§ 2.2. Лампа Накамуры

Почетным приемом на финской земле японский ученый Сюдзи Накамура обязан своим изобретениям: синему, зеленому и белому светодиодам (LED), а также голубому лазеру (основе технологии оптических дисков, которые вскоре могут вытеснить известные всем сегодня CD и DVD). Именно эти открытия были признаны в 2006 году представительным жюри премии «Приз Тысячелетия» как реально изменившие жизнь человечества к лучшему («Поиск» № 25, 2006) [20].

Нынешний победитель конкурса профессор Сюдзи Накамура прославился, разработав в 1993 году свой первый синий LED – полупроводниковое устройство на основе химического соединения InGaN – нитрида галлия (с добавлением индия), по форме напоминавшее старую телевизионную лампу в миниатюрном исполнении и излучавшее мощный свет. Эта разработка стала настоящим поворотным моментом в технологии создания цветных экранов. Впоследствии С. Накамура создал еще два диода: зеленый и белый (с добавлением фосфора). Благодаря их сочетанию с существовавшим задолго до изобретения японского физика красным диодом (на основе арсенида гелия) стало возможно воспроизведение любой цветовой гаммы. Прикладные возможности, открывшиеся с появлением светодиодов, сегодня часто сравнивают с последствиями изобретения Томаса Эдисона. Выступая на церемонии награждения Сюдзи Накамуры президент Финляндии Тарья Халонен назвала LED «лампочкой XXI века»: помимо того, что их свет по показателям яркости не только не уступает, а даже превосходит лампы накаливания, светодиоды еще и очень экономичны, для их работы используются не органические, а минеральные планеты [20].

В качестве примера эффективного применения светодиодов профессор С. Накамура привел данные о замене 14 тысяч обычных светофоров в Филадельфии (США) на светофоры, работающие на основе LED. В результате этого удалось сэкономить почти 90% энергии, увеличив срок службы столь важного дорожного оборудования на пять лет, что позволило городскому бюджету сохранить 4,8 млн. долларов.

Еще одна важная область применения светодиодов – использование их излучения для хранения продуктов. Доказано: в холодильнике, где установлены LED, срок хранения фруктов и овощей увеличивается на лишнюю неделю. Хорошие результаты показывает использование светодиодов и для очистки воды. На основе LED уже разрабатывается специальный компактный – удобный для переноски в кармане одежды – прибор, обеззараживающий жидкости. Его применение, уверен Накамура, будет особенно актуально в странах третьего мира, где остро стоит проблема борьбы с кишечными инфекциями.

§ 2.3. Лазерный ключ

В 1961 году при создании отдела монокристаллов ФИАН, который впоследствии был преобразован в Научный центр лазерных материалов и технологий Института общей физики, наши великие предшественники академики Басов и Прохоров поставили цель – найти и научиться получать кристаллические и стеклообразные материалы для использования их в твердотельных лазерах. На протяжении многих лет ФИАН был единственной специализированной организацией в стране, которая занималась (и сейчас занимается) поиском лазерных материалов [20].

Совершенствование лазерной техники и стимулировало появление нанонаправления в ФИАНе, лазер стал ключом, открывшим для нас наномир. С самого начала в ФИАНе сложилось необычное сочетание научных направлений: мы решали практические задачи поиска химико-технологи­чес­ких способов получения новых кристаллов и стекол для лазеров и одновременно вели фундаментальные исследования – изучали спектроскопические, физико-химические, механические свойства этих материалов. Обычно такие разные задачи решают разные организации – одни получают материалы, другие – исследуют свойства, третьи – их используют, но это путь долгий и малоэффективный. Объединение усилий ученых, решающих фундаментальные и технологические задачи под одной крышей, обеспечило обратную связь между этими направлениями, что сэкономило массу времени и в конечном итоге привело к успеху – созданию высоких технологий, новых материалов и лазеров с выдающимися параметрами.

В процессе решения этих задач родилась уникальная технология получения особо тугоплавких материалов. Традиционно материалы с высокой температурой плавления получали в нагретых тиглях, которые были сделаны из еще более тугоплавкого материала. Наша же технология дает возможность получать материалы в холодных, охлаждаемых водой тиглях, что позволило нам преодолеть температурный барьер и расширить круг новых материалов. Парадоксально, но факт: тигель снаружи можно потрогать рукой, а внутри него, там, где растет кристалл, – температура 3000 гра­дусов! Происходит это таким образом: в тигель загружается порошок, с помощью индуктора к нему подводится высокочастотное поле, под воздействием которого порошок внутри тигля начинает плавиться – по принципу печи СВЧ. При этом корпус тигля не нагревается, поскольку по специальным трубкам в корпус подается холодная вода. А дальше начинается процесс кристаллизации, и здесь важно, с какой скоростью охлаждать кристалл, как потом его обрабатывать.

Наиболее известны из полученных таким способом искусственных кристаллов – фианиты, имя которым дал ФИАН. Сейчас в мире производится 2500–3000 тонн фианитов для технических целей и для ювелирной промышленности.

С помощью этой технологии создано много новых огнеупорных, поликристаллических материалов, стекол, кристаллов, способных сохранять свои свойства в экстремальных условиях активной зоны лазера. В холодном тигле этим методом был получен и совершенно наноструктурированный материал на основе диоксида церкония с некоторыми примесями. Это очень современный, интересный материал, обладающий уникальными свойствами – особо прочный, износостойкий, биологически инертный.

 У него тоже есть название?

Не слишком благозвучное. Частично стабилизированный диоксид циркония – пока так. Воспроизвести его еще не удалось никому. Фундаментальные исследования взаимодействия высокочастотных полей с различными веществами, в том числе с расплавами, привели к созданию технологии прямого высокочастотного плавления в холодных тиглях и получению в качестве конечного продукта нового материала. Вот так спустя десятилетия мы вышли на получение материалов, к которым применима приставка «нано».

Интересное направление – получение активных кристаллических элементов не в виде монокристаллов, а в виде оптически прозрачной нанокристаллической керамики путем компактирования исходных нанопорошков, то есть, минуя их расплавление и выращивание из расплава кристаллов. В этом направлении успешно работают японские коллеги – они получили оксидные наноматериалы, которые являются хорошими материалами для лазеров.

Мы пошли по другому пути – создали впервые в мире оптическую нанокерамику из других классов оптических материалов – фторидов, которые имеют целый ряд преимуществ по сравнению с оксидами. Наша нанокерамика дает отличные лазерные параметры, высокий КПД.

Еще одно направление, в котором тесно переплелись фундаментальные исследования и высокие технологии и которое мы активно развиваем, – создание и исследование нанокластеров в лазерных кристаллах и стеклах. Они представляют собой кристаллические стеклообразные вещества, содержащие активные примеси ионов редкоземельных элементов – таких, как неодим, иттербий, эрбий. Именно они обеспечивают генерационные способности лазурных сред – определяют спектр излучения, поглощение их или длительность излучения, то есть все лазерные параметры определяются этими активными центрами – ионами примесных элементов.

Оказалось, можно заставить примесные ионы образовывать нанокластеры, причем строго определенной формы. Мы научились направленно регулировать структуру и состав кластеров, наделяя их особыми свойствами.

Еще одно направление нашей работы связано с изучением оптических свойств наночастиц.

У наноматериалов много других загадок. Одна из них – способность наночастиц к самоорганизации. Такие частицы очень активны, они притягиваются друг к другу, как бы слипаются, а при нагревании могут даже образовать сплошную среду. Так, кстати, и появилась оптическая нанокерамика.

Не имеют аналогов в мире наши «циркониевые» скальпели. С их помощью стали возможны такие тонкие операции в нейрохирургии, сосудистой, детской кардиохирургии, которые раньше были просто невозможны. Режущую кромку циркониевого скальпеля можно заточить до 40-500 ангстрем. Металлический скальпель такой заточки не выдержит. Кроме того, металл нередко вызывает осложнения – появляются спайки, тромбы, рубцы. Наш скальпель не дает таких осложнений, поскольку диоксид циркония биологически инертен. Разрезы быстро заживают, ведь скальпель как бы раздвигает ткань, а затем края раны слипаются.

Рис. 2.1. Схема волоконного лазера. Многомодовое излучение накачки от полупроводниковых лазерных диодов падает на внутреннюю оболочку волокна, а одномодовое излучение волоконного лазера генерируется в сердцевине волокна