От лампочки до космического двигателя

Российские ученые подтвердили идею, в которую не верили зарубежные коллеги

Владимир Корягин, Николай Подорванюк 31.08.2015, 11:46
Схема работы солнечного паруса electric-sailing.com // Antigravite // Szames
Схема работы солнечного паруса

Создать электрический солнечный парус, новые источники света и мощные электрохимические аккумуляторы станет возможно после того, как российские ученые экспериментально подтвердили выдвинутую ими более 15 лет назад идею. Она описывала физический механизм, который объясняет особо высокую эффективность эмиссии электронов из наноструктурированных графеноподобных материалов.

Электрический солнечный парус, с помощью которого космические корабли и зонды будут лавировать среди бескрайнего космоса, перспективные источники света, новые разновидности оптоэлектронных и фотонных устройств и приборов объединяет одна деталь — разработанные российскими исследователями нанографитные пленки. Область применения нанографитных пленок довольно широка и не ограничивается названными примерами. Кроме того, что подобные пленки могут использоваться в качестве источников электронов, они также могут найти применение в создании перспективных электрохимических суперконденсаторов и батарей повышенной емкости.

Впервые российские исследователи смогли получить нанографитные пленки в 1998 году (статьи об этом вышли в том же году и годом позже), занимаясь исследованиями эмиссионных характеристик алмазных материалов. Последовательно улучшая их эмиссионные характеристики, ученые и пришли к заключению, что основной вклад в эмиссию электронов вносит не алмаз, а неалмазные включения в виде графитоподобного материала. Дополнительным фактором, обеспечивающим рекордную эффективность и стабильность эмиссии, оказалась особая форма этих включений в виде острий и лезвий, формирующихся благодаря изгибу листов графена, из которых они состоят. Сделанные на основе косвенных данных заключения послужили основой для создания экспериментальных установок и методов для получения пленок с необходимым составом и структурными характеристиками.

Изгиб листов графена А.Образцов и др.
Изгиб листов графена

«В начале 1990-х годов бытовало мнение, что в качестве эффективных источников электронов (катодов) для применения в различных устройствах вакуумной электроники могут выступать алмазные материалы. Мы занялись улучшением эмиссионных свойств алмазных пленок и пришли к выводу, что в действительности их эмиссионные свойства определяются не алмазными графитными включениями, а значит, использование полностью не алмазного, а графитоподобного углерода может оказаться для целей создания катодов более эффективным», — рассказал профессор кафедры физики полимеров кристаллов физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова Александр Образцов.

При создании и оптимизации таких графитоподобных пленок команда Александра Образцова пришла к заключению, что они должны состоять из наноразмерных структур в виде слоев атомов углерода, имеющих изгибы с нанометровым радиусом закругления.

«Несколько позже в широкий научный обиход вошло слово «графен» для обозначения изолированного слоя атомов углерода в графите.

Мы также начали использовать этот термин при описании свойств создаваемых нами пленок наряду с ранее использовавшимися «нанографит», «наностенки» и т.п., хотя, конечно, суть обнаруженного нами явления не зависит от использования таких модных слов, как «нано» или «графен», — уточнил ученый.

По его словам, нанографитные пленки и создаваемые на их основе автоэмиссионные катоды обладают рекордными характеристиками. В недавней работе, которая была опубликована в научном журнале Applied Physics Letters, Александр Образцов вместе с коллегами из Германии смогли получить прямые экспериментальные доказательства, подтверждающие высказанное им еще в 1998 году предположение о физическом механизме, обеспечивающем столь высокую эффективность эмиссии электронов из углеродных материалов.

«Нашу гипотезу 17 лет подвергали необоснованной критике. Мы доказали свою правоту объективными данными, чему очень рады», — рассказал Александр Образцов.

Соответствующая статья была опубликована в рамках работ по проекту «Светоиндуцированные эффекты в эмиссии электронов из углеродных наноструктур», который выполняется исследователями в рамках гранта Российского научного фонда (РНФ). Ученые пытались провести исследования в этой области и прежде, однако до создания РНФ ни один из российских фондов не был готов выделить достаточно средств на реализацию проекта.

«Проекты в рамках РФФИ настолько мизерные, что выполнить работу подобного масштаба не представлялось возможным. В рамках ФЦП, как правило, необходимо вести сотрудничество с промышленностью, привлекая внебюджетные средства. В этом смысле РНФ выполняет очень важную задачу, поддерживая фундаментальные научные проекты достаточно солидными средствами», — рассказал Александр Образцов, добавив, что относится к числу тех людей, которые считают, что любое научное исследование обязано иметь практическую значимость.

Несмотря на то что фундаментальные научные механизмы, определяющие свойства создаваемых ими катодов, оставались не до конца обоснованы, исследователи задолго до начала проекта в рамках гранта РНФ смогли продемонстрировать возможность их практического применения в вакуумной электронике, включая новые разновидности источников света, рентгеновских трубок и др. В различные годы, прошедшие с начала работ в 1995 году, команда Александра Образцова включала от пяти до двадцати человек, среди которых штатными сотрудниками были всего один или два, а остальные члены команды являлись студентами и аспирантами физического факультета МГУ. Двое из них в настоящее время продолжают работу в команде в качестве научных сотрудников, а большая часть других более чем из тридцати бывших студентов и аспирантов, получивших опыт практической работы в лаборатории Александра Образцова, продолжает свою научную работу в различных университетах и научных центрах по всему миру.

Среди них, например, трое работают в лаборатории нобелевских лауреатов Андрея Гейма и Константина Новоселова в Манчестере.

«В данной работе мы прошли путь от формулировки идеи и разработки фундаментальных научных принципов до создания лабораторных технологий в виде нового экспериментального оборудования и методик и демонстрации действующих прототипов новых приборов и устройств, на которые были получены патенты (в том числе и международные). Однако дальнейшее внедрение полученных результатов в практику выходит за рамки наших компетенций и возможностей и полностью зависит от способности отечественного бизнеса использовать инновационные научные результаты. При этом, например, в Китае активно ведутся работы, в ходе которых повторяются опубликованные нами в открытой печати работы, и реализуются проекты по внедрению их результатов в производство», — уточнил Александр Образцов.

Нобелевская премия 2014 года по физике была присуждена японским ученым Исаму Акасаки, Хироси Амано, Суджи Накамуре за разработку голубых оптических диодов (LED), позволивших внедрить яркие и энергосберегающие источники света. При этом первые идеи о светодиодных источниках света были высказаны около 100 лет назад. И одним из пионеров в данной области был российский ученый Олег Лосев. Точно так же путь от идеи до широкого практического использования газоразрядных люминесцентных ламп занял почти 100 лет. Преимущество этих источников света определяется их энергетической эффективностью, то есть количеством света, излучаемого на единицу вложенной энергии.

Источники света на основе нанографитных катодов А.Образцов и др.
Источники света на основе нанографитных катодов

«На заре своего появления светодиодные источники энергии имели эффективность в десятую-сотую долю процента. За столетний период благодаря усилиям ученых, технологов, инженеров их эффективность увеличилась настолько, что светодиодные лампы стали использоваться для освещения улиц. Разработанные нами источники света на основе нанографитных катодов уже на начальном лабораторном уровне имеют энергетическую эффективность, сопоставимую с эффективностью выпускаемых промышленностью светодиодных и люминесцентных ламп. Научные и технические данные указывают на возможность дальнейшего увеличения этого наиболее важного параметра. И я хотел бы надеяться, что реализация этой возможности и практическое внедрение нашей разработки займет менее 100 лет, как это было в случае светодиодов и люминесцентных ламп», — рассказывает Александр Образцов.

Использование нанографитных пленок в качестве катодов для источников света важная, но не единственная область их применения.

Другим примером, демонстрирующим уникальные характеристики нанографитных катодов, может служить их применение в разработке электрического солнечного паруса для перемещения в космосе. Идея создания такого паруса была высказана финским ученым Пеккой Янхуненом. В рамках международного проекта по созданию такого солнечного паруса российские исследователи предоставили эффективный источник электронов, отвечающий жестким техническим требованиям. В частности, он должен обеспечивать достаточно интенсивный поток электронов при небольшом энергопотреблении, которое может быть обеспечено на космическом аппарате. В ходе исследований было установлено, что катоды, создаваемые российскими учеными, с запасом удовлетворяют предъявляемым требованиям, что позволило перейти к их практическому использованию в ходе полета спутника в космосе. Результаты этой работы были опубликованы недавно в журнале Carbon.

Несмотря на то что сама идея использования электрического солнечного паруса вызывает у него сомнения, Александр Образцов считает, что участие в данном проекте предоставило новые возможности для исследования нанографитных пленок и катодов на их основе. Исследователи намерены и дальше сосредоточиться на получении новых фундаментальных знаний, в том числе о физике процессов, протекающих в конденсированном веществе при наличии сильных электромагнитных полей, а также на их практическом применении.

Важным условием продуктивной работы Александр Образцов считает активное сотрудничество с отечественными и зарубежными научными центрами и компаниями. Так, например, испытания созданных в его группе источников света и нанографитных катодов проводились в таких известных компаниях, как Osram, Philips, Siemens. Совместные исследования, проведенные с учеными из Японии, США, Сингапура, различных стран Европы, обеспечили доступ к современному оборудованию и послужили дополнительным обоснованием достоверности получаемых научных результатов.

«К сожалению, в последнее время международное сотрудничество осложняется.

Формально никаких ограничений нет, но в качестве рекомендаций европейские коллеги, участвующие в реализации программы «Горизонт-2020», получают советы не привлекать российских ученых. Закрываются некоторые ранее действовавшие программы, в которых могли принимать участие российские ученые. Это, конечно, не санкции, но довольно неприятно. Очень бы не хотелось, чтобы ранее установившееся научное сотрудничество пострадало из-за политической обстановки», — резюмировал Александр Образцов.