До екстремальних умов готові!
Харківські вчені у лютому 2022 року опинилися в самому епіцентрі ворожого наступу. Російська армія била по місту з «Градів» та артилерії, націлювала на наукові установи крилаті ракети.
У травні один з ворожих снарядів влучив і в лабораторію відділу кристалічних матеріалів складних сполук Інституту монокристалів НАН України. Керівник відділу, Роман Явецький, образно кажучи, схопився за серце, адже в лабораторії знаходилося нове обладнання, придбане, зокрема, і за кошти Національного фонду досліджень України.
Науковці інституту отримали грантове фінансування НФДУ на виконання проєкту «Новітні та традиційні ІЧ-прозорі кераміки складної архітектури для екстремальних умов експлуатації» і перед війною встигли придбати дорогий прес для холодного ізостатичного пресування.
– Приміщення лабораторії після обстрілу нагадувало кадри з фільмів про апокаліпсис, але обладнання дивом уціліло, – згадує Роман Павлович.
Після перших шквальних обстрілів члени команди, яка виконує проєкт, виїхали з міста. Втім, влітку четверо науковців повернулися до Харкова. І хоча фінансування проєкту призупинено (кошти направлено на потреби оборони країни), вчені примудряються купувати необхідні реактиви за кошти інституту і продовжувати роботу.
Дослідження, яке виконують харківські вчені, має на меті створити новітні та традиційні ІЧ-прозорі кераміки для екстремальних умов експлуатації.
Роман Явецький пояснив, що прозорі кераміки на основі тугоплавких оксидів мають високу оптичну прозорість, теплопровідність і можуть формувати елементи складної геометрії. Саме тому вони цікаві і для фундаментальної, і для прикладної науки.
– Ці кераміки є цікавими модельними об’єктами для вивчення процесів консолідації та еволюції мікроструктури під час спікання, – зазначив він. – Однією з практичних галузей застосування є вікна технологічних апаратів, зокрема, тих, що працюють в екстремальних умовах (за високих температур і механічних навантажень).
У чому ж суть проєкту, який виконують українські науковці?
Науковець розповів, що прозорі матеріали, здатні працювати в агресивних умовах, надзвичайно потрібні для сучасної інфрачервоної оптики. Саме з таких матеріалів виготовляють, наприклад, інспекційні вікна технологічних апаратів.
Традиційні оптичні кераміки на основі тугоплавких оксидів у екстремальних умовах використовувати не можна (механічні властивості таких керамік недостатні). Саме тому харківські вчені вирішили використати композитну нанокераміку, яка складається з декількох фаз (зокрема, нанокомпозит на основі оксиду магнію та оксиду ітрію).
Завдяки малому розміру зерен цей нанокомпозит має високі механічні властивості (як відомо, механічні властивості кераміки суттєво підвищуються зі зменшенням розміру зерна), отже, здатен працювати в агресивних умовах.
– Під час синтезу таких матеріалів відбувається спікання в умовах так званого «просторового обмеження», – пояснив співрозмовник. – Тобто зерна однієї фази не будуть рости, бо поруч знаходяться зерна іншої фази. А це означає, що механічні властивості нанокомпозиту залишаються стійкими.
Створення нових нанокомпозитів вимагає розв’язання ряду науково-технологічних задач. Зокрема, потрібно розробити методи синтезу вихідних «будівельних блоків» (нанопорошків з низьким ступенем агломерації); забезпечити формування однорідних заготовок складної геометрії методами колоїдного компактування (рідка фаза дозволяє використовувати методи «самоорганізації» наночастинок). Потрібно також створити такі умови консолідації, які б забезпечили повне видалення залишкових пор та збереження розміру зерен у нанометровому діапазоні.
– Сподіваємося отримати ІЧ-прозорий нанокомпозит з високими фізико-механічними властивостями, – додав науковець. – Впевнений, що новітні матеріали, які ми розробляємо, допоможуть підвищити оборонний потенціал України. Поки що таких матеріалів в нашій державі немає.
До початку війни науковці встигли розробити методи синтезу вихідних нанопорошків на основі оксиду магнію та оксиду ітрію. А також визначили умови стабілізації водних суспензій нанопорошків для наступного колоїдного формування; визначили технологічні умови отримання виробів складної геометрії за методом шлікерного литва (для системи MgO–Y2O3 це зроблено вперше!).
У 2022 році вчені планували закінчити останній, найважливіший етап проєкту – виготовити оптичну кераміку. Для її виготовлення потрібне спеціальне обладнання, яке також планували купити в цьому році. Війна перекреслила ці плани, але вчені сподіваються, що фінансування буде відновлено і вони зможуть здійснити задумане.
Науковці мають всі підстави сподіватися на успіх, адже під час попередніх експериментів вони зуміли синтезувати у вакуумній печі прозору кераміку оксиду ітрію складної архітектури з високими оптичними властивостями.
За результатами проєкту опубліковано одну статтю, ще декілька подано до друку. Результати роботи цього року було представлено на найпрестижніших конференціях з формування керамічних матеріалів в Швейцарії (з доповіддю виступила наймолодша науковиця команди Дарія Черноморець).
– На перший погляд, це не дуже багато, – говорить Роман Явецький. – Але це пояснюється специфікою роботи – масштабування керамічної технології вимагає великого обсягу експериментальних робіт. До речі, на новий рівень досліджень нам допомогло вийти нове обладнання. Придбання такого обладнання є інвестицією в майбутнє. Сподіваюся, у найближчому майбутньому молоді науковці матимуть можливість виконувати дослідження світового рівня.
Проєкт виконує молода команда. У ній – четверо молодих науковців (з них три аспіранти), докторант та доктор наук. Над тематикою отримання прозорої кераміки дослідники працюють уже понад десять років. «За цей час сформувався колектив, здатний розв’язувати найскладніші наукові задачі. Останній рік був дуже складний, але воєнні випробування лише загартували команду. Колеги жартують, що до екстремальних умов готові і вони самі, і матеріали, які вони створюють. Пишаюся нашою командою!».
Світлана ГАЛАТА