Зачем нужно создавать высокие давления, какие новые вещества и материалы можно таким образом получать, чем искусственные алмазы отличаются от настоящих и как с помощью таких технологий можно лечить людей, рассказывает Вадим Вениаминович Бражкин, директор Института физики высоких давлений РАН, доктор физико-математических наук, академик РАН.
– Вадим Вениаминович, вы в этом институте трудитесь всю свою научную жизнь: после окончания Физтеха пришли в эти стены молодым научным сотрудником и дослужились до директора. Я бы хотела остановиться на каких-то важных фундаментальных результатах института. Знаю, что одним из таких результатов было синтезирование алмазов еще в шестидесятые годы прошлого века. Для чего это было нужно?
– Это была задача правительственного уровня, я бы даже сказал, мирового. Природных алмазов после Второй мировой войны во всем мире стало не хватать, а они были остро нужны для металлообработки (это резцы, коронки, буры и так далее). Во всех передовых странах ставилась проблема их синтеза. Советский Союз был в числе первых, кто эту проблему решил. Для этого была создана Лаборатория физики сверхвысоких давлений, которую возглавлял наш первый директор, академик Леонид Федорович Верещагин, а в 1958 году лаборатория преобразована в Институт физики высоких давлений, и буквально за два года, уже в 1960 году получены образцы искусственных алмазов. Они ничем не отличаются от природных, речь идет о том, что они рукотворные, а не найденные где-то в месторождениях.
– Я знаю, что сейчас вы продолжаете заниматься этими разработками, но уже в области получения наноалмазов, которые нашли свое применение в биотехнологиях и в биомедицине. О чем конкретно идет речь?
– Да, действительно, это так. Сейчас наш институт является безусловным российским и, наверное, даже мировым лидером по синтезу наноалмазов хорошего качества и с возможностью легирования. Помимо применения алмаза как сверхтвердого материала (а это самый твердый материал, и поэтому область применения алмазов более-менее понятна), оказывается, есть другие возможности. Уникальные оптические свойства алмаза, уникальные свойства его электронной структуры позволяют искать другие высокотехнологические направления применения алмазов.
В частности, наноалмазы размером от нескольких до сотен нанометров могут применяться в оптоэлектронике, в квантовых информационных технологиях. Одно из направлений развития квантовых компьютеров и кубитов – это как раз примесные атомы в алмазе.
– Что такое примесные атомы?
– Это некие оптические центры, самые распространенные – азотные центры, где есть примесь атома азота. Сейчас стали исследоваться кремний-вакансионные центры (Si-V), в последние годы этот список расширился, появились центры на основе атомов германия, олова и так далее. Люминесценция этих оптических центров в алмазе оказывается уникальной по сравнению с другими материалами, что позволяет использовать их в оптоэлектронике. А кроме того, оказывается, что легированный алмаз, например, атомами бора может быть не только диэлектриком, но и полупроводником, и металлом, и сверхпроводником, и такие наноалмазы могут быть использованы в качестве биомедицинских платформ, то есть доставляться в клетки организма с лечебными целями.
– Как на это будет реагировать организм?
– Такие наноалмазы к клеткам нейтрально относятся, они не являются вредными, но, если их избирательно доставить, а потом, скажем, каким-то полем воздействовать, например, переменным магнитным, электрическим, можно делать избирательный нагрев этих наноалмазов в конкретных точках организма. Пожалуй, наш институт сейчас основной изготовитель таких алмазов для оптонаноэлектроники и для наномедицины.
Но тут мы должны, конечно, кооперироваться с профессионалами из других сфер – с медиками, с биологами, с оптиками.
– Вадим Вениаминович, я знаю, что в вашем институте находится самый большой в мире пресс, на котором получают прочный углепластик, используемый в оборонной промышленности. Расскажите, пожалуйста, что это за пресс и какие конкретно задачи он может выполнять.
– Это самый мощный в мире из исследовательских прессов, но одновременно он один из самых больших, его высота – 30 метров, 5 тысяч тонн весит вся конструкция. У него очень большое подпрессовое пространство, он может делать усилие 50 тысяч тонн. В мире всего несколько прессов с таким усилием, но большинство из них – это штамповочные прессы, которые не могут долго поддерживать давление.
– А вы можете?
– Да. Наш исследовательский пресс отличается тем, что может эти большие усилия, десятки тысяч тонн поддерживать на протяжении длительного времени – часов или дней, что важно для синтеза новых материалов. То, что пресс такой огромный, не означает, что на нем самые большие давления, потому что давление определяется не столько усилием, сколько камерой высокого давления, которая может выдержать такие давления. Поэтому самые большие давления в лаборатории статически получаются в очень маленьких объемах между алмазными наковаленками.
– А какого самого большого давления вам удается достичь?
– Самые большие давления – порядка 4 миллионов атмосфер. Это давление, сопоставимое с тем, что происходит в центре Земли, где 3,5 миллиона атмосфер. Большой пресс удобен для того, чтобы создавать пусть не такие большие давления, но в очень больших объемах. И поэтому можно сделать давление в тысячи атмосфер, но зато в кубических метрах. На прессе сейчас получается углерод-углеродный композиционный материал, на основе которого делают углепластик. Наша задача – провести обработку высокими давлениями, высокими температурами, чтобы этот материал получился компактный и очень прочный. Этот углепластик может быть использован и в оборонной, и в гражданской области. В частности, это тормозные колодки для тяжелых самолетов.
Кроме этого, пресс может быть использован и для синтеза больших алмазов, и для исследования каких-то огромных образцов. В частности, у нас были совместные исследования горных пород – гранита, туфа и так далее. На блоки наклеиваются датчики, и, после того как осуществлялось давление в прессе, можно анализировать распределение напряжений в породах. Это важно для анализа прогноза землетрясений, для строительства небоскребов и так далее.
Задачи теории упругости масштабируются. Сделав эксперимент на маленьком образце, вы можете сразу предсказать, что будет с большим. А вот задачи теории прочности, разрушения очень плохо масштабируются, и, скажем, сломав на маленьком прессе маленький кубик, вы не всегда можете сказать, что будет с огромным кубом при больших таких давлениях. Вот для этого нужен в том числе такой большой и мощный пресс.
– Вадим Вениаминович, хотелось бы поговорить и о той работе, которую вы лично ведете как ученый. В частности, известно, что ваша работа по «квантовой» природе классических величин вошла в список десяти лучших работ в мире по физике за 2020 год по версии международных экспертов Physics World. Расскажите, пожалуйста, что это за работа, в чем ее смысл и научная важность.
– Речь идет о том, что какие-то величины можно определить как комбинацию фундаментальных квантовых констант. Ну, например, все знают, что такое боровский радиус – это некое условное понятие, которое зависит только от постоянных, таких как масса электрона, заряд электрона, постоянная Планка, и она определяет характерный размер межатомного расстояния или орбиты электрона в атоме водорода, например. Все знают, что такое атомная единица энергии, например, это Ридберг или Хартри, это энергия связи электрона в атоме водорода или характерная энергия взаимодействия между молекулами и атомами в твердых телах.
Но оказывается, что можно пойти дальше и проанализировать, чем будут определяться такие макроскопические величины, которые, казалось бы, в разных материалах очень разные, такие как вязкость в жидкостях, или теплопроводность в жидкостях и твердых телах, или температуропроводность, динамическая или кинематическая вязкость, скорость звука в твердых телах, поверхностное натяжение. Оказывается, что во всех веществах они разные, но, поскольку взаимодействие в конденсированных средах (то есть в жидкостях, в стеклах, кристаллах) имеет электромагнитную природу, основанную к тому же на квантовой механике, то можно найти универсальные максимумы или минимумы физических величин.
Иначе говоря, можно получить, выше чего не может быть скорость, например, в твердых телах. Вот как раз эта работа почему-то очень понравилась читателям и экспертам. Оказывается, все знают, что самая высокая скорость звука из всех материалов, которые известны, развивается именно в алмазе, а вот какой вообще предел возможен у скорости звука в твердых телах?
– Вы определили этот предел скорости?
– Да, есть цифра. Но самое интересное, что эта цифра зависит только от фундаментальных величин. Фактически это просто скорость света, отношение масс протона и электрона и постоянная тонкой структуры. Есть две самых важных безразмерных константы в физике – это отношение масс протона и электрона и постоянная тонкой структуры. Оказывается, эти две безразмерные величины и скорость света как раз нам и дают принципиальный предел скорости звука, что само по себе очень красиво.
– Скажите, пожалуйста, а это может иметь какое-то практическое применение? Ну, например, создание самолетов, которые летают со скоростью света.
– Наверное, это поможет нам понять, к чему можно стремиться.
– Вадим Вениаминович, в последние годы вы занимаетесь исследованием темы сверхкритических флюидов, и я знаю, что это применяется в «зеленой» химии, в переработке отходов. Расскажите, пожалуйста, что это такое – сверхкритические флюиды и каким образом их можно использовать в столь актуальной тематике.
– Сверхкритические флюиды – это жидкости при давлениях и температурах выше, чем в критической точке. Большинство веществ имеют универсальные фазовые диаграммы – есть кристалл, есть жидкость, есть газ, и вот жидкость и газ отделяет на фазовой диаграмме кривая кипения. То есть мы нагреем лед – он перейдет в воду, а вода у нас при ста градусах начнет испаряться, закипит, превратится в пар.
Но если мы поднимем давление, скажем, до 10 атмосфер, то температура кипения сильно возрастет, и она будет так возрастать, пока при давлении выше 200 атмосфер не возрастет до 300 с лишним градусов. А выше этого давления, если мы будем греть, никакого кипения не будет. Вода превращается в пар без кипения, без фазового перехода. И вот самые высокие давления и самые высокие температуры, при которых кипение еще есть, называются критической точкой. Вот если у нас давление и температура выше критических, то там жидкость переходит в газ без фазового перехода, плавно.
Получается такое непонятное состояние вещества, которое получило название сверхкритический флюид. Мы много занимаемся физикой этого состояния. Оказывается, там много интересного. Раньше эта область вещества считалась скучной. Но оказывается, она не скучная, там много интересной физики.
Теперь по поводу технологий. Эта то ли жидкость, то ли газ при высоких давлениях и высоких температурах, с одной стороны, имеет низкую вязкость и высокие коэффициенты диффузии, как в газе, а с другой стороны, почти такую же высокую плотность, как жидкость. Мы можем получать ряд нейтральных сверхкритических флюидов, таких как, например, CO2, наш обычный диоксид углерода. Взять обычный баллон с CO2, нагреть его до 40 или 50 градусов, и это будет сверхкритический флюид CO2.
В этом флюиде, оказывается, очень быстро все происходит. Например, экстракция. Процентов 90 всего кофеина экстрагируется из зерен или из каких-то блоков с помощью как раз сверхкритических технологий. Это важно для фармацевтики, для обезжиривания в пищевой промышленности и так далее. Обработка веществ в такой среде, которая имеет очень быструю диффузию и довольно плотная, оказывается, способствует многим химическим процессам.
– А ведь существует в медицине такое понятие, как тромбоэкстракция, когда очень быстро удаляются тромбы, и, таким образом, лечится ишемический инсульт.
– Совершенно верно. Знаю также, что в Московском университете на химфаке сейчас также развиваются сверхкритические технологии. Одно из направлений такое: берутся свиные кости, кладутся в камеру со сверхкритическим диоксидом углерода, и в результате все, даже мельчайшие поры в этих костях вымываются, то есть кость получается идеально чистой. В ней не остается никакой органики, только кальциевая основа, и тогда эту кость можно использовать для имплантации человеку. Она не будет отторгаться.
– Интересно.
– А что касается «зеленой» химии, то это действительно важное направление, к сожалению, пока в России не очень развитое. Сверхкритическая вода при таких больших параметрах требует сложных аппаратов. Наша обычная вода при обычных условиях растворяет какие-то соли, но совершенно не растворяет органику, а вот вода при таких высоких давлениях и температурах мгновенно разлагает любую органику, любые пищевые отходы, пластмассы, пластики. Все это превращается просто в воду, в углерод, в CO2, в совершенно безопасные вещи, которые, в отличие от мусоросжигательных заводов, не вредны. Но эта технология сложная и дорогая, и у нас только начинает развиваться.
– Эта технология уже где-то применяется или пока только на этапе разработки?
– Есть опытные цеха на заводах в Японии, в Германии, в Америке. У нас пока нет, но есть пробные технологии, которые развивались в Новосибирске. Там есть несколько групп, которые занимаются сверхкритической технологией на основе воды, и у них есть технологические успехи.
– Вы возглавляете Троицкий научный центр. Расскажите, пожалуйста, в чем суть этой работы, что представляет сегодня собой эта организация.
– Это сложный вопрос и, я бы сказал, больной. В Троицке у нас 10 институтов, и они все физического профиля. Естественно, что нужна была некая объединяющая платформа, и на основе совета директоров Троицка был создан президиум Троицкого научного центра. Это некая площадка, на которой могут встречаться руководители институтов, просто ученые, проводить совместные конференции по каким-то междисциплинарным вещам.
Например, в таких встречах по медицинской физике участвуют практически все институты, поскольку что-то дать для медицины и биологии могут и Институт высоких давлений, и Институт спектроскопии, и Институт ядерной физики.
Но после того как случилась реформа и институты перешли в ФАНО, получилось какое-то двойственное состояние: с одной стороны, президиум Троицкого научного центра как РАН никто не закрывал и он прописан в президиуме большой академии, а с другой стороны, поскольку деньги стали платить сначала ФАНО, потом министерство, то сам управляющий аппарат сидит на балансе министерства.
Моя должность тут скорее номинальная, неофициальная. Основные задачи – все институты должны быть в курсе того, что происходит в науке и в других организациях в Троицке, делать какие-то совместные проекты, создавать консорциумы. Всегда есть какие-то болевые точки: у какого-то института отбирают землю, кому-то нужно построить корпус, отсутствие жилья для молодых специалистов, строительство общежития для молодых сотрудников… Эти вопросы решать нужно всем институтам вместе.
– Удается ли вам чего-то конкретного добиться?
– Мы добиваемся многого. Мы организуем с помощью центра большую конференцию по медицинской физике ежегодно или раз в два года. Мы организуем лекции ученых центра в школах Троицка. Мы организуем ежегодную конференцию учителей из разных городов страны по физике.
А из примеров с негативным оттенком – например, была попытка отъема земли у одного из институтов в городе Троицке. Центр выступил коллективно, и удалось этот рейдерский захват земли отбить с помощью наших писем.
Рядышком с Троицком планировалось создание огромной мусорной свалки, самой большой в Московской области. Мы написали письмо от Центра, и это письмо было услышано. Мы добились, чтобы из нашего наукограда не сделали свалку.
– Какая метафора – не дать превратить наукоград в помойку!
– Да, мы этой тенденции всячески сопротивляемся, оказываем высокое давление (хотя здесь у нас такого опыта, как в науке, к сожалению, нет) и общими усилиями чаще всего побеждаем.
