Музыка прогресса из 173 нот
Предсказаны десятки тысяч материалов с новыми свойствами, в том числе сверхпроводники, работающие при комнатной температуре. Какие наработки близки к промышленному производству и в каких областях ждать прорыва? Об этом — в интервью с профессором Артемом Огановым
Уже сейчас мы наблюдаем многие признаки наступления шестого технологического уклада (прежде всего они связаны с разработкой искусственного интеллекта), но этот переход пока рано считать свершившимся. Для него еще не создано физической основы — материалов, которые дали бы импульс ожидаемым грандиозным трансформациям. Это тормозит развитие водородной энергетики, беспилотного транспорта, робототехники и других отраслей, составляющих, как следует из экономических теорий, ядро Индустрии 6.0.
Но надежды на прорывы в этой области по-прежнему есть. О том, в каких направлениях сегодня ведутся поиски новых материалов, как из «кирпичиков» химии рождаются неожиданные соединения с заданными свойствами и готова ли промышленность взять их в свой оборот, «Моноклю» рассказал один из самых цитируемых в мире химиков, создатель знаменитой программы предсказания кристаллических структур химических соединений USPEX, которой пользуются ученые по всему миру, профессор РАН и руководитель лаборатории дизайна материалов Сколтеха Артем Оганов.
— Программу USPEX, которая позволила предсказывать материалы с нужными свойствами еще до их синтеза, вы создали более десяти лет назад. С ее помощью появились сотни и тысячи формул-кандидатов. Какая часть из них доходит до стадии лабораторных образцов и до широкого применения?
— До лабораторного синтеза доходят десятки-сотни таких предсказаний. Со временем, возможно, дойдут практически все. До применения может дойти два-три десятка наших материалов, но это медленный процесс.
— А что мы, собственно, ищем сегодня? Первые попытки синтеза полимеров, которые предпринимались более ста лет назад, были вынужденными. Природных материалов, которые тогда были в ходу (слоновая кость, каучук), остро не хватало, и людям нужно было чем-то их заменять. Есть ли в наши дни настолько выраженные потребности в новых материалах?
— Без новых материалов не будет новых технологий. Без новых технологий не будет прогресса. Это касается и комфорта человеческой жизни, и безопасности, и долголетия, и здоровья. Если вы перестаете развиваться как общество, то ваше общество будет сметено с карты мира и отправлено в учебник истории. Если мы хотим, чтобы у нашего общества было будущее, необходимо неустанно работать над технологическим прогрессом, который невозможен без новых материалов. И новые материалы нам нужны везде. В первую очередь для энергетики. Запасы лития, необходимого для аккумуляторов практически всех современных устройств, скудны и неравномерно распределены на планете, поэтому этот металл довольно дорогой. А вот натрий есть везде, и его стоимость — копеечная. И если вы сможете создать материалы, которые будут пригодны для натрий-ионных аккумуляторов, это будет как минимум интересной альтернативой. Один из лучших материалов для катодов натрий-ионных аккумуляторов активно исследуется моими коллегами в Сколтехе — это фторид-фосфат натрия и ванадия.
Более совершенные материалы нужны для транспортировки и хранения водорода, так как атом водорода очень маленький и он встраивается в структуру большинства металлов, что ведет к их охрупчиванию и деградации. Эта проблема грозит поставить жирную точку в развитии водородной энергетики. Сейчас все просто: сжатый водород хранят в баллонах. Но, к сожалению, это не очень рационально: баллон весит, условно, килограммов тридцать, а водорода в нем граммов сто. Нужны материалы, которые смогут поглощать водород и удерживать его в своей кристаллической структуре, а, например, при нагревании или при действии каких-то химических агентов — отдавать его. В идеале этот процесс должен быть циклируемым. Такие материалы, в принципе, есть, но и в них массовая доля водорода оказывается не очень большой. Однако в истории науки было много примеров, когда казалось, что задача не имеет решения, а потом оно находилось. Так что поживем — увидим. Но это лишь одна из многих-многих задач, которые стоят перед материаловедами сегодня. И все эти задачи очень интересные и очень важные.
Сверхпроводники под давлением
— Еще одна актуальная область поиска — высокотемпературная сверхпроводимость. Как далеко зашли здесь предсказания?
— В этой области предсказаны десятки или даже уже сотни материалов. LaH10 (полигидрид лантана и водорода. — «Монокль») проявляет сверхпроводящие свойства при температурах до 253 кельвин (−20,15 °С. — «Монокль»), но это требует очень высокого давления — 1,7 миллиона атмосфер. С другой стороны, гидриды церия и тория проявляют замечательные сверхпроводящие свойства при более низких давлениях — например, (La, Ce)H9–10 является сверхпроводником при температурах до 176 кельвин и давлении в один миллион атмосфер. Использовать вещества, требующие таких давлений для синтеза, пока что невозможно. Но мы думаем, что изучение таких веществ даст нам идеи, как создать комнатные сверхпроводники при нормальном давлении.
— После стольких лет поисков разными методами и ложных анонсов, кажется, что создание высокотемпературных сверхпроводников, которые могли бы массово использоваться, — цель вообще нереализуемая…
— В науке всегда кто-то будет искренне ошибаться, а кто-то — заниматься мошенничеством, но рано или поздно истина обязательно восторжествует. Результаты, подтвержденные несколькими независимыми лабораториями, можно считать верными. Уже сейчас надежно установлена почти комнатная сверхпроводимость при высоких давлениях. Я уверен, что комнатная сверхпроводимость под давлением будет достигнута в близком будущем. Но пока что трудно сказать, удастся ли создать комнатные сверхпроводники без давления.
— С какими элементами работает ваша программа при поиске искомых формул сверхпроводимости?
— Мы установили, что самые интересные сверхпроводящие свойства присущи гидридам элементов из «пояса лабильности», идущего в основном через вторую и третью группы таблицы Менделеева, — он включает такие элементы, как кальций, скандий, иттрий, лантан, церий, актиний, торий.
— Насколько это дорогое удовольствие — синтезировать в лаборатории новые сверхпроводники?
— Если говорить о стоимости исходных материалов, реагентов, то она очень мала. Скажем, лантан, иттрий или церий, которые часто используются в таких экспериментах, — это довольно дешевые металлы. Оксид церия, например, широко применяется при создании жидкостей для полировки стекол. Так что хоть он и относится к категории редкоземельных, его цена на мировом рынке — копейки.
Но дорого стоит сам синтез при высоком давлении. Необходимые порядка миллиона атмосфер достигаются в особых камерах с алмазными наковальнями. Стоимость алмаза тоже нужно учитывать, потому что время от времени эти алмазы ломаются, и объем материала, который там получается, конечно, очень маленький. Это образцы микронного размера.
— Таким образом, себестоимость массового производства этих сверхпроводников, если, конечно, до этого когда-нибудь дойдет, будет «бриллиантовой»…
— Сегодня она очень велика, но нельзя исключать, что люди найдут способ и это изменить.