Инновационный котелок. Как советские учёные партизанам выжить помогли

О том, как новые материалы изменят нашу жизнь и каково место России в этой области науки, АиФ.ru поговорил с Артёмом Огановым, профессором Сколтеха, автором метода компьютерного предсказания кристаллических структур. В его лаборатории были открыты десятки «невозможных» материалов с суперсвойствами, порой не вписывающимися в традиционные научные представления.
Победитель победита
— Артём, в предыдущем интервью «АиФ» вы упомянули, что наша страна стала одним из мировых лидеров в науках о материалах. Какие у нас есть достижения в этой области исследований?
— Россия всегда была среди лидеров в материаловедении — в том числе на этом держались наши успехи в ВПК, космической отрасли и т. д. Но традиционно сильное материаловедение в России — эмпирическое (основанное на экспериментах и наблюдениях), а теперь у нашей страны появились и передовые позиции в теоретическом материаловедении, что связано с несколькими научными центрами.
Для начала скажу о том, чем занимается наша лаборатория. Разработанным мною методом пользуются тысячи учёных по всему миру. Он позволяет предсказывать структуру вещества по его составу и заданным условиям. Например, по конкретным свойствам, которые вам нужны и которые вы хотите получить.
Традиционно новые материалы создаются методом проб и ошибок. Это не очень научный способ, но другого до недавних пор не было. Очень хорошо известно, что многие свойства можно вычислить как производные энергии кристалла от положения атомов в его структуре. К числу таких свойств относятся упругие свойства, скорости звука, теплопроводность, колебательный спектр, теплоёмкость и др. Для этого требуется знать только кристаллическую структуру. Для уже синтезированного вещества её можно экспериментально определить, а для ещё не синтезированного — нужно предсказать. Предсказывая структуру, мы получаем ключ к представлениям о свойствах материала ещё до того, как он будет создан.
И это делается не путём лабораторного эксперимента, который порой длится годами, а на компьютере. И это можно сделать быстро и надёжно. Так вы можете предсказывать новые материалы со свойствами, которые значительно превосходят уже известные. Вплоть до рекордных, превзойти которые уже невозможно.
В России есть и другие лаборатории мирового уровня: в Екатеринбурге это научная группа Владимира Анисимова, в Самаре — Владислава Блатова, в Ростове-на-Дону — Александра Солдатова и др.
— Какие именно материалы были предсказаны и получены в вашей лаборатории?
— Мы занимаемся сверхтвёрдыми, магнитными материалами, термоэлектриками, сверхпроводниками. А также ищем новые формы уже существующих лекарственных препаратов.
Вот конкретные примеры. Мы предсказали материал, который затем был синтезирован — это борид вольфрама. Он обладает феноменальной твёрдостью, превосходит по этому свойству победит, традиционно используемый в бурении, сверлении и т. д. Это означает, что теперь можно создавать резцы и свёрла нового поколения. И сам процесс бурения станет дешевле, потому что новый материал значительно более износостойкий и не надо покупать резцы за границей — их можно производить в России.
Такого рода материалы с исключительной твёрдостью и трещинностойкостью можно применять в медицине — делать из них скальпели и прочие инструменты. Можно использовать их и как наконечники пуль и снарядов, способных пробивать любую броню.
Ещё один проект — создание новых постоянных магнитов. Это важно для железных дорог на магнитной левитации, а также может удешевить ветряные электростанции и другие технологии.
Третье направление — новые сверхпроводники, также предсказанные с помощью нашего метода. Всегда считалось, что сверхпроводимость возможна лишь при очень низких температурах. Мы же предсказали и экспериментально создали материалы, которые обладают этим свойством при температуре, близкой к комнатной. Уже опубликованы наши результаты по сверхпроводимости при −112°С (кажется, что это холодно, но на самом деле значительно превышает недавний рекорд сверхпроводимости), а также получены экспериментальные данные по сверхпроводимости при −10°С в новом нашем материале. Важно, что эти материалы сначала были предсказаны и лишь затем получены экспериментально.
Где нужны сверхпроводники? Например, в поездах на магнитной подушке, развивающих скорость выше 400 км/ч. Сейчас в России обсуждается проект поезда со скоростью под 1000 км/ч. Без новых сверхпроводников его создание будет невозможно. Впрочем, околокомнатная сверхпроводимость, о которой я рассказал, пока что существует лишь при высоких давлениях.
Круче графена
— Вы также назвали термоэлектрики. Это ведь материалы, превращающие тепло в электричество? Можно ли будет с их помощью извлекать электроэнергию прямо из нагретого воздуха или воды?
— Не совсем так. Термоэлектрики преобразуют в электричество не само тепло, а разницу температур. Нужен контраст — чтобы было что-то горячее и что-то холодное.
Это достаточно старая область исследований, она развивается с конца XIX века. Сложность в том, что применение таких материалов ограничено крайне низким КПД, а он зависит от их свойств. Сейчас по всему миру учёные прикладывают усилия, чтобы найти термоэлектрические материалы с улучшенными свойствами. Мы тоже это делаем. Если удастся удвоить или утроить КПД, термоэлектрические технологии смогут применяться гораздо шире.
— Где например?
— Например, в автомобилях. Представьте себе, что мы сможем улавливать тепло, которое машины выбрасывают в окружающую среду, и превращать его в электричество. То же самое можно делать на ТЭЦ, которые выделяют много тепла в атмосферу. Термоэлектрики будут давать электроэнергию на разнице температур этих выбросов и окружающей среды.
Даже тепло нашего тела можно использовать для этой цели. Есть технология, которая позволяет подзаряжать часы от контраста температур человеческого тела и воздуха. Понятно, что это может пригодиться не только туристам, но и военным, которые смогут использовать электронные приборы там, где нет никаких источников энергии.
Приведу пример из нашей истории, не очень известный. Я сам узнал о нём лишь недавно. Во время Великой Отечественной войны немцы удивлялись, как наши партизаны, находясь в лесах неделями и даже месяцами, ухитряются всё это время использовать свои радиостанции — ведь в лесу их негде заряжать. Не от пней же они их заряжают! А секрет крылся в котелках, которые они использовали для приготовления пищи. Благодаря академику Абраму Иоффе во время войны специально для партизан были разработаны котелки с термоэлектрическими элементами. Когда котелок висел на огне, за счёт разницы температур между пламенем костра и варящимся супом эти элементы вырабатывали электроэнергию. Её было вполне достаточно для зарядки портативных радиостанций.
Я был поражён, когда услышал эту историю. Этот пример показывает, насколько хорошо мы можем мобилизоваться во время войны, когда приходит беда. И, с другой стороны, не умеем грамотно распорядиться своими разработками в мирное время, коммерциализировать их. Сейчас Япония выпускает такие котелки как инновационный продукт для туристов. А что мешало нам наладить их производство после войны?
— Вы вместе с зарубежными коллегами создали борофен — двумерный кристалл бора в виде листа толщиной в один атом. Говорят, этот материал перспективнее знаменитого графена? Где он найдёт применение?
— Мы пока сами не знаем. Статью о борофене мы опубликовали в 2015 году. Ему сулят большое будущее, но исследователи только изучают его свойства.
Кстати, в отличие от графена, борофен — это не один материал, а целый класс. У него несколько модификаций, они зависят от толщины слоя, от того, что используется в качестве подложки. Одни модификации являются хорошими проводниками, другие не проводят электричество вовсе. А третьи проводят только в одном направлении.
Т. е. перед нами целая палитра материалов с необычными свойствами и разными применениями. Есть мнение, что борофен пригодится при создании наноэлектронных устройств и батарей нового типа.