На счету этой разработки уже не одна медаль международных выставок – в Загребе, Женеве, Москве… Ею интересуются промышленники, ее показывают многим гостям ТГУ как пример уникальных технологий, созданных университетскими учеными. Вакуумно-плазменная установка СПРУТ – так назвали разработчики свое детище.
В 2010 году физики ТГУ выиграли мегагрант, в рамках которого была создана лаборатория наноструктурных поверхностей и покрытий. И тогда же появился первый вариант установки.
- При создании лаборатории мы ставили перед собой сразу две задачи – проведение теоретических исследований и их практическое применение, - говорит зав. лабораторией Владимир Кузнецов. – И таким практическим направлением деятельности лаборатории является разработка технологий по вакуумно-плазменной модификации поверхностей и нанесения нанокомпозиционных покрытий, а также создание нового оборудования для этого. Известно, что свойства материалов в основном определяются их поверхностью. Если, например, болванку сделать полой, но хорошо упрочнить ее поверхность, то по свойствам она практически не будет отличаться от такой же детали из целого металла. Сегодня жизнь требует разработки новых материалов, с новыми свойствами, и обеспечить их можно как раз за счет нанесения специальных покрытий.
Физика на поверхности
Технология модификации поверхностей и нанесения покрытий довольно сложна и требует почти ювелирной точности. На основной материал (подложку), например, из никелида титана, наносится тонкий слой кремния, а потом его начинают «бомбардировать» атомами аргона, фактически вбивая кремний в подложку. Для успешности процесса необходимо правильно подобрать силу удара, толщину слоя, температуру и так далее. Поэтому отработка технологии заняла не один год.
Параллельно разрабатывалось оборудование для модификации поверхностей и нанесения покрытий. Первый вариант установки был создан в 2010 году, тогда она обрабатывала только плоские детали. Назвали ее СПРУТ. Постепенно установка модернизировалась и сейчас включает в себя большое количество технологических плазменных источников: электродуговые испарители, магнетронно-распылительные системы и генераторы объемной газоразрядной плазмы, имеющие современные источники электропитания с большим частотным диапазоном. Во время работы плазма равномерно распределяется в камере, чтобы «охватить» деталь со всех сторон. Можно менять состав плазмообразующей среды, температуру в зависимости от того, какое покрытие хотят получить на выходе.
- Быстрота, а, следовательно, эффективность метода зависят от концентрации плазмы – чем больше атомов, тем быстрее идет процесс, более плавно покрывается поверхность. Поэтому основная идея технологии – создание источников с высокой концентрацией плазмы. Сейчас в мире используется концентрация 10 в 10-й степени ионов на кубический см., у нас же она составляет 10 в 11-й степени, то есть фактически мы в десять раз подняли концентрацию, в настоящее время пытаемся поднять ее до 10 в 12-й степени - объясняет Владимир Кузнецов.
Сто раз отмерь
Технология, разработанная учеными, – это основа, на которой создаются для заказчика покрытия с заданными свойствами, составом. Сначала проводится полный комплекс исследований, определяется необходимый режим для создания конкретных покрытий, модифицируется камера. Все это невозможно без специального аналитического оборудования, которое позволяет отработать технологию, и у ТГУ в этом плане есть большое преимущество.
- Что значит отработать технологию? Ну, вот у вас имеется новая подложка, новый материал, и нужно сделать новое покрытие. Вы, когда начинаете напылять, не можете наверняка знать, что у вас получится. Нужно сначала сделать напыление на образец, проверить его под электронным микроскопом, на наноиндентере, на дифрактометре, чтобы определить глубину обработки поверхности, толщину, элементный состав и так далее. Потом меняете параметры процесса, получаете измененное покрытие и снова исследуете его с помощью приборов. И пока вы так туда-сюда раз сто не сходите, вынеобходимое покрытие не получите. А такое возможно только когда у вас «под рукой» современный аналитический исследовательский комплекс, которого практически ни у кого нет, кроме ТГУ. Мы может определять полностью элементный состав на глубину 300 микрон, смотреть – каким образом модифицировали поверхность.
В числе лидеров
Сейчас совместно с ИФПМ СО РАН разработчики выполняют проект по модификации поверхностей и созданию покрытий для космической техники. Другой совместный проект связан с разработкой кальциево-фосфатных покрытий для технологической платформы «Медицина будущего», с которой физики сотрудничают уже два года. Благодаря таким покрытиям имплантаты не будут отторгаться организмом человека.
- Мы занялись этим сравнительно недавно, но университет уже выходит в этой области на лидирующие позиции, - считает старший научный сотрудник лаборатории Дмитрий Борисов. – Мы уже сами можем производить вакуумно-плазменные устройства для нанесения различных покрытий. Поскольку у нас научная организация, а не завод, мы занимаемся разработкой и производством нестандартных, инновационных вещей, основанных на передовых исследованиях. А СПРУТ – это установка, на которой мы оттачиваем технологический процесс.
В конечном счете, физики ТГУ решают одну из главных актуальных задач на сегодня – создание импортозамещающих технологий. Тем более что данная разработка предназначена, прежде всего, для важнейших отраслей экономики России. Вот только найти инвесторов для промышленного производства все также проблематично, - признается Владимир Кузнецов. - Мы завоевываем медали на международных выставках, а вопрос практического применения остается открытым.