У світі немає нічого ідеального. Однак, це, швидше, не вада, а плюс, з якого можна отримати користь. Додавши мінус. Саме цим і займаються на кафедрі фізики і хімії твердого тіла фізико-технічного факультету Прикарпатського університету.
На цій кафедрі працює кандидат фізико-математичних наук, професор Любомир Никируй. Знайомтеся.
У 1995 році Любомир Никируй закінчив Чернівецький державний університет імені Ю. Федьковича за спеціальністю фізик, викладач. Згодом – аспірантуру Прикарпатського національного університету імені Василя Стефаника, за спеціальністю хімія твердого тіла.
Кандидатську дисертацію присвятив механізмам розсіювання носіїв заряду та оптимізації термоелектричних властивостей кристалів PbTe, PbSe, PbS n-типу провідності.
Кандидат фізико-математичних наук з 2004 року за спеціальністю фізика напівпровідників і діелектриків. Область наукових інтересів професора: матеріалознавство, фізика напівпровідників, наноматеріали.
В кабінеті у професора, не надто великому, але й не дуже маленькому, тісно. Тут стоїть обладнання, на якому він із колегами по кафедрі розробляє нові матеріали. Робить, з точки зору абсолютно ідеальної структури, цілковито дефектні речі. Багаторазово змінюючи, ламаючи, переставляючи, наповнюючи і забираючи, намагається створити матеріали, користь від використання яких буде найвищою.
Щоби цього досягти, треба змінити властивості матеріалу на атомарному рівні. Вчені кафедри точно знають, де, скільки, чого треба забрати, додати, аби властивості матеріалу змінити у потрібному їм напрямку.
«Простішими словами, наприклад, шматок металу проводить електричний струм. Якщо структура, будова його ідеальна, немає ніяких перешкод і вад, струм по ньому тече вільно, ніщо його не стримує. Якщо ж є дефекти, тріщини, струм проходить повільніше. Внаслідок цього виділяється тепло або спостерігаються інші ефекти. Цю властивість дефектів ми й використовуємо для створення нових матеріалів, які можна застосовувати на практиці», – намагається розтлумачити мені професор.
Різниця температур
На кафедрі займаються напівпровідниками, з яких створена вся сучасна електроніка. Напівпровідники можуть змінювати струм, підсилювати, послаблювати його. Тривалий час тут виготовляли матеріали інфрачервоної техніки. Були навіть великі замовлення для оборонної галузі – розробляли матеріали для систем наведення. Сьогодні працюють в іншому напрямку.
Якщо застосувати трохи іншу технологію, пояснює професор Никируй, матеріал, який розробляли для систем наведення, може стати одним із кращих у світі матеріалів для перетворення тепла в електрику. Сьогодні на кафедрі активно займаються термоелектрикою.
«Працює це просто: якщо з одного боку щось нагрівається, а інша сторона холодніша, то на кінцях цього матеріалу утворюється різниця потенціалів. Наприклад, ви можете кип’ятити воду чи готувати їжу і одночасно отримувати електрику всього лиш на різниці температур полум’я і води в казанку, яка ніколи не є вищою за 100оС. На різниці температур генерується струм».
Ця ідея не нова. Вже на початку 20 століття це явище було відоме. Однак на той час базовими матеріалами були метали і їх коефіцієнт корисної дії був дуже низький. Згодом змінилися технології і сьогодні за такими матеріалами може бути майбутнє, говорить Любомир Никируй.
Модулі з такими елементами можна використовувати там, де немає і куди невигідно тягнути електроенергію. Чим більше таких елементів, тим більше електроенергії можна згенерувати. Саме для таких модулів вчені-фізики ПНУ і розробляють матеріали.
Тіло як джерело енергії
На кафедрі виготовляють термоелектричні модулі двох типів – об’ємні і на основі тонких плівок. Тонкі плівки – специфіка цієї кафедри, яку заснував професор Дмитро Фреїк. Він навчався в нашому інституті, згодом заснував тут цілий напрямок – тонкоплівкове напівпровідникове матеріалознавство. Створив його з нуля. Більше ніхто в Україні, стверджує професор Никируй, не робив цього на такому високому рівні.
Вирощують плівки ось у таких апаратах, яких на кафедрі є кілька.
Перевагою пристроїв на основі цих плівок є їх мініатюрність. Тому вони вимагають у тисячі разів меншу кількість дороговартісного матеріалу для їх створення. На основі одних типів матеріалів вчені кафедри створюють дешеві і конкурентні фотоелектричні модулі, а на основі інших – мікроперетворювачі енергії, які можуть генерувати струм, наприклад, для кардіостимуляторів чи, а з іншої сторони, охолоджувати комп’ютерні процесори.
До кінця року молоді вчені, кандидати наук, які вчаться і працюють на кафедрі, мають завершити один із проєктів, на який вони виграли грант. Мова йде про тонкоплівковий модуль, який працює на різниці температур. Їхня особливість – тонкі плівки і невеликий розмір – визначають сферу їх застосування. Саме ці модулі мають стати джерелами живлення для кардіостимуляторів. Такі джерела живлення для кардіостимуляторів не потребуватимуть заміни. Тому не потрібні будуть операції, які важко переносять пацієнти.
«Температура тіла 36,6оС. Зовнішня температура нижча. На цій різниці можна генерувати струм. Ми можемо розробити матеріали, які працюватимуть навіть на різниці температур між двома внутрішніми органами людини. Таке джерело живлення досить один раз імплантувати (вшити), і воно постійно працюватиме», – пояснює професор ідею.
У цих контейнерах вже готові «вирощені» плівки. Змінюючи швидкість нанесення матеріалу та впливаючи певними методами на його кристалічну структуру, вчені спрямовано створюють необхідну дефектну структуру, щоб матеріал краще проводив струм та гірше – тепло.
«Іншими словами, такий матеріал складається з великої кількості мікро- та нанокристаликів, розміри яких ми контролюємо Саме такі матеріали найкращі для термоелектрики.»
Цей процес доволі складний і потребує, крім фахівців, відповідного обладнання. Частково, каже професор Никируй, вчені працюють на старих приладах, яким вже багато років. Однак, в цьому є і свої плюси – щоб дешевшими, простішими методами досягнути результатів, які – не завдяки, а всупереч – дають меншу собівартість готових матеріалів.
Вони старі, але роботу свою роблять відмінно, каже професор. Однак міжнародні партнери для виконання серйозних міжнародних проєктів вимагають сучасного обладнання. Його купують в рамках міжнародних грантів.
А ще в нагоді стали нові комп’ютерні програми. У них можна змоделювати експеримент і втілити на практиці найбільш відповідну модель. Отримати результат і рухатися далі. Ці програми платні, але це набагато дешевше і швидше, ніж робити сотні і тисячі експериментів, один з яких може тривати до тижня.
«Ти можеш бути супер-вченим і мати супер-ідею, але в умовах проєкту мусиш вказати, на якому обладнанні ти це робиш. Тобі більше довірятимуть, якщо розумітимуть, на чому ти працюєш. На жаль, такі реалії. Тепер же весь цикл синтезу цих матеріалів ми можемо робити у нас в університеті на закупленому обладнанні від цього проекту», – говорить Любомир Никируй.
Холодильники для вакцин
Інша технологія дозволяє створювати об’ємні перетворювачі енергії. Матеріали синтезують, перемелюють на порошок, потім порошок ділять на різні групи за розмірами, змішують, пресують: чим більше таких зон поділу, тим гірше проводиться тепло і тим краще для термоелектрики. Але при цьому ми намагаємося тримати баланс, щоб добре проводився електричний струм.
Розмір такого готового модуля, як пів смартфона. Він може працювати у два боки – якщо пропускати через нього струм, одна з його сторін буде грітися, а інша охолоджуватиметься. На цьому принципі Богдан Дзундза, випускник кафедри, кандидат фізмат наук, який сьогодні працює на кафедрі комп’ютерної інженерії, розробив термоелектричний холодильник. Зараз його тестують.
«Його можна використовувати для транспортування ліків. Такі холодильники дуже чітко можуть підтримувати температуру. Його хочуть зареєструвати як стартап і отримати фінансування для запуску у виробництво. Потужностей університету вистачає для виготовлення невеликих партій», – говорить науковець.
Також на таких елементах можна створювати охолоджувачі для приміщень. Вони компактні, не продукують шуму, бо там немає двигунів, не є джерелами бактерій і плісняви, бо там немає контейнерів з фільтрами. Це звичайне охолодження повітря за рахунок тепловіддачі.
Культура бізнесу
Любомир Никируй стверджує, цей продукт можна вивести на ринок двома шляхами. Перший – шукати інвестиції, створювати виробництво, і мати своє підприємство в Івано-Франківську. Однак це дуже тривалий шлях. Простіший і швидший спосіб – зробити один прилад, захистити його патентами і продати технологію компанії, яка має можливості запустити виробництво за лічені місяці і почати серійне виготовлення. А кошти з відсотків можна було б вкладати в нові розробки.
Однак, – і це проблема української економіки, вважає професор, – у нас немає культури бізнесу. Українські інвестори не готові вкладати кошти в те, що окупиться за сім років – такий термін окупності цих приладів. У нас швидше вкладуть гроші в торгівлю, де можна зіграти на різниці цін, ПДВ, що принесе прибуток найдалі за рік. Вкладати кошти готові іноземні компанії. Проте, їх турбує законодавство України. Тому вони воліють вкладати кошти у виробництво у своїх країнах, чи в країнах, де менше ризиків. Тому наші люди, які мають що запропонувати, намагаються з України виїхати, переконаний професор.
І все ж, каже він, серед фізиків багато молоді. Багато хто прагне вчитися в аспірантурі. І це не може не тішити.
Не ремонтувати, а створювати
Уряди розвинених країн, каже професор Никируй, вкладають кошти в енергетику та медицину. Їм не цікаво просто фінансувати науку заради самої науки. Тому підтримують тих науковців, які розробляють щось, що може мати практичне застосування. Наприклад, розробки нового обладнання.
Нещодавно на кафедрі фізики і хімії твердого тіла фізико-технічного факультету ПНУ відкрилася спеціальна освітня програма «Медична фізика». Дехто помилково вважає, що медична фізика – це підготовка спеціалістів для обслуговування чи ремонту медичної апаратури. Однак, говорить Любомир Никируй, це далеко не так.
«Одним із перших українців, які створювали медичне обладнання, був Іван Пулюй, український першовідкривач радіоактивного випромінювання. Можна сказати, ми продовжуємо його справу. Ми хочемо навчати студентів створювати медичне обладнання. Створювати стартапи і виготовляти це обладнання. Не ремонтувати. Це минуле. Сьогодні невигідно ремонтувати обладнання. Його вартість така, що дешевше поміняти один блок чи модуль. Ми пішли іншим шляхом – створення обладнання».
Розширення горизонтів
У 2006 році Любомир Никируй вперше для себе представляв можливості науковців ПНУ на міжнародному рівні. Це були поїздки до В’єтнаму та Китаю. Ці поїздки закінчилися підписанням угод про наміри щодо співпраці, було реалізовано кілька успішних спільних проєктів, зокрема щодо розробки препаратів для передпосівної обробки насіння (кафедра хімії) та на тему дослідження оксидів металів – з кафедрою матеріалознавства і технологій.
Любомир Никируй керував ще кількома проєктами з білорусами. Сьогодні професор є офіційним представником Національного контактного пункту програми Європейського Союзу «Горизонт 2020» за напрямком «Нанотехнології, сучасні матеріали та передові промислові виробництва». Таких в Україні є близько 15 пунктів з різних напрямків. Це найбільша у Європі грантова програма. Тут допомагають знаходити потрібні наукові контакти, писати запити на отримання коштів для наукових розробок.
Загалом, каже професор Никируй, на фізико-технічному факультеті багато різних можливостей. Їхні фізики, як і студенти будь-якої іншої спеціальності ПНУ, мають змогу в рамках співпраці з іноземними, зокрема, польськими університетами отримати подвійні дипломи. Наші студенти навчаються і в ПНУ, і за кордоном.
Один із них – Ростислав Яворський, який у грудні минулого року став одним із перших докторів філософії з фізики. Так називається кандидат наук за світовими стандартами. Ростислав працює над ще одним видом матеріалів – тонкоплівковими фотоелектричними гетеросистемами. Вчений навчався в ПНУ і паралельно в Жешувському університеті (м. Жешув, Польща).
«Він займався питанням фотоелектрики. І я, як його науковий керівник ставив питання про спільні дослідження. У нас із польськими колегами вийшла грандіозна серія публікацій в першорівневих наукових журналах. Дисертація фантастична, результати цікаві дуже. Поляки мають обладнання для тестування, але через COVID ми не змогли всі наші зразки протестувати. Ростислав нещодавно знову виграв грант на поїздку в Польщу, але все ще не може поїхати…»
Тож, якщо бути активним, можна писати публікації, презентувати свою діяльність і бути помітним у світовій науковій спільноті, – переконує Любомир Никируй.
“Наука заради миру та безпеки”
Один із таких поважних міжнародних проєктів в рамках співпраці з НАТО професор Никируй розпочинав з 2011 року. Він був директором проєкту наукової програми НАТО “Наука заради миру та безпеки”. Сумарне фінансування НАТО цього проекту скало 239 000 Євро. Вчені під керівництвом професора Никируя створювали об’ємні термоелектричні матеріали для оборони і енергетичної безпеки. За умовами проєкту ПНУ мусів мати партнера з однієї із країн НАТО. Такого партнера знайшли в Анкарі: університет Газі. Вчені шукали матеріали для важкої військової техніки.
«Ідея була в тому, аби забирати з двигуна тепло, яке викидається ним під час роботи, і перетворювати його на електричну енергію. Цим вбивалося кількох зайців: по-перше, чим більше забрати тепла, тим менше видно машину в тепловізор, по-друге, на акумульованій енергії працює вся електроніка бойової машини. По-третє, менше спалюється палива на роботу електроніки, отже, більший запас ходу. Крім того, це вже екологічна безпека, бо менше викидів у середовище, менше треба викопного палива. Тобто, в глобальному плані цей проєкт був цікавий для НАТО», розповідає професор Никируй.
Свою частину – розробку матеріалів – вчені ПНУ виконали. Показали себе на міжнародній термоелектричній конференції. Їх побачили у світі, було нав’язано контакти. Сьогодні вчені-фізики з ПНУ активно працюють у колах, пов’язаних зі світовою термоелектрикою.
Два місяці тому вчені-фізики з ПНУ підписали ще одну угоду по НАТО з університетом Центральної Флориди (США). Невеликий субпроєкт на дослідження технології тонких плівок.
НАТО, каже професор Никируй, доволі потужно підтримує науку, вкладає кошти в те, щоби вчені працювали в себе дома, а не їхали хтозна куди. І тому, якщо хотіти, можна знаходити кошти за кордоном, а робити науку в Україні.
Володимир Гарматюк ( Пресслужба ПНУ)
