Существует огромное разнообразие функциональных органических материалов, среди которых можно выделить две области, наиболее близкие нашей лаборатории. Во-первых, это гибридные органо-неорганические материалы, в частности на основе галогенидов свинца, меди и марганца. На их основе разрабатывают так называемые перовскитные солнечные элементы, а также полупроводниковые и сцинтилляционные детекторы рентгеновского излучения. Во-вторых, это полностью органические функциональные материалы, уже широко применяющиеся в хорошо всем известных OLED-дисплеях: вероятно, вы смотрите на него прямо сейчас, если читаете этот текст при помощи гаджета.
Гибридные материалы на основе галогенидов свинца, известные как гибридные перовскиты, открыли в 2009 году. Сегодня они переживают чрезвычайно бурное развитие: эти материалы практически обогнали по КПД все однопереходные типы солнечных элементов и в настоящий момент вышли на промышленную коммерциализацию. Так, недавно в Великобритании выпустили в продажу перовскитно-кремниевые тандемные солнечные элементы, которые по эффективности превосходят чисто кремниевые коммерческие модули. В то же время в Китае строятся три завода с мегаваттной мощностью, которые будут производить перовскитные солнечные элементы разных типов.
Наша лаборатория занимается изучением гибридных перовскитов и созданием устройств на их основе с 2016 года и обладает компетенциями и оборудованием, чтобы выполнять эту работу на мировом уровне. Например, среди наших патентов с уникальными разработками есть один из пяти существующих сегодня в мире методов создания гибридных перовскитов. Кроме того, наши последние исследования сосредоточены на перспективах применения перовскитных солнечных элементов в космосе, так как они чрезвычайно слабо деградируют под действием космической радиации.
Схема съемки и пример рентгеновского изображения, полученного с помощью сцинтилляционного экрана. Об инновационном гибком материале для рентгеновских аппаратов и разработке научной группы Алексея Тарасова читайте в материале газеты «Известия» на сайте РНФ. Источник: авторы исследования
Развивая тематику гибридных полупроводниковых соединений в рамках другого проекта РНФ пару лет назад мы провели скрининг нескольких десятков гибридных соединений на основе меди и марганца и отобрали материалы с высокой рентгенолюминесценцией и стабильностью, на уровне коммерческих аналогов. Эти материалы были протестированы в приборах, разрабатываемых российскими компаниями, и сейчас мы патентуем способ изготовления готового продукта на их основе — рентгеновского экрана, который может применяться в составе рентгеновских детекторов.
Фактически за время выполнения моего молодежного проекта, поддержанного Фондом, внутри лаборатории мы создали инфраструктуру полного цикла для этих исследований: у нас есть собственный стенд с безопасным заводским источником рентгеновского излучения и измерительной системой, оборудование и методики для измерения световыхода рентгенолюминесценции для новых материалов и пространственного разрешения готовых детекторов.
Научные сотрудники лаборатории, кандидаты химических наук Павел Ивлев и Николай Белич. Источник: авторы исследования
Интересно, что этот проект мы начинали как чисто фундаментальный, без больших ожиданий по практическому приложению результатов, а заканчиваем патентом и сотрудничеством с несколькими промышленными российскими компаниями. Это главный результат для нас, помимо занимательных научных публикаций в ведущих международных журналах.
Что касается второго направления наших исследований — разработки OLED-структур для дисплеев, то здесь мы намерены выйти на прорывные результаты уже в ближайшее время. В сотрудничестве с Институтом синтетических полимерных материалов имени Н. С. Ениколопова РАН и Российским центром гибкой электроники (ООО «Артек Электроникс») мы создаем полностью отечественный OLED дисплей, все компоненты и структура которого будут разработаны в России и который будет производиться и использоваться в нашей стране в составе так называемых «умных кнопок». Этот проект также получил поддержку Фонда в рамках линейки прикладных конкурсов.
Мы намерены выйти за пределы распространенных в российских лабораториях подходов к созданию отдельных материалов или компонентов дисплеев, которые в основном создаются для поисково-научных целей, и перейти к возможности делать в одном помещении лаборатории полнофункциональные лабораторные прототипы промышленных OLED-дисплеев. Отработанную технологию таких улучшенных или новых материалов затем можно будет бесшовно переносить на производство.
Мы спроектировали уникальную и единственную в России крайне сложную высокотехнологичную установку создания OLED-структур, полностью аналогичную по своему функционалу промышленной, но меньшего размера и с расширенными исследовательскими возможностями. Установка изготовлена в России по нашему заказу и техническому заданию, и уже этой весной мы планируем ввести ее в эксплуатацию.
Это ознаменует новый этап развития для российских OLED-разработок, потому что теперь любая научная группа может не просто синтезировать потенциально применимые в OLED материалы или тестировать какие-то упрощенные структуры, а совместно с нами непосредственно испытать материал или новый принцип в устройстве, аналогичном промышленному, и в случае успеха быстро переносить результаты на отечественное промышленное производство.
Коллектив лаборатории. Источник: авторы исследования
По завершении проекта у нас сформируется слаженная команда из квалифицированного индустриального заказчика и трех исследовательских организаций, которая с готовностью может взяться за самые амбициозные задачи, вплоть до создания полноценной дисплейной промышленности в России. А это значит, что по-настоящему российский смартфон или российский 4K-телевизор смогут стать реальностью.
Создаваемые нами молекулы относятся к соединениям редкоземельных металлов, которые совершенно заслуженно в последнее время не сходят с уст политиков и страниц СМИ. Редкоземельные металлы — это отдельная группа элементов периодической таблицы, которая включает скандий, иттрий, лантан и лантаноиды. Они называются так потому, что их содержание в рудах невелико, хотя многие из них по своему содержанию в земной коре превосходят другие элементы, широко используемые на практике.
В настоящее время эти металлы часто называют высокотехнологичными элементами, так как их соединения находят широкое применение в производстве магнитов, лазеров, катализаторов, устройств электроники, аккумуляторов, высокотемпературных сверхпроводников, средств для диагностики и терапии различных заболеваний. Например, они содержатся в смартфонах, светодиодных устройствах, магнитах электромобилей. Для нас эта тема особенно важна, потому что Россия является вторым после Китая обладателем разведанных запасов редкоземельных металлов. В свое время Дэн Сяопин, один из творцов китайского экономического чуда, говорил: «У арабских стран есть нефть, у нас есть редкоземельные металлы».
Научный коллектив под руководством Александра Трифонова в Институте металлоорганической химии имени Г. А. Разуваева РАН. Источник: Александр Трифонов
В рамках проекта РНФ мы решили задачу по созданию соединений, обладающих как молекулярным магнетизмом, так и металл-центрированной люминесценцией. Эти соединения представляют интерес с точки зрения записи, хранения и обработки информации на молекулярном уровне, создания устройств молекулярной электроники, молекулярного компьютера и развития спинтроники. Кроме того, такие материалы могут быть использованы в оптическом детектировании магнитных соединений и визуализации биологических объектов.
Нам удалось решить поставленную задачу — разработать новый класс люминесцентных молекулярных магнитов, которые по своим функциональным характеристикам входят в топ-лист соединений, полученных на сегодняшний день. Еще одно преимущество заключается в их повышенной стабильности по сравнению с известными аналогами. Наша следующая цель — повысить рабочую температуру магнитов, приблизив ее к комнатной, и затем понять, как из молекулярного объекта сделать материал для решения прикладных задач.
Я очень признателен Фонду за поддержку проекта в рамках конкурса лабораторий мирового уровня. Нам удалось нащупать то, что называется точкой роста, объединить усилия сотрудников и добиться действительно очень хорошего результата.
Научный коллектив под руководством Александра Трифонова в ИНЭОС РАН. Источник: Александр Трифонов
Наша область исследований достаточно молодая: первый молекулярный магнетик был синтезирован в 1993 году, а первый комплекс редкоземельных металлов, который проявил свойства молекулярного магнетизма, — в 2003 году. Несмотря на то, что пионерами этих работ стали не наши соотечественники, в России существует прекрасная школа химии редкоземельных металлов, и в некоторых областях мы занимаем лидирующее положение. Помимо нашего института исследования ведутся в таких крупных научных институтах, как Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН, Международный томографический центр СО РАН, Институт общей и неорганической химии РАН.
Вместе с коллегами мы несколько раз пытались инициировать программу развития химии редкоземельных металлов с участием промышленных предприятий и бизнеса. Надеемся, что теперь, благодаря интересу со стороны государства к данной области исследований, нам удастся продвинуться в этом направлении. Это вопрос первостепенной государственной важности.
***
Интервью вошли в cпециальную рубрику «Мнение» корпоративного журнала «Открывай с РНФ» (№ 29).
В рубрике «Мнение» грантополучатели рассказывают об исследованиях и перспективах в разных областях химических наук, таких как сенсорные и диагностические материалы, органическая электроника, портативная энергетика, искусственный интеллект.
