Евгений Антипов: поиск новых материалов напоминает эпоху Великих географических открытий

18 декабря 2024 года были названы лауреаты третьего сезона Научной премии Сбера. О мечте найти материалы, сверхпроводящие при комнатной температуре, и о работе над материалами для аккумуляторов будущего ТАСС рассказал один из лауреатов премии, заведующий кафедрой электрохимии химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, член-корреспондент Российской академии наук Евгений Антипов

— Евгений Викторович, прежде всего, примите мои поздравления с премией Сбера за выдающиеся достижения в области высокотемпературных сверхпроводников и материалов для металл-ионных аккумуляторов!

— Спасибо большое за поздравления! Если честно, для меня это оказалось в определенной степени сюрпризом. Я не знал, что меня номинировали. Так что известие стало приятной неожиданностью. Конечно, все это признание очень вдохновляет — оно показывает, что направление, в котором мы работаем, действительно важно и востребовано.

— Расскажите, чем особенна ваша работа в области металл-ионных аккумуляторов?

— Думаю, наше главное достижение заключается в том, что мы не просто глубоко изучали и улучшали свойства уже известных катодных материалов для аккумуляторов. Мы стремились создавать совершенно новые типы и структуры как катодных, так и анодных материалов, которые могут использоваться в аккумуляторах нового поколения. Это, на мой взгляд, является основным достоинством нашей работы, поскольку было создано значительное количество новых электродных материалов.

Мы исходили из представлений о том, как комбинация химических элементов может сформировать структуру, обладающую необходимыми свойствами. Например, в случае сверхпроводников ключевыми элементами были медь и кислород, а для аккумуляторов — литий для литийионных и натрий для натрийионных аккумуляторов. Вокруг этих элементов добавляются переходные металлы, кислород, фтор, фосфор и другие, при этом мы стараемся использовать как можно более дешевые варианты. Таким образом, формируется кристаллическая структура, которая обеспечивает обратимое извлечение и внедрение щелочных катионов, таких как литий и натрий, при заряде или разряде аккумулятора.

— Это потенциально рыночный, конкурентоспособный на мировом уровне результат?

— Я считаю, что нам удалось разработать ряд конкурентоспособных материалов с отличными характеристиками. Мы надеемся, что они будут внедрены в реальное производство аккумуляторов, что позволит России занять достойное место на этом мировом рынке.

— Работы по высокотемпературным сверхпроводникам часто называют авангардом материаловедения. Ведь сверхпроводимость при высоких температурах — это своего рода "святая чаша" физики твердого тела. Для наших читателей, возможно, не слишком знакомых с термином, могли бы вы коротко объяснить, что такое сверхпроводимость?

— Разумеется. Сверхпроводимость — это феномен, при котором определенный материал при снижении температуры ниже некоторой критической точки полностью теряет электрическое сопротивление. Иными словами, электрический ток может течь через него без каких-либо потерь энергии. Классические сверхпроводники работают при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю. Высокотемпературная сверхпроводимость — это когда такие свойства проявляются уже при гораздо более "теплых" условиях, например при температурах выше температуры кипения жидкого азота (ниже 77 кельвинов), что значительно упрощает практическое применение.

— Вы упомянули высокотемпературные сверхпроводники. Когда-то максимальная температура сверхпроводящего перехода была чуть больше 20 кельвинов, а сейчас уже достигает 135 кельвинов при нормальном давлении, а под высоким давлением — и вовсе боле 160 кельвинов. Как вы видите дальнейшие перспективы? Возможно ли достичь сверхпроводимости при еще более высоких температурах, возможно, даже при комнатной?

— Это действительно мечта. Мы с коллегами открыли семейство ртутных высокотемпературных сверхпроводников, в которых рекордная критическая температура перехода при нормальном давлении достигает примерно 135 кельвинов. Если на образец "надавить" высоким давлением — сотни тысяч атмосфер, — можно поднять температуру сверхпроводящего перехода и выше 160 кельвинов. Это указывает на то, что, изменяя структуру материала, добиваясь своего рода "химического сжатия", мы можем продвинуться еще дальше.

Есть два пути. Первый — химически модифицировать кристаллическую структуру, заставляя межатомные расстояния сокращаться неравномерно (анизотропное сжатие с сокращением расстояний в слое между атомами меди и кислорода). Второй — создавать тонкие эпитаксиальные пленки сверхпроводников на подходящих подложках, где за счет эпитаксиального роста слоев также могут уменьшиться эти межатомные расстояния. Так мы можем симулировать высокое давление в структуре сверхпроводника.

Что до комнатной температуры — это пока остается за горизонтом. Да, иногда появляются публикации, где авторы заявляют о сверхпроводимости при комнатной температуре, но они, к сожалению, не находят подтверждения и отзываются. Однако это не отменяет того, что мечта жива, и ученые по всему миру продолжают искать сверхпроводящие материалы, которые смогли бы работать при температурах, близких к комнатной.

— Вы упомянули известную историю открытия высокотемпературных сверхпроводников в купратах Мюллером и Беднорцом, которые буквально поплыли против течения общепринятых теорий. Вы, со своей стороны, открыли целое сверхпроводящее семейство с ртутью. Насколько этот путь похож на путь первооткрывателей?

— Алекс Мюллер и Георг Беднорц совершили, по сути, плавание в область, где никто не ожидал найти сверхпроводимость. Как Колумб, поплывший в непредсказуемом направлении, они занялись соединениями, по мнению большинства теоретиков, не годящимися для сверхпроводимости. Оказалось, что она там есть и к тому же при существенно более высоких температурах. Это стало таким же открытием новых земель.

Наши собственные исследования с ртутью проводились с целью достижения более высоких температур сверхпроводимости у купратов (соединений меди и кислорода с другими химическими элементами). Мы стремились создать материал с оптимальной архитектурой медь-кислородных слоев. Ртуть помогла добиться рекордных температур сверхпроводимости.

— Сейчас много говорят о новых высокотемпературных сверхпроводниках под сверхвысоким давлением, о гидридах, о неожиданных системах на основе железа. Звучат имена и ваших коллег, в том числе Артема Оганова, который активно разрабатывает подходы поиска новых материалов, применяемых в экстремальных условиях. Какова роль этих исследований в понимании принципов сверхпроводимости?

— Они подтверждают, что природа гораздо богаче наших первоначальных представлений. Было широко распространено мнение, что в определенных соединениях сверхпроводимость невозможна. А потом появляются железопниктиды (соединения железа м мышьяка) или гидриды под сверхвысоким давлением, которые демонстрируют обратное. Работы Артема Оганова и его коллег, открытие Еремеца с коллегами сверхпроводимости при очень высокой температуре под гигантским давлением, показывают: мы можем находить сверхпроводимость в самых неожиданных областях химического пространства. Да, давление пока делает эти достижения невозможными для практического применения, но теоретическое понимание механизмов и структурных особенностей таких материалов может привести к созданию сверхпроводников, стабильных уже при нормальном давлении.

— Для широкой аудитории сверхпроводимость может звучать как нечто далекое от повседневной жизни. Что нам даст сверхпроводимость при более высоких температурах?

— Представьте себе передачу электроэнергии без потерь. Сейчас мы теряем огромное количество энергии, просто переправляя ее по линиям электропередачи. Сверхпроводящие кабели позволили бы транспортировать электричество намного эффективнее. Другое применение — магнитная левитация, которая открывает путь к поездам без колес и трения, к более легким и мощным электродвигателям, к новым видам транспорта.

Медицинские томографы на сверхпроводящих магнитах уже стали реальностью. Улучшение таких технологий сделает диагностику более доступной и точной. А дальше — летающие скейтборды, велосипеды на магнитной подушке… Это пока звучит как фантастика, но сверхпроводимость способна поднять многие инженерные решения на новую ступень.

— Как вы оцениваете вклад российских ученых в мировую науку о сверхпроводниках?

— Наши работы, особенно по открытию ртутных сверхпроводников, на момент открытия были передовыми. По сегодняшний день рекордная температура перехода при нормальном давлении, достигнутая в ртутных купратах, не была превзойдена. Значимые этапы открытия сверхпроводящих семейств проходили по всему миру: Швейцария, США, Япония. Но следующий после таллийсодержащих купратов рекорд принадлежит нашему семейству сверхпроводников.

Сейчас много блестящих работ ведется и в других странах. Например, уже упомянутые гидриды, сверхпроводящие под сверхвысоким давлением, исследуются в Германии, США, Китае. Но в России тоже проводятся очень интересные исследования, и у нас есть свои уникальные компетенции и подходы.

— Значит, путь к идеальному материалу, способному быть сверхпроводником при нормальном давлении и комнатной температуре, еще не завершен?

— Я бы сказал так: этот поиск напоминает эпоху Великих географических открытий. Мы знаем, что новые земли есть — нужно только выбрать правильное направление и быть готовыми к неожиданностям. Когда мы с коллегами собирались в Норвегии для обсуждения перспектив, почти все были осторожны: многие говорили, что в ближайшие 20–30 лет достичь сверхпроводимости при существенно более высоких температурах без давления будет трудно. Но надежда остается. По крайней мере, мы точно еще далеко не исчерпали всю таблицу Менделеева и ее сочетания. Интересные открытия ждут нас впереди.

Интервью брал Андрей Резниченко