Композит для магнита. Челябинские ученые разрабатывают материалы будущего

Об этом, и не только — наш разговор с доктором физико-математических наук Сергеем Таскаевым, деканом физического факультета ЧелГУ.

Редкоземельный кризис
 
— Что вас подвигло на исследования в этой сфере?
 
— Магнетизм — одно из интереснейших явлений, во многом влияющее на нашу жизнь. Без магнитосферы — магнитного щита Земли, защищающего нас от проникновения космического излучения, существование всего живого на ней было бы невозможно. Земля представляет собой гигантский магнит, поле которого и создало условия для существования белковой жизни. С помощью магнитов мы вырабатываем электричество, они используются в гибридных автомобилях, приборо- и двигателестроении, ракетно-космической промышленности...

Однако редкоземельные металлы, на основе которых созданы наиболее мощные постоянные магниты, стоят очень дорого, а основные месторождения находятся в КНР. Недавно разразился так называемый «редкоземельный кризис»: Китай поднял экспортные цены на них, ввел квотирование на поставки за рубеж. Это, в свою очередь, ударило по всем высокотехнологичным производствам в мире, по выпуску постоянных магнитов. А это стратегическая продукция: к примеру, точность полетов крылатых ракет напрямую зависит от характеристик используемых в них постоянных магнитов.
 
Обычно для производства постоянных магнитов используют сплавы двух видов: неодим-железо-бор или самарий-кобальт.
 
— Можно ли эти дорогостоящие элементы заменить в магнитах на недорогие, широко распространенные в природе?
 
— Эту сверхзадачу сегодня решают лучшие ученые мира. Такой магнитный материал должен совмещать в себе особые качества: с одной стороны, высокую намагниченность, а с другой — высокую анизотропию, свойство выстраивать магнитные моменты (спины) вдоль оси легкого намагничивания. Если удастся создать такой композитный материал, это будет прорывом в науке и технике.

И первые промежуточные результаты уже есть: мы нашли подобные магнитные материалы на основе сплава железо-никель в метеоритах. В частности, в челябинском и в метеорите, упавшем в Западной Африке. Уже получили наноструктурированные твердые растворы железа с тяжелыми металлами — свинцом и висмутом, которые многократно дешевле сплавов на основе редкоземельных элементов. В перспективе, как мы надеемся, они могут заложить основу новых семейств материалов. Добиться этого удалось методом интенсивной пластической деформации: металлы в течение полутора месяцев непрерывно деформировались в особой установке. Подобных материалов еще никто в мире не получал. Принято считать, что железо ни со свинцом, ни с висмутом не образует никаких растворов или интерметаллидов, а нам это удалось.

Супералмаз «с неба»
 
— Челябинский метеорит уже преподнес немало загадок, исследование которых может привести к прорыву в науке...
 
— Это так. Кроме перспективных магнитных материалов в метеоритной пыли нами обнаружены новые углеродные структуры. Внешне они выглядят как кристаллы. Напомню, что углерод в кристаллической форме — это алмаз, но найденные кристаллы им не являются. В процессе изучения этих структур проведены уникальные эксперименты по синтезу и сравнительные исследования детонационных алмазов, полученных методом взрыва на заводе «Пластмасс» в Копейске, алмазов из Аризонского метеорита. Однако ничего подобного нашему феномену обнаружено не было.
 
— А легко ли работать с такими мелкими структурами?
 
— Любая манипуляция в микромире становится сложной технологической проблемой. Дело в том, что для этого нет инструментария. Однако и здесь у нас есть достижения — итог изучения «интеллектуальных материалов» с памятью формы. Оказывается, некоторые полимеры или металлические сплавы могут «запоминать» формы и «вспоминать» их при неком воздействии: температурном, полевом... На этом эффекте нами совместно с коллегами из Института радиотехники и электроники РАН в рамках совместной лаборатории магнитных явлений создан первый в мире нанопинцет, которым можно, например, прооперировать комара, подковать блоху или выделить «метеоритный алмаз». Такие инструменты незаменимы в проектах нано- и субмикронной механики.

Магнитный холодильник
 
— А есть ли подвижки в вашем проекте «магнитного» холодильника?
 
— Мы участвуем в международной коллаборации по разработке технологии магнитного охлаждения, которая может произвести технологический скачок в самых разных сферах. Она основана на эффекте магнитного охлаждения, который в конце ХIХ века открыл немецкий ученый Отто Варбург, а в середине прошлого века француз Вильям Жиок получил температуру порядка 0,25 К (почти абсолютный ноль), за что получил Нобелевскую премию. Мы же пошли дальше, разработав идею создания «магнитного» холодильника. Возможности этой технологии не ограничиваются бытовыми задачами: она будет очень эффективна, например, в процессе сжижения природного газа.
 
— И этот проект был запущен?
 
— К сожалению, в России он так и не был реализован. Хотя мы прошли все экспертизы, получили статус резидента фонда «Сколково», однако средства на реализацию проекта нам так и не выделили. Между тем за рубежом уже появились охлаждающие устройства, работающие на этом принципе, например, их выпускают французское предприятие Cooltech и английское Camfridge.

Зерно без гаек
 
— Но какие-то производственные проекты вами реализуются? Например, в сельском хозяйстве?
 
— Да, они есть. Созданы инновационные предприятия по выпуску высокотехнологичной продукции. Так, «Компас» разрабатывает и производит устройства, использующие постоянные магниты, например, магнитные сепараторы. Они защищают исходную продукцию зернопереработки от посторонних «примесей»: болтов, щебенки... Эти устройства уже хорошо зарекомендовали себя. Кроме того, мы разработали магнитные сепараторы для «нефтянки» по очистке буровых растворов. Причем в ряде случаев создаваемое ими магнитное поле было в 50 раз больше, чем на зарубежных аналогах!

У нас созданы и уникальные магнитные системы для научных исследований, легкие и компактные, но не уступающие традиционным электромагнитам-гигантам. По заказу РАН мы их сконструировали и изготовили для установки по измерению свойств материалов в динамически изменяющемся магнитном поле. Раньше считалось, что изменять магнитное поле с высоким значением индукции и с большой частотой технически невозможно, но решение было найдено. Сейчас на этой установке производят научные эксперименты, не имеющие аналогов в мире.
 
— А может ли магнит послужить «оборонке»?
 
— Использование современных постоянных магнитов уменьшает размеры двигателей, позволяет увеличить их мощность. Отдельная тема — экспресс-анализаторы взрывчатых или наркотических веществ: их чувствительность напрямую зависит от величины магнитного поля в устройстве.

Экодом «из принтера»?
 
— Челябинск испытывает проблемы с экологией. Могут ли ваши материалы как-то ее улучшить?
 
— Из труб металлургических предприятий вылетают тысячи тонн пыли. Но «осадок» электрофильтров может быть переработан и использован в качестве стройматериала нового поколения — геополимера. Не говоря о снижении загрязнения атмосферы, это и весомая экономия: из бросовых отходов мы предлагаем производить материал для высокотехнологичного строительства. Геополимер на основе оксидов кремния и алюминия выдерживает очень высокие температуры, при которых разрушается даже бетон. Его можно использовать при строительстве стартовых столов космодромов.
 
— А возможно ли применять ваш геополимер для 3D-печати жилых домов?
 
— Почему нет? В Европе уже «печатают» на строительных 3D-принтерах дома из «строительного порошка», а наш материал вполне подходит для этих целей.
 
— На ваш взгляд, что надо изменить для успешного воплощения научных проектов в производство?
 
— Существует некая общая оценка: на каждый вложенный рубль научных разработок нужно вложить еще 10 для создания опытного образца и 100 — для открытия производства. Такие расходы нам, ученым, в одиночку не осилить. Яркий пример — проект «магнитного» холодильника. Пока наша бюрократия несколько лет рассуждала, стоит ли финансировать работы, время ушло, и теперь мы будем покупать холодильники нового поколения за рубежом. А жаль: научная база была создана, но дальнейшее движение встало из-за недоверия к российским разработкам. Все же хочется верить, что ситуация изменится. Фундаментальная наука приносит результат не сразу, зато выводит технологии на совершенно новый уровень.