В Уральском федеральном университете ведут исследования, в результате которых появятся новые материалы для зеленой энергетики, лечения рака и квантовых технологий. Ученые рассказали, как используют привычные кварц и кремний, чтобы создать технологии завтрашнего дня.
Солнце для получения электроэнергии используют с середины прошлого века. С тех пор эффективность устройств, что преобразуют энергию солнечного света в электричество, особо не выросла. «Сегодня КПД солнечных батарей редко превышает 20%, средний показатель — 15%. Наши исследования увеличат эту цифру на треть», — уверен Анатолий Зацепин, руководитель научно-исследовательской лаборатории «Физика функциональных материалов углеродной микро- и оптоэлектроники». Вместе с коллегами Анатолий Зацепин изучает оптические свойства наноструктур, чтобы создать материалы, свойствами которых можно управлять.
«Работаем на наноуровне»
— Наши исследования относятся к квантовой оптике, точнее — нанофотонике. Это сравнительно новая область науки, которая возникла на стыке традиционной оптики, физики твердого тела и лазерной физики. Приставка «нано-» говорит сама за себя: исследуемые объекты очень малы. Чтобы понять, над чем работаем, приведу такой пример. Вы открываете кран, бежит вода — льется потоком. Но этот поток состоит из отельных частиц — молекул воды. Можно изучать поток: измерять его скорость, напор, температуру, — либо исследовать частицы потока. То же со светом: как ведет себя поток света в тех или иных условиях, изучает традиционная оптика. Мы же исследуем поведение квантов света — фотонов, и явления, которые происходят, когда фотоны взаимодействуют с веществами в наноструктурах.
Свет — электромагнитное излучение. Человеческому глазу доступна малая его часть — видимый спектр. Инфракрасное или ультрафиолетовое излучение — это тоже свет, только другой частоты. Когда на вещество воздействуют световые волны разных частот, его атомная структура и электронная структура могут меняться. Вы же знаете, что каждое вещество состоит из атомов, вокруг ядер вращаются электроны — это школьный курс физики. При облучении материала квантами определенной частоты электроны переходят в возбужденное состояние, начинают поглощать одни виды энергии, выделять — другие. Это называется конверсией энергии — один вид переходит в другой.
Если мы поймем законы, по которым происходит конверсия, научимся управлять процессом.
Так было с электроникой: вначале ученые выяснили, что есть элементарные частицы — электроны; потом узнали, как эти частицы себя ведут в различных эгнергетических состояниях, как изменяются под воздействием тех или иных физических полей. Чем больше узнавали, тем миниатюрнее и быстрее становились приборы, работающие на электронном принципе. Сначала это были ламповые приемники, сегодня — микропроцессоры. Фотоника — по сути та же электроника, только частицы другие, более быстрые.
«Ищем новые материалы»
Применить новые знания можно в самых разных областях — от обработки и хранения информации до альтернативной энергетики. Скажем, одна из задач, над которой работают ученые всех стран мира, — повысить скорость компьютеров. Электронному мозгу предлагается обрабатывать все больше и больше информации, а времени на это дается все меньше. Сегодняшняя электроника использует преимущественно кремний, но потенциал этого полупроводникового материала в плане быстродействия и миниатюризации практически исчерпан. Это как самолет: летит быстро, но ракетой не станет.
Кремний используют и в солнечных батареях. Но максимальный КПД такого источника энергии 15–22%. Это объясняется свойствами материала: кремний не напрямую преобразует свет в электроэнергию, а с привлечением дополнительных частиц. Грубо говоря, процесс пойдет только тогда, когда столкнутся три частицы — электрон, фотон и фонон. Даже двум людям подчас трудно встретиться, а тут три квантовые частицы, поведение которых и так носит вероятностный характер! К тому же фонон — квант тепловой энергии атомов, тепло. Значит, часть солнечной энергии не преобразуется в электричество, а просто уходит в тепловые потери.
«Создаем дефекты в кристаллах»
Изменять характеристики твердых тел ученые пробовали и раньше. Для придания необходимых свойств в кристаллическую решетку внедряют атомы других веществ — это называется легирование. В результате в кристаллах возникают точечные дефекты и новые наноструктуры. Как раз эти дефекты и придают материалу необходимые свойства.
Моя ученица Юлия Кузнецова успешно экспериментирует с легированными фотонными наночастицами оксида гадолиния — редкоземельного металла с особыми оптическими, электронными и магнитными свойствами. Этот материал сегодня используют во многих отраслях — от атомной энергетики и металлургии до медицины. В наших исследованиях оксид гадолиния также пригодился: в наночастицах этого материала создаются такие дефекты кристаллической решетки, за счет которых УФ-излучение преобразуется в свет видимого диапазона. Тепловые потери при этом снижаются. Эти свойства мы использовали для создания более энергоемких солнечных батарей.
«В медицине наши исследования тоже пригодятся»
Мы сконструировали на базе традиционной ячейки солнечной батареи прототип батареи нового типа — с дополнительными элементами, которые конвертируют один вид энергии в другой. Опробовали в различных режимах — результат вдохновляет: КПД вырос почти до 30%. Так что скоростные авто на солнечных батареях — дело ближайшего будущего.
Наши исследования могут помочь и в лечении онкологии. Какая тут связь? Вопрос сводится к пониманию законов конверсии энергии и способности управлять этим процессом. Можно запустить наночастицу с заданными свойствами через кровь или другую биологическую жидкость в организм и воздействовать на нее инфракрасным излучением. Это длинные волны, которые проникают в мягкие ткани и не причиняют вреда. Поглощенное наночастицей первичное инфракрасное излучение преобразуется, к примеру, в ультрафиолетовое — и уничтожает больные клетки. Это уже технология сегодняшнего дня.