Научный сотрудник международной лаборатории функциональных материалов на основе стекла РХТУ им. Д.И. Менделеева Татьяна Липатьева занимается лазерной кристаллизацией стекла, восхищается хрустальными осколками, объясняет, зачем нужны микролазеры в компьютерах и рассуждает о свободе фантазии в России.

О себе

Мне с детства нравились разноцветные стекла, особенно привлекало свинцовое стекло — хрусталь. Как-то раз я увидела разбитую хрустальную вазу: ее осколки светились на солнце, давали радужные блики — это захватывало и восхищало. В нашей лаборатории мы занимаемся лазерной кристаллизацией стекла — в каком-то смысле это продолжение моей детской мечты исследовать разные виды стекол.

Наша лаборатория была создана на базе кафедры стекла и стеклокристаллических материалов (ситаллов) 80 лет назад профессором Исааком Китайгородским — это один из выдающихся ученых-стекольщиков, заслуженный деятель науки СССР. Многие идеи по синтезу стекол и исследованию их свойств нам удалось реализовать потому, что у нас есть возможность использовать опыт, накопленный всеми, кто раньше здесь работал.

Сейчас здесь трудится около 40 человек, в основном все это молодые сотрудники и студенты. Руководителю моей группы, которая занимается лазерной кристаллизацией, чуть больше 30 лет. Часто бывают экскурсии для школьников, для них в университете уже разработаны специальные маршруты: мы показываем им комнату с лазерами, нанолабораторию, где проводится анализ свойств стекол, и помещение для варки стекол.

О своем исследовании

Раньше ситаллы делали в печи, но в этом случае удается получить только полностью закристаллизованное стекло. Я же занимаюсь локальной лазерной кристаллизацией стекол. Это значит, что, воздействуя на заранее выбранные области стекла лазером, генерирующим импульсы с достаточно высокой энергией и частотой следования, можно получить кристаллические структуры (чаще всего, это линии) с активными свойствами. Такие структуры, в зависимости от их свойств, могут использоваться в качестве активных сред для лазеров, модуляторов света, оптических затворов и других элементов интегральной оптики.

© Анастасия Цайдер

© Анастасия Цайдер

В лаборатории мы пытаемся создать и изменить стекло так, что его можно будет использовать для создания миниатюрных лазеров в различных цифровых устройствах. Сейчас все лазеры очень большие: для многих из них нужен целый ящик. Те, над которыми работаем мы, будут умещаться на двух клетках в обычной школьной тетради. Такие лазеры нужны, например, в микропроцессорах в компьютерах: с их помощью они смогут выполнять все операции намного быстрее, делать это бесшумно и не перегреваться от долгой работы.

Это особенно необходимо математикам и физикам, которые используют специальные программы для обработки большого количества данных и переменных: сейчас их расчеты занимают неделю и больше. Помимо этого миниатюрные лазеры нужны в телефонах — это позволит сделать их тоньше, чем любые из тех, что сейчас существуют: по сути, они будут сворачиваться, как лист бумаги. И наконец, в совсем отдаленной перспективе эти лазеры можно также использовать для создания голограмм.

В теории это будет выглядеть так: много маленьких лазеров будут стоять на подложке или внутри какой-нибудь камеры и проецировать в нужное место изображение из трех цветов. Если дать волю фантазии, это можно будет делать с помощью какой-нибудь специальной прозрачной коробочки. Но до этого еще очень далеко, мы пока занимаемся только лазерами для микропроцессоров, которые нужны для компьютеров.

Как создать кристалл за мгновение

Наш основной инструмент — это фемтосекундный лазер, способный генерировать сверхкороткие лазерные импульсы (фемтосекунда — это 10-15 секунды: единица времени, в которой измеряют движение электронов и атомов). Пучок лазера фокусируется в глубине стекла, и с его помощью происходит кристаллизация. Затем пучок перемещается, и кристалл вырастает до требуемых размеров. Преимущество лазера перед обычными методами в том, что так мы можем получить кристалл почти любой длины и конфигурации, от просто изогнутых кристаллических линий до их целых площадок. При этом создать его можно буквально в доли секунды. Если же мы будем делать это, используя традиционную технологию, на производство кристаллов нужного качества будут уходить недели и месяцы.

© Анастасия Цайдер

© Анастасия Цайдер

После кристаллизации стекло обязательно надо отжечь, то есть провести его термообработку, чтобы снять остаточное напряжение. Этот делается в специальной печи, где можно задать очень точную температуру для отжига. У каждого стекла эта температура своя.

Если вдруг окажется, что заданное нами значение выше или ниже температуры плавления, стекло либо расплавится, либо, наоборот, полностью кристаллизуется. Но так как перед отжигом мы исследуем влияние температуры на свойства стекол, то у нас все проходит удачно. После этого мы изучаем свойства и структуру полученных линий.

Для того чтобы получить идеально гладкую монокристаллическую линию, необходимо очень точно подобрать мощность лазера. Если мы зададим импульсу, который заводим в стекло, слишком высокую энергию, в линии будет трещина. Большую роль также играет глубина, на которой может быть образована эта линия. Пока самый лучший результат у нас получался на глубине 100 мкрн. Если глубина будет, например, в два раза меньше, поверхность стекла при таких значения мощности начнет попросту разрушаться.

Пока нам удалось выбрать составы стекол, получить кристаллические линии в объеме и на поверхности стекол и установить фазовый состав выделившейся кристаллической фазы. Сейчас я приступаю к исследованию структуры и оптических свойств кристаллических линий. Главным из них являются оптические потери — рассеяние света в кристалле в ходе излучения. Их наличие или отсутствие определит возможность применения структур подобного типа.

О работе в России и будущем

Лазерная кристаллизация стекла — это вообще довольно узкая область исследований, фактически нигде, кроме нашего университета, в России она сейчас не ведется. Для этого есть много причин. Во-первых, оборудование, которое мы используем, достаточно дорогостоящее: один только фемтосекундный лазер стоит несколько миллионов рублей. Во-вторых, надо знать, какие стекла можно кристаллизовать, а какие нельзя.

Оконное стекло вряд ли можно использовать: если из него и удастся получить какой-то кристалл, необходимыми нелинейно-оптическими свойствами обладать он не будет. Именно поэтому мы сами занимаемся варкой стекол, хоть и не в промышленных масштабах, конечно. Здесь нужны знания по материаловедению: насколько мне известно, пока их дают только в РХТУ. Есть еще похожая кафедра в СпбГУ, но ее выпускники получают несколько другую специализацию.

© Анастасия Цайдер

© Анастасия Цайдер

За рубежом именно таких исследований, какие проводим мы, тоже нет, но подобные им ведутся во многих университетах. Мы сотрудничаем с нашими коллегами из Технологического университета в городе Нагаока в Японии, Университета Лехая в США, Саутгемптонского университета в Великобритании и научными лабораториями в других странах Европы. Иногда мы проходим у них обучение: мой коллега вместе с нашим руководителем недавно ездили в Англию для обмена опытом.

Часто в этих университетах можно встретить наших бывших соотечественников, уехавших за границу в свое время. Но я сама пока уезжать не планирую, мне еще кандидатскую здесь защищать. Вообще я думаю остаться в России: не хочется чувствовать себя чужаком где-то в другой стране. Мне самой приходилось однажды выезжать на конференцию в Саутгемптонский университет, но слушать целыми днями вокруг себя только иностранную речь мне, честно говоря, было неприятно, и я была очень рада вернуться домой.

Пока наша лаборатория работает за счет мегагранта, так что с оборудованием и финансированием у нас все в порядке. Кроме того, мне кажется, тут больше простора для фантазии и постановки экспериментов, потому что за рубежом тоже свои проблемы. Английские коллеги, например, очень удивлялись, что мы можем отклоняться от плана, если в ходе исследования вдруг найдем что-то интересное: у них план по экспериментам расписан на долгое время вперед.