Человек Наук. Инженер-химик — о конкуренции современных ученых с советским прошлым
Роман Шишкин — ведущий инженер лаборатории материаловедения и технологии материалов. Он разрабатывает технологию получения нитрида алюминия. Это керамический материал, который хорошо проводит тепло и совсем не проводит электричество.
Нитрид алюминия используют в электронике для изготовления корпусов и подложек интегральных схем, транзисторов. Алюмонитрид может спасти ноутбуки, которые шумят и «виснут» из-за перегрева внутренних деталей. Электронные платы помещают на прокладку из керамического материала, и он отводит тепло от горячей поверхности.
Еще одна область применения продукта — в светодиодах. Использование разработки екатеринбургских ученых снизит стоимость уличных фонарей. Количество светящихся элементов можно уменьшить, увеличив их мощность. Излишек тепла, который они будут выделять, отведет алюмонитрид. Тогда стоимость светильников понизится на 15–20%.
Токарь Виктор Сумин и инженер Роман Шишкин в небольшом токарном цехе рядом с лабораторией.
В промышленности есть несколько способов получения вещества, каждый из которых имеет серьезные недостатки. Роман Шишкин пытается отточить до совершенства новую технологию, которая позволит производить продукт без примесей и из доступного сырья. Ему помогают четыре специалиста.
Виктор Иванович считает, что в случае успеха университетской разработки, екатеринбургские ученые совершат революцию в промышленности.
Мы поговорили с Романом о президентской стипендии в 4 тысячи рублей, нагревании в микроволновке металлической посуды, перспективах науки и немного о патриотизме. Затем вычеркнули свои вопросы и вот что получилось.
О самом замечательном материале
Есть такое замечательное соединение — нитрид алюминия. Это соединение азота и алюминия. Оно выглядит как белый или светло-серый порошок. Его кристаллическая структура (то, как атомы азота и алюминия расположены в пространстве) — шестигранная призма. У него высокая теплопроводность (по сравнению с керамикой и металлами) и низкий коэффициент термического расширения (КТР). Чем выше значение КТР, тем больше материал расширяется при нагревании. Кроме того, нитрид алюминия не проводит электричество.
По данным японской компании, производящей нитрид алюминия, 60% выпускаемого в мире продукта используется в теплорассеивании . Его производят достаточно много — в 2015 году выпустили 1 тыс. тонн. И объемы только растут. Прогнозируют, что производство будет расти на 5% ежегодно — это связано с развитием электроники.
Использование нитрида алюминия может исключить нагревание смартфонов . Перед точным производством два пути — можно уменьшить рабочую температуру телефона благодаря использованию алюмонитрида или оставить температуру на том же уровне, увеличив мощность процессора — несмотря на то, что он будет греться сильнее, алюмонитрид отведет излишки тепла.
Нитрид алюминия широко применяется в светодиодной технике.
Проблема только в методах получения. У нас в стране есть старая технология — самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Он выглядит как горение термита. Это разработка Советского Союза. Производство дешевое, быстрое, замечательно масштабируется. Недостаток состоит в том, что продукт получается очень грязный. Если в нитриде алюминия будут даже небольшое количество примесей, то теплопроводность резко упадет. А именно за нее он и ценится.
Выходит, есть дилемма — либо очень дорогой порошок нитрида алюминия (от 1 тыс. долларов за 1 кг) с хорошими характеристиками, либо по приемлемой стоимости и непригодный для работы. Следовательно, необходимо удешевить производство и повысить качество продукта , и тут появилась идея.
О рождении идеи
Получить особо чистый алюминий можно с помощью дистилляции через субгалогенидные соединения . Берем трифторид алюминия — он выглядит как соль, смешиваем его с алюминиевой пудрой. При нагревании этой смеси образуется соединение, которое может существовать только в небольшом диапазоне высоких температур. Когда температура понижается, оно распадается: образуется чистый алюминий, а газообразный трифторид оседает на стенках.
У нас появилась идея: почему бы не подать туда азот? Так возник наш газофазный синтез. К соединению, которое я описал, подаем азот, и образуется нитрид алюминия, который нам нужен, и трифторид алюминия. Сейчас мы работаем над тем, чтобы добиться осаждения в разных зонах тигля, чтобы нитрид образовывался в одной части камеры, а трифторид в другой. По сути, будут расходоваться только алюминий и азот — это достаточно дешевые вещества.
Перед защитой диссертации Роман Шишкин тренируется объяснять технологию получения нитрида алюминия на пальцах.
Преимущества нашего метода: очистка алюминия, хорошая производительность, экологичность, доступное и безвредное сырье, простая в изготовлении аппаратура.
О самодельном оборудовании и продаже научных разработок
Установку для производства нитрида алюминия мы собирали самостоятельно. Корпусные детали и реакционную камеру нам изготовили по заказу. А мы затем организовали монтаж и пуско-наладочные работы. Часто элементарные вещи нам вытачивает токарь.
Сама установка состоит из нескольких зон — внизу для соли трифторида алюминия, над ней камера для расплава металлического алюминия, через которую соль испаряется. Внешний диаметр реакционной камеры — 174 мм, длина — около 1 метра. Периодически мы ее меняем, ремонтируем и переделываем. Для работы пришлось изучить принципы теплоизоляции, проектирования, собрать пульт управления и систему подачи газов, в общем, стать специалистом широкого профиля.
Процесс внутри установки протекает при температуре от 1150 до 1300 °С.
Часто мы применяем в опытах самые бытовые предметы. Например, микроволновки частотой 2,45 ГГц. От бытовых они отличаются мощностью. Кухонная микроволновка для опытов все же слабовата — у нее мощность 800 Вт. А промышленные могут быть мощностью несколько киловатт. В бытовой, например, мы можем разогреть чуть-чуть раствора, а в промышленной — вещества, которые не поглощают излучение.
Можно, конечно, и металлический порошок нагреть. Только микроволновка заискрит и может полететь магнетрон, поэтому не советую ставить такие опыты дома.
Жертва научных опытов — микроволновка с дырой в корпусе.
Есть такой конкурс «Умник», я его выигрывал в 2012 году. Я тогда занимался проектом по термопастам и работал с Уральским оптико-механическим заводом. Получил неплохие отзывы, но проблема в том, что в большом количестве я эти пасты пока сделать не могу, поэтому сейчас я отрабатываю масштабирование технологии, чтобы позже внедрить ее в производство, и тестирую термопасты на собственном компьютере. Может, когда-нибудь и на МКС термопасту запущу.
О работе, отдыхе и «Доте»
Я не считаю, что время, пока я нахожусь в лаборатории, целиком занято работой. Думать над одним вопросом восемь часов подряд очень тяжело. Зачастую идеи по проведению эксперимента приходят неожиданно. Если посчитать мою полезную работу вместе с экспериментами и подготовкой к ним, выйдет четыре часа в день — не так много.
Загадывать, когда я закончу проект, сложно — может, светлая идея, которая не заметна с первого взгляда, придет только через какое-то время. Дедлайна у меня нет, но мне бы хотелось к середине 2020-х все доделать. Я уже семь лет работаю над производством нитрида алюминия и совершенствованием установок. Перед нами стоит сложная инженерная задача — нужно реализовать цепочку химических реакций, которые уже изучены. Сделать так, чтобы они произошли с необходимым результатом.
Огромную установку постоянно совершенствуют. Если проект удастся успешно завершить, производство наладят в 2030-х гг.
Все эти инженерные работы — изготовить установку, переделать ее, разобрать, собрать — занимают много времени. Еще больше уходит на планирование и решение задач. Даже сейчас у меня в лучшем случае проходит один эксперимент в неделю, хотя все работает и не нужно что-то чинить. День-два нужно на подготовку, еще день на проведение, потом сутки на разгрузку. Ожидание результатов, анализ предыдущего эксперимента и прогноз — все требует времени.
Иногда люди работают над одним проектом десятки лет , ведь это длинное и кропотливое занятие, а не потому, что ученые ленятся и чаи гоняют. Могут быть трудности, в том числе недостаток финансирования, — тогда больше времени уходит на то, чтобы выкрутиться и продолжить исследование всеми возможными способами.
У нас очень много мыслительной работы, поэтому нужно тратить время на отдых . Если будешь активно долго думать, мыслительная активность упадет, а глаз замылится. Я согласен с тем, что за 20% времени можно сделать 80% работы — это мой личный стиль. Будучи студентом, во время сессии я готовился буквально по два часа в день — час утром и час вечером. А между этим гулял, развлекался…
Сейчас я отвлекаюсь по-другому. В последнее время я немножко подсел на киберспорт. Но не на Dota, а на стратегию в реальном времени StarCraft II. Я добился неплохих результатов: играю на командных турнирах за хорошую любительскую команду, тренируюсь в преподавании — обучаю ребят из низших лиг. Если на базе университета когда-нибудь будут такие соревнования, с радостью приму в них участие. Кстати, как доказали исследования, игры развивают когнитивную гибкость мышления. То есть принятие решений происходит быстрее, мыслишь креативнее. Помогают и всякие стандартные вещи — погулять и послушать музыку.
О деньгах, проблемах и перспективах
С сентября я получаю президентскую стипендию и стипендию правительства по приоритетным направлениям науки. За время обучения в аспирантуре я получал разные стипендии и могу рассказать об их величине. Президентская стипендия — 4,5 тысячи рублей ежемесячно. Губернатор платит по 2 тысячи в месяц. Правительство — 3,5 тысячи в месяц. Стипендия по приоритетным направлениям от правительства — 11,5 тысяч. У президента — на 2 тысячи побольше. Но самая интересная для нас стипендия — для молодых ученых. Стипендиаты получают по 22,8 тысячи в месяц в течение трех лет. Жду сейчас результатов по ней, может, дадут.
Чтобы закончить проект, ученым нужно еще немного денег — от полумиллиона до миллиона рублей.
Некоторые гранты на исследования предлагают смешные деньги. Например, 700 тысяч рублей в год. Кажется, что это много. Но представьте, сколько человек и какую зарплату получат? Это два человека год будут работать, но больше ничего не приобретут для проекта. Если они купят — урежут свой доход. Нужно учесть, что при отсутствии грантов зарплаты низкие. Может, в параллельном мире считают, что в университетах средняя зарплата 30 тысяч рублей. На самом деле инженер получает чуть больше МРОТ (с 1 июля в России минимальная зарплата — 7,8 тысяч рублей, — прим. ред.).
Возьмем Российский научный фонд. Они дают гранты 4 – 6 млн рублей — на эти деньги можно содержать четырех человек и что-то еще купить. Есть и более крупные гранты. Пока с финансированием у нас проблемы. Между грантами появляются перерывы.
У меня такое ощущение, что мы застряли между Советским Союзом и Западом. Прямо на середине пути. Как я представляю, у ученых на Западе никакой зарплаты нет, только гранты. Но у них механизм: закончили научно-исследовательские работы, отчитались, продлили грант. Таким образом, проект ведется до конца. У нас такого нет.
Станок в токарном цехе, который выпускался на заводе «Ижмаш» с середины 1960-х гг.
Я не спорю, на старых жилах, на старой закалке ведутся хорошие работы , и научные группы получают неплохие результаты (в основном, фундаментальные, ведь в прикладных российское производство не заинтересовано). Но зачастую это получается самодельно — ту же установку мы собственноручно собирали по частям. Печки сами кладем, потому что покупать новые дорого. Зато дополнительный опыт в теплотехнике и приборостроении.
Мне кажется, надо улучшать инфраструктуру, обновлять оснащение лабораторий . Те ученые, которые получают хорошие гранты, сами этим занимаются. Сложно работать, когда нет хорошего оборудования. Если оно появится, увеличится количество публикаций, разработок, вузы поднимутся в рейтинге, промышленности получит перспективы модернизации и драйверы роста, студенты — работу на новом оборудовании. Нужно только заняться этим.
По-моему, у нас в науке есть еще одна большая проблема: 90-е годы повлияли на количество исследователей . Многие ученые, окончившие вузы в 1980–1990-х гг., уехали за границу. Даже в нашей лаборатории это чувствуется. Мой научный руководитель прошел советскую школу, а кандидаты наук защитились в начале 2010-х гг., выходит огромная разница в возрасте. Не хватает связующего звена между опытными учеными и начинающими инженерами. Из-за этого происходит недопонимание, конфликт мировоззрений, подходов, возникают трудности в передаче опыта.
Я не ухожу из науки, потому что мне хочется достичь поставленной цели. Есть любознательность. И, честно говоря, не теряю надежды внести свой вклад в российскую науку. Ну и собственные задачи есть — собираюсь защищать кандидатскую в следующем году.
