Субмарини, Хабл і донбаські шахти: де працюють п'єзоелектрики

Вадим Приседський Копирайт изображения Vadym Prysedskyi
Image caption Нині професор Приседський займається більше теоретичними, а не прикладними питаннями

Вадим Приседський - доктор хімічних наук, професор, живе і працює в Донецьку, в Національному технічному університеті.

Офіційний Київ, зі зрозумілих причин, визнає тільки ту частину ДонНТУ, яка переїхала до Красноармійська, на контрольовану урядом територію. Залишивши за дужками політичні питання, ВВС Україна через відеозв'язок розпитала професора Приседського про його наукові інтереси.

ВВС Україна: Ви займаєтеся дослідженнями твердофазних функціональних матеріалів. Що це таке?

Вадим Приседський: Моя сфера науки в широкому сенсі - це хімія твердого тіла. Але якщо говорити про прикладний бік, то це твердофазні матеріали.

Чому функціональні? Ми розрізняємо, наприклад, конструкційні, грубо кажучи, "глухі" матеріали - як ось ця стіна (Показує рукою на стіну за спиною. - Ред.). Я можу по ній постукати, але якось цікавіше "поспілкуватися" з нею не можу.

Функціональні матеріали відрізняються тим, що вони здатні реагувати і перетворювати зовнішні впливи. Наприклад, перетворити механічні, акустичні, оптичні та багато інших впливів у сигнал, який можна детектувати. Це активні матеріали.

Ми з колегами найбільше уваги приділяли п'єзоелектрикам. Це речовини, які реагують на механічний тиск. Якщо здавити такий п'єзоелектрик (Бере "пальчикову" батарейку і натискає на неї з обох боків. - Ред.), то на його поверхні з'явиться електричний заряд, який можна потім використовувати. Механічний тиск перетвориться на електричний сигнал.

Зворотний п'єзоефект - це, навпаки, коли електричний сигнал, прикладений до електродів зразка, перетворюється на механічну деформацію. Саме це і дозволяє застосовувати п'єзоелектрики в багатьох прикладних завданнях.

П'єзоефект був відкритий братами П'єром і Жаком Кюрі на кристалі кварцу. Проте нині частіше застосовуються полікристалічні (іншими словами, керамічні) п'єзоматеріали - вони складаються з величезної кількості мікроскопічних зерняток. Кожне зернятко - це окремий кристал зі своїм порядком кристалічної решітки. У сусідньому зерні вже інша орієнтація решітки. За хімічним складом - це складні оксиди, найчастіше - цирконат-титанат свинцю або титанат барію.

ВВС Україна: А яке практичне застосування керамічних п'єзоелектриків?

В. П.: До розпаду Радянського Союзу ми велику увагу приділяли п'єзоматеріалам для сонарів - це очі й вуха підводних човнів. Вони випромінюють і приймають гідроакустичні імпульси. До речі, так само спілкуються дельфіни, кити й інші морські тварини. Ці імпульси відбиваються, ловляться і можна визначити, де розташований об'єкт, отримати іншу інформацію.

Існує величезний діапазон інших застосувань: мікрофони і гучномовці, слухові апарати і сейсмоприймачі, п'єзозапальнички та електричні детонатори, п'єзоскальпелі, датчики прискорення і тиску газу або рідини. А ще це такі елементи електричних та електронних схем, як мініатюрні п'єзотрансформатори, електричні фільтри або лінії затримки сигналів.

Image caption Максимально точне позиціонування "Хаббла" досягається завдяки п'єзоелектрикам

Крім того, є ще п'єзодвигуни. Подаємо напругу необхідної величини і частоти - і отримуємо обертовий ротор або рухомий штовхач. Перевага в тому, що ця робота дуже дозована. Це може бути ультрамікроскопічне переміщення. На цій основі створюються п'єзопозиціонери. Скажімо, на космічному телескопі "Хаббл" п'єзоелемент здійснює дуже тонку і точну переорієнтацію об'єктива в межах часток кутової секунди. П'єзопозиціонер управляє зміщенням зонда сучасного атомно-силового мікроскопа, здатного не тільки бачити окремі атоми (вікова мрія вчених!), але і переміщати, маніпулювати ними.

ВВС Україна: Те, чим ви займаєтеся, це більше фундаментальна наука чи прикладна?

В. П.: Якщо займатися наукою послідовно, то доводиться робити і те, й інше. Ось, наприклад, (Показує книжку - Ред.) моя монографія "Нестехіометричні сегнетоелектрики". У своїй основі це теоретична робота. Вивчення фундаментальних проблем - хімії твердого тіла сегнетоелектриків (Кристали, яким притаманне явище спонтанної поляризації. - Ред.) лягло в основу докторської дисертації, яку я захистив у Московському університеті в 1985 році.

У той час я працював у Науково-дослідному інституті "Реактивелектрон", з яким співпрацюю досі. В інституті ми розробляли переважно прикладні теми. А це потребує великої колективної роботи - від лаборантів до кандидатів і докторів наук. Мені пощастило, що в ті часи я пройшов і стадію серйозного промислового впровадження. А тут потрібна участь ще більшої кількості людей.

Копирайт изображения Reaktyvelektron
Image caption Не надто цікаві на вигляд п'єзоелектрики працюють під водою і ґрунтом, на суші і в космосі

Нині я займаюся більше теоретичними питаннями, але значну частину часу доводиться проводити в колективі для конкретних прикладних розробок.

Правда, в останній, воєнний час на Донбасі такі розробки призупинилися.

А найбільша активність в цій області була за радянських часів. На жаль те, що робилося в Україні, за масштабом на рівень нижче ніж те, що було в Союзі.

ВВС Україна: А все-таки, що впроваджувалося або впроваджується в Україні?

В. П.: Дещо ми робили, але не для великих заводів, а для окремих фірм, у тому числі приватних. Як я вже сказав, ми працювали в тісній співдружності - кафедра загальної хімії Донецького НТУ (яку очолює професор Приседський. - Ред.) та Науково-технологічний центр НАН України "Реактивелектрон". Основна експериментальна і промислова база були там.

Спільно з відділом наноструктурних функціональних матеріалів (на чолі з моїм учнем, кандидатом хімічних наук Володимиром Погибком) розроблена п'єзокераміка для прослуховування акустичних сигналів у шахтах. Коли вугільний пласт готується викинути метан - страшна річ! - він починає поскрипувати, покректувати. І ці сигнали ловлять наші п'єзоелементи в пристроях під назвою "АПСС-1" донецької фірми "Інтеграл". Ці пристрої розміром з "пальчикову" батарейку розміщуються в проходках і сигналізують про підвищення небезпеки викиду газу. З кінця 1990-х і до 2012-го такі пристрої встановлені на 18 шахтах.

Копирайт изображения Reaktyvelektron
Image caption Цей невеликий пристрій вловлює найдрібніші звукові сигнали в вугільних пластах, застерігаючи про небезпеку

Або дніпропетровська фірма "Курс", яка випускає новий тип газових лічильників. Там немає обертового барабанчика, який рахує обсяг газу. Замість цього пускається ультразвук - у прямому напрямку протікання газу і в зворотному. За різницею часу проходження визначають величину газового потоку. Цей компактний пристрій працює з найширшим діапазоном умов: перепад швидкості потоку газу може бути в тисячу разів, тоді як звичайний лічильник з "вертушкою" розрахований на інтервал у десять разів.

П'єзокераміку для медичних пристроїв лазерної та ультразвукової терапії постачали для київської фірми "Аппамед" і заводу "Квант". Сотні п'єзоелементів відправлені за окремими замовленнями приватних підприємств і дослідницьких організацій.

Взагалі кажучи, це мало, але дещо ми зробили. Звичайно, до 1991 року за обсягом розроблених і доправлених до замовника п'єзоелементів ми робили в десятки разів більше. Зараз ми просто стоїмо.

ВВС Україна: Що в цій темі є нині найбільшим науковим інтересом?

В. П.: Наноструктурні перспективи п'єзокераміки. Наноматеріали вже більш ніж 20 років - у центрі уваги світової науки.

Широко відомо, що зниження обсягу частинок до нанодіапазону (1 - 100 нанометрів) призводить до придушення сегнетостану і п'єзоефекту. Навіщо ж тоді нано? А нам все ж вдалося показати, що синтез кераміки з нанопорошків дозволяє істотно підвищити її властивості за умови спеціальної "дворівневої" організації зернистої структури кераміки. Першу статтю про це ми вже опублікували в міжнародному науковому журналі.

Новини на цю ж тему