МАТЕРИАЛЫ БУДУЩЕГО

В интервью «ГА» профессор кафедры химической инженерии Университета Нотр-Дам (США) Александр МУКАСЬЯН рассказывает об эффективном методе получения материалов, имеющих широкий спектр применения.

- Г-н Мукасьян, в Армении прошел международный научный симпозиум, посвященный получению материалов с использованием самоподдерживающихся химических реакций. Расскажите, пожалуйста, об этом методе.

- Сначала несколько слов о самом симпозиуме. Начиная с 1991 года, этот симпозиум традиционно проводился каждые два года в разных странах - Казахстане, США, Китае, Испании, России, Израиле, Италии, Франции, Армении, Турции, Грузии. Правда, в связи с ковидом в течение последних пяти лет эти форумы не проводились, и я очень рад, что нынешняя, 16-ая встреча была организована в Ереване по инициативе армянских ученых из Институтов физических исследований и химической физики Национальной академии наук. Причем специальная сессия была посвящена чествованию двух армянских ученых – доктора физико-математических наук Сурена Харатяна и доктора технических наук Седы Долуханян, внесших большой вклад в развитие этого направления.

 Явление самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), которому посвящен симпозиум, было обнаружено в 1967 году группой ученых под руководством академика Александра Мержанова, в те годы заведующего отделом горения и взрыва Института химической физики Академии наук СССР, а в дальнейшем директора Института структурной макрокинетики РАН, который сейчас носит его имя.

 Суть метода в том, что при экзотермическом взаимодействии двух или более исходно твердовазных реагентов выделяется большое количества тепла. Это тепло используется системой для поддержания и быстрого распространение реакции, в результате которой получают новый твердофазный материал с заданными свойствами. Таким образом, если реакция инициирована, то для своего распространения она не нуждается во внешнем источнике энергии, сама обеспечивая высокие температуры, и в результате синтеза приводит к получению новых материалов. Это и есть самораспространяющийся высокотемпературный синтез.

- В чем преимущества этого метода?

- Одно из преимуществ – экономия времени и энергии. Например, порошок карбида тантала с температурой плавления порядка 4000 градусов, используемый для создания прочных жаростойких материалов, можно получить в печи при температуре 2000 градусов, и этот процесс занимает порядка 9 часов. А при использовании метода СВС тот же результат достигается за секунды без энергетических затрат на разогрев и работу печи. Другие преимущества связаны с возможностью получения метастабильных, неравновесных материалов, а также во многих случаях с экологической чистотой.

- То есть этот метод не только позволяет значительно сократить время получения новых материалов, но и имеет и другие экономические преимущества?

- Если рассматривать вопрос энергетических затрат, то экономия действительно большая. Но сегодня энергия не очень дорогая. Другое дело, если речь идет о получении этих материалов в космосе. Там стоимость энергии очень высокая. И в этом случае экономические преимущества метода очень серьезные. Но главное преимущество – скорость. Как я уже говорил, для получения материалов этим методом нужны секунды.

- Значит, вы занимаетесь прикладными исследованиями?

- Это направление связанно с прикладным материаловедением, но его особенность в том, что для получения материалов, обладающих заданными свойствами, необходимо глубокое понимание фундаментальных процессов, происходящих во время быстропротекающих реакций горения, то есть СВС - это сочетание фундаментальных и прикладных исследований.

- Где используются полученные материалы?

- Спектр использования материалов, получаемых этим методом, очень широкий. Они могут найти применение в самых разных областях. Например, сегодня много говорится о сверхжаростойких материалах. Они будут востребованы при производстве изделий, способных выдерживать температуру до 4000 градусов и быть химически устойчивыми. На мой взгляд, СВС - это один из немногих методов, с помощью которых можно получить такие материалы. Этому вопросу на симпозиуме было посвящено несколько докладов.

- Наверное, такие материалы найдут применение и при создании космических аппаратов?

- Разумеется. И в первую очередь, в системах многоразового использования – аппаратах, которые должны возвращаться на Землю и потом опять направляться в космос.

- Вы сказали, что эти материалы имеют очень высокую температуру плавления, что также является их преимуществом, но ведь, наверное, такие температуры возникают при редких условиях…

- Высокотемпературные керамики - это только один класс синтезируемых материалов. Приведу и другой пример их применения, это автомобильный двигатель. Сейчас двигатели в основном производятся на основе алюминиевых или магниевых сплавов, поскольку они легкие, но у них есть серьезный недостаток – температуры плавления этих сплавов низкие. Значит, двигатель не может работать при высоких температурах без системы охлаждения. Керамические материалы, которые можно получать методом СВС, при использовании в двигателях в охлаждении не нуждаются и позволяют значительно поднять рабочую температуру. Если удастся создать такой двигатель, то все автомобильное производство перейдет на керамику.

- А пока таких материалов нет?

- Такие материалы есть, но следует понимать, что с момента открытия метода до его широкого индустриального использования проходит достаточно много времени.

- Какие проблемы удастся решить в результате широкого внедрения этого метода?

- Методом СВС можно получить практически все востребованные материалы. Например, одна из секций симпозиума была посвящена получению наноматериалов, в частности, наночастиц, которые будут использоваться для лечения онкологических заболеваний. Разогретая до 43 градусов Цельсия с использованием магнитного поля наночастица подводится к опухоли и уничтожает ее. Этими исследованиями занимаются и в Армении.

- Как получают этим методом наночастицы?

- Как я уже говорил, обычно для СВС смешивают компоненты в виде твердофазных порошков, но можно их смешивать и в виде растворов. Но надо так подобрать компоненты, чтобы получился реакционный раствор. Специфика в том, что для получения наночастиц реагенты смешиваются на молекулярном уровне и из них легче получать любые наночастицы. А принцип распространения самоподдерживающей реакции - тот же. Этим методом – горением растворов - можно получать широкий спектр наноматериалов.

- Чем этот метод получения наночастиц лучше других?

- Это был один из аспектов моего доклада на симпозиуме. Я сравнивал СВС с другими методами. На основании результатов проведенных исследований могу утверждать, что этот метод ничем не хуже других, а для определенных задач значительно лучше. Например, сейчас появились очень сложные наноразмерные композиции, которые содержат как минимум шесть элементов – так называемые, высокоэнтропийные материалы. Чтобы их оптимизировать, надо менять соотношение реагентов. Процесс синтеза обычными методами может занимать часы, даже дни. Представьте, сколько времени нужно потратить, чтобы получить тот спектр материалов, которые нужно изучить и на этой основе оптимизировать композицию. А при использовании нашего метода этот процесс будет занимать минуты. Такие сложные композиции оптимального состава будут обладать уникальными свойствами, например, в плане теплопроводности и устойчивости к образованию трещин. Возможны и другие преимущества. Пока еще это уровень фундаментальной науки. Но в перспективе этим методом можно получать все, что можно получать другими методами, но намного быстрее и дешевле на индустриальном уровне. В Армении на основе метода СВС существовало производство высокотемпературных нагревателей из дисилицида молибдена. Но, к сожалению, после распада СССР это производство было закрыто.

- У вас есть профессиональные контакты с Арменией?

- В каждом возрасте человек силен в разных ипостасях. Для себя я решил, что сейчас самое полезное, что я могу делать, это передавать свой опыт молодым. У меня также сложилось впечатление, что Армения уделяет все большее и большее внимание науке. В частности, увеличилось финансирование проектов, растет приборный парк. Я сейчас помогаю вести научные исследования молодым ученым в Институте физических исследований НАН. Моя основная задача – показать молодым, что заниматься наукой стоит, и это интересно. Пока мы развиваем два направления. Одно связано с магнитными материалами, другое - с материалами для суперконденсаторов. Также я помогаю организовать центр электронной микроскопии, в котором будет работать первый в Армении высокоразрешающий просвечивающий электронный микроскоп. Я доволен отношением к делу тех замечательных ребят, с которыми работаю, вижу, что у них есть интерес и, надеюсь, эти контакты продолжатся.