Оксидные системы как основа для суперматериалов

Сегодня мы представляем читателям лауреатов Государственной премии Российской Федерации члена-корреспондента Владимира Федоровича Балакирева и доктора химических наук Юрия Васильевича Голикова (Институт металлургии УрО РАН). Престижную награду за работу «Фундаментальные основы синтеза оксидных функциональных материалов (ферритов, манганитов, купратов)» они получили в составе творческого коллектива, куда вошли сотрудники химического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова академик Юрий Дмитриевич Третьяков (руководитель работы), член-корреспондент РАН Николай Николаевич Олейников, доктора химических наук Евгений Викторович Антипов, Олег Юрьевич Горбенко, Андрей Рафаилович Кауль, кандидат химических наук Сергей Николаевич Путилин. Уральские ученые-металлурги и их коллеги из МГУ долгое время работали в одном направлении, вели физико-химические исследования определенных классов (групп) оксидов металлов. Это и позволило представить на соискание Государственной премии цельную работу, строго профилированную по теме.

Мой собеседник — заведующий лабораторией статики и кинетики процессов ИМЕТ УрО РАН член-корреспондент РАН Владимир Федорович Балакирев.

— Вы работаете в области материаловедения. Теперь очевидно, что это одно из самых перспективных научных направлений, определяющих технический прогресс. Однако начали свою работу вы не вчера и даже не позавчера, а несколько десятилетий назад. Давайте совершим небольшой экскурс в историю исследований, за которые присуждена Государственная премия РФ.

— Действительно, эти исследования неотделимы от истории нашей лаборатории, которую организовал еще в 1931 г. будущий член-корреспондент АН СССР Г.И. Чуфаров при Уралфизхиме — филиале Московского физико-химического института им. Карпова. По своей сущности она физико-химическая и первоначально называлась лабораторией кинетики и катализа. Григорий Иванович бессменно возглавлял лабораторию до 1974 г., затем заведующим стал я.  

С первых дней существования лаборатории ее сотрудники приступили к исследованию оксидных систем химических элементов, преимущественно металлов. Мы до сих пор развиваем это научное направление, стремясь сохранять передовые позиции в физико-химическом изучении наиболее актуальных на данный момент времени классов оксидов металлов. 

На основе многолетних и всесторонних исследований кинетики восстановления оксидов железа и цветных металлов газообразными восстановителями и твердым углеродом коллективом лаборатории была разработана и в 1953 г. опубликована адсорбционно-кинетическая теория восстановления окислов металлов, которая и сегодня занимает достойное место в теории металлургических процессов. 

В 50–60-е годы у нас были успешно проведены обширные систематические физико-химические исследования очень важного для промышленности и нового для лаборатории класса оксидов — сложных оксидных систем переходных металлов со структурами шпинели, перовскита, граната – ферритов, манганитов, алюминатов, титанатов, ванадитов, хромитов, гранатов и других. 

Эти исследования представляют фундаментальный интерес для синтеза (инженерного регламента) оксидных материалов, физики магнитных явлений и физики полупроводников. Ценны они и для производства различных типов технической керамики, используемой в электронике, радиотехнике, катализаторов, радио- и антикоррозийных защитных покрытий и для некоторых переделов в металлургической, химической, огнеупорной промышленности.      

С 1988 г. лаборатория, как и весь научный мир, занимающийся материаловедением, активно включилась в исследования оксидных высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), называемых купратами (с участием оксидов меди). 

В последние годы мы занялись изучением популярного в наши дни оксидного класса — магниторезистивных материалов, образованных оксидами 3d (цветные металлы) и 4f (редкоземельные металлы) элементами, которых называют «манганитами», если они образованы на основе оксида марганца. Их еще именуют материалами с гигантским магнитным сопротивлением (ГМС). У этих материалов величина электрического сопротивления находится в сильной зависимости от внешнего магнитного поля, поэтому они перспективны для электроники и электротехники.

Таким образом, лаборатория на протяжении всей своей истории шла в ногу с требованиями времени, исследуя именно те объекты, которые были актуальны и для науки, и для промышленности. В итоге накоплен огромный научный материал, большой объем публикаций в отечественных и международных изданиях. Часть этого материала, относящаяся к последней четверти прошлого века, вошла в совместную с коллегами из МГУ конкурсную работу, выдвинутую на соискание Государственной премии. 

— Расскажите, пожалуйста, об этом подробнее.

— Замысел конкурсной работы и ее структура определяются логикой изучения оксидных функциональных материалов с электрическими и магнитными свойствами, играющими важную роль в современной технике. Работа резюмирует большой комплекс фундаментальных исследований, выполненных авторами в области физико-химии материалов на основе оксидов переходных металлов, преимущественно железа, марганца и меди. Мы изучали кристаллическую структуру многокомпонентных оксидов, термодинамику и кинетику их образования, взаимосвязи состава, структуры и свойств, особенности дефектной структуры.

Систематически исследовано большое количество оксидных многокомпонентных систем, сформулированы общие структурные, термодинамические и кинетические принципы, положенные в основу поиска новых оксидных составов с выдающимися электрофизическими свойствами — максимальной температурой перехода в сверхпроводящее состояние, высокой чувствительностью сопротивления к магнитному полю, температуре и изотопному составу. Разработаны новые продуктивные синтетические подходы, позволяющие более эффективно воспроизводить структурно-чувствительные свойства материалов: криохимическая технология, бездиффузионный метод получения ферритов, метод замены растворителя.

На основе фундаментальных принципов формирования сложных оксидных систем предложен ряд технологий создания новых материалов с уникальными потребительскими свойствами. Например, синтезировано семейство ртутьсодержащих сверхпроводников, обладающих рекордными на настоящий момент температурами перехода в сверхпроводящее состояние в районе 150–160 °К. Разработанные нами методики газофазного осаждения позволяют впервые в России получать эпитаксиальные пленки сверхпроводников с рекордной токонесущей способностью, манганитов с высокой чувствительностью электросопротивления к магнитному полю и к температуре, а также других оксидных материалов и гетероструктур на их основе. 

Развитая авторами концепция определяющего влияния нестехиометрии на функциональные свойства успешно применена ко многим оксидным материалам.                 

— До сих пор речь шла о работе в целом. Чем конкретно занимались вы и ваш коллега Юрий Васильевич Голиков? 

— Коллектив нашей лаборатории традиционно работал по единой тематике, поэтому очень трудно провести разделение труда, установить границы вклада каждого сотрудника в общее дело. Мне как старейшему участнику работ по оксидным системам пришлось разрабатывать общую идеологию и методологию исследований в области как эксперимента, так и статистико-термодинамического анализа многокомпонентных оксидов при переменных температуре и давлении кислорода. Что касается второго лауреата, доктора химических наук Юрия Васильевича Голикова, то объектами его внимания были преимущественно термодинамические оксидные многокомпонентые системы, содержащие орбитально вырожденные ионы трехвалентного марганца (манганиты). Эти исследования расширили представления о природе влияния кооперативного эффекта Яна-Теллера на физико-химические и кристаллохимические свойства оксидов металлов, позволили построить большое количество фазовых диаграмм таких систем. 

— Вы уже говорили о прикладном значении ваших работ. Что можно добавить к сказанному?

— Наши исследования имеют прежде всего фундаментальное значение. Однако результаты, носящие справочный характер, весьма полезны для радиотехники и электроники, поскольку могут использоваться для установления условий синтеза и эксплуатации таких оксидных систем, как ферриты, терморезистивные и магниторезистивные сегнетоэлектрики, высокотемпературные сверхпроводники. Кроме того, эти данные необходимы для разработки инженерного регламента новых и совершенствования существующих технологий различных переделов металлургического, химического и огнеупорного производств.

Подготовила Е. ПОНИЗОВКИНА
На фото С. НОВИКОВА:
член-корреспондент РАН В.Ф. Балакирев,
доктор химических наук Ю.В. Голиков.