Александр Шергин, ассистент кафедры химии твёрдого тела и нанопроцессов химического факультета ЧелГУ, вошёл в состав авторского коллектива, оформившего патент на инновационный способ получения алюмоиттриевого граната. Это вещество является ключевой основой для современных оптических материалов и сенсоров. В интервью учёный рассказал о том, как запатентованный метод удешевит производство светодиодов, поднимет точность МРТ-аппаратов и поможет создать стойкую к морозам и жаре наружную рекламу. Ключ к этому — новая технология получения знакомого каждому материала.
Александр, для начала простыми словами: что такое алюмоиттриевый гранат и где мы с ним сталкиваемся в жизни?
Вы сталкиваетесь с ним каждый день, даже не подозревая об этом. Самый простой пример — белые светодиоды. Жёлтый чип на вспышке фотокамеры вашего смартфона или внутри светодиодной лампочки — это и есть алюмоиттриевый гранат, модифицированный ионами редкоземельных металлов. Он преобразует синий свет светодиода в белый. Без него не было бы ни энергоэффективного освещения, ни компактных камер. Но его применение гораздо шире: от инфракрасных лазеров для лазерной депиляции и косметологии до мощных промышленных лазеров для резки и сварки металлов. Это также основа для высокочувствительных сенсоров и люминесцентных материалов. Можно сказать, что это стратегический материал для целых отраслей: оптической промышленности, электроники, приборостроения.
В чём же принципиальная новизна и преимущество именно вашего метода получения этого вещества?
Суть нашего изобретения — в комплексном решении нескольких технологических задач. Мы не просто усовершенствовали один этап, а пересмотрели весь процесс. Главный результат — мы сократили общее время синтеза более чем вдвое, на 53%, по сравнению с ближайшим аналогом. Это напрямую ведёт к повышению производительности и снижению себестоимости.
Достигается это за счёт двух ключевых инноваций. Во-первых, мы используем особый осадитель — модифицированный сульфированный полистирол. Это не только экономически выгодно, но и решает вопрос утилизации отходов, добавляя экологический аспект нашей разработке. Во-вторых, мы оптимизировали температурный режим, значительно снизив температуру и время финального прокаливания.
А что даёт снижение температуры прокаливания?
Это прямая экономия энергии, что в промышленных масштабах означает огромные средства. Мы проводим прокаливание при 950–1050 °Cвсего 2,5–3 часа, тогда как традиционные методы часто требуют более высоких температур и более длительных затрат времени и энергии. Кроме того, щадящий режим позволяет получать материал с более предсказуемыми, воспроизводимыми и улучшенными свойствами, что критически важно для массового производства.
В чём главная сложность его производства сегодня?
Традиционный коммерческий способ — это твёрдофазное спекание. Берут порошки оксидов алюминия и иттрия, смешивают и спекают при температуре около 1500 °C почти сутки. Это дорого из-за огромных энергозатрат. И на выходе получаются крупные частицы, которые потом нужно долго и трудно измельчать. А современная электроника и оптика движутся в сторону наноразмеров. Представьте, что вам нужно построить микроскопический дом не из кирпичей, а из целых бетонных блоков — неудобно и неэффективно.
И вы предложили строить «дом» из «кирпичиков»?
Именно. Мы пошли от обратного: не «сверху вниз» (дробить крупное), а «снизу вверх» — собирать материал из атомов. Мы используем метод «мокрой химии». Берём водорастворимые соли иттрия и алюминия и «пропитываем» ими специальную органическую матрицу — представьте себе очень умную губку, которая впитывает не воду, а конкретные ионы. Затем эту «губку» с ионами мы сжигаем. Органика уходит, а ионы, которые уже идеально перемешаны на атомарном уровне, формируют кристаллическую решётку нужного нам граната.
И что это даёт?
Во-первых, колоссальная экономия. Температура синтеза падает с 1500 °C до 850-1050 °C, а время сокращается в разы. Это прямой путь к удешевлению конечного продукта. Во-вторых, и это ключевое — мы сразу получаем наночастицы контролируемого размера.
Мы можем «настраивать» процесс, чтобы частицы были именно такими, какие нужны для конкретной задачи: нанопорошок для люминофоров или микронного размера для прозрачной керамики.
Где пригодятся такие «настроенные» частицы?
Областей множество. Во-первых, это и светодиоды нового поколения. Сейчас в белых светодиодах люминофор (тот самый жёлтый гранат) залит силиконом. Светодиод греется, силикон стареет и желтеет — устройство «убивает» само себя. Мировой тренд — создание люминесцентных стёкол, куда внедрены наши наночастицы. Стекло прозрачнее и термостабильнее, что резко продлевает срок службы и яркость освещения.
Во-вторых, это медицинская диагностика. Прозрачная керамика на основе нашего граната — это материал для сверхточных детекторов в МРТ и для детекции рентгеновского излучения. Контроль размера частиц критически важен для однородности и чёткости таких детекторов.
В-третьих, это устойчивые дисплеи. Представьте электронные билборды, которые не боятся ни ливня, ни мороза в -30 °C, ни жары. Наверное, вы замечали, как дисплеи в машинах «плывут» и зависают в морозы. А неорганические люминофоры на основе нашего граната термостабильны и химически инертны. Используя наночастицы, можно уменьшать пиксели, повышая разрешение таких экранов. А также это повседневные вещи: эвакуационные схемы, которые есть в нашем вузе, тоже содержат светонакопительные краски, светящиеся в темноте. Ещё это оптические термометры, бесконтактно измеряющие температуру. Это уже не просто лабораторный эксперимент, а запатентованная технология.
Как родилась ваша научная группа?
Это логичное продолжение моего научного направления. Я начинал с дипломной работы по этой теме на нашей же кафедре, затем продолжил в аспирантуре, и теперь пишу кандидатскую диссертацию. Инициатива создания группы исходила от меня. Вместе с моим научным руководителем, заведующей кафедрой Еленой Белой, мы сформулировали задачи. Большой вклад в экспериментальную часть внесла студентка третьего курса химического факультета ЧелГУ Полина Шидловская. Также в состав авторского коллектива вошёл заведующий центром патентов и изобретений ЮУрГГПУ Вячеслав Мусатов, чья экспертиза в области защиты интеллектуальной собственности была неоценима. Я считаю, что успех нашего исследования был в команде, знания и личные качества каждого дополняли друг друга.
Что это изобретение значит лично для вас и для ЧелГУ?
Для меня как для исследователя это подтверждение того, что наша работа имеет не только теоретическую, но и огромную практическую ценность. Для университета — это весомое достижение, которое укрепляет его репутацию как научного центра, где рождаются технологии, способные изменить целые отрасли. Это сигнал для студентов: в стенах вуза можно заниматься настоящей наукой с большим будущим.
То есть ваша цель — не просто научная публикация, а реальное внедрение?
Безусловно. Конечная цель нашего проекта — коммерциализация и внедрение в производство. Полученный патент — это не просто бумага, а официальное подтверждение новизны, изобретательского уровня и, что самое главное, промышленной применимости нашей технологии. Мы предлагаем рынку готовое, более эффективное решение.
Что дальше? Внедрение?
Да, патент — это билет в реальный сектор. Сейчас классический метод проще, но дороже. Наш следующий шаг — показать его эффективность и надёжность в пилотных условиях, приближенных к производственным. Мы доказали, что можем контролировать процесс на атомарном уровне. Теперь нужно, чтобы эту возможность увидела и использовала промышленность для создания устройств будущего — более долговечных, точных и доступных.
Вера Пластинина, фото из личного архива героя