Ферриты — фавориты: как ученые создают функциональные материалы для радиоэлектроники и энергетики

Новые функциональные материалы, разрабатываемые учеными Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе РАН, применяют в СВЧ-радиоэлектронике, водородных энергоустановках и системах мониторинга и защиты окружающей среды. О генерации многокомпонентных ферритов с заданными свойствами и создании керамических изделий на их основе Наука.РФ рассказал кандидат химических наук Вадим Попков.

Как усовершенствованный метод растворного горения позволяет снизить себестоимость функциональных материалов? Почему формирование новой научно-технологической школы в области СВЧ-ферритов может стать основой для технологического лидерства отрасли? На эти и другие вопросы ответил заведующий лабораторией материалов и процессов водородной энергетики, лауреат премии Президента РФ в области науки и инноваций для молодых ученых.

 — Вадим, как Вы выбрали научную специальность?

 — С выбором профессии я определился еще в восьмом классе школы города Балаково Саратовской области. Когда у нас появился предмет «химия», это стало стопроцентным попаданием. Я до сих пор с благодарностью вспоминаю своего первого учителя химии — Ларису Александровну Алексееву. Она не только дала нам базовые знания, но и заразила интересом к тому, как из абстрактных формул рождаются реальные вещества и материалы. Поэтому в школе я активно участвовал в олимпиадном движении. Затем окончил Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) по направлению, связанному с химической технологией материалов современной энергетики. В аспирантуре выбрал специальность на стыке физической химии и химии твердого тела, то есть фактически в области наук о материалах. После защиты я пришел работать в ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН — именно здесь сформировался мой научный коллектив и профиль.

 — Как стала развиваться Ваша карьерная траектория в институте?

 — От классической химической технологии я постепенно перешел к комплексным задачам создания функциональных материалов: от синтеза исходных порошков и керамики до их интеграции в реальные устройства. Эту работу я продолжаю уже как руководитель лаборатории материалов и процессов водородной энергетики, совмещая фундаментальные исследования с прикладными проектами, ориентированными на конкретные технологические задачи.

 — Что находится в фокусе исследований Вашей лаборатории?

 — Мы сосредоточились на наиболее «химической» стадии водородного цикла — получении водорода из различных источников. В зависимости от способа подвода энергии такие процессы делятся на фотокаталитические, электрохимические и термокаталитические. Последние как раз чаще всего и подразумевают, когда говорят о гетерогенном катализе: катализатор и реагенты находятся в разных агрегатных состояниях. Разрабатываем фотокатализаторы для расщепления воды и восстановления органических соединений, материалы для анодов и катодов электрохимических устройств, а также термокатализаторы для процессов парового риформинга и конверсии углеводородов. Для нас принципиально важно не только получить активный материал, но и понять, как кристаллическая структура, дефекты, морфология и способ синтеза влияют на реальную каталитическую активность и долговечность.

 — Какие наиболее эффективные технологии Вы применяете в процессе исследований?

 — В ряде наших работ, например, было показано, как изменение состава и метода синтеза никель- и железосодержащих оксидных систем или модификация графитоподобного нитрида углерода позволяет управлять механизмами переноса заряда и повышать выход водорода в фотокаталитических и электрохимических процессах. Аналогичные подходы мы используем и при разработке катализаторов для парового риформинга, где ключевыми становятся вопросы устойчивости к коксообразованию и серосодержащим примесям. Подход «синтез — структура — свойства — применение» позволяет не просто накапливать данные, а формировать целостное понимание того, какие материалы действительно способны лечь в основу будущих водородных технологий и смежных экологических решений.

 — Приведите, пожалуйста, примеры новых функциональных материалов, которые Вы разрабатываете.

 — Хотя меня интересует широкий круг функциональных материалов, в центре внимания — неорганические материалы и композиты на их основе. Это ферриты различных классов, простые и сложные оксидные системы, керамические материалы с заданными магнитными, электрическими и каталитическими свойствами и многое другое. В нашей лаборатории мы активно разрабатываем материалы для всех ключевых стадий водородного цикла: получения водорода, его очистки и хранения, а также преобразования в электроэнергию. Речь идет о катализаторах для парового риформинга и электрохимических процессов, сорбционных и мембранных материалах, керамиках для твердооксидных топливных элементов и решений, связанных с вопросами водородной безопасности.

 — А где применяют эти материалы?

 — Многие из них изначально проектируются с прицелом на конкретные области: от СВЧ-радиоэлектроники и водородных энергоустановок до систем мониторинга и защиты окружающей среды. Такой прикладной фокус позволяет учитывать требования реальных устройств — например, температурные режимы работы, химическую стойкость, масштабируемость синтеза и возможность внедрения в реальные производственные цепочки.

 — Как проходит процесс конструирования новых материалов?

 — Сначала мы четко формулируем задачу. Где и в каких условиях материал должен работать (в составе катализатора, сенсора, топливного элемента), при какой температуре и в какой среде, какие функции должен выполнять и в течение какого времени? Дальше подбираем химический состав и структуру, которые теоретически могут дать нужные свойства. И после этого ищем способ синтеза, позволяющий не просто получить вещество, а контролировать состав, структуру и форму материала — порошков, керамики, тонких пленок. То есть то, что в итоге определяет поведение материала. Затем — анализ результатов и испытания материала в целевом процессе.

 — Что включает этот завершающий этап работы?

 — Мы оцениваем, что получилось, как материал работает в фотокаталитических, электрохимических или термокаталитических процессах. И почти всегда после этого возвращаемся к началу: что-то меняем в составе или методе синтеза. Так, шаг за шагом, и происходит «настройка» материала под конкретную задачу. По сути, это итерационный подход — последовательные небольшие шаги к нужному результату.

 — Вы вместе с Вашим коллегой Кириллом Мартинсоном получили премию Президента РФ в области науки и инноваций для молодых ученых. Что это изменило для Вас?

 — Конечно, получение премии привлекло больше внимания к моей научной работе и работам моих коллег, расширился круг профессиональных контактов, стало проще выстраивать диалог с промышленными партнерами. Но для меня важнее, что изменился масштаб восприятия собственной деятельности. Появилось ощущение, что я отвечаю уже не за отдельный проект или статью, а за формирование целого направления: за людей, за научную школу и за ту часть научного и технологического ландшафта, в которой работаю.

 — Расскажите, пожалуйста, за какое исследование Вас отметили?

 — Это был проект разработки и внедрения технологии получения многокомпонентных ферритов. Первые работы по многокомпонентным ферритам я начал еще в аспирантуре, а затем к этой тематике подключился и мой бывший аспирант, а сегодня самостоятельный ученый, кандидат химических наук Кирилл Мартинсон. В дальнейшем он стал моим солауреатом по данной разработке. Мы прошли весь этот путь вместе: от фундаментальных экспериментов до внедрения технологии в промышленность.

 — С чего начинались Ваши исследования по этому проекту?

 — На раннем этапе это было изучение процессов растворного горения, механизмов формирования предзародышевых кластеров и способов управления микроструктурой многокомпонентных ферритов. Однако довольно быстро стало понятно, что предложенный подход дает не только научную новизну, но и реальное технологическое преимущество. Ключевым моментом стало подключение к проекту промышленных партнеров. Малотоннажная линия по выпуску предкерамических порошков была внедрена на базе ООО «Нева-Феррит». Далее технология была адаптирована для получения СВЧ-керамических изделий на базе «Северо-Западного регионального центра Концерна ВКО „Алмаз-Антей“ — Обуховский завод».

 — Где тестировалась Ваша разработка?

 — Полученные керамические элементы прошли апробацию на АО «Завод радиотехнического оборудования» в составе фазированных антенных решеток современных радиолокационных систем, где подтвердили свою функциональную пригодность. По этому проекту мы с Кириллом Мартинсоном получили ряд патентов на изобретения, также были оформлены два акта внедрения. То есть наша разработка стала частью реального производственного процесса. В результате была создана технология, сокращающая число стадий и время приготовления предкерамических ферритных порошков, а также расширяющая линейку отечественных СВЧ-материалов за счет замены зарубежных аналогов и внедрения новых, ранее недоступных для промышленности керамических систем.

 — Как новая технология позволила оптимизировать производственные процессы?

 — Ключевое преимущество разработанного нами метода растворного горения с термической постобработкой — в принципиально ином уровне управляемости структуры и свойств ферритов уже на стадии получения предкерамического порошка. В отличие от классической твердофазной технологии, где основные параметры формируются на этапе высокотемпературной ферритизации и спекания, метод растворного горения позволяет задавать фазовый состав, размерные характеристики и степень химической однородности системы на ранних стадиях синтеза. Наш способ в несколько раз сокращает технологическую цепочку. Приготовление одной партии предкерамического порошка занимает уже не несколько дней, а сутки. Этот метод снижает себестоимость и повышает воспроизводимость свойств высокотехнологичных марок ферритов, выпускаемых малыми и средними сериями

 — Какое значение имеет это открытие для СВЧ-применений?

 — Здесь следует отдельно отметить возможность получения наноструктурированных и мелкозернистых порошков без применения энергоемких механохимических операций. Это обеспечивает формирование керамики с высокой однородностью зеренной структуры и стабильными магнитными и электромагнитными параметрами. Вообще значительная часть высокотехнологичных марок ферритов для СВЧ-радиоэлектроники не производилась в России и закупалась за рубежом. Поэтому в условиях ограничения доступа к зарубежным СВЧ-материалам наша технология позволила в сжатые сроки восстановить выпуск нескольких критически важных ферритных составов. Они необходимы для СВЧ-подложек, фазовращателей, элементов фазированных антенных решеток, модулей радиолокационных станций, аппаратуры радиосвязи и навигации.

 — Возможно ли достичь технологического лидерства в этом направлении?

 — В ходе поисковых и прикладных работ были обнаружены новые многокомпонентные составы, которые по своим электромагнитным и иным функциональным характеристикам превосходят ранее применявшиеся промышленные аналоги. По ряду направлений мы уже сегодня видим потенциал для создания материалов, конкурентоспособных не только на российском, но и на мировом рынке. Фактически речь идет о формировании собственной научно-технологической школы в области СВЧ-материалов. Это позволит закрыть текущие потребности промышленности и создаст основу для развития отечественной радиоэлектроники в ближайшие годы.

 — Как Вы оцениваете роль водородной энергетики в будущем?

 — Доля водородной энергетики в мире будет неизбежно расти, водород объективно выигрывает по дальности хода, времени заправки и энергетической плотности. Это могут быть магистральные грузоперевозки, автобусы, частично железнодорожный и водный транспорт. Например, совместно с промышленным партнером ООО «Инзарус» мы ведем работы по созданию водородных заправочных станций нового типа — как мобильных (МВЗС), так и стационарных (СВЗС). Они работают по onsite-модели, когда водород производится непосредственно на месте потребления из природного газа. Ключевой элемент таких решений — паровой риформинг, и здесь мы работаем с еще одним индустриальным партнером. Совместно с ООО «ПЭТ» разрабатываем и получаем эффективные и долговечные катализаторы, адаптированные под реальные режимы эксплуатации заправочных станций. Это катализаторы, ориентированные на интеграцию в опытно-промышленные реакторные блоки МВЗС и СВЗС. 

 — Вадим, при таком объеме работы у Вас остается свободное время?

 — Да, но и в свободное время я предпочитаю заниматься наукой, правда, уже не «по плану» и не ради отчетов. Я читаю свежие статьи коллег и конкурентов, слежу за новостями в своей области, продумываю новые направления и проекты, пишу тексты, которые хочется написать не потому, что нужно, а потому что интересно. Как ни странно, именно такая деятельность хорошо восстанавливает силы, несмотря на то что формально — это все та же наука. А еще меня по-настоящему заряжают мои дети. Общение и время, проведенное с ними — самый надежный способ переключиться. Особенно, если удается вырваться за пределы города, поближе к природе. В такие моменты очень быстро возвращается ощущение внутреннего баланса и понимание того, ради чего все это в конечном итоге делаешь. 

 — Исходя из личного опыта успешного построения карьеры, какой совет Вы могли бы дать молодым ученым?

 — Наверное, главный совет — не ждать, что кто-то выстроит для вас идеальные условия. В науке почти никогда не бывает «правильного момента»: всегда не хватает времени, оборудования, денег или поддержки. Если вы чувствуете, что тема действительно ваша, берите ответственность за ее развитие на себя: ищите возможности, партнеров, пробуйте, ошибайтесь и снова пробуйте. Даже если вы занимаетесь фундаментальными вещами, полезно задавать себе вопрос: где и зачем это может быть нужно через пять или десять лет. Этот навык очень помогает потом находить путь от лаборатории к реальным технологиям. И еще важно сохранять внутренний интерес. Без искренней вовлеченности и удовольствия от самого процесса никакие гранты и показатели не сделают вас по-настоящему устойчивым в профессии. Остальное приходит со временем.

Беседовала Светлана Минеева