Программа школы предполагает три основных части. Во-первых, участники смогли познакомиться с работой Института неорганической химии им. А.В. Николаева, посетив экскурсию по его лабораториям. Здесь гостям рассказали о направлениях работы института, о том, какой практический выход могут иметь их исследования, а также показали установки для экспериментов. Кандидат химических наук Константин Александрович Коваленко, сотрудник Лаборатории химии кластерных и супрамалекулярных соединений, рассказал о синтезе металлоорганического каркаса:

– Наиболее очевидная практическая значимость исследований в этой области – это хранение и разделение газов. Уже сегодня в промышленных масштабах производится около 5-6 металлоорганических каркасов для того, чтобы заполнять баллон с углекислым газом, после чего в него можно будет вместить примерно в 10 раз больше содержимого. Это происходит за счет того, что газ будет абсорбироваться. Оказывается, это очень выгодно, сегодня существует глобальная проблема с экологией, человечество пытается найти альтернативные виды топлива. Одно из решений – использование водородных двигателей и, соответственно, водорода в качестве топлива. Но есть проблема: водород нельзя сжимать под давлением, так как это очень опасно, может произойти страшный взрыв. Одно из решений – использование сорбентов, чтобы эффективно хранить водород. Сегодня металлорганические каркасы показывают очень хорошие результаты, тем не менее, пока они все равно далеки от применения. На этом развитие не останавливается и, может быть, нам удастся сделать что-то существенное в этом направлении.

В Лаборатории химии полиядерных металл-органических соединений занимаются веществами, неустойчивыми на воздухе. Работать в обычных условиях с ними невозможно, поэтому был приобретен специальный герметичный бокс, в котором и проводят эксперименты. Кандидат химических наук, председатель Совета научной молодежи Института неорганической химии Николай Анатольевич Пушкаревский рассказывает об этой установке:

– Наша лаборатория занимается необычными веществами, которые не очень устойчивы к действию воздуха и воды, поэтому мы вынуждены все реакции и исследования проводить в специальных аппаратах. Эта лаборатория как раз для таких исследований и предназначена. Для того, чтобы была возможность работать с этими соединениями, у нас есть четырехрукое чудовище, или перчаточный бокс. В нем поддерживается очень сухая и чистая атмосфера. В промышленности или в экспериментальной науке подобные боксы используют, чтобы получать литиевые батарейки или аккумуляторы. В бокс встроен микроскоп, который позволяет следить за тем, что происходит внутри, не вынося материал наружу. Особенно же удобно то, что внутри есть экран, на который выводится изображение с микроскопа. Не передать словами, как этот бокс помогает нам в работе! Благодаря ему мы можем конкурировать с зарубежными химическими лабораториями, создавать такие же или еще лучше вещества. Прибыль, которую он нам приносит, нематериальна, это новые научные работы и статьи. В данном случае мы не производим что-то на продажу.

После экскурсии начались лекции, которые читали специалисты в области  создания новых функциональных материалов (в том числе наноматериалов); исследования новых каталитических систем; синтеза и изучения перспективных неорганических веществ. Открыл встречу доктор физико-математических наук, профессор Александр Владимирович Окотруб (ИНХ СО РАН) с докладом «Углеродные наноматериалы: синтез, структура, перспективы применений». Он рассказал, что исследования в области создания углеродных нанотрубок могут иметь широкое применение:

– Лес углеродных наноторубок может использоваться для создания микромеханических устройств, например, мы сделали деталь электромеханического двигателя. Еще один очень интересный вариант, который сейчас активно обсуждается, это наполнение различного типа композитов углеродными нанотрубками. Человечество получило высокое развитие после того, как был открыт железобетон. Арматура, использованная в бетоне, увеличивает прочность конструкции в тысячи раз. Предполагалось, что нанотрубки также могут увеличить механические свойства полимеров во много раз через армирование, но всё оказалось не так просто. Конечно, реальные достижения есть, но не такие существенные. К другим полезным свойствам композитных материалов относятся хорошая теплопроводность и электропроводность.

А. В. Окотруб рассказал также о свойствах графена, которые изучены не в полной мере, но которые позволяют предполагать, что скоро появится электроника нового типа. Считается, что транзисторы на основе графена по некоторым параметрам будут существенно превосходить своих предшественников:

– Их размер и быстрота действия предполагает появление новой электроники. Технологическим достижением последних лет можно назвать работу корейских ученых. Им удалось посадить на пластиковый материал лист графена, обладающий прозрачностью. Для чего это нужно? Для создания touch screen, которые в электронике будущего полностью заменят клавиатуру, и создаваться они будут, наверно, из графена.

После лекций заслуженных специалистов состоится конкурсная часть, где молодые участники представят свои доклады, а экспертная комиссия распределит между ними награды.

www.COPAH.info

На рабочем столе руководителя отдела химии функциональных материалов Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН академика Федора Кузнецова почетное место занимает кристалл сверхчистого кремния. — На этом кристалле основана вся сегодняшняя электроника, — говорит Федор Андреевич. — А в будущем на кремнии планируется строить солнечную энергетику, которая к концу века сможет производить более половины необходимой человечеству энергии. Полупроводниковый кремний, по-видимому, является в настоящее время наиболее подробно изученным материалом. Разработанные при его изучении новые методы исследования и способы управления состоянием вещества подтолкнули прогресс во многих направлениях науки и технологий. В частности, стало возможным формулировать новое комплексное направление — нанотехнологии. Во второй половине ХХ века электроника, до той поры работавшая на вакуумных лампах, перешла на транзисторы, а затем на интегральные схемы. И именно увеличение чистоты используемого для их производства кремния позволило постоянно миниатюризировать электронную технику — ведь для этого необходимым условием является однородность кристалла по составу и примесям. Сегодня стандартом считается содержание примесей в кристалле на уровне одного атома на миллиард атомов кремния. Нет сомнения в том, что кремний будет продолжать совершенствоваться. Очевидно также, что будут появляться новые разнообразные применения других высокосовершенных кристаллов, структура и состав которых контролируется на уровне, близком к атомному. К настоящему времени широкое признание получили работы ученых ИНХ СО РАН в области выращивания оксидных кристаллов, которые используются в высокотехнологичных областях промышленности. — Наша «изюминка» состоит в разработке нового способа изготовления кристаллов, отличающегося от существующих очень деликатными условиями фазообразования, — рассказывает Федор Кузнецов. — Чтобы получить кристалл, нужно вещество расплавить, а потом упорядоченно кристаллизовать. При этом процессе часть вещества у вас будет более, а часть — менее горячей, и разность, или градиент температур при росте кристалла обычно очень велик. Это значит, что в растущем кристалле есть термические напряжения, которые могут нарушить упорядоченность расположения атомов в его структуре, снизив тем самым его качество. Метод, разработанный в нашем институте, позволяет сократить разницу температур на два порядка, сохранив при этом устойчивость системы. Этот низкоградиентный метод выращивания кристаллов освоен только у нас. История создания уникальной технологии в ИНХ СО РАН берет начало еще в СССP. Сотрудники института успешно участвовали в разработке и внедрении автоматизированных технологий выращивания лазерных и других функциональных кристаллов в отраслевых институтах и на промышленных предприятиях. После 1992 года, когда заводам стало не до кристаллов, а бюджетное финансирование научных работ резко сократилось, руководство института приняло решение организовать экспортно ориентированное производство сцинтилляционных кристаллов германата висмута (BGO). В институте для этого было сформировано отдельное научно-технологическое подразделение, создан участок изготовления из кристаллов рабочих элементов. Необходимые кредитные ресурсы удалось привлечь из Российского Фонда технологического развития (РФТР) — ИНХ СО РАН активно включился в проект фонда по совершенствованию технологии выращивания большеразмерных кристаллов германата висмута. Выполнив проект и организовав собственное производство в 1997—1998 годах, институт стал крупнейшим российским поставщиком на мировой рынок лазерных и сцинтилляционных кристаллов. (Лазерные используются в лазерной технике, сцинтилляционные обладают способностью излучать свет при поглощении ионизирующего излучения, такого как, например, гамма-кванты.) — Наши сцинтилляторы нужны в медицине — в США с их использованием производятся позитронно-эмиссионные томографы (PET), пока не выпускаемые в России, — рассказывает ведущий научный сотрудник лаборатории роста кристаллов ИНХ СО РАН Ян Васильев. — Другая область применения — геофизика, в частности исследование состояния состава пород, и главное — соотношения углерода к кислороду в нефтяных скважинах. Наконец, их используют в производстве систем безопасности, работающих как на просвечивание предметов, так и путем экспрессного определения химического состава испытуемых веществ. Кристаллы BGO, выпускаемые институтом, сегодня востребованы в научных центрах многих стран мира, таких как Окриджская и Лос-Аламосская национальные лаборатории США, Йельский университет США, подземная лаборатория Гран Cacco в Италии, канадский ядерный центр TRIUMPF и другие. Блоки детектирования на основе кристаллов ИНХ СО РАН поставляются ведущим зарубежным производителям и разработчикам PET в США и Японии. Некоторые проекты с участием института вообще уникальны. В 1998 году ИНХ совместно с ИЯФ СО РАН изготовил 360 радиационно стойких кристаллов BGO для форвард-калориметра детектора BELLE в японском ядерном центре KEK. Германат висмута был впервые применен для калибровки пучка, так как выращенный по традиционной технологии кристалл BGO не обладает нужной радиационной стойкостью. В 2007 году ИНХ изготовил более 400 высококачественных кристаллов BGO сложной формы для международного стратостатного астрофизического проекта POGoLite, целью которого является изучение поляризованного гамма-излучения Вселенной. В настоящее время заканчивается изготовление 1300 клиновидных кристаллов, имеющих 21 типоразмер, для исследовательского центра по ядерной физики Университета Тохоку в Сендае. Общий вес кристаллов около 2 тонн. Также успешно развивается в ИНХ СО РАН и производство кристаллов для лазеров. Эта продукция института позволяет изготавливать источники излучения с жестко контролируемой длиной волны в диапазоне от 1 до 10 микрон. Такие лазеры востребованы в медицине для стоматологии и сосудистой хирургии. Накоплен также большой потенциал по кристаллам для военных целей. По качеству кристаллы ИНХ СО РАН превосходят продукцию лучших мировых производителей. — Помимо низкоградиентного метода выращивания еще одним ключевым моментом является создание новой технологии производства особо чистого оксида висмута, — поясняет Ян Васильев. — Дело в том, что на свойства кристаллов влияет такое малое содержание примесей, которое не удается определить химико-аналитическими методами. Один из исходных компонентов — оксид германия — продукт полупроводниковой промышленности, где вопросы чистоты хорошо отработаны. Другое дело — оксид висмута. Содержащиеся в нем вредные примеси долгое время были основным источником загрязнений кристаллов. Мы перепробовали продукцию лучших мировых производителей, но избавились от «сюрпризов», только перейдя на продукт собственного производства. Кстати, наши особо чистые висмут и оксид висмута тоже идут на экспорт. К сожалению, востребованные за рубежом кристаллы практически не используются в России. Местным потребителям направляется едва ли больше 3—5% от общего объема продукции ИНХ СО РАН. Более того, сегодня даже налаженное в ИНХ производство становится рискованным предприятием: госучреждениям запрещают заниматься бизнесом, и закупки необходимых компонентов, а также расходование средств должны вестись по тендеру. Несмотря на это, в институте продолжают сегодня работать на перспективу. — Сейчас мы вышли на передовые позиции в мире по кристаллам для фемтосекундных лазеров, это будущее лазерных технологий, — рассказывает руководитель технологической группы по выращиванию оксидных кристаллов ИНХ СО РАН Анатолий Павлюк. — А в плане НИР мы стоим на пороге создания новых сцинтилляторов и комбинированных лазеров. Ученые обнаружили, что, если сознательно нарушить упорядоченность структуры кристалла — а она очень жестко структурирована, — можно получить новые эффекты. Это позволит, например, повысить чувствительность кристалла на воздействие излучения. Но все эти исследования еще только предстоит воплотить в конкретные разработки.

Текст: Андрей Чернобылец

Статья на сайте Сибкрай.ru (версия для печати):

http://sibkray.ru/news/3/55085/?SECTION_ID=3&ELEMENT_ID=55085&print=Y

К юбилею Святослава Петровича Габуды.

Беда с этим юбиляром! Когда намедни мы — журналисты «НВС» — пытались поздравить старинного друга редакции профессора Габуду с днём рождения, он отшутился:

— Какие могут быть застолья в Страстную субботу? Приличному учёному в этот день следует предаваться самобичеванию по примеру великого Блэза Паскаля. Есть свидетельства, что он засёк себя до смерти в религиозном экстазе, потому что не смог найти научного объяснения открытому им закону гидростатики.

— А Вы, профессор, по какому поводу самобичеванием решили заняться?

— Ну, мы тоже кое-что малопонятное нащупали, из области нанотехнологий.

— Как?! Не Вы ли нам однажды рассказали, почему никаких реальных нанотехнологий нет и быть не может? («Письмена на воде», «НВС» № 38, 2005). Потому, помнится, что на расстояниях порядка нанометра начинают проявляться волновые свойства электронов, что принципиально не позволяет создать однозначно отвечающий нанотранзистор.

— С тех пор много воды утекло... «Квантовый» компьютер по-прежнему остается недостижимой мечтой человечества. Но за истёкший период в Институте неорганической химии СО РАН была теоретически предсказана и создана «нанометровая» молекулярная конструкция, на основе которой, как нам представляется, может быть реализован наименьший элемент для хранения информации — так называемый кубит. Ваш покорный слуга имеет к данной работе некоторое отношение...

Мы попросили Святослава Петровича популярно изложить полученный научный результат. И пожелали дорогому юбиляру и дальше не обращать внимания на юбилеи и руководствоваться в работе любимым девизом Петра Первого — «Небываемое бывает!».

Далее — заметка юбиляра.

 

На пути к квантовому компьютеру

Труднейшей, до сих пор не решенной проблемой гипотетического «квантового компьютера» является способ практической реализации наименьшего элемента для хранения информации, называемого «кубитом» (от quantum bit, или q-бит). В частности, до сих пор безуспешными остаются попытки использования в подобном качестве электронных и ядерных спинов.

Новая идея заключается в том, чтобы в качестве кубитов использовать конформационные состояния некоторых молекул. Примером может служить известная из школьного курса молекула циклогексана С₆Н₁₂, которая может существовать в двух формах — «кресла» и «ванны». Производная циклогексана — молекула диазабициклооктана — может существовать в трёх конформациях — скрученной вправо или влево и нескрученной (рисунок).

 

Три варианта конформера молекулы N2C6Н12 (сокращенно «дабко»). Серые шары — атомы азота, белые — углерод, и малые шарики — водород

При нормальных условиях подобные молекулы постоянно переходят из одной конформации в другую. Однако при низких температурах, когда тепловое движение «вымораживается» и основную роль играют квантовые эффекты туннелирования, возможной становится конформационная поляризация. В поляризованном состоянии отдельные конформеры могут существовать сколь угодно долго, а для изменения конформации необходимо некоторое внешнее воздействие, возбуждающее переход в другое квантовое состояние.

Впервые конформационную поляризацию нам удалось наблюдать в гетероструктуре, образованной двумерными слоями терефталата цинка, перемежаемыми слоями молекул диазабициклооктана (рисунок).

 

В этой системе при −110° С наблюдался переход в поляризованное состояние, сопровождаемый стабилизацией молекул дабко в трёх конформационных состояниях (в равных долях). «Считывание» информации о состоянии каждого кубита в слое может осуществляться с помощью туннельного микроскопа. При этом плотность записи достигает 10¹⁴бит/см², что на два порядка выше существующих рекордных показателей.

Практическая реализация транзистора на вышеизложенной основе представляется чрезвычайно сложной, но разрешимой технологической задачей.

Версия для печати (постоянный адрес статьи) http://www.sbras.ru/HBC/hbc.phtml?17+590+1