День науки: доцент НИУ «МИЭТ» Егор Лебедев рассказал, что такое нанотермиты

В День российской науки особенно приятно говорить про зеленоградских ученых.

Пресс-служба НИУ «МИЭТ» поделилась научными достижениями доцента Института ПМТ, кандидата технических наук Егора Лебедева. В интервью Егор Александрович рассказал про свой профессиональный путь, успехи в изучении термитных материалов и многое другое.

– Егор Александрович, расскажите о своей научной деятельности.

– Я занимаюсь вопросами, так или иначе связанными с энергетикой. Начал погружаться в науку почти 10 лет назад, в 2012 году, когда поступил в аспирантуру. Как обычно это происходит, я подхватил те тематики, которые тогда развивались на кафедре. Вместе с Дми­трием Геннадьевичем Громовым, моим научным руководителем, занялся суперконденсаторами – высо­коёмкими и высокомощными источниками питания. У нас был проект по федеральной целевой программе, в рамках которого мы разрабатывали технологию соз­дания планарных суперконденсаторов, которые можно интегрировать в микросхемы. С них моя научная дея­тельность началась и до сих пор продолжает развиваться. ­­

Тогда же я заинтересовался новыми энергетиче­скими материалами, в частности, термитными. Они состоят из двух или более компонентов, способных химически реагировать друг с другом с выделением тепла, которого хватает для того, чтобы эта реакция распространилась во всём объёме материала. Обычно в состав термитных материалов входят алюминий и оксиды различных металлов, например железа или меди. Компоненты термитных смесей могут быть изго­товлены в виде порошков или многослойных пленок.

Виды термитных материалов. Слева – порошок, справа – многослойная плёнка

– Какие преимущества есть у многослойных термитных материалов?

– Эти материалы можно формировать с помощью традиционных процессов и технологий микроэлек­троники, например методом магнетронного распыле­ния. При этом у нас будет возможность с точностью до единиц нанометров контролировать толщины отдельных слоёв. Варьируя соотношение толщин слоёв, мы можем влиять на реакционную способ­ность всей структуры: чем тоньше слой, тем быстрее будет протекать реакция и тем быстрее тепло будет выделяться. И наоборот.

Распределение тепла при использовании радиаторов

– Чем отличаются термиты от нанотермитов?

– Слово «нано» используется для обозначения существенных изменений свойств материалов при уменьшении их характерного размера. Чаще всего та­кие изменения происходят при достижении границы в 100 нанометров. Поэтому в случае с порошковыми термитными материалами нанотехнологией считаются смеси, в которых размер частиц меньше 100 нанометров. Соответственно, настолько мелкодисперсный порошок и является нанотермитом. И по аналогии в многослойных структурах толщины слоёв должны быть меньше 100 на­нометров – тогда они превращаются в нанотермиты.

– Где применяются нанотермитные мате­риалы?

– Термитные материалы были открыты и активно исследовались Гансом Гольдшмидтом в конце XIX века. Он получил первые патенты, применяя термит для соединения железнодорожных и трамвайных рельс. Что удивительно, технология фактически не изменилась даже спустя сотню лет. Мы в Институте ПМТ, разумеется, рельсами не за­нимаемся, но принцип примерно тот же. Локальные источники тепла на основе термитных материалов могут быть использованы для соединения различных поверх­ностей. В микроэлектронике, например, термитные материалы могут использоваться для корпусирования, когда кристалл микросхемы нужно накрыть специ­альной крышкой для защиты от влаги, окисления и прочего. Эту крышку нужно как-то прикрепить. Сейчас существует множество способов, среди которых – пайка или лазерная сварка. Существенным недостатком тра­диционных методов корпусирования является сильный нагрев кристалла. Микросхема – термочувствительный компонент, поэтому слишком высокая температура может повлиять на характеристики и свойства изделия. А если мы осуществляем разогрев в ограниченном объёме и применяем его импульсно, когда реакция протекает быстро, то у нас и тепловая нагрузка на ми­кросхему гораздо меньше. Нанотермитные материалы как раз и могут быть использованы для генерации импульса тепла, который расплавит припой и за доли секунды соединит различные поверхности.

Сварка рельсов при помощи термита

– Планируется ли промышленное производ­ство нанотермита?

– Это достаточно большая проблема: переход от исследования к производству. Казалось бы, всего один шаг, но его нужно сделать через пропасть. Тем не менее, мы стараемся и прикладываем все усилия, чтобы этот шаг сделать. Особенностью Института ПМТ является то, что все проводимые разработки имеют потенциальное практическое применение. На мой взгляд, у нанотер­митов достаточно очевидная возможность применения в микроэлектронике, которая уже была продемонстри­рована. И переход к промышленному производству упирается в необходимость покупки специального оборудования, которое за деньги научных проектов приобрести никак не получится. Здесь уже нужна по­мощь университета или предприятий, заинтересованых в разработке.

Наночастицы, остающиеся на поверхности после термитной реакции

– Вы работаете самостоятельно или в группе?

– Самостоятельно сложно заниматься наукой. Воз­можно, только сугубо теоретические исследования могут проводиться единолично, да и то маловероятно. У нас же задачи достаточно комплексные, поэтому без напарников – дополнительных рабочих рук и зна­ний – не обойтись. Обычно проект выполняет команда, по численности не превышающая 10 человек. В последние годы у меня начали появляться проекты, где я занимаю должность руководителя и могу самосто­ятельно набирать группу исполнителей и управлять ей. За последние пять лет я получил два гранта Президента РФ и один от Российского научного фонда, и с их вы­полнением мне помогают студенты или аспиранты.

– Вы привлекали студентов бакалавриата или магистратуры?

– Магистратуры. У них и времени больше, и знаний, и ответственности. У ребят появляется двойная мотива­ция – дополнительный доход и возможность написания классной магистерской диссертации на актуальную тему.

В конце прошлого года объявили результаты кон­курса РНФ (Российского научного фонда. - Прим. ред.) и я получил грант, по условиям которого в мою группу, помимо меня, могут входить ещё три человека. Мне уже помогают студент первого курса магистратуры и аспирант. Что хорошо, в рамках этих проектов разре­шено менять состав коллектива. Например, если сту­дент защитил диплом и закончил свою деятельность в Институте, то появляется возможность на его место взять нового человека и приобщить к исследовательской деятельности.

– Как определяется перспективность мате­риалов и технологий?

– Всем научным сообществом. Тут можно выде­лить два состояния: модные и перспективные. Вот модным ли было два года назад создавать вакцину от коронавируса? Очень. А четыре года назад? Никто даже не думал о ней. А сейчас? Да как-то уже вроде и не слишком востребованно. Это модное направ­ление: что-то резко стало нужным, поэтому многие начали пытаться урвать сливки известности и фи­нансирования – это быстро и рискованно, потому что такой хайп быстро спадает. Перспективность же обычно проявляется в течение длительного време­ни: технология или решение несколько лет должны оставаться востребованными, получать конкретное применение в бизнесе и обретать потенциал в дол­госрочной перспективе.

Оценить перспективность достаточно просто, если обратиться к цифрам. Можно зайти, например, на Scopus и построить график числа публикаций относительно времени по заданному ключевому слову. Если количество работ растёт уже длительный период, на протяжении нескольких лет, то, скорее всего, это показатель перспективности. Естественно, речь идёт про направления с большим количеством публикаций: не меньше 100 в год. Если статей всего 10, то оценить перспективность таким способом не получится.

Также можно довериться свежим обзорным статьям, опубликованным в высокорейтинговых журналах. Обычно их пишут уважаемые учёные с мировым именем, и в таких публикациях они дают свой прогноз о направлении дальнейшего развития той или иной об ласти науки и знаний.

– Как молодым учёным повысить шансы на получение гранта?

– Чтобы получить грант, необходимо подать заявку. Эта заявка проверяется экспертами на соответствие требованиям конкурса. Каждое из требований доста­точно точно формулируется, поэтому оценка вполне объективная. Что касается технических проектов, то требования по большей части одинаковые – необходимо обозначить актуальность исследования, его новизну и практическую значимость и имеющийся задел. Чтобы получить грант, нужно по каждому из пунктов написать что-то разумное, убедительное и реализуемое. Нельзя утверждать, что вы сделаете вечный двигатель за две недели и 100 рублей.

Не все заявки получают поддержку. Но после неудачной попытки можно прочитать рецензию (эксперты обычно достаточно подробно описывают причины снижения баллов), определить слабые места заявки и усилить их. Это совершенно нормаль­ная практика, когда, по сути, один и тот же проект с незначительными изменениями подаётся для уча­стия в конкурсе несколько раз. А часто бывает так, что до получения финансирования исследования проводятся за собственные средства и постепенно накапливаются экспериментальные результаты, которые существенно усиливают имеющийся у науч­ной группы задел. Этот задел отображается в заявке, и она начинает выглядеть солиднее, что повышает шансы на успех.

Стоит отметить, что сейчас самые перспектив­ные и интересные направления находятся на стыке нескольких наук. То есть междисциплинарность очень востребована. Например, я занимаюсь тер­митными материалами, и, казалось бы, причём тут микроэлектроника? Попробуйте посмотреть на свою область научных интересов с необычного ракурса, вдруг у вас получится придумать нестандартное решение обычной проблемы?