Всем известен графит – слоистый материал, который, в частности, используется в карандашах. А слой графита толщиной в один атом называется графен. За передовые опыты с ним российские учёные Константин Новосёлов и Андрей Гейм в 2010 году получили Нобелевскую премию по физике.
Сегодня 29-летний кандидат физико-математических наук, ассистент кафедры «Теоретическая и вычислительная физика» Физического факультета и старший научный сотрудник НИТЦ нейротехнологий ЮФУ Дмитрий Чалин занимается теоретическим моделированием углеродных нанотрубок и композитных материалов, которые получаются на их основе. Как это поможет людям, у которых не хватает конечностей, а также зачем учёному нужна творческая жилка, рассказал Дмитрий Чалин.
Управление мыслями
Углеродная нанотрубка – это трубка, свёрнутая из слоя графена. В зависимости от направления свёртывания у трубки могут быть разные свойства. Но, как и сам графен, она обладает высокой прочностью, теплопроводностью, электропроводностью.
«Нанотрубки удобно использовать для композитных материалов, то есть для добавления в полимерный материал с целью улучшения физических свойств, – рассказал Дмитрий Чалин. – На этой основе можно реализовать определённую логику».
По словам молодого учёного, применение таких композитных материалов достаточно широко. К примеру, повышенную теплопроводность можно использовать для теплоотводящих элементов в лазерах. Прочность и лёгкость нанотрубок в теории будет полезна для построения космического лифта, который сможет без проблем доставить людей или грузы на орбиту.
Приложение, которое изучают на физическом факультете ЮФУ и в лаборатории «Нейроинтерфейсы» НИТЦ нейротехнологий, – сухие эргономичные электроды для электрокардиограмм и электроэнцефалограмм. Эта же технология позволит людям, у которых не хватает конечностей, управлять протезами.
«Сейчас для этих целей используются электропроводящий гель и жёсткие электроды на голове, – пояснил инженер. – Но такие электроды не являются эргономичными. Важно, чтобы человек мог проработать весь день без дискомфорта. Есть мягкие материалы, но они не позволяют считывать сигналы. И если добавить, например, в силикон углеродные нанотрубки с заданными свойствами, можно повысить электропроводность материала до такого уровня, чтобы можно было снимать сигналы. По сути, получится нейроинтерфейс, который будет считывать сигналы головного мозга и передавать в протез».
«Упёрлись» в эксперимент
Дмитрий Чалин работает в тандеме с НИТЦ нейротехнологий: он занимается теоретической частью исследования, а его коллеги – практической. Работа ведется в рамках реализации проекта «Интеллектуальные технологии управления и обработки информации в перспективных роботизированных комплексах и гибридных системах» федеральной программы «Приоритет 2030».
«Работа начинается с построения математической модели проводимости углеродных нанотрубок, – объяснил он. – Мы пробуем различные варианты, значения параметров – часть получаются из симметрии системы, а другие – из известных экспериментальных данных».
Однако синтезировать нанотрубки с заданной хиральностью (так называется свойство молекулы не совмещаться в пространстве со своим зеркальным отражением – прим. ред.) пока не научились. Поэтому сейчас синтезируется пучок нанотрубок, где одна треть обладают металлическими свойствами, а две трети – полупроводниковыми.
«Я надеюсь, что в ближайшие годы научатся синтезировать углеродные нанотрубки с заданными радиусом и хиральностью, – отметил Дмитрий Чалин. – В теории всё уже давно изучено, но применение упирается в проблему эксперимента, то есть синтезирования в промышленных масштабах».
По словам ростовчанина, чтобы обойти практическую преграду, учёные начали исследовать двухслойный графен. Как и в случае с нанотрубками, у него в зависимости от угла порота двух слоёв относительно друг друга меняются свойства материала.
По мнению ростовчанина, повышению престижа профессии учёного будет способствовать повышение зарплаты.
«Сейчас многие идут в IT, где платят большие суммы. При этом то, чем занимаемся мы, не сильно ушло от IT-сферы – ведь я целыми днями программирую», - пояснил он.
У самого Дмитрия выбор направления обучения определили школьные успехи в математике и физике. Спустя несколько лет учёбы на физическом факультете ЮФУ, он познакомился со своим научным руководителем Сергеем Бернардовичем Рошалем и начал заниматься углеродными нанотрубками.
«В нашей работе важны усидчивость и терпение, а также творческая жилка, - уверен молодой учёный. – Ведь нужно постоянно пробовать и искать новые подходы».