Кристальный интерес

Почему ученых вдохновляет перспектива строительства в Новосибирске завода лазерных систем?

Сибирские ученые создали технологию выращивания кристаллов рекордно высокого оптического качества. О своих разработках они расскажут участникам «Технопрома-2013».

Первыми о новой технологии мы узнали от Александра Коха, руководителя Лаборатории роста кристаллов Института геологии и минералогии имени В. Соболева Сибирского отделения РАН.

Накануне мы побывали в «кристальном сердце» научного подразделения.

С кристаллом в указке
В Новосибирске занимаются выращиванием кристаллов с 1980-х годов. Уже тогда это не казалось фантастикой. В металлических инкубаторах за несколько недель удается вырастить то, что в природе растет миллионы лет.

Можно сказать, что с техническими кристаллами мы начинаем сталкиваться со школьной скамьи — лазерные указки, оснащенные нелинейными кристаллами, обеспечивают преобразование частоты падающего излучения в видимую область спектра, в результате чего излучается ярко-зеленый луч. Широкое применение лазерные технологии нашли в медицине, проникнув в самые тонкие, деликатные сферы организма, и в других отраслях.

В недрах лаборатории «зреют» десятки кристаллов, разных по составу, cвойствам и дальнейшему применению.

— Речь идет о нелинейных кристаллах, — говорит ведущий научный сотрудник Лаборатории роста кристаллов Людмила ИСАЕНКО. — Их основная задача — расширить диапазон возможностей лазера. Предположим, у нас есть лазер, генерирующий невидимое когерентное излучение с длиной волны около одного микрона. Применяя нелинейные кристаллы в системе, можно получить широкий набор других длин волн как в ультрафиолетовой и видимой областях, так и в инфракрасном диапазоне — линейка очень большая. Для этого достаточно всего лишь установить в системе нелинейный элемент из монокристалла, вырезанный определенным образом.

Для различных устройств и приборов нужны определенные длины волн в соответствии с функциональной направленностью этих приборов. В настоящее время широко используются лазерные спектрометры. Каждое вещество характеризуется определенным спектром — как отпечатком пальцев, по которому спектрометр может его идентифицировать. Таким образом, например, можно диагностировать болезни, анализируя выдыхаемый человеком воздух, или дистанционно определять состав и степень загрязнения атмосферы.

Инвестиции и инфраструктура
Ученые разработали определенную схему, на которой представлены не все, но основная часть кристаллов, рожденных в стенах лаборатории и востребованных сегодня в промышленности как дома, в России, так и за рубежом. Да, рост кристаллов требует серьезных инвестиций. К слову, мировая увлеченность выращиванием кристаллов во многих странах, к примеру в Китае, очень серьезно финансируется за счет государства.

Для новосибирских ученых сотрудничество с европейскими и американскими заказчиками имело огромное значение не только и, может быть, не столько с точки зрения коммерческого успеха. Будь это во главе угла, у нас бы давно все институты разбежались по частным компаниям.

— В результате контакта с зарубежными коллегами мы поняли, на каких системах могут работать наши кристаллы, — говорит Людмила Ивановна. — По сути это «пилоты», которые уже доказали свою эффективность. При этом мы пользовались их современными, хорошо оснащенными лабораторными площадками.

И с этой позиции в том числе сотрудникам лаборатории интересна перспектива строительства на территории Промышленно-логистического парка завода лазерных систем.

Из простого — сложное
Вместе с Людмилой Ивановной мы отправляемся на экскурсию в святая святых — туда, где растут кристаллы. Процесс этот темный в полном смысле слова. Заглянуть внутрь установки нельзя.

Процесс роста настолько тонок и капризен, что повлиять на него может, например, аварийное отключение электроэнергии. Нашим ученым в этом году пришлось дважды столкнуться с этой проблемой. Это, конечно, детали. Однако именно от них во многом зависит успех выращивания чистых кристаллов. Ведь в отличие от драгоценного, в котором чем больше дефектов, тем сильнее он сверкает, ценность технического кристалла заключается в идеальной чистоте. При малейшем изъяне он может разрушиться, подвергнутый мощной атаке лазерного пучка с высокой энергией.

Линейка кристаллов, которые выращивают в лаборатории, насчитывает порядка десяти модификаций. В результате всесторонних исследований ученые определяют ту область, где каждый новый кристалл можно максимально эффективно использовать. Аспирант Алина Голошумова демонстрирует новое соединение:

— В одной из ампул находится соединение, которое при легировании редкоземельными элементами может быть использовано в качестве сцинтилляционного кристалла для регистрации ионизирующего излучения.

ПРЯМАЯ РЕЧЬ
Из недр — в экономику
Николай ПОХИЛЕНКО, академик, заместитель председателя СО РАН, директор Института геологии и минералогии имени В.С. Соболева:
— Одним из направлений деятельности нашего института является создание сырьевой базы и перерабатывающей промышленности по редким и редкоземельным металлам.

В декабре прошлого года Президент страны подписал программу развития и повышения конкурентоспособности промышленности, планируя переход нашей промышленности на пятый-шестой технологические уклады. Но для того чтобы выпускать высокотехнологичные изделия, недостаточно иметь железо, алюминий, медь и цинк. Нужен набор редкоземельных металлов.

Сверхсильные магниты, оптоэлектроника, лазерные системы, новое поколение электрических двигателей, генераторов топливных элементов — все современные высокотехнологичные изделия немыслимы без обрабатывающей редкоземельные металлы промышленности. В Советском Союзе она была представлена тремя комбинатами в городах Ош (Киргизия), Усть-Каменогорске (Казахстан) и в Эстонии.

Мы взялись за создание такой промышленности. Сейчас наши геологи изучают руды Томторского месторождения, найденного на северо-западе Якутии, им нет аналогов в планетарном масштабе. Здесь очень высокая концентрация редкоземельных металлов. В каждой тонне руды содержится этих элементов на 11 тысяч долларов. Уже есть потенциальный инвестор из Якутии, который берется вывозить добываемую руду по зимнику в речной порт, а затем и водным путем в Железногорск Красноярского края. Здесь, по замыслам, будет осуществляться первый этап переработки. Второй этап мы планируем организовать на Новосибирском заводе химконцентратов.

Есть такой металл — скандий. Наш авиазавод до сих пор клепает корпуса самолетов, а «Боинг» (Boeing) и «Эйрбас» (Airbus) давно перешли на технологию сварки. Если в тонну алюминия добавить три килограмма скандия, он становится прочным, не окисляется, его можно варить в атмосфере. Сверхчистый скандий используют в электронике. Завод химконцентратов занимался производством сверхчистого скандия. Это производство можно восстановить.

Еще одно уникальное месторождение находится на границе Якутии и Красноярского края. В этом месте 26 миллионов лет назад упал метеорит, его размеры — примерно семь километров. Двигался он со скоростью 30 километров в секунду. На месте падения образовался кратер диаметром сто километров возле речки Папигай. Впервые в 70-х годах природу этой структуры расшифровал ленинградский геолог Виктор Масайтис, много лет ее характеристики изучал сибирский геолог Сергей Вишневский, работающий в нашем институте.

На месте падения метеорита залегали кристаллические породы с высоким содержанием графита. Графит превратился в минерал, представляющий собой смесь обычного кубического алмаза и более плотной модификации углерода. Проверив его абразивные характеристики, мы обнаружили, что он тверже алмаза. Геологи его называли импактный алмаз. Но это ведь не алмаз, это смесь кристаллитов размером 20 на 40 нанометров. Правильнее было бы назвать его как-то по-другому, например долганит — в этом месте долгане живут.

Сейчас Институт геологии и минералогии имени В.С. Соболева СО РАН совместно с Институтом сверхтвердых материалов в Киеве работает над проектом добычи долганита. И инвестор потенциальный нашелся — Element Six, дочернее предприятие Synthetic Industrial Diamonds, которое делает из алмазов инструмент, обрезные круги размером до шести метров, сверла, буровой инструмент и так далее. Они всерьез заинтересовались нашим проектом. Кроме того, новый природный материал мог бы стать основой для подъема нашего Новосибирского инструментального завода.