов - ученый от бога, производивший на окружающих огромное впечатление. Многое из того, над чем мы работали, было воплощением его идей. Мы занимались криохимической технологией: с ее помощью удалось наладить производство отечественных ферритных материалов, отсутствие которых сдерживало развитие электроники и ставило отрасль в полную зависимость от импорта.
Вскоре я стал заведовать кафедрой неорганической химии химического факультета МГУ, которой до меня 46 лет руководил академик Виктор Иванович Спицын. Незадолго до этого произошло открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП), что стало одним из самых значительных научных событий XX века. В октябре 1986 года швейцарские ученые Георг Беднорц и Алекс Мюллер синтезировали принципиально новый сверхпроводник. Им оказалось керамическое соединение на основе оксидов меди, лантана и бария. Температура перехода этого вещества в сверхпроводящее состояние превышала 30 K, что на 10 градусов выше ранее достигнутого результата. Революционное значение открытия было настолько очевидным, что уже в следующем, 1987 году его авторы получили Нобелевскую премию.
Вопреки прогнозам физиков-теоретиков сверхпроводящие свойства проявляли не металлы, а оксидная керамика, для которой при обычных температурах характерны диэлектрические или полупроводниковые свойства. Хотя керамический сверхпроводник казался гениальной, но случайной находкой, на самом деле его создание стало закономерным результатом развития неорганической химии на стыке с физикой твердого тела.
После публикаций Беднорца и Мюллера ученых охватила настоящая лихорадка: все хотели воспроизвести, а лучше - превзойти опубликованные результаты. Лаборатории перешли буквально на военное положение: исследователи не покидали рабочих мест ни днем, ни ночью, спали тут же - на раскладушках. Проблемой сверхпроводимости стали заниматься даже те, кто никогда раньше ею не интересовался. Химики и физики впервые ощутили себя "сиамскими близнецами", неспособными к успеху друг без друга.
Ученые кафедры неорганической химии МГУ начали исследования по поиску высокотемпературных сверхпроводников в 1987 году. Первый ртутьсодержащий сверхпроводник с температурой перехода в сверхпроводящее состояние 94 К удалось синтезировать лишь спустя шесть лет. И еще полгода понадобилось, чтобы получить сверхпроводник с рекордной температурой перехода - 135 К. В 1994 году Всемирный конгресс по сверхпроводимости наградил сотрудников кафедры Евгения Викторови ча Антипова и Сергея Николаевича Путилина премией за лучшую работу по сверхпроводимости.
Сейчас мы вступили в эпоху создания ВТСП второго поколения. Во-первых, это гибкие ленты из двухосно текстурированных сплавов никеля, покрытые по специальной технологии тонкой пленкой сверхпроводящего материала, - они востребованы в энергетике. Во-вторых, неодимсодержащие крупнокристаллические ВТСП для магнитной левитации.
Открытие высокотемпературной сверхпроводимости стало началом эпохи критических технологий, развитие которых предполагает работу на стыке наук - физики, химии, биологии. Появилась настоятельная потребность в специалистах-материаловедах, сочетающих знания в разных областях и способных решать междисциплинарные задачи по созданию и исследованию функциональных материалов, имеющих оптимальную структуру для выполнения определенных задач. Так в МГУ появился новый факультет - факультет наук о материалах (ФНМ), который мне чрезвычайно дорог. Чтобы представить уровень подготовки наших студентов, достаточно сказать, что свои дипломные работы они представляют государственной аттестационной комиссии, включающей в себя 10 членов Российской академии наук, которые неизменно отмечают высокий уровень проведенных студентами исследований, широту затронутых проблем, эрудицию и высокую квалификацию выпускников. К окончанию учебы наши студенты, как правило, имеют по несколько публикаций. Например, 19 наших студентов-дипломников выпуска 2004 года имели в общей сложности 82 научные публикации, и в нынешнем году будет не меньше. Нередки случаи, когда студенты получают высокие награды еще за квалификационную работу бакалавра. Так, Александр Синицкий, сейчас студент 5-го курса, в прошлом году был награжден золотой медалью и премией РАН за исследования в области фотонных кристаллов.
Основные направления сегодняшних работ факультета наук о материалах и кафедры неорганической химии химического факультета МГУ предопределены несколькими важными достижениями конца XX века. В 1991 году были открыты мезопористые структуры, то есть структуры с упорядоченной системой пор, имеющих один и тот же, контролируемый экспериментатором диаметр (от нескольких единиц до десятков нанометров). Мезопористые матрицы, в частности, используют для создания наноструктур и особенно так называемых нанокомпозитов, в которых внутреннее пространство мезопор заполнено другим веществом, например люминесцентным или магнитным. Это очень перспективный путь создания материалов со сверхвысокой плотностью оптической или магнитной записи информации. Кроме того, такие композиты могут обладать необычными каталитическими свойствами, а также рассматриваться в качестве молекулярных сит. Другим важным достижением оказалось открытие фуллеренов, за которое в 1997 году Гарольду Крото, Роберту Керлу и Ричарду Смоли была присуждена Нобелевская премия по химии.
Эти два открытия дают ученым широчайшие возможности создания новых классов соединений с самыми разными физико-химическими, физическими и химическими свойствами: сверхпроводников, фотопроводников, ферромагнетиков, материалов с огромной памятью, биоматериалов, оптических затворов и т. д. Чуть позже были открыты манганиты - материалы с гигантским магнитным сопротивлением, на основе которых можно создавать новое поколение магнитных считывающих головок для компьютерной техники, а также использовать их для разнообразных магнитных сенсоров и магнитооптических пленок. Совсем недавно мы стали заниматься фотонными кристаллами - базовыми элементами бурно развивающейся фотоники, которая идет на смену кремниевой (полупроводниковой) микроэлектронике, постепенно вырабатывающей свой ресурс по быстродействию и миниатюризации.
Существенное место в наших исследованиях занимают самоорганизующиеся структуры. На их основе можно создавать технологии, позволяющие из очень малых частиц собирать различные упорядоченные наноструктуры. Дело в том, что без использования принципов самосборки и самоорганизации двигаться дальше в этом направлении практически невозможно, так как нельзя создать устройство (своеобразного "демона Максвелла"), которое искусственно строило бы шаг за шагом структуры на уровне атомов и молекул. Именно поэтому самособирающиеся слои и молекулярные темплаты (структуры, обеспечивающие синтез вещества по определенному шаблону) все чаще привлекают внимание исследователей наномира.
Наконец, еще одно направление наших исследований - биоматериалы, то есть материалы для медицины. Мы уверены, что в ближайшее десятилетие бионеорганическая химия будет активно развиваться. Пример бионеорганического материала на основе фосфатов кальция - биологически активная форма гидроксилапатита. Имплантат, изготовленный из таких фосфатов, в организме в результате взаимодействия с биологическими жидкостями постепенно прорастает сосудами и нервными окончаниями и, рассасываясь, замещается естественными костными тканями. Аналогично могут быть созданы биологически активные цементы для стоматологии.
Какие прогнозы на ближайшие 20 лет? Существуют, безусловно, три приоритетных направления развития: энергетика, информационные технологии и медицина. Исходя из этого можно ожидать прогресса в нанотехнологии, технологии саморазвивающихся структур, химии гибридных материалов (симбиоз органических и неорганических структур), биомиметике, энергосберегающих технологиях. Мы вступили в век наукоемких технологий, но это не означает, что исчезнут фундаментальные направления химии - неорганическая, органическая химия и т. д. Междисциплинарные науки и технологии не отрицают фундаментальной науки. Не исчезнет и сам предмет исследований, которым занимается неорганическая химия. И модное ныне словосочетание "наукоемкая технология" постепенно приобретет фундаментальную окраску.
