eng
Выпуск #1/2021
В.Я.Шур
Полвека в науке. От лаборатории сегнетоэлектриков к центрам коллективного пользования и фундаментальной биотехнологии и биоинженерии
Полвека в науке. От лаборатории сегнетоэлектриков к центрам коллективного пользования и фундаментальной биотехнологии и биоинженерии
Просмотры: 1762
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.1.8.13
ПОЛВЕКА В НАУКЕ. ОТ ЛАБОРАТОРИИ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ К ЦЕНТРАМ КОЛЛЕКТИВНОГО ПОЛЬЗОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ И БИОИНЖЕНЕРИИ
HALF A CENTURY IN SCIENCE. FROM A FERROELECTRIC LABORATORY TO CENTERS FOR SHARED USE AND FUNDAMENTAL BIOTECHNOLOGY AND BIOENGINEERING
В.Я.Шур1, 2, 3, 4, д.ф.-м.н., проф., зав. лаб., директор УЦКП "Современные нанотехнологии", гл. науч. сотр., (ORCID: 0000-0002-6970-7798) / vladimir.shur@urfu.ru
V.Ya.Shur1, 2, 3, 4, Doct. of Sc. (Physics and Mathematics), Prof., Head of Laboratory, Director of UCSU "Modern nanotechnologies", Chief Researcher
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.1.8.13
Получено: 02.03.2021 г.
Интенсивность научных открытий и появления новых направлений исследований за последние полвека настолько высока, что прогресс развития знаний от зарождения первичных представлений до получения современных высокотехнологичных результатов можно проследить по научной биографии одного ученого. Владимир Яковлевич Шур, ныне профессор, директор Уральского центра коллективного пользования "Современные нанотехнологии" (далее – УЦКП НС) и член редакционного совета журнала "Фотоника", начинал свой путь в науке с исследования сегнетоэлектрических доменов, а сейчас, спустя полвека, круг его интересов включает создание наноструктурированных материалов, изучение нанотоксикологии и развитие биопринтинга. О науке, центрах коллективного пользования и перспективах развития отечественного научного знания делится своими мыслями беззаветно преданный науке Владимир Яковлевич.
The intensity of scientific discoveries and the appearance of new research areas over the last half century is so high that the progress of development from the birth of primary concepts to the achievement of modern high-tech results can be traced in the scientific biography of one scientist. Vladimir Yakovlevich Shur, now a professor, director of the Ural Center for Shared Use "Modern Nanotechnology" and member of Editorial Board of the "Photonics" journal, who was starting his way in science from studying of ferroelectric domains, and now half a century later his range of interests includes the creation of nanostructured materials, the study of nanotoxicology and the development of bioprinting. Vladimir Yakovlevich, selflessly devoted to science, shares his thoughts about science, centers for shared use and the prospects for the development of national scientific knowledge.
Владимир Яковлевич, расскажите, пожалуйста, как вам удается совмещать научную и организационную деятельности?
Я закончил Уральский государственный университет и работаю в нем уже более пятидесяти лет. Так случилось, что за эти годы изменилось название университета, города и страны. Я учился и начинал работать в Свердловске, а теперь являюсь сотрудником Уральского федерального университета в Екатеринбурге. Лабораторию сегнетоэлектриков я создавал с несколькими сотрудниками и студентами, а стремление проводить экспериментальные исследования на мировом уровне и расширение круга научных интересов привели к приобретению современного аналитического и технологического оборудования и созданию большого коллектива исследователей. За все хорошее нужно платить – теперь мне приходится сочетать научную деятельность с организационной, направленной на повышение квалификации сотрудников, развитие приборной базы, расширение плодотворных научных контактов и, что чрезвычайно важно, получение финансовой поддержки (грантов) из различных источников для успешной работы. Лично для меня несомненен приоритет научной деятельности: генерации новых идей и личного участия в проведении исследований, объяснении новых результатов, подготовки статей в авторитетных журналах и докладов на международных конференциях. Оценкой моих достижений являются многочисленные пленарные и приглашенные доклады и активное цитирование наших публикаций. Интенсивная деятельность в сочетании с многочисленными зарубежными поездками практически не оставляет времени для личной жизни и предъявляет высокие требования к физической форме. Для повышения работоспособности я не только регулярно выполняю комплексы физических упражнений и обливаюсь холодной водой, но и занимаюсь спортом. В последние годы для меня это спортивный боулинг и многокилометровые заплывы в открытом море.
Расскажите, пожалуйста, о последних разработках лаборатории сегнетоэлектриков, реализованы ли уже конкретные устройства, над которыми трудились российские и иностранные ученые? Появились ли новые проекты?
Лаборатория сегнетоэлектриков была создана мной ровно сорок лет назад. За прошедшие годы из моих бывших студентов и аспирантов сформировался замечательный коллектив единомышленников. Исследования практически полностью финансируются различными грантами. В 2020 году половина из двадцати двух грантов выполнялась под руководством молодых сотрудников, пять – получены для аспирантов и три – международные: с Китаем, Беларусью и странами БРИКС.
Научная тематика работы лаборатории главным образом связана с изучением доменной структуры различных сегнетоэлектриков. Для наших исследований характерно плодотворное сотрудничество с российскими и зарубежными учеными. Изучение кинетики доменной структуры в выращенных нашими коллегами из Новосибирского государственного университета и Института геологии и минералогии СО РАН образцах позволило существенно расширить круг используемых сегнетоэлектрических материалов. В рамках международного проекта стран БРИКС с университетами Китая и Индии были проведены комплексные исследования формирования доменной структуры в кристаллах семейства PMN-PT, обладающих рекордными пьезоэлектрическими свойствами. Предложенные и апробированные методы создания регулярных доменных структур открыли возможности для использования этих кристаллов в фотонике. Разработка управляемых элементов дифракционной оптики проводится совместно с учеными из Самары: сотрудниками Института систем обработки изображений РАН и Самарского национального исследовательского университета. Комплексные экспериментальные исследования доменной структуры пьезоэлектрической керамики проводятся совместно с университетами Китая, Индии, Португалии и Беларуси.
Результаты исследований изложены более чем в 490 статьях, включенных в международные базы данных WoS и Scopus, и в главах шести коллективных монографий, изданных ведущими зарубежными издательствами. Они доложены более чем на 300 конференциях (в том числе в 150 приглашенных и пленарных докладах) и процитированы более 6 200 раз. Мой индекс Хирша – 41 (по WoS). Результаты изучения эволюции доменных структур при переключении и сегнетоэлектрических фазовых переходах были представлены научным советом по физике сегнетоэлектриков и диэлектриков для включения в список важнейших научных достижений РАН. Методы исследования процессов переключения и создания доменных структур защищены 17 авторскими свидетельствами и 4 патентами.
Лидирующее положение коллектива в мировом сообществе, занимающемся исследованиями микро- и нанодоменных структур в сегнетоэлектриках, подтверждается тем, что нами были проведены три международных симпозиума "Микро- и нанодоменные структуры в сегнетоэлектриках" (ISDS’05; ISDS’07 и ISDS’09). В 2012 году был проведен объединенный международный симпозиум ISFD-11th-RCBJSF с участием 280 ученых из 24 стран. В 2014 году была проведена объединенная международная конференция "Микроскопия пьезоэлектрических сил и свойства полярных наноматериалов" (PFM-2014).
В 2017 и 2018 годах – международные конференции "Сканирующая зондовая микроскопия". В 2019 году – объединенная международная конференция SPM-2019-RCWDFM, включающая в себя третью конференцию "Сканирующая зондовая микроскопия" и четвертый российско-китайский семинар по сегнетоэлектрическим и диэлектрическим материалам. В 2020 году – международная онлайн-конференция "Исследование сегнетоэлектрических материалов российскими учеными. Столетие открытия сегнетоэлектричества" (СЭ-100). Под моей редакцией издано 19 томов международного журнала Ferroelectrics с трудами конференций.
Изучение формирования и эволюции самоорганизованных структур, в частности на основе ниобата лития и танталата лития, может привести к созданию акустических, нелинейно-оптических и электрооптических устройств на основе датчиков нового типа. В чем их преимущество? Какие новые перспективы открываются при их использовании?
Проведенные в лаборатории сегнетоэлектриков многолетние экспериментальные и теоретические исследования эволюции доменной структуры при воздействии электрического поля, локального импульсного нагрева и облучения фокусированными пучками электронов и ионов позволяют развивать микро- и нанодоменную инженерию – создавать в сегнетоэлектриках стабильные микро- и нанодоменные структуры с заданной геометрией. В настоящее время разработанные нами методы используются для изготовления преобразователей длины волны лазерного излучения с рекордной эффективностью, существенного улучшения пьезоэлектрических характеристик кристаллов и керамики, а также разработки уникальных управляемых электрическим полем элементов дифракционной (плоской) оптики. Формирование самоорганизованных квазирегулярных доменных структур позволяет создавать высокую концентрацию доменных стенок определенного типа, что служит основой инженерии доменных стенок, которая может быть использована для улучшения пьезоэлектрических и диэлектрических свойств сегнетоэлектрических кристаллов и керамики.
Вы возглавляете Уральский ЦКП "Современные нанотехнологии". За время его работы завершено несколько крупных научных проектов, расскажите о самых значимых, по-вашему мнению, научных результатах и перспективах будущих исследований?
Уральский центр коллективного пользования "Современные нанотехнологии" был создан в декабре 2007 года, когда в России официально начали заниматься нанотехнологиями.
Образование Центра радикально улучшило экспериментальные возможности нашего коллектива. До этого большую часть экспериментов приходилось проводить за рубежом, в ведущих мировых исследовательских центрах и университетах, включая Стэнфордский и Пенсильванский университет (США), а также в университетах Франции, Великобритании, Германии и Японии. Образование УЦКП СН позволило проводить комплексные уникальные исследования в области изучения сегнетоэлектриков и многократно расширило круг моих научных интересов. Естественно, что вновь развиваемые направления исследований связаны с нанотехнологиями, среди них: нанотоксикология, биопринтинг, наночастицы, наноструктурированные поверхности, нанодоменная инженерия и нанобиомиметика.
К настоящему времени УЦКП СН УрФУ является точкой притяжения для исследователей в области нанотехнологий и авторитетным региональным консультативным центром.
Деятельность Центра объединяет образование, науку и инновационный процесс. Основной задачей работающих в Центре физиков, химиков и биологов является проведение широкого круга исследований для преподавателей и ученых УрФУ, вузов страны, институтов Российской академии наук, а также предприятий, имеющих наукоемкое производство.
Особое место занимает подготовка специалистов и обеспечение образовательного процесса в области нанотехнологий. Значительное внимание уделяется развитию международного сотрудничества. УЦКП СН УрФУ – один из наиболее хорошо оснащенных региональных ЦКП.
В нем сосредоточены образцы современного аналитического и технологического оборудования, предназначенного для проведения исследований и производства наноматериалов. Сотрудники Центра принимают участие в выполнении большинства проектов, поддерживаемых грантами различных фондов под руководством ученых ИЕНиМ УрФУ. В 2020 году общая сумма этих грантов превысила 120 млн руб. С использованием оборудования УЦКП СН в последнее время в год публикуется около 200 статей, учитываемых в базах данных Scopus и WoS. Нельзя не отметить, что проблемы приобретения нового современного оборудования, расширения его возможностей и сохранения работоспособности являются ключевыми и, к сожалению, практически отсутствуют пути их решения. Непосредственно УЦКП СН в условиях жесткой конкуренции только дважды получал гранты министерства на развитие приборной базы.
Центр сотрудничает с десятью институтами РАН и более чем двадцатью зарубежными организациями. В нем проходили длительные стажировки постдоки из Китая, Индии, Германии и Ирландии. Ежегодно сотрудниками Центра выполняются заказы более сотни внешних пользователей. В том числе предприятий малого бизнеса и промышленных предприятий Уральского региона.
УЦКП СН принимает активное участие в создании виртуального сетевого Центра материаловедения и нанотехнологии БРИКС. Первая встреча рабочей группы центра БРИКС состоялась в УрФУ в октябре 2017 года. Представителями стран БРИКС был подписан устав центра и сформулированы его основные задачи: подготовка высококвалифицированных кадров, определение перспективных направлений научных исследований и разработок, развитие научно-технического сотрудничества стран БРИКС в сфере материаловедения и нанотехнологий, содействие обмену студентов, преподавателей и ученых стран БРИКС.
В октябре 2020 года прошло второе заседание рабочей группы БРИКС с участием представителей министерств науки и технологии и ученых всех пяти стран. Была принята Концепция виртуального сетевого Центра материаловедения и нанотехнологий БРИКС. Головной офис было решено создать на базе УрФУ.
Основные направления развития УЦКП СН:
В какой стадии сейчас находятся активные проекты Центра – создание и развитие нового Центра фундаментальной биотехнологии и биоинженерии и Центра по разработке и исследованию функциональных наноматериалов для применений в электронике и биомедицине? Как родилась идея создания таких центров и в чем состоят перспективы их развития?
В рамках выполнения программы повышения конкурентоспособности УрФУ "Проект 5-100" были созданы ключевые центры превосходства. Идея создания центров обусловлена необходимостью поддержать развитие новых направлений исследований. Надеюсь, что они будут развиваться в рамках новой программы "Приоритет-2030".
Центр по разработке и исследованию функциональных наноматериалов для применений в электронике и биомедицине ориентирован на достижение значимых результатов в области научных исследований и инноваций по прорывным научно-техническим направлениям Программы, направленных на создание и исследование перспективных сегнетоэлектрических и сопутствующих материалов, ионных проводников и биоматериалов и развитие методов визуализации их функциональных свойств.
В Центре фундаментальной биотехнологии и биоинженерии проводятся исследования влияния наноматериалов на биологические объекты и использования наноматериалов в биологии и медицине.
Нанотоксикология. Разработаны методики создания стабильных водных суспензий с высокой концентрацией наночастиц различных оксидов металлов, а также сульфидов Cd и Pb методом лазерной абляции в жидкости с использованием наносекундного лазера.
Суспензии сферических наночастиц использованы для нанотоксикологических исследований. Изменения клеток, вызванные воздействием наночастиц, были выявлены с помощью сканирующей просвечивающей электронной микроскопии. Содержание оксидов металлов в органах подопытных животных определялось методами атомно-эмиссионной спектроскопии и электронного парамагнитного резонанса.
Наночастицы. Продемонстрировано и изучено формирование несферических наночастиц PbO при лазерной абляции поверхности свинца в воде. Выявлена определяющая роль воды в формировании несферических наноструктур. Сделан вывод о том, что неизбежная обработка горячей водой при лазерной абляции в воде качественно изменяет форму наночастиц.
Наноструктурирование поверхностей металлов и полимеров с помощью обработки горячей водой и лазерным излучением для управления смачиваемостью. Создание супергидрофобных и супергидрофильных поверхностей. Изучение самоочищения (эффект лотоса), высокоадгезивной супергидрофобности (эффект лепестка розы) и подводной аэрофильности. Разработан метод формирования наноструктурированного слоя оксида алюминия на поверхности алюминиевой пластины при обработке горячей водой, позволяющий создавать супергидрофильную поверхность. Супергидрофобные поверхности создавались путем обработки тефлоновой пластины с помощью наносекундного импульсного инфракрасного СО2-лазера. Создание регулярных двумерных структур позволило получать суперадгезионные поверхности.
Биопринтинг. Предложен оригинальный метод бесконтактного точного нанесения микрокапель жидкости на подложку с помощью электрогидродинамического эффекта с источником поля на основе пироэлектрического монокристалла танталата лития с созданной стабильной доменной структурой с оптимальной геометрией. Метод успешно использован для печати живыми клетками, помещенными в питательную среду.
Развитие науки связано с передачей знаний и повышением уровня образования молодежи. Расскажите о своей педагогической деятельности, как вы вовлекаете студентов в научный поиск, какие возможности открываются перед студентами в центрах? Наблюдается ли рост интереса молодежи к науке?
В настоящее время я читаю авторский спецкурс по доменной структуре сегнетоэлектриков и руковожу аспирантами. Мне трудно оценивать широко обсуждаемое понижение уровня подготовки студентов, поскольку каждый год в Центр и в лабораторию приходят новые замечательные студенты, начиная со второго курса. Их привлекает возможность проведения исследований с использованием современного научного и технологического оборудования, получения научных результатов с мировым приоритетом и участия с докладами на международных конференциях. У меня постоянно около десяти аспирантов.
За последние пять лет под моим руководством защищено девять кандидатских диссертаций, в том числе две – в рамках совместной аспирантуры с университетом Франции.
Сотрудники Центра принимают активное участие в поиске талантливых абитуриентов и студентов. Они проводят экскурсии школьников в УЦКП СН, руководят школьными проектами, в том числе в проектных сменах образовательного центра "Сириус", а также выпускными работами бакалавров и магистров.
Оглядываясь на свой путь в науке, как вы объясняете его траекторию от изучения сегнетоэлектриков и доменных структур в ферроиках до нанотехнологий и биомедицины? Каким вы видите общий, генеральный тренд развития современной науки в этих областях?
Я начал заниматься исследованиями сегнетоэлектриков после того, как защитил кандидатскую диссертацию по полупроводниковым лазерам. В начале 80-х физики активно исследовали цилиндрические магнитные домены (ЦМД, bubbles) и создали элементы памяти, в которых информация перемещалась в неподвижном носителе. Я мечтал создать аналогичную память на сегнетоэлектрических доменах. Оказалось, что уже тогда, сам того не зная, я впервые занялся нанотехнологиями. Дело в том, что домены в сегнетоэлектриках разделены доменными стенками нанометровой толщины. Через несколько месяцев мы (похоже, первыми в мире) научились записывать субмикронные домены, но убедились в том, что, в отличие от ЦМД, их не удается перемещать. Хотя и не удалось создать память, аналогичную магнитной, меня увлекло изучение доменов и загадочной эволюции доменной структуры. Тем временем все члены сегнетоэлектрического сообщества (и не только они) наперегонки изучали высокотемпературную сверхпроводимость (ВТСП). И только моя маленькая группа продолжала исследовать сегнетоэлектрические домены.
В 1990 году я защитил докторскую диссертацию о доменах, а сообщество убедилось, что создать сверхпроводящие провода не удается, и переключилось на создание сегнетоэлектрической памяти на тонких пленках. Безусловно, мне сказочно повезло – я не следовал за научной модой, а когда в моду вошли домены, то оказался востребованным, и когда в 1991 году для ученых открыли границы, я стал активным членом мирового сегнетоэлектрического сообщества. Участие в мировых научных конференциях и проведение исследований в ведущих научных центрах позволило держать руку на пульсе и заниматься решением актуальных проблем, связанных с изучением и применением сегнетоэлектрических доменов. Следует отметить, что я являюсь единственным участником всех четырнадцати международных конференций по исследованию доменной структуры сегнетоэлектриков (ISFD), первая из которых проходила в Волгограде в 1989 году.
Эти конференции активно путешествуют по миру, а для меня было большой честью провести ISFD-11 в 2012 году в Екатеринбурге. Создание УЦКП НС радикально улучшило экспериментальные возможности нашего коллектива. До этого большую часть экспериментов приходилось проводить за рубежом. Современное высокотехнологичное оборудование Центра не только позволило проводить комплексные уникальные исследования сегнетоэлектриков в нашей лаборатории, но и позволило развивать новые направления исследований, связанные с нанотехнологиями.
Среди перспективных направлений применения сегнетоэлектриков хочется отметить:
Какой вы представляете науку в России через 50 лет?
В настоящее время решается кардинальный вопрос – продолжать развитие российской науки в составе единой мировой или возвратиться к изоляции, характерной для советской науки. Я был свидетелем качественного изменения советской науки в начале 90-х, когда открылись границы для свободного общения ученых и наша наука стала полноправной частью мировой. Очевидно, что общение с учеными всего мира и проведение совместных исследований является единственным разумным путем дальнейшего развития российской науки. Опыт прошлого года показал, что современные технологии позволяют быстро, дешево и эффективно реализовывать международное сотрудничество. Очевидно, что для успешного развития российской науки необходимо, чтобы на государственном уровне были приняты решения, направленные на совершенствование образования, повышение авторитета ученых, создание условий для плодотворных исследований и уменьшение пагубной утечки мозгов.
Чтобы вы хотели пожелать нашим читателям?
Стремиться к получению новых знаний. Помнить, что, хотя нанотехнологии уже перестали быть знаменем прогресса, они навсегда останутся одной из важнейших ступеней развития науки и технологий. ■
HALF A CENTURY IN SCIENCE. FROM A FERROELECTRIC LABORATORY TO CENTERS FOR SHARED USE AND FUNDAMENTAL BIOTECHNOLOGY AND BIOENGINEERING
В.Я.Шур1, 2, 3, 4, д.ф.-м.н., проф., зав. лаб., директор УЦКП "Современные нанотехнологии", гл. науч. сотр., (ORCID: 0000-0002-6970-7798) / vladimir.shur@urfu.ru
V.Ya.Shur1, 2, 3, 4, Doct. of Sc. (Physics and Mathematics), Prof., Head of Laboratory, Director of UCSU "Modern nanotechnologies", Chief Researcher
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.1.8.13
Получено: 02.03.2021 г.
Интенсивность научных открытий и появления новых направлений исследований за последние полвека настолько высока, что прогресс развития знаний от зарождения первичных представлений до получения современных высокотехнологичных результатов можно проследить по научной биографии одного ученого. Владимир Яковлевич Шур, ныне профессор, директор Уральского центра коллективного пользования "Современные нанотехнологии" (далее – УЦКП НС) и член редакционного совета журнала "Фотоника", начинал свой путь в науке с исследования сегнетоэлектрических доменов, а сейчас, спустя полвека, круг его интересов включает создание наноструктурированных материалов, изучение нанотоксикологии и развитие биопринтинга. О науке, центрах коллективного пользования и перспективах развития отечественного научного знания делится своими мыслями беззаветно преданный науке Владимир Яковлевич.
The intensity of scientific discoveries and the appearance of new research areas over the last half century is so high that the progress of development from the birth of primary concepts to the achievement of modern high-tech results can be traced in the scientific biography of one scientist. Vladimir Yakovlevich Shur, now a professor, director of the Ural Center for Shared Use "Modern Nanotechnology" and member of Editorial Board of the "Photonics" journal, who was starting his way in science from studying of ferroelectric domains, and now half a century later his range of interests includes the creation of nanostructured materials, the study of nanotoxicology and the development of bioprinting. Vladimir Yakovlevich, selflessly devoted to science, shares his thoughts about science, centers for shared use and the prospects for the development of national scientific knowledge.
Владимир Яковлевич, расскажите, пожалуйста, как вам удается совмещать научную и организационную деятельности?
Я закончил Уральский государственный университет и работаю в нем уже более пятидесяти лет. Так случилось, что за эти годы изменилось название университета, города и страны. Я учился и начинал работать в Свердловске, а теперь являюсь сотрудником Уральского федерального университета в Екатеринбурге. Лабораторию сегнетоэлектриков я создавал с несколькими сотрудниками и студентами, а стремление проводить экспериментальные исследования на мировом уровне и расширение круга научных интересов привели к приобретению современного аналитического и технологического оборудования и созданию большого коллектива исследователей. За все хорошее нужно платить – теперь мне приходится сочетать научную деятельность с организационной, направленной на повышение квалификации сотрудников, развитие приборной базы, расширение плодотворных научных контактов и, что чрезвычайно важно, получение финансовой поддержки (грантов) из различных источников для успешной работы. Лично для меня несомненен приоритет научной деятельности: генерации новых идей и личного участия в проведении исследований, объяснении новых результатов, подготовки статей в авторитетных журналах и докладов на международных конференциях. Оценкой моих достижений являются многочисленные пленарные и приглашенные доклады и активное цитирование наших публикаций. Интенсивная деятельность в сочетании с многочисленными зарубежными поездками практически не оставляет времени для личной жизни и предъявляет высокие требования к физической форме. Для повышения работоспособности я не только регулярно выполняю комплексы физических упражнений и обливаюсь холодной водой, но и занимаюсь спортом. В последние годы для меня это спортивный боулинг и многокилометровые заплывы в открытом море.
Расскажите, пожалуйста, о последних разработках лаборатории сегнетоэлектриков, реализованы ли уже конкретные устройства, над которыми трудились российские и иностранные ученые? Появились ли новые проекты?
Лаборатория сегнетоэлектриков была создана мной ровно сорок лет назад. За прошедшие годы из моих бывших студентов и аспирантов сформировался замечательный коллектив единомышленников. Исследования практически полностью финансируются различными грантами. В 2020 году половина из двадцати двух грантов выполнялась под руководством молодых сотрудников, пять – получены для аспирантов и три – международные: с Китаем, Беларусью и странами БРИКС.
Научная тематика работы лаборатории главным образом связана с изучением доменной структуры различных сегнетоэлектриков. Для наших исследований характерно плодотворное сотрудничество с российскими и зарубежными учеными. Изучение кинетики доменной структуры в выращенных нашими коллегами из Новосибирского государственного университета и Института геологии и минералогии СО РАН образцах позволило существенно расширить круг используемых сегнетоэлектрических материалов. В рамках международного проекта стран БРИКС с университетами Китая и Индии были проведены комплексные исследования формирования доменной структуры в кристаллах семейства PMN-PT, обладающих рекордными пьезоэлектрическими свойствами. Предложенные и апробированные методы создания регулярных доменных структур открыли возможности для использования этих кристаллов в фотонике. Разработка управляемых элементов дифракционной оптики проводится совместно с учеными из Самары: сотрудниками Института систем обработки изображений РАН и Самарского национального исследовательского университета. Комплексные экспериментальные исследования доменной структуры пьезоэлектрической керамики проводятся совместно с университетами Китая, Индии, Португалии и Беларуси.
Результаты исследований изложены более чем в 490 статьях, включенных в международные базы данных WoS и Scopus, и в главах шести коллективных монографий, изданных ведущими зарубежными издательствами. Они доложены более чем на 300 конференциях (в том числе в 150 приглашенных и пленарных докладах) и процитированы более 6 200 раз. Мой индекс Хирша – 41 (по WoS). Результаты изучения эволюции доменных структур при переключении и сегнетоэлектрических фазовых переходах были представлены научным советом по физике сегнетоэлектриков и диэлектриков для включения в список важнейших научных достижений РАН. Методы исследования процессов переключения и создания доменных структур защищены 17 авторскими свидетельствами и 4 патентами.
Лидирующее положение коллектива в мировом сообществе, занимающемся исследованиями микро- и нанодоменных структур в сегнетоэлектриках, подтверждается тем, что нами были проведены три международных симпозиума "Микро- и нанодоменные структуры в сегнетоэлектриках" (ISDS’05; ISDS’07 и ISDS’09). В 2012 году был проведен объединенный международный симпозиум ISFD-11th-RCBJSF с участием 280 ученых из 24 стран. В 2014 году была проведена объединенная международная конференция "Микроскопия пьезоэлектрических сил и свойства полярных наноматериалов" (PFM-2014).
В 2017 и 2018 годах – международные конференции "Сканирующая зондовая микроскопия". В 2019 году – объединенная международная конференция SPM-2019-RCWDFM, включающая в себя третью конференцию "Сканирующая зондовая микроскопия" и четвертый российско-китайский семинар по сегнетоэлектрическим и диэлектрическим материалам. В 2020 году – международная онлайн-конференция "Исследование сегнетоэлектрических материалов российскими учеными. Столетие открытия сегнетоэлектричества" (СЭ-100). Под моей редакцией издано 19 томов международного журнала Ferroelectrics с трудами конференций.
Изучение формирования и эволюции самоорганизованных структур, в частности на основе ниобата лития и танталата лития, может привести к созданию акустических, нелинейно-оптических и электрооптических устройств на основе датчиков нового типа. В чем их преимущество? Какие новые перспективы открываются при их использовании?
Проведенные в лаборатории сегнетоэлектриков многолетние экспериментальные и теоретические исследования эволюции доменной структуры при воздействии электрического поля, локального импульсного нагрева и облучения фокусированными пучками электронов и ионов позволяют развивать микро- и нанодоменную инженерию – создавать в сегнетоэлектриках стабильные микро- и нанодоменные структуры с заданной геометрией. В настоящее время разработанные нами методы используются для изготовления преобразователей длины волны лазерного излучения с рекордной эффективностью, существенного улучшения пьезоэлектрических характеристик кристаллов и керамики, а также разработки уникальных управляемых электрическим полем элементов дифракционной (плоской) оптики. Формирование самоорганизованных квазирегулярных доменных структур позволяет создавать высокую концентрацию доменных стенок определенного типа, что служит основой инженерии доменных стенок, которая может быть использована для улучшения пьезоэлектрических и диэлектрических свойств сегнетоэлектрических кристаллов и керамики.
Вы возглавляете Уральский ЦКП "Современные нанотехнологии". За время его работы завершено несколько крупных научных проектов, расскажите о самых значимых, по-вашему мнению, научных результатах и перспективах будущих исследований?
Уральский центр коллективного пользования "Современные нанотехнологии" был создан в декабре 2007 года, когда в России официально начали заниматься нанотехнологиями.
Образование Центра радикально улучшило экспериментальные возможности нашего коллектива. До этого большую часть экспериментов приходилось проводить за рубежом, в ведущих мировых исследовательских центрах и университетах, включая Стэнфордский и Пенсильванский университет (США), а также в университетах Франции, Великобритании, Германии и Японии. Образование УЦКП СН позволило проводить комплексные уникальные исследования в области изучения сегнетоэлектриков и многократно расширило круг моих научных интересов. Естественно, что вновь развиваемые направления исследований связаны с нанотехнологиями, среди них: нанотоксикология, биопринтинг, наночастицы, наноструктурированные поверхности, нанодоменная инженерия и нанобиомиметика.
К настоящему времени УЦКП СН УрФУ является точкой притяжения для исследователей в области нанотехнологий и авторитетным региональным консультативным центром.
Деятельность Центра объединяет образование, науку и инновационный процесс. Основной задачей работающих в Центре физиков, химиков и биологов является проведение широкого круга исследований для преподавателей и ученых УрФУ, вузов страны, институтов Российской академии наук, а также предприятий, имеющих наукоемкое производство.
Особое место занимает подготовка специалистов и обеспечение образовательного процесса в области нанотехнологий. Значительное внимание уделяется развитию международного сотрудничества. УЦКП СН УрФУ – один из наиболее хорошо оснащенных региональных ЦКП.
В нем сосредоточены образцы современного аналитического и технологического оборудования, предназначенного для проведения исследований и производства наноматериалов. Сотрудники Центра принимают участие в выполнении большинства проектов, поддерживаемых грантами различных фондов под руководством ученых ИЕНиМ УрФУ. В 2020 году общая сумма этих грантов превысила 120 млн руб. С использованием оборудования УЦКП СН в последнее время в год публикуется около 200 статей, учитываемых в базах данных Scopus и WoS. Нельзя не отметить, что проблемы приобретения нового современного оборудования, расширения его возможностей и сохранения работоспособности являются ключевыми и, к сожалению, практически отсутствуют пути их решения. Непосредственно УЦКП СН в условиях жесткой конкуренции только дважды получал гранты министерства на развитие приборной базы.
Центр сотрудничает с десятью институтами РАН и более чем двадцатью зарубежными организациями. В нем проходили длительные стажировки постдоки из Китая, Индии, Германии и Ирландии. Ежегодно сотрудниками Центра выполняются заказы более сотни внешних пользователей. В том числе предприятий малого бизнеса и промышленных предприятий Уральского региона.
УЦКП СН принимает активное участие в создании виртуального сетевого Центра материаловедения и нанотехнологии БРИКС. Первая встреча рабочей группы центра БРИКС состоялась в УрФУ в октябре 2017 года. Представителями стран БРИКС был подписан устав центра и сформулированы его основные задачи: подготовка высококвалифицированных кадров, определение перспективных направлений научных исследований и разработок, развитие научно-технического сотрудничества стран БРИКС в сфере материаловедения и нанотехнологий, содействие обмену студентов, преподавателей и ученых стран БРИКС.
В октябре 2020 года прошло второе заседание рабочей группы БРИКС с участием представителей министерств науки и технологии и ученых всех пяти стран. Была принята Концепция виртуального сетевого Центра материаловедения и нанотехнологий БРИКС. Головной офис было решено создать на базе УрФУ.
Основные направления развития УЦКП СН:
- повышение конкурентоспособности на рынке исследований и разработок как объекта научной инфраструктуры,
- развитие новых научных направлений, связанных с междисциплинарными исследованиями в области биологии и медицины,
- повышение сложности и расширение перечня услуг с учетом потребностей научных, образовательных и промышленных организаций с привлечением вновь приобретаемого и модернизируемого оборудования,
- освоение новых передовых методик проведение экспериментальных исследований,
проведение исследований с ведущими российскими и зарубежными исследовательскими центрами.
В какой стадии сейчас находятся активные проекты Центра – создание и развитие нового Центра фундаментальной биотехнологии и биоинженерии и Центра по разработке и исследованию функциональных наноматериалов для применений в электронике и биомедицине? Как родилась идея создания таких центров и в чем состоят перспективы их развития?
В рамках выполнения программы повышения конкурентоспособности УрФУ "Проект 5-100" были созданы ключевые центры превосходства. Идея создания центров обусловлена необходимостью поддержать развитие новых направлений исследований. Надеюсь, что они будут развиваться в рамках новой программы "Приоритет-2030".
Центр по разработке и исследованию функциональных наноматериалов для применений в электронике и биомедицине ориентирован на достижение значимых результатов в области научных исследований и инноваций по прорывным научно-техническим направлениям Программы, направленных на создание и исследование перспективных сегнетоэлектрических и сопутствующих материалов, ионных проводников и биоматериалов и развитие методов визуализации их функциональных свойств.
- 1. Электромеханика и нелинейная оптика наноструктурированных сегнетоэлектриков, пьезоэлектриков и биоматериалов и создание устройств на их основе.
- 2. Наноэлектрохимия ионных проводников для литиевых аккумуляторов и источников питания.
- 3. Развитие и внедрение методов визуализации функциональных свойств наноразмерных материалов.
В Центре фундаментальной биотехнологии и биоинженерии проводятся исследования влияния наноматериалов на биологические объекты и использования наноматериалов в биологии и медицине.
- 1. Исследования в области нанотоксикологии совместно с Екатеринбургским медицинским научным центром профилактики и охраны здоровья рабочих промпредприятий.
- 2. Синтез функциональных наночастиц методами лазерной абляции в жидкости.
- 3. Наноструктурирование поверхностей и создание антибактериальных покрытий.
- 4. Биопринтинг – создание объемных моделей на клеточной основе с использованием 3D-печати с сохранением функции и жизнеспособность клеток.
Нанотоксикология. Разработаны методики создания стабильных водных суспензий с высокой концентрацией наночастиц различных оксидов металлов, а также сульфидов Cd и Pb методом лазерной абляции в жидкости с использованием наносекундного лазера.
Суспензии сферических наночастиц использованы для нанотоксикологических исследований. Изменения клеток, вызванные воздействием наночастиц, были выявлены с помощью сканирующей просвечивающей электронной микроскопии. Содержание оксидов металлов в органах подопытных животных определялось методами атомно-эмиссионной спектроскопии и электронного парамагнитного резонанса.
Наночастицы. Продемонстрировано и изучено формирование несферических наночастиц PbO при лазерной абляции поверхности свинца в воде. Выявлена определяющая роль воды в формировании несферических наноструктур. Сделан вывод о том, что неизбежная обработка горячей водой при лазерной абляции в воде качественно изменяет форму наночастиц.
Наноструктурирование поверхностей металлов и полимеров с помощью обработки горячей водой и лазерным излучением для управления смачиваемостью. Создание супергидрофобных и супергидрофильных поверхностей. Изучение самоочищения (эффект лотоса), высокоадгезивной супергидрофобности (эффект лепестка розы) и подводной аэрофильности. Разработан метод формирования наноструктурированного слоя оксида алюминия на поверхности алюминиевой пластины при обработке горячей водой, позволяющий создавать супергидрофильную поверхность. Супергидрофобные поверхности создавались путем обработки тефлоновой пластины с помощью наносекундного импульсного инфракрасного СО2-лазера. Создание регулярных двумерных структур позволило получать суперадгезионные поверхности.
Биопринтинг. Предложен оригинальный метод бесконтактного точного нанесения микрокапель жидкости на подложку с помощью электрогидродинамического эффекта с источником поля на основе пироэлектрического монокристалла танталата лития с созданной стабильной доменной структурой с оптимальной геометрией. Метод успешно использован для печати живыми клетками, помещенными в питательную среду.
Развитие науки связано с передачей знаний и повышением уровня образования молодежи. Расскажите о своей педагогической деятельности, как вы вовлекаете студентов в научный поиск, какие возможности открываются перед студентами в центрах? Наблюдается ли рост интереса молодежи к науке?
В настоящее время я читаю авторский спецкурс по доменной структуре сегнетоэлектриков и руковожу аспирантами. Мне трудно оценивать широко обсуждаемое понижение уровня подготовки студентов, поскольку каждый год в Центр и в лабораторию приходят новые замечательные студенты, начиная со второго курса. Их привлекает возможность проведения исследований с использованием современного научного и технологического оборудования, получения научных результатов с мировым приоритетом и участия с докладами на международных конференциях. У меня постоянно около десяти аспирантов.
За последние пять лет под моим руководством защищено девять кандидатских диссертаций, в том числе две – в рамках совместной аспирантуры с университетом Франции.
Сотрудники Центра принимают активное участие в поиске талантливых абитуриентов и студентов. Они проводят экскурсии школьников в УЦКП СН, руководят школьными проектами, в том числе в проектных сменах образовательного центра "Сириус", а также выпускными работами бакалавров и магистров.
Оглядываясь на свой путь в науке, как вы объясняете его траекторию от изучения сегнетоэлектриков и доменных структур в ферроиках до нанотехнологий и биомедицины? Каким вы видите общий, генеральный тренд развития современной науки в этих областях?
Я начал заниматься исследованиями сегнетоэлектриков после того, как защитил кандидатскую диссертацию по полупроводниковым лазерам. В начале 80-х физики активно исследовали цилиндрические магнитные домены (ЦМД, bubbles) и создали элементы памяти, в которых информация перемещалась в неподвижном носителе. Я мечтал создать аналогичную память на сегнетоэлектрических доменах. Оказалось, что уже тогда, сам того не зная, я впервые занялся нанотехнологиями. Дело в том, что домены в сегнетоэлектриках разделены доменными стенками нанометровой толщины. Через несколько месяцев мы (похоже, первыми в мире) научились записывать субмикронные домены, но убедились в том, что, в отличие от ЦМД, их не удается перемещать. Хотя и не удалось создать память, аналогичную магнитной, меня увлекло изучение доменов и загадочной эволюции доменной структуры. Тем временем все члены сегнетоэлектрического сообщества (и не только они) наперегонки изучали высокотемпературную сверхпроводимость (ВТСП). И только моя маленькая группа продолжала исследовать сегнетоэлектрические домены.
В 1990 году я защитил докторскую диссертацию о доменах, а сообщество убедилось, что создать сверхпроводящие провода не удается, и переключилось на создание сегнетоэлектрической памяти на тонких пленках. Безусловно, мне сказочно повезло – я не следовал за научной модой, а когда в моду вошли домены, то оказался востребованным, и когда в 1991 году для ученых открыли границы, я стал активным членом мирового сегнетоэлектрического сообщества. Участие в мировых научных конференциях и проведение исследований в ведущих научных центрах позволило держать руку на пульсе и заниматься решением актуальных проблем, связанных с изучением и применением сегнетоэлектрических доменов. Следует отметить, что я являюсь единственным участником всех четырнадцати международных конференций по исследованию доменной структуры сегнетоэлектриков (ISFD), первая из которых проходила в Волгограде в 1989 году.
Эти конференции активно путешествуют по миру, а для меня было большой честью провести ISFD-11 в 2012 году в Екатеринбурге. Создание УЦКП НС радикально улучшило экспериментальные возможности нашего коллектива. До этого большую часть экспериментов приходилось проводить за рубежом. Современное высокотехнологичное оборудование Центра не только позволило проводить комплексные уникальные исследования сегнетоэлектриков в нашей лаборатории, но и позволило развивать новые направления исследований, связанные с нанотехнологиями.
Среди перспективных направлений применения сегнетоэлектриков хочется отметить:
- развитие наноэлектроники доменных стенок,
- поиски бессвинцовой пьезокерамики,
- создание биосовместимых пьезоэлектрических материалов,
- использование доменной инженерии для получения материалов с рекордными характеристиками,
- развитие методов преобразования и накопление энергии (energy harvesting).
Какой вы представляете науку в России через 50 лет?
В настоящее время решается кардинальный вопрос – продолжать развитие российской науки в составе единой мировой или возвратиться к изоляции, характерной для советской науки. Я был свидетелем качественного изменения советской науки в начале 90-х, когда открылись границы для свободного общения ученых и наша наука стала полноправной частью мировой. Очевидно, что общение с учеными всего мира и проведение совместных исследований является единственным разумным путем дальнейшего развития российской науки. Опыт прошлого года показал, что современные технологии позволяют быстро, дешево и эффективно реализовывать международное сотрудничество. Очевидно, что для успешного развития российской науки необходимо, чтобы на государственном уровне были приняты решения, направленные на совершенствование образования, повышение авторитета ученых, создание условий для плодотворных исследований и уменьшение пагубной утечки мозгов.
Чтобы вы хотели пожелать нашим читателям?
Стремиться к получению новых знаний. Помнить, что, хотя нанотехнологии уже перестали быть знаменем прогресса, они навсегда останутся одной из важнейших ступеней развития науки и технологий. ■
Отзывы читателей
