Теллурид Белгорода

Зачем российской науке центры коллективного пользования? В чем их успехи и проблемы? ТрВ-Наука решил разобраться на примере ЦКП при Белгородском госуниверситете, где занимаются нанотехнологиями — в частности, улучшают свойства термоэлектрических материалов, модифицируя структуру теллурида висмута. Этот проект может быть полезен для космической промышленности, металлургии, авиации. Возможно, даже удастся создать альтернативу нынешним холодильникам: они будут меньше весить, быстрее охлаждать, бесшумно работать.

ЦКП: наука или бизнес?

О необходимости центров коллективного пользования (ЦКП) начали говорить в России в середине девяностых, на волне интереса к строительству инновационной системы. Идея ЦКП проста: дорогостоящее научное оборудование выгоднее купить один раз, собрать под одной крышей и предоставлять в пользование всем желающим за умеренную плату. От идеи до воплощения прошел добрый десяток лет, пока в 2005 году в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» не профинансировали 37 первых ЦКП. Чуть больше трети из них создали при университетах, чтобы развивать вузовскую науку. Через год долю вузовских ЦКП довели до половины.

ЦКП при БелГУ создан на волне увлечения нанотехнологиями и называется «Диагностика структуры и свойств наноматериалов» (официальный сайт: ^[1]). Директор, молодой доктор физико-математических наук Олег Иванов, приехал в Белгород из Воронежа, заинтересовавшись масштабными задачами и возможностью научного роста.

На счету центра есть отличные проекты. Вместе с белгородской фирмой «ВладМиВа» там разрабатывали технологию получения керамики на основе диоксида циркония для зубных имплантатов. Другая разработка — технология нанесения вакуумно-дуговых износостойких покрытий — используется на белгородском заводе «Ритм», где сверхпрочное покрытие наносится на фрезерные инструменты, которые затем попадают на авиастроительные заводы ^[2]. Также в центре занимались сертификацией наноматериалов по программе Роснано. Статьи с научными результатами, полученными с использованием приборной базы ЦКП, публикуются в зарубежных журналах, цитируются. На оборудовании ЦКП выполняют работы известные ученые: профессора Юрий Колобов, Рустам Кайбышев.

Деньгами белгородский ЦКП не обижен. Только в 2007–2012 годах по федеральной целевой программе «Исследования и разработки» центр выполнил пять госконтрактов на сумму 215,5 млн рублей. Были и другие госконтракты. В этом году белгородский и еще восемь центров получат от Минобрнауки на развитие по 163 млн рублей. На текущий момент центр укомплектован дорогостоящим оборудованием под завязку, там есть возможность выполнять полный цикл научных работ — от синтеза веществ, измерений их свойств до опытного производства.

Оковы из бумаг

Работать бы и радоваться, да проблем слишком много.

— Раньше легче было с документацией. Отчеты, конечно, громоздкие, их не успевали прочесть мониторы (организации, проверяющие отчетность. — Т.П.). Но сейчас отчетность еще более сложная, — пожаловался Олег Николаевич, встретив меня в своем офисе в ЦКП.

Основная проблема — в деньгах, которые по госконтракту пришли в конце этапа, а за него уже отчитаться нужно: что на эти деньги сделали. И это не только покупка и обслуживание оборудования, на которые уходят до 80% денег, но и результаты. Уже через несколько месяцев после начала работ нужно опубликовать десять статей по теме госконтракта в журналах, индексируемых в Web of Science и Scopus. В список авторов статьи обязательно нужно включить сотрудника ЦКП. А если пользователи ЦКП сделали у них работу по-другому госконтракту, но сотрудник ЦКП в статье в качестве автора не указан, то включать эти статьи в отчет уже нельзя. Получается, что во многих статьях, патентах, дипломах и диссертациях фактически ЦКП поучаствовал, но это для отчета по госконтракту не засчитывается. А вот еще нюанс. Из-за того что у ЦКП нет своего юридического лица, заказчик и пользователь оборудования ЦКП часто оказывается одним лицом — БелГУ. Как оплачивать работы самим себе?

Но главное новшество — теперь ЦКП работают только на сторонних пользователей, свои научные исследования они больше проводить не обязаны.

— Как прокат оборудования, — пошутил Иванов, но как-то грустно. Ведь он в первую очередь физик, специалист в области физики твердого тела, занимается сегнетоэластиками, высокотемпературной сверхпроводимостью, термоэлектрическими материалами, преподает физику конденсированного состояния студентам. А вынужден бегать с бумагами, как завхоз. Хотя в принципе всё дело к тому и шло. Идея сделать ЦКП центрами услуг была изначально в них заложена. Архитекторы программы, конечно, понимали, что отбить вложенные в оборудование деньги не удастся, но выход на самоокупаемость казался реальным. ЦКП постоянно подталкивали к тому, чтобы оказывать услуги, зарабатывать. Но живых денег приходит мало. В год на хоздоговорах белгородский ЦКП зарабатывает 1,5–2,0 млн рублей. Этой суммы не хватает, чтобы содержать оборудование. Только на послегарантийное обслуживание растрового электронного микроскопа Quanta 200 3D нужно 500 тыс. рублей в год.

— А что же заказы от местных предприятий? — спросила я.

— Заказы такие: проверить марку стали, проверить металл банок сгущенки, которые не выдерживали срок хранения, работы для судмедэкспертизы, — пояснил Иванов. — Предприятиям не нужны научные работы. А у нас же новейшее научное оборудование, для фундаментальных исследований.

Из-за попыток усидеть на двух стульях, то есть работать и на науку и на бизнес, не до конца понятно, как оценивать эффективность ЦКП. Что важнее всего: сколько разных организаций воспользовалось его услугами; сколько статей опубликовано с участием сотрудников ЦКП; сколько ученых прошло стажировку на его оборудовании; сколько конференций провели или сколько денег заработали?

Еще проблема: ЦКП часто используется в учебных целях в ущерб науке и бизнесу. На конференции в Архангельске год назад Олег Иванов заострял эту проблему:

— Если на защите диплома выпускник говорит, что провел исследования на микроскопе стоимостью €1 млн, то это сразу дает комиссии основание считать, что работа хорошая, — приводит его слова газета «Арктический вектор» ^[3].

Столкновение интересов ЦКП и университета можно решить покупкой гораздо более дешевого учебного оборудования, на котором занимались бы студенты.

Но проблемы проблемами, а работа идет.

Да и молодежь, которая тратит время дорогущих микроскопов, имеет успехи. Многие участвуют в программах «Умник» и «Старт» Фонда содействия развитию малых форм предприятий, открывают малые инновационные предприятия. Вернулись из зарубежных лабораторий российские ученые: Андрей Беляков — из Японии, Дмитрий Колесников — из Польши. Без ЦКП это не было бы возможно: он привлекает ученых, там можно делать мирового уровня науку.

— Воспроизводству кадров ЦКП способствует, — Олег Николаевич предложил мне убедиться в этом и пообщаться с его аспирантом Максимом Япрынцевым.

Нанотехнологии в холодильнике

Максим вырос в деревне Большебыково в Белгородской области, в семье учителей.

— Деревня — типичный отголосок советских колхозов. Жили мы небогато. В школе нас на тракторах учили работать, — рассказал Максим.

А еще в школе углубленно учили химии. Валентина Дмитриевна Жидких, заслуженный учитель России, была к школьникам требовательна. Они участвовали в олимпиадах, занимали призовые места. Максиму нравился предмет, легко давался. Родители видели его врачом, и он даже пытался поступать в медицинский, но завалил биологию. Как оказалось, к лучшему: вообще-то ему хотелось стать химиком. На химфаке БелГУ он рано приобщился к науке — участвовал в разработке сорбентов для очистки воды. В аспирантуре кафедры физики твердого тела Максим включился в разработку термоэлектрических материалов. Этот класс материалов переводит тепловую энергию в электрическую. Их применяют либо как альтернативный источник энергии, работающий там, где есть, к примеру, бросовое тепло, либо в охлаждающих устройствах. Направление не новое, но перспективное. В белгородском ЦКП идут путем модификации структуры теллурида висмута — хорошо зарекомендовавшего себя в технике материала. Теория говорит: если ввести в материал наноразмерные межфазные включения, то можно снизить электропроводность и тем самым увеличить КПД материала. КПД термоэлектрических материалов низкий — порядка 5%. Они применяются в тех областях, где по-другому никак не обойтись. Например, в космических аппаратах, которые летят к дальним планетам Солнечной системы: когда им перестает хватать энергии от солнечных батарей, подключаются автономные устройства — радиоизотопные термоэлектрические генераторы. Или в датчиках для металлургической промышленности: к ним невозможно подвести электричество, но рядом много тепла. В оптико-эмиссионных спектрометрах, где для быстрого охлаждения CCD-матрицы используются термоэлектрические устройства. Или в авиации, где в целях экономии массы вместо обычных кондиционеров ставят охлаждающие термоэлектрические устройства. Они легче, в них нет трущихся частей, поэтому они надежнее, но для массового применения эффективность пока еще низкая.

В ЦКП сами синтезируют порошок теллурида висмута, прессуют, отжигают и исследуют структуру композита. Если нет лишних фаз, исследуют тип носителя заряда, электропроводность.

— Как химика меня сначала интересовал синтез, но когда я неоднократно прошел все стадии работы, вник, то увлекся, — рассказал Максим. — Я стараюсь всё делать самостоятельно. Интересуюсь посторонними задачами, расширяю знания. Помогал получать электролиты и пористые стекла для соседних лабораторий.

Обычно в термоэлектрических устройствах используют монокристаллический теллурид висмута, а белгородцы синтезируют порошок и добавляют туда вещество с низкой теплопроводностью — это диоксид кремния в виде диэлектрических оболочек наночастиц теллурида висмута. При прессовании по всему композиту равномерно распределяются нанопленки. Это должно привести к возникновению туннельного типа проводимости, незначительно снизить электропроводность, но существенно снизить и теплопроводность.

— Есть такой показатель, как термоэлектрическая добротность: ZT. У существующих термоэлектрических материалов ZT порядка единицы. А надо увеличить в несколько раз — в этом смысл, — сказал Максим.

Материал с термоэлектрической добротностью выше, чем у аналогов, найдет практический выход — это и катодная защита газопроводов, железных дорог, утилизация бросового тепла, холодильная промышленность. Уже сейчас популярны термоэлектрические холодильники мощностью до 100 ватт — сумки-холодильники, заряжаемые от сети. Домашний холодильник потребляет больше ста ватт, но если создать термоэлектрический материал с ZT порядка 2,5–3,0, то он позволит вытеснить с рынка обычные холодильники. Термоэлектрический холодильник будет меньше весить, быстрее охлаждать, а главное, бесшумно работать.

В Воронеже и Подольске есть предприятия, где производят термоэлектрические материалы из теллурида висмута. И они востребованы даже при КПД 3–5%. Но если его немного увеличить, то это откроет еще большие перспективы. Улучшением теллурида висмута занимаются и у нас и за рубежом, но мало, потому что большинство научных групп сосредоточено на получении совершенно новых материалов.

Максим показывает мне образцы теллурида висмута — крохотные черные столбики размером 5 мм. Именно такие нужны для испытаний материала в качестве охлаждающего устройства. А для испытаний в качестве альтернативных источников энергии — термоэлектрических генераторов — нужно измерять электрофизические свойства при нагревании до 400 К, и такого оборудования в ЦКП еще нет. Придется заказывать.

— Это настоящие нанотехнологии? — уточнила я на всякий случай, вспомнив бесконечные дискуссии пятилетней давности.

— Да. Дефекты нанометрового масштаба сильно влияют на электрофизические свойства. Это факт. Но пока мы не можем уверенно сказать, в положительную или отрицательную сторону, — Максим пояснил, что их работа во многом идет методом проб и ошибок. — Тематика совершенно новая, непройденная. Мы получаем материал другим методом, и от этого у него другие свойства. Конечно, хочется видеть положительные результаты, чтобы работа имела практический выход.

Татьяна Пичугина
Фотопредоставлены пресс-службойБелГУ

1. bsu.edu.ru/bsu/structure/detail.php?ID=65508&IBLOCK_ID=298

2. strf.ru/material.aspx?CatalogId=221&d_no=36497

3. http://narfu.ru/upload/uf/7d0/AV_2013_feb_8_2_web.pdf