«Фабрика технологий» — это совместный проект РБК Екатеринбург и Уральского федерального университета о достижениях и новых разработках ученых. В этом выпуске научный сотрудник лаборатории волоконных технологий и фотоники УрФУ Анастасия Южакова рассказывает, как новое решение ученых вуза позволит расширить границы инфракрасной оптики и открыть новые возможности для высокотехнологичных отраслей. В медицине волокна, которые создали уральские ученые, могут использоваться для диагностики, лазерной хирургии и фототерапии. В системах безопасности — для создания продвинутых тепловизоров. В космосе — для анализа состава планет и работы в условиях высокой радиации, а в промышленности — для температурного контроля сложных механизмов.
Интервью с Анастасией Южаковой можно читать или смотреть — как удобнее.
В чем преимущество волокон на основе серебра по сравнению с другими?
Научный коллектив лаборатории волоконных технологий и фотоники УрФУ за последние годы разработал два класса оптических материалов.
Первый класс, основанный на галогенидах металлов, предназначен для эксплуатации в экстремальных условиях: при высоких температурах, мощном ионизирующем излучении и механических нагрузках. Благодаря прочности и устойчивости к внешним воздействиям он может использоваться в специализированных промышленных и научных системах.
Второй класс, основанный на галогенидах серебра, ориентирован преимущественно на медицинские технологии и системы взаимодействующие с человеком. Именно на создании инновационной волоконной оптики на базе галогенидов серебра лаборатория и сосредоточилась в рамках программы «Приоритет 2030», открывая новые перспективы для передовых оптических технологий.
Оптические волокна на основе галогенидов серебра обладают уникальными характеристиками. Их главное преимущество — способность пропускать свет в среднем и дальнем инфракрасных диапазонах, что делает их незаменимыми в ряде высокотехнологичных систем, особенно в медицине.
Одной из ключевых причин, почему эти волокна могут быть востребованы в медицинской сфере, является их полная биосовместимость. Они безопасны для организма, не токсичны, легко стерилизуются и хорошо взаимодействуют с живыми тканями, что критически важно для медицинского оборудования.
Еще одно значительное преимущество — низкие оптические потери, что позволяет использовать их для создания длинных оптических каналов, необходимых в лазерных технологиях, диагностике и хирургии. Благодаря высокой прозрачности в инфракрасном диапазоне такие волокна обеспечивают точную передачу сигнала, что дает врачам большую свободу в проведении операций и процедур. Для сравнения: кварцевые волокна, которые используются повсеместно, работают в другом спектре — видимом и ближнем инфракрасном. Они не подходят для задач, связанных со средним и дальним инфракрасными диапазонами, требуют сложных методов стерилизации и в принципе не могут заменить галогенидные волокна в ряде медицинских и диагностических систем.
Еще один важный аспект — устойчивость к влаге. В отличие от гигроскопичных материалов, таких как хлорид натрия или хлорид цезия, которые со временем разрушаются при контакте с водой, галогенидные волокна не растворяются во влажной среде, что делает их долговечными и надежными. Это свойство особенно ценно при создании оптических окон, линз и пленок. Например, в тепловизорах вместо традиционных германиевых линз можно использовать монокристаллы из галогенидов серебра, обеспечивающие высокую прозрачность и стойкость к внешним условиям.
Кроме того, наш материал может найти применение в спектрометрах, где традиционные стекла, содержащие токсичные соединения таллия, можно заменить на более безопасные и устойчивые к влаге аналоги, сохраняя при этом их прозрачность в ближнем и среднем инфракрасных диапазонах. В целом оптические волокна на основе галогенидов серебра — это не просто современная альтернатива, а инновационный материал, который открывает новые возможности для медицины и высокотехнологичных систем.
Какие компании или отрасли могут быть заинтересованы в этом решении?
Средняя и дальняя инфракрасные области пока не получили широкого применения в науке и технике из-за отсутствия подходящей элементной базы. До недавнего времени не существовало материалов, обладающих высокой прозрачностью в этом диапазоне и одновременно пригодных для производства волоконной оптики. Существующие кристаллы и керамика используются в оптических изделиях, но из них невозможно изготовить гибкие световоды. Кроме того, многие аналоги имеют ограничения, такие как токсичность или гигроскопичность.
Дополнительная проблема — нехватка эффективных источников и приемников излучения в среднем и дальнем ИК-диапазонах. Лазерные источники в этом спектре либо дорогостоящие квантово-каскадные лазеры, либо газовые лазеры с низким КПД, что делает их малоэффективными для промышленного использования. С приемниками ситуация аналогична: их выбор крайне ограничен, что тормозит развитие рынка.
Тем не менее разработанные нами волоконно-оптические материалы могут найти применение в ряде высокотехнологичных отраслей. В медицине они могут использоваться для лазерных процедур, включая удаление атеросклеротических бляшек, диагностику меланомы, карциномы и других кожных заболеваний. В системах безопасности наши волокна могут применяться для идентификации потожировых следов человека. В химическом анализе — для спектроскопических исследований, обеспечивая высокую точность измерений. В тепловизионных системах наш материал может эффективно фиксировать инфракрасное излучение и контролировать температуру различных объектов.
Дополнительные перспективы использования нашего оптоволокна связаны с космической отраслью, где идет миниатюризация чувствительных элементов. Инфракрасные волокна, устойчивые к радиации, могут применяться в космических телескопах и приборах для анализа состава планет и звезд. При этом срок службы волокон будет дольше, чем жизненный цикл самих телескопов.
Еще одно перспективное направление — энергетика. Наша волоконная оптика позволяет организовать удаленный температурный контроль подвижных и труднодоступных объектов, таких как лопатки турбин и генераторы. Компактные световоды встраиваются в защитные кожухи оборудования, обеспечивая мониторинг без значительных вмешательств в конструкцию.
В чем преимущества вашего волокна с точки зрения себестоимости и масштабируемости технологии?
Сейчас в научной лаборатории волоконных технологий и фотоники налажен полный цикл производства оптических материалов, начиная с создания высокочистого сырья. В работе используются только отечественные компоненты — хлористые и бромистоводородные кислоты высокой чистоты, а также соли серебра. Эти материалы доступны и не относятся к драгоценным металлам, что делает процесс более экономичным.
Все начинается с синтеза сырья по методу термозонной кристаллизации-синтеза, который был разработан прямо в лаборатории. Этот авторский способ позволяет не только эффективно очищать исходные вещества от примесей, но и сразу получать твердый раствор с нужным химическим составом.
Далее сырье отправляется на обработку в специальную печь, созданную на основе конструкции Бриджмена. Это оборудование, спроектированное и изготовленное в лаборатории, используется для выращивания монокристаллов и синтеза оптической керамики. Гибкость настроек позволяет регулировать температуру и скорость роста кристаллов, что дает возможность изготавливать материалы с разными свойствами в зависимости от их назначения.
Для обработки заготовок используется современное оборудование, которое позволяет изготавливать оптические изделия разной формы и назначения — линзы, окна, пластины и волоконную оптику. После механической обработки детали дополнительно подвергаются химической обработке для улучшения их характеристик.
Для производства оптических элементов применяется метод горячего прессования. Оснастка прессов обеспечивает идеальное качество поверхности, что исключает необходимость дополнительной шлифовки и полировки.
Изготовление оптических волокон происходит на автоматизированном гидравлическом прессе, разработанном в лаборатории. Это оборудование позволяет получать волокна диаметром от 100 до 1120 микрометров. Размер волокон регулируется благодаря сменным инструментам и настройке параметров во время процесса вытяжки.
Применяемые в процессе синтеза реакторы компактны, но технология легко масштабируется. Ее эффективность подтверждена при работе с соединениями галогенидов серебра, а это значит, что процесс можно адаптировать и для других материалов. В одном таком реакторе можно получить сразу несколько килограммов шихты, что делает производство удобным даже при ограниченном рабочем пространстве.
Использование отечественных доступных реагентов, таких как хлористо— и бромистоводородные кислоты, также значительно снижает затраты на этапе синтеза.
Метод выращивания кристаллов по технологии Бриджмена широко применяется в промышленности, что минимизирует расходы на переоборудование существующих мощностей. Для внедрения наших материалов предприятиям не потребуется замена оборудования — достаточно адаптации технологических режимов, доработки отдельных узлов или модернизации систем контроля температуры.
Наиболее затратным этапом для потенциальных потребителей является производство волоконной оптики, поскольку это требует специализированного оборудования. Уникальность используемого гидравлического пресса предполагает необходимость его индивидуальной настройки и адаптации.
То есть ключевым преимуществом технологии является не только ее компактность и легкая масштабируемость, но и энергоэффективность и безотходность, что делает процесс не только экономически выгодным, но и экологически устойчивым.
Есть ли у вашей технологии аналоги, или она действительно не имеет конкурентов на рынке?
На сегодняшний день аналогов нашим оптическим волокнам не существует. В отличие от других материалов они работают в средней и дальней инфракрасных областях без окон поглощения, обладают низкими оптическими потерями, фотостойкостью (устойчивостью к солнечному излучению) и радиационной стойкостью к альфа-, бета-, гамма- и рентгеновскому излучению.
Сравнивать их с кварцевым волокном не совсем корректно, поскольку кварцевые волокна работают в другом диапазоне — видимом и ближнем инфракрасном. Они широко применяются в телекоммуникациях, оптических датчиках и приборах, что делает их массовым и относительно дешевым продуктом. В связи с этим стоимость наших волокон значительно выше.
Однако по сравнению с халькогенидными и фторцирконатными волокнами, которые также применяются в среднем инфракрасном диапазоне, наши волокна имеют сопоставимую стоимость. Возможны дополнительные затраты на реактивы, поскольку в производстве используются соли серебра, но при этом технологический процесс более энергоэффективен и прост. Наши волокна изготавливаются при более низких температурах и меньшей скорости, не требуют сложных металлов и не содержат токсичных компонентов.
С точки зрения передачи инфракрасного излучения наши волокна превосходят существующие аналоги, что делает их конкурентоспособными не только по стоимости, но и по качеству. Уникальный набор характеристик также открывает возможности для патентования ключевых элементов технологического процесса и дальнейшей коммерциализации технологии.
Какие ключевые шаги необходимы для преодоления технологических барьеров и расширения применения вашей волоконной оптики в промышленности?
С точки зрения внедрения технологии в отечественную промышленность социальных, этических или экономических барьеров не существует. Средний и дальний инфракрасные диапазоны остаются свободной и перспективной нишей, а разработанная нами волоконная оптика охватывает широкий спектр применений.
Однако технологические ограничения все же присутствуют. Основные сложности связаны с ограниченным числом источников и приемников излучения в данном диапазоне, а также с их чувствительностью. Это сужает области практического применения, хотя потенциал технологии остается значительным.
Наука и промышленность активно развиваются, и в перспективе наши волоконно-оптические материалы, монокристаллы и оптическая керамика смогут занять важное место в высокотехнологичных отраслях, обеспечивая новые возможности для отечественных приборостроителей и исследовательских лабораторий.
