Белорусские физики создали аналоги литиевых аккумуляторов и алмазы, которые не горят
В мире, где технологии устаревают прежде, чем успевают попасть на прилавок, фундаментальная наука часто кажется чем-то абстрактным. Однако в Минске, на улице Петруся Бровки, работает организация, которая успешно опровергает этот стереотип. Научно-практический центр НАН Беларуси по материаловедению (НПЦ по материаловедению) – это не просто академический институт, а мощная научно-производственная корпорация. Здесь выращивают изумруды, создают «защитную броню» для электронных компонентов космических аппаратов, летящих к Меркурию, и разрабатывают аккумуляторы, способные (очень на это надеюсь) перевернуть рынок электромобилей…
О том, как фундаментальная физика превращается в экспортный продукт и почему белорусский янтарный нитрид бора ценится на вес золота, – в нашем материале.
От лаборатории до корпорации: формула успеха
История центра началась в эпоху расцвета советской физики. В 1956 году выдающийся ученый Николай Сирота переехал из Москвы в Минск с амбициозной задачей – усилить научное сопровождение зарождающейся микроэлектроники. В 1963 году при поддержке отца советской физики Абрама Иоффе был создан профильный Институт физики твердого тела и полупроводников.
Сегодня, спустя 60 лет, это учреждение трансформировалось в НПЦ по материаловедению, который объединяет шесть научных учреждений и пять производственных предприятий (включая известное РПУП «Феррит»). Генеральный директор центра Валерий Федосюк характеризует современную модель организации как научно-производственную корпорацию. Цифры говорят сами за себя: доля бюджетного финансирования составляет не более 30%, остальные 70% центр зарабатывает самостоятельно. Это гранты, хозяйственные договоры, участие в госпрограммах и, конечно, масштабный экспорт высокотехнологичной продукции.
Спектр направлений НПЦ, по словам его руководства, сверхразнообразен: от физики магнитных пленок до синтеза сверхтвердых материалов. Но за сложными терминами стоят реальные разработки, без которых невозможно представить современное машиностроение, приборостроение и даже ювелирное дело.
Щит для Меркурия: белорусский след возле Солнца
Одной из главных визитных карточек центра является магнитная тематика и защита электроники от внешних воздействий. В космосе, где нет спасительной атмосферы Земли, радиация и электромагнитные поля становятся смертельными врагами для чувствительной аппаратуры.
Белорусские ученые достигли в данной области компетенций мирового уровня. Специалистами НПЦ была разработана принципиально новая технология получения многослойных электромагнитных экранов. Это покрытия на основе электролитически осажденных магнитомягких и медных слоев, которые обеспечивают электромагнитную совместимость блоков и защиту бортовой аппаратуры.
Самый яркий пример применения этой технологии – международная миссия BepiColombo к Меркурию. Японский космический аппарат Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO), запущенный в октябре 2018 года, несет на борту электронику, защищенную именно белорусскими экранами. Чтобы спутник мог передавать снимки поверхности планеты и научные данные, его «мозг» должен выдерживать колоссальные нагрузки. То, что аппаратура продолжает работать и сегодня, – лучший знак качества белорусской науки.
Эта компетенция востребована не только в дальнем космосе. Центр активно сотрудничает с российскими партнерами. В 2024 году был выполнен рекордный в истории Академии наук контракт на сумму более 25 млн долларов (с 100%-ной предоплатой), который предусматривал создание защиты изделий электронной техники (почти половина от годового экспорта всей Академии наук). Также НПЦ по материаловедению плотно работает с белорусским «Пеленгом», рассчитывая и создавая защиту для спутников на низких орбитах, где излучение особенно агрессивное.
За создание высокоэффективных систем электромагнитной защиты коллектив ученых центра, включая молодых исследователей из лаборатории физики магнитных пленок, был удостоен Премии Союзного государства в области науки и техники.
Тверже только характер: алмазы и их «конкуренты»
Второе стратегическое направление организации – сверхтвердые материалы. Это элитный клуб: в мире нет и десятка стран, где обеспечивается полный цикл производства синтетических алмазов и их аналогов. Беларусь – вверху этого топа.
В центре не просто сохранили советскую алмазную технологию, но и значительно ее усовершенствовали. Здесь синтезируют материалы при давлении более 50 тысяч атмосфер и температуре около 2000 градусов. Если в природе алмаз растет миллионы лет, то в лабораториях НПЦ синтетические алмазные порошки получают за секунды, а крупные кристаллы ювелирного качества в полтора карата – за четверо суток.
Однако настоящей гордостью ученых является кубический нитрид бора (КНБ). По своей кристаллической решетке он аналогичен алмазу (только вместо углерода – бор и азот), но обладает рядом преимуществ. Алмаз при всей своей твердости имеет ахиллесову пяту: в воздушной атмосфере горит при температуре 600-700°C и химически взаимодействует с железом. Соответственно, алмазным инструментом нельзя обрабатывать сталь и чугун, так как он быстро превращается в мягкий карбид железа. Кубический нитрид бора лишен этих недостатков: он более термостабилен и инертен.
НПЦ по материаловедению – одно из немногих мест на планете, где умеют синтезировать янтарную разновидность кубического нитрида бора. Если производителей черного КНБ в мире достаточно, то получить янтарный, который превосходит алмаз по прочностным характеристикам на 20-25%, – задача высшей категории сложности. Белорусским ученым она оказалась по плечу.
Индустрия и красота: от резцов до изумрудов
Научные достижения в области создания сверхтвердых материалов находят прямое применение в промышленности. На базе НПЦ работает инжинирингово-сервисный центр по сверхтвердым материалам. Задача – полное импортозамещение режущего инструмента.
Экономический эффект от внедрения белорусских разработок впечатляет. Например, для фрезерования высокопрочного чугуна традиционно использовались импортные пластины стоимостью около 5 долларов за единицу, ресурса которых хватало всего на 50 деталей. Белорусская разработка на основе КНБ стоит дороже – около 15 долларов, но обрабатывает до 500 деталей. Выгода очевидна. Основные потребители этой продукции – гиганты белорусского машиностроения и станкостроения: МТЗ, Минский моторный завод, Гомельский завод станочных узлов и др.
Но благодаря технологиям высокого давления получают не только промышленные резцы. В НПЦ по материаловедению выращивают ювелирные камни потрясающего качества: синтетические изумруды, рубины, сапфиры и александриты.
Особая гордость – технология выращивания изумрудов. Камни растут в платиновых тиглях месяцами, и полученный продукт практически неотличим от природных аналогов. Более того, белорусские физики умеют управлять цветом кристаллов. Они создают не только классические зеленые изумруды, но и уникальные красные изумруды – аналог редчайшего природного биксбита.
Ученые также освоили технологию облагораживания алмазов, позволяющую существенно изменять свойства и цвета кристаллов. С помощью облучения на ускорителях электронов (те же установки используются для обработки кремния для ОАО «Интеграл») невзрачные коричневатые или желтоватые алмазы превращаются в камни фантазийных цветов – голубые, розовые, зеленые, что многократно повышает их рыночную стоимость.
Энергетическая революция: натрий против лития
Но самым, пожалуй, амбициозным проектом последних лет стала работа над натрий-графеновыми накопителями энергии.
Весь мир сегодня зависит от литий-ионных аккумуляторов Китая. Однако литий – металл дорогой, дефицитный и исчерпаемый. Цены на него за последние годы взлетели в разы. Китайские производители доминируют на этом рынке, и догонять их в литиевой гонке – занятие бесперспективное.
Руководство НПЦ приняло стратегическое решение сыграть на опережение и создать альтернативу. Натрий – ближайший сосед лития по таблице Менделеева, но его запасы в природе в тысячи раз больше, а стоимость – гораздо ниже.
– Мы решили не повторяться и не догонять китайских ученых, а поставить цель опередить их, – отмечает гендиректор Валерий Федосюк.
Ключевым компонентом новой батареи стал графен – модификация углерода толщиной в один атом. Белорусские ученые разработали собственный метод получения графеноподобного материала – быстрый, дешевый и экологически чистый, в отличие от традиционных химических методов, используемых в Китае.
Результаты испытаний первых прототипов натрий-графеновых ячеек показали, что полученный продукт лидирует:
- по температурной стойкости. Натриевые батареи работают в диапазоне от -40 до +40 °C. Это критически важно для электротранспорта в нашем климате. Для сравнения: литиевые батареи требуют громоздких систем подогрева зимой и охлаждения летом, которые «съедают» до половины веса и полезной нагрузки аккумулятора;
- по живучести. В ходе тестов белорусская ячейка выдержала 84 полных цикла заряда-разряда в непрерывном режиме (27 суток). Падение емкости составило всего 2%, тогда как у литиевых аналогов оно могло бы достичь 10-15%. Во время испытаний проявился любопытный научный факт: на первых 20 циклах емкость батареи даже росла;
- по показателям емкости. Ученые уже добились показателей емкости анодного материала на уровне 350-370 мА•ч/г, что соответствует уровню качественных литиевых батарей.
В настоящее время работа над батареей переходит из стадии «лабораторного искусства» в стадию предсерийного производства. Создание таких ячеек требует стерильной чистоты и отсутствия влаги, поэтому сборка ведется в перчаточных боксах в среде аргона, где содержание воды и кислорода не превышает миллионной доли процента. В планах – масштабирование технологии. Потенциальной площадкой для производства компонентов рассматривается ОАО «СветлогорскХимволокно», где уже выпускают уникальные углеродные материалы, превосходящие зарубежные аналоги.
Ставится амбициозная цель оснастить отечественные электромобили и электробусы батареями нового типа, которые будут дешевле, безопаснее и долговечнее литиевых.
Вектор — на восток
Несмотря на сложную геополитическую обстановку, белорусское материаловедение остается глубоко интегрированным в мировую науку. До пандемии и санкций основными партнерами были страны Евросоюза, сегодня же вектор сместился на Восток. Активно развивается сотрудничество с Китаем, Узбекистаном, Казахстаном.
При этом отношения с КНР строятся на паритетных началах. Белорусские ученые не продают свои уникальные технологии (например, производства графена), а предлагают создание совместных предприятий.
– Мы достаточно хитрые, чтобы деньги зарабатывать для своей страны и свои разработки просто так не передавать, – шутят в институте.
Тем не менее научный экспорт процветает: недавно был выполнен контракт на 500 тысяч юаней за научно-исследовательскую работу для китайских партнеров.
Но главным стратегическим партнером остается Россия. Совместные программы Союзного государства, такие как «Космос-НТ», позволяют реализовывать проекты, которые в одиночку не потянуть ни одной стране.
Кадры решают всё
Залог успешной работы НПЦ по материаловедению – это прежде всего наличие высококлассных специалистов. В центре (головном институте) работает около 150 сотрудников. Здесь чтят преемственность поколений. Рядом с такими мэтрами, каковыми являются Александр Сайко, Сергей Грабчиков, Валерий Гременок, Владимир Урбанович, Вячеслав Ластовский и другие, трудится талантливая молодежь.
Институт – рекордсмен Академии наук по количеству лауреатов стипендии Президента и престижной премии имени Ж. И. Алферова для молодых ученых (шесть лауреатов только за последние годы).
Генеральный директор Валерий Федосюк и его заместитель Олег Игнатенко, отвечающий за инновационную работу, создали атмосферу, где научная смелость поощряется. Это позволяет физикам браться за задачи химиков (как в случае с батареями) и достигать успеха там, где пасуют узкопрофильные специалисты.
Взгляд в будущее
Научно-практический центр НАН Беларуси по материаловедению сегодня – это пример того, как фундаментальная наука может быть экономически эффективной. От микросхем в смартфонах до зондов у Меркурия, от резцов на тракторном заводе до футуристических натриевых батарей – отечественные разработки прочно вошли в ткань современной технологической цивилизации.
В планах белорусских ученых – освоение новых горизонтов: запуск CVD-технологий для выращивания алмазов электронного качества (перспектива создания алмазных микропроцессоров, работающих при экстремальных температурах), расширение производства медицинских материалов и дальнейшее покорение космоса. Белорусская наука доказала: даже у самой твердой материи нет границ для совершенствования.
ГО «Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению»
220072, г. Минск, ул. Петруся Бровки, д. 19, пом. 5
УНП 100029036