КРИСТАЛЛЫ ДЛЯ БУДУЩЕГО

С выращиванием искусственных кристаллов наука связывает развитие самых разных областей деятельности. Перспективность этих исследований давно подтверждена практикой. Область применения искусственных кристаллов очень широкая. Они стали практически незаменимыми при создании научного и медицинского оборудования, датчиков разного назначения, в авиационной и космической промышленности, широко используются в ювелирном производстве… Но стоит ли выращивать искусственные кристаллы, если существуют природные? Исследования и практическое использование искусственных кристаллов подтвердили их серьезные преимущества по сравнению с кристаллами, существующими в природе. Качество искусственных кристаллов значительно выше, что принципиально расширяет область их применения.

ЕСТЬ И ДРУГОЕ ЧРЕЗВЫЧАЙНО ВАЖНОЕ ПРЕИМУЩЕСТВО. На рост естественных кристаллов природа затрачивает века, плюс время и усилия на поиск этих месторождений, а чтобы получить искусственный аналог естественного кристалла в лабораторных условиях, уходит несравнимо меньше времени. А поскольку область применения искусственных кристаллов постоянно расширяется и спрос на них неуклонно растет, то покрыть его за счет природных возможностей практически невозможно. И, наконец, еще одно очень важное преимущество. Ученые могут создать кристаллы, не существующие в природе, и задавать им те свойства, которые будут максимально соответствовать выполнению кристаллами тех или иных задач.

 Созданием искусственных кристаллов доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией сцинтилляционных материалов Института физических исследований НАН РА Ашот Петросян заинтересовался давно, еще будучи аспирантом известного советского кристалловеда Хачатура Багдасарова и в дальнейшем посвятил этим исследованиям всю свою научную деятельность. Сначала он занимался кристаллами, которые используются в твердотельных лазерах. Это целый ряд материалов со специальными примесями, оптические требования к которым очень высокие. Обычно они имеют структуру граната или некоторых других минералов. При создании лазеров, в зависимости от их применения, используются разные материалы, а значит и разные примеси, в том числе и редкоземельные элементы. В те годы в институте активно работала лаборатория, в которой проводились исследования и разработка кристаллов для лазеров. Потом тематика работ несколько изменилась в сторону сцинтилляционных материалов, то есть веществ, выделяющих свет, при воздействии на них ионизирующего излучения. Такие материалы находят применение во многих сферах профессиональной и научной деятельности - в физике высоких энергий, ядерной, в частности, диагностической медицине, геологической разведке, природоохранной деятельности, контроле безопасности и т. д.

Важным свойством сцинтилляторов является свечение малой продолжительности – от нано- до микросекунд. Эти работы были начаты с ЦЕРНом – крупнейшим в мире научным центром по физике высоких энергий и Лионским университетом. В дальнейшем разработка сцинтилляционных материалов стала основным направлением деятельности лаборатории, хотя время от времени здесь обращаются и к лазерным кристаллам.

 В 2018 году за цикл работ, посвященных лазерным и сцинтилляционным кристаллам, Ашот Петросян был награжден Премией президента РА по физике. В цикл этих работ вошли результаты исследований свойств полученных материалов с новыми примесями и образующимися в них структурными дефектами, что представляет особый научный и практический интерес. Была определена функциональная роль дефектов и то, как они влияют на работу кристалла.

В ОБЛАСТИ СОЗДАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ВЕДУТСЯ ИССЛЕДОВАНИЯ В РАЗНЫХ СТРАНАХ, поскольку универсального сцинтиллятора не существует и каждая область применения требует создания кристаллов, обладающих определенными свойствами. Например, в области физики высоких энергий используются кристаллы, имеющие очень короткие импульсы сцинтилляции, продолжительностью 10-30 наносекунд, поскольку там происходит множество столкновений частиц и важно разделить процессы. Требования к качеству сцинтилляторов значительно выше, чем к кристаллам для лазеров, поскольку дефекты, даже на уровне одного атома, могут воздействовать на свойства кристалла. Сегодня преодоление дефектов и понижение функциональной роли примесей – одна из наиболее важных задач ученых, работающих по этому направлению.

Сами эти кристаллы имеют очень высокую температуру плавления – порядка 1900-2000 градусов Цельсия и их разработка требует соответствующего технического оснащения. Но приборы, на которых работают армянские ученые и их коллеги в зарубежных научных центрах, сравнивать определенно не стоит. Сотрудники лаборатории, которой руководит Ашот Петросян, используют аппаратуру, сохранившуюся с советских времен, хотя и усовершенствованную своими силами. Эти приборы обладают специальными камерами, снабжены электроникой, обеспечивают охлаждение и контролируют скорость выращивания кристаллов, которая достаточно медленная - 1 миллиметр в час, то есть на выращивание небольшого кристалла уходит несколько суток. Определенное время требуется и на охлаждение материалов, которое должно тоже происходить медленно, иначе кристалл утратит необходимые свойства. Но технология хорошо отработана и получаемые здесь в процессе исследований результаты не уступают полученным в хорошо оснащенных зарубежных лабораториях. И это один из феноменов армянской науки.

Работая на устаревшей аппаратуре, армянским ученым удалось разработать методы получения целого ряда кристаллов, которые оказались более эффективными, чем те, которые используются их западными коллегами. И эти кристаллы востребованы.

Работы, направленные на то, чтобы уменьшить дефекты или хотя бы снизить их функциональную роль тоже идут успешно. Для этого в кристалл вводятся новые примеси в количествах долей миллиграммов. Но каждая из этих примесей должна играть свою роль. Выбираются примеси, которые могут компенсировать существующие в кристалле дефекты. И сегодня это одна из главных возможностей уменьшить влияние дефектов в кристаллах. Одним из достижений армянских ученых можно считать то, что они нашли примесь, которая во многих кристаллах не заменяет присутствующие в нем элементы, а занимает свободное пространство в решетке кристалла и может компенсировать определенные дефекты, в частности, кислородные вакансии, которые являются ловушками электронов и снижают сцинтилляционные свойства кристалла.

Но если уменьшить площадь ловушек, качество кристалла повышается, и он может лучше выполнять свою функцию. Возрастает не только сцинтилляция, но и радиационная стойкость, что создает дополнительные возможности практического применения этих кристаллов, например, в космосе. Что касается технологических материалов для роста кристаллов и примесей, то уже в течение многих лет для этих целей используется сравнительно дешевый молибден, что дает хорошие результаты.

 С ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИМИ ЗАДАЧАМИ ЛАБОРАТОРИЯ, КОТОРОЙ РУКОВОДИТ АШОТ ПЕТРОСЯН, СПРАВЛЯЕТСЯ ОЧЕНЬ УСПЕШНО. Но сегодня от армянских ученых настоятельно требуют практических результатов, хотя требование это совершенно неправомерное. Задача ученых – получить научный продукт и в ряде случаев - разработать технологии на основе результатов проведенных исследований, а не создание производства. Ни возможностей, ни средств на это научные учреждения не имеют. Правда, в советские годы при Институте физических исследований действовало опытное производство, где выращивались кристаллы больших размеров, и это предприятие считалось одним из лучших в Союзе. Но потом по известным причинам это производство закрылось, как, впрочем, закрылось и огромное число других производств, имеющих серьезные перспективы. Искусственные рубины, конкурентоспособные в Европе и США, перестал выпускать и Кироваканский химкомбинат. Закрылось производство искусственных сапфиров очень больших размеров в Нор-Аджне. Буквально с первых дней независимости делалось все, чтобы лишить Армению перспектив промышленного развития.