Зрим в оптику
ФОТО предоставлено пресс-службой «ЛЭТИ»
Гость редакции — студент года Санкт-Петербурга Андрей ТОЙККА
Технологии позволяют сделать такой дисплей, что его можно в трубочку свернуть. Или такую маску, что вирус сквозь нее не пробьется. Или стекло, которое лазером не прожжешь. Но пока эти технологии дороги — надо удешевлять. Наш собеседник как раз над этим работает. Андрей — выпускник факультета электроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Уже во время учебы начал работать в Государственном оптическом институте (ГОИ) и в Петербургском институте ядерной физики (НИЦ «Курчатовский институт»). Опять же еще в студенчестве учредил компанию, которая занимается научными исследованиями и производством. Примечательно, что Андрей стал студентом года в номинации «Научное и техническое творчество» — а начинал когда‑то как далеко «не лучший» абитуриент.
— Андрей, вы ведь с 18 лет работаете, в том числе преподаете школьникам. Так что можете и нам понятно объяснить, чем в науке занимаетесь.
— Пятиклассникам я даже не столько рассказывал, сколько показывал. В большинстве дисплеев компьютеров, смартфонов используется такая технология: светодиоды излучают неполяризованный свет, который колеблется во всех направлениях, а чтобы получить изображение, применяется поляризатор — пленка, которая эти колебания ограничивает в определенном направлении. А если использовать второй поляризатор, то можно управлять яркостью изображения.
Вот школьники сидят перед монитором, а я показываю, как его запросто «сломать», даже к нему не прикасаясь. Подносим к экрану поляризатор, поворачиваем — и экран кажется черным. Поляризаторы — это одна из тем, которыми мы занимаемся в лаборатории.
Другая — жидкие кристаллы. Представить себе, что это такое, не очень сложно: это вязкая и текучая среда, которая напоминает жидкое мыло. В большинстве смартфонов под слоем-поляризатором располагаются как раз жидкие кристаллы. Другое их применение — в лазерной технике. Например, для точных измерений: если сигнал идет с искажениями, его можно сделать более четким. Еще одна область приложения — биомедицинская техника: к примеру, сенсоры для диагностики клеток крови. Жидкокристаллическая среда сродни биологической, по их взаимодействию с клетками можно получить полезную дополнительную информацию о биоматериале.
Мы в нашей лаборатории структурируем жидкие кристаллы наночастицами, исследуем возникающие эффекты и сопоставляем с поставленными гипотезами. Это фундаментальная наука, благодаря которой нам дальше удается разрабатывать оптоэлектронные устройства.
Успешно развивается еще одно направление, оно связано с модифицированием поверхности материалов углеродными наноструктурами. Существует огромный задел по технологии так называемого лазерно ориентированного осаждения: благодаря ей удается перестраивать свойства материалов оптоэлектроники под необходимую задачу. На данный момент развиваем это направление по грантам от Фонда содействия инновациям и от «ЛЭТИ». Небольшими, но уверенными шагами двигаемся в сторону масштабирования этих технологий.
Все эти направления касаются материаловедения и оптической электроники.
— Микроэлектронику мы в основном закупали за рубежом. А в области оптоэлектроники как дела?
— Думаю, что примерно на одном уровне с микроэлектроникой — прилично, но есть к чему стремиться. По моему мнению, не хватает ресурсов и внимания, чтобы перекрывать все важные направления науки и техники. Однако, если смотреть более точечно, есть направления (атомная энергетика, микроволновая электроника, информационные технологии), где наши исследователи — ключевые фигуры.
Хороший пример высокого класса на производственном уровне — Виктор Александрович Быков, российский ученый и изобретатель. Он и его компания НТ-МДТ специализируется в области зондовой микроскопии микро- и наноструктур.
Это мировой уровень: их зондовые микроскопы крайне востребованы повсеместно.
Уровень исследований в области оптоэлектроники тоже хорошее впечатление производит: в Петербурге есть ряд сильных научно-исследовательских центров, например, Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе и Государственный оптический институт им. С. И. Вавилова. Им отдаю особое предпочтение, поскольку знаю много физиков из этих институтов. В ГОИ находится и наша лаборатория фотофизики сред с нанообъектами.
По моему мнению, мы «не ощущаем» отечественную оптоэлектронную продукцию на рынке массового производства по причине того, что зарубежные аналоги дешевле. В широком потреблении акцент делается именно на себестоимость, а не на лучшее качество. Чтобы снизить себестоимость отечественной продукции, необходимо удешевить компонентную базу и наладить логистику, а в условиях огромного государства существует ряд ограничений.
— Что потребитель получит от разработок, которыми вы занимаетесь? Давайте на примере обычного смартфона…
— Сейчас смартфоны обычно меняют каждые год-два, потому что начинка становится все более компактной и производительной. На скорость вычислений ближайшие лет десять наша оптика будет влиять мало: пока гегемония — у СВЧ-технологий. Но в краткосрочной перспективе мы можем внести вклад в снижение массо-габаритных параметров, увеличение прочности оптических компонентов. Дисплеи могут быть тоньше, ярче, потреблять меньше электричества, а сами экраны — более влагостойкими, прочнее, меньше зависеть от температуры окружающей среды. Основное ограничение — себестоимость, ее надо снижать масштабированием и кооперацией.
Это были рассуждения относительно смартфонов, теперь к более глобальным вопросам. Обмен информацией растет, активно используются облачные хранилища — соответственно, есть проблемы конфиденциальности и защиты данных. С программной точки зрения для меня это темный лес, однако с точки зрения физики есть интересное и жизнеспособное направление. Оно связано с кодированием информации при помощи перестройки поляризации у излучения. У нашей лаборатории большой задел по оптике жидких кристаллов, то есть хорошие шансы развить это направление.
По моим прогнозам, лет через двадцать оптоэлектроника кардинально поменяет науку и технику в широком потреблении. Устройства будут тоньше, легче, быстрее. Вместо стандартных дисплеев изображение будет проецироваться и, скорее всего, будет объемным. Сейчас это тоже возможно, есть прототипы, но все будет доступнее, дешевле и не таким громоздким, при этом функционал увеличится.
Кремниевую электронику сместит углеродная, СВЧ-диапазон постепенно будет смещен оптическим. В 2010 году Константин Новоселов и Андрей Гейм получили Нобелевскую премию за исследования в области графена — аллотропной модификации углерода. Не так уж много времени прошло, а все растет лавинообразно.
Новые технологии становятся более доступными. Например, в Тамбове есть центр, который занимается синтезом углеродных наночастиц. Нам надо было по гранту закупить наночастицы, думали сделать это в Германии. Звоню в Тамбов. Меня переспрашивают: «Ну что, на 300 рублей вам упаковать?». То есть цена на порядки дешевле! В результате на ту же сумму закупили большущую партию, а по качеству получилось то же самое.
— Можно пример того, как работают нанотрубки?
— Берем материал, свойства которого надо изменить, и на огромной скорости бомбардируем его нанотрубками с диаметром на уровне нанометра. Эти наночастицы проникают в материал и в него встраиваются. Вы этого каркаса не увидите: нанометр — миллионная часть миллиметра. Однако с большой вероятностью электрооптические свойства материала поменяются — за счет перераспределения электрического заряда. Более того, меняется сам рельеф поверхности и ее прочностные свойства. Поцарапать экран смартфона после осаждения углеродных нанотрубок — задача не из простых.
Или можно внедрить в материал множество нанотрубок таким образом, чтобы он выдерживал сильное лазерное излучение: нанотрубки хорошо проводят тепло, которое рассеивается.
Есть и другие приложения. У нашей лаборатории во время пандемии был проект: осаждали нанотрубки на маски и на медицинский инструментарий. Маски получались такими, что вирус сквозь них проходил в очень малом количестве, каркас из нанотрубок его задерживал. А медицинские приборы становились более стойкими и меньше стирались. Провели исследование, опубликовали результаты, молодцы! Но дальше дело застопорилось, поддержки не нашли. Это было в 2020 году. А в прошлом году выходит научная публикация: «Супероткрытие!». В общем, в США сделали очень-очень похожее.
— Вы еще будучи студентом стали гендиректором…
— Это просто потому, что я молодой. Сейчас молодежные инициативы поощряются: молодые сотрудники, молодые ученые. Молодые гендиректора научных компаний.
Наша лаборатория зарегистрировала фирму «Фотофизикс»: знания есть, люди есть. Чтобы сделать производство и спонсировать исследования, нужны средства — вкладываем свои и на гранты подаемся. Через нашу фирму сейчас осуществляем производство и продвижение поляризаторов, занимаемся также покрытиями с углеродными нанотрубками. Они интересны и «ЛЭТИ» — для разработок солнечных панелей и оптических элементов, и Петербургскому институту ядерной физики — позволяют выдерживать воздействия высоких энергий.
— Как вы оказались в оптическом институте?
— На третьем курсе было распределение на производственную практику. В ГОИ, которому больше ста лет, у которого славная история, заявок на практику не поступало на протяжении нескольких лет. Думал даже, что эта организация закрытого типа. Однако увидел, что туда идет набор, и приоритетом выбрал именно ГОИ. Очень впечатлился биографией моего будущего научного руководителя Наталии Владимировны Каманиной и лабораторией фотофизики сред с нанообъектами в целом. Посмотрел огромный перечень опубликованных статей, список патентов — два из них вообще через «Самсунг» зарегистрированы. По общению очень приятный человек: эрудированный, доброжелательный, за своих ребят всегда стоит.
Так и остался работать в лаборатории под руководством Наталии Владимировны. Прошел бакалавриат и магистратуру, сейчас поступил в аспирантуру. В кандидатской диссертации исследую влияние углеродных наноструктур на свойства прозрачных электрических ITO-контактов. Это интересно как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения: лаборатория параллельно работает над созданием отечественных дисплеев.
— И каковы шансы на успех?
— На него влияет много факторов, в среднем вероятность 5 – 10 %, может, меньше. Поэтому исследователи делают много попыток, чтобы получился хороший результат. Наша лаборатория осваивает смежные направления уже порядка 20 лет: создана технология лазерно ориентированного осаждения контактов и наноструктур, огромная база данных по нелинейной оптике, в том числе — по жидким кристаллам. Производство поляризаторов тоже налажено. Это уже не лотерея, а дело техники. Подводные камни могут несколько растянуть процесс, но точно не собьют с курса.
— Вот вас слушаешь — и не верится, что в вуз вы поступили «в последних рядах». Это должно вселить надежду в не очень удачливых абитуриентов. Как так получилось?
— По ЕГЭ мало баллов набрал. Это притом что учился хорошо. У нас в школе № 18 с углубленным изучением математики директор Наталья Петровна Иванова организовала все так, что математическому потоку большинство дисциплин преподавали отдельно. А в потоке были всего от шести до десяти человек. Мини-класс. Можно сказать, элитное образование в государственной школе. Математику с закрытыми глазами решали. А на ЕГЭ я допустил банальные вычислительные ошибки, получил 74 балла. Это неплохой результат, четверочный, — но у нас это был позор.
А сам позор случился из‑за другого позора: накануне узнал, что на ЕГЭ по русскому набрал мало баллов. Пробные экзамены спокойно сдавал на 90 баллов и выше, а тут перенервничал.
Терять было нечего, и ЕГЭ по физике я сдавал уже спокойно, написал неплохо. Но баллов, чтобы поступить в Горный на нефтегазовый, не хватало. Мне там предложили поступать на электронику, а я подумал: «Так на электронику надо идти в профильный вуз, в «ЛЭТИ»!».
В списке зачисленных на бюджет были 230 человек — я где‑то в хвосте. И меня такая злость и обида взяли, что прямо в августе изучил будущий учебный план, посмотрел учебники и методички и потом, во время сессий, все сдавал в первых рядах. Правда, один раз расслабился, чуть тройку не получил, но у нас в вузе есть такая опция — День качества: это когда можно исправить одну худшую оценку. Очень хороший психологический момент: есть право на ошибку, и эмоционально это поддерживает на экзаменах.
— Андрей, у вас работа, да не одна, аспирантура, а свободное время есть?
— Мало. Но если остается и погода хорошая — катаюсь на велосипеде. Если плохая — программирую. Параллельно с этим делаю ремонт в квартире. Расписание непредсказуемое, и сложно делать прогнозы на конец недели. В пределах одного дня бывает вообще такое: свидание с девушкой, участие в конференции, скатался в университет по учебе или работе, позанимался делами фирмы, провел занятие с детьми, а потом поехал на дачу, чтобы с раннего утра копать картошку. Думаю, что конец этого августа не будет исключением и эта траектория повторится.
Комментарии