http://93.174.130.82/digest/showdnews.aspx?id=c6c70b2a-bca9-4a1e-acd4-8642e4ed6584&print=1
© 2024 Российская академия наук

Вся наука становится практичной

В России есть компетенции практически во всех направлениях наук о материалах. Наиболее близки к новым прикладным решениям разработки в области химических источников тока, микро- и оптоэлектроники

Заведующий лабораторией новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ Алексей Тарасов

«Пришло время сфокусироваться на реальных проектах, а не продолжать пытаться еще больше усовершенствовать систему», — заявил Алексей Тарасов, заведующий лабораторией новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ, на открытии Сообщества молодых ученых Москвы, прошедшем 5 июня в Президиуме РАН. На этом мероприятии молодые ученые, в том числе лауреаты премии молодым ученым правительства Москвы, обсуждали форматы сетевого взаимодействия в целях развития научного потенциала столицы, включая работу со школами в рамках популяризации науки и профориентацию абитуриентов. Но особый интерес вызвала дискуссия о взаимодействии ученых с бизнесом и решении конкретных технологических задач промышленности.

Факультет наук о материалах МГУ, который представляет Алексей Тарасов, был создан еще в 1991 году, то есть это один из старейших факультетов в мире в области фундаментального материаловедения. Он готовит специалистов, нацеленных на создание и усовершенствование новых материалов. Это относительно небольшой факультет МГУ, на котором с момента его создания эффективно реализована система вовлечения студентов в реальную научную работу с их первых же дней в стенах Университета. Оказываясь в коллективах ведущих ученых классических факультетов МГУ (в первую очередь химического, физического, механико-математического) и институтов РАН, студенты уже во время учебы получают практический опыт научной работы на высоком профессиональном уровне, становятся соавторами научных статей в высококлассных журналах, (в этом году на 21 защитившего бакалаврские дипломы выпускника факультета пришлось в сумме 39 научных статей с их соавторством) и лауреатами престижных научных конкурсах.

Алексей Тарасов рассказал «Эксперту» об актуальной ситуации в науке о гибридных материалах для солнечной энергетики, других передовых направлениях наук о материалах и о том, как, по его мнению, можно эффективно обеспечить встречу науки и реального производства в России.

— Наука о материалах — это комплекс дисциплин, посвященных созданию новых и усовершенствованию уже существующих материалов, их глубокому анализу с точки зрения химических и физических процессов. Это очень прикладная наука, но в то же время и фундаментальная, я предпочитаю определение «направленная наука». Мы исследуем вполне фундаментальные вещи, например природу изменений в материале под действием света. Но отличительная черта нашего подхода в том, что мы с самого начала стараемся понять, где можно было бы применить наши результаты, на что это может повлиять с практической точки зрения.

Сейчас почти вся наука становится такой практикоориентированной. Больших неотвеченных вопросов бытия осталось не так уж много, титаны двадцатого века очень хорошо поработали, с высоты их плеч открываются удивительные горизонты. Есть вопросы, которые хоть и являются фундаментальными (например, каков механизм кристаллизации определенных веществ из раствора), но ответ на них имеет строго прикладной смысл — это влияет на функциональные свойства получаемых материалов. Именно практический смысл мотивирует нас исследовать эти вопросы. Науки о материалах с этой точки зрения — это определенный подход к исследованиям, нацеленный на то, как применить на практике знания о химии, физике, механике материалов.

В принципе, все, что нас окружает, — это материалы. Вот компьютер, по которому мы сейчас беседуем: его монитор, в который мы смотрим, батарея, от которой он питается, кнопки, которые мы нажимаем, — это либо сложные современные функциональные материалы, либо конструкционные пластики и металлы. Это все кажется привычным и естественным, мы забываем, что за этой естественностью стоит непрерывная работа по созданию материалов, без которой неминуема деградация уровня развития общества. К примеру, достаточно перестать делать катодный материал для аккумуляторов — и все, привычный нам мир исчезнет: нет аккумуляторов — нет и сотовых телефонов, компьютеров.

— Примерно всеми направлениями наук о материалах в России сейчас занимаются коллективы ученых в разных организациях. И это очень хорошо и принципиально важно. Например, если мы сейчас не производим LCD- или OLED-телевизоры в России, то не потому, что у нас нет соответствующих научных компетенций, а потому, что это невыгодно экономически. Для их производства требуются очень большие машины, огромные камеры вакуумного напыления, которые экономически целесообразны, только когда загружены на сто процентов при потоковом производстве. Поэтому мы, как и многие страны в мире, покупаем заготовки дисплеев у мейджоров-производителей. Но в то же время в России есть исследователи, которые понимают, как эти телевизоры создаются, разрабатывают отдельные материалы для их создания, тестируют их на лабораторных образцах, могут создать единичные светодиоды, небольшие массивы, маленькие экраны.

И это важно, потому что времена всегда меняются, когда-то мы что-то не производили, а потом оказалось, что производить это надо. И для этого должна существовать научная школа, то есть люди, которые не просто знают, как в принципе собрать светодиод, а системно, на фундаментальном уровне понимают, как он работает и как их эффективно производить. По моему ощущению, у нас практически по всем таким горячим тематикам есть компетентные научные коллективы. Поэтому, если случится глобальная катастрофа и придется заново, как у Жюля Верна в «Таинственном острове», создавать с нуля технологические цепочки, изобретать заново ничего не придется, технологии и понимание, как это работает, есть в России.

Лаборатория новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ, которую я возглавляю, занимается в первую очередь тонкопленочными солнечными элементами. Это в хорошем смысле «горячая» научная тематика в мире. Солнечная энергетика, можно сказать, самое логичное, прямое преобразование солнечной энергии в электричество, ведь любая «зеленая» энергетика в конечном счете солнечная — и ветряная (ветер от солнца), и гидроэнергетика (вода от солнца переконденсируется), — а тут солнечный свет преобразуется сразу в электрический ток, который потечет по проводам к потребителю. Есть ряд применений, где вообще никакой энергетики, кроме солнечной, не существует, например космические спутники, необходимые для телекома. Доминирующая в мире технология солнечной энергетики — кремниевая. И, кстати, у нас в Чебоксарах есть завод компании «Хэвел», который выпускает по российской технологии кремниевые солнечные элементы, технология доработана в России отечественными учеными до мирового уровня, там есть свои ноу-хау, патенты. Это очень здорово, один из самых эффективных заводов в мире с точки зрения КПД производимых панелей, однозначно повод для гордости.

То, чем занимаемся мы, — это солнечные элементы следующего поколения, так называемые перовскитные. Они потенциально намного дешевле, чем кремниевые, потому что не требуются энергоемкие высокотемпературные процессы при их создании, толщина перовскитного солнечного элемента в пятьдесят раз меньше толщины человеческого волоса. Но есть и существенная проблема — нестабильность материала. Мировому научному сообществу приходится придумывать массу ухищрений, как повысить стабильность перовскитных материалов (она уже достигает тысяч часов непрерывной работы) и разрабатывать новые способы масштабируемого получения перовскитных солнечных элементов.

В частности, у нас с индустриальным партнером есть корпус международных патентов, локализованных во всех основных странах, на оригинальный способ формирования слоя гибридного перовскита. В мире этой тематикой занимается множество групп, а в России всего несколько коллективов, но все они мирового уровня. Помимо МГУ, которой я представляю, есть лаборатория функциональных материалов для электроники и медицины в Исследовательском центре проблем химической физики и медицинской химии РАН в Черноголовке, лаборатория перспективной солнечной энергетики в МИСИС. В принципе, говоря о тематике исследований даже этих трех коллективов, она не ограничивается солнечными элементами. Например, мы занимаемся рентгенолюминесцирующими материалами, детекторами рентгеновского излучения, у коллег из Черноголовки второе серьезное направление работы — это аккумуляторы, химические источники тока.

— Пионерская статья о возможном применении перовскитов для солнечной энергетики была опубликована в 2009 году. В 2010-м было ноль статей по этой тематике, потому что те (еще не весь мир, а отдельные исследователи), кто в этом увидел потенциал, у себя в лабораториях этим начали заниматься, но публиковать было пока нечего. В 2011 году появились вторая статья. А вот с 2012-го начался экспоненциальный рост публикаций, бум статей по теме. Для справки: вообще, перовскит — это название минерала, открытого в Уральских горах еще в 1839 году (и названный в честь графа Льва Перовского). К перовскитам, которыми мы занимаемся, он не имеет ни малейшего отношения. Имя давно известного минерала получила определенная кристаллическая структура типа АВС3, самые разные вещества, обладающие такой структурой, называются перовскитами. Перовскиты, которыми занимаемся мы, — это гибридные соединения галогенидов свинца и органических аминов.

— В мире никто пока не производит перовскитные солнечные элементы. Пионер нашего направления профессор Оксфордского университета Генри Снайс создал в свое время компанию Oxford PV. Эта компания буквально на днях опубликовала пресс-релиз о том, что наконец сделала то, что планировала сделать еще до пандемии, в 2019 году: запускаемый ими в Германии завод по производству тандемных перовскитно-кремниевых элементов произвел первый прототип тандема промышленного размера. Технические характеристики пока не разглашаются, видимо, это коммерческая тайна. Но это первая серьезная заявка на коммерциализацию технологии, в рекордные для современных технологий сроки. Но даже у лидера направления Oxford PV от планов «мы откроемся в следующем году» до реального прототипа ушло четыре года, и это показывает, насколько эта научная тема оказалась действительно непростой.

— Однозначно. Я сейчас вспоминаю первые доклады на разного рода семинарах, в особенности непрофильных, когда делались первые обзорные сообщения о появлении перовскитной фотовольтаики как новой научной темы, иногда там звучало примерно следующее: «Вы представляете, его можно практически просто кисточкой намазывать на поверхность, и эта поверхность становится солнечным элементом». Казалось, что перовскит можно наносить прямо из раствора, не нужно, как в случае кремния, растить монокристаллы при 1000 градусов, потом резать их на пластины нитевидной алмазной пилой. Но оказалось, что прямо кисточкой нельзя. То есть с КПД в пять процентов можно, но если на уровне текущего мирового лабораторного рекорда в 26 процентов, то потребуются «кисточки» стоимостью в миллионы рублей, специальные сложные установки.

Но тем не менее область постепенно прогрессирует и сейчас выходит в стадию зрелости, когда ажиотаж вокруг начинает снижаться, а исследователи методично разбирают задачи на подзадачи, оптимизируют каждый компонент и этап изготовления устройства, последовательно проверяют все гипотезы. Началась кропотливая и глубокая научная работа. Я думаю, что как раз из такой работы рождаются технологии.

— Если вопрос стабильности удастся решить или обойти, то развертывание производства того или иного нишевого продукта — это вопрос двух-трех-четырех лет. Но повторюсь: для этого потребуется ответить на некоторые фундаментальные вопросы. Это достаточно стандартный научный поиск — ни у кого нет пока ответов, только созвездие гипотез. Если удастся найти решения и новые подходы, на что мы очень сильно рассчитываем, то производство строить будет недорого, там не нужно будет таких сложнейших установок, как для роста монокристаллического кремния. Хотя, честно скажу, сложности есть, с точки зрения устройства перовскитный солнечный элемент гораздо сложнее, чем кремниевый.

— Я боюсь вас разочаровать, но у вас очень романтический образ ученого, который делает ставку ва-банк и посвящает всю свою жизнь одной идее. Мы просто стараемся добросовестно и качественно заниматься исследованиями в конкретной области, стараемся дойти до конечного решения и до продукта. Но в процессе научной деятельности всегда накапливаются новые знания, новые подходы, которые могут пригодиться не только для текущей задачи создания нового поколения солнечных элементов, но и в разных других областях — тонкопленочных технологиях, новых гибридных материалах. В этом смысле качественная наука в хорошем смысле беспроигрышна.

И вот пример. Профессор Майкл Гретцель в 1991 году открыл солнечные элементы, названные его именем (покрытые относительно дешевым светочувствительным красителем солнечные батареи на основе пористых полупроводниковых оксидов), а занимался он в это время проблемами искусственного фотосинтеза. Ячейки Гретцеля достаточно быстро вышли на предел своего КПД и замерли около 13 процентов, с этого значения уже двадцать лет как не сходят. Они даже коммерциализованы, есть два завода в мире, которые производят такого типа солнечные элементы. Долгое время весь мир пытался эту область как-то толкнуть еще, но она не поддавалась. И вдруг, занимаясь ячейками Гретцеля, ученые из Японии предложили в них вместо красителя использовать новый материал — гибридный перовскит. И вот спустя несколько лет появился принципиально новый класс устройств, КПД которых скакнул уже до 26 процентов, это уникальная скорость прогресса технологии. Может быть, так окажется (это научная фантазия), что в процессе исследований перовскитов для солнечных батарей мы откроем новые материалы не для поглощения, а для генерации света, квантовые точки на основе гибридных перовскитов уже обгоняют по яркости всех конкурентов, на них созданы прототипы QD-OLED-дисплеев.

Мы не знаем, чем закончится эта история. Для меня самое важное — заниматься наукой ответственно и качественно, в этом случае и реализовывается расхожее выражение, что в науке не бывает отрицательных результатов. Я бы переформулировал: в хорошей науке не бывает отрицательных результатов, она каждый день открывает новые двери.

— Вы будете смеяться, но пока перовскитные солнечные элементы, которые должны лежать под солнцем и, очевидно, при этом нагреваться, боятся света и тепла. Это плата за уникальные свойства перовскитов как полупроводников и простоту их синтеза. Они, даже имея колоссальный уровень концентрации дефектов — в тысячу раз выше, чем у любых других известных полупроводников, — практически не теряют своих свойств. Это связано с определенной мягкостью кристаллической структуры, ее пластичностью. Но есть и обратная сторона: они нестабильны, и требуются разные ухищрения — для повышения устойчивости идет подбор компонентов, которые находятся в контакте с гибридным перовскитом внутри устройства.

Работа в этом направлении активно продвигается. В первой статье 2009 года перовскитный солнечный элемент работал всего пятнадцать минут, его КПД было просто проблематично успеть измерить после изготовления, он деградировал на воздухе. Сегодня хорошие перовскитные солнечные элементы с правильно подобранными компонентами устройства, инкапсулированные по хорошей методике, работают тысячи часов даже под постоянным освещением (это стандартный тест на прочность, когда солнечные элементы помещают в условия «бесконечного» дня), рекордные по стабильности устройства могут непрерывно функционировать как минимум один год. От пятнадцати минут мы дошли до года. Для коммерциализации, тем не менее, нужно добиться стабильной работы устройств в течение пяти‒десяти лет, и мы двигаемся к этому.

Новые подходы могут пригодиться не только для задачи создания нового поколения солнечных элементов, но и в разных других областях — тонкопленочных технологиях, новых гибридных материалах. Качественная наука в хорошем смысле беспроигрышна

— Наиболее близкая лично для меня область из относящихся к критически важным и развивающихся в России на высоком научном уровне — это химические источники тока. У нас есть выдающаяся научная школа, ключевой фигурой которой является член-корреспондент РАН Евгений Антипов, вокруг которого сформировалось целое созвездие коллективов и компаний, которые занимаются аккумуляторами. У коллег есть и мировые рекорды, и патенты на собственные разработки мирового класса, есть и, насколько я понимаю, планы по строительству производства в России. Наверное, это первое, что бы я отметил. Второе — это все, что связано с микро- и оптоэлектроникой. Несмотря на то что российская микроэлектроника в свое время испытала колоссальный удар недофинансирования, у нас сохраняются определенные элементы советской школы в области разработки разного рода оптоэлектронных и микроэлектронных устройств. В Зеленограде целый кластер заводов и инновационных компаний, производят устройства связи нового поколения в области фотоники. В России есть компания «СуперОкс», являющаяся одним из трех мировых лидеров в производстве сверхпроводящих лент, кстати, тоже родившаяся когда-то в стенах Московского университета.

— Полимеры лежат в стороне от моих профессиональных компетенций, но на факультете наук о материалах каждый год несколько студентов первого курса приходят заниматься наукой в лаборатории кафедры высокомолекулярных соединений химического факультета, Института синтетических полимерных материалов (ИСПМ) имени Н. С. Ениколопова РАН. Мне кажется, самое интересное сейчас происходит в области умных полимеров, научной школе академика Алексея Хохлова. Огромные перспективы у применения полимеров в биомедицинских целях, в создании молекулярных устройств доставки лекарств, создании разного рода биоимплантов и носимых устройств. Есть очень интересные работы по созданию искусственных мышц на основе электропроводящих полимеров, разработки в области органической электроники. Этим, в частности, занимается в ИСПМ коллектив члена-корреспондента РАН Сергея Пономаренко.

Из всех материалов полимеры, (если не брать конструкционные материалы, стали и бетон), наверное, самый многотоннажный класс. Это очень интересная область, наверное, больше половины всего, что нас окружают, так или иначе создано с использованием полимеров.

Солнечная энергетика развивается даже в снежной России

Мы должны научиться производить конкретные товары, без этого　не будет ни уровня жизни, ни науки, ни технологий. На мой взгляд, инновации надо поддерживать через те компании, которые уже что-то производят в России, пусть　даже не самое современное

— В свое время на меня большое впечатление произвела статья в «Эксперте» «Мы ничего не производим» (см. № 47 за 2012 год. — «Эксперт»). Должен признать что мой интерес к практической науке и технологиям во многом вырос на журнале «Эксперт». Мы должны научиться производить конкретные товары, без этого не будет ни уровня жизни, ни науки, ни технологий. Поэтому, на мой взгляд, инновации надо поддерживать через те компании, которые уже что-то производят в России, пусть даже не самое современное и не самое рыночно успешное, главное — производят. Например, если какая-то российская компания производит двигатели и им нужна конкретная деталь из нового материала с конкретными свойствами, мне кажется логичным помогать им целевыми субсидиями для заказа необходимых исследований у российских ученых.

На любую такую задачу можно найти научную группу, готовую взяться за поисковые или прикладные исследования. Я часто бываю на выставках, на отечественных предприятиях и знаю, что российские производители работают почти всегда на грани, реальное производство — это всегда непростой хлеб. Иногда цена вопроса небольшого требуемого компании исследования не очень велика, несколько миллионов рублей, но у российских производителей нет даже таких свободных ресурсов на то, чтобы инвестировать их в работу ученых.

Я уверен, что в нашей стране должно быть реальное производство, вообще любое, лучше всего высокотехнологичное. Может быть, и правильно мотивировать студентов и молодых ученых создавать стартапы, но ведь не всем ученым это подходит, да и нужно не всем. В этом контексте я не могу не отметить последние инновации Российского научного фонда — важнейшего отечественного института развития науки, который открыл новую линейку проектов для поддержки научных и прикладных исследований, инициированных промышленными предприятиями, для решения их конкретных производственных задач и создания инновационной продукции. Очень хочется надеяться, что эксперимент окажется удачным и будет расширяться.

— Отчасти. Я хотел бы отметить, что та же «Роснано» реализовала в итоге действительно много хороших проектов, участвовала в финансировании реальных высокотехнологичных производств в России. Уметь и реально производить в России что-то высокотехнологичное, мне кажется, важнее того, насколько это прибыльно. Ловушка, в которую мы часто попадаем последние годы, кроется в стремлении гарантированно зарабатывать на, по сути, венчурных инвестициях. А гарантированно могут выстрелить (а могут и нет!) разве что отдельные точечные проекты, в режиме их ручного взращивания. Посевной же подход не создает немедленную прибыть, его функция — формирование питательной среды, это другая, масштабная и очень сложная задача.

— РНФ отлично делает свое дело, это важнейший механизм поддержки реально работающих научных групп в России. Было бы очень здорово, чтобы фонд имел в своем распоряжении больше ресурсов, мог поддерживать все проекты, которые положительно оценены экспертизой, а не только лучшие из лучших. Одновременно с развитием конкурсного финансирования, под отдельные проекты, должна быть подтянута и система базового финансирования науки — госзадания. Финансирование эффективно и стабильно работающих и продуктивных групп должно давать возможность вести исследования не по грантам, а в штатном режиме. Серьезная наука не делается короткими двух-трехлетними проектами, по-настоящему хорошие результаты рождаются там, где возможен горизонт планирования хотя бы на пять-десять лет вперед.

— Сейчас активно развиваются различные меры поддержки молодых научных коллективов и малых научных групп, и это очень хорошо, много молодых исследователей остаются работать в России, потому что видят возможность достойно жить и трудиться на мировом уровне. С другой стороны, основным телом науки все-таки должны быть зрелые, устоявшиеся и накопившие опыт коллективы. Мне не кажется объективной картина мира, в которой рядом с какими-то мифическими закостеневшими научными школами откуда ни возьмись возникают совершенно новые направления и молодежные лаборатории. Нет такого безвоздушного пространства, в котором вращаются новые самозарождающиеся научные направления и молодые ученые, ожидающие, где бы им вместе приземлиться. В реальности чаще всего происходит отпочкование новых направлений и научных групп из давно и продуктивно работающих коллективов. Может быть, мне повезло, но я не встречал ситуаций, когда научные руководители сопротивляются появлению в коллективе новой тематики или направления, чаще они сами больше всех заинтересованы в таком развитии.

— У нас традиционно довольно широкое общение с зарубежными коллегами, это важно для развития науки. Но я бы различал фундаментальные научные результаты, которые продвигают фронт научного знания в целом, глобально во всем мире, и практические разработки, которые могут быть применены в конкретном производстве. Если бы я открыл что-то с прикладным потенциалом, понимая, что никто в мире в течение, скажем, лет десяти это повторить не сможет, я бы точно это публиковать и обнародовать не стал, а возможно, и патент получать тоже не торопился бы. Гораздо интереснее такие вещи пробовать довести до продукта и его производить просто в режиме ноу-хау, в первую очередь в России.

— А что у нас с проблемой научного оборудования, приборов и реактивов в условиях санкций?

— С этим всегда было сложно, сейчас просто новый виток старой истории. Но он в то же время и дает определенный стимул. Вы, наверное, слышали про проект «Наша лаба» — онлайн-каталог для поиска и продвижения отечественных производителей научного оборудования и реактивов? («Наша лаба» — народный каталог научного оборудования и расходных материалов, разработанный Координационным советом по делам молодежи в научной и образовательной сферах Совета при президенте РФ по науке и образованию. — «Эксперт»). Я знаю коллег, которые этот проект делают, просто подвижническим образом, это просто потрясающе, абсолютно в правильное русло. Если внимательно изучить их сайт, можно, наверное, было бы сделать новый спецвыпуск «Эксперта» уже про то, что мы, к счастью, много чего производим, как минимум для научных исследований.

Мы у себя в лаборатории сейчас, в том числе благодаря этому проекту, используем большое количество отечественных расходных материалов, реагентов, приборов. Они дешевле, такого же качества, что и западные. И этот проект, что характерно, пришел не сверху, это сами ученые, конкретный человек, ведущий научный сотрудник Института неорганической химии имени А. В. Николаева Сибирского отделения РАН, профессор РАН Сергей Адонин с коллективом единомышленников придумали и сделали.

Мне кажется, это очень показательный и хороший пример, на который нужно ориентироваться и обязательно поддерживать. Например, на профессиональных выставках, проходящих в России, «Экспо Электроника», «Вакуум Экспо» и других, стоило бы предусмотреть постоянное бесплатное место для стенда проекта «Наша лаба», он ведь не коммерческий. Может быть, кто-то скажет, что это нерыночно, но зато это классно и точно нужно. И пусть лучше оно будет классно, чем рыночно, с моей точки зрения.